（电力电子与电力传动专业论文）故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用.pdf

修改，并在发现故障后完成故障处理。最后，文章提出一种远程故障诊断中 心的结构设计，这部分将在我们课题组未来的研究中逐步实现。 关键词：故障诊断技术，d c s ，专家系统，远程监控系统 i l r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f e a 仉td i a g n o s i ss y s t e m 矾 p a p e r m l 悯i n gc o n t r o l a b s t r a c t i np a p e r - m a k i n gc o n t r o ls y s t e m ，w h e nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mt h a td e s i g n e d f o rt h ep a p e r - m a k i n gm a yg e ta b o r t e db yt h ea b n o r m a li n t e r f e r e n c ea n dl e a dt o i n s t a b i l i t y , t h el i q u i dl e v e l ，p u l pf l o wc o n c e n t r a t i o n ，a n do t h e rp r o c e s sc o n t r o l p a r a m e t e r sw i l lf l u c t u a t et h a ta f f e c tt h eq u o t aa n dq u a l i t yo fp a p e rw e b u n d e r t h i sc i r c u m s t a n c e ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi sr e q u i r e dt om a k er a p i dj u d g e sa n d f i g u r eo u tt h es o l u t i o n a ss o o na sp o s s i b l ea c c o r d i n gt oi t sp r o g r a m sa n di t s e x p e r i e n c e s ot h er e l i a b i l i t yo ft h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y t h a ta d o p t e di nt h e c o n t r o l l i n gs y s t e mi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h er e m o t ed i a g n o s i st e c h n o l o g yf o rc o n t r o l s y s t e mi sr e q u i r e d ，t h er i c hd i a g n o s i st e c h n i q u er e s o u r c e sc o u l db ef u l l yu s e d a c r o s sd i f f e r e n ta r e a s ，a n dt h ei n f o r m a t i o nc o u l db ee x c h a n g e dq u i c k l y , h e n c et h e s p e e do fd i a g n o s i sc o u l db ea c c e l e r a t e d ，a n dt h ep r o b l e m sc o u l db ee f f e c t i v e l y a n dt i m e l ys o l v e d t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t s ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o no f t h ef a u l t ，t h em i s s i o n so ft h ef a u l td i a g n o s i s ，e t c s e c o n d l y , t h ep a p e rm a i n l y a n a l y z e st h em e t h o d sa n df e a t u r e so ft h ed i f f e r e n tf a u l td i a g n o s i s e s ，b e s i d eo f t h a t ，i tm a i n l yi n t r o d u c e st h ee x p e r ts y s t e mw h i c hi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e d m e t h