智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷探討

 

摘要： 因此及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)診斷出空調(diào)故障，已經(jīng)成為保證空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，調(diào)高其安全性、可靠性不可或缺的手段。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境要求越來(lái)越高，這就使得空調(diào)系統(tǒng)性能和復(fù)雜度不斷地提高，對(duì)故障預(yù)測(cè)診斷的需求也日趨旺盛。因此，進(jìn)行對(duì)空調(diào)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與診斷的研究有很大的必要性，而且具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：智能建筑；空調(diào)系統(tǒng)；制冷系統(tǒng)；故障預(yù)測(cè)與診斷

引言 智能建筑空調(diào)系統(tǒng)組成復(fù)雜、規(guī)模日益龐大，系統(tǒng)故障有著故障參數(shù)不明、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)模糊且故障癥狀與原因間關(guān)系復(fù)雜的特性，所以空調(diào)系統(tǒng)的故障尤其軟故障難以檢測(cè)。通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中主要組成部分制冷系統(tǒng)的分析，給出了故障與原因關(guān)系，從而確定了制冷系統(tǒng)的故障類(lèi)型，為下面展開(kāi)研究提供了依據(jù)。 　　

 

一、空調(diào)系統(tǒng)故障分析 　　

 

由于現(xiàn)在建筑物規(guī)模越來(lái)越大，其中的空調(diào)系統(tǒng)也越來(lái)越龐大，其部件的種類(lèi)、數(shù)量繁多?？照{(diào)系統(tǒng)一般由空調(diào)機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)等幾部分組成，各個(gè)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互制約?？照{(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到各種故障，空調(diào)系統(tǒng)的故障一般分為硬故障和軟故障兩種。硬故障主要指的是設(shè)備及裝置器件完全失效的故障，如風(fēng)機(jī)突然停機(jī)、壓縮機(jī)不工作、換熱器積垢嚴(yán)重、閥門(mén)完全堵塞等，這類(lèi)突發(fā)性故障，對(duì)系統(tǒng)危害很大，表現(xiàn)比較明顯。軟故障指的是設(shè)備裝置性能下降或部分失效的各種故障，如制冷劑泄漏、風(fēng)機(jī)盤(pán)管結(jié)垢（盤(pán)管逐漸堵塞）、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的泄漏等，這類(lèi)軟故障一般是漸進(jìn)性的，在發(fā)生之前所表現(xiàn)的故障征兆不明顯，初期往往難以被檢測(cè)到。硬故障因?yàn)楸憩F(xiàn)很明顯容易發(fā)現(xiàn)，而軟故障由于其漸進(jìn)性的特點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，是故障預(yù)測(cè)與診斷的重點(diǎn)。

 

空調(diào)系統(tǒng)故障特性一般有以下幾個(gè)方面： 　　

 

1）空調(diào)系統(tǒng)是否發(fā)生故障并沒(méi)有確切的界限 　　

 

空調(diào)系統(tǒng)一般將某些需要監(jiān)測(cè)的信號(hào)設(shè)置了一定的閾值，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)采集到的監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警或斷開(kāi)，例如出現(xiàn)下面狀況時(shí)：當(dāng)冷凝壓力超過(guò)設(shè)定時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)壓力保護(hù)，主機(jī)停止運(yùn)行；但在實(shí)際工作中，故障會(huì)在發(fā)生前或發(fā)生時(shí)表現(xiàn)出各種征兆，并不會(huì)把監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)閾值作為空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障與否的界限。同時(shí)在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備故障發(fā)生的過(guò)程是漸變性的，設(shè)備表征出來(lái)的癥狀也是漸進(jìn)變化的，因此，各種故障表現(xiàn)的征兆值也是模糊值。因此可以說(shuō)，空調(diào)系統(tǒng)是否發(fā)生故障并沒(méi)有確切的界限可言。 　　

 

2）空調(diào)系統(tǒng)及其運(yùn)行狀態(tài)具有模糊性 　　

 

首先，空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性和人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的精確性是相互對(duì)立的，隨著時(shí)代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性越來(lái)越高，人們對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和組成認(rèn)識(shí)的精確性就越來(lái)越低，對(duì)系統(tǒng)故障的判定標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越模糊。其次，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在不同的環(huán)境條件和運(yùn)行工況下也是不同，由此得到的測(cè)量信息也將變得模糊和不確定。另外，人們?cè)趯?duì)空調(diào)系統(tǒng)的觀察上也會(huì)帶有大量的主觀因素，因而也會(huì)得到模糊的觀察結(jié)果。 　　

