智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)故障診斷

智能樓宇空調(diào)系統(tǒng)故障預測與診斷探討

摘要： 因此及時準確地預測診斷出空調(diào)故障，已經(jīng)成為保證空調(diào)系統(tǒng)正常運行，調(diào)高其安全性、可靠性不可或缺的手段。隨著時代的進步，人們對室內(nèi)環(huán)境要求越來越高，這就使得空調(diào)系統(tǒng)性能和復雜度不斷地提高，對故障預測診斷的需求也日趨旺盛。因此，進行對空調(diào)系統(tǒng)故障預測與診斷的研究有很大的必要性，而且具有巨大的社會和經(jīng)濟效益。

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

引言 智能建筑空調(diào)系統(tǒng)組成復雜、規(guī)模日益龐大，系統(tǒng)故障有著故障參數(shù)不明、系統(tǒng)運行狀態(tài)模糊且故障癥狀與原因間關(guān)系復雜的特性，所以空調(diào)系統(tǒng)的故障尤其軟故障難以檢測。通過對空調(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)的故障類型，為下面展開研究提供了依據(jù)。 　　

一、空調(diào)系統(tǒng)故障分析 　　

由于現(xiàn)在建筑物規(guī)模越來越大，其中的空調(diào)系統(tǒng)也越來越龐大，其部件的種類、數(shù)量繁多。空調(diào)系統(tǒng)一般由空調(diào)機組、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，各個系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互制約。空調(diào)系統(tǒng)在運行過程中不可避免地會遇到各種故障，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，如風機突然停機、壓縮機不工作、換熱器積垢嚴重、閥門完全堵塞等，這類突發(fā)性故障，對系統(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、風機盤管結(jié)垢（盤管逐漸堵塞）、閥門關(guān)閉時的泄漏等，這類軟故障一般是漸進性的，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到。硬故障因為表現(xiàn)很明顯容易發(fā)現(xiàn)，而軟故障由于其漸進性的特點不易發(fā)現(xiàn)，是故障預測與診斷的重點。

空調(diào)系統(tǒng)故障特性一般有以下幾個方面： 　　

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

空調(diào)系統(tǒng)一般將某些需要監(jiān)測的信號設(shè)置了一定的閾值，系統(tǒng)運行過程中，當采集到的監(jiān)測信號超過閾值時，系統(tǒng)報警或斷開，例如出現(xiàn)下面狀況時：當冷凝壓力超過設(shè)定時，系統(tǒng)啟動壓力保護，主機停止運行；但在實際工作中，故障會在發(fā)生前或發(fā)生時表現(xiàn)出各種征兆，并不會把監(jiān)測信號超過閾值作為空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障與否的界限。同時在空調(diào)系統(tǒng)運行過程中，設(shè)備故障發(fā)生的過程是漸變性的，設(shè)備表征出來的癥狀也是漸進變化的，因此，各種故障表現(xiàn)的征兆值也是模糊值。因此可以說，空調(diào)系統(tǒng)是否發(fā)生故障并沒有確切的界限可言。 　　

2）空調(diào)系統(tǒng)及其運行狀態(tài)具有模糊性 　　

首先，空調(diào)系統(tǒng)的復雜性和人們對空調(diào)系統(tǒng)認識的精確性是相互對立的，隨著時代的進步、科技的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的復雜性越來越高，人們對空調(diào)系統(tǒng)運行狀況和組成認識的精確性就越來越低，對系統(tǒng)故障的判定標準也越來越模糊。其次，系統(tǒng)運行參數(shù)在不同的環(huán)境條件和運行工況下也是不同，由此得到的測量信息也將變得模糊和不確定。另外，人們在對空調(diào)系統(tǒng)的觀察上也會帶有大量的主觀因素，因而也會得到模糊的觀察結(jié)果。 　　