o d si nt h ef a u l td i a g n o s i sf i e l d b ys t i m u l a t i n gt h et h i n k i n gm o d eo ft h e e x p e r t s ，t h ee x p e r ts y s t e md e s i g n e do u tt h ei n t e l l i g e n tp r o g r a m sa c c o r d i n g t ot h e e x p e r i e n c eo ft h ee x p e r t s ，o nt h ep u r p o s eo fs o l v i n gs o m ec o m p l e xf a u l t s a i m i n ga tt h ed e f e c t so ft h ee x p e r ts y s t e m ，s u c ha st h el o wm a i n t a i n i n ga n d r e a s o n i n gc a p a b i l i t yi ng e t t i n ge x p e r t i s e ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h a tt h e n e u t r a l n e t w o r kc o u l db ei n t r o d u c e dt oi m p r o v et h ee x p e r ts y s t e m a st h es e l f - l e a m i n g ， i i i a s s o c i a t i v em e m o r y , d i s t r i b u t i v ep a r a l l e lp r o c e s s i n go ni n f o r m a t i o n ，e t ca r et h e f e a t u r e so ft h en e u t r a ln e t w o r k ，t h ed e f e c to ft h ee x p e r ts y s t e mh a db e e n i m p r o v e d t h e nt h ep r o p o s a l so fi m p l e m e n t i n gt h er e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e ma r e d i s c u s s e di nt h ep a p e r t h er e a l - t i m er e m o t ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mw h i c hi s e s t a b l i s h e do nt h eb a s eo fi n t e r n e t ，a n dc o m b i n e do fl o c a la n dr e m o t er e s o u r c e s ， i sp r o p o s e d t h es e r v e rf o r t h el o c a lf a u l td i a g n o s i sc e n t e ri ss t r a i g h t l yc o n n e c t e d t ot h ei n d u s t r i a lw o r kn e t ，a n dt h em a i n t h eo n - s i t ed a t a ，a n di m p l e m e n tt h e f u n c t i o no fi ti st oc o l l e c tt h es a m p l eo f c h e c ko nt h ef a u l td i a g n o s i st ot h e c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h ed i a g n o s i sw i l lb ei m m e d i a t e l ye x e r t e d i fa n yf a u l ti s f o u n d e d t ot h er e m o t ef a u l td i a g n o s i sc e n t e r , i t sm a i nm i s s i o ni st of u r t h e ri t s d i a g n o s i so nt h ei s s u e st h a tt h el o c a ls y s t e mc a nn o ts o l v e ，m e a n w h i l e ，i tw i l l i n v i t et h ee x p e r ts y s t e mt or e m o t e l ym o n i t o rt h er u n n i n gs t a t u so ft h es y s t e m ， f i n a l l y , t h ec o m p r e h e n s i v