 

3）故障癥狀與原因間關(guān)系的復(fù)雜性 　　

 

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)中某一設(shè)備或部件發(fā)生故障，其故障癥狀和發(fā)生故障原因都很復(fù)雜。這種復(fù)雜性表現(xiàn)為以下特點(diǎn)：①故障癥狀的復(fù)雜性；②故障原因的復(fù)雜性；③故障癥狀和故障原因之間關(guān)系的復(fù)雜性，它可能是一種故障原因可以誘發(fā)多種表現(xiàn)癥狀，一對(duì)多的映射關(guān)系，也可能是多種故障原因也可以表現(xiàn)出同一種癥狀，多對(duì)一的關(guān)系；④系統(tǒng)參數(shù)組成和監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性，系統(tǒng)里面壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、濕度參數(shù)等，這些參數(shù)之間沒(méi)有明顯的邏輯和定量關(guān)系，具有一定的模糊性。系統(tǒng)內(nèi)部有許多參數(shù)難以測(cè)量，而且通常情況下也不允許測(cè)量，所以此時(shí)需要找到跟這個(gè)參數(shù)有關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行間接測(cè)量?？照{(diào)系統(tǒng)這些復(fù)雜性決定了要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷進(jìn)行研究，必須要獲得各種故障癥狀與故障原因的范例集，對(duì)于普通的實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要獲得故障范例集并不是件很容易的事情，所以必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法在實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)上設(shè)置相應(yīng)的裝置來(lái)模擬各種故障來(lái)獲取所需范例集，以便能夠在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用相應(yīng)的診斷方法進(jìn)行診斷。本文是以安徽建筑工業(yè)學(xué)院智能建筑省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中空調(diào)系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和故障預(yù)測(cè)與診斷的研究。 　　

 

二、制冷系統(tǒng)故障類(lèi)型及分析 　　

 

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制冷系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分，它也是空調(diào)系統(tǒng)中能耗的主要組成部分，制冷系統(tǒng)是空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分隨著空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，制冷系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，其中也存在著各種各樣的故障。由于工況的異常變化或制冷系統(tǒng)部件老化以及未能及時(shí)、定期維修或保養(yǎng)等原因，制冷系統(tǒng)常在故障下非健康地運(yùn)行。制冷系統(tǒng)在這種狀態(tài)下運(yùn)行造成了系統(tǒng)的性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）明顯下降，嚴(yán)重影響到室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量、系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)調(diào)查表明，制冷系統(tǒng)由故障而導(dǎo)致的能耗增加多達(dá)30%由各故障發(fā)生時(shí)引起的能耗增加及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響非常大。 　　

 

制冷系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在制冷系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中包含有制冷劑、潤(rùn)滑油這兩種物質(zhì)，由于環(huán)境條件系統(tǒng)中還會(huì)不可避免地混入水、空氣、雜質(zhì)等影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的有害物質(zhì)。此外，系統(tǒng)中制冷劑在循環(huán)過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)出汽相、液相及汽液混合相三種狀態(tài)。因此制冷系統(tǒng)故障癥狀和原因非常復(fù)雜，其主要特點(diǎn)如下： 　　

 

1）故障癥狀的多樣性，如壓縮機(jī)壓力過(guò)高過(guò)低癥狀、壓縮和機(jī)組振動(dòng)噪聲癥狀，溫度過(guò)高、過(guò)低癥狀等，同時(shí)有些特征參數(shù)難以通過(guò)測(cè)量； 　　

 

2）故障產(chǎn)生原因的復(fù)雜性，如各組成部件間的匹配問(wèn)題，電氣控制問(wèn)題，以及制冷劑、潤(rùn)滑油、冷凍水、冷卻水等多方面的原因，且這些原因錯(cuò)綜復(fù)雜，相互交叉； 　　

 

