专题8-RH真空系统故障诊断课件

专题8：大型真空系统监测与故障诊断

2010.5VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China目次1问题的提出及可行性分析2RH-KTB真空设备抽气性能影响因素3RH-KTB真空设备在线监测系统4RH-KTB真空设备故障诊断专家系统5RH-KTB真空设备专家系统评价2023/1/1621问题的提出及其可行性分析1)RH-KTB真空系统宝钢RH-KTB炉外精炼设备从日本引进，由四级水蒸气喷射泵串联组成，并有两级启动泵，顺序启动，以压力为控制对象，可自动控制，也可手动控制。设备启动模式RH-KTB真空炉外精炼设备启动模式：为保证钢水充分除气、合金化，保证浇注温度等，水蒸气喷射泵按下表顺序启动：启动模式4A+4B4A+4B+3A+3B4A+3A+S24A+3A+S2+S1工作时间min0-1.51.5-3.53.5-5.86以上入口压力KPa100-2828-7.57.5-0.60.6-0.06设备特点设备庞大，组成复杂；是炼钢过程中的关键设备，关系到生产的产量；一旦出现故障，人工排查十分困难，时间上也不允许；影响设备运行的因素多，相互关联，故障诊断困难，一般用户难以解决．2)问题的确定要解决问题：设备运行状态监测、故障诊断；涉及的内容：

监测系统软、硬件，专家系统软件；包含子问题：设备运行的影响因素；运行状态参数阈值的确定；故障原因分析及处理办法；

动态因素：工作介质参数随四季，随设备使用环境变化；问题难度：现场操作人员难于处理，专家可以给出合理建议；求解效率：在线完成，响应时间短；难度所在：对设备的熟悉程度；与专家的充分沟通；各因素间的相互影响；传感器的准确性保证；软件开发技术，用户接受能力；问题的定位3)可行性分析满足ExpertSystem(ＥＳ)开发的基本条件：尚无理论算法完全解决问题；存在领域专家；知识表示可被计算机接受；难度适中；专业问题；3)可行性分析(2)很强的实用性：以较小的投入，获得可观的经济效益；提高设备的安全性，可靠性，实现自动化和智能化；计算机技术可实现：满足快速响应，在线工作所需的硬件条件；专职开发人员，在规定的时间内可完成开发。2023/1/1611２RH-KTB真空系统抽气性能的影响因素1）喷射泵抽气原理和特点：高压水蒸气经拉瓦尔喷嘴获得超音速气流，实现减压增速，将压力能转化为动能，在混合室内进行动量和能量交换，进入扩压器，实现动能向压力能的转换，最终排到大气或前级泵中。气体在喷射泵中的流动可用气体动力学理论的连续性方程，动量方程，能量方程进行描述；喷射泵的特点和应用具有结构简单、工作稳定可靠、抽气量大，可以抽出含有水蒸气、粉尘、易燃、易爆以及腐蚀性气体的特点。广泛应用于冶金、化工、食品、制药等过程工业领域。缺点：能量损失较大，抽气效率不高。2023/1/16142)单级喷射泵单级泵由喷嘴、混合室、扩压器组成。第一级喷射器实物图片单级泵中气体的流动规律喷射泵性能与背压的关系2023/1/16193）多级喷射泵系统

各级泵（串联或并联），冷凝器，管路，阀门，检测控制系统。

为了获得更高的真空度，将多级水蒸气喷射泵串联起来工作，中间还设有冷凝器。多级喷射泵和中间冷凝器、管路、阀门以及电控部分等构成了水蒸气喷射泵系统.为缩短泵启动时间，要设置启动泵，为防止第一级泵膨胀而结冰，在扩压器要有加热套.多级泵结构组成冷凝器（混合式）结构多级泵中的蒸汽加热套4）喷射泵系统性能的影响因素

(1)工作介质状态参数：水蒸气、冷却水的压力、流量、温度；当工作水蒸气压力、温度、流量过高时，冷凝器冷凝效果难以保证，泵系统工作稳定性将受影响；当工作水蒸气压力、温度、流量过低时，各级泵的抽气能力将受到影响；当冷却水压力、流量过低时，温度过高时，冷凝器的冷凝效果不能保证，泵系统工作稳定性和抽气能力将受到影响。喷射泵系统性能的影响因素（2）(2)气体负荷：被抽气体的压力、流量、温度；各级泵，冷凝器，阀门等密封处的漏气量；泵的抽气量（气体负荷）与获得的真空度相关，当气体负荷过大时，泵系统的真空度将下降，不能满足工艺要求。RH-KTB真空系统的故障当上述参量值超出设计值时，真空设备可能发生故障。RH-KTB真空设备故障表现为：在工作过程中，在规定的时间内，达不到要求的真空度。

