暖通空調(diào)系統(tǒng)故障預(yù)測維護(hù)與設(shè)備管理自動化

   摘    要　　文章針對傳統(tǒng)設(shè)備管理模式下存在的問題，闡述了現(xiàn)代設(shè)備管理狀態(tài)監(jiān)控和設(shè)備故障狀態(tài)維修的必要性。分析了暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)故障的特征，并就建立故障檢測與診斷系統(tǒng)的方法、實現(xiàn)步驟、相關(guān)技術(shù)等進(jìn)行了探討。
        關(guān)鍵詞　 故障特征 故障診斷 故障預(yù)測 設(shè)備狀態(tài) 設(shè)備管理
        故障隨著智能建筑的興起，建筑內(nèi)設(shè)備數(shù)量和復(fù)雜性都顯著增加，日常配件消耗、維修費(fèi)用明顯上升。由于建筑的復(fù)雜性和多樣性，也使中央空調(diào)系統(tǒng)的故障診斷和處理更加困難。因此，只有采用先進(jìn)的設(shè)備管理技術(shù)，才能確保設(shè)備的正常運(yùn)行，避免重大事故的發(fā)生。
        在傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式中，往往要有明顯跡象表明設(shè)備性能變差時才去確定這臺設(shè)備是否應(yīng)該檢修，或根據(jù)規(guī)程已經(jīng)到了大修期限，才著手組織大修。這樣就存在以下問題：一是其運(yùn)轉(zhuǎn)情況無法統(tǒng)計準(zhǔn)確；二是本可不必大修解決的問題拖到了故障累積成必須大修的程度，導(dǎo)致設(shè)備維修費(fèi)用升高。傳統(tǒng)的維修思路是：當(dāng)設(shè)備不能正常工作甚至無法工作后才去尋找故障并維修。這樣做的結(jié)果，首先是設(shè)備停止運(yùn)行，影響了正常服務(wù)，其次是故障往往不僅是部件問題，甚至到了必須更換整套設(shè)備的地步，使得維修成本巨增；三是維修工作被動，變成“頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”，工作緊張，配件消耗多，設(shè)備性能差。
        按老辦法管理，由于建筑設(shè)備的分散性和復(fù)雜性使設(shè)備工程師勞動強(qiáng)度增大，維護(hù)質(zhì)量跟不上需要。那種靠填寫值班日志、抄表記錄、出現(xiàn)報警信號后才去排除故障的人工方法顯然已經(jīng)不能適應(yīng)新的形勢。雖然新的系統(tǒng)有了類似黑匣子之類的自動數(shù)據(jù)記錄器，但這也只能作為事后分析的依據(jù)。
        在智能建筑中大量采用了空調(diào)系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備，它們規(guī)模龐大、設(shè)備復(fù)雜，在設(shè)備管理和維修方面的花費(fèi)也較大。當(dāng)某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，設(shè)備可能在東，電源又可能在西，因此維護(hù)人員可能要跑遍整個建筑去排除故障，即使找到了故障所在的設(shè)備間，往往又是一大堆不同系統(tǒng)的設(shè)備，擺在同一狹小的空間里，要迅速確定故障所在并加以排除也不是一件輕松的事。這種困難在智能建筑中尤其突出，如果設(shè)備常出故障及維護(hù)困難，將在很大程度上影響到這些建筑的聲譽(yù)。另外，如果配件儲備不夠，需要臨時組織貨源（尤其是進(jìn)口配件），也會延長維修時間。
        國外有一些公司已經(jīng)開發(fā)了一些設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，我國對此也很重視，并將積極開展設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)放在了重要的科研位置，而且已取得了一些成績。例如：某煤炭工業(yè)公司，利用油液狀態(tài)監(jiān)測對設(shè)備潛在故障進(jìn)行了成功預(yù)報，幾年來為企業(yè)節(jié)約資金８０多萬元；某自來水公司采用設(shè)備數(shù)據(jù)采集分析管理系統(tǒng)，在主要設(shè)備上選點(diǎn)監(jiān)測，經(jīng)過幾年實踐，采集了大量數(shù)據(jù)，已初步探索出設(shè)備故障的診斷標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測故障的經(jīng)驗，成功地發(fā)現(xiàn)了幾起故障隱患，通過設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)測有效地實現(xiàn)了設(shè)備的狀態(tài)維修，不僅保證了設(shè)備正常運(yùn)行，而且還降低了運(yùn)行維修費(fèi)用。
