故障診斷試驗系統(tǒng)設計----故障模擬【畢業(yè)設計】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p>　　故障診斷試驗系統(tǒng)設計----故障模擬</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技

2、術與儀器 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b><

3、;/p><p>　　在流程工業(yè)生產(chǎn)中，對工業(yè)設備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是非常有必要的。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)過程系統(tǒng)大型化和復雜化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的故障診斷技術已經(jīng)難以滿足復雜分布式設備的診斷要求。因此，人們迫切需要找到適合當前形勢的故障診斷方法，用以提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。</p><p>　　多級流模型(MFM，Multilevel flow models)是系統(tǒng)目標和功能的圖形化，對真實的

4、物理系統(tǒng)以物質流、能量流、信息流的角度進行抽象，把系統(tǒng)目標和功能及其之間的關系通過圖形符號來表達的模型。作為一種功能模型，MFM通常比相應的面向事件的模型更簡單，并且對系統(tǒng)的描述更加完全，能顯著地減少計算量，因而在實時性要求很高的故障診斷中具有明顯的優(yōu)勢。</p><p>　　本論文研究的主要內容及章節(jié)安排如下:</p><p>　　第一章論述了流程工業(yè)設備故障診斷的重要意義；闡述了流程工

5、業(yè)設備故障診斷的研究現(xiàn)狀；綜述了MFM建模與故障診斷方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展；分析了MFM在系統(tǒng)故障診斷應用中的優(yōu)勢,給出了本論文的主要研究內容。</p><p>　　第二章介紹了MFM建模的基本概念和原理；研究了MFM的建模方法，也概要介紹了基于MFM的故障診斷，最后建立了供水系統(tǒng)的MFM簡化模型。</p><p>　　第三章是本次畢業(yè)設計的最主要部分，本章分析了供水試驗臺的各部分元件的功能

6、、目標，具體提出了基于MFM的故障模擬方案設計，包括硬件電路設計、元器件的選取等。</p><p>　　第四章對全文進行了總結，并對未來展望提出了一些設想。</p><p>　　關鍵詞：多級流模型，故障診斷，故障模擬</p><p>　　The Design of Fault Diagnosis Trial System---Fault Analog</p&g

7、t;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In flow industrial production，it is important to care on the condition monitor and the failure diagnosis to the industrial equipment. But, Along with the f

8、ast development of modern industry process system large scale and complication, the traditional failure diagnosis technology is difficulty to satisfy the complex distributional equipment's diagnosis request. Therefor

9、e, the people anxiously needed to find the failure diagnosis method to suit the current situation.</p><p>　　Multilevel flow models, the graphic form of system objectives and functions, the abstraction of gen

10、uine physical system from the perspectives of material, energy and information flow. Serving as the model that expresses system objectives and functions and their relations through grahpic symbols. Serving as a functiona

11、l model, MFM is easier than event-oriented model with more complete system description, capable of reducing amount of calculation remarkably. Therefore, it has obvious advantage in </p><p>　　The first chapte

12、r discussed the significance of fault diagnosis in process industry, described the development history and current status on fault diagnosis in process industry, reviewed the development and current status of MFM, and co

13、mparatively analyzed the advantages of MFM in the system fault diagnosis. Finally, the main contents and the overall framework of the thesis were presented with the specific requirements of scientific research projects.&

14、lt;/p><p>　　The second chapter introduced the basic principles and the related concept of MFM, studied the method of modeling MFM, also introduced fault diagnosis based on MFM summarily, at last, built MFM of a

15、 water supply system.</p><p>　　The third chapter is the most important part of the graduation project, this chapter analyzed function and goal of each physics element which from the water supply system, pres

16、ent project design of the fault analog which based on MFM, included hardware-circuit designed, chose component and so on.</p><p>　　The fourth chapter sums up the work of the dissertation and presents conclus

17、ion and prospect.</p><p>　　Keywords: Multilevel flow models, fault diagnosis, fault analog目錄</p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第

18、一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3故障診斷技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.1 國內的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3.2 國外的研究現(xiàn)狀3</p><p&g

19、t;　　1.4課題研究的主要內容4</p><p>　　第二章 基于MFM的故障診斷技術介紹6</p><p><b>　　2.1引言6</b></p><p>　　2.2多級流建模6</p><p>　　2.2.1 目標6</p><p>　　2.2.2 功能7</p>

20、<p>　　2.2.3 設備元件7</p><p>　　2.2.4目標、功能、設備元件間的關系8</p><p>　　2.3 基于MFM的故障診斷介紹8</p><p>　　2.4 基于MFM的故障試驗臺設計9</p><p>　　2.5 本章小結10</p><p>　　第三章 基于MFM的故障

21、模擬系統(tǒng)設計11</p><p><b>　　3.1引言11</b></p><p>　　3.2 系統(tǒng)節(jié)點功能11</p><p>　　3.3故障模擬11</p><p>　　3.3.1 方案設計11</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)硬件設計12</p><p&

22、gt;　　3.3.3 模擬步驟16</p><p>　　3.4 本章小結17</p><p>　　第四章 結論與展望18</p><p><b>　　4.1 總結18</b></p><p>　　4.2 未來展望18</p><p><b>　　參考文獻19</b>

23、;</p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源 </b></p><p>　　流程工業(yè)主要包括電力、石油煉制、化工、造紙、冶金等行業(yè)。它們主要的特點是設備環(huán)節(jié)多且各設備環(huán)節(jié)相互關聯(lián)，一旦設備發(fā)生故障，

