高流量控制閥的智能故障診斷

慕國行 閆磊 朱燕芳 李遠(yuǎn) 徐利美

【關(guān)鍵詞】故障診斷;控制閥;高流量

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國互聯(lián)電網(wǎng)建設(shè)迅速崛起[1-2]，對(duì)于控制閥的需求標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提升?？刂崎y是通過動(dòng)力控制過程來控制系統(tǒng)中介質(zhì)流動(dòng)的設(shè)備。其中節(jié)流元件的閥門組件可以改變介質(zhì)的流速。該閥連接到致動(dòng)器，該致動(dòng)器向節(jié)流元件提供動(dòng)力。在調(diào)節(jié)致動(dòng)器位置的壓力下，節(jié)流元件的位置也被調(diào)節(jié)。所以控制閥的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分：閥門組件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]。控制閥是流體管道的控制裝置，用于連接、截?cái)嗪鸵龑?dǎo)工作流體，調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量，保護(hù)管道和設(shè)備?？刂崎y在電力工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[4]。

常規(guī)故障診斷技術(shù)通常依賴于工程判斷。然而，在復(fù)雜情況下的工程判斷中的故障診斷是最困難的。實(shí)際上，一旦客觀閥門發(fā)生故障，故障信息就包含在檢測所得的振動(dòng)信號(hào)中[5]，但不易觀察，特別是在復(fù)雜的多種故障模式或嘈雜的工作環(huán)境下。因此，它被認(rèn)為是分析外部測量的振動(dòng)信號(hào)以揭示故障特征和識(shí)別故障模式的通用且有效的方法。迄今為止，許多專門用于分析淹沒在振動(dòng)信號(hào)中的故障特征的信號(hào)處理方法已被開發(fā)，例如小波包分解，局部均值分解，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，卡爾曼濾波器等。

在缺乏故障特征的診斷領(lǐng)域，各種智能故障診斷方法得到迅速發(fā)展。例如，基于對(duì)供應(yīng)壓力、執(zhí)行器通風(fēng)口堵塞和隔膜泄漏的分析，利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)閥門的健康指標(biāo)[6]。然而，值得注意的是，每種智能故障診斷方法都有自己的能力范圍，并不適合所有的故障診斷任務(wù)。在一些實(shí)際應(yīng)用中，采用單一的智能故障診斷方法而獲得的診斷結(jié)果可能不穩(wěn)定，例如，雖然整體識(shí)別準(zhǔn)確率很高，但某些類型故障的準(zhǔn)確率波動(dòng)較大。為了提高受單一智能故障診斷方法限制的診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，提出了智能故障診斷（IFD）的關(guān)鍵技術(shù)。

閥門大多容易發(fā)生外部泄漏故障，下面我們對(duì)控制閥外部泄露的分類和機(jī)理進(jìn)行簡要分析。

（一）外部泄漏的分類

除了閥體的泄漏之外，還有三個(gè)位置通常會(huì)出現(xiàn)外部泄漏[7]。因此，根據(jù)這些故障發(fā)生的不同位置，外部泄漏可以分為四組，如圖1所示。從圖1中，我們還可以知道外部泄漏可能發(fā)生在哪些部分。

（二）外部泄漏的機(jī)理

從圖1中所示的由故障導(dǎo)致外部泄漏的零件，我們可以找到外部泄漏機(jī)理的結(jié)果，如表1所示。對(duì)控制閥的其他類型的故障應(yīng)通過類似的方式進(jìn)行研究。

故障診斷是一門綜合性、多技術(shù)的學(xué)科。故障診斷方法分為三組：基于模型的方法、基于信號(hào)的方法和基于知識(shí)的方法[8-9]。每種方法都有自己的特點(diǎn)。基于信號(hào)的方法通過分析寬度、相位和頻率來檢測故障，這不需要建立系統(tǒng)的精確模型。

尋找合適的故障診斷方法是控制閥故障診斷研究的重要課題之一。根據(jù)常見故障的機(jī)理和不同診斷方法的特點(diǎn)，可以選擇適合每種故障的故障診斷方法。無論選擇哪種方法，其原理都可以描述為：被檢測對(duì)象的情況（包括正常和異常）由一個(gè)名為S的情況空間組成，而其可檢測數(shù)據(jù)的數(shù)值由一個(gè)名為Y的特征空間組成，所以當(dāng)系統(tǒng)處于一個(gè)名為S的特定情況時(shí)，我們可以找到一個(gè)名為Y的特征值。

對(duì)于混合氣體控制閥的故障診斷，關(guān)鍵問題是根據(jù)特征值來區(qū)分情況的模型。我們可以通過三個(gè)步驟通過特征值來完成這個(gè)過程，如圖2所示。

我們可以按照?qǐng)D3所示的路線來開發(fā)IFDD系統(tǒng)，包括對(duì)控制閥故障診斷策略的研究和對(duì)控制閥故障知識(shí)的總結(jié)。

泄漏、堵塞、振動(dòng)、噪聲和穩(wěn)定性是控制閥的常見故障。其中造成泄露和堵塞的原因更加復(fù)雜。我們對(duì)控制閥進(jìn)行故障診斷時(shí)需要詳細(xì)排查是否發(fā)生泄露以及堵塞。在本文中，我們依據(jù)電力工業(yè)中控制閥的故障，分析了控制閥外部泄露的分類及機(jī)理，控制閥常見的故障診斷方法，并且提出了IFDD系統(tǒng)的研究路線?？傊?，對(duì)控制閥故障診斷方法的理論研究是故障檢測的基礎(chǔ)和開發(fā)IFDD系統(tǒng)的前提。研究某一類故障的機(jī)理，是尋找適用于閥門不同故障的診斷方法過程中的一個(gè)突破。