（核能科学与工程专业论文）核动力装置故障诊断系统数据库开发.pdf

哈尔滨工程火学硕士学位论文 摘要 对于核动力装置这样的大型系统，其运行过程中的故障诊断系统所需要 的数据量很大，数据管理复杂，这些数据包括了现场采集的原始数据、系统 组态的初始化数据( 各种指标参数) 、中间结果数据以及诊断结果数据等。对 这些数据管理得当，可以提高故障诊断的效率和精度。将数据库技术用于核 动力装置运行的信息管理中，不仅有利于管理人员了解装置的全部信息，而 且通过信息的查询，可以极早发现问题，解决安全隐患，有利于核动力装置 的安全运行。 本论文工作包括两部分内容，一是对核动力装置二回路系统主要故障的 特征信息进行研究：二是将数据库技术用于核动力装置的故障诊断及运行数 据管理中，完成故障诊断系统中的数据库子系统的建立工作。 首先，根据核电站故障诊断的特点，对故障诊断系统各功能模块作了简 要介绍，并着重叙述了数据库子系统在故障诊断系统中的作用。通过对大亚 湾核电站二回路各系统的分析，整理出二回路各系统主要故障的特征信息， 为数据库子系统的开发奠定基础。 其次，对数据库子系统进行设计：从数据库子系统的概念结构、逻辑结 构、物理结构和程序管理界面进行设计。在设计过程中，不断优化数据库子 系统的设计，满足故障诊断和监测的需要。数据库子系统的开发分为前台系 统界面程序开发及后台系统数据库的开发。前台开发选用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具，后台开发选用s q ls e v e r2 0 0 0 作为开发工具。 关键词：核动力装置：数据库系统；故障诊断：s o ls e r v e r2 0 0 0 哈尔滨l + 程火学硕十学位论文 a b s t r a c t t h en u c l e a rp o w e rp l a n tm p p ) i sav e r yc o m p l e xs y s t e mt h u s ，i nt h ef a u l t d i a g n o s i sp r o c e s s ，i t sr e q u i r e dd a t ai sv e r yb i ga n dt h e s ed a t a sm a n a g e m e n ti s d i f f i c u l t ，i n c l u d i n gt h er e a l t i m eo r i g i n a ld a t af r o me v e r ys y s t e m ，t h es 3 ，s t e m o p e r a t i o ni n i t i a l i z a t i o nd a t a ，t h er e s u l to fd a t ap r o c e s s i n ga n dt h er e s u l to ff a u l t d i a g n o s i sa n ds oo n t h em a n a g e m e n to ft h e s ed a t ai sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c ym a dt h ea c c u r a c yo ft h ef a u l td i a g n o s i sp u tf o r w a r dm a k i n gu s eo f t i md a t a b a s et e c h n i q u et om a n a g et h en p p si n f o r m a t i o nb yt h i s ，m a n a g e r sc a n k n o wa l lt h ei n f o r m a t i o no ft h en p pa n dm a n a g e r sc a nf i n do u tp r o b l e me a r l ) t o s o l v et h ep r o b l e mb yi n q u i r i n gt h ei n f o r m a t i o nw h i c hi sb e n e f i tf o rt h es a f e t y o p e r a t i o no ft h en p p t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ec h a r a c t e ri n f o r m a t i o no ft h ep r i m a r yf a u l t ， w h i c hi sa tt h es e c o n dl o o ps y s t e mo ft h en p p a l s oi ts t u d i e st h ea p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g yo fd a t a b a s ei nt h ef a u l td i a g n o s i sa n dt h eo p e r a t i o nm a n a g e so ft h e n u c l e a rp o w e rp l a n t ，a n de x p l o r e st h ea p p l i c