设备诊断与故障自愈工程

1、会计学1设备诊断与故障自愈工程设备诊断与故障自愈工程1 1 设备诊断工程及其发展趋势设备诊断工程及其发展趋势 2 2 机泵群实时监测与预知维修平台机泵群实时监测与预知维修平台 3 3 旋转机械故障诊断及工程实例旋转机械故障诊断及工程实例 设备诊断与故障自愈工程4 4 机械故障诊断专家系统机械故障诊断专家系统 5 5 过程装备故障自愈工程过程装备故障自愈工程6 6 未来装备医工程思维未来装备医工程思维1、设备诊断工程及其发展趋势设备诊断工程及其发展趋势 1.1 设备诊断工程与维修 1.2 设备诊断工程目标和措施 1.3 设备诊断工程的发展方向 设备诊断与故障自愈工程Dr. Gao jinji B

2、eijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 1.诊断是现代设备维修工程中关键一环诊断是现代设备维修工程中关键一环 故障故障: : 故障故障 失稳失稳 功能下降功能下降 损伤损伤征兆出现征兆出现 机器非正常运行机器非正常运行零部件功能、形态和结构改变以及对环境的适应性下降零部件功能、形态和结构改变以及对环境的适应性下降由干扰因素造成的损伤与设备抗损伤间的斗争由干扰因素造成的损伤与设备抗损伤间的斗争 初始的有序稳定被打破初

3、始的有序稳定被打破 机器机器 干扰干扰 或或 内变内变 Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 设备诊断工程设备诊断工程: :设备诊断工程设备诊断工程 (PDE)(PDE)机电设备运行状态和工况监测机电设备运行状态和工况监测故障诊断和预测故障诊断和预测优化操作优化操作 维修决策维修决策指导改进机器及其设计指导改进机器及其设计表2 实施设备诊断工程的措施和效果序号措 施效 果1早期探测故

4、障征兆，及时报警采取应急对策杜绝事故，减少故障停机损失和非计划停机检修2长期监测机器状态、工况，据此安排检修计划实行状态检修，减少检修次数，缩短检修时间3探测出机器异常原因、缺陷部位，尽早确定检修项目，超前准备防止过剩维修，减少停车检修中的等待时间，减少备件、备台储备4改进装备，消除瓶颈，提高系统可靠度和功能可利用性延长装置的运转周期5监测异常工艺参数，及时调整指导优化操作，节能降耗6据监测诊断资料，对在用装备评价指导装备选型、采购和设计改进图图1 1设备故障诊断的研究领域设备故障诊断的研究领域信息技术信息技术I T知识工程知识工程 KE设备专业设备专业知识知识设备故障诊断设备故障诊断 PFD

5、设备诊断工程设备诊断工程 PED设备医疗工程设备医疗工程 PME实实 时时 数数 据据 采采 集集信信 号号 分分 析析 处处 理理电电 子子 网网 络络 技技 术术数数 据据 挖挖 掘掘 技技 术术故故 障障 机机 理理 研研 究究识识 别别 方方 法法 研研 究究专专 家家 系系 统统 研研 制制防防 治治 对对 策策 研研 究究诊诊 断断 监监 控控远程诊断远程诊断主动控制主动控制 实时监控实时监控 预防减灾预防减灾诊诊 断断 维维 修修 C B M P D M诊诊 断断 改改 进进 延寿对策延寿对策 过程破颈过程破颈 消患治本消患治本 在线治理在线治理诊诊 断断 优优 化化 优化运行优

6、化运行 安全运行安全运行 经济运行经济运行诊诊 断断 评评 估估健康安全环境健康安全环境 HSE 寿命预测寿命预测技术经济分析技术经济分析安全风险评估安全风险评估诊诊 断断 设设 计计 设计创新设计创新 造型配置造型配置 无维修设计无维修设计 高可靠性高可靠性 高功能高功能2、机泵群实时监测与预知维修平台机泵群实时监测与预知维修平台 2.1 DMS机泵群实时监测网络及工程应 用 2.2 指令化检测及预知维修平台 设备诊断与故障自愈工程 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 美国国家仪器公司（National Instrument，简称NI）提供的应用软件LABVIEW是一种典型的虚拟仪器开发平台。 虚拟仪

7、器是计算机硬件资源、仪器测控硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件之间的有效结合。 其基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和（或）测控仪器。Labview 开发平台的特点LABVIEW的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。 LABVIEW继承和发展了结构化和模块化程序设计的概念，使虚拟仪器是分层次和模块化的 LABVIEW支持多种系统平台，在任何一个平台上开发的LABVIEW 应用程序都可直接移植到其它平台上。 LABVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统 虚拟仪器与传统仪器比较虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器传统仪器开放性、灵活，可与计算机技术

