1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 故障诊断试验系统设计 信号采集 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 I 摘 要 多级流模型 (MFM， Multilevel flow models)是系统目标和功能的图形化，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。 本系统针对流程工业的温度、流量、液位等缓变信号的采集，但为了使采
2、集器具有分布式系统设备故障定位的功能要求，结构上采用了单片机结构，负责数据采集的通信。 该系统主要包括现场数据采集、数据显示等单元。现场数据经各类传感器采集上来后经调理电路接入单片机进行 A/D 转换、分析和 处理、液晶实时显示。 本文研究的分布式设备故障诊断的嵌入式数据采集系统发挥多级流模型的优势，实时性高、扩展能力强，适用于流程工业领域的缓变信号采集与故障初诊断。 关键词 ：多级流模型；故障诊断；数据采集；单片机 II Fault Diagnosis Experiment System Design Signal Acquisition Abstract Multilevel flow m
3、odels, 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 graphic symbols. Serving as a functio
4、nal 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 industry, because most of the signa
5、l need collected in the process industry are temperature, flow, level and etc, to meet the challenge of the equipment, Each distributed nodes use single-chip microcomputer, which is for data acquisition. In this system, the structure included the scene data acquisition, data display. Field data acce
6、ss by adjusting circuit microcontroller on A/D conversion and analysis and processing. This paper studies embedded data acquisition system of the distributed equipment fault diagnosis is reliable, real-time, high expansion ability is strong, suitable for the process industry and other areas of slow
7、change signal acquisition and fault early diagnosis. Key Words: MFM; Fault diagnosis; Data acquisition; Microcontroller III 目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪论 . 1 1.1 选题的背景和意义 . 1 1.2 故障诊断的现状与发展 . 2 1.2.1 国外的现状与发展 . 2 1.2.2 国内的现状与发展 . 3 1.3 研究开发内容和技术关键、技术路线 . 4 第二章 MFM 建模方法与故障诊断技术研究 . 5 2.1 引言 . 5 2.2
8、MFM 建模的理论基础 . 5 2.2.1 目标 . 5 2.2.2 功能 . 6 2.2.3 设备元件 . 8 2.2.4 目标、功能、设备元件之间的映射关系 . 8 2.2.5 MFM 的层次关系 . 9 2.3 故障诊断算法 . 10 2.4 试验台总体方案 . 10 2.4.1 传感器 . 12 2.4.2 基于单片机的数据采集系统 . 13 2.4.3 硬件设计 . 17 2.4.4 软件设计 . 20 第三章 基于 MFM 的故障定位 . 22 3.1 故障初诊断的实现 . 22 3.2 软件系统集成 . 22 3.2.1 软件流程图 . 22 3.2.2 单片机故障初诊断 . 2