ed i a g n o s i sw i l lb ec o n d u c t e do nt h ef a u l t s b yt h i s m e a n ，t h er e m o t ef a u l td i a g n o s i s c e n t e rc a n i n c r e m e n t a l l ya c c u m u l a t e t h e d i a g n o s i ss a m p l e sa n de x p e r i e n c e s ，i n c r e a s i n gi t sc a p a b i l i t ya n dc o m p e t e n c ei n d i a g n o s i n gt h ef a u l t s ，a n dt h ed a t ar e s o u r c e sw i l lb eu p d a t e dp e r i o d i c a l l y o nt h e w h o l e ，t h ed i a g n o s i n ga b i l i t yo ft h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mw i l lb es t r e n g t h e n e d t h e1 0 c a la n dr e m o t ec e n t e r sa r ec o n n e c t e dw i t hi n t e m e t ，t h er e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n sc a nb es e tu pi fn e c e s s a r y f i n a l l y , t h ep a p e rm a d ed e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) w h i c hi s t h em o s tw i d e l yu s e ds y s t e mi nm o d e mi n d u s t r i a l c o n t r o lf i e l d i no r d e rt ob e r e re x p l a i nt h et h e o r y , t h ep a p e rs e t sad cst h a tu s e d i nap a p e rm a k i n gi n d u s t r ya sa ne x a m p l et oi n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dh a r d w i r e c o m p o n e n t sa n ds o f t w a r ed e s i g n t h ep a p e ru s e st h ea b o v e - m e n t i o n e dd c s t h e o r ya st h ed i a g n o s i so b j e c tt oi n t r o d u c et h ep r o c e d u r eo fr e a l i z i n gar e m o t e f a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，m o r e o v e r , t h ep a p e rd e s i g n e do u tar e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h es c r e e n s h a r i n gt h e o r y , b yt h i ss y s t e m ，t h es o f t w a r e a n dt h ep r o g r a m so ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e mc o u l db ev e r i f i e d ，a n dt h ef a u l t sc o u l d b ei m m e d i a t e l ys o l v e da ss o o na st h et h e ya r ef o u n d e d ；a tt h ev e r ye n do ft h e p a p e r , as t r u c t u r ed e s i g nf o rt h er e m o t ef a u l td i a g n o s i sw a sp r o p o s e do u t ，a n d t h i sp a r tw i l lb eg r a d u a l l yi n t r o d u c e di nt h ec o m i n gr e s e a r c h i v k e yw o r d s ：f a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g y , d c s ，e x p e r ts y s t e m ，r e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m v 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 法律责任由本人承担。 