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[
基金项目
]
国家自然科学基金资助项目
(50375014)
教育部科学技术研究重点项目
(
重点
03024)
[
作者简介
]
高金吉
(1942
-
) ,
男
,
辽宁本溪市人
,
中国工程院院士
,
北京化工大学教授
,
博士生导师
装备系统故障自愈原理研究
高金吉
<
/p>
(
北京化工大学诊断与自愈工程研究中心
北京
100029)
[
摘要
]
装备故障可否在其运行中得到控制或自行消除
?
故障能否像人和动物的疾病一样可以“自愈”
在
系统科学的指导下
,
移植现代医学“自主调理”治疗原理
,
包括免疫、防御、代偿、自修复和适应等
,
< br>可
以用来指导研究装备自愈原理及工程应用
;
重点研究了以故障预防和消除为目标的装备系统自愈调控原理
,
为研制出具有自愈功能的新一代装备提供科学依据。
[
关键词
]
装备系统
;
故障自愈原理
;
故障自愈调控
;
诊断
;
主动控制
[
中图分类号
]TB114;
TB21
[
文献标识码
]A
[
文章编号
]1009-1742(2005
)
O5-0043-06
1
故障自愈———来自工程实践的重大课题
现代装备日趋大型化、高速化、自动化和智能化
,
特别是广泛应用于石化、冶金、电力、有色冶金等
流程工业的高速透平机械
、工业泵、风机压缩机、离心机等重大装备与生产过程紧密相连
,
形成大系统。
这类系统一旦发生故障可能导致重大事故
,
并造成巨大经济损失。从上世纪
60
年代开始
,
国际工程科技界
开发了设备
监测诊断技术
,
在工业企业逐步推行预知维修和智能维修
,
并广泛采用紧急停车连锁系统
,
这
为确保安全生产发挥了重要作用
,
取得了实效。但是
,
故障停机检修也会造成巨大的经济损失
,
启停机过
程中也可能产生新的安全隐患。
笔者提倡开发一种新的与装备故障作斗争的理论和方法
,
旨在改变仅靠紧急停车保护机器和完全靠人
来检修消除故障的传统方
法。这种理论与方法又有别于设备诊断与预知维修技术
,
是研究使装备系统具备
故障自愈功能
,
在运行中“自行”消除故障
,
而不完全是停机由人来排除故障。
工程实践表明
,
除了少数突发故障以外
,
大多数故障发生是有一个渐进过程的
,
如果早期发现
,
及时
采取恰当的措施
是完全可以防止的。造成这一问题的主要原因在于
:
在观念上
没有“防微杜渐”的超前意
识
,
从装备的设计制造到运行操作都没重视故障发生的渐进过程
,
因而错过了调控的大好时机
,
导致设备
故障的发生
;
另一个重要原因是装备尚没实现监控一体化
,
且智能化程度不够。
故障自愈原理研究和应用技术开发是十分必要的
,
其理由如下
:
1)
装备发生故障靠连锁停机或是人为停机解体检修来排除故障
,
不但减少了生产时间
,
增加了检修
费用
,
< br>而且容易在开停机过程中发生新的故障乃至事故。故障自愈是提高装备可靠度
,
确保其安全长周期
运行
,
从而降低生产成本的有效途径。
2)
现代装备越来越自动化、
智能化
,
独立完成特定任务的功能越来越强
,
对人的依赖性越来越小
,
有
的根本不可能由人去维修。如美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星车
,
在太空飞行半年之久
,
一旦有<
/p>
了故障靠人去诊断和维修是根本不可能的。
3)
设计制造的装备一般总是能在既定条件下有序稳定运行
,
但实际运行可能偏离设计条件而使装备
产生故障乃至缺陷。检修只能
在停机时消除已发现的缺陷
,
而故障自愈调控可以实时调控确
保装备在设计
的条件下运行
,
并及时消除装备在运行中新产生的并随机变化的缺陷
,
实时地抑制和消除故障苗头
,
防患
于未然。
4)
在故障自愈原理指导下
,
可以将与故障作斗争提前到设计阶段
,
应用嵌入式技术和智能材料开发
监控一体化的装备
,
可使设备诊断技术与主动控制技术密切结合
,
研制具有故障自愈功能的新一代装备。
2
故障自愈是工程科学发展的必然
[1-5]
如图
1
所示
,
从人类的疾病史和治疗史的角度来看
,
人的疾病已有
300
万年历史
,
而真正
< br>意义上的医疗活动不过万年左右
,
这说明人类历史有
99
%
以上的时间是“缺医少药”的
,
而人类并没有被
疾病征服和消灭
, <
/p>
靠的就是生命的自组织机制
,
是机体对内
外环境复杂作用地防御、
调节、
适应的机制和能
力
,
是机体对自身所发生的异常
(
病变
)
自主地调节、
恢复到正常值并保持稳定的机制和能力。
不难看出
,
人
与疾病作斗争的历史是在漫长的完全依靠“自愈”之后<
/p>
,
逐步产生“治愈”的
,
形成至今两种方式并存的
局面。
从
1781
年瓦特发明蒸汽机到
1800
年广泛用于工业化生产至今
,
仅有
200
多年历史。和人与疾病作
斗争的方式相反
,
人与故障作斗争主要是靠“治愈”,
即机器出了故障要停机由人来检修。
中国古代思想家老子讲“道法自然”, 就是说世间一切事物必然遵循客观规律。在人与
