暖通空調(diào)系統(tǒng)中傳感器故障檢測與診斷方法研究

王剛+朱清雪

摘 要： 隨著暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）在各種場合越來越廣泛的應(yīng)用，暖通空調(diào)系統(tǒng)得到了很大發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)也越來越復(fù)雜。不管是商用辦公樓還是工業(yè)加工場所，甚至是民用住宅都對空調(diào)系統(tǒng)提出了更高的要求，要求空調(diào)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定、舒適和節(jié)能。在越來越復(fù)雜和龐大的HVAC系統(tǒng)中，往往會產(chǎn)生各種各樣的故障，要快速及時地檢測、鑒別出系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種故障，已遠(yuǎn)非操作者力所能及，這就使得故障檢測與診斷（Fault Detection and Diagnosis， FDD）系統(tǒng)越來越成為必要。為此，本文主要對暖通空調(diào)系統(tǒng)故障原因、檢測及診斷方法進(jìn)行了分析與探究。

關(guān)鍵詞： 暖通空調(diào)系統(tǒng)；故障原因；檢測；診斷方法

暖通空調(diào)系統(tǒng)最先應(yīng)用于美國，其工作原理主要是改變房間中的風(fēng)量來使得室內(nèi)所產(chǎn)生的負(fù)荷得到滿足。因為系統(tǒng)絕大多數(shù)時間都是在負(fù)荷下進(jìn)行工作的，所以能夠在能源消耗上有一定程度上的降低，在節(jié)能的效果上有著顯著的作用。這就使得空調(diào)系統(tǒng)的使用逐漸的傳向了全世界，繼而在世界各地都得到了廣泛的應(yīng)用，并為節(jié)省能耗做出了一定的貢獻(xiàn)。隨著人類對節(jié)能意識及生活質(zhì)量的要求不斷的提高，專業(yè)學(xué)者研究出調(diào)節(jié)變風(fēng)量系統(tǒng)及變水量系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法，使其更好的平衡暖通空調(diào)系統(tǒng)。

一、暖通空調(diào)系統(tǒng)故障常見原因

暖通空調(diào)系統(tǒng)是由多種設(shè)備組合而成的，其中系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)用到了多個學(xué)科的技術(shù)，如熱力學(xué)、流體力學(xué)等。暖通空調(diào)系統(tǒng)在運行時，各種設(shè)備的參數(shù)相互配合，共同完成對建筑物的采暖、調(diào)節(jié)空氣的作用。暖通系統(tǒng)的復(fù)雜性增強(qiáng)了故障發(fā)生的機(jī)率，同時各種故障的相互影響，也會造成新的故障。暖通空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用到多種空調(diào)設(shè)備，這些設(shè)備之間互相用管道進(jìn)行間接，關(guān)聯(lián)性特別強(qiáng)，如果某種設(shè)備出現(xiàn)故障，也會影響其他設(shè)備的運行，從而影響整個暖通空調(diào)系統(tǒng)性能和功能發(fā)揮。故障原因可分為以下幾種：

1、自然因素。所謂自然因素就是指內(nèi)因，也就是系統(tǒng)本身的因素而導(dǎo)致故障的產(chǎn)生。系統(tǒng)在運行過程中，因為自身質(zhì)量的不合格而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障。在空調(diào)系統(tǒng)中，有許多的軟件或者硬件組成，在空調(diào)系統(tǒng)的自然運行中，很可能會在出現(xiàn)硬件的損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)的運行不正常或者是因為軟件上的原因而導(dǎo)致系統(tǒng)不能有效的運行，這些都是屬于自然故障。

2、人為因素。人為因素就是指操作者因為操作不當(dāng)而引起系統(tǒng)的損壞。有些的人為因素是有意的，而有些的是無意的。有意的是人為的對系統(tǒng)進(jìn)行破壞來導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常的運行，而無意的則是在操作時因為操作不當(dāng)而導(dǎo)致系統(tǒng)的損壞，這些都屬于人為的故障。

二、暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷分析

通過故障預(yù)測與診斷，使暖通空調(diào)設(shè)備按優(yōu)化程序運行，是降低建筑能耗和提高經(jīng)濟(jì)的途徑之一。因此，加強(qiáng)對故障的預(yù)測與監(jiān)控，能夠減少故障的發(fā)生，延長設(shè)備的使用壽命，同時也能夠給業(yè)主提供持續(xù)的、舒適的室內(nèi)環(huán)境，這對提高用戶的舒適性、提高建筑的能源效率、增加HVAC系統(tǒng)的可靠性、減少經(jīng)濟(jì)損失將有重要的意義。

1、暖通空調(diào)系統(tǒng)診斷方法

暖通空調(diào)故障診斷方式主要有兩種：一種是在線方式，即故障診斷系統(tǒng)實時地監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)，基于適時的在線故障檢測與診斷算法，給出系統(tǒng)的故障信息，包括故障程度、故障所屬模塊、故障位置、故障報警等。另一種是離線方式，即構(gòu)建計算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)，幫助系統(tǒng)迅速發(fā)現(xiàn)故障，制定合理有效的系統(tǒng)維修方案。

（1）基于知識的專家系統(tǒng)