论文作者签名：年日期：上迦粤生二旦一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技夫学确关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵j ：此规定) 论文作者签名：导师签名e l 期： 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 随着工业技术的不断发展，现代生产制造企业规模不断扩大，生产线的自动化水平 不断提高，与之相配套的自动控制系统也随之变得庞大，结构不断复杂，功能不断增强。 现代化大生产的主要特点是产量大、效率高，从而降低生产的成本，提高企业的竞争力。 为了能够实现高效的生产，现代工业的生产线都趋向于采用连续生产的方式，即所谓的 流程工业。各个生产环节都相互紧密衔接，从原料到成品形成一条高速的、无间断的生 产线，任何一个环节的故障都会造成整个生产线的停滞。同时，这种系统的生产线一旦 因故停机，往往需要很长的时间来恢复生产，并且每次启停的过程要花费大量能源和人 力物力，给厂家带来巨大的经济损失。现代工业高效生产的特点决定了现代工业对自动 控制系统的稳定性、可靠性提出了更高的要求。 自动控制系统规模的扩大、复杂性的提高与可靠性要求的提高之间的矛盾给系统的 维护带来了相当大的挑战。故障诊断技术就是在这样的需求下迅速发展起来的一门新兴 学科。控制系统可靠性的提高一方面是依靠硬件质量的提高，采用高性能的、高可靠性 的控制器和信号模块，甚至采取冗余的硬件系统，并对硬件进行较好的维护。另一方面 是提高对故障的检测和故障处理的能力，即及时预测或发现系统中故障并迅速排除故障， 这些就是故障诊断系统的任务。所谓故障是指系统的运行处于不正常状态( 劣化状态) ， 并可导致系统相应功能失调，这种劣化状态称为故障。故障诊断眨1 就是通过对系统中的 可测量的信息和不可测量的信息估计中判断系统是否发生了故障，在检测到故障后给出 故障源的位置，区别故障原因，确定故障的大小，判断出故障的严重程度及其对系统的 影响并采取相应的措施进行故障的修复。其功能就是预测或者检测系统故障，以便采取 及时的措施来应对故障，最大程度地减少故障给系统造成的影响。 故障诊断技术是一门综合性技术，其研究涉及到多门学科，从事这方面研究的专家 一般集中在大专院校和科研院所以及控制系统的开发企业中，而生产企业的技术人员一 般不具备相关的专业知识。同时，控制系统的用户分布在各个地域，一旦出现故障往往 需要系统开发商派遣技术人员到现场进行解决，这过程不仅需要技术人员赶赴现场的时 间，还需要进行现场观察和故障分析，拖延了故障诊断的时间，给用户造成较大的经济 损失的同时，也增加了系统开发商进行系统维护的成本。 随着互联网的发展，越来越多的用户，特别是控制系统的开发商希望能够通过互联 网络对控制系统进行诊断和维护，这样可以减少维护工程师到现场的时间和费用，不仅 节约大量的人力和物力的成本，同时也能为客户提供更为快捷的服务，减少客户的损失， 陕两科技大学硕士学位论文 这就是远程故障诊断技术的产生原因。远程故障诊断技术b 钔t s ，通过在系统所在地设立状 态信息采集、存储和监测系统，在异地建立诊断中心，利用远程网络系统对异地的系统 进行故障诊断和维护的技术。它利用跨地域的丰富诊断技术资源，通过快速地交换诊断 信息，加快了故障诊断的速度。远程故障诊断系统具有以下优势陆，： 1 ) 远程故障诊断能充分利用领域专家的知识，摆脱距离的束缚，可以在异地及时 地查看系统的运行状态，了解现场的运行情况，做到“移动的是数据而不是人”，降低了 系统维护的成本，提高了服务质量。 2 ) 故障诊断快速及时性。通过远程故障诊断，能及时反映系统运行的状态，对系 统故障能进行及时报警或提示，有利于故障的预防，而且有利于及时进行故障诊断，从 而缩短了诊断时间，提高故障排除的效率，减少因故障引起的损失，间接提高了生产率， 提高了经济效益。 3 ) 诊断知识的迅速获取。由于远程诊断中心可与多客户相连，系统的诊断机会大 大增加，从而可以得到大量的现场故障样本及信息，增加系统诊断案例，极大地丰富故 障诊断数据库和知识库，改善故障诊断系统的性能，其诊断的智能性将日益提高。 4 ) 加强企业和科研机构的技术合作和交流。通过远程诊断系统，一方面，系统开 发商和科研机构有机会充分地发挥自己的技术优势为企业服务，使其理论和实践相结合。 另一方面，企业可以得到远程示教、技术讲座等培训，这样可以提高维护人员的技术水 平，从而提高了故障诊断的准确性，并方便先进技术普及和推广。 在结合了远程技术后，故障诊断系统的诊断能力能够得到实质性的提高，可以在相 当大程度上减少故障对于生产造成的影响，给企业带来巨大的经济收益。远程故障诊断 系统的研究具有重要的经济意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状及问题 1 2 1 目前研究的现状 国外故障诊断技术的开展较早，已有4 0 多年的历史【5 】。