故障诊断试验系统设计----总体设计【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 故障诊断试验系统设计 -总体设计 一 、 选题的背景、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，如信号分析法、定性趋势分析法、专家系统以及神经网络等方法

2、 错误 !未找到引用源。 。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极端条件下，一旦操作员操作不当

3、，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 错误 !未找到引用源。 。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 错误 !未找到引用源。 。 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 错误 !未找到引用源。 。 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

4、使 4 号反应堆内石墨燃烧导致原子堆芯融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 错误 !未找到引用源。 。 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 错误 !未找到引用源。 。 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

5、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 错误 !未找到引用源。 。相似的事故每年导致英国二百七十亿美元的经济损失 错误 !未找到引用源。 。 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。 二 、 相关研究的最新成果及动态

6、 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，人们可以对一些设备故障做出判断，但这种手段由于其局限性和不完备性，现在已不能适应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。 2.1 国外发展情况 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

7、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

8、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

9、统具有人 机对话形式。该系统含有 9000 条知识规则，有很大的库容。西屋公司（ WHEC）是首先将网络技术应用于汽轮机故障诊断的，他们在已经开发出的汽轮机人工智能诊断系统（ TurbineAID），发电机人工智能诊断系统（ GenAID）的基础上，在奥兰多建立了一个诊断中心（ DOC），连接了 1个电厂，运行己 10 多年，有介绍说这套系统使德克萨斯 7 台机组的非计划停机率从 1.4下降到 0.2，平均使用率由 95.2上升到 96.1。 Bently 公司在转子动力学和旋转机械故障诊断机理方面进行了深入的研究。该公司开发的旋转机械故障诊断系统应用情况良好，很受用户欢迎。 日本也很重视汽轮

10、机故障诊断技术的研究，由于日本规定 1000MW 以下的机组都须参与调峰运行，因此，他们更注重于汽轮机寿命检测和寿命诊断技术的研究。日本从事这方面研究的机构主要有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等。东芝电气公司与东京电力公司于 1987 年合作开 发的大功率汽轮机轴系振动诊断系统，采用计算机在线快速处理振动信号的解析技术与评价判断技术，设定一个偏离轴系正常值的极限值作为诊断的起始点进行诊断。 90 年代，东芝公司相继开发出了寿命诊断专家系统，针对叶片、转子、红套叶轮及高温螺栓的诊断探伤实时专家系统、机组性能评价系统等。日立公司和三菱公司也在八十年代初期分别开发了汽轮机寿命诊断装置 振动诊断系

11、统。欧洲也有不少公司和部门从事汽轮机故障诊断技术的研究与开发。法国电力部门（）从 1978 年起就在透平发电机上安装离线振动监测系统，到 年 代初又提出了监测和诊断支援工作站（ Monitoning and Diagnosis Aid Station ）的设想。90 年代中期，其专家系统 PSDA 及其 DIVA 子系统在透平发电机组和反应堆冷却泵的自动诊断上得到了应用。另外瑞士的 ABB 公司、德国的西门子公司、丹麦的 公司等都开发出了各自的诊断系统。西方国家机组状态监测和故障诊断的商品化应用系统有本特利公司的数据管理系统 DM2000，趋势分析系统 200PR3000 状态监测系统；申克的

12、 VIBROCOM 4000、 VIBROCOM 5000 计 算机化的状态监测系统， CSI 的 3130， IRD 公司的 6600 机器保护和诊断系统， B&K 的 COMPASS 系统等等。这些硬件和软件产品有效地用于了生产。他们利用高速信息传输，建立了州级和地区性的振动监测分析大型网络，实现远距离对机组的集中实时监测、分析、诊断；利用建立的机组运行状态数据库，如北美能源可靠性咨询数据系统（ NERC GADS）数据库，准确预测设备性能或潜在故障的趋势，为电厂的运行监测和状态检修提供可靠的技术依据。 二十世纪六十年代美国宇航局成立机械事故预防小组，开展状态监测与 故障诊断技术研究。至今

13、，故障监测与诊断技术经过几十年的研究和应用，已经取得很大的进展。但由于复杂分布式设备的复杂性、分布性以及各子系统之间的非线性耦合，难以建立起足够精确的故障模型或获得较为完备的故障先验知识，使得复杂分布式设备的故障诊断仍无法像一些简单的设备一样得到有效地解决，仍有许多问题亟须进一步地研究 。由于分布式智能本身具有分布性、自治性、自适应性和鲁棒性的特点，具有复杂分布式问题求解的能力，对于解决复杂分布式设备的故障诊断问题具有很强的针对性 4-6 。应用分布式智能方法解决复杂分布式设备故障诊断 问题得到了欧洲、日本和美国等工业发达国家的充分重视，成为故障诊断的重要发展方向。 复杂分布式系统智能监测与诊

14、断研究方面的重要工作还有欧盟的 DIAMOND和 MAGIC研究计划。欧盟的 ESPRI于 1999年资助了“钻石”（ DIAMOND， Distributed architecture for monitoring and diagnosis）项目的研究。项目的目标是利用智能体和多智能体技术集成一些单个的监测与故障诊断系统为一个全局的系统，从而达到对复杂分布式系统的监测与故障诊断的目的。项目除了欧盟 ESPRIT资助了部分资金外，还得到德国、西班牙、意大利、英国等的一些大研究机构和公司的广泛响应和支持 。 按照统一标准编写的、可独立运行的诊断智能体在统一的的体系结构中相互协同工作，实现智能体