a t i o no fd a t a b a s es y s t e m f i r s t ，t ot h es p e c i a l t yo ft h en p p sf a u l td i a g n o s i s ，t h i sp a p e rc o l l e c t s a b n o r m i t ys i g n a lc h a r a c t e rs i g n a lo ft h em a i nf a u l to fe v e r ys y s t e mo ft h es e c o n d l o o ps y s t e m i ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ed a t a b a s es y s t e m s e c o n d ，b r i n gf o r w a r du s i n gd a t a b a s es y s t e mi nt h en p p d e s i g nt h ec o n c e p t s t r u c t u r e ，l o g i cs t r u c t u r e p h y s i c ss t r u c t u r e f u n c t i o nm o d u l ea n dt h em a n a g e i n t e r f a c eo fp r o g r a mo ft h ed a t a b a s es y s t e m i nd e s i g n i n gp r o c e s s ，t om e e tt h e r e q u i r e m e n to ff a u l td i a g n o s i sm a dm o n i t o rb y o p t i m i z i n gd a t a b a s es y s t e m g r a d u a l l y t h ee x p l o i t a t i o no fd a t a b a s es y s t e mc a nb ed i v i d e dt ot w oc o m p o n e n t s ： t h ee x p l o i t a t i o no ft h em a n a g ei n t e r f a c ea saf o r e h a n da n dt h ee x p l o i t a t i o no ft h e d a t a b a s ea sab a c k g r o u n ds u p p o r t t h ef o r e h a n di se x p l o i t e db yv i s u a lb a s i c6 0 a n dt h eb a c k g r o u n di se x p l o i t e db ys q ls e r v e r2 0 0 0 k e yw o r d s ：n u c l e a rp o w e rp l a n t ；d a t a b a s es y s t e m ；f a u l td i a g n o s i s ；s q ls e r v e r 2 0 0 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：彤垒唯 日期：弘碡舌年月9 目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着核科学技术的发展，人类已经拥有大规模利用核能的能力。核电 的确有着不可比拟的魅力它是目前最新式、最干净，且单位成本最低 的一种电力资源；它稳定性高、寿期长、低污染，在解决资源紧缺，改善 环境质量方面具有明显优势；它可以促进经济发展，并协调经济发展与环 境建设的关系，是可持续发展的重要能源。我国政府规划，到2 0 2 0 年，核 电装机比重将从目前的1 6 上升到4 左右。 核动力装置是一个技术密集、结构复杂、造价昂贵的系统，存在极大 的安全隐患。一旦发生事故，其破坏力、损失和影响力将十分严重。因此， 提高核动力装置运行的安全可靠性具有非常重要的意义。 核动力装置的应用主要是在核电厂和船用方面，在控制和运行操作方 面，核动力装置存在一些特殊的安全问题： ( 1 ) 压水堆核动力装置采用定期停堆换料，在新堆或换新料后初期， 堆芯有较大的剩余反应性。因此，可能发生比设计功率高得多的超功率事 故。 ( 2 ) 核燃料发生裂变反应释放核能的同时，也放出瞬发中子和瞬发v 射线。由于裂变产物的积累，以及堆内构件和压力容器等受中子辐照而活 化，反应堆不管在运行中还是停闭后，都有很强的放射性。 ( 3 ) 反应堆停闭后，堆芯因缓发中子的裂变以及裂变产物的0 或y 辐 射仍有很强的剩余发热。因此，反应堆停闭后不能立即停止冷却，否则会 出现燃料元件因过热而烧毁的危险。 ( 4 ) 核动力装置在运行过程中，会产生气态、液态及固态放射性废物， 它们的处理和贮存问题在常规动力装置中是不存在的。为了确保工作人员 和居民的健康，经过处理的放射性废物向环境排放时，必须严格按照国家 的放射防护规定，力求降低排放物的放射性水平。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要提高核动力装置的安全性和可靠性，应从两方面考虑，一是装置自 身的因素，二是人的因素。