从6 0 年代中期开始，特别 是7 0 年代以来，设备故障诊断技术的发展速度、研究规模、所取得的成果，以及达到的 应用程度都是十分令人鼓舞的。6 0 年代是计算机和电子技术大发展的年代，快速傅立叶 变换和算法语言的出现，把信号分析技术从硬件到软件推向新的水平。设备系统和产品 零件的可靠性工程的发展以及零件失效机理的研究等等，象声发射技术、红外测温技术、 油样分析技术、振动信号谱分析技术以及各种无损检测技术的出现和发展，都在硬件和 软件两个方面极大地推动了设备故障诊断技术的发展。信息论、系统论、非线性理论和 方法与故障诊断技术的结合，为故障诊断技术中的信号检测和信号分析奠定了深厚的理 论基础，同时也开辟了广阔的研究空间：模糊理论在故障诊断中的应用，增强了故障诊断 2 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 推理极其结果的客观性：专家系统和神经网络在故障诊断领域中的引入，则为故障综合诊 断方法提供了有效理论支持，并开辟了广阔的前景，成为故障诊断方法主要的研究和 发展方向。而计算机硬件和软件接连不断的推陈出新，计算机网络的飞速发展，为 故障诊断方法的实现和应用提供了技术保证。 美国是最早开展故障诊断技术研究的国家。目前，美国己有多家公司从事电站故障 诊断系统的工作，其中最知名的有：西屋公司( w h e c ) ，b e n t l y 公司和i r d 公司。在欧 洲也有不少公司从事故障诊断技术的研究、产品的开发及应用。如瑞士a b b 公司目前 正在大力发展振动观察系统( v i b r o e w ) ，并由诊断软件精确诊断机器故障【6 j 。法国电气 研究与发展部近年来发展了以监测与诊断辅助站的p s a d 系统，用于大型电站机组监测 与诊断。英国在6 0 年代末，由c o l l a c o t t 的机械状态监测中心首先开始诊断技术的研究， 目前己有多家机构从事此项研究。对于故障诊断的专家系统的研究，英国的p h i l l p b u r r e l l 和d a v ei n m a n 研制开发的f a u l s t 3 是一个对供电网络进行故障诊断的专家系统。任务 是在实际操作中针对一个拥有多种类型设备、大型高度联网的供电系统进行故障诊断。 纳什来尔理工学院电子、计算机和系统工程系提出的诊断模型考虑不同的故障和传感器 信息，该模型不仅能够进行多故障诊断，还能够自动产生启发式规则来丰富知识库。奥 多米林大学计算机工程系使用两个专家系统进行制造单元故障检测和维护。这两个专家 系统既互相独立，又互相关联。 我国故障诊断技术方面起步较晚，1 9 7 9 年才初步接触设备诊断技术，但由于国家政 府部门重视，发展较快，目前在理论研究方面，形成了具有我国特点的故障诊断理论， 出版了一系列相关的论著，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。 与国外相比我国在诊断技术方面，尽管理论研究上己接近世界水平，但在应用技术方面 差距较大。随着国民经济发展，我国正面临大型技术设备广泛应用的关键时期，因此为 适应国民经济发展形势的要求，必须使诊在故障诊断的专家系统方面的研究，华中理工 大学较早开始了故障诊断领域的研究，并取得了很大的成果，在故障诊断理论上，提出 了一个基于知识的诊断推理的概念体系。在实际应用方面，以郑州纺织机械厂的 f f s 1 5 0 0 2 为研究对象，按照层次分类的方法，将系统按结构和功能划分为多个模块， 建立各个模块的故障树故障模型。哈尔滨工业大学的f m s 实时故障诊断专家系统采用了 故障树分析法进行故障模型的描述，该模型有利于故障的迅速定位，加快了故障的诊断 速度。北京航空航天大学的工程系统工程系的通用故障诊断专家系统开发工具，是一个 基于可靠性分析方法的非实时故障诊断专家系统，推理能力强和开放性好。北京航空航 天大学7 0 6 教研室的f m s 在线故障诊断系统采用了结构树一故障图诊断模型，有与、或两 种故障逻辑关系。在系统中还采用了置信度推理、优先级推理、多故障诊断和故障超前 检测等技术。并且系统提供了数据库建库工具及知识获取工作。1 9 9 4 年，清华大学出版 陕西科技大学硕士学位论文 社出版了控制系统的故障检测与诊断技术专著嗍，从一个侧面反映了我国在这一领 域的研究状况。对于故障诊断的专家系统，从国内外应用情况看，基于知识的设备故障 诊断一般有两种解决方案盯，：基于模型的诊断和基于非模型的诊断。基于非模型的诊断 推理，国内如华中理工大学等前三个系统采用了故障树的故障模型，使用了层次分类方 法来组织知识库，并且应用了基于规则的知识表示和推理。这种方法的优点是建立方便， 适用范围广。缺点是基于规则诊断的推理在规则库变大时，效率急剧降低，知识库的维 护困难。但是求解机械设备的诊断问题总是优先使用基于非模型的推理策略，对于基于 模型的推理策略则一般只限于使用基于因果模型的推理策略。国外的诊断系统多采用基 于模型的在线故障诊断系统，为了满足在线诊断的实时性要求，采用的算法都力求简单 实用，而且大都针对某一特定的、易于出现故障的部位。在上述系统中，诊断对象的表 达都没有采用面向对象的技术，这就使得在知识库中的诊断对象数目非常大的时候，知 识库的维护变得非常困难。而且这些系统对于规则的表达采用的都是命题逻辑，这样表 达知识虽然说比较简单，但是采用命题逻辑表达规则的系统不能进行演绎推理。 