自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷在暖通空調(diào)中的研究與實(shí)踐

王秀全

摘 要：本文簡(jiǎn)單闡述了暖通空調(diào)中的自動(dòng)檢測(cè)故障及其診斷，故障發(fā)生的原因及診斷方法，了解了常用的故障檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。說(shuō)明了暖通空調(diào)行業(yè)中的自動(dòng)故障檢測(cè)的現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，并且做出了相應(yīng)的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)故障檢測(cè) ；診斷 ；暖通空調(diào) ；研究與實(shí)踐

暖通空調(diào)因?yàn)榘惭b條件和運(yùn)行發(fā)生變化，再加上長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在其性能上會(huì)呈衰退狀態(tài)。自動(dòng)故障檢測(cè)及其診斷可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)暖通空調(diào)的運(yùn)行和優(yōu)化參數(shù)，可以進(jìn)行故障報(bào)警、診斷和隔離，還可進(jìn)行系統(tǒng)性的評(píng)估和維護(hù)，所以其能夠降低暖通空調(diào)的能源消耗，延長(zhǎng)暖通空調(diào)的使用壽命，防止發(fā)生問(wèn)題。近年來(lái)，故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)發(fā)展迅速，比如航天、化工、煉油等領(lǐng)域。其中，故障檢測(cè)與診斷技術(shù)在暖通空調(diào)的領(lǐng)域也得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，采用自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷能夠優(yōu)化暖通空調(diào)運(yùn)行，有利于降低建筑能量消耗，有利于提高其經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)它還能夠提高舒適性和用戶的健康條件，增加可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷的流程和故障

故障診斷能夠了解到暖通空調(diào)系統(tǒng)失效的原因，故障診斷的流程分為：故障檢測(cè)，檢查系統(tǒng)情況；識(shí)別故障，出現(xiàn)異常的情況分析原因；故障評(píng)價(jià)，系統(tǒng)失常程度和影響程度；故障決策，根據(jù)故障結(jié)果來(lái)進(jìn)行存在和恢復(fù)的情況。故障的恢復(fù)包括兩種，硬故障恢復(fù)和軟故障恢復(fù)。硬故障恢復(fù)指的是停機(jī)后用維修的方法來(lái)恢復(fù)故障，軟故障恢復(fù)并不是依靠維修排除故障，而是修改設(shè)定值或者讀數(shù)來(lái)恢復(fù)故障。

按照嚴(yán)重的程度能夠分為硬故障和軟故障，硬故障指的是完全失效的器件故障，比如閥門堵塞、風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、傳感器讀數(shù)完全失效等。硬故障存在突發(fā)性，屬于大故障范圍，它很容易被檢測(cè)到。軟故障指的器件部分失效或者其性能下降，比如閥門泄露，傳感器出現(xiàn)偏差現(xiàn)象，風(fēng)機(jī)盤管出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，軟故障存在漸變性，不容易被檢測(cè)到。所以說(shuō)，軟故障要比硬故障更加嚴(yán)重。

按照故障器件的不同能夠分為元件故障和傳感器故障，風(fēng)機(jī)、水閥、制冷劑和水泵等屬于元件故障，傳感器故障是傳感器出現(xiàn)偏差或失效的故障。在暖通空調(diào)中存在溫度傳感器，壓力傳感器和流量傳感器等故障。故障分類通常不是孤立的，而是交織起來(lái)的。在同個(gè)系統(tǒng)中，能夠存在硬故障、軟故障、元件故障、傳感器故障，因此故障具有復(fù)雜性。

2 自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷的研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外自動(dòng)故障檢測(cè)和診斷技術(shù)的發(fā)展

國(guó)外的暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障特點(diǎn)：涉及范圍廣，各種診斷故障門類齊全；研究技術(shù)早，國(guó)外的各種故障檢測(cè)和診斷交流較活躍；診斷故障的軟件很多；暖通空調(diào)故障診斷系統(tǒng)和別的專業(yè)有很大的聯(lián)系，比如自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)等。

（1）對(duì)自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)的調(diào)查研究進(jìn)展。國(guó)外重點(diǎn)調(diào)查過(guò)檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)方法，解決了殘差的問(wèn)題；運(yùn)用多種狀態(tài)檢測(cè)定位部件故障；總結(jié)某些基本故障中的檢測(cè)方法等研究。

