1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 故障诊断试验系统设计 系统总体设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - II - 摘 要 多级流模型 (MFM, Multilevel flow models) 是系统目标和功能的图形化模型 , 作为 一种功能模型 , MFM 通常比相应的面向事件的模型更简单 , 而对系统的描述更加完全 , 并能显著地减少计算量 ,因而在实时性要求很高的故障诊断中具有明显的优势 . 设计一个基于 MFM 的故障诊断试验系统，利用STC12C5A60S2 单片机来实现系统中故障模拟、数据采集和故障定位，从而实现在线诊断。
2、 多级流模型对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度进行抽象，把系统目标和功能及其之间的关系通过图形符号来表达的模型。作为一种功能模型， MFM通常比相应的面向事件的模型更简单，并且对系统的描述更加完全，能显著地减 少计算量，因而在实时性要求很高的故障诊断中具有明显的优势。 本试验系统针对流程工业的温度、流量、液压等缓变信号的采集，为了使采集器具有系统设备故障定位的功能要求，结构上采用了单片机结构。通过设计一个对火力供水系统的试验台来说明，多级流在流程工业上的应用。试验系统分三大部分，分别是故障模拟、数据采集、故障定位。 关键词： 多级流模型 , 故障诊断，数据采集 - III - Th
3、e Design of Fault Diagnosis Trial System-System Design Abstract Multilevel flow models (MFM) are graphical models of goals and functions of technical systems. As a functional model, MFM is usually simpler than the corresponding event - oriented model, while its description of the system is more comp
4、lete, and can significantly reduce the amount of computation, so it has obvious advantages in the real - time demanding fault diagnosis. By incorporating a project example, this paper introduces MFM and the modeling process, and uses the MFM algorithm t o realize the online diagnosis of sensor fault
5、 in the system. Multilevel flow models, the graphic form of system objectives and functions, the abstraction of genuine physical system from the perspectives of material, energy and information flow. Serving as the model that expresses system objectives and functions and their relations through grah
6、pic symbols. Serving as a functional model, MFM is easier than event-oriented model with more complete system description, capable of reducing amount of calculation remarkably. Therefore, it has obvious advantage in malfunction diagnosis with exigent Real-time. This system is aimed at the process in