1 2 2 目前研究中存在的问题 专家系统的故障诊断方法b ，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各 种规则( 专家经验) ，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行过 程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由用户 来证实。由于故障诊断专家系统是专家系统在故障领域的应用，故障诊断专家系统在建 立时存在着一些专家系统自身难以克服的缺点，主要有以下几个方面t 7 】： a 在建立故障诊断专家系统时，性能首先取决于它所拥有的领域知识水平，一个专 家系统拥有的知识越多，质量越高，则它解决问题的能力就越强。由于知识获取主要依 靠手工方法，因而效率很低；而且有些知识蕴含在人们的行为感觉中，难以用规则来表示。 所以这就容易造成诊断知识库的不完备，当遇到一个没有相关规则与之对应的新故障时， 系统就变得束手无策。系统缺乏自学习和自适应能力，不能在诊断过程中从诊断的实例 上获得新的知识。 b 在知识的推理上，传统的专家系统是用串行方式，其推理方法简单，控制策略不 灵活，且推理速度慢、效率低。需要由知识工程师将领域专家知识进行加工处理使其规 则化，这取决于专家合作程度、经验的适用性等，这往往是现有专家系统知识获取存在 “瓶颈 问题。而知识的获取恰恰是构造故障诊断专家系统的关键所在。 c 由于故障诊断专家系统是基于知识的系统，所以对知识库的维护非常关键。当知 识库非常庞大时，很难避免会产生搜索速度下降，规则相互抵触等知识组合爆炸问题。 并且这种系统是闭集，缺乏延展性，泛化能力差。系统不具备联想及自学习能力。对知 识的更新、修改是非常麻烦的。 4 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 d 只有浅层的、表面的、经验性的知识，缺乏本质的、理性的知识。第一代专家系 统强调如何利用专家的经验快速有效地解决问题，忽视了对知识的理解等深层的作用。 因此，一旦出现启发规则未考虑的情况，故障诊断专家系统的性能将急剧下降，甚至无 法给出结论。 e 现有故障诊断专家系统对所研究的对象有很强的依赖性。抽取专家知识所得到的 外壳对解决其他问题有很大局限性，效果不好。 我国故障诊断专家系统技术发展很快，但与国外相比，仍存在一定的差距。主要表 现在传感器的性能及可靠性较差，诊断理论和机理研究尚不很透彻，多参数综合分析诊 断应用较少，故障诊断系统自身的可靠性较低等几个方面睁，。 1 3 发展趋势的分析 经过四十多年的发展，故障诊断技术已经取得了相当大的成就。但是随着新技术的 不断涌现，现代工业对故障诊断的需求的改变，以及故障诊断在实际应用中出现的问题， 新的理论和方法将必然出现。就故障诊断发展趋势而言，主要有以下几方面的内容哼们： 1 ) 故障诊断与远程网络技术的进一步结合。目前故障诊断与远程技术的结合还不 够成熟和完善，比如，大多远程故障诊断系统采用离线方式，实时诊断技术还需要进一 步研究。同时，现有的远程故障诊断系统仅仅应用于某些特定的系统或者特定的设备， 还没有在各个领域得到普及，因此，故障诊断与远程网络技术的结合仍将是各国研究的 热点。 2 ) 各种智能诊断方法的结合。实际的诊断问题往往比较复杂，而现有各种诊断方 法都有一定的缺陷，只采用一种诊断方法往往无法完全解决实际系统的诊断问题，因此， 研究如何将多种诊断方法有效地集成在一起，发挥各自的优势，从而提高整个诊断系统 的综合性能是一项具有重要现实意义的研究内容。 3 ) 现有故障诊断技术与其他新技术的有效结合。故障诊断作为新兴的学科，与各 种新技术的结合也是故障诊断技术研究的重要内容，如故障诊断与现代通信技术的结合， 与无线技术的结合，与多媒体技术的结合，与卫星技术的结合等等。 4 ) 故障诊断系统的鲁棒性和自适应能力。现有的故障诊断系统在实际应用中暴露 出了一些问题，如鲁棒性，自适应性等。在实际工程应用中，各种外部输入的变化常常 会导致被诊断对象的工况发生变化，并且实际系统中的干扰问题也必须进行考虑，这就 要求诊断系统具有一定的鲁棒性和适应能力，使得它能够对变化后的诊断对象仍能进行 有效的诊断。因此，如何增强诊断系统的各种性能也是较为重要的内容。 5 ) 复杂系统的故障诊断方法的研究。对于非线性系统、大时滞系统、描述系统、 离散系统等复杂系统的故障诊断方法和理论的研究目前还刚刚开始，存在大量的问题， 陕西科技大学硕士学位论文 可以预见，对于这些系统的故障诊断方法的研究必将成为新的研究热点。 总之，复杂设备的远程智能故障诊断系统技术研究正朝着信息化，敏捷化、智能化 方向发展i l l j ： 1 ) 信息化：大量使用现代信息技术，纳入现代信息战略新体制，采用网络化系统 模式，消除时空障碍。 2 ) 敏捷化：一是实时诊断和维护，敏捷地消除设备的故障；二是实现设计、制造、 使用、维修各单位的联盟，大大提高维修资源利用范围和利用率。 3 ) 智能化：大量引入人工智能技术，以及各种智能方法的有效集成，更有效、更 准确地发现故障并及时的排除，大大提高维修资源利用范围和利用率。 从以上的分析我们可以看到，今天，无论是从应用的领域，还是从应用的对象来看， 关于故障诊断技术的研究都在积极的展开，并获得了成功的应用。