小结RH-KTB真空设备性能的影响因素：

(1)工作介质状态参数

(2)气体负荷

(3)主要零部件的磨损3RH-KTB真空设备在线监测系统监测信号共设29个，其中14个开关量信号（K0-K13）和15个模拟量信号（P0,PW,Pg,TW,T1,T2,Tg,FW,Fg，P1-P5，T0）。1）监测内容和监测点选定2）硬件组成3）监测软件主界面数据采集与处理数据接收与显示

各监测参数阈值的确定

数据处理软件主界面监测参数初始阈值数据查询与打印运行状态分析与报告小结对RH-KTB真空设备性能影响因素进行分析，确定监测系统方案，完成在线监测系统的硬件组织和软件编制，可以实现对设备监测点的数据采集、显示、存储、查询、打印；对采集数据进行处理和分析,确定监测点监测域值，具有对监测点超限提示和报警功能，并给出运行状态报告。4RH-KTB真空系统故障诊断1）专家系统概述2）故障模式与原因分析3）专家系统组成4）专家系统软件5）专家系统软件的离线测试2023/1/1642传统程序设计方法的限制传统程序设计方法：数据＋算法＝程序在处理科学计算中非常有效，但在人类知识处理方面存在一些限制：（1）缺少灵活性从已知数据推出新数据，再由得出的数据推算出新数据。因此，数据被推出的次序是已知的。2023/1/1643传统程序设计方法的限制传统程序的执行次序是程序驱动(Programdriven)过程，下一步将发生什么都由程序预订好了。因此，它只能做那些人们制订的事情，这种预定性和被动性与人思维过程的灵活性、主动性截然不同，难以恰当模拟人的推理过程。2023/1/1644传统程序设计方法的限制（2）（2）缺少不精确推理传统程序中的数据和知识是精确的，事物的关系要么存在，要么不存在。现实生活中的知识大部分是模糊的，但人们总能从中以一定的可能性得出结论，即不精确推理。传统程序中一般不考虑不精确推理过程，要实现不精确推理是困难的。2023/1/1645传统程序设计方法的限制（3）（3）缺少合适的算法传统程序不适合基于知识的问题求解。对于实际问题，要检验问题所有可能状态的算法可能会造成“组合爆炸”，从而不可管理。*综上，传统程序设计方法不能有效地处理人类的知识，因此导致基于知识的程序设计（KnowledgeBasedProgramming）方法—专家系统的出现。2023/1/16461）专家系统概述专家系统：ExpertSystem(ES)是一个具有大量专门知识的计算机智能信息系统，它运用知识和推理技术来求解和模拟通常要由人类专家才能解决的各种复杂、具体的问题。专家系统的双重性：（1）模仿人类的推理意愿—智能性（2）解决具体问题的必要性2023/1/1647专家系统的组成专家系统使用基于知识的程序设计方法，有一个巨大的知识库，储存某一领域的专门知识，还有一个推理机构，专家系统的结论，是利用内部的知识进行推理得到的。知识库和推理机是专家系统的核心：知识+推理=系统事实上，完整的专家系统由四部分组成：知识库、推理机、知识获取部分、解释界面2023/1/1648专家系统组成2023/1/1649专家系统优劣的判据专家系统具备知识的多寡，是判断专家系统优劣的主要依据。因此，专家系统也称为“知识系统”（KnowledgeBasedSystem）。实际上，专家系统的优劣与知识结构密切相关。因为，优化知识结构是知识有效运用的关键。2023/1/1650专家系统的意义基于知识的系统是人工智能（ArtificialIntelligence）从科学研究走向实际应用，从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破，即由计算机的数值运算到逻辑推理的飞跃。2023/1/1651专家系统的两大特征（1）处理那些需要专家解决的实际、具体的问题，而专家知识和经验是解决问题的关键。（2）模仿人类推理方式来求解问题，与数据库系统不同，与传统计算程序不同。2023/1/1652专家系统的三大功能（1）解决没有严格数学模型的问题，求解模糊性的、概率性的问题，求解传统计算程序难以求解的问题。传统软件—按次序排列的指令来运行，是顺序动作的集合，关心“怎么做”。专家系统—从知识出发，运用推理来求解问题，关心“做什么”。知识是专家系统的核心。2023/1/1653专家系统的三大功能（2）（2）学习功能—自学习、机器学习专家是那些具有丰富知识和实践经验的人们。能解决一般人无法很好解决的问题。人之所以成为专家，在于其自身的不断学习和知识积累，并且不断进行知识更新。专家系统应具备知识积累和知识更新的功能，即自学习功能。2023/1/1654专家系统的三大功能（2）机器学习是人工智能中最具智能特征的部分。严格地讲，没有学习功能的系统不能认为是智能系统。专家系统通过机器学习，使其解决问题的能力得到提高。专家知识和经验储存于专家系统知识库中，知识库应具有开放性（人工输入知识）和自积累能力（机器学习）。2023/1/1655专家系统的三大功能（3）（3）解释功能专家系统对得出的推论、建议等的推理过程能进行解释，可以帮助用户处理和解决问题，提高用户对问题的理解。2023/1/1656

