示功圖畸變的往復壓縮機故障自動分析

楊 紅,陳元輝,張遠新

(武漢工程大學機電學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

往復式壓縮機是石油化工領域廣泛使用的大型關鍵設備，直接關系到裝置的長周期安全運行.往復壓縮機運動多樣，既有回轉運動又有往復運動；結構復雜，既有氣路，又有油路和水路，因此激勵源多，故障率較高，而對其實施狀態監測和故障診斷，相對于其它旋轉機械來說難度較大.往復壓縮機常見故障診斷方法有振動聲學法、參數法和油液法等[1].現有的故障診斷研究主要集中于技術手段較為成熟的因旋轉運動引起的振動信號分析，而對于往復式壓縮機特有的熱力學參數信號，應用研究較少[2-3].

示功圖是壓縮機運行狀況和工作性能的綜合反映，是研究壓縮機性能與工作狀態的基本方法之一，是有效的參數法診斷手段，可在較深層次上診斷壓縮機故障.根據測試的示功圖，可對壓縮機進行分析計算.利用示功圖形狀的變化，還可以分析判斷壓縮機氣閥、活塞環、填料等的泄漏情況、進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，為壓縮機進行有效的狀態監控提供依據.文獻[4]列出了典型示功圖所顯示的各種故障，將壓縮機工作正常時的示功圖與故障情況下的圖形進行比較，根據示功圖圖形的畸變，可以有效判別壓縮機的某些故障.

計算機自動測試技術的發展，為基于示功圖的故障診斷提供了技術支撐[5].在筆者前期開發的示功圖自動測試、分析系統的基礎上[6]，根據相關的理論研究成果，本文開發了一套基于示功圖畸變的壓縮機故障自動分析系統，給出了系統體系結構，著重探討了系統實現的若干關鍵技術，并給出了系統應用實例.

1 系統體系結構

系統由故障規則數據庫和應用程序框架構成開放式的體系結構，如圖1所示.故障規則數據庫獨立于應用程序框架，為系統提供故障診斷規則信息支持；應用程序按功能劃分為規則庫信息提取、故障識別、診斷報告、規則擴展等主要功能模塊，實現系統的主要功能.

故障規則庫由多個數據表組成，用來存儲壓縮機的相關判據規則和故障特征信息，是系統的信息中心；規則擴展提供了對故障規則庫進行擴展的人機交互接口，用戶能夠將新的故障判據規則以及故障特征信息擴充到數據庫中，以應用新的研究成果，增強系統功能；故障識別模塊根據確定的故障特征參數，對測試示功圖和參考示功圖進行相關特征參數的計算、比較和分析，提取故障特征信息，同時從規則庫中提取規則信息作為故障判斷依據，并進行匹配分析，診斷出故障特征，為診斷報告提供依據；診斷報告為用戶提供直觀的故障信息，根據故障識別模塊分析的結果確定示功圖故障類型，從數據庫中提取相應故障信息形成診斷報告，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.

圖1 系統體系結構

2 系統實現關鍵技術

2.1 示功圖故障識別

2.1.1 故障特征參數 故障特征參數是指對故障靈敏、穩定可靠的物理參量.故障特征參數選取時應重點考慮其敏感性、可靠性以及參量檢測的可實現性.對示功圖而言，應盡可能選取對示功圖形狀變化反應敏感的參數.對示功圖可顯見的壓縮機故障進行分析，可歸納出多種獨立的易于計算或判斷的特征參數，并可進一步劃分為數值型和變化型兩類參數，前者可用數值大小來定量表示，后者用變化趨勢來表示.示功圖故障特征參數及其反映的工況狀態如表1所示.

表1 示功圖故障特征參數及其反映的工況狀態

機器故障狀態的界限并不是完全定量清晰的，對于每一類故障，考慮到其嚴重程度不同，以及實際測試精度或誤差的影響，系統中使用參數變化閾值來衡量這個偏差.在作特征值判斷時，用戶可根據實際情況和經驗設置各特征參數的閾值，只要特征參數在閾值允許的范圍內波動則認為是正常的，若超出則認為是不正常的.