        國外早在８０年代就已經(jīng)非常重視對設(shè)備管理的研究，某些技術(shù)已應(yīng)用于實際工程。目前，在美國，面積５０００ｍ２以上的商業(yè)建筑大多已經(jīng)采用了設(shè)備管理自動化系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在日常的空調(diào)、消防、保安、照明等方面已經(jīng)給設(shè)備工程師帶來了極大的便利。而我國的設(shè)備管理手段相對比較落后，很多設(shè)備處于人工值守狀態(tài)，管網(wǎng)設(shè)施主要依靠人工管理和維護(hù)。這不僅要求工作人員有豐富的經(jīng)驗，還要求他們一直處于高度警覺狀態(tài)，所以勞動強(qiáng)度是很大的。即使這樣，某些故障是很難避免的。因此，積極開展設(shè)備管理理論和方法的研究具有重大意義，它能最大限度地提高管理效率，并保證機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行，降低管理成本。
        １ ＨＶＡＣ系統(tǒng)常見故障特征分析及故障分類
ＨＶＡＣ系統(tǒng)是由管道連接各種空調(diào)設(shè)備而組成的一個相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個部件出現(xiàn)故障，則會影響其它部件的工作，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的特性。例如：在蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，如果冷凍水泵出現(xiàn)故障，則單位時間通過蒸發(fā)器的水量減小，蒸發(fā)溫度及蒸發(fā)壓力降低，壓縮機(jī)的壓縮比升高，功耗增加，系統(tǒng)的ＣＯＰ值下降，嚴(yán)重時會損壞壓縮機(jī)。這說明故障具有關(guān)聯(lián)與傳遞的特征。
由于ＨＶＡＣ系統(tǒng)的故障具有傳遞性，一個部件出現(xiàn)故障會影響其它部件的正常工作，會引起多個參數(shù)的變化，所以有時就很難判斷到底故障的位置在哪里，也很難分清哪些是原因性數(shù)據(jù)，哪些是結(jié)果性數(shù)據(jù)，使故障診斷變得復(fù)雜。
        雖然ＨＶＡＣ系統(tǒng)非常復(fù)雜，但也是由不同層次的子系統(tǒng)組成的。比如：冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、制冷劑系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。所以，發(fā)生的故障總是隸屬于某一層次，在這一層次中，總有一個或幾個特征參數(shù)的變化與之相對應(yīng)。例如：在采用風(fēng)冷冷凝器的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，如果冷凝器中的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，它就隸屬于冷凝系統(tǒng)，則會引起通過冷凝器盤管的風(fēng)量及冷凝器的出風(fēng)溫度發(fā)生變化，風(fēng)量和出風(fēng)溫度即是這一故障的特征參數(shù)（又稱為原因參數(shù)）。利用故障的這一特性，我們可以提出診斷模型，并對原因參數(shù)和結(jié)果參數(shù)進(jìn)行分類，從而實現(xiàn)對故障的正確診斷。這說明故障具有層次性與參數(shù)對應(yīng)性的特征。
        空調(diào)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障很多，也很復(fù)雜，根據(jù)不同的特征，可將它們進(jìn)行分類歸納。根據(jù)故障顯現(xiàn)的程度，可分為顯性故障和隱性故障。如：風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)、導(dǎo)線脫落這種易察覺的故障屬于顯性故障；換熱器結(jié)垢、制冷劑滲漏等不易察覺的故障屬于隱性故障。根據(jù)故障對系統(tǒng)造成影響的程度，可分為軟故障和硬故障。如：風(fēng)機(jī)停機(jī)、電機(jī)燒毀等使設(shè)備完全失效的故障為硬故障；閥門關(guān)閉不嚴(yán)、儀表漂移設(shè)備性能下降等故障為軟故障。根據(jù)故障發(fā)生的時間長短，可分為突發(fā)性故障和漸進(jìn)性故障。另外，根據(jù)故障發(fā)生的部位，可分為機(jī)械性故障、空氣處理過程或設(shè)備及空氣分布部分的故障、配電和自動控制部分的故障等。
        ２ 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能化監(jiān)測和設(shè)備管理的自動化
        鑒于以上情況，傳統(tǒng)的設(shè)備管理模式早已不能適應(yīng)智能建筑發(fā)展的要求，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)測維修和設(shè)備主動式智能化管理已迫在眉睫。目前，樓宇自動化系統(tǒng)（ＢＡＳ）已經(jīng)能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場輸入／輸出、控制站、操作員站和工程師站之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，利用集成網(wǎng)絡(luò)所提供的技術(shù)，能快速而便利地傳遞和控制數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)之間提供界面。這種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)形式利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，集數(shù)據(jù)采集、分析和控制為一體，非常適合于智能建筑的設(shè)備管理與控制。