3）故障癥狀與原因間關(guān)系的復雜性 　　

當空調(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)生故障原因都很復雜。這種復雜性表現(xiàn)為以下特點：①故障癥狀的復雜性；②故障原因的復雜性；③故障癥狀和故障原因之間關(guān)系的復雜性，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，多對一的關(guān)系；④系統(tǒng)參數(shù)組成和監(jiān)測的復雜性，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)難以測量，而且通常情況下也不允許測量，所以此時需要找到跟這個參數(shù)有關(guān)系的參數(shù)進行間接測量。空調(diào)系統(tǒng)這些復雜性決定了要對空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷進行研究，必須要獲得各種故障癥狀與故障原因的范例集，對于普通的實際空調(diào)系統(tǒng)來說，要獲得故障范例集并不是件很容易的事情，所以必須通過實驗的方法在實際空調(diào)系統(tǒng)上設(shè)置相應的裝置來模擬各種故障來獲取所需范例集，以便能夠在系統(tǒng)運行時采用相應的診斷方法進行診斷。本文是以安徽建筑工業(yè)學院智能建筑省級重點實驗室中空調(diào)系統(tǒng)為平臺進行數(shù)據(jù)采集和故障預測與診斷的研究。 　　

二、制冷系統(tǒng)故障類型及分析 　　

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)模越來越大，制冷系統(tǒng)也越來越復雜，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、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行。制冷系統(tǒng)在這種狀態(tài)下運行造成了系統(tǒng)的性能系數(shù)COP（Coefficient of Performance）明顯下降，嚴重影響到室內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量、系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性及運行的經(jīng)濟性。根據(jù)調(diào)查表明，制冷系統(tǒng)由故障而導致的能耗增加多達30%由各故障發(fā)生時引起的能耗增加及其對系統(tǒng)性能的影響非常大。 　　

制冷系統(tǒng)是一個比較復雜的系統(tǒng)，在制冷系統(tǒng)循環(huán)過程中包含有制冷劑、潤滑油這兩種物質(zhì)，由于環(huán)境條件系統(tǒng)中還會不可避免地混入水、空氣、雜質(zhì)等影響系統(tǒng)正常運行的有害物質(zhì)。此外，系統(tǒng)中制冷劑在循環(huán)過程中會呈現(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雜，其主要特點如下： 　　

1）故障癥狀的多樣性，如壓縮機壓力過高過低癥狀、壓縮和機組振動噪聲癥狀，溫度過高、過低癥狀等，同時有些特征參數(shù)難以通過測量； 　　

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

3）故障癥狀與原因之間的關(guān)系復雜，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、冷凝氣、蒸發(fā)器、膨脹閥、制冷劑與潤滑油、管路與閥門和冷凝器冷卻這七個部分，分別說明各設(shè)備出現(xiàn)的故障以及原因。 　　

（1）壓縮機可能產(chǎn)生的故障原因①壓縮機排氣閥泄漏②壓縮機吸氣閥片斷裂③壓縮機排氣閥片斷裂④壓縮機吸排氣閥門未開足⑤壓縮機中活塞環(huán)泄漏⑥氣缸中潤滑油中斷⑦液態(tài)制冷劑進入氣缸產(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膨脹閥開度過大②膨脹閥開度過小③感溫包泄漏 　　 （5）制冷劑與潤滑油可能產(chǎn)生的故障原因①制冷劑不足②制冷劑過多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大量潤滑油混入制冷中 　　

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

三、空調(diào)故障預測與診斷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 　　

由于近幾年隨著我國經(jīng)濟的快速發(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)和自動化設(shè)施方面進行了大量投資，獲得的經(jīng)濟效益不明顯，但卻出現(xiàn)了“信息災難”。這是因為隨著智能建筑規(guī)模日益龐大，設(shè)備自動化程度越來越高，各個系統(tǒng)向信息密集化發(fā)展，當實現(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，從而導致了“信息災難”。觀察利監(jiān)控海量的實時數(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，由于緊張、疲勞、疏忽或遺忘，往往導致誤操作。觀察和監(jiān)控海量數(shù)據(jù)和信息的工作繁瑣枯燥，應該由智能監(jiān)控系統(tǒng)來完成，將有價值的數(shù)據(jù)和信息提供給操作人員，使所獲得的海量數(shù)據(jù)和信息的價值得到充分發(fā)現(xiàn)和利用。將計算機實時控制系統(tǒng)（DCS、PLC、SCADA）、實驗室的離線分析數(shù)據(jù)、管理信息系統(tǒng)（MIS、ERP）和知識集成系統(tǒng)（KIS）結(jié)合為一體，實現(xiàn)“用知識管理信息，用信息管理數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)控制智能建筑及設(shè)備的正常運行”，從而提高智能建筑的安全性、高效率性、及經(jīng)濟性。整個項目涵蓋了智能建筑的七大系統(tǒng)，本人負責“空調(diào)系統(tǒng)實時監(jiān)控及預報防范系統(tǒng)”的設(shè)計與實現(xiàn)工作，主要工作涉及從數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析到預測診斷結(jié)果輸出整個過程。  　　

