示功圖畸變的往復(fù)壓縮機(jī)故障自動(dòng)分析

楊 紅,陳元輝,張遠(yuǎn)新

(武漢工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

往復(fù)式壓縮機(jī)是石油化工領(lǐng)域廣泛使用的大型關(guān)鍵設(shè)備，直接關(guān)系到裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行.往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)多樣，既有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又有往復(fù)運(yùn)動(dòng)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有氣路，又有油路和水路，因此激勵(lì)源多，故障率較高，而對(duì)其實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，相對(duì)于其它旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說難度較大.往復(fù)壓縮機(jī)常見故障診斷方法有振動(dòng)聲學(xué)法、參數(shù)法和油液法等[1].現(xiàn)有的故障診斷研究主要集中于技術(shù)手段較為成熟的因旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的振動(dòng)信號(hào)分析，而對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)特有的熱力學(xué)參數(shù)信號(hào)，應(yīng)用研究較少[2-3].

示功圖是壓縮機(jī)運(yùn)行狀況和工作性能的綜合反映，是研究壓縮機(jī)性能與工作狀態(tài)的基本方法之一，是有效的參數(shù)法診斷手段，可在較深層次上診斷壓縮機(jī)故障.根據(jù)測(cè)試的示功圖，可對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算.利用示功圖形狀的變化，還可以分析判斷壓縮機(jī)氣閥、活塞環(huán)、填料等的泄漏情況、進(jìn)排氣過程的壓力損失情況、壓縮及膨脹過程的熱交換情況等故障狀態(tài)，為壓縮機(jī)進(jìn)行有效的狀態(tài)監(jiān)控提供依據(jù).文獻(xiàn)[4]列出了典型示功圖所顯示的各種故障，將壓縮機(jī)工作正常時(shí)的示功圖與故障情況下的圖形進(jìn)行比較，根據(jù)示功圖圖形的畸變，可以有效判別壓縮機(jī)的某些故障.

計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，為基于示功圖的故障診斷提供了技術(shù)支撐[5].在筆者前期開發(fā)的示功圖自動(dòng)測(cè)試、分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[6]，根據(jù)相關(guān)的理論研究成果，本文開發(fā)了一套基于示功圖畸變的壓縮機(jī)故障自動(dòng)分析系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，著重探討了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的若干關(guān)鍵技術(shù)，并給出了系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例.

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由故障規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序框架構(gòu)成開放式的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示.故障規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立于應(yīng)用程序框架，為系統(tǒng)提供故障診斷規(guī)則信息支持；應(yīng)用程序按功能劃分為規(guī)則庫(kù)信息提取、故障識(shí)別、診斷報(bào)告、規(guī)則擴(kuò)展等主要功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能.

故障規(guī)則庫(kù)由多個(gè)數(shù)據(jù)表組成，用來存儲(chǔ)壓縮機(jī)的相關(guān)判據(jù)規(guī)則和故障特征信息，是系統(tǒng)的信息中心；規(guī)則擴(kuò)展提供了對(duì)故障規(guī)則庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展的人機(jī)交互接口，用戶能夠?qū)⑿碌墓收吓袚?jù)規(guī)則以及故障特征信息擴(kuò)充到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以應(yīng)用新的研究成果，增強(qiáng)系統(tǒng)功能；故障識(shí)別模塊根據(jù)確定的故障特征參數(shù)，對(duì)測(cè)試示功圖和參考示功圖進(jìn)行相關(guān)特征參數(shù)的計(jì)算、比較和分析，提取故障特征信息，同時(shí)從規(guī)則庫(kù)中提取規(guī)則信息作為故障判斷依據(jù)，并進(jìn)行匹配分析，診斷出故障特征，為診斷報(bào)告提供依據(jù)；診斷報(bào)告為用戶提供直觀的故障信息，根據(jù)故障識(shí)別模塊分析的結(jié)果確定示功圖故障類型，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)故障信息形成診斷報(bào)告，給出故障原因、故障特征和可能的解決方案等信息，為用戶的正確決策提供依據(jù).