8、保持同步发展封闭性、仪器间相互配合较差关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载升级软件关键是硬件，升级成本较高，且升级必须上门服务价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备开发与维护费用降至最低开发与维护开销高技术更新周期短（12年）技术更新周期长（510年）远程监测诊断系统总体结构远程监测诊断系统总体结构数据采集站现场设备传感器信号调理数据采集监测分析站2监测分析站1系统服务器网关3Internet23远程诊断中心设备诊断中的设备诊断中的LabviewLabview的

9、应用的应用 程序流程图程序流程图显 示分 析指令任务检 测识别备台切换巡检指令巡检人巡 检 指 令指令库（组态）路 径日 历知识库修正指令诊断分析状态识别报告指令任务状态数据状 态 库当日状态历史状态分析软件轴承特征频率信号处理特征识别日报告周报告月报告按要求随时报告巡检数据情况报告特征参数报告设备清单温度传感器振动传感器识别扭数据库下载上传人为干预当次周期OMIIMS=P MPd d+指令检测仪智能维修系统预知维修平台3、旋转机械故障诊断及工程实例旋转机械故障诊断及工程实例 3.1 旋转机械故障诊断 3.2 同频振动的故障诊断 3.3 多机组轴系振动及防治对策 设备诊断与故障自愈工程轴弯曲1

10、轴弯曲2轴弯曲2轮盘中心不对中轮盘受力图两跨和三跨转子的有限元模型 系统振幅随安装相位角变化的关系 118号结点幅值随安装相对相位的变化 218号结点幅值随安装相对相位的变化 4、机械故障诊断专家系统机械故障诊断专家系统 4.1 振动故障机理及一次原因分析法 4.2 振动的主导频率及识别特征 4.3 基于黑灰白集合筛选法的故障诊 断专家系统 4.4 与国外专家系统的对比 设备诊断与故障自愈工程 2 最佳诊断方法探讨最佳诊断方法探讨. . 诊断诊断由果求因的逆过程由果求因的逆过程 振动是表征机器运行状态最敏感的征兆参数。其响振动是表征机器运行状态最敏感的征兆参数。其响应、激励和系统动力特性三者之

11、间关系为：应、激励和系统动力特性三者之间关系为： X X = Z()-1 F其中其中, , Z Z()=(k-()=(k-2 2m)+jcm)+jc 为动力系统的特征矩阵为动力系统的特征矩阵或称阻抗矩阵。或称阻抗矩阵。振动故障的诊断就是由响应（征兆参数）探求故振动故障的诊断就是由响应（征兆参数）探求故障原因外因激励和内因刚度、阻尼、质量变化障原因外因激励和内因刚度、阻尼、质量变化的逆过程。的逆过程。Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of

12、Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 征兆参数和故障原因并非一一对应关系，征兆参数和故障原因并非一一对应关系，是多果（征兆参数）和多因（故障原因）是多果（征兆参数）和多因（故障原因）的复杂对应关系。的复杂对应关系。 征兆谱征兆谱 原因谱原因谱 S S=S1,S2,- Sn R=R1,R2- Rm 图图2 2 诊断诊断-逆过程逆过程

13、系统动力特性系统动力特性刚度、阻尼、质量刚度、阻尼、质量响应响应振幅、频率、相位振幅、频率、相位激励激励故障诊断故障诊断外因外因内因内因表表2 Nspectr DiagnosisDiagnostic Summary For (271900001) #2 BCCT PUMP-MIDDLE KEY POINT (S)PROBLEMCERTAINTYM2A M2V P1H P2HCoupling is locked up or worn77%P2V P1H P1V P2H P2VCavitation from lack of suction pressure76%P1HBPFO and other

14、bearing failure patterns75%P1VBPFI, BPFO and other bearing fault patterns75%P2VBPFI, BPFO and other bearing fault patterns73%P2ABPFO and BPFI (race) defects in bearing70%P2HBPFO and other bearing failure patterns 70%M1VBPFO(outer race) defect in bearing68%P1H P1V P2H P2VH y d r a u l i c p r o b l e

15、 m d u e t o process/clearance66%M2VPossible shorted laminations /turns in stator60%Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing Unive

16、rsity of Chemical Technology, China 探求好的诊断方法至少要研究以下两方面内容。探求好的诊断方法至少要研究以下两方面内容。1)故障信息的提取和分析故障信息的提取和分析常用的提取分析方法：常用的提取分析方法：趋势分析法趋势分析法类比分析法类比分析法时序分析法时序分析法故障树分析法故障树分析法概率统计法概率统计法综合法综合法黑箱法黑箱法数据融合数据融合神经网络神经网络故障机理研究故障机理研究数据挖掘数据挖掘Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Bei

17、jing University of Chemical Technology, China 2) 推理方法推理方法 常用的主要有两种方法常用的主要有两种方法 IF a and b or c , THEN. 例如，旋转机械转子不平衡推理过程为：例如，旋转机械转子不平衡推理过程为：如果如果1 1倍频高倍频高如果如果 波形为正炫波波形为正炫波如果如果 转子两端振动差别小转子两端振动差别小如果如果 振幅随转速升高增大或振幅随转速下降减少振幅随转速升高增大或振幅随转速下降减少如果如果 相位稳定相位稳定则则 转子不平衡转子不平衡。 模糊或灰色理论：推断出故障原因的隶属度和关联度模糊或灰色理论：推断出故障原