24、系統(tǒng)將通過物質流、能量流、信息流把故障傳遞給另一設備，引起整個生產(chǎn)過程的癱瘓。若故障不能被及時診斷和排除將造成重大事故，因此故障診斷對于流程工業(yè)尤為重要。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　由于流程工業(yè)通常是高溫、高壓、易燃、易爆的生產(chǎn)過程，故障診斷及安全保護系統(tǒng)是不可缺少的部分。特別是隨著流程工業(yè)的高速發(fā)展，其生產(chǎn)設備的結構走

25、向復雜化，不僅同一設備的不同部分之間互相關聯(lián)緊密，而且不同設備之間也存在著緊密的耦合關系，在生產(chǎn)過程的物質、能量、信息方面形成一個統(tǒng)一的、分布的有機體。由于眾多無法避免因素的影響，設備難免會出現(xiàn)各種故障。現(xiàn)代化流程工業(yè)一旦發(fā)生故障，不僅會造成人員和財產(chǎn)的巨大損失，而且對生態(tài)環(huán)境也將會造成不可挽回的影響。</p><p>　　世界各地經(jīng)常都會發(fā)生因為設備出現(xiàn)故障而導致的事故。例如，1984年位于印度伯帕爾市的美國碳

26、化公司農(nóng)藥廠發(fā)生毒氣泄漏事故，造成2000多人死亡，20多萬人受傷，成為世界工業(yè)史上的惡性事故典型。英國在制藥、精細化工、電力等行業(yè)每年要付出大約270億美元的代價。2005年11月13日發(fā)生在我國吉林省的吉林石化爆炸，直接經(jīng)濟損失4600多萬元，更嚴重的是造成了重大水污染事件。所以，確保流程工業(yè)安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)，又能夠做到長周期、優(yōu)化、滿負荷運轉是該工業(yè)特別需要解決的問題。2002年，廣東省的茂名發(fā)電廠、沙角A發(fā)電廠、韶關發(fā)電廠三個電

27、廠連續(xù)發(fā)生事故。為了避免重大事故的發(fā)生以及安全進行工業(yè)生產(chǎn)，對于故障診斷技術的研究就顯得尤為重要。它不僅可以保障系統(tǒng)和人身安全，還具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。 </p><p>　　綜上訴述，對于大型的生產(chǎn)系統(tǒng)，設備的可靠性和有效性在其中占了很大的比重，故障診斷技術就是保證設備有效運行的一種很好的方法。如果能及時找出故障，不僅能避免事故的發(fā)生，還可以安全地完成整個系統(tǒng)的生產(chǎn)。因此，為生產(chǎn)系統(tǒng)配備合適的故障

28、診斷技術是十分迫切的問題。</p><p>　　1.3故障診斷技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國內的研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國診斷技術的發(fā)展始于70年代末，而真正的起步應該從1983年南京首屆設備診斷技術專題座談會開始。雖起步較晚，但經(jīng)過近幾年的努力，加上政府有關部門多次組織外國診斷技術專家來華講學，已基本跟上了國外在此方面的步伐，在某些

29、理論研究方面已和國外不相上下。目前我國在一些特定設備的診斷研究方面很有特色，形成了一批自己的監(jiān)測診斷產(chǎn)品。全國各行業(yè)都很重視在關鍵設備上裝備故障診斷系統(tǒng)，特別是智能化的故障診斷專家系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)、石化系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)、以及高科技產(chǎn)業(yè)中的核動力電站、航空部門和載人航天工程等[2-5]。</p><p>　　在診斷理論方面，人們在其他各學科理論的基礎上演繹出各種診斷模型，如模糊診斷模型、層次診斷模型、因果診斷模型、覆

30、蓋診斷模型、序貫診斷模型、神經(jīng)網(wǎng)絡診斷模型、多級流診斷模型等等。同時也注重針對自身特點理論的發(fā)展，如最近興起的“小波”理論等[6]；在傳感器的設計研究方面，由于傳感器被視為診斷的“瓶頸”，故相對于診斷系統(tǒng)硬件部分的其他環(huán)節(jié)，受到了人們更多的重視。對于高精度、高性能的傳感器以及高信息量傳感器的研究，將是今后的發(fā)展方向[7,8]。</p><p>　　在診斷模式上面，人工智能已成為當今的主要發(fā)展趨勢，不僅是因為人工智

31、能的發(fā)展為其提供了強大的理論基礎及實現(xiàn)工具，而且還因為對于復雜系統(tǒng)的診斷需要人工智能才能達到最佳效果。智能故障診斷技術的發(fā)展主要圍繞三大方面：</p><p>　　分布式人工智能。分布式人工智能的發(fā)展為大規(guī)模診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了一條極具潛力的途徑，該技術是為解決大規(guī)模問題而發(fā)展起來的，其思想十分適合大規(guī)模診斷問題的智能求解。</p><p>　　自適應診斷模型。實際診斷中，由于知識獲

32、取的瓶頸問題，診斷知識庫是不完善的，復雜系統(tǒng)自身特性又容易受到影響發(fā)生改變，當新故障出現(xiàn)時，在知識庫中找不到最佳匹配，就容易發(fā)生漏診和誤診。所以若診斷系統(tǒng)具有一定的自適應能力，自身能夠“學習”和“進化”就能有效地適應求解環(huán)境和問題特征的動態(tài)變化。</p><p>　　混合式智能診斷系統(tǒng)。將多種不同的診斷技術相互融合，相互取長補短而形成的綜合智能真的就技術，在未來的診斷系統(tǒng)中將起到很大的作用[9-12]。</

