1.1.2 系统故障诊断技术的目的与任务

故障诊断技术是一门综合性技术，不仅与诊断对象的性能和运行规律密切相关，而且涉及多门学科，如现代控制理论、可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号处理、模式识别和人工智能等。设备故障诊断的任务是监测设备的状态并判断其是否正常，预测和诊断设备的故障并消除故障，指导设备的管理和维修。

1.状态监测

状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其是否处于正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态进行报警，以便运行人员及时处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和基础数据。

设备的状态通常可分为正常状态、异常状态和故障状态3种情况。

（1）正常状态：指设备的整体或局部没有缺陷，或虽有缺陷，但其性能仍在允许的限度内。

（2）异常状态：指缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生一定程度的变化，设备性能已劣化，但仍能工作，此时应注意设备性能的发展趋势，即设备应在监护下运行。

（3）故障状态：指设备性能已大幅下降，设备已不能正常工作。设备的故障状态有严重程度之分，包括已有故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障、设备尚可勉强“带病”运行的一般功能性故障、设备不能运行必须停机的严重故障、已导致灾难性事故的破坏性故障及由于某种原因瞬间发生的突发性紧急故障等。

对应不同的状态，应有不同的报警信号，一般用指示灯的颜色加以区分，绿灯表示正常，黄灯表示预警，红灯表示报警。对于设备状态演变的过程，应进行记录，包括对灾难性破坏事故的状态信号的存储、记忆，俗称“黑匣子”记录，以利事后分析事故原因。

2.故障诊断

故障诊断的任务是根据状态监测所得的信息，结合已知的结构特性、参数、环境条件，以及设备的运行历史（包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等），对设备可能发生的或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的后果及趋势，提出阻止故障继续发展和消除故障的对策并加以实施，最终使设备恢复正常状态。故障诊断包括如下4个方面的内容。

（1）故障建模。按照先验信息和输入输出关系，建立系统故障的数学模型，作为故障检测与诊断的依据。

（2）故障检测。从可测或不可测的估计变量中，判断运行的系统是否发生了故障，一旦出现意外变化，就发出报警。

（3）故障分离与估计。如果系统发生了故障，则给出故障源的位置，确定故障原因是执行器、传感器或被控对象出现了问题还是发生了特大扰动等。故障估计是指在弄清故障性质的同时，计算故障程度、大小及故障发生时间等参数。

（4）故障分类、评价与决策。判断故障的严重程度，以及故障对系统的影响和发展趋势，针对不同的工况采取不同的措施（包括保护系统的启动）。

设备上不同部位、不同类型的故障会引起设备功能的不同变化，导致设备整体及各部位状态和运行参数的不同变化。故障诊断的任务就是当设备上某一部位出现某种故障时，从相关状态及其参数的变化中推断出导致这些变化的故障及其所在部位。由于状态参数数量极大，所以，必须找出其中的特征信息并提取特征量，才能对故障进行诊断。由某一故障引起的设备状态的变化称为故障的征兆。故障诊断的过程就是根据已知征兆判定设备上存在的故障的类型及其所在部位的过程。因此，故障诊断方法本质上是一种状态识别方法。

故障诊断的困难在于，故障和征兆之间不存在简单的一一对应关系：一种故障可能对应多种征兆，一种征兆也可能对应多种故障。例如，旋转机械转子的不平衡故障导致振动增大，其中对应转速的工频分量占比较大，是其主要征兆，同时还存在一系列其他征兆。反过来，工频分量占比较大这一征兆不是不平衡的特有征兆，还有许多其他故障也对应这一征兆，这就为故障诊断增加了难度。因此，通常故障诊断有一个反复试验的过程：首先，按已知信息提取征兆，进行诊断，得出初步结论，提出处理对策，对设备进行调整和试验，甚至停机维修；然后，启机进行验证，检查设备是否已恢复正常。如尚未恢复，则需要补充新的信息，进行新一轮的诊断和提出处理对策，直至状态恢复正常。

3.管理和维修指导

设备管理和维修方式的发展经历了3个阶段，即从早期的事后维修（Run-to-Breakdown Maintenance）发展到定期预防维修（Time-based Preventive Maintenance），现在正向视情维修（Condition-based Maintenance）发展。定期预防维修可以预防事故的发生，但可能出现过剩维修或不足维修的情况。视情维修是一种更科学、更合理的维修方式，但其有赖于完善的状态监测和故障诊断技术，这也是国内外近年来对故障诊断技术非常重视的一个原因。随着我国故障诊断技术的进一步发展和实施，我国的设备管理、维修工作将上升到一个新的水平，工业生产的设备完好率将进一步提高，恶性事故将进一步得到控制，经济建设将更健康地发展。