18、因的隶属度和关联度 均均用百分数表示用百分数表示 然而：最终验证的结果要么为然而：最终验证的结果要么为“是！是！”，要么为，要么为“不是！不是！” 4.4.基于黑灰白集合筛选法的机械振动基于黑灰白集合筛选法的机械振动 故障诊断专家系统故障诊断专家系统 旋转机械故障诊断系统总体框架，实际上是旋转机械故障诊断系统总体框架，实际上是一种故障树结构。一种故障树结构。 其诊断过程是以人机对话形式，逐层用判其诊断过程是以人机对话形式，逐层用判据进行黑据进行黑灰灰白集合筛选法来完成的。白集合筛选法来完成的。Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Techno

19、logy, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 黑灰白集合矩阵筛选法黑灰白集合矩阵筛选法Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Sn nCn nG1 1 是否是否S1S1 c1c1 不清楚不清楚Rn nG2 2W2 2 R2 2C2 2S2 2B1 ,s11 ,s1 c1c1W1 ,S

20、11 ,S1 c1c1R1 1S 1 1 R0R0C1 1B2 2Bn nWn nGn n图图3 3 黑灰白集合筛选方法图黑灰白集合筛选方法图表表1 1黑灰白集合筛选方过程黑灰白集合筛选方过程Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 对某种故障原因对某种故障原因R R，可能有三种征兆，可能有三种征兆 肯定征兆肯定征兆 一次或二一次或二 保留保留可能征兆可能征兆 次因获得次因获得 否定征兆

21、否定征兆 排除排除 满意结果满意结果 Reason R1 R2 RnCriterion sign B G W B G W B G WC1 S1 0 0 1 0 1 0 0 0 1C2 S2 0 1 0 0 0 1 1 0 0Cm Sm 0 0 1 1 0 0Result 1 0 0关键在于找出能将故障原因分类的识别特性即判据关键在于找出能将故障原因分类的识别特性即判据(C) !(C) ! 该专家系统由该专家系统由6 6个层次组成：个层次组成： I: I: 机器类型及测试方式机器类型及测试方式 机器类型机器类型: : 输入主机和驱动机名称、联机方式输入主机和驱动机名称、联机方式 、密封形式、测试

22、传感器配置等。、密封形式、测试传感器配置等。 矩阵判别法矩阵判别法 程序判据取舍程序判据取舍 II: II: 初步诊断和精确诊断初步诊断和精确诊断 初步诊断初步诊断是按振动趋势及其是按振动趋势及其随转速、负荷等变化规律来初随转速、负荷等变化规律来初步判别，一般难以得出一、二种可能的故障原因。步判别，一般难以得出一、二种可能的故障原因。 精确诊断精确诊断用于频谱分析等信号处理和分析。用于频谱分析等信号处理和分析。Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing Universi

23、ty of Chemical Technology, China 选择机器类型及测试方法选择机器类型及测试方法 初步诊断初步诊断按振动趋势及其随转速负荷变化等判别（得按振动趋势及其随转速负荷变化等判别（得出大致原因一般难以精确到一两种原因）出大致原因一般难以精确到一两种原因） 精确诊断精确诊断（按振动信号分析进行判别（按振动信号分析进行判别）主导频率主导频率主导频率主导频率主导频率主导频率 原因类别原因类别一次因一次因一次因一次因二次因二次因.预防和治愈预防和治愈开开 始始 原因类别原因类别原因类别原因类别图图4 4 基于黑灰白集合筛选法的旋转机械故障诊断专家系统总体框架基于黑灰白集合筛选法的

24、旋转机械故障诊断专家系统总体框架 III:III:由主导征兆频率确定故障原因类别由主导征兆频率确定故障原因类别 用判据筛选出一类或几类故障类别，排除其余类。用判据筛选出一类或几类故障类别，排除其余类。 可以根据表可以根据表3 3进行判断，如所测得征兆为精确进行判断，如所测得征兆为精确1/21/2分频振动，则故障分频振动，则故障原因的类别只可能是支承系统、磨碰、流体动力和共振四类故障，可以原因的类别只可能是支承系统、磨碰、流体动力和共振四类故障，可以排除其余六类故障原因。排除其余六类故障原因。 Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Techno

25、logy, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 故障类别故障类别精确分频、同频和倍频振动精确分频、同频和倍频振动非精确分频、同频和倍频振动非精确分频、同频和倍频振动故障主导故障主导频率特征频率特征（1/21/n1/21/n）分频）分频（精确（精确1 1倍）倍）同频同频（2n2n）倍频倍频一般亚异步一般亚异步分频滞后分频滞后同频滞后同频滞后倍频滞倍频滞后后故障特征故障特征转 子 自 转转 子 自 转（2n2n）周）周发 生 一 次发 生 一 次涡动涡动转 子 自 转 一转 子 自 转 一周 发