33、p><p>　　綜上，可以看出故障診斷技術與當代前沿科學的融合是國內故障診斷技術的主要發(fā)展方向。當今故障診斷技術的發(fā)展趨勢是傳感器的精密化、多維化；診斷理論、診斷模型的多元化；診斷技術的智能化?？梢员憩F(xiàn)在如下方面：</p><p>　?。?）與當代最新傳感器尤其是激光測試技術的融合。</p><p>　?。?）與最新信號處理方法相融合。</p><p

34、>　?。?）與非線性原理和方法的融合。</p><p>　?。?）與多元傳感器技術的融合。</p><p>　?。?）與現(xiàn)代智能方法的融合[13]。</p><p>　　1.3.2 國外的研究現(xiàn)狀</p><p>　　在國外，在二十世紀60年代就有故障診斷技術的基礎。60年代末，美國國家航宇局就創(chuàng)立了美國機械故障預防小組，英國成立了機械

35、保健中心。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)很早就將故障診斷技術廣泛應用于航天、航空、軍事、冶金、礦石、煉油、化工、石油、發(fā)電等各行業(yè)，并取得了極大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前，國外的大型企業(yè)基本上依靠故障診斷技術來實現(xiàn)對設備的動態(tài)管理。國外對故障診斷技術的投入也是很大的，美國對故障診斷技術的投入就占其生產(chǎn)成本的7.2%，日本為5.6%，德國更是高達9.4%。</p><p>　　至今，故障監(jiān)測與診斷技術經(jīng)過幾十年的研究和應用，

36、已經(jīng)取得很大的進展。但由于復雜分布式設備的復雜性、分布性以及各子系統(tǒng)之間的非線性耦合，難以建立起足夠精確的故障模型或獲得較為完備的故障先驗知識，使得復雜分布式設備的故障診斷仍無法像一些簡單的設備一樣得到有效地解決，仍有許多問題亟須進一步地研究。由于分布式智能本身具有分布性、自治性、自適應性和魯棒性的特點，具有復雜分布式問題求解的能力，對于解決復雜分布式設備的故障診斷問題具有很強的針對性。應用分布式智能方法解決復雜分布式設備故障診斷問題得

37、到了歐洲、日本和美國等工業(yè)發(fā)達國家的充分重視，成為故障診斷的重要發(fā)展方向[14]。</p><p>　　隨著近三十年計算機技術的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了幾種通用的理論建模方法，如有向圖法、功能建模法等等，以借助計算機等先進技術實現(xiàn)對復雜機電系統(tǒng)的理論建模?；谟邢驁D法建模主要是利用系統(tǒng)的深層知識，包括設計知識、制造知識、信息傳播知識等，用附有約束條件的頂點和有向邊對系統(tǒng)的結構層次與關聯(lián)關系進行構造的方法[15]。基于有向

38、圖建模的最大缺點是由于過程系統(tǒng)存在大量的參數(shù)，且有向圖建立的模型缺乏目標與層次管理規(guī)則，而使有向圖建立的因果關系會顯得十分復雜，不利于人們的理解和故障診斷。</p><p>　　丹麥技術大學的Morten Lind 于1990年提出了多級流模型MFM(Multilevel Flow Models, MFM) 的建模方法，能建立起復雜分布式系統(tǒng)的物質、能量、信息的相互關系模型，為分布式智能系統(tǒng)的分析提供了有效的工具

39、。MFM是一種圖形表達的、形式化的建模方法。MFM包括系統(tǒng)的目標（Goals）和功能（Functions）模型，目標描述系統(tǒng)或子系統(tǒng)的用途，目標可以是生產(chǎn)目標、安全目標、經(jīng)濟或優(yōu)化目標。而功能則通過物質流、能量流和信息流來描述系統(tǒng)的性能。MFM也描述目標和激活這些目標的功能之間、功能和提供這些功能的子系統(tǒng)之間的關系。一個目標可能通過條件關系與一個或多個功能相聯(lián)系，意味者目標是這些功能的條件。功能通過獲得關系(achieve relati

40、on)與一個或幾個目標相聯(lián)系，意味著由這些功能來獲得目標。瑞典Lund技術學院Jan Eric和Larsson領導的研究小組開展了MFM在故障診斷方面的方法和應用研究工作，認為MFM方法比傳統(tǒng)的基于模型的和基于規(guī)則的標準專家具有更高的效率和實時性[16]。</p><p>　　現(xiàn)在，國外，甚至國內也有些大型企業(yè)中都安裝了局域網(wǎng)（Intranet）。網(wǎng)絡化的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷已經(jīng)取得一定成果。其中比較典型的是由美國

41、XEROX公司開發(fā)的在線系統(tǒng)，其通訊速率為100Mbps，可連接為數(shù)眾多的工作站，這樣可構成不同規(guī)模的網(wǎng)絡化的監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，便于進行集中管理。這些技術也使得多級流建模方法在遠程數(shù)據(jù)傳輸方面有了可行性。其信號傳輸可利用電話線、光纜或無線通訊方式?；贗nternet的遠程故障診斷，也有數(shù)家研究機構和公司進行研究。這些成果大大推動了遠程診斷的研究[17]。</p><p>　　1.4課題研究的主要內容</p&

42、gt;<p>　　本次設計的選題是針對管道運輸系統(tǒng)的基于多級流模型（MFM）的故障診斷，以多級流模型為理論基礎，以管道運輸系統(tǒng)為對象。我的任務就是為在線故障試驗臺提出故障模擬方案，包括在物質流、能量流中形成故障的具體實現(xiàn)方法。</p><p>　　MFM是一種基于目標的層次化建模方法，它對真實的物理系統(tǒng)以物質流、能量流、信息流的角度進行抽象，通過使用一些特定的圖形符號來描述系統(tǒng)過程的目標、功能以及設