推理机根据系统接收到的信息，利用知识库中的知识，按照一定的推理策略，解决当前的问题。已知知识+规则新的事实（结论或新知识）推理机包括：推理方法和控制策略。2023/1/1657推理方法推理方法：精确推理、不精确推理精确推理：原因和结果有必然的联系2023/1/1658推理策略（1）正向推理从初始条件目标状态（结论、结果）（2）反向推理从目标状态初始状态（数据、条件）（3）混合推理从初始条件目标状态*正向推力用于预测分析、趋势分析，从现状看未来；*反向推力用于故障诊断，从结果找原因。2023/1/1659

解释系统解释推理过程，让用户理解得到的结论的依据，回答用户提出的问题。2023/1/1660专家系统的特点和适用领域专家系统的特点传统程序—数据+算法专家系统—知识+知识应用（1）专业性只限于求解某一领域的专门问题。（2）不确定性求解不能用准确数学模型描述、更多地依赖经验知识的问题。2023/1/1661专家系统的特点和适用领域（3）可修正性知识库与推理机分离，可以修正知识库而不影响整个系统，因此，具有灵活性；并且，通过知识库的修正，可以提高系统的工作能力，因此，具有成长性和可进化性。（4）可信性通过解释系统，用户了解推理过程，因此，具有透明性。（5）实用性和高效性2）RH-KTB故障模式与原因分析故障定义：在工作过程中，在规定的时间内，达不到规定的稳定真空度。宝钢RH-KTB真空炉外精炼设备启动模式：为保证钢水充分除气、合金化，保证浇注温度等，水蒸气喷射泵必须按下表所列：设备启动模式启动模式4A+4B4A+4B+3A+3B4A+3A+S24A+3A+S2+S1工作时间min0-1.51.5-3.53.5-5.86以上入口压力KPa100-2828-7.57.5-0.60.6-0.06RH-KTB真空设备故障原因分析真空室泄漏量大（包括真空室体、顶枪、伸缩节处的动密封、合金料仓等处的泄漏）；系统外漏量大（包括管路、泵体、冷凝器被腐蚀击穿、连接法兰等处的泄漏）；系统内漏量大（包括蒸汽阀门、连接法兰等处蒸汽的泄漏）；冷凝水参数达不到设计要求；工作蒸汽参数达不到设计值；泵喷嘴因磨损、堵塞等原因，使泵功能退化。2023/1/16643)专家系统组成（1）知识表示：采用产生式规则如果泵已启动，且工作蒸汽压力或温度或流量低于下限或下下限，那么，可能引起泵性能下降，或仪表读数有误；如果泵已启动，且冷凝水入水温度高于上限或上上限，或流量或压力低于下限或下下限，那么，可能引起泵性能下降，或仪表读数有误；产生式规则的知识表示如果泵已启动，且蒸汽、冷凝水参数正常，抽气时间长于上限或上上限，且前级泵或系统入口压力高于上限或上上限，那么，泵或真空室存在漏气，或仪表读数有误；专家系统知识库形式专家系统的知识更新-机器自学习