9、4 第四章 总结 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 第一章 绪论 1.1 选题的背景和意义 故障检测就是使用各种检查和校验方法，发现系统和设备是否存在故障的过程；故障定位就是进一步确定故障所在大致部位的过程；故障隔离就是要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次的过程。故障诊断就是指检测故障和隔离故障的过程。 故障检测与诊断技术的研究与应用对于保障流程工业中设备安全、可靠、高效运行，消除设备以及由设备组成的生产系统的故障隐患，避免事故的发生具有重要理论意义和应用价值。 近几十年来，故障诊断技术研 究一直十分活跃。随着人工智能、电子技术、计算机网络等新兴交叉学科的
10、发展，故障诊断技术已经取得了巨大的进展，故障诊断方法很多，如信号分析法、定性趋势分析法、专家系统以及神经网络等方法1。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。然而，随着系统生产过程复杂化，科学技术的不断进 步和现代流程工业的迅速发展，不同设备间往往存在关联与耦合，使得设备级故障诊断系统已经不能满足整个过程的故障分析。系统级故障诊断技术的研究之所以成为了一个重要的课题，是为了诊断分析流程工业系统的生产过程是否发生故障。通过故障警报分析和诊断，从而来确定其中导致故障的设备元件，是保证这个系统稳定与安全运行的重要方法。 复杂错综的工业流程，如化工、石油炼制、电力等行业
11、，它们通常处于低温真空或高温高压等极端的条件下，如果操作员疏于检测，操作不当或者因为某些难以抗拒的自然因素，将导致爆炸、生产中断等事故。近年来，反应器 升压爆炸、锅炉内设备爆炸、汽轮机阀体破坏等事故经常发生，这不仅对人身安全产生严重威胁，而且带来巨大的生产损失 2。根据石化行业的统计， 1976 到 1985 年，由于事故停车，我国化肥五大机组造成了高达四亿多元的经济损失 3。 1979 年 ， 由于 设备的连锁失效以及 操作人员失误 ，导致美国 三里岛核电站 放射性的物质经过贮存罐释放到大气中，使得直接 经济损失 高达近十 亿美元。 1986 年 4 月，因工作 人员 操作 违章 ，前苏联的
12、切尔诺贝利核电站 4 号反应堆内的石墨燃烧，从而导致反应堆爆炸，使得 不到 30 人死亡，直接经济损失就达几十亿美元 4。 2000 年6 月，科威特明那 阿哈麦迪炼油厂发生爆炸，此次事故造成的损失达一亿美元。2005 年，山东黄岛电厂里的一台 22 万千瓦的发电系统以 及德州电厂了的两台 70万千瓦的发电系统因事故停机，造成了该省网的供电容量减少了将近有 150 万千瓦，损失极其巨大。 据有关工业统计可以看出，大型系统的复杂生产过程事故虽然引起的大灾难可能是偶然的，但小事故却是常有的，每年将造成近几十亿美元2 的损失 5,6。 根据相关的文献记录 ，因为缺少了故障诊断的系统，美国石化工业将导
13、致每年大约有二百亿美元的经济损失 7，相似的事故导致英国每年约有二百七十亿美元的经济损失 8。 总体来说，复杂的流程工业系统，如果发生了故障，损失肯定是巨大的。因此，社会越来越多地关注对流程工业生产过程的故障诊断问题，完善的流程工业故障诊断系统建立，从设备故障中快速找出故障根源，减少系统设备的失效，从而使其它设备连锁失效的发生概率减少，避免事故的扩大，确保生产过程可以可靠安全地运行，以此来消除事故，是亟待解决的问题 9。 故障诊断不仅在流程工业中体现，在航空航天中也有具体表现。 众所周知，航空航天是故障检测和故障诊断技术得到较早使用的领域，也是危害极大且故障多发的领域，包括导航控制、轨道监视、
14、航天测控以及航天器安全性和可靠性等在内的多个分支，都有故障检测与诊断技术应用成功的案例。 近三十年来，航天故障诊断一直是故障诊断方法研究和技术应用的主战场。这 不仅表现在故障诊断的理论与技术中一些有影响的重要分支，其发展过程与航天故障分析技术有着很深的历史渊源，也表现在大量故障诊断方法都曾在航空航天领域中得到了广泛应用，更重要的还在于航天故障的复杂性对故障诊断技术发展不断产生推动作用。 为了及时避免巨大事故的发生，各个国家都非常重视故障诊断与在线监测系统的研究。它除了能保障人身和系统的安全，还具有较高的社会效益和经济效益。 1.2 故障诊断的现状与发展 这几十年以来，研究故障诊断技术向来都是非
15、常活跃的。随着计算机网络、电子技术、人工智能等新兴学科的不断发展 ，此技术已取得了极大进展，出现了各种不同的诊断方法，例如，定性趋势分析法、专家系统、信号分析法以及神经网络等方法。以下举几个例子来说明故障诊断在国内外的现状与发展。 1.2.1 国外的现状与发展 远程故障诊断的远程信息处理、分布式和随机性计算等技术的应用对远程故障诊断体系结构提出了进一步的要求 10。系统框架相关研究与远程故障诊断策略已经成为远程故障诊断领域的重点。在国外的有关研究中，影响较大的有以下这些：由欧盟资助的 PROTEUS 项目、由澳大利亚联邦政府投资 1750 万美元建立的 “ 工程设备集成管理研究协作中心 (CI