43、備元件，從而對系統(tǒng)的生產(chǎn)過程進行建模。MFM對系統(tǒng)主要進行了三個層次的描述：目標(Goals)、功能(Functions)、設備元件(Physical components)。 </p><p>　　多級流模型的建模思想是把整個生產(chǎn)過程抽象成廣義的“流”，以系統(tǒng)目標與實現(xiàn)目標的功能為模型主體，建立復雜流程工業(yè)系統(tǒng)的抽象層次模型。在建模過程中，“流”是建模的主線，它主要可分為：物質流、能量流、信息流。物質流（Mat

44、erial Flow）是生態(tài)系統(tǒng)中物質運動和轉化的動態(tài)過程，在MFM中主要是代表物質在系統(tǒng)中的流動和轉化，比如一個水冷卻系統(tǒng)：物質流就是水在不同的元件里流動的過程；能量流（Energy Flow）是指能量在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈、食物網(wǎng)內轉變、轉移與消耗的過程，在MFM中主要指為設備元件提供能量的過程，比如熱傳遞，做功等；信息流是指對信號或信息的認識、決策、傳播的過程，比如控制信號管理。</p><p>　　故障模

45、擬系統(tǒng)就是人為的為一個系統(tǒng)制造故障，上面也提到了這里只需要在物質流和能量流中實現(xiàn)故障。不管是物質流還是能量流，它們都是目標或功能的其中一個，而目標和功能與設備元件中間存在著映射關系，通過這些關系就可以實現(xiàn)故障。一個完整的試驗平臺的組件都應該是固定在每一個它們該存在的位置，在那里它們可以很好地完成目標或實現(xiàn)功能，一旦它們中的一個或多個位置發(fā)生了變化，那么這個系統(tǒng)就出現(xiàn)了故障，比如一個水循環(huán)系統(tǒng)：如果我們斷開水泵和管道的連接，水就不可能被運

46、送到上面的水箱。設備元件的改變也不只是位置的變化，還可以都過狀態(tài)的改變來實現(xiàn)：在一個單容下水箱循環(huán)系統(tǒng)中，如果我們讓擋水板從打開狀態(tài)調節(jié)到關閉狀態(tài)，那么水箱就會過載而溢出水。這一部分過程的實現(xiàn)，我們選擇了單片機來完成。</p><p>　　多級流模型（MFM）是把系統(tǒng)目標和功能及其之間的關系通過圖形符號來表達的模型。在建模時不需要復雜的數(shù)學模型，而且由于它明確的建模目標、層次抽象的建模理念使得它具有高速的建模效率

47、、良好的更新與重新修訂的能力。所以，基于MFM的故障診斷方法具有獨特的實時性優(yōu)勢。但是，多級流模型還是在發(fā)展初期，沒準有些不確定因數(shù)。本次設計的預期結果：建立基于MFM的故障診斷模型，構建基于MFM的故障模擬硬件設計。</p><p>　　第二章 基于MFM的故障診斷技術介紹</p><p><b>　　2.1引言</b></p><p>　　

48、多級流模型 (MFM, Multilevel flow models) 由丹麥技術大學的Morten Lind首先提出 ,并成功應用于復雜系統(tǒng)的故障診斷 , 如用于核電站、超高溫加工乳制品工藝、用于手術后重癥監(jiān)護患者的監(jiān)測與診斷系統(tǒng) Guardian計劃等。 MFM建模方法認為系統(tǒng)是通過一系列的物質、能量、動力或者信息的流動來實現(xiàn)其目的 , 是基于流的思想而建立的模型。 MFM作為一種功能模型通常比相應的面向事件的模型更簡單 , 而對系

49、統(tǒng)的描述更加完全 , 并能顯著地減少計算量 , 因而在實時性要求很高的故障診斷中具有明顯優(yōu)勢。 Larsson歸納了利用 MFM進行故障診斷的三種基本算法: 測量值有效算法、告警分析算法和故障診斷算法。本章主要介紹MFM的建模和基于MFM的故障診斷。</p><p><b>　　2.2多級流建模</b></p><p>　　MFM是一種基于目標的層次化建模方法，它是對

50、系統(tǒng)的一種規(guī)范化的描述，它說明了與人工系統(tǒng)有關的三個問題，即它被設計來做什么，它應該怎么來做以及它應該用什么來做。因此，MFM模型中的三種基本概念分為：目標(goals)、功能(functions)和物理元件(physical components)。</p><p><b>　　2.2.1 目標</b></p><p>　　在MFM中，目標是建模思想的基礎，是系統(tǒng)各

51、部分功能的實現(xiàn)。因此，能夠從具體的對象中找出目標并加以描述顯得十分重要。目標可以分為三類：</p><p><b>　　(1) 產(chǎn)量目標</b></p><p>　　產(chǎn)量目標描述了這樣一種情況，即為了使生產(chǎn)進行，某些特定的過程變量應保持在某一特定的區(qū)間內，也就是說，某過程變量應滿足不等式（2.1）：</p><p><b>　　（2.

