GTD一350燃氣輪機是國內(nèi)首次引進的一個獨特設(shè)計,、帶自由渦輪的航空燃氣渦輪發(fā)動機。它是設(shè)計用作Mi2型輕量級直升飛機的動力裝置,。為了在實驗室進一步研究其作為聯(lián)合動力裝置原動機的動態(tài)特性,，設(shè)計遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)是GTD一350燃機安全、可靠運行的重要保證,。遠程故障診斷技術(shù)是在故障診斷技術(shù),、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，由于工業(yè)過程對遠程監(jiān)測與控制的急切需求而迅速發(fā)展起來的應(yīng)用技術(shù),。它通過工業(yè)局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)把分布于各個局部現(xiàn)場,、獨立完成特定功能的設(shè)備互聯(lián)起來，以達到協(xié)同工作,、集中監(jiān)測的目的,，最大限度地發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的實時性和高效性來完成遠程設(shè)備的監(jiān)測與故障診斷。

　　1 監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1 監(jiān)測診斷系統(tǒng)的組成

　　本文設(shè)計了一種簡捷,、可靠的基于CAN總線的燃氣輪機分布式監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng),，可以方便地調(diào)用各種故障診斷方法，實現(xiàn)燃氣輪機的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷,。它主要由傳感器子系統(tǒng),、現(xiàn)場采集處理與監(jiān)測子系統(tǒng)、遠程監(jiān)視子系統(tǒng),、分析診斷子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)等部分組成,。綜合了信號處理、人工智能,、通信,、DSP（Digital signal processing）、數(shù)據(jù)庫,、計算機網(wǎng)絡(luò)等成熟的技術(shù),，將一個完整的在線監(jiān)測和診斷任務(wù)分解到不同層的計算機上，相互配合，共同實現(xiàn)分布式的監(jiān)測過程,。

　　1.1.1 遠程監(jiān)視子系統(tǒng)

　　子系統(tǒng)在設(shè)備層,，由多個以DSP為核心的嵌人式系統(tǒng)等智能采集處理單元組元。DSP具有高速數(shù)字信號處理能力,，配合外圍的智能傳感器和濾波,、放大、A/D轉(zhuǎn)換等采集處理電路,，采集到燃氣輪機的各種在線狀態(tài)信號,，再經(jīng)過軟件濾波等預(yù)處理，可獲得需要的狀態(tài)原始數(shù)據(jù),。然后,，根據(jù)相關(guān)監(jiān)測算法對這些數(shù)據(jù)加以處理，最終通過設(shè)備層的總線將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測診斷層,，而某個DSP監(jiān)測算法要從其他DSP子系統(tǒng)獲得相關(guān)數(shù)據(jù),，需要各采集處理子系統(tǒng)之間能相互通信。采用CAN總線將各個現(xiàn)場采集與監(jiān)測子系統(tǒng)連接起來,，組成分布式的現(xiàn)場采集處理與監(jiān)測子系統(tǒng)。

　　1.1.2 傳感器及信號調(diào)理子系統(tǒng)

　　GTD350燃氣輪機信號調(diào)理子系統(tǒng)實現(xiàn)信號的隔離,、放大,、濾波、轉(zhuǎn)換等預(yù)處理,，采用模塊化,、總體式設(shè)計。由測速模塊,，振動信號濾波放大模塊,，溫度信號放大模塊，壓力和流量信號直通模塊等模塊組成,。各模塊實現(xiàn)專一的信號調(diào)理任務(wù),，根據(jù)測試信號的不同，可以自由組合,，實現(xiàn)信號調(diào)理硬件的組態(tài)化,。

　　1.1.3 現(xiàn)場采集處理與監(jiān)測子系統(tǒng)

　　現(xiàn)場采集處理與監(jiān)測子系統(tǒng)由DSP、高速A/D數(shù)據(jù)采集卡和慢變信號A/D采集卡組成,。轉(zhuǎn)速和振動信號選用高速A/D同時對通道模擬信號進行同步采樣,；溫度、壓力,、流量,、用慢變信號AID采集卡采集。

　　現(xiàn)場采集監(jiān)測子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測,、報警和數(shù)據(jù)存儲等功能,。采集的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)絡(luò)存儲在文件服務(wù)器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時,，數(shù)據(jù)存人本地磁盤,，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后由服務(wù)器調(diào)用。