26、生 一 次周 发 生 一 次振动振动转 子 自转 子 自转 一 周转 一 周振 动 （振 动 （2n2n）振动频率小振动频率小于转子转动于转子转动频率但无规频率但无规律，有的为律，有的为第一临界第一临界振动频率振动频率总是略低总是略低于分频于分频振 动 频 率振 动 频 率总 是 略 低总 是 略 低于同频于同频振 动 频振 动 频率 总 是率 总 是略 低 于略 低 于倍频倍频 转子、定子偏心引起流体激振转子、定子偏心引起流体激振故障机理故障机理在 非 线 性在 非 线 性系 统 中 激系 统 中 激励 出 的 切励 出 的 切向 力 使 转向 力 使 转子 产 生 涡子 产 生 涡动动离

27、心 力 引 起离 心 力 引 起的 旋 转 矢 量的 旋 转 矢 量激 振 力 过 大激 振 力 过 大或 是 每 转 一或 是 每 转 一周 产 生 一 次周 产 生 一 次交变力交变力转 子 自转 子 自转 一 周转 一 周受（受（2n2n） 交 变） 交 变力力转子内磨擦转子内磨擦或转子内部或转子内部积液积液流体激振流体激振油膜涡动油膜涡动，油膜振，油膜振荡荡转 子 的 部转 子 的 部件 松 动 、件 松 动 、旋转失速旋转失速滑 差 引滑 差 引起起故障直接故障直接原因类别原因类别支 承 系 统支 承 系 统、 摩 碰 、 摩 碰 、流 体 动 力流 体 动 力、共振、共振转子自身、

28、轴系（预负荷转子自身、轴系（预负荷）、支承系统、电磁力、）、支承系统、电磁力、摩碰、流体动力、临界转摩碰、流体动力、临界转速（仅同频、共振、部件速（仅同频、共振、部件、其他）、其他）转子自身、转子自身、流体动力流体动力支承系统支承系统、流体动、流体动力力转 子 自 身转 子 自 身、 流 体 动、 流 体 动力力部件部件表表3 3 旋转机械振动故障主导频率及故障原因对应表旋转机械振动故障主导频率及故障原因对应表 IV:IV:由诸故障原因类中确定一类由诸故障原因类中确定一类 同一主导频率可能有几种至十种故障原因类，如同频振动就有可能有十同一主导频率可能有几种至十种故障原因类，如同频振动就有可能有

29、十类故障原因，由规则来判别其可能的故障类。类故障原因，由规则来判别其可能的故障类。:由故障原因类确定故障一次原因由故障原因类确定故障一次原因 为了确定故障一次原因到底是哪一类，进而查明是该类中的哪一种或几为了确定故障一次原因到底是哪一类，进而查明是该类中的哪一种或几种原因，还需要研究出更多的识别特征或称判据。种原因，还需要研究出更多的识别特征或称判据。Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, Chi

30、na 例如例如可采用如下多种途径寻求多判据：可采用如下多种途径寻求多判据： 振动方向；振动方向； 振动稳定性；振动稳定性； 振动相位特性；振动相位特性； 转子轨迹；转子轨迹； 振动随转速的变化；振动随转速的变化； 振动随油温的变化；振动随油温的变化； 振动随负荷的变化；振动随负荷的变化； 与其它振动的区别方法。与其它振动的区别方法。 Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China VI:VI:

31、由故障一次原因查找故障二次原因由故障一次原因查找故障二次原因 由于采用了科学的判据和黑由于采用了科学的判据和黑灰灰白集合筛选法，逐步地排除不可能原白集合筛选法，逐步地排除不可能原因，得出真正的原因和个别暂时难以排除的原因。由得出的故障一次原因因，得出真正的原因和个别暂时难以排除的原因。由得出的故障一次原因可以查得引起这些一次原因的故障二次原因，诸如设计制造、安装维修、可以查得引起这些一次原因的故障二次原因，诸如设计制造、安装维修、运行操作、机器劣化等问题及防治对策，可以较好地指导工程实践运行操作、机器劣化等问题及防治对策，可以较好地指导工程实践 。 Dr. Gao jinji Beijing

32、University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China 基于上述的黑灰白集合筛选法，旋转机械的基于上述的黑灰白集合筛选法，旋转机械的FDES（Fault Diagnosis Expert System）已经程序化已经程序化. . ZZB-1 vibration Diagnosis Engineering Software (Under the auspices of China Association of Plant Engineering

33、(CAPE).识别识别1010类类5656种机械故障并给出最终的原因；种机械故障并给出最终的原因；人机对话；人机对话；独特的知识规则和推理模式独特的知识规则和推理模式; ;已在国内已在国内2020多家大中型企业中应用；多家大中型企业中应用；取得实效取得实效; ; 作为作为FDESFDES应用实例表应用实例表4 4列出了工程上一个实际故障的诊断推理过程。列出了工程上一个实际故障的诊断推理过程。 Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Che