52、1）</b></p><p>　　當然，其中的某個限制有可能是無窮大或者無窮小。這個不等式意味著，只有系統(tǒng)保持在某種狀態(tài)下，才真正可能維持生產(chǎn)的進行。</p><p><b>　　(2) 安全目標</b></p><p>　　安全目標描述了如下情況，即從安全操作方面來考慮，某些特定的過程變量應保持在某個值以上或以下、一個特定區(qū)間之內

53、或之外。從本質上來說，它與生產(chǎn)目標的檢驗標準是同樣的。但一般情況下，安全目標是一個單邊區(qū)間。實際上，這個不等式意味著某些過程變量應保持在安全的區(qū)域內，要離危險值足夠遠。</p><p><b>　　(3) 經(jīng)濟目標</b></p><p>　　經(jīng)濟目標是從系統(tǒng)總體過程優(yōu)化的角度考慮，一般被表示成函數(shù)，根據(jù)運行參數(shù)的限制和經(jīng)濟效率的要求，它應滿足不等式(2-2)。<

54、;/p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　公式中的，是數(shù)值約束，在此約束下，系統(tǒng)能夠滿足效率要求。當系統(tǒng)不再滿足公式(2-2)時，則認為系統(tǒng)的目標失效，故障發(fā)生。</p><p><b>　　2.2.2 功能</b></p><p>　　在MFM中，功能的概念和目標聯(lián)系在一起。

55、它是在目標獲得的過程中，系統(tǒng)所具有的一種角色。功能由許多個功能節(jié)點組成。由于物質流，能量流、信息流的種類不同，所以這些流的功能節(jié)點也存在一些差異。物質流和能量流的功能節(jié)點主要有：源、傳送、阻塞、存儲、平衡、匯等；信息流的功能節(jié)點除了上面的六種節(jié)點以外，還包括觀測者、決策者、執(zhí)行者等。此外，為了對功能節(jié)點進行方便的管理，規(guī)定了一類組織功能節(jié)點，如網(wǎng)絡節(jié)點、管理者節(jié)點[18]。</p><p>　　在MFM中，有多種

56、流功能節(jié)點。首先，下面是對應于物質和能量流的流功能節(jié)點：</p><p>　?。?）源節(jié)點(source) （2）傳送節(jié)點(transport) （3）阻塞節(jié)點(barrier) （4）存儲節(jié)點(storage) （5）平衡節(jié)點(balance) （6）匯節(jié)點(sink)。</p><p>　　這些功能節(jié)點同樣可以用來描述信息流。但信息流還包含以下幾種功能節(jié)點：</p>

57、<p>　?。?）觀測者節(jié)點(observer) （2）決策者節(jié)點(decision) （3）執(zhí)行者節(jié)點(actor)（4）網(wǎng)絡節(jié)點(network) （5）管理者節(jié)點(manager)。</p><p>　　在MFM中，用“網(wǎng)絡”功能給流結構分組，并將流結構與目標相連，而用“管理器”對控制和監(jiān)督系統(tǒng)及操作者進行描述。用于建立MFM模型的各種功能節(jié)點及聯(lián)系的圖形標志如下圖所示，這里列出了幾種主要功能的圖

58、形標志：</p><p>　　圖2.1 MFM主要功能節(jié)點的圖形符號</p><p>　　2.2.3 設備元件</p><p>　　設備元件，是組成系統(tǒng)的實體要素。在MFM中，它通過實現(xiàn)關系與功能節(jié)點相連，實現(xiàn)功能節(jié)點自身的功能。在功能節(jié)點的介紹中，已經(jīng)針對各個功能節(jié)點，指出了常用的設備元件。</p><p>　　2.2.4目標、功能、設備元

59、件間的關系</p><p>　　目標、功能、設備元件間的關系是多對多的關系。多種功能達成一個目標，一種功能也可能滿足幾個目標；一種功能可能被多個不同的設備元件來實現(xiàn)，一個設備元件也可能實現(xiàn)多種功能。它們之間的映射關系如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 目標、功能、設備元件之間的映射關系</p><p>　　目標、功能、設備元件間還具有一定的層次關系。這

60、些關系主要有：達成關系、條件關系、實現(xiàn)關系等等。除了這三種MFM層次間的關系以外，在網(wǎng)絡節(jié)點的內部，功能節(jié)點間通過連接關系聯(lián)系在一起。</p><p>　　2.3 基于MFM的故障診斷介紹</p><p>　　基于MFM的故障診斷過程如圖2.3所示：來自傳感器的信號，經(jīng)過初步的處理，如信號轉換、數(shù)據(jù)濾波等，得到所需的信號。然后把這些信號值賦給功能節(jié)點，進行狀態(tài)信號的測量值校驗，找出不正常的

61、狀態(tài)，進行修改，從而得到正確的功能節(jié)點測量值。然后根據(jù)警報的閾值，把這些測量值轉化為警報狀態(tài)，然后進行故障警報分析與診斷，從而定位故障源，最后把診斷結果直接顯示給用戶和操作者。在基于MFM的故障診斷實施的過程中，有兩個比較重要的環(huán)節(jié)：狀態(tài)信號的測量值校驗和故障警報分析與診斷[19]。</p><p>　　圖2.3 基于MFM的故障診斷技術</p><p>　　2.4 基于MFM的故障試驗

62、臺設計</p><p>　　本次設計將通過建立一個供水系統(tǒng)來說明。供水過程的示意圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4供水系統(tǒng)供水過程示意圖</p><p>　　系統(tǒng)供水的過程是：利用水泵C2從存水箱C1中抽水，輸送到箱體C3中；箱體C3與箱體C5通過水管C4連接維持水位平衡；箱體C5中的水可以從出口經(jīng)水管C6流到存水箱中。其中，水泵工作的條件是電源C8供