　　1.1.4 分析診斷子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

　　在監(jiān)測診斷層,，利用以太網(wǎng)將監(jiān)測主機,、文件服務(wù)器、多個診斷控制計算機,、數(shù)據(jù)庫等設(shè)備連接起來,。分析診斷系統(tǒng)包含豐富的分析診斷軟件，實現(xiàn)故障的精密診斷,、自動診斷和趨勢報表分析,。監(jiān)測主機通過通信計算機接收設(shè)備層采集的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)，可調(diào)用監(jiān)測界面模塊將其顯示出來,，并進行及時的報警和常規(guī)的數(shù)據(jù)分析,。

　　1.2 監(jiān)測診斷系統(tǒng)功能

　　現(xiàn)場采集處理與監(jiān)測子系統(tǒng)模塊：完成該系統(tǒng)的初始化，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理,，與CAN總線數(shù)據(jù)通信,。

　　1.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

　　通訊任務(wù)包括現(xiàn)場采集站定時將機組當(dāng)前運行參數(shù)發(fā)送到工程師站。工程師站將控制,、采集等運行參數(shù)設(shè)置命令發(fā)送至數(shù)據(jù)采集站,。

　工程師站與MIS系統(tǒng)的通訊采用服務(wù)器把MIS、工程師連接起來,，可用Windows NT命名管道傳送實時數(shù)據(jù),，使MIS站上的工程師可以監(jiān)視燃氣輪機的各種狀態(tài)。遠程網(wǎng)絡(luò)連接將MIS通過Web服務(wù)器建立Intemet連接,，可以使現(xiàn)場工程師和診斷中心專家進行在線交流,，及時掌握更多的信息，由專家提供診斷結(jié)論和治理措施,，再將這些結(jié)論通過對話服務(wù)發(fā)送給現(xiàn)場工程師,。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)庫模塊

　　數(shù)據(jù)庫模塊的設(shè)計應(yīng)采用分散和集中相結(jié)合的原則，可以將數(shù)據(jù)庫模塊分成兩部分：

　　數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)庫和診斷中心數(shù)據(jù)庫,。數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則是設(shè)計實時數(shù)據(jù)庫,，包括振動的各種特征參數(shù)、波形數(shù)據(jù),、頻譜數(shù)據(jù),、溫度,、壓力、轉(zhuǎn)速等,。實時數(shù)據(jù)庫采用單鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,。診斷中心的數(shù)據(jù)庫按照不同的診斷建立相應(yīng)的實時、歷史數(shù)據(jù)庫,，歷史數(shù)據(jù)庫采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),。

　　實時數(shù)據(jù)庫接收客戶端實時發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測,。而歷史數(shù)據(jù)庫則主要收集一些與故障相關(guān)的特征數(shù)據(jù),，主要包括：機組啟停、升降速,、增減負荷時的狀態(tài)參數(shù),，異常工況下的狀態(tài)參數(shù)、部分正常工況下的狀態(tài)參數(shù),、機組其他重要的狀態(tài)參數(shù)和運行參數(shù),。

　　1.2.3 服務(wù)程序模塊

　　它是遠程診斷中心的重要組成部分。現(xiàn)場工程師和遠端專家通過它對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析處理,，從而進行故障診斷和制定故障治理策略,。實時數(shù)據(jù)顯示分析包括參數(shù)設(shè)置、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)監(jiān)測,。系統(tǒng)參數(shù)對在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)的精度有著重要的影響,，不能隨意修改，為此給不同級別的用戶設(shè)定了不同的權(quán)限,。穩(wěn)態(tài)監(jiān)測主要是在機組不間斷運行時使用，可采用列表的方式顯示各種狀態(tài)參數(shù),，并且可以繪制各種圖形,，有多種反映振動征兆的圖形化方法，從實時數(shù)據(jù)庫讀出數(shù)據(jù)然后繪制對應(yīng)的圖形,，如振動波形圖,、振動頻譜、升降速波德圖,、振型圖,、軸心軌跡圖等，專家能夠選擇其想查看的圖形,，從而進行經(jīng)驗上的判斷,。瞬態(tài)監(jiān)測主要實現(xiàn)隨機監(jiān)測和啟停機監(jiān)測，可根據(jù)需要設(shè)置采樣頻率,、采樣長度,、數(shù)據(jù)的存盤方式等，可供分析診斷軟件包等檢索調(diào)用。故障診斷服務(wù)主要包括方法,、模糊理論,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法與概率因果網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合理論等建立的各種診斷程序,。

