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DPC800系列往复式压缩机故障诊断专家系统的设计郝崇志吐哈油田公司机械厂摘要：往复式压缩机由于适用压力范围广，压缩效率高，适应性强等这些特点使其在石油化工行业内被广泛应用于生产中。但是其结构复杂、故障形式繁多，维修起来十分困难，从而设计出压缩机诊断系统，解决现场故障是十分必要和迫切的。本文首先对库伯DPC800系列往复式压缩机几种常见故障，进行故障机理分析，探寻引起故障的根本原因；其次，在故障机理分析研究的基础上，找出诊断规则，构建知识库模型；然后，结合从事多年现场维修工程师的丰富经验和历史维修记录，用VB程序语言建立数据库模型；最后，结合数据库已存在的故障事例和知识库的诊断规则，拟定推理机模型，形成完整的故障诊断专家系统。关键词：DPC800系列往复式压缩机故障诊断专家系统Abstract:Becauseoflargerangeofpressures、highefficiencyofcompressing、welladaptingandsoon,reciprocatingcompressorsarewildlyusedbyoilfieldsandrefinerys.Butcomplexedstucture、numeroustapesoffaults、verydifficultinrepairing,soitisverynecessaryandurgenttoexploitanexpertsystemoffaultdiagnosisforreciprocatingcompressorsanddealwithactualproblemsonthespot.First,weanalyzemechanismsofseveralclassicfaultsandsearchinternalreasonsofthefaults.Second,onthebasisofanalyzingandstudyingofthem,wefindtherulesofdianosis,thenbuildamodelofknowledgebase;Third,dependingonabundentexperiencesofengineersrepairingthemachinesformanyyearsandrulesofdiagnosisforknowledgebase,weestablishadatabasebyvisualbasic.Lastly,combiningwastexperiencesofdatabaseandrulesofdiagnosisforknowledgebase,wewilldeviseamodelofinferenceengineandcompleteexpertsystemoffaultdiagnosis.Keyword:ReciprocatingcompressorsinseriesofDPC800FaultdiagnosisExpertsystem引言：我国在石油设备制造方面起步比较晚。80年代以前，由于制造技术的缺陷，往复式压缩机大多数都是在国外购买的。目前，虽然国内也开始制造压缩机，但由于技术不够成熟、配件质量达不到要求和往复式机械机组机构复杂，所以频繁导致故障而且类型繁多。然而，对于连续性生产作业石油化工企业，每次停机检修设备都是不少的损失，所以能开发出智能的诊断系统减少故障维修时间和降低停机次数，对于安全和经济方面都是非常必要和紧迫的。本文主要通过对DPC800系列往复式压缩机故障机理的分析研究，设计适应其故障诊断专家系统，将对维修现场具有很大的指导意义并且丰富了往复式压缩机故障诊断专家系统领域知识。往复式机械故障诊断专家系统主要包括以下几部分：数据采集器、知识库、数据库、推理机和人机界面[1]等。其作用如下框图所示：图1故障诊断专家框图首先，进行数据采集工作。例如：飞轮的转速、曲轴箱的油位、压缩缸进排气阀振动、动力缸的缸温、缸压等等。