34、mical Technology, China 目标故障：径向轴承间隙过大目标故障：径向轴承间隙过大 机 组 参 数 一、机器类型 L、离心式压缩机 F、风机R、燃气轮机B、离心泵类Z、轴流式或轴流 +离心式压缩机 二、驱动机 D、电动机C、电动机附齿轮箱G、工业汽轮机Q、其他 三、联接形式 C、齿形联轴节T、弹性联轴节P、皮带传动X、悬臂式结构Q、其他 四、轴承形式 K、可倾瓦滑动轴承B、园瓣式滑动轴承G、滚动轴承 五、转子形式 J、实心金属轴K、可进液体中空转子Q、其他 六、密封形式 M、迷宫式密封F、浮环式密封O、油封Q、其他 七、工作转速 D、转速低于第一临界Z、转速在一、二临界之间G

35、、转速高于第二临界 八、测试方式 D、位移探头V、速度探头A、加速度探头W、-双向位移探头K、有键相信号初 步诊 断 1、 N 振动值是否稳定 6、 Y 振动值是否随负荷明显变化 2、 C 振动值是否有突变（较长时间观测） 7、N 机器轴向振动是否明显 3、 C 振动值是否随转速变化而变化 8、N 如切断电机（驱动机）电源振动是否突然变小 4、 Y 振动值是否随转速变化而突变 9、N 临近设备开停及大幅度变速对振动值有否影响 （大范围内如起停机） 10、N 机器出口压力波动 5、 Y 振动值是否随润滑油油温变化而明显变化 11、 N 在机壳上测振动有明显方向性精 确诊 断JZG2 振动主导频率

36、为精确分频或此分量增长显著JFG1、N 随机器转速变化振动值突然变小 5、N 失稳时为第一临界转速2、N 振动值为精确分频且为倍数多峰值 6、C 振动有时突变伴随相位、轨迹、轴 3、Y 振动值对润滑油温变化敏感 心位置突变4、C 机器负荷变化对振动值有影响 7、Y 振动为反进动，常为8字或香蕉形轨迹 8、N 振动为正向涡动，轨迹杂乱JT3G1、N 在轴承箱上测振动有明显方向性2、C 润滑油温降低振动可能明显下降3、C 振动可能有突变，转子轨迹有时从椭圆变成8字香蕉形表表4 4 设备故障的诊断推理过程实例设备故障的诊断推理过程实例 5. 5. 结论结论（1 1）故障诊断在现代维修工程中将发挥越来

37、越）故障诊断在现代维修工程中将发挥越来越关键的作用。关键的作用。 （2 2） 黑黑灰灰白集合筛选法是一种用于编制专家白集合筛选法是一种用于编制专家系统的新的推理方法，不同于系统的新的推理方法，不同于IFIF、THENTHEN和模糊诊和模糊诊断方法。此方法的关键在于在故障机理研究基础断方法。此方法的关键在于在故障机理研究基础上获取判据。上获取判据。 Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China

38、 （3 3）黑）黑灰灰白集合筛选法应用计算机程序矩阵白集合筛选法应用计算机程序矩阵判别，不易漏掉可能原因，又妥善处理了一些判别，不易漏掉可能原因，又妥善处理了一些难以确认（灰色）的工程实际问题。难以确认（灰色）的工程实际问题。 （4 4）采用黑）采用黑灰灰白集合筛选法编制的机械故障白集合筛选法编制的机械故障诊断专家系统在工程上应用取得满意结果。诊断专家系统在工程上应用取得满意结果。Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical Technology, China Dr. Gao jinji Beijing University of Chemical

39、Technology, China 5、过程装备故障自愈工程过程装备故障自愈工程 5.1 过程装备复杂系统的故障自愈调 控 5.2 故障自愈调控研究的内容 5.3 典型实验及工程应用探讨 设备诊断与故障自愈工程主要内容：主要内容：一、引言一、引言 二、过程装备复杂系统的故障自愈调控二、过程装备复杂系统的故障自愈调控 三、故障自愈调控研究的主要内容及方法三、故障自愈调控研究的主要内容及方法 四、典型故障自愈调控技术实验及工程应用研究四、典型故障自愈调控技术实验及工程应用研究 五、结论五、结论一、引言 状态监测和故障诊断技术，开始改变了传统状态监测和故障诊断技术，开始改变了传统的的事后维修事后维修

40、(BM(BM：Breakdown Maintenance)Breakdown Maintenance)、定、定期计划检修（期计划检修（TBMTBM：Time Based MaintenanceTime Based Maintenance），逐步实施，逐步实施预知维修（预知维修（PdMPdM：Predictive Predictive MaintenanceMaintenance）和智能维护（）和智能维护（Intellgent Intellgent MaintenanceMaintenance），应用信息技术和知识工程去指，应用信息技术和知识工程去指导人们何时停机检修，指明故障的可能原因和要导人