　　2 GTD一350燃機智能故障診斷方法

　　2.1 基于規(guī)則的專家系統(tǒng)診斷方法

　　基于規(guī)則的方法又稱產(chǎn)生式方法,，早期的故障診斷專家系統(tǒng)都是基于規(guī)則的，這些規(guī)則是從專家的經(jīng)驗中總結(jié)出來,，用來描述故障和征兆的關(guān)系,。

　　該方法的優(yōu)點是知識表示簡單、直觀,、形象,、方便，使用直接的知識表示和相對簡單的啟發(fā)式知識,，診斷推理速度快,；要求數(shù)據(jù)的存儲空間相對較小,；易于編程和開發(fā)出快速原型系統(tǒng),。缺點是知識庫覆蓋的故障模式有限，對未出現(xiàn)過的和經(jīng)驗不足的故障診斷就顯得無能為力,；當(dāng)知識庫中沒有相應(yīng)的與征兆匹配的規(guī)則時,，易造成誤診或診斷失敗。

　　2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法

　　從映射的角度分析,，故障診斷的實質(zhì)是建立從征兆到故障源的映射過程,。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是高度非線性、高度容錯和聯(lián)想記憶等,。但是,，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于故障診斷也存在許多不足，診斷方法屬“黑箱”方法,，不能揭示出系統(tǒng)內(nèi)部的一些潛在關(guān)系,，無法對診斷過程給予明確解釋。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時間較長,，并且對未在訓(xùn)練樣本中出現(xiàn)的故障無診斷能力,，甚至得出錯誤診斷結(jié)論，這些都增加了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的困難,。

　　2.3 基于遺傳算法與概率因果網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的故障診斷方法

　　概率因果模型用于汽輪發(fā)電機組故障診斷時,，具有最大似然值的故障集一定是最可能發(fā)生的故障，通過尋找使似然值函數(shù)最大的故障集合就可將故障診斷問題轉(zhuǎn)化為非線性全局最優(yōu)化問題,。但各種故障的組合是一個相當(dāng)大的搜索空間,，用數(shù)學(xué)解析或?qū)嶒灥姆椒◣缀醪荒芮蠼?。而遺傳算法具有高度并行性和求解非線性問題的能力，可把遺傳算法與概率因果模型相結(jié)合,，將由概率因果模型得到的似然值函數(shù)作為遺傳算法的適應(yīng)值函數(shù),，在全局范圍內(nèi)搜索最有可能發(fā)生的故障集合。概率因果模型與遣傳算法相結(jié)合時,，染色體串采用二進制編碼形式,，故障出現(xiàn)為1，未出現(xiàn)為0,。適應(yīng)值函數(shù)由下式表示：

　　式中：D表示可能的故障組合,，也就是染色體串中為1所對應(yīng)的故障；M 表示已知存在的征兆,；M代表所有的征兆集,；P代表第i種故障所對應(yīng)的先驗概率；c代表第i種故障與第,，種征兆之間的因果強度,，亦即第i種故障引起第7種征兆發(fā)生的可能性大小。

　　2.4 混合智能故障診斷方法

　　根據(jù)不同的發(fā)動機系統(tǒng)參數(shù),，結(jié)合智能故障診斷方法的特點采用多種方法的診斷系統(tǒng)稱為混合診斷方法,。具體智能診斷方法的選用原則根據(jù)發(fā)動機各系統(tǒng)故障的征兆以及故障狀態(tài)下的歷史數(shù)據(jù)來決定。本研究中GTD一350燃機油路系統(tǒng)故障采用專家系統(tǒng),，根據(jù)系統(tǒng)振動檢測參數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),。

　　3 結(jié)語

　　本文對GTD一350型燃氣輪機建立了地面遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。此系統(tǒng)的研究是集數(shù)據(jù)采集,、性能分析,、故障診斷、人工智能等技術(shù)于一體的綜合信息處理系統(tǒng),，實現(xiàn)了對GTD一350燃氣輪機運行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷,。通過與Intemet的連接，實現(xiàn)了遠程監(jiān)測和診斷,。非現(xiàn)場運行人員可以直接登陸相關(guān)的遠程診斷中心的網(wǎng)站進行分析診斷，可提高實時處理效率和分析診斷的準確性,，為運行人員和設(shè)備管理工程師提供了設(shè)備運行狀況的科學(xué)依據(jù),，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況，保證設(shè)備安全可靠經(jīng)濟運行,。