自学习内容：各监测参数阈值。学习方法：如果泵已启动，且冷凝水参数超限，且P1或P0正常，那么，冷凝水参数上限或上上限上扩。如果泵已启动，且蒸汽参数超限，且P1或P0正常，那么，蒸汽参数下限或下下限下延；2023/1/1668Y设备运行各测点参数测量、记录及显示P1超限否其它参数超限启动自学习程序修正参数上下限记录修正前后数值及发生时间精炼结束YNY启动故障诊断程序显示、存储故障诊断结果及故障处理建议NN机器自学习框图

停泵（2）推理模式采用混合推理模式。正向推理：不论设备工作是否正常，专家系统都对工作介质参数状态进行时时评价，超限则报警/提示；逆向推理：当各级泵入口压力参数达不到要求需进行故障诊断，找出故障的可能原因。

泵启动4A+4B4A+4B+3A+3B4A+3A+S24A+4B+S2+S1记录冷却水参数Gwat、Pwat、Twat记录蒸汽参数Gvap、Pvap、T0vap入泵气体温度T0记录泵入口压力P1、P2、P3、P4记录抽气时间Tpump记录水池压力P5停泵状态正常超限提示或报警状态正常超限报警故障诊断泵系统运行检测框图（3）状态分析与故障诊断

A判断真空系统是否工作；B判断真空系统抽气是否正常；C检查水蒸汽喷射泵工作介质参数状态；D检查压力传感器的准确性；E计算各级压缩比；F提取故障知识库中可能故障原因，分析故障可能原因；G总结所有故障原因，给出故障诊断意见；（3）状态分析与故障诊断（2）H归纳所有故障可能原因，根据置信度大小，在解释界面中列出引起故障的可能原因、解释推理过程、以及给出故障排除办法。专家系统工作流程图（4）故障诊断报告设备发生故障时，专家系统即时进行故障诊断，并将诊断结果形成故障诊断报告。报告内容包括：故障可能原因，建议处理意见以及相关解释。“故障原因”根据可能性大小来排列；“处理意见”则给出对应建议；“解释”部分向用户介绍故障诊断推理过程。

故障诊断报告（2）4）专家系统软件（1）软件组成用VB6.0配合“组态王”5.1工控软件，在Windows98平台上运行。“组态王”主要完成板卡信号接收和转换，对数据范围进行简单处理，并将数据传送到VB中。软件组成部分及相互关系总体流程控制；用户管理；数据采集接收；泵系统组成；数据分析处理存储；数据查询报表打印；知识库；推理机；系统状态分析；系统故障分析及帮助系统。软件的11个模块软件模块与流程（2）软件主界面及功能

由七个按钮组成：真空系统、传感器布置图、接收数据、状态判断、故障诊断、数据查询、用户管理。5）专家系统软件离线测试为发现软件运行过程中的问题，调整各模块之间的协调关系；为用户了解软件的功能、使用好软件。软件离线测试软件5RH-KTB真空系统专家系统评价宝钢RH-KTB炉外精炼真空设备是炼钢部的关键设备之一，真空设备监测与故障诊断的研究与软件开发对于监测设备运行状态，提高故障诊断效率和准确性具有重要的意义。经过一年多时间的研究、开发、硬件安装及软件运行，达到预期的目标。RH-KTB真空系统专家系统评价(1)在广泛调查、深入了解RH-KTB真空设备的结构特征和实际工作状况的基础上，确定了真空设备的监测系统方案，在RH-KTB真空设备上建立了29个测点的监测硬件系统；2023/1/1685RH-KTB真空系统专家系统评价(2)由检测元件采集现场非电量信号（温度、压力、流量、开关量），经过数据采集卡（模/数转换卡、I/O卡）将现场信号转换成数字信号，通过数据处理软件（组态王5.1）将数据传送到监测软件的数据处理系统中，进行数据存储与显示，形成专家系统数据库，实现对真空设备运行状态的时时监测；2023/1/16863）RH-KTB真空设备中任一被监测参数超限时，监测系统主画面上对应点的虚拟传感器以颜色变化来报警，并给出状态分析报告；4）监测硬件系统经现场运行，工作稳定、可靠，软件界面简洁、直观，数据历史查询、打印方便；RH-KTB真空系统专家系统评价(3)5）在理论研究和对大量现场数据分析的基础上，广泛收集专家与现场操作人员的实际经验，并结合设备实际，建立了专家系统知识库，经大量实际和模拟数据的测试，符合RH-KTB真空设备现场的实际；RH-KTB真空系统专家系统评价(4)6）基于专家系统知识库，