（2）故障的檢測(cè)及其性能能夠影響到研究的進(jìn)展。以前的自動(dòng)故障檢測(cè)和診斷技術(shù)都需要使用人工方法來(lái)研究性能。比如使用閥門的開(kāi)度來(lái)研究管路的阻力，有少數(shù)的研究涉及到故障對(duì)系統(tǒng)的性能影響。

（3）故障修復(fù)頻率及其成本的研究。關(guān)于暖通空調(diào)系統(tǒng)分析故障原因的文獻(xiàn)很少，因此對(duì)此有過(guò)最廣泛的研究。

（4）暖通空調(diào)設(shè)備中自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)的研究。自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)一開(kāi)始只是應(yīng)用于制冷設(shè)備，但由于考慮到微處理器和設(shè)備成本，大量的科研者開(kāi)始投入到這個(gè)領(lǐng)域。

2.2 國(guó)內(nèi)自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)有關(guān)于很多檢測(cè)診斷的書(shū)籍論文，但都偏向于對(duì)結(jié)霜融霜控制，缺乏對(duì)優(yōu)化運(yùn)行和故障診斷的研究，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)和監(jiān)視。

（1）對(duì)性能的控制、優(yōu)化和故障診斷的研究。

總結(jié)制冷系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障機(jī)器，并通過(guò)常規(guī)知識(shí)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證；依據(jù)現(xiàn)有知識(shí)建立故障標(biāo)準(zhǔn)模式；提出方程組封閉性、穩(wěn)定狀態(tài)檢測(cè)等問(wèn)題的解決方法；采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來(lái)進(jìn)行故障檢測(cè)與診斷；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能方法來(lái)解決問(wèn)題；暖通空調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解決一些問(wèn)題。

（2）對(duì)傳感器故障診斷的研究

傳感器的自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷的內(nèi)容很少，因此陳友明教授對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了其研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，并且采用PCA方法進(jìn)行建模，對(duì)四類傳感器進(jìn)行了檢測(cè)與診斷。

3 自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷的研究現(xiàn)狀

對(duì)暖通空調(diào)的自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷開(kāi)始于1980年，很多學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。在元件和子系統(tǒng)方面的故障檢測(cè)進(jìn)行了更加深入的研究。目前在傳感器故障診斷上進(jìn)行了一些研究：利用精神網(wǎng)絡(luò)法檢測(cè)和診斷AHU的傳感器故障，并且采用回歸模型恢復(fù)其送風(fēng)溫度；利用制冷機(jī)系統(tǒng)來(lái)停止診斷故障；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷恢復(fù)送風(fēng)流量傳感器和新風(fēng)流量傳感器，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制；采用直接求解方法來(lái)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)傳感器故障；利用讀數(shù)進(jìn)行故障檢測(cè)。

4 故障診斷的方法

故障診斷中最常用的方法是直接方法和間接方法。

直接方法就是將空調(diào)系統(tǒng)中的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)當(dāng)做故障，將其輸入分類器中；分類器根據(jù)制定好的策略來(lái)進(jìn)行故障分類，診斷出故障結(jié)果。分類器設(shè)計(jì)是直接方法的關(guān)鍵，分類器設(shè)計(jì)方法包括故障樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家規(guī)則和貝葉斯分類法。

間接方法需要在正常條件的系統(tǒng)情況、和已知的故障來(lái)進(jìn)行建立系統(tǒng)模型，利用建立的系統(tǒng)模型來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)到的參數(shù)同實(shí)際測(cè)量到的參數(shù)的偏差，來(lái)進(jìn)行故障分類。間接方法包括回歸法、物理原理法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯法。它的分類方法和直接方法相同，唯一不同之處就是建立模型的方法不同。因此要減少模型誤差，以此來(lái)提高診斷故障的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

如今故障檢測(cè)與診斷在暖通空調(diào)中和制冷系統(tǒng)中有了很好的發(fā)展，且收到廣泛的應(yīng)用。早期的故障診斷工具一般都是手提式診斷器，當(dāng)維修人員要進(jìn)行設(shè)備維修的時(shí)候，用手提式診斷器來(lái)檢查系統(tǒng)故障。手提式診斷器的優(yōu)點(diǎn)在于一臺(tái)機(jī)器可以診斷檢測(cè)多種系統(tǒng)，所以手提式診斷器需要配置的傳感器的精度需要很高。它的缺點(diǎn)在于不能在線進(jìn)行檢測(cè)和診斷，診斷出來(lái)的結(jié)果是一種靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果，而不能反映動(dòng)態(tài)檢測(cè)的結(jié)果。因此出于可靠性和安全性考慮，在此基礎(chǔ)上嵌入故障診斷和保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)備的開(kāi)啟和停止能夠起到保護(hù)的作用。

