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1、华中科技大学 硕士学位论文 空压机系统故障诊断专家系统的研制 姓名：余化 申请学位级别：硕士 专业：制冷与低温工程 指导教师：王弘 20060430 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要 要 对制氧机组各设备故障进行早期识别与诊断是保证制氧机组安全、稳定和可靠 的工作的根本保证。由于制氧机组设备的复杂性，单凭人工很难及时发现、排除故 障。随着计算机技术的发展，采用专家系统的故障诊断方法，给制氧机组，尤其是 大型机组的故障诊断开拓了一片新的天地。 本文所研究的课题，是想以制氧机组中的空压机系统为例，探索一个行之有效 的专门针对复杂机械设备的故障诊断
2、专家系统的建造方法。 本文在故障诊断及专家系统理论等知识的基础上，为知识库和推理机的构建确 定了制氧机组空压机系统故障诊断专家系统的重点与难点；利用故障树分析法，分 析、细化了复杂的制氧机组运行时所有出现的故障，有效地消除了知识的冗余；用 产生式规则描述了故障知识；在知识库的构建上没有采用常见的树形数据结构，而 是以每条规则作为一个结点来构建链表，建立了链表形的数据结构。链表的创建过 程即为知识库的构建过程；链表的增、删等过程即为知识库的维护过程。采用以上 方法建造的知识库更为简洁，维护也更为方便。在推理机方面所采取的策略是正反 向混合推理的推理策略及宽度优先的搜索策略。这样，搜索空间小，避免
3、了组合爆 炸的产生。与此同时，还能以最少次数调用各知识模块，避免了重复搜索知识库， 节省了时间，提高了推理效率。 关键字关键字：制氧机组 空压机 故障诊断 专家系统 知识库 推理机 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract To identify and diagnose the faults of oxygen manufacture equipment is the ultimate guarantee to ensure the oxygen manufacture equipment work well. But it is dif
4、ficult to find and obviate the faults timely only by manpower due to the complicacy of the equipment. Along with the development of the computer technology, a new method which combines expert system and fault diagnosis technology is used to solve the problem. In this paper, it wants to explore an ef
5、fective method to build a complicated mechanism fault diagnosis expert system. Based on the theories of fault diagnosis technology and expert system, it ascertain that the design of the knowledge base and inference engine is core part of the expert system. a fault tree analysis is used to analyze al
6、l possible faults which the oxygen manufacture equipment will appear when it is working. Then a production rule is used to describe the base. It constructed each rule to be a node. Then a linked list can be made on the basis of these nodes. Finally, it can finish the construction of the knowledge ba
7、se from these linked list. So the construction of the linked list is the one of the knowledge base. To maintain the base, it just needs to add or delete or modify the nodes of the linked list. Obviously, it is more convenient to build and maintain the knowledge base compared with the tree data struc
8、ture. The inference engine performs the forward and backward mixed inference strategy and width-first search strategy. Thus make a small search space and avoid the creation of the combination explosion. At the same time, the inference can avoid searching the knowledge base repeatedly so that it adva