2.1.2 故障診斷流程 系統采用綜合比較診斷法，將測試示功圖的當前狀態與參考示功圖的歷史狀態進行比較，以識別壓縮機的故障.系統故障診斷流程如圖2所示.系統首先分別從測試示功圖和參考示功圖中提取各個特征參數的特征值，并進行比較，得到各個特征參數的變化狀態，然后對所有特征參數的變化狀態按照一定順序組合成故障特征信息，并提取出來.同時，從故障規則庫中提取判據規則，并與提取出的故障特征信息進行匹配分析，識別出具體的故障狀態，并生成診斷報告提供給用戶.

圖2 示功圖故障綜合比較診斷流程

2.2 故障規則庫的組織

故障規則庫基于Access關系型數據庫開發，由特征判據、故障判據和故障特征三個數據表組成，基本結構如圖3所示.

圖3 故障規則庫基本結構

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

單一的特征參數并不能確定故障類型，只有特征參數的組合才能作為某個故障的判據，所有特征參數可能的組合，構成了故障判據表.故障判據表由判據規則字段組成，保存所有特征參數的可能組合序列.組合序列由特征參數判斷字符組成，字符先后順序與特征判據表中特征參數出現的先后順序一致.以其中一條判據規則為例：字符組合“FFEEETFFFF”的含義為第一個特征參數值變小，第二個特征參數值變小，第三個特征參數值不變，以此類推.

根據判據規則就可以確定壓縮機對應的故障了，判斷出故障之后還要把詳細的故障信息報告給用戶.故障特征表保存壓縮機各種故障的詳細信息，由故障代號，故障原因、故障特點和解決方法等字段組成.故障判據表與故障特征表并不是一一對應的關系，不同的組合序列可能對應同一故障特征.因此，故障判據表與故障特征表是多對一的關系.

2.3 面向用戶的規則庫擴展

故障規則庫具有開放式結構，系統提供了友好的規則擴展接口，用戶可根據需要自主修改三個數據表的相關信息，如圖4所示.具體的擴展內容包括特征判據表中的參數閾值、故障判據表中的判據規則以及故障特征表中的所有故障信息.

圖4 面向用戶的規則庫擴展

3 系統應用

系統基于與示功圖測試系統一致的VB6.0軟件環境開發，以方便兩個子系統的整合.以一個W型往復式空氣壓縮機的吸氣閥故障示功圖測試分析為例[7]，預先實測故障示功圖并保存相關數據.進入故障分析系統，分別選擇“分析示功圖”和“參考示功圖”，則在繪圖區和狀態參數顯示區會分別顯示兩者的示功圖曲線和壓縮機相關的運行狀態參數.點擊“故障分析”按鈕，程序將自動對兩個示功圖進行分析、比較，得出診斷結論，并在“故障原因”、“故障特征”和“解決方案”顯示區顯示詳細的故障信息，如圖5所示.

圖5 系統應用運行實例

4 結 語

示功圖是有效的參數法診斷手段，根據示功圖圖形的畸變，可有效判別壓縮機的某些故障.本文開發的壓縮機故障自動分析系統，獨立的故障規則庫和應用程序框架為系統提供了開放式的體系結構，面向用戶的故障規則擴展功能，利于新的研究成果的擴展應用.選擇的故障特征參數，利于計算和識別，特征參數的閾值變量，考慮到了狀態變化的波動情況.示功圖的自動測試和基于示功圖畸變的自動故障分析系統，為壓縮機使用維護人員提供了一種有效的分析工具，系統經適當擴展，還可并入在線實時監測系統中，為設備長周期安全運行提供保障.

參考文獻：

[1]劉衛華，郁永章.往復式壓縮機故障示功圖診斷法研究[J].壓縮機技術，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.往復式空氣壓縮機振動故障診斷[J].壓縮機技術，2006(4):19-23.

[4]沈慶根．化工機器故障診斷技術[M]．杭州：浙江大學出版社，1994．

[5]楊占剛，車延博，張振宇.基于PC的活塞式壓縮機示功圖測控系統設計[J].計算機測量與控制，2006，14(10):1331-1333.

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

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