7、dustry, because most of the signal need collected in the process industry are temperature, pressure and etc, TO meet the challenge of the equipment, Each distributed nodes use double single-chip microcomputer, one responsible for data acquisition and Ethernet communication, the other piece of single
8、-chip microcomputer is primarily responsible for on-site Early fault diagnosis. Keyword: multilevel flow models， Fault Diagnosis， Data Acquisitions - IV - 目录 摘 要 . IV Abstract . III 第一章 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1故障诊断的意义 . 错误 !未定义书签。 1.2流程工业中故障诊断的现状 . 2 1.2.1 国外的研究现状 . 2 1.2.2 国内的研究现状 . 3 1.3多级流故障诊断的优势 . 4
9、第二章 MFM 建模与故障诊断 . 6 2.1 MFM建模的基本概念 . 6 2.1.1 MFM 模型基本概念 . 6 2.1.2 MFM 模型的定义 . 7 2.1.3 功能节点限制条件 . 8 2.2 基于 MFM建模流程分析 . 10 第三章 基于 MFM的火力发电供水故障诊断系统总体设计 . 12 3.1试验台设计 . 12 3.2 故障模拟 . 13 3.2.1 方案设计 . 13 3.2.2 系统硬件设计 . 14 3.3故障数据采集 . 15 3.3.1 系统结构 . 15 3.3.2 流程图 . 17 3.4 故障定位 . 18 3.5故障诊断 . 20 第四章 结论 . 22
10、 4.1全文总结 . 22 参考文献 . 22 致谢 . 24 毕业设计（论文）题目 - 1 - 第一章 绪论 1.1 流程工业中故障诊断的意义 流程工业主要包括电力、石油炼制、化工、 造纸、冶金等行业 。它们主要的特点是设备环节多且各设备环节相互关联，一旦设备发生故障，系统将通过物质流、能量流、信息流把故障传递给另一设备，引起整个生产过程的瘫痪。若故障不能被及时诊断和排除将造成重大事故，因此故障诊断对于流程工业尤为重要。 近几十年来，故障诊断技术一直是十分活跃的研究领域。随着人工智能、电 子技术、计算机网络等新兴交叉学科的发展，故障诊断技术已经取得了重大的进展，各种故障诊断方法层出不穷，如信
11、号分析法、定性趋势分析法、专家系统以及神经网络等方法 1。然而，在目前的诊断方法研究中，主要是针对单一设备的诊断，也称为设备级故障诊断。随着科学技术的不断进步和现代流程工业的迅速发展，系统生产过程变得 越来越复杂，不同设备间往往存在关联与耦合，这使单一设备的故障诊断已经不能满足整个系统过程的故障分析。为了对流程工业系统的生产过程进行故障诊断分析，系统级故障诊断技术的研究已经成为十分重要的课题。系统级故障诊断通过故障警报分析与诊断，可确定系统中产生根源故障的设备元件，是保证整个系统安全与稳定运行的重要手段。 复杂的流程工业，如电力、石油炼制、化工等行业，它们的生产环境通常处于高温高压或低温真空等
12、极端条件下，一旦操作员操作不当，疏于检测或因不可抗拒的自然界因素，将导致生产中断、发生爆炸等危险。多年来，汽轮机阀 体破坏、锅炉内设备爆炸、反应器升压爆炸等事故常有发生，不仅给生产带来巨大损失，而且严重威胁着人身安全 2。据国内石化行业统计， 1976 至 1985年期间，我国化肥五大机组由于系统事故停车造成的直接经济损失就高达四亿七千五百万元 3。 1979 年 ，美国 三里岛核电站由于操作人员失误 以及设备的连锁失效导致放射性物质经贮存罐释放到大气中， 经济损失达到 十 亿美元 4。 1986年 4 月，前苏联切尔诺贝利核电站因 操作人员违章 操作而使 4 号反应堆内石墨燃烧导致原子堆芯融