9、nces the inference efficiency. Key words: oxygen manufacture equipment air compressor fault diagnosis expert system knowledge base inference engine 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的 研究做出贡献的个人和集体，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
10、本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并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。本人授权华中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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位
11、位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 在工程技术领域中，自从机器问世以来，人们就非常关心它的健康能否正 常工作。对机械设备的运行状态进行诊断的技术至今已有很长的历史，可以说是与 机器的发明同时产生的。 随着现代工业及科学技术的迅速发展， 生产设备日趋大型、 高速、自动化，几乎在所有的工业领域里都曾发生过事故。一一些严重的、或灾难性 的事故的不断发生，迫使人们在设备的故障诊断方面进行着大量的研究。由此引申 出一门新的学科机械故障诊断学。 1.1 故障诊断故障诊断1,2,3 1.1.1 机械故障的危害性机械故障的危害性 现代化设备对安全性和可靠性提出越来越高的要求， 特别在航天、 航空、 航海、 核
12、工业等部门中，许多设备的故障倘若不能事先发现并加以预防，那么一旦发生事 故将会造成人员伤亡甚至严重的环境污染。美国三里岛核电站 1979 年 3 月 29 日由 于系统误判断和误操作导致堆芯严重损坏，放射性物质释放，不仅造成几十亿美元 的经济损失，而且因公害引起居民示威抗议，迫使国会出面干预调查。1984 年 12 月印度博帕尔农药厂的异氰酸甲脂毒气泄漏事故，造成 2000 多人死亡、20 多万人 受害的空前大工业事故。1986 年 4 月前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站事故，溢出放 射性物质，污染了西欧上空。1986 年 1 月美国挑战者航天飞船失事是由于火箭系统 故障引起的悲剧。由于工厂中的高
13、压容器、锅炉、大型球罐发生爆炸破裂而造成严 重后果的现象也是经常出现的。可见在现代化设备中，要做到尽早发现故障隐患， 极早发现事故苗头，防患于未然。 1.1.2 故障诊断的经济效益故障诊断的经济效益 故障诊断既要保证设备的安全可靠运行，又要尽可能地带来更多的经济效益和 社会效益。国内外有许多资料表明，故障诊断已经和正在产生巨大的经济效益。据 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 日本统计， 在采用诊断技术后事故率减少 75， 维修费降低 2550。 英国对 2000 个工厂的调查表明，采用诊断技术后每年节省维修费用 3 亿英镑。IMEKO 第三届 国际会议
14、上曾报道美国 Pekrul 发电厂实施故障诊断的经济效益情况分析， 如表 11 所示。其故障诊断系统的收益竟然达到了投入的 36 倍。 表 11 美国 Pekrul 发电厂实施故障诊断的经济效益情况分析 电厂情况 装机容量：1000MW，电费：0.015 美元/度，产值 1 亿美元/年 事故损失 按可靠性计算，事故停机 14 次/年，停机损失 15 万美元/年 诊断效果 可查出 50的事故，其中 50由诊断系统查出，而有 20是假报警， 修复时间：平均 3 天/每次事故 诊断效益 （节约费用） B0.50.5143150000（10.2）1260000 美元/年 投入经费 50 个监测点投资
15、20 万美元，监测费：1.5 万美元/年 诊断成本 A=(200000/10 年折旧)+1500035000 美元/年 诊断经济 效益系数 C=B/A1260000/3500036 国内虽然在故障诊断方面起步较晚，但也取得了一些成绩。鞍钢原计划在定期 维修时更换 11 台初冷器，在利用故障诊断技术检测时发现这些初冷器还可再用十 年， 一举节约 275 万元。 化工系统的某 30 万吨合成氨厂过去每年大修一次需 45 天， 检修费用占年产值 15，在采用诊断技术后改为三年内修两次，一次不到 30 天， 费用降为年产值的 10。 1.1.3 故障及故障诊断的含义故障及故障诊断的含义 从系统的观点来
16、看，故障包括两层含义4： 一是机械系统偏离正常功能，它的形成原因主要是因为机械系统的工作条件不 正常而产生的，通过参数调节，或零部件修复又可恢复到正常功能； 二是功能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断加剧，使机械设备 基本功能不能保证，则称之为失效（Failure） 。一般零件失效可以更换，关键零件失 效，往往导致整机功能丧失。 产生故障的原因通常有人为误操作、由正常磨损或疲劳使机械设备达到其自然 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 寿命以及环境影响等三方面的因素。 故障诊断是指系统在一定工作环境下查明导致系统某种功能失调的原因或性 质，判断异常状态发生的部位或部件，以及预测异常的发展趋势等。诊断就是由现 象判断本质，由当前预测未来，由局部推测整体的过程。 1.1.4 故障诊断的过程故障诊断的过程 故障诊断是一个较为复杂的过程，从察觉设备工作异常到解决设备故障，其过 程主要有三个步骤： 第一步是确定设备的所需要监测的参