3）故障癥狀與原因之間的關(guān)系復(fù)雜，具有一定的模糊性和不確定性。同樣的故障癥狀也可能在不同的故障中出現(xiàn)，有時(shí)一種故障原因可誘發(fā)出多種不同的故障癥狀。根據(jù)制冷系統(tǒng)的組成，這里將制冷系統(tǒng)分為壓縮機(jī)、冷凝氣、蒸發(fā)器、膨脹閥、制冷劑與潤(rùn)滑油、管路與閥門(mén)和冷凝器冷卻這七個(gè)部分，分別說(shuō)明各設(shè)備出現(xiàn)的故障以及原因。 　　

（1）壓縮機(jī)可能產(chǎn)生的故障原因①壓縮機(jī)排氣閥泄漏②壓縮機(jī)吸氣閥片斷裂③壓縮機(jī)排氣閥片斷裂④壓縮機(jī)吸排氣閥門(mén)未開(kāi)足⑤壓縮機(jī)中活塞環(huán)泄漏⑥氣缸中潤(rùn)滑油中斷⑦液態(tài)制冷劑進(jìn)入氣缸產(chǎn)生液擊沖擊。 　　

（2）蒸發(fā)器可能產(chǎn)生的故障原因①蒸發(fā)器內(nèi)外表面有污垢②蒸發(fā)器回油不良③蒸發(fā)器結(jié)霜過(guò)厚④蒸發(fā)器泄漏⑤蒸發(fā)器中有局部阻塞 　　

（3）冷凝器可能產(chǎn)生的故障原因①冷凝器內(nèi)外表面有污垢②冷凝器泄漏③冷卻風(fēng)量不足④冷卻水量不足⑤冷凝器回油不暢 　　

（4）膨脹閥可能產(chǎn)生的故障原因①膨脹閥開(kāi)度過(guò)大②膨脹閥開(kāi)度過(guò)?、鄹袦匕孤?/span> 　　 （5）制冷劑與潤(rùn)滑油可能產(chǎn)生的故障原因①制冷劑不足②制冷劑過(guò)多③制冷劑中有水分④制冷劑中有雜質(zhì)⑤制冷劑中有空氣或不凝性氣體⑥大量潤(rùn)滑油混入制冷中 　　

（6）管路與閥門(mén)可能產(chǎn)生的故障原因①壓縮機(jī)排氣管道阻力過(guò)大②壓縮機(jī)吸氣管道阻力過(guò)大③回氣管阻塞④過(guò)濾器阻塞⑤出液口到膨脹閥這條路上有阻塞現(xiàn)⑥出液管太細(xì)或阻塞 　　

 

三、空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 　　

 

由于近幾年隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，信息化建設(shè)力度的不斷加入，大量的智能樓宇、智能小區(qū)如雨后春筍般地拔地而起，智能建筑在信息技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)施方面進(jìn)行了大量投資，獲得的經(jīng)濟(jì)效益不明顯，但卻出現(xiàn)了“信息災(zāi)難”。這是因?yàn)殡S著智能建筑規(guī)模日益龐大，設(shè)備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，各個(gè)系統(tǒng)向信息密集化發(fā)展，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)的集成（如DCS、PLC、SCADA系統(tǒng)和MIS、ERP系統(tǒng)的集成），出現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)和信息，從而導(dǎo)致了“信息災(zāi)難”。觀察利監(jiān)控海量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息不適合人的操作：操作人員既看不完，也記不住。尤其在緊急狀態(tài)和突發(fā)事件時(shí)，由于緊張、疲勞、疏忽或遺忘，往往導(dǎo)致誤操作。觀察和監(jiān)控海量數(shù)據(jù)和信息的工作繁瑣枯燥，應(yīng)該由智能監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成，將有價(jià)值的數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使所獲得的海量數(shù)據(jù)和信息的價(jià)值得到充分發(fā)現(xiàn)和利用。將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（DCS、PLC、SCADA）、實(shí)驗(yàn)室的離線(xiàn)分析數(shù)據(jù)、管理信息系統(tǒng)（MIS、ERP）和知識(shí)集成系統(tǒng)（KIS）結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)“用知識(shí)管理信息，用信息管理數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)控制智能建筑及設(shè)備的正常運(yùn)行”，從而提高智能建筑的安全性、高效率性、及經(jīng)濟(jì)性。整個(gè)項(xiàng)目涵蓋了智能建筑的七大系統(tǒng)，本人負(fù)責(zé)“空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)報(bào)防范系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)工作，主要工作涉及從數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析到預(yù)測(cè)診斷結(jié)果輸出整個(gè)過(guò)程。  　　