41、们何时停机检修，指明故障的可能原因和要维修的部位。维修的部位。 为了防止故障蕴成机毁人亡的恶性事故，在为了防止故障蕴成机毁人亡的恶性事故，在石化、冶金、电力等流程工业，许多重要装备都石化、冶金、电力等流程工业，许多重要装备都设有设有停车连锁或紧急停车系统（停车连锁或紧急停车系统（ESD: ESD: Emergency Shut DownEmergency Shut Down）。 共同特点就是必须停机后由人去修复机器和共同特点就是必须停机后由人去修复机器和重新启动装备使其恢复正常。这可能是因为装备重新启动装备使其恢复正常。这可能是因为装备是非生命的人工装置与有生命的自组织如人和动是非生命的人工装

42、置与有生命的自组织如人和动物不同，依赖人是必须的。物不同，依赖人是必须的。 在系统论（在系统论（SystemicsSystemics）指导下，移植现代）指导下，移植现代医学医学“自主调理自主调理”治疗原理，本文研究以故障预治疗原理，本文研究以故障预防和自愈为目标的过程装备自主调控原理。探讨防和自愈为目标的过程装备自主调控原理。探讨改变装备完全靠人去改变装备完全靠人去“治愈治愈”的传统维修方式，的传统维修方式，应用状态监测诊断技术、人工智能技术、主动控应用状态监测诊断技术、人工智能技术、主动控制技术、信息和计算机技术等，在装备发生故障制技术、信息和计算机技术等，在装备发生故障之前，实现故障之前，

43、实现故障“自愈自愈”的可能性。的可能性。二、过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 大多数故障发生渐进的，而相互作用是故大多数故障发生渐进的，而相互作用是故障的终极原因。在故障形成过程中可能有若干障的终极原因。在故障形成过程中可能有若干因果关系，其最初始原因，往往是由于工艺、因果关系，其最初始原因，往往是由于工艺、环境或输入条件变化或操作不当引起的，如果环境或输入条件变化或操作不当引起的，如果早期发现，及时采取恰当的措施是完全可以防早期发现，及时采取恰当的措施是完全可以防止的。但对大量的由仪表或止的。但对大量的由仪表或DCSDCS测得的数据，测得的数据，操作人员难以及时发

44、现产生故障的最初始原因操作人员难以及时发现产生故障的最初始原因，错过了调控的时机，导致设备故障和事故。，错过了调控的时机，导致设备故障和事故。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 如石化行业常用的关键设备离心分离机经常发生如石化行业常用的关键设备离心分离机经常发生轴承、密封等损坏严重事故轴承、密封等损坏严重事故, ,其原因往往是由于内转其原因往往是由于内转子和外转鼓的强烈振动，而振动的原因又是由固、液子和外转鼓的强烈振动，而振动的原因又是由固、液物料分布不匀或堵塞造成动不平衡引起的。一般情况物料分布不匀或堵塞造成动不平衡引起的。一般情况，从转鼓开始不平衡到产生振动、再

45、到机器损坏是有，从转鼓开始不平衡到产生振动、再到机器损坏是有一段时间的，如果实时监测机器的扭矩、电机电流，一段时间的，如果实时监测机器的扭矩、电机电流，并对其振动频谱、相位进行分析可以早期发现这一故并对其振动频谱、相位进行分析可以早期发现这一故障，采取暂停进料和冲洗等措施是可以将这一故障在障，采取暂停进料和冲洗等措施是可以将这一故障在初始阶段就消除的。初始阶段就消除的。 又如，大型工业炉经常发生炉管结焦甚至又如，大型工业炉经常发生炉管结焦甚至炉管烧损事故，其原因常常是因为进料泵异常炉管烧损事故，其原因常常是因为进料泵异常，造成流量不足，而供加热炉的燃料油没及时，造成流量不足，而供加热炉的燃料油

46、没及时调整仍保持原量，多余部分转化为有害能量使调整仍保持原量，多余部分转化为有害能量使炉管过热，造成事故。类似的实例在工厂里经炉管过热，造成事故。类似的实例在工厂里经常可见，故障和事故造成的生产损失惊人。常可见，故障和事故造成的生产损失惊人。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 其根本的原因还是传统的设计方法有问题其根本的原因还是传统的设计方法有问题，即使国际上最先进的石化装备，设计时工艺，即使国际上最先进的石化装备，设计时工艺、设备、仪表控制、电气、计算机等都是以各、设备、仪表控制、电气、计算机等都是以各专业为主单独设计、互相交叉提供边界条件，专业为主单独设计、互相

47、交叉提供边界条件，由各专业分别完成后组成一个复杂系统。但是由各专业分别完成后组成一个复杂系统。但是, , 工程实践表明，这种方法无法适应现代工业工程实践表明，这种方法无法适应现代工业的复杂系统的要求。的复杂系统的要求。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 现代系统论告诉我们，整体具有的特性并现代系统论告诉我们，整体具有的特性并不存在于分离的部分之中，统一体要比它的各不存在于分离的部分之中，统一体要比它的各个部分的简单集合包含更多的东西。上述方法个部分的简单集合包含更多的东西。上述方法不是取决于装备本身，而是由于人的局限性对不是取决于装备本身，而是由于人的局限性对总体各