16、EAM)” 以及美国国家自然科学基金资助的 “ 智能维护系统中心 (Center for Intelligent Maintenance systems, IMS)” 。另外，很多组织，如 COMADEM、 MFTP、 MIMOSA 等，也通过网络进行技术推广工作及装备故障诊断咨询，并制定了相关的信息交换格式和标准。 面向国际，世界上很多国家的学术界和工业界都投入了巨大的资金来建设远3 程故障诊断基站，研究远程故障诊断技术，或者增加广域网的功能。另外，研究人员开发远程诊断工具以及研究基于广域网的诊断服务支撑的软件平台。综上可知，国外对此研究更加偏向于实用化，它针对的是研究与开发具体的设备来进行
17、实际的远程维护支持，而研究的结果几乎都与市场所接轨，从而提升了远程故障诊断技术在实际应用中的经济价值，同时也在很大程度上推动了设备故障诊断技术的发 展 11。 在最近十年，在美国航空航天领域，基于多信号模型的故障诊断技术得到了广泛的应用。 1998 年美国 NASA-Ames 中心与 Qualtech System 公司 (QSI)合作，对 UH-60 通用直升机的故障诊断与健康监控进行研究，并且将实时故障诊断推理 机（ TEAMS-RT）实时故障诊断技术与多信号建模技术应用于传动系统和发动机； 1999 年， NASA-ARC 的线路集成研究小组 (WIRe)与 QSI 合作，研究基于多信号
18、模型的故障诊断，并对航天飞机的线路系统进行多信号建模； 2000 年，NASA-ARC 与 QSI 合作，对国际空间站上的 1553 总线建立多信号诊断模型，对基于多信号模型的服务器进行研究； QSI 于 2004 年推出综合诊断虚拟测试平台(VTB)，将 TEAMS 工具应用在计算机工作环境下的精确分析和建模过程中； QSI于 2006 年将 TEAMS-RT 应用在 F135 发动 机的故障诊断与在线监控中。目前，作为 Honeywell 研究小组的重要成员， QSI 承担 NASA 的第二代可重复使用运载器减少风险方案，即运载器集成健康管理系统的合同 12。 1.2.2 国内的现状与发展
19、 在国内，故障诊断也广泛应用于工业和其它工程领域。 在 各种旋转机械中，滚动轴承是应用最广泛的一种通用机械部件，它的运行状态是否正常通常直接影响到整台机器的性能 13，因此，对滚动轴承的故障诊断及状态监测具有极其重大的意义。 共振解调法也称包络分析法或高频共振法，是目前最常见 的方法之一 14.15。其工作原理是利用检测系统或轴承当作谐振体，放大故障冲击中所产生的共振信号，利用包络检测方法使该共振信号变为带着故障信息的低频波形，再利用频谱分析法算出特征频率，来确定故障类型。对于共振解调来说，选 择带通滤波器的参数是个关键问题，通常取决于历史数据和操作者的经验，在得到满意结果之前往往要经过多次尝
20、试，这在包含多个旋转部件的复杂系统中将是十分麻烦的 16。 电力行业的发展使得电网的关系越来越紧密，结构越来越复杂，规模越来越壮大，它广泛地应用了数据采 集监控系统和能量管理系统，一旦系统发生故障，对其本身会产生很大的影响，所以对于电力系统的故障诊断研究具有极大的意义。 专家系统 (expert system)是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技术。70 年代初期专家系统就引入到电力系统故障诊断研究领域，其所具有的特点与电力系统故障诊断问题有许多切合点，因此基于专家系统的故障诊断研究时间最4 长、研究最多。与专家系统相比，基于人工神经网络 (artificial neural networ
21、k ANN)的故障诊断方法具有鲁棒性好、容错能力强和学习能力强等特点。模糊理 论是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑，具有完整的推理体系的智能技术 17。另外，还有基于贝叶斯网络的电力系统故障诊断、基于故障录波器信息的电力系统故障诊断等技术。 1.3 研究开发内容和技术关键、 技术路线 本文主要研究分布式设备故障诊断的嵌入式数据采集系统。具体的研究开发内容、技术关键和技术路线如下： 1、 研究开发内容 基于嵌入式的缓变信号数据采集系统智能检测和故障初诊断； 基于多级流模型的分布式设备故障诊断数据采集硬件系统； 2、 技术关键 面向分布式设备的现场设备信号实时采集； 基于分
