基于多级流建模的间歇过程故障定位方法.pdf

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1、第38卷第6期化工机械757基于多级流建模的间歇过程故障定位方法+．方南南“啦赵云2(I．常州大学机械与能源工程学院；2．嘉兴学院机电工程学院)摘要针对间歇性供水系统故障定位问题的复杂性，提出了一种扩展多级流模型(MFM)的建模、故障警报分析扣故障定位新方法。利用多级流模型和Petri网复合的方法，扩展了多级流模型以适应间歇过程的连续变化和离散变化．实现了分布式复杂系统的故障根源搜索和定位。关键词多级流模型间歇过程故障定位中图分类号TQ027．6文献标识码A文章编号0254-6094(2011)0

2、6--0757-04间歇过程在石油、化工、电力及冶金等工业过程中的应用越来越多，其特点是连续变量动态系统与离散事件动态系统相互联系、相互作用¨一1，加上间歇过程的装备规模往往很大，其故障定位和精确分析难度很大。目前间歇过程故障诊断方法主要有多向主元分析法、多向偏最小二乘法、专家系统、人工免疫系统一’41以及Petri网等。多向主元分析法和多向偏最小二乘法在故障诊断之前需要对数据进行预处理，影响其在线监控故障诊断能力；Petri网易于表达系统变化发生的条件及变化发生后的状态，但不易表达系统中数据值或

3、属性的具体变化或运算。多级流模型(MultilevelFlowModels，MFM)的建模方法主要是针对复杂的连续工业过程，具有很高的故障诊断效率，但不适应离散的系统工作状态变化。为此，笔者研究了多级流模型和Petri网复合建模的方法，并利用某企业中一简化的间歇供水系统描述了建模过程和故障定位原理。1MFM建模方法与故障定位原理MFM是一种图形化表达的、形式化的功能建模方法，能建立起复杂分布式系统中物质、能量和信息的相互关系"】。利用该方法把系统设备抽象成3个层次(目标、功能和设备元件)进行描述。

4、目标是一个系统设备活动的直接结果，功能与目标是相互关联的，是系统目标实现的角色，设备元件则是工业系统设备最基本的结构，功能结构是系统不同抽象层次上相互关联的流结构。MFM建模过程中，目标、功能和设备元件主要通过达成关系、条件关系、实现关系和连接关系联系在一起，用简单的图形化符号把复杂的工业过程表达清楚。1．1MFM建模过程笔者以某企业中一供水系统为对象，说明了MFM建模的原理。为简便起见将供水系统简化如图1所示。图1简化后的供水系统示意图多级流模型是把生产过程抽象为物质流、能量流和信息流，系统供水

5、过程为泵从水槽抽水，经过水管到两个水箱，最后流回水槽，这个循环抽象成物质流。维持系统供水过程需要泵的运行，其正常运行靠电源实现，把泵的正常运行抽象成能量流。阀门kl和k2有4种状态：P．、尸2、P3、P。}浙江省自然科学基金资助项目(Y1090979)。··方南南，男，1985年7月生，硕士研究生。江苏省常州市，213016。758化工机械2011矩(P，为k1关闭，k2打开；P：为kl打开，k2关闭；P，为k1、k2全部打开；P。为kl、k2全部关闭)，从而在实际工作中形成不同的状态，即实际工作

6、过程为间歇过程，这里只考虑k1、k2全打开的情况。设备元件和功能节点是一一对应的关系，水槽既是源，。，又是汇F。。；泵为传输节点F：，从水槽抽水实现传输功能；平衡节点只实现分流功能；阀门kl所在水管为凡，输送水流到水箱C1；阀门k2所在的水管为凡，输送水流到水箱C2；水箱cl由存储节点疋表示；水箱c2由存储节点F8表示；水箱cl中的水通过传输节点F。流到水箱c2，最后可以通过传输节点F。输送到水槽。根据目标、功能节点及设备元件之间的基本关系可以建立如图2所示多级流模型，其中G(G。、G：)为目标，

7、M为物质流，层为能量流(物质流与能量流的功能节点用阴影加以区分)。M通过功能节点F，一F。。的水循环实现维持水箱水位的主目标G．，E通过功能节点F¨一F．，提供电力实现保持泵运行的子目标G：，而子目标G：的实现保证了功能节点F：的正常。潍砭～G：6保持泵运行Efl■h—k矗I_飞矿V『n．F．，E，图2多级流模型1．2故障定位原理多级流模型通过这些广义的“流”，使得模型内的节点状态存在一定的因果关系，这些因果关系主要体现在功能节点状态间。对以上例为对象的简化MFM实例建立如图3所示的因果依赖关系(

8、图中只考虑了实现目标G．的流结构的功能节点)。‘图3功能节点的因果依赖关系图3中的每一列均表示功能节点的状态，其中的圆代表了各种不同的状态，如源和汇节点存在正常、过低两种状态。通过一些弧线连接两个相邻功能节点间的状态，这些弧线是所建立的两个状态之间的因果依赖关系。当一个设备发生故障时，往往会引发许多警报，人们可以根据警报状态找到故障的根源。故障的警报分析与诊断可利用一系列的警报状态来识别根源警报，从而定位发生故障的设备元件。通过对警报节点状态的标注，利用因果依赖关系，对其它节点进行