13、化而发生反应堆爆炸，致使 20多人死亡，经济损失高达几十亿美元 5。 2000 年 6 月，科威特明那阿哈麦迪炼油厂爆炸事件，造成将近一亿美元的损失。 2005 年，山东德州电厂两台 70 万千瓦发电系统及黄岛电厂一台 22万千瓦发电系统连续因事故停机，造成山东省网供电容量减少近 150万千瓦，损失巨大。 据工业统计表明，虽然大型系统复杂的生产过程事故引起的大灾难可能是偶然的，但是小事故却是经常的，它每年也将导致几十亿美元的损失 6。 毕业设计（论文）题目 - 2 - 为了避免重大事故的发生，各国都十分重视在线监测与故障诊断系统的研究。它不仅可以保障系统和人身安全，还具有显著的经济效益和社会效
14、益。据有关文献记载 ，由于缺少故障诊断系统，美国石化工业每年估计将导致大约二百亿美元的损失 7。相似的事故每年导致英国二百七十亿美元的经济损失。 综上可见，对于复杂的流程工业系统来说，一旦发生故障，损失是巨大的。因此，对流程工业生产过程的故障诊断问题已经引起越来越多的关注，建立完善的流程工业故障诊断系统，从大量关联的设备故障中迅速地找出故障的根源，减少系统设备失效导致其它设备连锁失效的发生，避免事故扩大化，保证生产过程安全可靠运行，消除事故，是十分迫切的问题。 1.2 流程工业中故障诊断的研究现状 早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、听、看等手段对设备进行诊断。通过经验的积累，人们可以对
15、一些设备故障做出判断，但这种手段由于其局限性和不完善性，已不能适应现在工业生产对设备可靠性的要求。而信息技术和计算机技术的迅速发展以及各种先进数学算法的出现，为汽轮机故障诊断技术的发展提供了有利的条件。人工智能、计算机网络技术和传感技术等已经成为汽轮机故障诊断系统不可缺少的部分。 1.2.1 国外研究现状分析 国外状态监测、故障诊断近 20 年发展迅速。根据最新资料报道 :西方国家正投入大量人力、物力进行这项技术的工业 化研究以及相关基础性应用技术研究。如欧洲共同体的英、法、芬兰、希腊从 1996年 5月起，开始了一项利用人工智能和仿真技术提高状态监测和诊断系统的功能与精度的“ VISIG“大
16、型联合项目的研究。法国从 70年代末开始实施一项名为“利用永久性状态监测实现状态检修 (SAD) “的研究计划，现已成功地用在了法国 4个核电厂的汽轮发电机组、反应堆循环泵、压力容器上，计划配给法国全部核电厂。 PSAD系统是主工作站、分析工作站和远程站组成，可以实现主要部件的在线故障检测、利用专家系统对故障的评估、向全国性分析中心发送监测数据等功 能。 美国是最早从事汽轮机故障诊断研究的国家之一，在汽轮机故障诊断研究的许多方面都处于世界领先水平。美国国防部自 70年代开始进行以可靠性为中心的状态检修技术的研究，少补应用在军用飞机、船舶和车辆上。在 80年代，民用工业开始采用，在能源、电力、机
17、器制造和电子工业等行业取得了举世瞩目的成绩，如 NASA、 3M 公司、德克萨斯仪器仪表公司、 KRCC/ Sycamore 电力公司、田纳西电站、勘萨斯市政动力和照明公司等等。目前美国从事汽轮机故障诊断技术开发与研究主要有 EPRI 及部分电力公司、西屋、 Bently、 IRD、 CSI 等公司。美国 Radial 公司于 1987 年开发的汽轮发电机组振动诊断用专家系毕业设计（论文）题目 - 3 - 统（ Turbomac），在建立逻辑规则的基础上，设有表征振动过程各种成分与其可能故障源之间关系的概率数据，其搜集知识的子系统具有人 机对话形式。该系统含有 9000 条知识规则，有很大的库
18、容。 丹 麦 技 术 大 学 的 Morten Lind 于 1990 年 提 出 了 多 级 流 模 型MFM(Multilevel Flow Models, MFM) 的建模方法，能建立起复杂分布式系统的物质、能量、信息的相互关系模型，为分布式智能系统的分析提 供了有效的工具 8。 MFM是一种图形表达的、形式化的建模方法。 MFM包括系统的目标（ Goals）和功能（ Functions）模型，目标描述系统或子系统的用途，目标可以是生产目标、安全目标、经济或优化目标。而功能则通过物质流、能量流和信息流来描述系统的性能。 MFM 也描述目标和激活这些目标的功能之间、功能和提供这些功能的子系