22、布式设备网络环境下的信号实时传输与显示； 分布式智能节点对现场的故障初诊断； 3、技术路线 本项目采用继承、吸收与自主创新相结合，网络化远程智能监测与诊断方法研究与网络化监测与诊断系统研究与开发相结合，实验与应用研究 相结合的研究方法。在具体实施中采用方法研究、系统研究与开发、实验与应用研究同步并行展开，并及时反馈研究结果信息对研究方案进行及时补充与修正。 5 第二章 MFM 建模方法与故障诊断技术研究 2.1 引言 多级流模型（ MFM， Multilevel flow models）由丹麦技术大学 Morten Lind 首先提出 18，并成功应用于系统的故障诊断，它是一种图形表达的、形式
23、化的建模方法。 MFM 建模方法认为系统是通过一系列的物质、能量、动力或者信息的流动来实现其目的，是基于流的思想而建立的模型。 MFM 作为一种功能模型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优势 19。 2.2 MFM 建模的理论基础 多级流模型（ MFM）是基于目标的层次化建模方法，对真实的物理系统以物质流、能量流、信息流的角度来进行抽象化，通过利用一些特定的图形符号从而来描述系统过程的目标、功能及设备元件，对系统的生产过程进行建模。 MFM 对系统主要进行了三个层次描述：目标、功能 、设备元件 20。 2.2
24、.1 目标 (Goals) 在 多级流 模型 中，建模思想的理论基础是目标，它能实现系统的各个部分的功能。所以，能从具体的对象中发现目标，然后对其描述是十分重要的。目标可分为三类： (1) 产量目标 产量目标 (Production goals)就是在生产过程中系统以产量来判定是不是正常。当运行正常时，特定过 程变量 及产量 在特定的范围内变化，它应满足这个不等式 01x x x 。该等式展示了系统输出应该保持在一个特定的范围内。当产量目标不满足系统时，则可以认为系统目标失效，发生故障。 (2) 安全目标 安全目标 (Safety goals)就是在生产过程中系统用安全性来 判定是不是正常。为
25、达到安全性要求，部分过程变量应当控制在特定的范围之内。一般来说安全目标只是存在上边界，这就要求某些过程变量应保持在安全范围内，远离危险值。当系统超过安全阈值时，则可以认为系统目标失效，故障发生。 (3) 经济目标 (Economy goals) 经济目标就是从优化系统总体过程的角度考虑，通常被表示成函数1 2 3( , , ,.)G x x x ， 根据经济效率的要求和运行参数的限制，应满足不等式 (2-1)。 0 1 2 3 1( , , , .)G G x x x G (2-1) 6 上式中 0G ， 1G 表示在达到满意效率情况下系统目标的阈值。当系统不再满足公式 (2-1)时，则可以认
26、为系统目标失效，故障发生。 2.2.2 功能 (Functions) 在多级流模型中，功能的概念通常是和目标联系在一起的，是在获得目标的过程中系统所具有的一种角色。功能由很多功能节点组成。因为物质流、能量流、信息流的分类不同，因此这些流的功能节点也存在着一些差异。能量流和物质流的功能节点有：存储、阻塞、传送、平衡、汇、源等；信息流的功能节点除以上六种节点外，还包括观测者、决策者、执行者等。此外，为了方便对功能节点进行管理，规定了一类组织功能节点，如管理者节点、网络节点。 (1) 源节点 (Source) 源节点表示物理系统无限贮存物质、能量、信息的一种能力。这里无限贮存能力只是一种理想假设。实
27、现源节点的典型设备有信息发送机、电力供应器、贮存器、箱体等。源节点的属性特点是只存在一个输出流，并且输出流有最大流量的限制。源节点通过输出端口与其它相应的节点连接，也可通过条件关系跟子目标连接。 (2) 传送节点 (Transport) 传送节点表示系统把物质、能量和信息从其某一功能元件传送到另一功能元件的能力。实现传送节点功能的典型设备有信息通道、通过重力传送的管道、水泵、热交换器等。它具有输入和输出 流，这些流也有一定的流量限制。传送节点通过输入和输出端口与其它功能节点相连，也可通过条件关系跟子目标连接。 (3)存储节点 (Storage) 存储节点表示系统积聚信息、能量、物质的能力。信息
28、的存储器、储存液体的箱体等是实现该节点功能的典型设备。它具有表示能量和物质积聚的数量状态的输出流量 oF 、输入流量 iF 、变量 V 。当然，它可通过输入和输出端口与其它的功能节点相连，也可通过条件关系跟子目标连接。 (4) 平衡节点 (Balance) 平衡节点表示系统保持输入流与输出流之间的平衡能力。实现平衡节点功能的典型设备有信道 调谐器、热水系统的交叉点、管道的分岔点等。平衡节点可能具有多个输入和输出端口，通过这些端口连接到其它功能节点上，也可通过条件关系跟子目标连接。 (5) 阻塞节点 (Barrier) 阻塞节点表示系统阻止把物质、能量和信息从一个功能元件传递给另一个功能元件的能力。核反应的安全罩、热源隔离材料、信息加密设备、供水系统中的存水管等是该节点功能的典型设备。阻塞节点能把经过它的流减到零或关闭。阻