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文的主要工作是对工业过程控制系统的远程故障诊断系统的实现进行研究。由于 现代工业对控制系统的可靠性和系统维护的要求越来越高，而故障诊断技术能够对系统 中的故障进行检测和预测，能够在很大程度上减少故障给生产造成的损失。因此，故障 诊断技术的研究越来越受到重视。由于网络技术的不断发展，远程故障诊断技术应运而 生，它能够使领域专家或系统的开发商对系统进行远程维护，从而减少了系统维护的成 本，同时加快了系统故障处理的速度，给生产企业和系统开发商均带了很大的经济效益。 因而研究远程故障诊断技术具有较高的实用价值和经济意义。 本文首先对故障诊断技术发展历程和研究现状作了介绍，然后对故障诊断技术的具 体内容作了讨论。包括故障诊断的定义，故障诊断的主要内容以及性能指标等。随后， 对各种故障诊断的方法作了深入的探讨，对其中的专家系统进行了重点讨论，包括专家 系统的结构，各个子模块的功能，以及涉及的主要方法和技术。接着，对如何利用神经 网络改进专家系统的功能做了阐述，并对神经网络的基本理论和b p 神经网络的具体算 法作了简单的介绍。 文章对远程故障诊断系统的实现方案进行了重点的研究，对目前应用广泛的基于 b s 构架的基于w e b 数据库技术的远程故障诊断系统进行了介绍，并指出了该系统存在 的缺点。并提出一种实用且经济的远程故障诊断实现方案。即首先在控制系统的现场设 置一台服务器，并将其连入工业控制网络中，直接读取控制器中的数据，从而完成现场 数据的采集，并利用这些数据进行故障的分析和检测。然后通过i n t e r n e t 与远程故障诊 断中心进行信息交流，使领域专家能在远程了解现场系统的运行情况。这种方法首先避 免了计算机与远程控制器连接所需的大量硬件，以及用于远程连接的各项难以实现的技 6 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 术以及软件费用，同时它能够减少远程故障诊断中心的负担，并且实时性好，解决问题 的效率较高。 文中对实现远程故障诊断的各项技术一一作了详细的介绍，然后文章对当前工业控 制领域的主流产品即集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的功能和特点作了 分析，具体地介绍了由西门子s 7 3 0 0p l c 构成的造纸过程流送工段d c s 控制系统。 在介绍了造纸过程流送工段d c s 控制系统后，文章以该系统为例具体介绍了远程故 障诊断系统的实现过程。包括本地故障诊断系统中专家系统知识库的建立，推理机的设 计，解释子系统的构建以及远程故障诊断中心的设计和实现。 全文的研究内容可概括如下： 1 ) 研究故障诊断技术，包括故障诊断现有的各种方法，以及典型的故障诊断系统 的结构。 2 ) 远程故障诊断系统的实现方案，包括系统的结构、模型，所涉及的关键技术等。 3 ) 介绍了一种典型的工业控制系统，即基于s 7 3 0 0p l c 的造纸过程流程工段的 d c s 控制系统。 4 ) 以第四章介绍的d c s 控制系统为例，详细介绍了故障诊断系统的具体实现过程。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 故障诊断技术 2 1 故障诊断技术概述 故障诊断是利用被诊断系统运行中的各种状态信息和已有的各种知识进行信息的综 合处理，最终得到关于系统运行状况和故障状况的综合评价的过程【l l l 。具体地讲就是通 过对系统中的可测量的信息和不可测量的信息估计中判断系统是否发生了故障，在检测 到故障后给出故障源的位置，区别故障原因，确定故障的大小，判断出故障的严重程度 及其对系统的影响并采取相应的措施进行故障的修复。其功能就是预测或者检测系统故 障，以便采取及时的措施来应对故障，最大程度地减少故障给系统造成的影响。 2 1 1 故障的定义及分类 故障是指系统的运行处于不正常状态，至少有一个重要变量或特性偏离了系统要求 的正常范围，并可导致系统相应功能失调，这种状态称为故睁一】。广义来说，故障可认 为是使得系统表现出所不期望的特性的任何异常现象【2 】。故障可按照发生部位、时间特 性、发生形式进行分类。 按照发生部位的不同可分为【：】： 叠元部件故障：指被控对象中的某些元部件，甚至是子系统发生异常，使得整个系 统不能正常完成既定的功能。 b 传感器故障：指控制回路中用于检测被测量的传感器发生卡死，恒增益变化或恒 偏差而不能准确获取被测量信息，具体表现为对象变量的测量值与其实际值之间的差别。 c 执行器故障：指控制回路中用于执行控制命令的执行器发生卡死，恒增益变化或 恒偏差而不能正确执行控制命令，具体表现为执行器的输入命令和它的实际输出之间的 差别。 按照时间特性的不同可分为【1 0 】： a 突变故障：指参数值突然出现很大偏差事先不可监测和预测的故障。 b 缓变故障：指参数随时间的推移和环境的变化而缓慢变化的故障。 c 间隙故障：指由于老化、容差不足或接触不良引起的时隐时现的故障。 按照发生形式的不同可分为【坦1 ： d 加性故障：指作用在系统上的未知输入在系统正常运行时为零。它的出现会导致 系统输出发生独立于已知输入的改变。 e 乘性故障：指系统的某些参数的变化。