63、電，開關C7閉合。</p><p>　　系統(tǒng)主要有存水箱C1、水泵C2、水箱C3、水管C4、水箱C5、水管C6、電源開關C7、供電電源C8等設備元件，它具有兩個目標：G1是系統(tǒng)的主目標——維持兩個水箱的水位；G2是子目標——為水泵提供電能。整個運行過程由十個功能節(jié)點組成。它們是：</p><p>　　F1 提供水源。與之相應的物理原件為存水箱。</p><p>　　

64、F2 傳送水。與之相應的物理原件為水泵。</p><p>　　F3 存儲水。與之相應的物理原件為水箱C3。</p><p>　　F4 傳送水。它通過水管兩則的箱體的壓力流實現(xiàn)。</p><p>　　F5 存儲水。與之相應的物理原件為水箱C5。</p><p>　　F6 傳送水。它通過箱體C4與存水箱壓力差實現(xiàn)。</p><

65、p>　　F7 排水。與之相應的物理原件為存水箱。</p><p>　　F8 提供電能。與之相應的物理原件為電源。</p><p>　　F9 電能的傳送。與之相應的物理原件為開關。</p><p>　　F10 電能的消耗元件。與之相應的物理原件為水泵電機。</p><p>　　根據(jù)上面的分析，可建立其多級流模型，如圖2.5所示。</

66、p><p>　　圖2.5 供水過程的多級流模型</p><p><b>　　2.5 本章小結</b></p><p>　　本章介紹了MFM建模的基本方法，主要說明了MFM三個層次描述：目標、功能、設備元件以及它們間的關系；給出了MFM故障診斷的一般過程；最后還對供水系統(tǒng)試驗臺進行簡單建模和說明。</p><p>　　第三章

67、基于MFM的故障模擬系統(tǒng)設計</p><p><b>　　3.1引言</b></p><p>　　第二章主要介紹了多級流模型的建模和故障分析，并提出了試驗臺的設計，對試驗臺做了簡要說明。本次設計我的任務就是對此試驗臺進行故障模擬，在試驗臺上制造幾個故障出來。本章將會給出具體設計說明。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)節(jié)點功能</p>

68、<p>　　在2.4章節(jié)中給出了供水系統(tǒng)的建模和功能，這里就再說明下各部分的功能：</p><p>　　F1 提供水源。與之相應的物理原件為存水箱。</p><p>　　F2 傳送水。與之相應的物理原件為水泵。</p><p>　　F3 存儲水。與之相應的物理原件為水箱C3。</p><p>　　F4 傳送水。它通過水管兩則的箱

69、體的壓力流實現(xiàn)。</p><p>　　F5 存儲水。與之相應的物理原件為水箱C5。</p><p>　　F6 傳送水。它通過箱體C4與存水箱壓力差實現(xiàn)。</p><p>　　F7 排水。與之相應的物理原件為存水箱。</p><p>　　F8 提供電能。與之相應的物理原件為電源。</p><p>　　F9 電能的傳送。與

70、之相應的物理原件為開關。</p><p>　　F10 電能的消耗元件。與之相應的物理原件為水泵電機。</p><p><b>　　3.3故障模擬</b></p><p>　　所謂故障就是設備或系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)不能符合規(guī)定性能或喪失執(zhí)行預訂功能的偶然事故狀態(tài)。</p><p>　　下面就具體給出方案設計并具體說明如何去實現(xiàn)

71、。</p><p>　　3.3.1 方案設計</p><p>　　1.F1實現(xiàn)的是提供水源，那么我們就阻擋水源提供，在存水箱C1和水泵C2之間的水管間安裝電磁閥1來隔斷輸水。</p><p>　　2.在水泵C2和水箱C3之間，F(xiàn)2實現(xiàn)的是傳送水。在這里需要用傳感器來檢測流量等數(shù)據(jù)，所以這里也要制造故障。我們可以在這里安裝電磁閥2來控制水流量，水速。</p>

72、;<p>　　3.水箱C3和水箱C5要實現(xiàn)存儲水的功能，需要測量液面高度等，所以可以在C3和水管C4間安裝電磁閥3，C5和水管C6間安裝電磁閥4。</p><p>　　根據(jù)上述的說明，可以設計出新的供水系統(tǒng)試驗臺。</p><p>　　圖3.1 新的供水系統(tǒng)圖</p><p>　　3.3.2 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　在

73、3.3.1中，已經(jīng)提出了方案設計，下面就具體說明系統(tǒng)硬件設計。故障模擬的硬件電路是由微處理器電路、液晶顯示電路、開關量輸出電路、驅動電路等功能電路組成。本節(jié)將從各功能模塊電路詳細分析硬件的設計與實現(xiàn)。</p><p><b>　　1.系統(tǒng)結構</b></p><p>　　本次設計的整個系統(tǒng)工作流程是，通過鍵盤電路控制單片機的I/O端信號輸出，再經(jīng)過驅動電路最后連到電磁

74、閥上。具體結構圖見圖3.2.</p><p><b>　　圖3.2系統(tǒng)結構圖</b></p><p>　　系統(tǒng)總電路圖如3.3：</p><p>　　圖3.3 系統(tǒng)總電路圖</p><p><b>　　2.微處理器電路</b></p><p><b>　?。?）微處

75、理器選取</b></p><p>　　作為本系統(tǒng)的核心部件，處理器的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關重要的作用。系統(tǒng)通過服務器實現(xiàn)實時監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行故障診斷。在故障診斷過程中，需要對故障節(jié)點進行定位。在網(wǎng)絡通訊中，TCP/IP協(xié)議非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。微處理器需要實現(xiàn)的功能比較多，程序代碼大，需要比較大的存儲空間，在不擴展外部程序存儲空間的前提下，需要選用內部程序存儲空間足夠大的單片機