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 示功圖故障識(shí)別

2.1.1 故障特征參數(shù) 故障特征參數(shù)是指對(duì)故障靈敏、穩(wěn)定可靠的物理參量.故障特征參數(shù)選取時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮其敏感性、可靠性以及參量檢測(cè)的可實(shí)現(xiàn)性.對(duì)示功圖而言，應(yīng)盡可能選取對(duì)示功圖形狀變化反應(yīng)敏感的參數(shù).對(duì)示功圖可顯見的壓縮機(jī)故障進(jìn)行分析，可歸納出多種獨(dú)立的易于計(jì)算或判斷的特征參數(shù)，并可進(jìn)一步劃分為數(shù)值型和變化型兩類參數(shù)，前者可用數(shù)值大小來定量表示，后者用變化趨勢(shì)來表示.示功圖故障特征參數(shù)及其反映的工況狀態(tài)如表1所示.

表1 示功圖故障特征參數(shù)及其反映的工況狀態(tài)

機(jī)器故障狀態(tài)的界限并不是完全定量清晰的，對(duì)于每一類故障，考慮到其嚴(yán)重程度不同，以及實(shí)際測(cè)試精度或誤差的影響，系統(tǒng)中使用參數(shù)變化閾值來衡量這個(gè)偏差.在作特征值判斷時(shí)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)設(shè)置各特征參數(shù)的閾值，只要特征參數(shù)在閾值允許的范圍內(nèi)波動(dòng)則認(rèn)為是正常的，若超出則認(rèn)為是不正常的.

2.1.2 故障診斷流程 系統(tǒng)采用綜合比較診斷法，將測(cè)試示功圖的當(dāng)前狀態(tài)與參考示功圖的歷史狀態(tài)進(jìn)行比較，以識(shí)別壓縮機(jī)的故障.系統(tǒng)故障診斷流程如圖2所示.系統(tǒng)首先分別從測(cè)試示功圖和參考示功圖中提取各個(gè)特征參數(shù)的特征值，并進(jìn)行比較，得到各個(gè)特征參數(shù)的變化狀態(tài)，然后對(duì)所有特征參數(shù)的變化狀態(tài)按照一定順序組合成故障特征信息，并提取出來.同時(shí)，從故障規(guī)則庫(kù)中提取判據(jù)規(guī)則，并與提取出的故障特征信息進(jìn)行匹配分析，識(shí)別出具體的故障狀態(tài)，并生成診斷報(bào)告提供給用戶.

圖2 示功圖故障綜合比較診斷流程

2.2 故障規(guī)則庫(kù)的組織

故障規(guī)則庫(kù)基于Access關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)，由特征判據(jù)、故障判據(jù)和故障特征三個(gè)數(shù)據(jù)表組成，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 故障規(guī)則庫(kù)基本結(jié)構(gòu)

特征判據(jù)表由特征參數(shù)、故障特征值、正常特征值、參數(shù)閾值和判斷值等字段組成.特征參數(shù)字段存放系統(tǒng)所確定的所有特征參數(shù)；故障特征值為待分析示功圖計(jì)算得到的特征值；正常特征值為參考示功圖計(jì)算得到的特征值；參數(shù)閾值為當(dāng)前特征參數(shù)的允許波動(dòng)閾值；判斷字符為兩種示功圖比較分析之后得到當(dāng)前特征參數(shù)的判斷字符.數(shù)值型特征參數(shù)的判斷字符由T、E和F三個(gè)字符組成，分別表示特征值變大、不變、變小三種趨勢(shì)；變化型特征參數(shù)的判斷字符由T和F兩個(gè)字符組成，表征其有、無變化.

單一的特征參數(shù)并不能確定故障類型，只有特征參數(shù)的組合才能作為某個(gè)故障的判據(jù)，所有特征參數(shù)可能的組合，構(gòu)成了故障判據(jù)表.故障判據(jù)表由判據(jù)規(guī)則字段組成，保存所有特征參數(shù)的可能組合序列.組合序列由特征參數(shù)判斷字符組成，字符先后順序與特征判據(jù)表中特征參數(shù)出現(xiàn)的先后順序一致.以其中一條判據(jù)規(guī)則為例：字符組合“FFEEETFFFF”的含義為第一個(gè)特征參數(shù)值變小，第二個(gè)特征參數(shù)值變小，第三個(gè)特征參數(shù)值不變，以此類推.