19、统之间的关系。一个目标可能通过条件关系与一个或多个功能相联系，意味者目标是这些功能的条件。功能通过获得关系 (achieve relation)与一个或几个目标相联系，意味着由这些功能来获得 目标。瑞典 Lund 技术学院Jan Eric和 Larsson 领导的研究小组开展了 MFM在故障诊断方面的方法和应用研究工作，认为 MFM 方法比传统的基于模型的和基于规则的标准专家具有更高的效率和实时性。 MFM 的研究还刚刚起步，国内尚未见 MFM 的研究与应用方面的报道。 1.2.2 国内研究现状分析 我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，但是发展很快，经历了两个阶段： 第一阶段是从 70 年代
20、末到 80 年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究； 第二阶段是从 80 年代初期到现在，在这一阶 段，全方位开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。 1983年春，中国机械工程学会设备维修分会在南京召开了首次“设备故障诊断和状态监测研讨会”，标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段，随后又成立了一些行业协会和学术团体，其中和汽轮机故障诊断有关的主要有，中国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国机械工程学会设备维修分会、中国振动工程学会故障诊断学会及其旋转机械专业学组等。这期间，国际
21、国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理的研究十分活跃 ，并研制出了我国自己的在线监测与故障诊断装置，“八五”期间又进行了大容量火电机组监测诊断系统的研究，各种先进技术得到应用，研究步伐加快，缩小了与世界先进水平的差距，同时也形成了具有我国特点的故障诊断理论，并出版了一系列这方面的专著，主要有屈梁生、何正嘉主编的机械故障学、杨叔子等主编的机械故障诊断丛书、虞和济等主编的机械故障诊断丛书、毕业设计（论文）题目 - 4 - 徐敏等主编的设备故障诊断手册等。 目前我国从事汽轮机故障诊断技术研究与开发的单位有几十家，主要有哈尔滨工业大学、西安交通大学、清华大学、华中理工大学、东南大学、 上海交通大学、
22、华北电力大学等高等院校和西安热工研究院、上海发电设备成套设计研究所、哈尔滨电工仪表所、山东电力科学试验研究所、哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所及一些汽轮机制造厂和大型电厂等。国家在“七五”、“八五”计划期间安排的汽轮机故障诊断攻关项目促进了一大批研究单位参与汽轮机故障诊断系统的研究与开发，许多重要成果都是在这一阶段取得的，并且开发出多套故障诊断系统，代表性的国产诊断系统（如：哈尔滨工业大学的机组振动微机监测和故障诊断系统。但是，这些产品真正能够成功获得应用，在生产中发挥实际作用的少之又少 。很大程度上由于该系统的开发研制都是科研院所或者高校自行研制，没有实际的应用单位（电厂）参加，因此缺乏现场实际的
23、运行经验，这也使其技术水平受到了很大的限制。从这个角度来看，电厂和研究院所在这个领域都还有很多的工作可以做。而且，这些系统的研究和开发重点多放在诊断技术中数学算法的研究上，对诊断系统如何在现场实际中达到实用考虑不多，偏离了故障诊断最根本的实质，影响了故障诊断技术在现场的应用推广。因此国内在实现汽轮发电机组振动监测和故障诊断，使有经验的振动专家能够远程参加故障诊断，充分利用振动故障诊断专业人员的经验 ，提高振动故障诊断的及时性和准确性，记录故障产生、发展整个连续过程，提供振动故障频谱特性，建立振动故障数据库，为状态维修提供相应数据等方面还需做进一步的研究。 在国内，浙江大学、哈尔滨工业大学、西安
24、交通大学、清华大学等高校经过多年的研究与开发，也推出了相应的系统，在电力、石化等工业行业得到成功应用。但这些系统目前基本上都的针对单机组进行研究与开发的，对于结构、分布更复杂的机组群系统的智能诊断几乎未予以考虑。 1.3 多级流故障诊断的优势 MFM 在故障诊断方面的应用与其它的故障诊断方法相比，具有如下的一 些优势： 与专家系统相比，基于 MFM 的故障诊断方法具有规则一致、运行速度快等优点，而基于规则的专家系统，其规则间的相互关系不明显，可能包含不一致的规则，运行速度也相对较慢 9。 与基于模糊逻辑的诊断方法相比，基于 MFM 的故障诊断方法是属于深层知识推理的诊断方法，而基于模糊逻辑的诊