76、，同時考慮到需要采集的數(shù)據(jù)是溫度、濕度、壓力等緩變信號，為了簡化電路，選擇內部具有A/D轉換功能的單片機，因此選用STC Micro公司推出的DIP封裝的8位微處理器STC12C5A60S2。該處理器具有以下特點[20]：</p><p>　　增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051;</p><p>　　工作電壓： 5.5V~3.3V;</p&g

77、t;<p>　　工作頻率范圍：0 ~35MHz，相當于普通8051的 0~420MHz;</p><p>　　用戶應用程序空間60K字節(jié);</p><p>　　片上集成1280字節(jié)RAM;</p><p>　　A/D轉換, 10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次);</p><p>　　增加外部掉電監(jiān)

78、測電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進EEPROM。</p><p>　　一般來說，單片機的最小系統(tǒng)包括電源(地)、晶振、復位電路。有了以上三塊內容，單片機就能夠工作了。如圖3.4所示為單片機的最小系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.4單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　（2）微處理器基本工作電路</p><p><b>　?、倬д耠娐?/p>

79、</b></p><p>　　使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可。 </p><p><b>　　②復位電路</b></p><p>　　為了模塊工作更可靠，防止死機情況發(fā)生，復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成。在復位引腳RST上引接一個電容到VCC

80、，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態(tài)。 </p><p><b>　　（3）驅動電路</b></p><p>　　本次方案需要一個關鍵的設備元件，那就是電磁閥，我選擇的是ZQDF-DN40內螺紋不銹鋼活塞式電磁閥（見圖3.5）。</p><p

81、>　　圖3.5 ZQDF-DN40電磁閥</p><p>　　ZQDF-DN40電磁閥具體參數(shù)如表3.1所示：</p><p>　　表3.1 ZQDF-DN40電磁閥參數(shù)</p><p>　　從上表可知，電磁閥使用電壓需要24V，而單片機最大只能輸出5V電壓，所以這里需要功率放大電路才能驅動電磁閥正常工作。</p><p>　　由于24

82、V電磁閥電流有點大，就單一三極管有點不安全，所以我的方案是用8050三極管配合繼電器一起驅動電磁閥，具體如下：</p><p>　　單片機I/O輸出端接一個1K的電阻并連到8050三極管的基極上，為了穩(wěn)定電路，接了個10K的下拉電阻。8050三極管的集電極接到繼電器的控制端，射極接地。繼電器的另一個控制端接24V驅動電壓，并用1個1N4148二極管反向并聯(lián)到繼電器的兩個控制端保護繼電器。最后，把繼電器的輸出端接電

83、磁閥。</p><p>　　驅動電路電路圖如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 驅動電路圖</p><p><b>　　（5）鍵盤電路</b></p><p>　　圖3.6中P2.4-P2.7口各控制一個電磁閥的驅動，因本次設計需要按鍵來控制電磁閥是否運作，所以需要按鍵進行設置。具體按鍵設置如表3.2所示。&l

84、t;/p><p><b>　　表3.2 按鍵設置</b></p><p>　　初始時P2.4=0；P2.5=0；P2.6=0；P2.7=0。全低電平。</p><p>　　當按下相對應鍵時，P2.4~P2.7=1。</p><p>　　電路圖如3.7所示：</p><p>　　圖3.7 鍵盤電路圖&l

85、t;/p><p>　　3.3.3 模擬步驟</p><p>　　如圖3.6所示，當單片機輸出端輸出一個信號時，就會有相對應的電磁閥開始工作。呢么，下面正式開始故障模擬。</p><p>　　1.先對單片機進行初始化。</p><p>　　2.按下9號鍵，單片機P2.4口輸出信號，經(jīng)過驅動電路，電磁閥1開始運作，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，在采集到3組數(shù)據(jù)

86、時，按下復位鍵，關閉電磁閥1。</p><p>　　3.按下10號鍵，單片機P2.5口輸出信號，經(jīng)過驅動電路，電磁閥2開始運作，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，同樣采集到3組數(shù)據(jù)后，按復位鍵，關閉電磁閥2。</p><p>　　4.按下11號鍵，單片機P2.6口輸出信號，經(jīng)過驅動電路，電磁閥3開始運作，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，同樣采集到3組數(shù)據(jù)后，按復位鍵，關閉電磁閥3。</p><p

87、>　　5.按下12號鍵，單片機P2.7口輸出信號，經(jīng)過驅動電路，電磁閥4開始運作，傳感器開始采集數(shù)據(jù)，同樣采集到3組數(shù)據(jù)后，按復位鍵，關閉電磁閥4。</p><p>　　根據(jù)以上分析，可以畫出如圖3.8所示的流程圖：</p><p><b>　　圖3.8模擬流程圖</b></p><p><b>　　3.4 本章小結</b

88、></p><p>　　本章是本次課程設計的最主要部分，是整篇論文的關鍵所在。這章先大致說明了下供水系統(tǒng)試驗臺的功能，再具體說明了系統(tǒng)結構和系統(tǒng)硬件設計以及具體模擬步驟。</p><p><b>　　第四章 結論與展望</b></p><p><b>　　4.1 總結</b></p><p>