48、部分之间互相依赖、互相协调、互相关总体各部分之间互相依赖、互相协调、互相关联统筹研究甚少，实际上形成了许多联统筹研究甚少，实际上形成了许多“专业壁专业壁垒垒”，这是长期以来，这是长期以来“还原论还原论”研究方法的产研究方法的产物物。过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 现代系统论揭示了生命系统与非生命系统现代系统论揭示了生命系统与非生命系统之间的内在联系，指出了两类系统之间并没有之间的内在联系，指出了两类系统之间并没有严格的界线。人类本身与其创造的装备在本质严格的界线。人类本身与其创造的装备在本质上是有共性的，在与疾病和与故障作斗争的方上是有共性的，在与疾病和与故障作斗

49、争的方面也有许多相同之处。面也有许多相同之处。过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 现代医学认为现代医学认为“自主调理是治疗学的第一自主调理是治疗学的第一原理原理”，人的疾病可以，人的疾病可以“自愈自愈”，也可以，也可以“治治愈愈”，而迄今为止装备的故障几乎全部是靠人，而迄今为止装备的故障几乎全部是靠人来修复即来修复即“治愈治愈”的。现代医学已经向修理机的。现代医学已经向修理机器学习，更换人的心脏、肾等零部件了，工程器学习，更换人的心脏、肾等零部件了，工程上也应借鉴移植现代医学的上也应借鉴移植现代医学的“自主调理自主调理”治疗治疗原理，实现故障在装备运行中的原理，实现故

50、障在装备运行中的“自愈自愈”。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 近年来，国内外学术界对装备的故障自愈近年来，国内外学术界对装备的故障自愈问题已开展了一些研究工作，如美国问题已开展了一些研究工作，如美国MichiganMichigan大学研究旋转机械主动平衡和振动控制，美国大学研究旋转机械主动平衡和振动控制，美国LORDLORD公司开发出的自动平衡器（公司开发出的自动平衡器（Auto-Auto-balancerbalancer），国内浙江大学研究的旋转机械失），国内浙江大学研究的旋转机械失稳，不平衡和不对中的在线消除等。但绝大多稳，不平衡和不对中的在线消除等。但绝大

51、多数研究还是局限于机械工程专业自身的范围。数研究还是局限于机械工程专业自身的范围。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 本项目研究是将过程装备当作一个复杂系统，即本项目研究是将过程装备当作一个复杂系统，即由相互作用和相互依赖的若干零部件、仪表、管路由相互作用和相互依赖的若干零部件、仪表、管路、阀门、控制器和执行器组合的有能量、物质、信、阀门、控制器和执行器组合的有能量、物质、信息输入和输出的具有特定功能的有机整体进行研究息输入和输出的具有特定功能的有机整体进行研究。本文以系统论为指导，应用系统的联系性原理，。本文以系统论为指导，应用系统的联系性原理，研究由监测系统早期

52、发现机械故障征兆，诊断出产研究由监测系统早期发现机械故障征兆，诊断出产生故障征兆的原因，并探明系统内部的相互作用，生故障征兆的原因，并探明系统内部的相互作用，分析因果链，查出最初始的原因，采取智能决策，分析因果链，查出最初始的原因，采取智能决策，在运行中靠系统自身主动调节控制措施将故障抑制在运行中靠系统自身主动调节控制措施将故障抑制在萌芽之中。在萌芽之中。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 装备故障自愈的方式装备故障自愈的方式1 1 机器零部件损伤的探测与自修复，如止推轴承机器零部件损伤的探测与自修复，如止推轴承 的自修复的自修复2 2 转动部件的自动平衡，如转动部

53、件的自动平衡，如AutobalancerAutobalancer3 3 机器内部的自清洁机器内部的自清洁, , 如离心机的主动冲洗如离心机的主动冲洗4 4 对环境变化的自适应，如润滑油温的自动调控对环境变化的自适应，如润滑油温的自动调控5 5 对输入输出条件变化的自适应，如防喘振系统对输入输出条件变化的自适应，如防喘振系统6 6 热后备系统的智能切换，如去气动三位两通切热后备系统的智能切换，如去气动三位两通切 换阀换阀 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 为达到自愈的调控方法可以是多种多样的，如上为达到自愈的调控方法可以是多种多样的，如上述工艺冲洗的方法消除动不平衡、

54、采用智能诊断切述工艺冲洗的方法消除动不平衡、采用智能诊断切换热后备（换热后备（hot backuphot backup）设备或系统、注入适量水）设备或系统、注入适量水降低被压缩气体温度以防止压缩机转子结焦、注入降低被压缩气体温度以防止压缩机转子结焦、注入改性改性- -修复剂来修复柱塞泵已磨损的摩擦副等等。对修复剂来修复柱塞泵已磨损的摩擦副等等。对于装备故障的早期智能诊断和运行中故障的预防和于装备故障的早期智能诊断和运行中故障的预防和消除对策，国内外学术界已经进行了许多研究工作消除对策，国内外学术界已经进行了许多研究工作，但将两者结合为一体研究机、电、仪和工艺复杂，但将两者结合为一体研究机、电、