故障
和与疾病作斗争的过程中能否遵循共同的规律
,
能否在治愈的基础上创造和发展装备故障自愈功能
,
这是
在理论上值得探讨的重要课题。
按照耗散结构理论
,
宇宙中的各种系统
,
不论是有生命的和无生命的
,
实际上
无一不是与周
围环境有着相互依存和相互作用的开放系统。因而
,
运行的装备和人一样
,
都是开放系统
,
两者并无严格
界限。
运行中的“活机器”不是远离而是靠近乃至符合耗散结构的三个
基本条件
:
其一
,
机器是开放系统
;
其二
,
机器在运行时
,
不是简单的热力学平衡系统
,
而是与
外界有物质、能量和信息交换的动态的有序稳
定系统
,
与外界的交换并不能使机器瓦解
;
其三
,
机器存在非线性的相互作用。
在生命过程中
,
离开自身及其环节上的各种控制便没有生命。广义地说
,
世间各种事件的因
果关系都是控制。就是说
,
追求和保持那些合目的的状态
,
避免和消除那些不合目的的状态
,
这个过程就
是实施控制。显然
,
机器无故障运行和人健康地活着一样
,
都应该是控制的目标之一。众所周知
,
工程控
制论
(Cybernetics)
是工程中产生和发展起来的
,
它的一
些理论和规律同样也适用于生物。这说明人工装
备和有生命的人可能遵循某些共同的规律
。这就为移植和借鉴现代医学与疾病作斗争的理论和方法
,
开
展
与装备故障作斗争的理论和方法的研究提供了科学依据。
医学上认为“自主调理是治疗学的第一原理”,保持健康的根本点不在于那种宏观的稳定状<
/p>
态
,
而在于调节控制那些建立和保持这
种状态的具体机制。疾病的痊愈终归还得依靠人体的自愈能力
,
包
括免疫、防御、代偿、自修复和适应等。这些都可以用来指导研究装备自愈调控原理
,
研制出装备的自愈
系统。该系统可
在装备运行中测试分析可能产生故障的条件及早期故障征兆
,
采用诊断预测、智能决策和
主动控制方法使装备系统不具备产生故障的条件或自行将故障
消除在萌芽中。现代医学已经向修理机器学
习
,
更换人的心脏、
肾等零部件了
,
工程上也应借鉴移植现代医学的“自主调理”治疗原理
,
以故障预防和
消除为目标
,
研究重大装备复杂系统自主调控原理及其在工程上的应用
,
实现故障在装备运行中的“自
愈”。
3
故障自愈技术的现状和未来
[6-14]
近年来
,
装备的故障自愈技术在国内外已有应用或正在开发中
,
列举如下
:
高速离心压缩机、透平机、
航空发动机转子和高速精密磨床、加工中心主轴的自动平衡
(auto
balancer)
技术
;
机器的关
键部件损坏可
在运行中自修复
,
如在柱塞泵的润滑油中注入润滑
-
修复剂
,
在运行中修复已磨损的轴承
或摩擦副等
;
离
心压缩机的防喘振控制
系统
;
集散控制系统
(DCS)
的热后备智能切换系统
;
基于自愈机制的军
事卫星通信系
统。
迄今为止
,
对故障自愈技术的应用研究还处于起步阶段
,
往往仍局限于某一个专业技术的范
围内
,
如主动平衡系统和自修复技术主要是机械工程技术
,
防喘振系统是属于工艺上的控制与调节
,
集散
控制系统的热后备智能切换属于过程的测控系统
, <
/p>
而基于自愈机制的军事卫星通信系统完全属于信息技
术。综合相关
交叉学科和不同专业技术集成的自愈技术还没有形成。特别是有关故障自愈的科学理论研究
在国内外学术界还没有引起重视。因而
,
应用故障自愈原理
在研究和设计阶段就指导新一代装备的研制还
远没有开始。
在系统论的指导下
,
打破传统的专业壁垒
,
借鉴和移植现代医学“自主调理”治疗原理
,
应
用现代非线性动力学等理论
,
集成状态监测诊断技术、人工智能技术、主动和自适应控制技术、嵌入式计
< br>算机技术等
,
研究以故障预防和消除为目标的装备自主调控和自修复技术
,
使装备具备故障自愈功能
,
完
全有可能大幅度减少故障停机。
重大装备系统故障自愈是预防故障和减免维修的减灾增效工程
,
是用信息技术改造传统制造
业和促进信息行业大发展的必然趋势
,
是涉及到多学科交叉的前沿技术和涉及到多专业、多部门的
系统工
程。至今国内外还没有大力倡导、开发和推广
,
因而应用范围还很小
,
成效还不显著。因此
,
有必要调研<
/p>
国内外装备故障自愈技术开发及应用现状和发展趋势
,
研究故障自愈的理论和关键技术
,
为
提高我国技术
装备安全保障和经济运行水平提供科学依据。
4
故障自愈原理研究的主要内容
4
.
1
故障自愈原理
[1,6,9]
医学上
认为“自主调理是治疗学的第一原理”,保持健康的根本点不在于那种宏观的稳定状态
,
而在
于调节控制那些建立和保持这种状态的具体机制。疾病的痊
愈终归还得依靠人体的自愈能力
,
包括免疫、
防御、代偿、修复和适应等。这些“自愈能力”在工程科技领域已经并必将得到越来越广泛的应用
,
如图
2
所示。
笔者借鉴医学的自愈原理重点研究在现代装备中建立故障自愈机制的理论和方法。首先要研究装
< br>备与有生命的机体的异同以及与故障作斗争和与疾病作斗争遵循的共同规律。
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