89、　　在流程工業(yè)生產(chǎn)中，對工業(yè)設備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷是非常有必要的。然而，隨著社會和科技的進步，工作生產(chǎn)系統(tǒng)愈加復雜，診斷難度陡然上升。多級流模型作為一種功能模型通常比相應的面向事件的模型更簡單，而對系統(tǒng)的描述更加完全，并能顯著地減少計算量，因而在實時性要求很高的故障診斷中具有明顯的優(yōu)勢。</p><p>　　本文結合供水系統(tǒng)介紹了MFM及建模技術，并探討了試驗臺的故障模擬方案。論文所研究的主要內容如下：<

90、;/p><p>　　（1）論述現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中設備故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測的重要意義；闡述國內外流程工業(yè)中故障診斷的研究現(xiàn)狀；分析了MFM在系統(tǒng)故障診斷應用中的優(yōu)勢；最后給出了本論文的主要研究內容及論文結構。</p><p>　?。?）介紹了MFM建模的基本概念和原理；介紹了各功能節(jié)點，研究MFM的建模方法并建立了供水系統(tǒng)MFM模型；然后給出基于MFM的故障診斷的一般過程，最后分析了供水系統(tǒng)的多級流

91、模型應用。</p><p>　　（3）論述了基于MFM的供水系統(tǒng)試驗臺的故障模擬方案，并具有說明了系統(tǒng)硬件設計：微處理器電路、開關量輸出電路、驅動電路等電路設計，元件的選取等。</p><p><b>　　4.2 未來展望</b></p><p>　　MFM是近十幾年發(fā)展起來的一種基于目標的功能模型?；贛FM的故障診斷方法是一種新興的系統(tǒng)級的

92、診斷方法，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，Larsson等人實現(xiàn)了一些基礎的診斷算法，并成功地通過了現(xiàn)場過程的測試。</p><p>　　由于MFM是系統(tǒng)級別的故障診斷，所以，對于設備的物理元件內部，具體到故障零件的定位不能適用。因此，基于MFM的故障診斷方法與其它診斷方法的聯(lián)合故障分析應得到進一步的研究。</p><p>　　MFM利用物質、能量和信息流的形式來描述系統(tǒng)的能力，建模目標明確，診斷效率高

93、。因此，電力、石油化工、冶金等流程工業(yè)中都可以應用MFM進行故障診斷，這將會促進故障監(jiān)測與診斷技術的發(fā)展，其科技意義深遠。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃啟明,錢宇等.化工過程故障診斷研究進展[J]. 化工自動化及儀表.2000(3).</p><p>　　[2] 張鍵.機械故障診斷技術[M]. 北

94、京：機械工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[3] 吳凡,狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術的現(xiàn)狀與展望[J]. 國外電子測量技術,2006(03).</p><p>　　[4] 石紅,王科俊,李國斌.液壓控制系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)的研究[J]. 黑龍江自動化技術與應用.1999，18(5).</p><p>　　[5] 喬海濤,馮永新.大型汽輪發(fā)電機組故障診斷技術現(xiàn)狀與

95、發(fā)展[J]. 廣東電力.2003,(02). </p><p>　　[6] 李輝,宋智勇,孫豐瑞.基于小波包-包絡分析的故障特征提取方法[J]. 振動、測試與診斷. 2003(04).</p><p>　　[7] 史鐵林,陳勇輝,李巍華等.提高大型復雜機電系統(tǒng)故障診斷質量的幾種新方法[J]. 機械工程學報. 2003,(09).</p><p>　　[8]

96、 趙保衛(wèi).對發(fā)電設備狀態(tài)檢修開展情況的分析與建議[J]. 電力學報.2006,(01) .</p><p>　　[9] 關惠玲，韓捷.設備故障診斷專家系統(tǒng)原理及實踐[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[10] 韓捷，張瑞林．旋轉機械故障機理及診斷技術[M]． 北京：機械工業(yè)出版社，1997.</p><p>　　[11] 楊志伊,鄭文.設

97、備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[M]. 北京:中國計劃出版社,2006.</p><p>　　[12] 丁健.設備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的程序化管理[J]. 設備管理和維修,2002（7）.</p><p>　　[13] 姚桂燕，孫麗媛，程秀芳，薛全會.機械故障診斷技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[N].河北理工學院學報，2005(3).</p><p>　　[14] M.Lind, R

98、epresenting Goals and Functions of Complex System: An Introduction to Multilevel Flow Modeling: Institute of Automatic Control Systems, Technical University of Denmark, 1990.</p><p>　　[15] Gofuku, A., Tanaka

99、, Y. A Combination of Qualitative Reasoning and Numerical Simulation to Support Operator Decisions in Anomalous Situations[J]. Proceedings of the 3 rdIJCAI Workshop on Engineering Problems for Qualitative Reasoning. 1997

100、.</p><p>　　[16] Larsson, J. E. Avoiding Human Error[J]. Proceedings of the International Conference on Control and Instrumentation in Nuclear Installations, Bristol, England. 2000.</p><p>　　[17]

101、 Walseth, J., Foss, B. A., Lind, M., et. Models for Diagnosis—Application to a Fertilizer Plant[J]. Proceedings of the IFAC Symposium on On-Line Fault Detection and Supervision in the Chemical Process Industries, Univers

102、ity of Delaware, Newark, Delaware. 1992.</p><p>　　[18] 劉仲宇.基于多級流模型的故障診斷技術研究[D]. 杭州:浙江大學，2008.</p><p>　　[19] 石浪濤，趙云.多級流模型(MFM)在傳感器故障診斷中的應用[N]. 嘉興學院學報，2008-11（6）.</p><p>　　[20] 陳桂友.增強