在过去，核电厂和船用核动力装置的安全运行， 主要考虑设备装置自身的因素，而忽略了运行操作人员的重要性。在2 0 世纪7 0 年代初，美国在安全分析报告w s a h1 4 0 0 中提出在核电厂运行控制 中应用人因工程学原理的建议，分析了人的失误对堆芯熔化事件频度的影 响。但由于核电厂的设计者对安全性非常重视，多年来核电厂一直在安全 的运行着，因而该建议没有得到足够地重视。三哩岛事故的发生使人们深 刻认识到人的因素对核电厂安全运行的重要性，人因事件是电站风险的一 个重要来源”。据资料统计”3 ，由于人为的失误使核电厂运行受到的影响 的事件占7 0 。其主要原因有：( 1 ) 人机接口设备设计不当，人因性能不好， 控制系统所提供的信息不能正确反映反应堆及核电厂重要系统的状态。例 如三哩岛事件中，运行人员不能根据仪表指示及时判断出稳压器泄压阀不 回座，造成小破口失水事故。( 2 ) 控制系统的不完善，使操作员的误操作对 安全造成很大影响，由于传统的控制系统没有运行指导系统，运行人员的 操作完全依靠经验，而且也没有容错控制，当运行人员读错数据或读漏数 据后，由于根据经验而产生误操作，造成严重的事故后果。例如在三哩岛 事件中，辅助给水泵阀门没有被打开，运行人员在辅助给水泵投入8 分钟 后才注意到，产生了严重的后果。( 3 ) 运行规程不够完善，使操作员在不按 既定程序操作时，对预期的或未预料的事件产生错误决断。 因此，要保证核动力装置的安全性和可靠性，只依靠操作人员自身的 经验是不行的。还应建立一种智能故障诊断系统，来辅助操作人员在故障 发生时，对故障做出正确的判断，并能指导操作人员采取相应的应对措施。 1 2 故障诊断研究概况 故障诊断技术的出现源于航天、军工的需要，最早由美国在上世纪六 十年代初期发展起来。由于故障诊断技术的实用性以及为社会和企业带来 的经济效益，日本、英国、瑞典等工业国家也相继开展了故障诊断技术研 究，并逐步推广到能源、化工、冶金、运输等各个领域。我国则在八十年 代初期才开始起步。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 故障诊断系统涉及传感器及测试技术、电子学、信号处理、识别理论、 计算机技术以及人工智能、专家系统等多种基础学科和技术学科，是对这 些理论的综合利用。伴随着这些理论的不断完善，故障诊断的发展出现了 新的局面”。： ( 1 ) 由非实时诊断到实时诊断 实时诊断的目的是为了提高故障处理的快速反应能力，实现自主控制。 诊断系统要达到实时性，还要找出比较合理的诊断方法，设计较为合理的 诊断软件结构。 ( 2 ) 由半自主诊断到相对的全自主诊断 目前国外开发的多数诊断系统还都是半自主的、需要人工参与的机辅 诊断。要实现自主诊断，必须要有成熟和先进的诊断技术，诊断系统的知 识库必须完备，诊断系统具有学习机制，能诊断不可知故障。同时，诊断 系统还需有规划系统的协同合作。 ( 3 ) 由单故障诊断到多故障诊断 实现单故障诊断通常较为容易。但在实际的运行过程中常出现多故障 情况，如果多故障之间无耦合关系，采用单故障假设的模型即可实现多故 障诊断。但在实际工作中不可避免多故障间的耦合，基于单故障假设模型 的故障诊断系统将做出错误判断。因此必须采用多故障假设模型，实现多 故障耦合的诊断。 ( 4 ) 由可预知故障诊断到不可预知故障诊断 系统设计时都要进行可靠性分析，对预料的故障采取防范措施，因此 可预知故障出现概率很小，且有较为成熟的故障对策；而不可预知故障出 现概率可能较大，且没有成熟的故障对策。 ( 5 ) 由局部故障诊断到全系统故障诊断 目前较成功的诊断系统都局限于某一分系统的故障，针对全系统故障 的诊断系统还很少见。各分系统对象不同，诊断方法和难度也不尽相同， 可先选择某一分系统作为研究对象，再向其他分系统发展。 而对于故障诊断方法的研究则已由传统故障诊断方法转向智能故障诊 断方法。将多种不同的智能技术( 神经网络、专家系统、数据挖掘、数据 融合等技术) 结合，克服各个故障诊断方法的弱点，合理利用它们的优点， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这样的混合型诊断系统是智能故障诊断研究的一个发展趋势。到目前为止， 国内外对神经网络与专家系统集成的故障诊断方法一直在进行着深入的研 究，并且国外已经将其应用在了汽车、电站等许多领域，取得了巨大成果 ”“1 。图1 1 显示了一个基于数据库子系统的故障诊断系统：由专家系统、 神经网络等人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a 1 ) 技术作为智能部分，通 过相联接的数据库实现了独立和通信，每个部分可以独立作为故障诊断工 具使用。当数据库查询开始时，通过动态存储的打开，智能部分与数据库 相连“。数据库子系统作为故障诊断系统中的一个模块，是建立故障诊断 系统的基础。它管理着被诊断设备或系统的所有运行数据，对这些数据的 合理维护不仅关系到故障诊断的效率和准确度，解决了实时故障诊断系统 对运行数据实时性的要求。数据挖掘、数据仓库技术的出现，使数据库技 术应用于故障诊断系统越来越受到重视。 、- 陬硼掣丽 查询 ： l 塑! 燮! l s q l 数据库 ，陬丽带俪 二 、 揣黼o i 塑! 