然后，从采集样本中提取特征参数，记录在数据库中，数据库将数据导入推理机，进行推理计算。接着，推理机根据特征参数，选择采用知识库的诊断规则或数据库中已存在的事件进行匹配计算。最后，推理机的计算结果保存到数据库并将通过人机界面显示出来，方便操作人员管理维修。以下，本文将从机组故障机理分析、知识库的构建和推理机的选择三方面来阐述往复式压缩机故障诊断专家系统。1往复压缩机的故障机理分析库伯DPC800往复压缩机结构上分为两大部分：①动力端它是由四缸单冲程内燃机组成。通过火花塞点火，将动力缸内的通过空气滤芯过滤的空气和注气阀释放的燃气混合物点燃，缸体内爆燃能量将推动活塞往复运动，通过连杆和曲柄把动力传到曲轴上，带动曲轴和飞轮旋转，从而将推动压缩端十字头往复运动，活塞做功，将原料气压缩。②压缩端压缩端分为一级压缩和二级压缩。首先，曲轴旋转带动活塞往复运动，进气阀打开，排气阀关闭原料气被吸入压缩缸，一级压缩压力达到0.8mpa，通过排气阀排出。然后，原料气进入级间冷却系统使其降温，接着进入二级压缩缸。最后，二级压缩缸进气阀打开，排气阀关闭，原料气进二级压缩缸，压缩到2.8mpa排出，进入后续工艺流程[2]。由于库伯DPC800系列压缩机结构复杂、零件种类多，导致故障表现形式繁多。如进气压力过低，极间排气压力过高，二级排气量不足，二级排气压力过高，二级排气温度异常，异常响声、振动大，不能点火，甚至发生爆燃、爆炸等恶性事故。造成这些故障的原因很多，典型的有：注气阀开度不平横、工艺参数异常、气缸积碳、气阀故障、十字头和活塞杆断裂、十字头螺栓松动、活塞杆下沉、十字头销与衬套磨损、活塞环断裂、气缸和气缸盖破裂、曲轴断裂、连杆断裂和变形、连杆螺栓松动、机身断裂、冷却水路故障、轴瓦烧坏、吸气滤清数据库知识库特征提取推理机人机界面数据采集器堵塞、填料函故障[3]。往复压缩机的故障诊断的复杂之处在于，以上这些故障原因与故障表现形式之间没有很清楚的对应关系，如最常见的气阀故障既可以造成排气压力和排气温度异常，也会带来异常响声和振动；同样，排气量压力的原因也很多，可能是二级排气阀损坏、出口单流阀冻堵、进气压力高、极间压力过高等[4]。下面分别是动力缸爆燃故障和级间压力偏高故障机理对比图表：动力缸爆燃空燃比失衡空气滤芯堵塞减压阀开启不足飞轮转速波动转速低于360rpm点火正时漂移机组负荷大二级排压高于2.9mpa进气压力高于0.22mpa图2动力缸爆燃故障级间压力偏高压缩缸故障进气阀损坏漏气减压阀开启不足冷却系统故障散热管线结垢严重节温器失效机组负荷大二级排压高于2.9mpa进气压力高于0.22mpa图3级间压力偏高故障动力缸爆燃故障和级间压力偏高故障属于两个完全不同类型的故障。但是探寻其发生原因时，发现机组负荷大同时能导致两个故障发生。例如，进气压力高于0.22mpa时，可以导致级间压力偏高，也可以导致动力缸爆燃。当减压阀开启不足是，可以导致动力缸爆燃或级间压力偏高，最终都能使机组故障停机。可以看出故障和原因不是一一对应的关系，所以本文在后面要介绍知识库和推理机。它们作用是推理计算，匹配故障类型和确立故障与原因关系，最终得到故障停机原因，指导维修。2诊断系统知识库的构建智能诊断系统是基于知识的系统，所以知识库在系统中占据着非常重要的地位，诊断故障的准确性主要取决于知识库的建立是否成功。知识库的建立应能满足以下几项功能要求:(1)取的知识表达方法能够充分完备地表达领域知识的各方面信息，能够根据实际需要进行修改和扩充。(2)知识库的组织结构合理，既有利于知识表达，又有利于知识库管理和维护，提高工作效率。(3)知识库的各部分之间在逻辑上应保证完备性、一致性和无冗余性,保证系统推理的正确和高效率。往复压缩机故障诊断专家系统知识库的构建设计充分保证了故障诊断的需要，有利于系统检索，具有较高的推理效率[3,4]。2.1往复压缩机故障诊断专家系统知识的表示由于往复压缩机故障诊断专家系统的知识通常是描述过程性的知识，在大多数情况下，知识是杂乱无序的，因此非常适合采用产生式规则来组织知识库。