根據(jù)判據(jù)規(guī)則就可以確定壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)的故障了，判斷出故障之后還要把詳細(xì)的故障信息報(bào)告給用戶.故障特征表保存壓縮機(jī)各種故障的詳細(xì)信息，由故障代號(hào)，故障原因、故障特點(diǎn)和解決方法等字段組成.故障判據(jù)表與故障特征表并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不同的組合序列可能對(duì)應(yīng)同一故障特征.因此，故障判據(jù)表與故障特征表是多對(duì)一的關(guān)系.

2.3 面向用戶的規(guī)則庫(kù)擴(kuò)展

故障規(guī)則庫(kù)具有開放式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)提供了友好的規(guī)則擴(kuò)展接口，用戶可根據(jù)需要自主修改三個(gè)數(shù)據(jù)表的相關(guān)信息，如圖4所示.具體的擴(kuò)展內(nèi)容包括特征判據(jù)表中的參數(shù)閾值、故障判據(jù)表中的判據(jù)規(guī)則以及故障特征表中的所有故障信息.

圖4 面向用戶的規(guī)則庫(kù)擴(kuò)展

3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)基于與示功圖測(cè)試系統(tǒng)一致的VB6.0軟件環(huán)境開發(fā)，以方便兩個(gè)子系統(tǒng)的整合.以一個(gè)W型往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的吸氣閥故障示功圖測(cè)試分析為例[7]，預(yù)先實(shí)測(cè)故障示功圖并保存相關(guān)數(shù)據(jù).進(jìn)入故障分析系統(tǒng)，分別選擇“分析示功圖”和“參考示功圖”，則在繪圖區(qū)和狀態(tài)參數(shù)顯示區(qū)會(huì)分別顯示兩者的示功圖曲線和壓縮機(jī)相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù).點(diǎn)擊“故障分析”按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)對(duì)兩個(gè)示功圖進(jìn)行分析、比較，得出診斷結(jié)論，并在“故障原因”、“故障特征”和“解決方案”顯示區(qū)顯示詳細(xì)的故障信息，如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用運(yùn)行實(shí)例

4 結(jié) 語(yǔ)

示功圖是有效的參數(shù)法診斷手段，根據(jù)示功圖圖形的畸變，可有效判別壓縮機(jī)的某些故障.本文開發(fā)的壓縮機(jī)故障自動(dòng)分析系統(tǒng)，獨(dú)立的故障規(guī)則庫(kù)和應(yīng)用程序框架為系統(tǒng)提供了開放式的體系結(jié)構(gòu)，面向用戶的故障規(guī)則擴(kuò)展功能，利于新的研究成果的擴(kuò)展應(yīng)用.選擇的故障特征參數(shù)，利于計(jì)算和識(shí)別，特征參數(shù)的閾值變量，考慮到了狀態(tài)變化的波動(dòng)情況.示功圖的自動(dòng)測(cè)試和基于示功圖畸變的自動(dòng)故障分析系統(tǒng)，為壓縮機(jī)使用維護(hù)人員提供了一種有效的分析工具，系統(tǒng)經(jīng)適當(dāng)擴(kuò)展，還可并入在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供保障.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉衛(wèi)華，郁永章.往復(fù)式壓縮機(jī)故障示功圖診斷法研究[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2001(6):9-12.

[2]Liu Weihua,Ang Haisong.Study of failure diagnostic methods and intelligent diagnostic system for reciprocating compressor[J].International Journal of Plant Engineering and Management，2002，7(3):126-132.

[3]尤祥勝.往復(fù)式空氣壓縮機(jī)振動(dòng)故障診斷[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2006(4):19-23.

[4]沈慶根．化工機(jī)器故障診斷技術(shù)[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，1994．

[5]楊占剛，車延博，張振宇.基于PC的活塞式壓縮機(jī)示功圖測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14(10):1331-1333.

[6]楊紅,胡家順,修吉平.基于PC的壓縮機(jī)示功圖測(cè)試、分析系統(tǒng)[J].壓縮機(jī)技術(shù)，2003(3)：14-16.

[7]高京衛(wèi)，韓毅.往復(fù)式壓縮機(jī)氣閥失效形式及故障診斷[J].天然氣技術(shù)，2007，1(6):74-76.