煤气鼓风机专家系统的研究与实施

摘要：攀钢煤化工厂二期的三台煤气鼓风机是攀钢的关键设备，于2001年，针对三台鼓风机，安装了一套重庆大学研制的“煤气鼓风机在线振动监测诊断系统”，做到了无故障时放心运行，有故障时及时报警。但是，当有故障报警后，由于现场操作人员和技术人员不具备专业的动态振动信号分析和故障精密诊断的理论知识和经验，针对不同的现象不善于选用不同的振动信号分析方法，不善于根据振动信号分析的各种图谱诊断故障种类、原因、部位和严重程度。本文结合现场实际，介绍了煤气鼓风机专家系统的研究与实施。
关键词：煤气鼓风机、专家系统、智能诊断

1 现状分析
       攀钢煤化工厂二期的三台煤气鼓风机是攀钢的关键设备，于2001年，针对三台鼓风机，安装了一套重庆大学研制的“煤气鼓风机在线振动监测诊断系统”，做到了无故障时放心运行，有故障时及时报警。但是，当有故障报警后，由于现场操作人员和技术人员不具备专业的动态振动信号分析和故障精密诊断的理论知识和经验，针对不同的现象不善于选用不同的振动信号分析方法，不善于根据振动信号分析的各种图谱诊断故障种类、原因、部位和严重程度。
       这三台机组的故障种类多，且许多故障非常隐蔽，如轴向窜动、转子碰摩、滑动轴承油膜共振、滚动轴承故障、齿轮故障、不平衡、不对中等。当有故障报警后，不及时诊断故障种类、原因、部位和严重程度，将严重影响煤气鼓风机组运行的经济性和安全性，严重影响正常生产。一旦煤气鼓风机发生事故，将导致生产系统瘫痪，并产生重大污染和严重的经济损失。所以，非常有必要在现有的“煤气鼓风机在线振动监测诊断系统”有关硬件软件的基础上，增加“煤气鼓风机诊断专家系统”功能。
煤气鼓风机组由电动机、液力耦合器、增速器及鼓风机组成，相互之间由齿轮联轴器联结。除了液力耦合器为滚动轴承外，其它设备为滑动轴承。有关主要参数如下：
A电机
型    号：YK1000-2/990        功    率： 1000KW
转    速： 2975rpm 
B液力耦合器
型    号：GST50     
C增速器
型    号：GYD-350-1320/1.522    圆弧圆柱齿轮
增 速 比：1.522            Z1=102     Z2=67
D煤气鼓风机
型    号：D1200—1.16/0.86  入口压力：0.084Mpa
进口流量：1200 m3/mim       排出压力：0.114Mpa
额定转速：4407r/min         实际转速：4000～4200r/min
叶轮直径：1.19m             叶 片 数：20

2系统基本技术方案
2.1测点布置
      系统测点布置图如图1所示，RPM为转速传感器，检测煤气鼓风机实际转速，实现信号同步平均，去除干扰信号, 转速传感器信号也是动平衡的鉴相信号。S15为推力轴承轴向位移传感器，检测煤气鼓风机转子轴向窜动信号。对高压泵自由端进行少量改装，就可安装RPM和S15传感器。S11～S14为安装在煤气鼓风机轴承座上直接测量煤气鼓风机转轴的振动信号，S1～S10为安装在轴承座上的速度传感器，对检测的速度信号进行积分变换，可转换为振动位移信号，从而便于和有关标准对比。检测的信号频率范围是1－2000Hz，比常规检测仪器的检测范围（20－100Hz）宽、精度高、性能稳定。