塑l 查询 图1 1 基于数据库的故障诊断系统 1 3 数据库技术的发展 利用计算机进行数据管理经历了从低级到高级的发展过程，大致可分 为三个阶段1 ： 手工管理阶段一文件系统阶段一一数据库系统阶段 2 0 世纪6 0 年代开始，计算机应用与数据管理的规模越来越大，数据 量急剧增长，数据共享的要求越来越强烈，计算机也有了大容量硬盘，于 是出现了数据库系统。美国i b m 公司推出层次模型的i m s 数据库系统、 美国c o d a s y l 数据库任务组( d b t g ) 发表关于网状模型的d b t g 报告、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i b m 公司的e f c o d d 发表论文提出关系模型，奠定了现在数据库技术的 基础1 。 2 0 世纪7 0 年代是层次系统和网状系统统治的年代。层次数据库系统 采用层次数据模型作为数据的组织方式，其特点是任何一个记录都仅当按 照从上到下的路径查看的时候，才能显示出它的全部意义，除了根结点以 外的任何结点都不能独立地存在。而网状模型比较复杂，任何两个实例之 间可以有一对多、多对一或者是一对一的关系，其典型代表是d b t g 。 2 0 世纪8 0 年代，关系数据库系统因其使用简单和硬件性能的改善， 逐步替代网状系统和层次系统，成为数据库技术的主流。在关系数据库系 统中，用二维表格数据来表示实体与实体之间联系，一个表就是一个关系。 一个二维表由行和列组成，行称为元组，列称为属性。元组相当于文件中 的记录，元组中的每一个值由属性指明其含义。 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 的技术和产品 的推广，推动了工业控制领域全面发展到分散控制系统阶段，并引发了实 时数据管理和实时数据库概念的出现。 实时数据库理论是在关系数据库的基础上，研究实时事务、实时并发 控制和实时任务调度。实时数据库系统内部分为三部分：资源管理( 对系 统资源进行管理，包括对c p u 进行调度管理，合理应用c p u 资源，满足 实时要求；进行时间调度，触发与时间相关的实时事务的执行，进行存储 空间分配和管理；考虑定时限制的磁盘调度算法以及实时应用有关的i o 调度) 、实时事务管理( 管理实时事务的产生、执行和结束) 和数据管理( 实 现对数据的存取操作和其他处理，除了管理实时数据外，一般还要求管理 历史数据) 。 在商品化的实时数据库产品的开发上，美国o s i 公司于8 0 年代推出 了p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称p i 产品，美国a s p e nt e c h 公司的 i n f o p l u s 2 1 产品，美国h o n e y w e l l 公司的u n i f o r m a n c e ( p h d ) 产品，英国 w o n d e r w a r e 公司的i n d u s t r i a ls q ls e v e r 产品。从2 0 世纪7 0 年代开始，我 国开始弓i 进d c s 技术和产品。国内相继出现了一批d c s 生产商和实时数 据库生产商，具有代表性的实时数据库产品有中国国家电力公司自动化研 究院于1 9 9 2 年开发的n s i s 石油化工生产实时数据库产品、中国大庆金桥 哈尔滨工程大学硕士学位论文 信息技术工程有限公司于1 9 9 3 年开发的c o n r t d b 实时数据产品、中国北 京三维天津计算机技术开发有限公司的s u p e r l n f o 实时数据库产品、中国 北京时林电脑公司开发的s l r s 实时数据库产品以及中国北京和利时系统 工程股份有限公司开发的r e a l m i s 实时数据库产品等”。 1 4 本课题的目的和意义 本课题是“十五”计划重点科研项目“核动力装置实时故障诊断技术” 的一部分。针对当前故障诊断的发展趋势及对实时故障诊断系统的进一步 研究，提出将数据库技术应用于故障诊断系统中。 数据库技术具有低冗余度、高独立性、易扩充性、数据使用的非过程 性以及数据共享等特点，能够高效地管理、维护海量信息。数据库管理系 统是专门用于管理数据库的计算机软件，它为数据库提供数据的定义、建 立、维护、查询和统计等操作功能，并完成对数据完整性、安全性进行控 制，让用户能够更方便、更有效、更可靠地建立数据库和使用数据库中的 信息资源。对于核动力装置这样的大型系统，其故障诊断所需要的数据量 大，数据管理复杂，包括现场采集的原始数据、系统组态的初始化数据( 各 种指标参数) 、中间结果数据以及诊断结果数据等。对这些数据管理得当， 可以提高故障诊断的效率和精度。 1 5 论文的主要工作 本课题是在分析现有实时故障诊断系统的基础上，将数据库作为故障 诊断系统的子系统。现有系统中的数据库由于故障诊断方法的不同，导致 数据库分散在各自的子系统中造成数据库管理不合理，因此建立数据库子 系统就显得尤为必要。且由于前期工作的安排，仅对核动力装置一回路系 统建立了数据。为了完善和补充故障诊断系统的功能，本论文将大亚湾 9 0 0 m w 压水堆核电站二回路作为研究对象，分析二回路各系统典型故障， 对这些故障进行异常信号和特征信息的收集整理。对熟悉实时故障诊断系 统的各个组成部分，特别是数据库模块的功能、作用、实现方法作了深入 的研究。