3.1需求分析 　　

在空調(diào)的運行過程中，時刻都有大量的數(shù)據(jù)和信息需實時監(jiān)測、檢查和處理，當緊急事件發(fā)生或是需要對歷史數(shù)據(jù)和信息進行分析時，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，也很難迅速進行檢查、判斷、并排除故障。這就需要空調(diào)故障預測與診斷系統(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)備運行狀態(tài)、處理設(shè)備故障和生產(chǎn)事故，另一方面指導管理人員制定工作計劃、安排設(shè)備維護日程等。空調(diào)故障預測與診斷系統(tǒng)是智能樓宇實時監(jiān)控及事故預報防范系統(tǒng)主要組成部分，是空調(diào)系統(tǒng)健康穩(wěn)定運行的重要保障。它不僅可以給操作人員提供正常操作參考，還可以指導操作人員對事故早期報警做出迅速有效的反應，提出處理建議。實時監(jiān)控及預報防范系統(tǒng)將實現(xiàn)以下任務(wù)： 　　

運行設(shè)備實時數(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。 　　 實時數(shù)據(jù)獲取方式的多樣性。可以是有線方式也可以采用無線方式，本系統(tǒng)采用無線ZigBee技術(shù)來進行數(shù)據(jù)采集。 　　

智能化的監(jiān)控及預報系統(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“專家知識”數(shù)據(jù)庫，用于進一步對故障進行研究和分析所用；②依據(jù)基于支持向量機預測與診斷模型進行故障報警處理；③報警及故障位置及時提醒功能；④給操作人員提供處理故障的建議。 　　

采用人機對話的操作方式，界面設(shè)計美觀友好、操作靈活、方便、快捷。 　　

3.2空調(diào)故障預測與診斷系統(tǒng) 　　

空調(diào)故障預測與診斷系統(tǒng)是“智能樓宇實時監(jiān)控及事故預報防范系統(tǒng)”的一個子系統(tǒng)，它涵蓋了智能建筑的七大系統(tǒng)。 　　

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

1）實時數(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、收集實時數(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，供以后研究和分析用。 　　

2）數(shù)據(jù)庫模塊數(shù)據(jù)服務(wù)器可以同時從多個數(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。 　　

3）實時趨勢圖該模塊對空調(diào)系統(tǒng)各個關(guān)鍵參數(shù)進行實時的監(jiān)控，有助于故障預測與診斷。 　　 4）基于支持向量機實時預測和診斷模塊對已得到的采樣數(shù)據(jù)進行分析，通過基于支持向量機的空調(diào)系統(tǒng)診斷模型進行診斷。此模塊的開發(fā)充分應用了基于小樣本和非線性映射的特性，對診斷結(jié)果給出意見和建議，從而達到了提高該系統(tǒng)的故障診斷能力的目的。根據(jù)以上特點設(shè)計出“空調(diào)故障預測與診斷系統(tǒng)”具體的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。 　　 　　

該系統(tǒng)是集成分布式智能系統(tǒng)，它是基于支持向量機的實時故障預測與診斷，對與缺乏大量樣本訓練的情況下有較好的診斷效果，可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無縫連接，具有快捷方便友好的人機界面。為實現(xiàn)智能樓宇事故防范與預報系統(tǒng)下一步開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，也為在實際工業(yè)應用提供了一種很好的思路。