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1、中北大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 46 页大型复杂装备系统故障诊断技术研究与监测系统设计大型复杂装备系统故障诊断技术研究与监测系统设计中文摘要中文摘要现代化生产中机械设备的故障诊断技术越来越受到重视，人们投人大量精力进行研究，机电设备故障诊断技术取得了很大的进展：探索出一系列新的理论方法与技术应用于实际，增加了对设备故障判断的效率，奠定了对设备实施故障诊断分析与修复的坚实基础，产生了明显的经济效益和社会效益。针对复杂装备故障诊断实际需求，本文某种装备故障智能诊断技术作为研究对象，在分析故障提点的基础上，提出用专家系统对设备进行智能诊断方法并对实现该智能诊断方法所涉及的诊断模型
2、设计、软件实现、故障只是数据库、自主知识学习、人机交互等关键技术进行了系统的研究。本文主要内容包括：(1)简绍国内外大型复杂装备可能出现的故障及原因，并对故障的规律及特点进行了分析。(2)基于知识的故障智能诊断方法和技术研究。本文引入了专家系统，研究了模型实现的实属途径。(3)实现监测系统的硬件设计，并设计了与之相匹配的电源电路、复位电路和时钟电路，简单的学习了 Protel 软件，画出了相关电路图。关键字：故障智能诊断关键字：故障智能诊断 专家系统专家系统 复杂设备复杂设备 监测系统监测系统中北大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 46 页目录目录中北大学 2012 届毕业设计说明
3、书第 3 页 共 46 页1 1 引言引言1.11.1 设备故障诊断的背景和意义设备故障诊断的背景和意义故障诊断(Fault Diagnosis)起始于机械设备的故障诊断技术，其全名是机械设备状态监测与故障诊断技术(简称监测与诊断技术)。故障诊断的对象即系统故障，所谓系统故障，是指系统的运行处于不正常状态（劣化状态），并可导致系统相应的功能失调，即导致系统相应的行为（输出）超过允许范围，使系统的功能低于规定的水平，这种劣 化状态称为故障。一般来说，诊断对象可以是一个比较复杂的大系统（甚至是巨系统），也可以是一个简单的元件或部件（子系统）。严格地说，从不同的层次观察可对诊断对 象有不同的划分，但
4、无特别说明的话，诊断对象都被视为系统，其诊断也就看作系统诊断1。随着现代化生产的发展和科学技术的进步，设备的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度也越来越高。由于许许多多无法避免的因素的影响，有时设备会出现各种各样，以致降低或失去预定的功能，甚至造成严重的以致灾难性的事故，国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂、倒塌、毁坏、泄露等恶性事故，造成了人员伤亡，产生了严重的社会影响；即使是经常生产中的事故，也因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。严重的灾难性事故触目惊心，不但造成巨大的经济损失，而且造成很大的人员伤亡和环境污染，在社会上引起了强烈的反响，例如美国三里岛核电
5、站和前苏联切尔诺贝利合反应堆的泄露曾引起对核电站安全性的争议，对核能的发展产生了影响；美国挑战者号航天飞机失事使美国航天事业的发展一度陷于停顿，都是对整整一个产业的打击。还有其他许多事故也是严重的，如 1972 年日本关西电力公司南海电厂 3 号机组600MW 汽轮发点机组因振动引起严重的断轴毁机事故，我国 1985 年大同电厂和 1988 年秦岭电厂的 200MW 汽轮发电机组的严重断轴毁机事故，都造成了巨大的经济损失。因此保证设备的安全运行，消除事故，是十分迫切的问题。现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各项技术指标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提
6、高安全性的措施；二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施。现在，诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术，成为推进设备管理现代中北大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 46 页化，保证设备安全可靠运行的重要手段。设备故障诊断的目的是：1、能及时地、正确地对各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平、 。2、保证设备发挥最大的设计能力，制定合理的检查维修制度，以便在允许的条件下，充分挖掘设备潜力，延长服役期限和使用寿命，降低设备全寿命周期费用。3、通过检测监
7、视、故障分析、性能评估等，为设备结构修改、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。总起来说，设备故障诊断既要保证设备的可靠运行，又要获取更大的经济效益和社会效益2。设备状态监测与故障诊断技术的应用，可确保设备的连续安全长周期运行，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。系统故障诊断是对系统运行状态和异常情况作出判断，并根据诊断作出判断为系统故障恢复提供依据。要对系统进行故障诊断，首先必须对其进行检测，在发生系统故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，最终给出解决方案，实现故障恢复。故障诊断技术是保障系统(设备)安全运行的基本措施之一，它能对系统(设备)故障的发展作出早期预报，对出现故障的原