具体的研究步骤如下： ( 1 ) 根据已掌握的资料，分析核动力装置二回路的结构和特性并了解 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每个系统的工作原理。了解各系统可能产生故障的原因及其征兆，并建立 起相应的因果关系。分析故障诊断中所需要的数据数量及其表征方式。 ( 2 ) 了解实时故障诊断系统的各个模块及其在故障诊断过程中所起的 作用、承担的任务。重点了解数据库模块的功能及其相关知识，探讨从传 感器采集的数据到数据库传输过程中的相关技术。 ( 3 ) 对数据库进行概念设计，用e r ( 实体一联系) 模型对现实世界进 行抽象，并最终画出系统的全局视图。其中包括动态数据库、运行状态数 据库、故障信息数据库、历史数据库。 ( 4 ) 数据库的逻辑设计，即将e r 视图转换成实际的关系数据模型。 实体间的关系用数据表格的形式表示出来。 ( 5 ) 数据库的物理设计，综合考虑逻辑设计的结果、数据库管理系统、 系统的功能要求以及硬件环境的特征，达到空间、时间等诸方面效率俱佳 的物理模式。 ( 6 ) 根据上述分析，利用s q ls e r v e r2 0 0 0 开发数据库系统，并利用 v b 程序设计语言建立与故障诊断系统连接的接口。 ( 7 ) 通过故障实例对建立的数据库系统进行检验，以确定所建立系统 的合理性，并进行必要的修改，以达到预期的目的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章核动力装置实时故障诊断系统 及数据库子系统 2 1 核动力装置故障诊断的特点 核动力装置智能故障诊断系统在控制核动力装置的运行可靠性，实现 准确有效的风险监控具有巨大意义。但是，由于核动力装置的复杂性，实 现这样一个故障诊断系统是困难的。对于理想的诊断系统，尤其是机组级 别的大型诊断系统，寻找合适的模型和方法，并将其赋之实际，是各国专 家致力研究的问题。 核动力装置的故障诊断具有以下特点“： ( 1 ) 诊断的含义不同 对核动力装置的故障诊断，其范畴已经超出了一般的机械故障诊断， 故障已经不能仅仅用磨损、断裂、疲劳等来描述，这时故障诊断更关心的 是设备的可用性、系统是否能完成功能、可靠性是否变化、事故是否出现 等，且诊断的对象不是某个泵或某个电机，而是整个系统的完善性。 ( 2 ) 对象复杂 核动力装置是一个复杂对象，它的运行依靠各个系统以及它们之间的 配合，系统相关性强一往往一个系统出现问题就会影响全局的状态，而 且每个系统中又有很多设备。这些情况使得在对核动力装置进行故障诊断 时需要的信号繁多，症状复杂，诊断知识不易得到。 ( 3 ) 要求高 核动力装置对安全性具有特殊的要求，软件和硬件都要具有较高的可 靠性。故障诊断必须准确可信，经过切实验证才能用于核动力装置的实际 运行；或者诊断结果至少要保证不影响运行安全和不造成额外人为失误的 误导，结论要符合相应的安全原则。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 核动力装置实时故障诊断系统 故障诊断的实质是根据状态监测所获得的信息，结合己知的结构特性 和参数以及环境条件，结合该设备的运行历史( 包括运行记录和曾发生过 的故障及维修记录等) ，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报和 分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生 和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修、 治理的对策措施，并加以实施，最终使设备恢复到正常状态“。故障诊断 的一般过程如下图2 1 所示： 图2 1 故障诊断过程 基于上述核动力装置故障诊断特点及故障诊断的一般过程，实时故障 诊断系统应该满足以下要求： 1 ) 实时性 这与以往的离线故障诊断系统有所区另0 ，强调了实时性的概念。实时 故障诊断系统根据现场实时数据，对整个核动力装置进行状态监测和故障 诊断：动态实时地监测核动力装置各系统主要特征参量，并以曲线表、数 据c r t 的显示、报警等方式反映各特征参量的变化。 2 ) 状态监测 监测核动力装置各个系统的状态，如果发现异常信息，通过报警通知 操作员；并将发现的异常信息显示到人机界面一l ，将相关的信息传递给操 作人员，例如出现异常的参量其名称、出现异常的时间及其变化趋势等， 便于操作人员监视、跟踪系统和设备的运行状态。最后将监测到的异常信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 息传送到故障诊断单元，即为故障诊断单元提供诊断所需的信息。 3 ) 故障诊断 根据监测单元提供的异常信息，激活相应的故障诊断程序。如果诊断 出有故障发生，及时通过人机接口告知用户故障发生的原因、部位、严重 程度以及排障方案等信息。 本研究室经过多年故障诊断工作的研究，分别采用多种智能故障诊断 方法( 包括模糊神经网络方法、专家系统方法以及专家系统与神经网络结 合的方法) 建立实时故障诊断系统。各自的系统基本工作原理如下”“1 “： 1 ) 模糊神经网络方法的故障诊断系统 模糊神经网络方法的故障诊断系统是将神经网络和模糊技术有机结 合，发挥各自的优势并弥补不足。