15、的“即插即用”（“ Plug-and-play”）功能。项目还研究了对已有的监测与诊断系统的重用问题，提出将现有系统通过CORBA 封装成一个独立的智能体的思想，并开展了自动焊接机器人的故障诊断系统及 Anlares 热电厂的水蒸汽循环和水处理设备的故障诊断专家系统应用研究。 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 21-22。 MFM 是一种图形表达的、形式化的建模方法。 MFM包括系统

16、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 11-12。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 5，

17、6， 37，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。 分布式智能监测与诊断系统正确解决诊断问题的基 础是对象的有效信息，一旦系统得到错误的信息，往往会得出错误的诊断结果（漏诊或谎诊） 1-4。所以系统传感器的故障诊断问题引起了研究人员的重视。传感器的诊断一般是给定一确定的输入，根据其输出来进行故障判别，难以在线实现。在分布式系统中可以根据信息的冗余，通过信息之间的约束关系，进行传感器的故障诊断，保证分布式智能监测与诊断系统诊断结果的准确性 7-9。 2.2 国内发展情况 我国在故障诊

18、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

19、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、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

20、、清华大学、华中理工大学、东南大学、上海交通大学、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；东南大学的 MFD-2 汽轮发电机组智能诊断系统；西安交通大学的RB-20 大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统；西安热工研

21、究院的，汽轮发电机组状态监测与故障诊断系统；华中理工大学和扬子石化总厂的 汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统； 郑州工业大学的 大型旋转机械故障诊断系统；山东电科院和清华大学的大型汽轮发电机组远程在线振动监测性能分析与诊断系统） 32-36。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

22、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 23-26。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

23、布更复杂的机组群系统的智能诊断几乎未予以考虑。 三 、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难 点及预期达到的目标 本次设计的选题是 针对管道运输系统的基于多级流模型（ MFM） 的故障诊断，因为需要设计个平台，所以需要做故障模拟系统。所以我的任务就是 为在线故障试验台提出故障模拟方案，包括在物质流、能量流中形成故障的具体实现方法。 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。 MFM 对系统主要进行了三个层次的描述：目标 (Goa

24、ls)、功能 (Functions)、设 备元件 (Physical components)。 多级流模型的建模思想是把整个生产过程抽象成广义的“流”，以系统目标与实现目标的功能为模型主体，建立复杂流程工业系统的抽象层次模型。在建模过程中，“流”是建模的主线，它主要可分为：物质流、能量流、信息流。 物质流（ Material Flow） 是生态系统中物质运动和转化的动态过程 ，在 MFM中主要是代表物质在系统中的流动和转化，比如一个水冷却系统：物质流就是水在不同的元件里流动的过程；能量流（ Energy Flow）是指 能量在区域生态系统的食物链、食物网内转变、 转移与消耗的过程 ， 在 MF

25、M中主要指为设备元件提供能量的过程，比如 热传递，做功等 ； 信息流是指 对信号或信息的认识、决策、传播的过程，比如控制信号管理。 故障模拟系统就是人为的为一个系统制造故障，上面也提到了这里只需要在物质流和能量流中实现故障。不管是物质流还是能量流，它们都是目标或功能的其中一个，而目标和功能与设备元件中间存在着映射关系，通过这些关系就可以实现故障。一个完整的试验平台的组件都应该是固定在每一个它们该存在的位置，在那里它们可以很好地完成目标或实现功能，一旦它们中的一个或多个位置发生了变化，那么这个 系统就出现了故障，比如一个水循环系统：如果我们断开水泵和管道的连接，水就不可能被运送到上面的水箱。设备

26、元件的改变也不只是位置的变化，还可以都过状态的改变来实现：在一个单容下水箱循环系统中，如果我们让挡水板从打开状态调节到关闭状态，那么水箱就会过载而溢出水。这一部分过程的实现，我们选择了单片机来完成。 多级流模型（ MFM） 是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。在建模时不需要复杂的数学模型，而且由于它明确的建模目标、层次抽象的建模理念使得它具有高速的建模效率、良好的更新与重新修订的能力。所以 ，基于 MFM的故障诊断方法具有独特的实时性优势。但是，多级流模型还是在发展初期，没准有些不确定因数。本次设计的预期结果：建立基于 MFM的故障诊断模型；构建基于 MFM的故障模拟软件

27、系统。 四 、 研究工作详细进度和安排 2010.10.10 2010.12.10:接受任务，搜资调研，撰写文献综述、开题报告及外文翻译稿； 2010.12.10 2011.01.10：完成文献综述和开题报告、外文翻译稿； 2011.01.10 2011.03.15：方案设计； 2011.03.15 2011.03.30：方案分析论证， 确定总体方案； 2011.03.30 2011.04.10：初步总体结构设计； 2011.04.10 2011.04.20：实习； 2011.04.20 2011.05.10：完善总体设计，具体设计； 2011.05.10 2011.05.20：撰写设计说明书

28、； 2011.05.20 ：整理完善各种设计材料，答辩。 五 、 参考文献 1 刘仲宇 .基于多级流模型的故障诊断技术研究 D.杭州 :浙江大学， 2008. 2 招惠玲 , 周美娟 , 等 . 电容式液位测量系统的设计 J . 传感器 技术 , 2004 , 3 (3) : 40 - 42. 3 黄启明 , 钱宇等 . 化工过程故障诊断研究进展 J. 化工自动化及仪表 . 2000, (03). 4 晏 红 , 王选择 , 等 . 液位自动化测量系统设计 J . 现代仪器 , 2002 , (2) : 9 - 11. 6 石红 , 王科俊 , 李国斌 . 液压控制系统故障诊断专家系统的研究

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