它们能引起系统输出的变化，这些变化同 时也受已知输入的影响。 8 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 2 1 2 故障诊断的主要内容 故障诊断是寻找故障原因的过程，包括状态检测，故障原因分析及劣化趋势预测等， 是对系统发生的故障进行检测与隔离，给出一些故障源和故障严重程度的信息【1 3 】。及时 发现故障，并针对发生的故障采取相应的措施，同时发出报警信息，这就是故障诊断的 主要任务。故障诊断由故障检测、故障分离和故障辨识组成： 故障检测：从可测量或不可测量变量的估计中，判断被诊断系统是否发生了故障， 记录故障发生的时刻。 故障分离：。在检测出故障后，给出故障源的位置，区别出故障原因是执行器、传感 器、被控对象或者是特大扰动。 故障辨识：在分离出故障后，估计出故障的大小和发生时间、对故障产生的后果进 行评判与决策。 2 1 3 故障诊断系统的性能指标 评判一个故障诊断系统的性能主要有以下几个指标1 n m n ，： a 故障检测的灵敏度：指的是诊断系统能够检测到的最小的故障信号。系统能检测 到故障信号越小说明其灵敏度越高。 b 故障误报率：指的是诊断错误报到不存在的故障的概率，诊断系统应尽量避免误 报故障的情况。 c 故障漏报率：指的是诊断系统未能检测己发生的故障的概率，漏报率越高说明诊 断系统性能越差。 d 故障检测及时性：指的是诊断系统能否尽早地发现故障，或者说从故障发生到系 统检测到该故障的时间间隔，间隔时间越短越好。 e 故障定位的准确性：是指诊断系统对不同故障的区分能力。对于不同故障的区分 能力越强，那么对故障的定位也就越准确。这种能力的强弱取决于对象的物理特性：故 障大小、噪声、干扰、建模误差以及所设计的诊断算法。 f 故障辨识的准确性：是指诊断系统对故障的大小及时变特性的估计的准确程度。 故障辨识的准确性越高，表明诊断系统对故障的估计就越准确，也就越有利于故障的评 价与决策。 g 故障诊断系统的鲁棒性：是指故障诊断系统在存在噪声、干扰、建模误差的情况 下正确完成故障诊断任务，同时保持满意的误报率和漏报率的能力。 h 故障诊断系统的自适应能力：是指故障诊断系统对于变化的被诊断对象的自适应 能力，并且能够利用变化产生的新信息来调整自身。引起这些变化的原因可以是被诊断 对象的外部输入的变化、结构的变化或由诸如生产数量等问题引起的工作条件的变化。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 4 故障诊断基本方法及分类 最早出现的以物理量测量为手段来实现故障检测与分离的方法称为硬件冗余法1 5 ， 它不仅可以诊断仪表的故障，还可以检测控制系统的故障。但之中的缺陷是需要更多的 仪器设备，而且会使系统复杂化。1 9 7 1 年，美国麻省理工学院b e a r d 博士首先提出了以 解析冗余代替硬件冗余。所谓解析冗余，是指被诊断对象的可测变量之间( 如输入与输 出间，输出与输出间，输入与输入间) 存在的冗余的函数关系1 6 。基于解析冗余的故障 诊断方法是通过对被诊断对象中存在的解析冗余关系和其它先验知识进行分析处理，从 而实现故障的检测、分离和辨识。 故障诊断权威e m f r a n k 教授认为所有的故障诊断方法可以划分为基于知识的方法， 基于解析模型的方法和基于信号处理的方法三类眨1 。文献刀以此为基础对现有的故障诊断 方法进行了分类，文献 1 0 l 又在文献c 1 7 1 的基础增加了一些故障诊断方法，得到的故障诊断 方法分类如图2 1 所示。 故 障 诊 断 方 法 基于离散事件的方法 基于信号处理的方法 小波变换方法 信息融合方法 绝对值检验和趋抛检验法 k u l l b a c k 信息准则检验法 自适应滑动窗格形滤波器法 翌垂亘豆二 石可匪葫爵f _ 一 参数估计方法 状态估计方法 等价空间方法 基于症状 的方法 基于定性模型 的方法 图2 - 1 故障诊断方法分类 f i 9 2 1m e t h o d so ff a u l td i a g n o s i s 定性仿真 知识观测器 a 解析模型的故障诊断 所谓基于解析模型的故障诊断，就是通过将被诊断对象的可测信息和由模型表达的 系统正常信息值进行比较，从而产生残差，并对残差进行分析和处理而实现故障诊断的 技术，。在没有故障时，残差近似为零，而当系统中出现故障时，残差应显著偏离零点 1 0 一一一一一一一一一一一一一一一一 故障诊断技术在造纸控制中的研究与应用 旧。根据残差获取形式的不同，基于解析模型的故障诊断方法又可以分为状态估计方法、 等价空间方法和参数估计方法。 1 ) 状态估计方法的基本思想是利用解析模型和可测信息设计检测滤波器( 观测 器) ，通过比较滤波器( 观测器) 的输出与真实系统的输出获得残差，再对残差进行分析 处理，以实现系统的故障诊断c 2 1 。在能够得到系统的精确数学模型时，状态估计方法是 较为有效的故障诊断方法。 2 ) 等价空间方法的基本思想就是通过系统的输入、输出( 或部分输出) 的实际值 检验被诊断对象数学关系的等价性，从而达到检测和分离故障的目的。包括基于约束优 化的等价方程方法，广义残差产生器方法，基于近似扰动解耦的等价空间方法等等。 3 ) 参数估计方法根据模型参数及相应的物理参数的变化来检测和分离故障n 。参 数估计方法可分为基于系统参数估计和基于