神经网络在学习和自动模式识别方面有 极强的优势，通过此方法进行模糊信息处理，可以使模糊规则的自动提取 和模糊隶属函数的自动生成有可能得以解决，从而使模糊系统成为自适应 的模糊系统。而将具有逻辑推理能力和高阶信息处理能力的模糊技术引入 神经网络，可以大大拓宽神经网络处理信息的范围和能力，使其不仅能处 理精确信息，也能处理模糊信息；不仅能实现精确性联想及映射，还可实 现不精确性联想和映射，特别是模糊联想和模糊映射。 该故障诊断系统主要包括学习( 训练) 与诊断( 匹配) 两个过程： ( 1 ) 学习过程：是指在一定的标准模式样本的基础上，依据某一分类 规则来设计模糊神经网络分类器，并用标准模式训练。 ( 2 ) 诊断过程：将未知模式与训练的分类器进行比较来诊断未知模式 的故障类别。 为了完成核动力装置运行状态实时监测与故障诊断的任务，按照任务 重点的不同，将整个软件系统分解为数据采集、状态监测和故障诊断三个 子系统，它们既相互独立，又可以通过数据接口相互联系。而每个子系统 又可再分解为一系列任务模块，它们共同合作，完成整个机组的状态监测 与诊断任务。其结构组成如图2 2 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 状态监测子系统 故障诊断子系统 数据采 集子系统 n 磊蔽再订一 百赢司 核 压力 数 数据管理 i 动 水位 据 力 辐射 采 i 特征数据库l 装 集 由厍习扇 l 置 温度 斯棍锌析朴理 模 流量 及 预 模糊神经网络 拟 功率 处广一广 故障诊断模块 器 理 分析判断卜j _ 一工况分析i l 诊断结果 ! ! ! 竺! ! ：竺l 图2 2 核动力装置故障诊断系统结构图 2 ) 专家系统 知识库( 启发性知 识) 和事实性知识 全局数据库 ( 工作存储区) 知识获取子系il 推理li 解释子系统 人机接口 集罴取ff 蠢篡i 诗 集知识获取il 识工程师用户 图2 3 故障诊断专家系统的构成 故障诊断专家系统是专家系统在设备故障诊断中的应用，通过模拟人 类专家解决特定问题的方法，进行智能诊断。核动力故障诊断专家系统采 用了基于规则的专家系统的结构，其构成及诊断过程可用n 2 3 8 9 结构来说 明。我们在原有的基础上加上t r o u g h 集理论的知识自动获取系统，它由 知识库、全局数据库、知识获取子系统、解释子系统、人机接口、推理机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等组成。 系统时刻监视着全局数据库中的数据( 如温度，压力，辐射剂量等) ， 一旦数据超出限定值，根据监测到的数据调用知识库中的规则，利用推理 机本身的推理机制进行诊断，并将诊断过程存储到全局数据库中；诊断结 果通过人机接口展现给运行人员，运行人员可以根据提示进行操作排除故 障；还可以通过解释子系统查看存储在数据库中的诊断过程；运行人员也 可以根据诊断结果的正确与否，对知识库、推理机进行修改。 2 3 数据库子系统 2 3 1 数据库技术特点 数据库是一个按照数据结构来存储和管理数据的计算机软件系统，能 够更合理地组织数据、更方便地维护数据、更严密地控制数据和更有效地 利用数据。因此，数据库技术的特点可归纳为以下几点”1 ： 1 ) 数据结构化 数据库中的数据文件自身是有结构的( 由记录的型体现) ，更重要的是 指数据库中的数据文件以特有的形式相互联系。 2 ) 数据独立性高 数据独立于应用程序，即一方的改变不引起另一方的改变。数据库的 结构由三部分组成：用户的局部逻辑结构、数据库的整体逻辑结构以及物 理结构。由数据库管理系统来实现用户的数据和外存中数据的相互交换。 数据独立性高意味着当物理结构改变的时候，不会影响到整体的逻辑结构、 用户的逻辑结构以及应用程序本身。图2 4 显示了数据库系统对数据的管 理方式： 图2 4 数据库系统数据管理 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ) 共享性高、冗余度低 当添加新的应用时，仅增加一个新的子模式定义。相同的数据可以被 多个用户、多个应用共享，而在物理结构上这些数据仅存储一次，冗余度 低。冗余度低不仅可以节省存储空间，而且还能避免数据的不一致性和不 相容性。 4 ) 提供数据控制功能，包括： ( 1 ) 数据库的并发控制，即对程序的并发操作加咀控制，防止数据库 中的数据被破坏。 ( 2 ) 数据的恢复，即在数据库遭到破坏或数据库中的数据不可靠的时 候，系统应该有能力把数据库恢复到最近的某个正确的状态。 ( 3 ) 保证数据库中的数据始终是完整的，即数据的完整性。 ( 4 ) 数据的安全性，即保证数据库中数据的安全，防止数据丢失和破 坏。 ( 5 ) 方便的用户接口 2 3 2 数据库子系统作用 在上述实时故障诊断系统中，利用各种故障诊断方法诊断时，不可避 免要利用到对整个核动力装置系统运行数据的操作、处理，进而对装置故 障的评价。由于是独立研究每个故障诊断方法，建立的实时故障诊断系统 相互独立，存在着许多系统冗余，特别是在数据管理方面。因此，提出建 立数据库子系统的重要性。 数据库用于数据信息管理，它的研究目标主要是如何有效地存储和检 索大量数据。对数据库的操作有：数据的输入和输出、数据编辑、按属性 和关系名进行查询、更新数据库等。 