55、仪和工艺复杂系统运行中的故障自愈调控原理至今尚未见报道。系统运行中的故障自愈调控原理至今尚未见报道。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 故障自愈调控原理的研究为开发置于故障自愈调控原理的研究为开发置于ESDESD前的故障自愈调控系统前的故障自愈调控系统FSRFSR（Fault Self-recovering regulatorFault Self-recovering regulator）提供了技术依据，）提供了技术依据， FSRFSR不停机不停机故障自愈与故障自愈与ESDESD停机检修功能对比如图停机检修功能对比如图1 1 所示。应用这一原理可以改进所示。应用这一

56、原理可以改进传统设计方法，在设计阶段就统筹考虑过程装备复杂系统的智能监控一传统设计方法，在设计阶段就统筹考虑过程装备复杂系统的智能监控一体化，使其具备早期故障智能诊断和自愈调控功能。这样可使未来的过体化，使其具备早期故障智能诊断和自愈调控功能。这样可使未来的过程装备减小依赖人的程度，使维修的责任从装备的使用方转移到装备的程装备减小依赖人的程度，使维修的责任从装备的使用方转移到装备的设计制造方。这会迫使后者改进传统的设计方法，研制出具有故障自愈设计制造方。这会迫使后者改进传统的设计方法，研制出具有故障自愈调控功能的、无故障、少故障或免维修、少维修的新一代过程装备。调控功能的、无故障、少故障或免维

57、修、少维修的新一代过程装备。 过程装备复杂系统的故障自愈调控过程装备复杂系统的故障自愈调控 研究以故障预防和自愈为目标的过程装备复杂系统自主研究以故障预防和自愈为目标的过程装备复杂系统自主调控原理和方法，要解决的关键问题，其一是过程装备复调控原理和方法，要解决的关键问题，其一是过程装备复杂系统早期故障初始原因的探查，含弱信息特征参量提取杂系统早期故障初始原因的探查，含弱信息特征参量提取识别以及复杂系统因果链的分析，早期发现故障并查明导识别以及复杂系统因果链的分析，早期发现故障并查明导致故障发生的初始原因，这是故障自愈调控的前提；其二致故障发生的初始原因，这是故障自愈调控的前提；其二是以故障预防

58、和自愈为目标的自主调控方法及其关联性，是以故障预防和自愈为目标的自主调控方法及其关联性，为抑制故障的自主调控方法及其对复杂系统内部及上层次为抑制故障的自主调控方法及其对复杂系统内部及上层次更大系统多模型的关联，以及如何确保过程装备自身系统更大系统多模型的关联，以及如何确保过程装备自身系统和其所在的大系统均进入稳定的有序状态，是故障自愈调和其所在的大系统均进入稳定的有序状态，是故障自愈调控的难点。控的难点。 三、三、故障自愈调控研究的主要内容及方法故障自愈调控研究的主要内容及方法 3 31 1 过程装备复杂系统早期故障初始原因探过程装备复杂系统早期故障初始原因探测测3 32 2 过程装备复杂系统

59、故障自愈调控的方法过程装备复杂系统故障自愈调控的方法及其关及其关 联性联性 3 33 3 故障自愈调控典型方法的实验验证故障自愈调控典型方法的实验验证 三、故障自愈调控研究的主要内容及方法三、故障自愈调控研究的主要内容及方法 据系统论的据系统论的“非加和原理非加和原理”，不仅研究故障征兆信息与故障原因的，不仅研究故障征兆信息与故障原因的对应关系，而且把装备看作多层次、非线性的复杂整体进行研究。建立对应关系，而且把装备看作多层次、非线性的复杂整体进行研究。建立多维、多参数、非线性复杂系统模型。深入研究系统内部各组成部分、多维、多参数、非线性复杂系统模型。深入研究系统内部各组成部分、系统与环境以及

60、输入和输出物质、能量、信息之间的相互作用、相互依系统与环境以及输入和输出物质、能量、信息之间的相互作用、相互依赖关系；研究系统从稳定的有序状态变成无序状态的过程、特点和规律赖关系；研究系统从稳定的有序状态变成无序状态的过程、特点和规律；研究高层次的有序与低层次混沌的辩证关系。打破工艺、设备、仪表；研究高层次的有序与低层次混沌的辩证关系。打破工艺、设备、仪表自控、电气等专业壁垒，重点研究其相互作用、相互影响，找出故障形自控、电气等专业壁垒，重点研究其相互作用、相互影响，找出故障形成过程、发展和防治规律，特别是故障萌芽时的特征。成过程、发展和防治规律，特别是故障萌芽时的特征。 3 31 1 过程装