比如制冷系統(tǒng)的壓力超過(guò)上限的時(shí)候，保護(hù)系統(tǒng)認(rèn)為有故障了便會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。因此需要保證設(shè)備的使用壽命，還能夠保護(hù)到設(shè)備和工作人員的安全。但是保護(hù)系統(tǒng)智能對(duì)較大的故障問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)和診斷，如果系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)惡化的情況就無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)了。而且在初期故障發(fā)生的時(shí)候，并不能及時(shí)檢測(cè)到，會(huì)造成能源上的巨大消耗。

然后使用暖通空調(diào)的人員開(kāi)始從節(jié)約能源和舒適度進(jìn)行開(kāi)率，開(kāi)發(fā)適用于系統(tǒng)故障診斷方法。比如將故障診斷供熱系統(tǒng)的系統(tǒng)應(yīng)用到城市供暖方面，此類診斷系統(tǒng)能夠及時(shí)診斷出設(shè)備運(yùn)行情況，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，能夠更好的保證室內(nèi)舒適度，還能夠節(jié)約資源，但是，在時(shí)間和方法上，系統(tǒng)還是不太完善，它只能夠適用于特定系統(tǒng)內(nèi)。

目前，對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷的研究仍然處于理論研究階段和方法研究階段。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展、日益轉(zhuǎn)變的社會(huì)服務(wù)模式，人們?cè)絹?lái)越需要對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更加完善的技術(shù)產(chǎn)生。

6 故障診斷的發(fā)展方向

目前，自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)受到限制的關(guān)鍵性問(wèn)題是故障檢測(cè)及其診斷的技術(shù)性因素和經(jīng)濟(jì)性因素。空調(diào)系統(tǒng)屬于復(fù)雜的高度非線性系統(tǒng)，很難找到簡(jiǎn)單易行和轉(zhuǎn)卻可靠的方法。前面文中已然提到了很多方法，但是他們中都存在或多或少的缺點(diǎn)問(wèn)題，而且自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)費(fèi)用問(wèn)題也限制其發(fā)展，因此自動(dòng)故障檢測(cè)與診斷技術(shù)應(yīng)該加強(qiáng)3個(gè)方面的研究。

（1）理論研究和方法研究需要加強(qiáng)。尋找的故障診斷方法要具有以下的特性，使用性廣、簡(jiǎn)單性和理解性；因此要加強(qiáng)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷的研究。

（2）加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性研究。加強(qiáng)對(duì)故障診斷系統(tǒng)的可靠性，還要減少其錯(cuò)誤，因?yàn)槿绻?jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)誤問(wèn)題，操作員會(huì)認(rèn)為該技術(shù)沒(méi)用，而關(guān)掉系統(tǒng)。因此系統(tǒng)根本起不到任何作用，因此要加強(qiáng)可靠性。

（3）加強(qiáng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性研究。加強(qiáng)自動(dòng)故障檢測(cè)和診斷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析，清楚的了解到該系統(tǒng)的好處；降低對(duì)該系統(tǒng)的成本費(fèi)用，診斷方法要利用系統(tǒng)本身的器件，而不要增加更多的元件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李志生.張國(guó)強(qiáng).劉建龍.故障檢測(cè)與診斷技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用和展望[J].流體機(jī)械. 2006（06） .

[2] 杜志敏，晉欣橋，王海斌，孫金龍. 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)傳感器故障檢測(cè)與診斷[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào). 2006（06） .

[3] 李志生，張國(guó)強(qiáng)，劉建龍. 暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷研究進(jìn)展[J]. 暖通空調(diào). 2005（12） .

[4] 陳友明，郝小禮. 建筑能源管理與控制系統(tǒng)中傳感器故障及其檢測(cè)與診斷[J]. 暖通空調(diào). 2004（02） .

[5] 郝小禮，鄒聲華，陳友明. 提高空調(diào)系統(tǒng)傳感器小故障檢測(cè)能力的方法研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）. 2004（02）.