数据库子系统是作为实时故障诊断系统的一部分，它的主要作用：( 1 ) 存放数据，包括从数据采集系统过来的实时数据、在故障诊断过程中产生 的故障结果信息、知识库等；( 2 ) 管理数据库，包括对给定条件的数据进行 查询、修改、更新、删除维护等功能，配置良好的接口程序，便于第三方 应用程序的调用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 数据库子系统具备的功能 1 ) 数据参量的完整性 数据库子系统存储从数据采集系统来的现场实时数据，数据参量的完 整性对操作员和管理人员了解系统的运行状况非常重要。大多数情况下， 测点信号只能表现该测点某一方面的运行信息，其征兆信息和故障之间往 往并不存在一一对应关系。一个故障可能不得不由多个相关征兆信息才能 做出准确判断。相反，一个故障征兆还可能潜藏多个故障隐患，或者是由 多方面因素引起。因此，为了减轻系统分析的压力，提高系统运行效率， 更好的判断系统运行状态，数据参量选取就显得尤为重要。如果数据参量 选择的不全面，故障诊断系统将不能及时发现和判断错误，都将影响到整 个系统性能的发挥。 2 ) 具备数据库系统的一般操作 一方面数据库系统用来存储数据，另一方面是对所存储数据的管理。 一般的操作有：( 1 ) 数据控制，系统通过对数据库用户的数据操作权限加以 限制，以此来保证数据的安全。一个用户能连接到某个数据库，但它不一 定能够访问该数据库中的数据。用户对数据库中数据的访问要受到权限的 限制。( 2 ) 数据的更新操作，包括对数据的插入、修改和删除。特别是对于 知识库或者故障信息库的操作，由于这些数据库建立在人类知识上，这与 建库的人员、专家知识的获取、知识的积累有关，需要对数据库的更新。 ( 3 ) 数据查询操作，可分为简单查询、连接查询、嵌套查询和组合查询四种 类型，可以对单个表的查询，也可以是对多个表的组合查询。一般的s q l 语言简单查询语句如下“s e l e c t 字段名f r o m 表名w h e r e 查询条件”，查 询条件中包括算术表达式、关系表达式、逻辑表达式、字符串表达式，范 围表达式等。 3 ) 低冗余度 关系型数据库中，用二维表格数据来表示实体与实体之间的联系，一 个表代表一个关系。主键是惟一标识表中的一个列或一组列，不存在具有 相同的主键值的两个行。定义主键来强制不允许空值的指定列中输入值的 惟一性，在规范化的表中，每行中的所有数据值都完全依赖于主键。通过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定义主键，可将该表与其他表相关联，从而减少冗余数据。因此在建立数 据表时，对主键的设置、属性列的选择、数据表之间的关系确定对数据的 结构、冗余度都有很大影响。关系型数据库有一套数据规范化理论，研究 如何将一个不好的关系模式转化为好的关系模式。该理论认为数据库中的 所有关系都应该满足一定的规范( 约束条件) ，按关系应满足的规范要求分 为5 级，分别为第一范式( i n f ) 、第二范式( 2 n f ) 、3 n f 、4 n f 、5 n f 。 范式的等级越高，应满足的约束条件越严格。数据规范化的提出可以更好 地设计数据库。 4 ) 高共享性 数据库子系统作为数据存储和管理的工具，保存了核动力装置长期运 行的信息，对于了解核动力装置的运行状况至关重要。因此，数据库子系 统不可避免要被多个部门访问，如操作员、厂级管理人员、故障诊断程序 等。数据库系统和计算机技术的发展，使得数据的共享性得以实现。客户 机服务器( c l i e n t s e v e r ) 结构是当前流行的数据库结构，通过网络连接 一至多台称为客户机的计算机和一至多台称为服务器的计算机。客户机一 般由功能一般的微机来担任，它可以通过向服务器发送请求来使用服务器 中的资源。将应用任务分解为多个子任务，由多台计算机分工协同完成。 当用户调用服务器资源时，客户方通过应用软件将请求传送给服务器，然 后服务器响应并按照客户端的请求进行相应的操作，向客户端返回数据。 客户端再根据服务器回送的处理结果进行分析，再显示给客户。通过c s 体系结构，将数据存储放在服务器上，而业务处理和界面表示放在客户机 上，由多个c p u 并行处理，充分利用网络中的计算机资源。 2 4 本章小结 本章首先描述了核动力装置故障诊断的特点，介绍核动力装置实时故 障诊断系统的流程；详细分析数据库子系统，提出建立数据库子系统的重 要性，并重点阐述了数据库予系统的功能。对数据库子系统的了解，是建 立数据库子系统的前提和基础。 哈尔滨工程大学硕士学位沦文 第3 章二回路各系统功能及主要故障 特征信息提取 本论文以大亚湾9 0 0 m w 压水堆核电站二回路系统为研究对象。二回 路系统的功能是：将核蒸汽供应系统提供的热能( 高温、高压蒸汽) 转化 为汽轮机高速旋转的机械能，带动发电机发电；并在停机或事故工况下， 保证核蒸汽供应系统的冷却。为了保证主汽轮机机组正常可靠地运行，二 回路装置包括以下系统组成：( 1 ) 二回路蒸汽系统；( 2 ) 二回路给水加热系 统；( 3 ) 辅助系统组成。图3 1 为大亚湾核电站二回路热力系统原理图“。 对二回路主要故障的分析，为数据库子系统的建立提供依据，以确定数据 量及其类型。 3 1 二回路蒸汽系统 二回路系统主要由汽回路和水回路组成。通过蒸汽回路流程的介绍， 了解蒸汽在整个二回路过程的做功及能量转化，有助于对二回路系统的进 一步了解。 3 1 1 汽轮机 汽轮机是二回路中最主要的设备，蒸汽在汽轮机中膨胀做功，将热能 转化为机械能。 