 

3.1需求分析 　　

 

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在空調(diào)的運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)刻都有大量的數(shù)據(jù)和信息需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、檢查和處理，當(dāng)緊急事件發(fā)生或是需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析時(shí)，海量的數(shù)據(jù)往往使操作人員難以適從；此外，如果某些設(shè)備的零件出了毛病，也很難迅速進(jìn)行檢查、判斷、并排除故障。這就需要空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)不僅具有收集信息的能力，更重要的是它具有智能監(jiān)控功能，能夠利用知識(shí)分析信息，提出建議。它一方面協(xié)助操作人員監(jiān)督設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、處理設(shè)備故障和生產(chǎn)事故，另一方面指導(dǎo)管理人員制定工作計(jì)劃、安排設(shè)備維護(hù)日程等?？照{(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)是智能樓宇實(shí)時(shí)監(jiān)控及事故預(yù)報(bào)防范系統(tǒng)主要組成部分，是空調(diào)系統(tǒng)健康穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。它不僅可以給操作人員提供正常操作參考，還可以指導(dǎo)操作人員對(duì)事故早期報(bào)警做出迅速有效的反應(yīng)，提出處理建議。實(shí)時(shí)監(jiān)控及預(yù)報(bào)防范系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)以下任務(wù)： 　　

 

運(yùn)行設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取。它需要從原始數(shù)據(jù)中提取有用信息，并貯存相關(guān)信息，以備查詢(xún)。 　　 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取方式的多樣性?？梢允怯芯€(xiàn)方式也可以采用無(wú)線(xiàn)方式，本系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)ZigBee技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 　　

智能化的監(jiān)控及預(yù)報(bào)系統(tǒng)。它具有如下的功能：①將有關(guān)故障和非正常狀態(tài)的所有信息都記入“專(zhuān)家知識(shí)”數(shù)據(jù)庫(kù)，用于進(jìn)一步對(duì)故障進(jìn)行研究和分析所用；②依據(jù)基于支持向量機(jī)預(yù)測(cè)與診斷模型進(jìn)行故障報(bào)警處理；③報(bào)警及故障位置及時(shí)提醒功能；④給操作人員提供處理故障的建議。 　　

采用人機(jī)對(duì)話(huà)的操作方式，界面設(shè)計(jì)美觀友好、操作靈活、方便、快捷。 　　

 

3.2空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng) 　　

 

空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)是“智能樓宇實(shí)時(shí)監(jiān)控及事故預(yù)報(bào)防范系統(tǒng)”的一個(gè)子系統(tǒng)，它涵蓋了智能建筑的七大系統(tǒng)。 　　

1.系統(tǒng)功能 　　 “空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)”具有以下幾種功能： 　　

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口和處理模塊該模塊的主要功能是數(shù)據(jù)接口、收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息、處理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)，供以后研究和分析用。 　　

2）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊數(shù)據(jù)服務(wù)器可以同時(shí)從多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫(kù)。 　　

3）實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖該模塊對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，有助于故障預(yù)測(cè)與診斷。 　　 4）基于支持向量機(jī)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和診斷模塊對(duì)已得到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)基于支持向量機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)診斷模型進(jìn)行診斷。此模塊的開(kāi)發(fā)充分應(yīng)用了基于小樣本和非線(xiàn)性映射的特性，對(duì)診斷結(jié)果給出意見(jiàn)和建議，從而達(dá)到了提高該系統(tǒng)的故障診斷能力的目的。根據(jù)以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)出“空調(diào)故障預(yù)測(cè)與診斷系統(tǒng)”具體的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。 　　 　　

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該系統(tǒng)是集成分布式智能系統(tǒng)，它是基于支持向量機(jī)的實(shí)時(shí)故障預(yù)測(cè)與診斷，對(duì)與缺乏大量樣本訓(xùn)練的情況下有較好的診斷效果，可以與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接，具有快捷方便友好的人機(jī)界面。為實(shí)現(xiàn)智能樓宇事故防范與預(yù)報(bào)系統(tǒng)下一步開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，也為在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供了一種很好的思路。