建立專家系統(tǒng)診斷模塊，包括專家系統(tǒng)知識故障診斷庫，并可根據(jù)經(jīng)驗和知識的積累以及在獲得了新的、可靠的故障診斷規(guī)則時或發(fā)現(xiàn)原有某條規(guī)則不足甚至錯誤時，能自動進(jìn)行添加、修改和更新。 專家系統(tǒng)診斷模塊由知識獲取系統(tǒng)、知識庫、推理機(jī)和輸人、輸出系統(tǒng)構(gòu)成。

（2）基于規(guī)則的故障樹

利用專家知識、工程師的經(jīng)驗和知識庫建立基本故障診斷樹，并可生成新的故障診斷樹，用戶則選擇相適應(yīng)的故障診斷樹來執(zhí)行故障診斷。

故障樹分析是在復(fù)雜系統(tǒng)中作故障診斷的一種有力工具。用這種方法診斷的效率較高且不容易漏檢，例如該模塊能根據(jù)系統(tǒng)故障現(xiàn)象，逐次向下展開，查詢有關(guān)的節(jié)點和樹枝，直到找出故障的發(fā)生原因及處理對策。

（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng) B P改進(jìn)算法的模式識別

該模塊由 B P改進(jìn)算法的網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)及推理診斷等組成，主要用于完成模式識別和故障診斷。專家系統(tǒng)診斷與故障樹診斷兩種方法的相互結(jié)合，可以有效地解決過去已發(fā)生過的各種故障的診斷；但對于以前沒有發(fā)生過的故障，不具備處理能力，因為知識庫中缺乏相應(yīng)的診斷知識。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ A N N） 模式識別技術(shù)是一種較好的方案。它根據(jù)新的樣本進(jìn)行自動學(xué)習(xí)和訓(xùn)練以更新故障診斷知識，并可添加到專家系統(tǒng)知識庫中。A N N的故障初始樣本來自已有的故障實例，這些實例可通過故障機(jī)理分析或?qū)＜医?jīng)驗獲得，此外還可在應(yīng)用中逐步添加、刪除和更新。

2、故障檢測與診斷的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在的故障檢測和診斷手段嵌入了動態(tài)的控制系統(tǒng)體系，完善了檢測和診斷的技術(shù)。制定一些模型數(shù)值或者一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器測量得到的實際運行過程中的參數(shù)和由模型得到的計算值在診斷軟件中進(jìn)行對比和評估，它們之間的差值作為傳送的數(shù)據(jù)，送到故障診斷分析其中的問題，如果這個差值逐漸的增大時，就說明了這個系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性就會增加。根據(jù)檢測系統(tǒng)的分析，就會將故障的診斷結(jié)果及時傳送出去進(jìn)行顯示。這些故障診斷由輸入的數(shù)據(jù)類型、復(fù)雜程度、性質(zhì)等進(jìn)行分區(qū)，較難的診斷就會需要長時間來完成，或者由更高層次的診斷設(shè)備來完成。

暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的檢測方法。在以前，我們所用的方法就是用直接、解析和時序三種冗余法來進(jìn)行檢測。基于定量模型法在相同的情況下可以通過比較實際系統(tǒng)或者仿真的模型運行狀態(tài)來進(jìn)行檢測和診斷系統(tǒng)故障，但是在執(zhí)行的時候需要具體的、精確的數(shù)據(jù)模型來進(jìn)行檢測。還有一些基于定型模型法、基于統(tǒng)計學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模式識別法等可以對暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障來進(jìn)行檢測。

按照故障的級別和故障的優(yōu)先級不同，不同故障在不同的診斷層次上來診斷。在分布式控體系（DCS）中，駐留在不同層級上的故障診斷工主要由輸入數(shù)據(jù)的類型、性質(zhì)、復(fù)雜程度和診斷具使用的頻率來區(qū)分，復(fù)雜的、需要更多知識和能的故障診斷（如診斷周期需要一天或一個月的將由更高層次的診斷工具（或計算機(jī)）來完成，由現(xiàn)在傳感器性能的提高，大量的、低端的故障診傾向于在傳感器中就地解決。

三、結(jié)束語

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)普遍用于各建筑物之內(nèi)，得到了人們的一致好評。然而系統(tǒng)中很容易出現(xiàn)設(shè)備損壞故障，這就要求維修人員要及時對其進(jìn)行維修，保證空調(diào)系統(tǒng)的有效運行。而維修人員在進(jìn)行故障確認(rèn)時，要知道故障主要是分為哪幾類，分別通過什么方法檢測，這樣就能更好、更快速的找到故障，進(jìn)而加以維修以保證系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。 ■

參考文獻(xiàn)

[1] 陳友明.自動故障檢測與診斷在暖通空調(diào)中的研究與應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2014，03：29-33.

[2]韓琦，魏東，曹勇.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷技術(shù)研究進(jìn)展[J].暖通空調(diào)，2014，03：105-112.

[3] 王秀全.自動故障檢測與診斷在暖通空調(diào)中的研究與實踐[J].工業(yè)設(shè)計，2015，07：148-149.

[4]藍(lán)曉晨.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測與診斷研究進(jìn)展[J].科技風(fēng)，2016，02：124.

[5]陳隆.暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢測診斷技術(shù)與電氣自動化技術(shù)初探[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，06：82-83.endprint