3 1 1 1 系统描述 核电站汽轮机与一般的火电厂的不同，采用饱和蒸汽轮机。这是由于 受压水堆的限制，在核电站内对饱和蒸汽过热实现很困难。因此，考虑到 最佳冷却水循环和最佳循环倍率，采用中间再热循环。 大亚湾核电站汽轮机采用冲动式四缸双流中间再热凝汽式饱和蒸汽汽 轮机，由一个高压缸和三个低压缸组成。四个高、低压转子通过刚性联轴 器接成一个轴系，再通过刚性联轴器与发电机转子相联。每个转子都有一 个径向轴承支承。整个轴系只有一个推力轴承，安装在高压缸和第一个低 哈尔滨工程大学硕士学位论文 压缸之间的轴座内。 尉隧捺帐r壤酱凰鞍脚辎毂爿k_【匝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 31 1 2 主要故障 1 ) 转子质量不平衡”“ 转子由于受材料质量和加工技术等各方面的影响，转子上的质量分布 相对旋转中心线不可能绝对的轴对称。因此任何一个转子不可能做到“绝 对平衡”，转子质量中心和旋转中心线之间总是有一定的偏心矩存在。这就 使得转子旋转时形成周期性的离心力的干扰，在轴承上产生动载荷，使机 器发生振动。其故障现象为： ( 1 ) 转子径向测点的频谱图上，转速频率具有突出的峰值； ( 2 ) 转速频率的高次谐波幅值很低，因此反映在时域上的波形很接近 于一个正弦波； ( 3 ) 频谱图中，谐波能量集中于基频，并且会出现较小的高次谐波： ( 4 ) 当工作转速一定时，相位稳定； ( 5 ) 转子的轴心轨迹为椭圆。 2 ) 转子不对中 在汽轮机运行过程中，由于滑油温度、滑油膜厚度等因素的影响导致 转子不对中。其故障现象为： ( 1 ) 在水平方向振动剧烈； ( 2 ) 振动随转速变化明显； ( 3 ) 油温对振动有影响； ( 4 ) 振动随负荷变化明显； ( 5 ) 转子的轴心轨迹为“8 ”字形。 3 ) 动静部分摩擦及大轴弯曲”0 1 动静部分发生摩擦的原因： ( 1 ) 动静间隙安装、检修调整不当； ( 2 ) 动静部套加热或冷却时，膨胀或收缩不均匀； ( 3 ) 受力部分机械变形超过允许值； ( 4 ) 推力轴承或主轴瓦损坏； ( 5 ) 机组强烈振动： ( 6 ) 转子套装部件松动有位移； ( 7 ) 通流部分的部件损坏或硬质杂物进入通流部分； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 8 ) 在转子弯曲或汽缸严重变形的情况下强行盘车。 引起大轴弯曲的主要原因： ( 1 ) 动静部分摩擦使转子局部过热； ( 2 ) 停机后在汽缸温度较高时，由于某种原因使冷水进入汽缸，引起 高温状态的转子下侧接触到冷水，局部骤然冷却，出现很大的上下温差而 产生热变形，造成大轴弯曲。据计算结果，当转子上下的温差达到1 5 0 2 0 0 。c 时，就会造成大轴弯曲。转子金属温度愈高，愈易造成大轴弯曲。 ( 3 ) 转子的原材料存在过大的内应力，在较高的工作温度下经过一段 时间的运转后，内应力逐渐得到释放，从而使转子产生弯曲变形。 发生上述故障时，有如下特征： ( 1 ) 机组振动增大，甚至强烈振动； ( 2 ) 前后汽封处可能产生火花； ( 3 ) 汽缸内部有金属摩擦声音： ( 4 ) 有大轴挠度指示表计的机组，指示值将增大或超限； ( 5 ) 若是推力轴承损坏，则推力瓦温度将升高，轴向位移指示值可能 超标并发出信号； ( 6 ) 上下汽缸温差可能急速增加。 4 ) 滑动轴承油膜振荡“” 油膜振荡是高速滑动轴承的一种特有故障，它是油膜力产生的自激振 动，转子发生油膜振荡时输入的能量很大，足以引起转子轴承系统零部件 的损坏。而且出现油膜振荡时机组振动强烈可以震撼整个机座和基础，同 时因为轴颈振幅很快增大，与轴瓦发生摩擦碰撞而发出巨大的吼叫声。 3 11 3 主要故障的特征信息 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1汽轮机主要故障特征信息 故障名称特征信息 转子的轴心轨迹为椭圆 时域上的波形很接近于一个正弦波 转子质量不平衡当工作转速一定时，相位稳定 频谱图中，谐波能量集中于基频，并出现较 小的高次谐波 在水平方向振动剧烈 振动随转速变化明显 转子不对中油温对振动有影响 振动随负荷变化明显 转子的轴心轨迹为“8 ”字形 机组振动增大，甚至强烈振动 前后汽封处可能产生火花 汽缸内部有金属摩擦声音 动静部分摩擦及大轴弯曲大轴挠度指示表指示值将增大或超限 若推力轴承损坏，则推力瓦温度升高，轴向 位移指示值可能超标并发出信号 上下汽缸温差可能急速增加 一般发生在转予到两倍第一临界转速时突发 性特点 ， 滑动轴承油膜振荡 机组振动强烈，可以震撼整个机座和基础 轴颈振幅很快增大 与轴瓦发生摩擦碰撞而发出巨大的吼叫声 3 1 2 主蒸汽系统( v v p ) 31 2 1 系统的功能 主蒸汽系统( v v p ) 的功能是把蒸汽发生器产生的蒸汽送到汽轮机组 及各用汽单元。主要送到下列各设备和系统： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 汽机主蒸汽和疏水系统( g p v ) ： 2 ) 汽机轴封系统( c e t ) ； 3 ) 疏水到凝汽器( c e x ) ； 4 ) 汽水分离再热器( g s s ) ： 5 ) 通向凝汽器和大气的蒸汽旁路系统( g c t ) ；