由于往复压缩机故障表现形式繁多，需要将其分门别类地存储，以便提高推理速度，因此本文推荐采用框架+产生式规则，即广义故障树作为知识的表示方式。故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)(FTA)技术是采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。先用框架把故障分类，然后对不同的故障采用规则来描述。这样集中了框架和规则表示的优势,克服了各自的不足，能清晰、全面地描述复杂的诊断知识，使系统求解过程更加明白、易懂，并且提高了系统的推理效率[4]。下表是故障树模型的事件故障树表示图：图4二级压缩缸排气温度高故障树模型在这个故障树模型中，二级缸排气温度高属于顶事件。往下分析，压缩缸故障、冷却系统故障和机组负荷大属于中间事件。再往下分析，排气阀损坏漏气、压缩缸积碳严重、冷却水节温器失效、空冷器电机损坏、二级排气压力过高和进气处理量过多都属于基本事件。基本事件逻辑上是“或”的关系。2.2往复压缩机故障诊断专家系统知识库的组成往复压缩机故障诊断专家系统知识库由诊断知识、背景知识、机组病历和过程性知识4部分组成。诊断知识是知识库的核心，是指现场专家在长期设备维修过程中反复积累的现场经验，根据大量设备故障表现形式和并不是相互对应的根本故障原因进行判断的现场经验知识。诊断知识可分为3类，即征兆、规则和对策知识。征兆是对故障各种特征表现的定性或定量的描述，是诊断推理的最主要依据，是最低层次的知识；规则是经过整理的代码化的专家经验知识，是一种表示征兆和故障之间因果关系的形式；对策知识是发生故障时是否应采取处理措施或应该采取什么处理措施[5]。例如，上面二级排气温度高故障树，用诊断规则表示出来如下表所示：图5二级缸排气温度高知识库模型上面这张图表，故障号、故障名、故障原因和处理意见可以用程序语言编写并记录在知识库中，作为知识库的诊断规则使用。推理计算时，可以使用SQL语言方便查询。3诊断系统的推理机推理机是专家系统的核心，它是模拟人类专家求解问题的思维活动，按照一定的推理策序号故障名故障原因处理意见1压缩缸故障进气阀损坏漏气更换新的新进气阀压缩缸余隙过大参考手册调整活塞余隙2冷却系统故障空冷器电机损坏维修空冷器电机冷却水节温器损坏更换节温器3机组负荷大入口压力过高调节入口压力阀门二级排气压力过高调整工艺运行参数冷却水节温器失效二级排气压力过二级缸排气温度高压缩缸故障冷却系统故障机组负荷大排气阀损坏漏气压缩缸积碳严重进气处理量过多空冷器电机损坏略，有效地选择知识库中的知识，根据用户提供的问题进行推理，得到用户满意的结论，是专家系统通过知识推理而实现问题求解的执行机构。推理机工作效率的高低直接影响到专家系统的性能。因此必须构建一个能够真正反映人类专家水平的推理机。基于事例的推理是20世纪末兴起的一种推理机制，它模拟人脑的直觉、形象或经验思维的过程，通过类比和联想来解决当前相似问题的求解策略。它具有快速推理、记忆及易于解释等优点。而且上次诊断的结果可以作为下次诊断的事例，这样解决了自学习的问题。人类专家在判断和解决已出现的压缩机故障的时候，有些经验很难规则化，而且即使形成规则后也容易引起冲突。同时，这些经验又是最宝贵的，因此必须加以充分利用。但是基于事例的推理毕竟是不够的，还需要大量的从实践中抽取的规则同时进行推理,才能有效地解决问题。所以提出了一种采取基于规则和基于事例的混合推理机制的专家系统[6]。推理机制如图所示,图6推理机模型框图诊断开始后，首先从实时监测来自各测点的参数中，获取特征向量，将它记录到数据库中，然后进行基于事例的推理，看是否存在相似的事例；如果存在，根据一定的消解策略(当相似事例多于一个时)，给出故障信息。若不存在相似的事例,则转向基于规则的推理。用来匹配规则前提，来找出所有可用的规则，然后进行推理计算。具体如下：按照一定的消解策略，在其中选取一条规则使用，从而产