 图1： 系统测点布置图
2.2项目内容
      诊断专家系统具有三大基本功能：a.在线智能诊断软件，包括：与“在线振动监测诊断系统接口”，智能化推理算法，数据处理器，图形化模糊神经网络专家知识库，综合的动态联接库数据通讯模块；b.离线专家诊断系统软件，包括：振动监测与故障诊断培训系统，机械故障模拟试验台，信号分析测试系统，机器建摸和故障仿真，振动诊断案例实践与应用，故障诊断参考中心，智能频谱分析系统；c.现场动平衡系统，包括：动平衡故障判别模块，接口模块，一倍频振动幅值、相位计算模块，影响系数法，动平衡配重及效果评价。
       智能诊断是本项目的关键。例如：利用频谱分析方法，可在频域中将动态信号分为低频、中频和高频，在低频内主要包含了转子不平衡、不对中、窜动、主轴弯曲、机座松动、油膜涡动、水泵叶片等故障；在中频内主要包含了齿轮故障、转子碰磨，共振频带等故障；在高频内主要包含了流体噪声、冲击脉冲、流体空穴、结构共振、流体振荡等故障。以上各种故障具有不同的频率和不同的频谱结构，故障的严重程度由其对应的频率幅值高低来表示。此外，利用波形分析、轴心轨迹分析、数字滤波分析、解调分析、通频全息谱分析等方法也能得到许多有用的分析结果。
本项目的基本要求是：在线监测的同时，实时显示轴向窜动、转子碰摩、滑动轴承油膜共振、滚动轴承故障、齿轮故障、不平衡、不对中等故障的种类、原因、部位和严重程度。也可离线人机交互式进行精密智能诊断。不平衡故障时，进行现场动平衡。解决原系统部分硬件老化，软件功能不完善等问题。
项目内容包括：
2.2.1实现煤气鼓风机轴承诊断数据库，轴系故障诊断，齿轮箱故障诊断，诊断知识库可编辑，自动生成完整的诊断报告。
2.2.2实现波形回收，可选自动或手动、批量或单一波形回收、自动命名或人工命名，Windows资源管理器风格，操作方便。
2.2.3采用Microsoft SQL Sever2000数据库，实现煤气鼓风机分级数据管理。
2.2.4自动生成测试报告，波形浏览器和多种频谱分析。
2.2.5处理好历史记录保存、自动清理、备份、输出、打印等问题。
2.2.6提供基于实时采集数据和历史数据的旋转机械故障特征和发展趋势报告，提供基于故障特征的维修方案和措施等。
2.2.7注明程序软件语言等，具备用户接口，对用户为开放式系统。
2.2.8升级、改进“煤气鼓风机在线振动监测诊断系统”在线和离线数据精密软件，在线监测部分的软件中增加在线智能诊断功能。
2.2.9建立故障知识库、模拟试验平台，实现煤气鼓风机组离线智能故障诊断。
2.2.10建立设备故障诊断知识的培训系统，使工作人员加深故障诊断有关知识的理解，有助于提高设备维修管理水平。
2.3专家系统的结构和基本组成
专家系统的结构如图2所示：

图2：专家系统结构图

2.3.1知识库：存放问题求解需要的领域知识。知识的种类一般包括作为专家经验的判断性知识以及描述各种事实的知识。知识的表示形式可以是多样的，包括规则、框架及语义网络等。
2.3.2综合数据库：用于存放系统运行过程中所需要的原始数据和产生的所有信息，包括用户提供的信息，推理的中间结果，推理过程的记录等。
2.3.3推理机：根据数据库的当前状态，利用知识库中的知识进行推理和导出结论，而不是简单地搜索现成的答案。推理机可以采用正向推理、逆向推理及双向推理等各种策略。推理机的程序与知识库的具体内容无关，即推理机与知识库相分离是专家系统的重要特征。它的优点是对知识库的修改和扩充无须改动推理机。
2.3.4知识获取机构：负责建立、修改与扩充知识库，以及对知识库的一致性、完整性等进行维护。知识获取机构可以仅仅是一个知识编辑程序，也可以是一个复杂的知识获取子系统，用来完成自动知识获取、自动知识求精等功能.
2.3.5解释器：用于对求解过程作出说明，并回答用户提出的问题。两个最基本的问题是“How”和“Why”。对问题“How”，回答用户结论和中间结果是如何得到的，解释专家系统的行为；对问题“Why”，告诉用户推理结论的理由。解释机构的说明是根据知识库和数据库中对推理过程的记录作出的。
2.3.6人机接口：使系统能够进行人机交互，在信息的内部形式和人可接受的形式之间进行转换。很多系统都提供了用户熟悉的表示形式如自然语言、图形、表格等。
2.4系统软件结构
      系统软件包括：在线智能诊断子系统、离线诊断专家子系统、现场动平衡子系统等。各子系统采用模块化编程，通过专门的接口实现通讯。 其结构图如图3所示。

图3：软件系统结构图

3关键技术的研究
       为了使“煤气鼓风机诊断专家系统”具有更高的实用性、可靠性，具有更高的技术水平，需要解决以下关键技术问题。
3.1故障机理的研究
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