8、因作出判断，提出对策建议，避免或减少事故的发生3。随着人工智能技术的不断进步，诊断技术已进入一个新阶段，即智能化诊断阶4。随着人工智能技术的快速发展，特别是专家系统、模糊理论和神经网络等在故障诊断领域得到的广泛应用，故障诊断从简单、低级、单一的传统方式向复杂、高级综合的智能化诊断方式的转变。智能故障诊断是以人类思维的信息加工和认识过程为推理基础，通过有效的获取、传递、处理、再生和利用诊断信息及多种诊断方法，能够模拟人类专家，以灵活的诊断策略对检测对象的运行状态和故障作出正确的判断和决策的过程。其中，由于模糊理论在解决不精确数学模型及神经网络在解决非线性映射模型上的突出特性，加上神经网络具备强大
9、的自适应、自学习及容错能力，基于这两种方法的故障智能诊断技术可以有效地解决传统方法存在的不足和问题，逐渐成为大型复杂系统故障诊断发展的重点方向5,6。因此，本文在分析设备故障及其特点的基础上，利用智能故障诊断解决复杂中北大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 46 页设备故障诊断7,8中的实际问题，1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国内外研究现状故障诊断（FD,Fault Diagnosis）是 20 世纪 60 年代末发展起来的新技术。1967 年在美国宇航局 NASA（National Aeronautics and Space Administration）
10、倡导下，由美国海军研究室（ONR）主持成立了美国机械故障预防小组（MFPG） ，并率先开始了机械故障诊断技术的开发和研究，在故障机理研究和故障检测、故障诊断和故障预测等方面取得了许多实用性的研究成果。很多学术机构如美国机械工程学会（ASME） ，政府部门如国家标准局（NBS） ，国家锅炉及高压容器检测中心（NBBI）以及一些高等院校和企业公司也都参与或是进行了与本专业有关的诊断技术的研究，取得了大量的成果。与此同时还出现了一些专业性的诊断仪器和检测系统制造厂商，如本特利（Bently）公司，科学亚特兰大（Scientific Atlanta）公司，惠普（hp）公司等，对推进诊断技术的应用起到了
11、巨大的作用。英国于 70 年代初成立了机器保健与状态检测协会（MHMG /地址锁存禁止F_CLE=0; /控制字操作F_WE =1; /转换禁止F_RE =1; /读禁止Void flash_Isr(void)EA=0; /禁中断/* * *写命令字* * * /F_CLE=1; /命令所存能使SFRPAGE=0x0F; /选端口寄存器页P6=0x80; /写命令字 80HF_WE =0;F_WE=1;F_CLE=0;/* * *写地址* * * /F_ALE=1; /地址所存能使P6=0x00;F_WE =0; /没来一次 we 低，写一次数据F_WE=1;P6=0x00;F_WE =0;F
12、_WE=1;P6=0x00;F_WE =0;中北大学 2012 届毕业设计说明书第 39 页 共 46 页F_WE=1;F_ALE=0; /完成三次地址写，地址所存禁止/* * *写数据* * * /if(F_RB= =1)SFRPAGE=0x00;P6=adResl;F_WE =0;F_WE =1;P6=adResH;F_WE =0F_WE =1;EA=1;Void flash_Init_jieshu(void) /* * *写结束命令字* * * / EA=0; /禁中断F_CLE=1; /命令字所存能使P6=0x10; /写结束命令字F_WE =0; /写信号使能F_WE =1; /写信
13、号禁止F_CLE=1; /写命令字所存禁止EA=1; /开中断 4.84.8 串口设计串口设计串行通信在智能仪器系统数据通信中一直扮演极重要的角色,具有线路简单、应用灵活、可靠性高等优点,它不仅没有因为技术的进步而被淘汰,反而呈现向速度等极限挑战的趋势，USB 和 IEEE1394 就是这种挑战的成果。串口已成为许多高中北大学 2012 届毕业设计说明书第 40 页 共 46 页端 CPU 和低端单片机的标准配置。近年来出现的 32 位嵌入式系统甚至配置了二个串口，以满足调试和现场任务的需求。由于历史原因，MCS 51 在我国的应用范围很广，许多公司如 Philips、Winbond 等也推出
14、了与之兼容的系列产品，围绕它的硬件和软件设计等方面已达到了很高的水平，目前有许多应用系统仍然基于它实现。由于 51 系列单片机多数只提供了一个串口资源，最多二个串口，几乎没有超过这个数目的，因此，软件模拟串口的收发工作往往是此类系统的扩展多串口的首选方案，但该方案不仅占用资源，且应用效果并不理想 .如何在此类系统中扩展串口，以满足其具体应用，无疑具有现实意义。16C554 是一种通用异步串行收发器 ,采用并行-串行转换机制提供了 4 组 R S 232 接口,每通道可配置最大 16 字节 FIFO (First In FirstOut)缓存,其总线接口方式,便于和 MCS51 单片机连接,实现
15、串口扩展。16C554 提供两种接口: 16 模式和 68 模式,16 模式专门针对 51 系列单片机; 68 模式针对 Motorola 系列和其它系列单片机,提供 FIFO 和 DMA 两种工作模式。4.8.1 16C554 内部结构介绍图 4.12 是其内部一组通道(其它三组一样)的原理框图。它提供了数据总线 (D0-D7)、读写控制信号(IOW/R)及片选信号(A0-A2，CS),还提供符合 RS-232 协议的接口信号,如 TxD,RxD 及 Modem 控制信号等,并具有内部通道自检功能，其工作流程是:在控制信号(IOW,IOR,CS,A0-A2)的作用下,对指定的某一路通道进行操作；