25、断方法则属于浅层知识推理的诊断方法。深层知识的诊断方法具有通用性强，诊断深入、准确，可靠性高等优点 69。 毕业设计（论文）题目 - 5 - 与神经网络相比，基于 MFM 的故障诊断方法获 取知识相对较容易，它使用专家知识构建模型，而神经网络获取知识要通过试验训练出来 10。对于大型复杂的流程工业系统来说，试验存在着危险性和经济性的问题，通过试验的方法建立神经网络显得不可取。 与经典的基于模型的诊断方法相比，基于 MFM 的故障诊断方法具有高效的建模效率和诊断效率。 通过上面的对比，可见 MFM 在故障诊断方面具有自己独特的优势。离散的逻辑、清晰的方法与目标的概念和图形建模的属性使得它具有以下
26、的一些特点 ： 1、 MFM的语义符号简单，可以用 最少数量的模型元素（功能节点）描述十分复杂的系统。 2、 MFM的目标与功能之间关系的清晰表达，使得 MFM更直观。 3、基于 MFM的故障诊断方法可以高效地解决根源分析的问题，扩展了早先的故障树诊断方法 11。 4、 MFM通过图形的表达法可以方便地全局观察整个知识库，使规则保持一致性，而且它不需要特殊的知识工程工具，更新和维护知识库方面也存在较大的优势。 5、 MFM对生产过程的抽象使得它相比基于规则的模糊逻辑系统，更容易获取知识，确定与维护知识库。 6、 MFM的方法与目标的组织结构使得它更适合自上而下的建模。这意味着它可以监测更大、更
27、复杂的 系统，而对于所感兴趣的局部过程，可以有选择地重点监测和诊断。 7、 MFM 的图形建模的方法使得基于 MFM 的故障诊断方法具有良好的实时性。 MFM的深度抽象使其诊断算法运行速度很快。例如在一个大型核电工厂基于 MFM的故障诊断方法所需要的最坏时间 (最耗时算法所需时间 )少于 4毫秒。 毕业设计（论文）题目 - 6 - 第二章 MFM 建模方法与故障诊断 2.1 MFM 建模的基本概念 MFM 是一种基于目标的层次化建模方法，它对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度进行抽象，通过使用一些特定的图形符号来描述系统过程的目标、功能以及设 备元件，从而对系统的生产过程进行建模。
28、MFM 对系统主要进行了三个层次的描述：目标 (Goals)、功能 (Functions)、设备元件 (Physical components)。 2.1.1 MFM 模型的基本概念 MFM 模型是对系统的一种规范化的描述，它说明了与人工系统有关的三个问题，即它被设计来做什么，它应该怎么来做以及它应该用什么来做。因此，MFM 模型中的三种基本概念分 M 是：目标 (goals)、功能 (functions)和物理部件(physical components)。 目标 (goals)就是系统 的 purposes 或者 objectives，即系统的构建者和使用者希望它达到的结果 (ends)，
29、而功能 (functions)则是用来获得目标的方式，即系统的能力 (powers 或 capabilities)。而物理部件 (components)则是用于组成系统的设备。 目标、功能和部件以一种特定的方式相互依赖或者影响。因此，在 MFM中存在着几种不同的联系用来连接这三种不同的对象： 达成 (achieve)关系 条件 (condition)关系 实现 (realize)关系 连接 (connection)关系 达成 (achieve)关系将一个功能的集合与一个目标相连接，它表示了这些功能是用来达到这个目标的。例如，向水箱输送水这一功能就可能是为了达到使水箱的水面保持足够的高度这一目标的。 条件 (condition)关系则是将一个子目标与一个功能相连，它表示要使功能有效，这一子目标必须首先要被满足。例如，对一个泵来说，要实现其传输物质的功能，必须首先为水泵提供电力。 实现 (realize)关系将一个部件和一个功能相连，它表示这一部件是用来实现或完成这个功能的。例如，泵是用来实现“传输物质”这一功能的。理解这一点非常重要 :所有的联 系都是多对多的。通常多个功能用来实现一个目标，一个功能也有可能用来满足多个目标 :一个目标可能是多个功能的条件，而一个功能有可能以多个目标为条件，一个功能可能由多个不同的部件来实现，而一个部