它采用現(xiàn)行通信系統(tǒng)中行之有效的、已定義好的協(xié)議服務(wù)，可以容易實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的對等通訊，使系統(tǒng)設(shè)計大大簡化。而按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計的節(jié)點(diǎn)還可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同產(chǎn)品間的互聯(lián)。這種全新的現(xiàn)場總線構(gòu)建形式為分散的建筑設(shè)備提供了互操作和開放的控制網(wǎng)絡(luò)。
        帶遠(yuǎn)程診斷的智能設(shè)備管理模式是更高級的管理模式。根據(jù)異常的工況或變壞的運(yùn)行特性，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)能根據(jù)若干征兆群，確定特定故障的概率，并對設(shè)備的維修計劃、維修時間表、維修方案等作出決策。
        大力開展基礎(chǔ)研究，逐漸完善設(shè)備管理系統(tǒng)。設(shè)備診斷技術(shù)涉及數(shù)學(xué)、電子、計算機(jī)、信號處理等多學(xué)科，加強(qiáng)設(shè)備診斷監(jiān)測技術(shù)的研究，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)診理論，開發(fā)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備、儀器，收集研究并制定各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)（正常工況和故障數(shù)據(jù)庫），研究故障機(jī)理和診斷分析技術(shù)，開展?fàn)顟B(tài)診斷（故障預(yù)測）工作，編制診斷、監(jiān)測程序和相關(guān)分析應(yīng)用軟件，提供設(shè)備狀態(tài)信息等方面。
        系統(tǒng)集成是分布式設(shè)備管理的關(guān)鍵。信息技術(shù)本身將隨高科技不斷發(fā)展，智能化設(shè)備管理的未來許多應(yīng)用將是建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，并且要求有良好的人機(jī)交互能力和多維信息處理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在設(shè)備管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，能實現(xiàn)真正的智能化管理，它是一個能對分布式計算機(jī)環(huán)境實施前期預(yù)報管理和智能管理的解決方案。它能夠同時自動分析、監(jiān)控數(shù)以千計的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。通過神經(jīng)智能系統(tǒng)可以查找潛在設(shè)備故障，給最終用戶提供自動化建議，優(yōu)化多供應(yīng)商環(huán)境中的設(shè)備應(yīng)用服務(wù)水平，使系統(tǒng)監(jiān)控、管理功能更強(qiáng)。
計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為ＨＶＡＣ設(shè)備自動診斷系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的條件。將計算機(jī)實時檢測分析用于設(shè)備管理，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中管理、集中分析。要實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理，必須應(yīng)用遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)。根據(jù)異常的工況，或變壞的運(yùn)行特性，通過計算機(jī)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，確定出征兆與故障產(chǎn)生之間的概率，并對設(shè)備的故障檢測、故障診斷、維修計劃、維修時間、維修方案等做出決策。
        設(shè)備管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是應(yīng)用軟件的開發(fā)。能處理上萬個實時數(shù)據(jù)的大型系統(tǒng)，開放性和集成性成為這類系統(tǒng)的最大特征。樓宇控制系統(tǒng)的一體化集成具有系統(tǒng)集成、功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成和軟件界面集成等特點(diǎn)。它是把多個功能單一的控制器通過通信技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一個系統(tǒng)。
        為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)備管理控制中心的計算機(jī)可采用主、備機(jī)的冗余形式，備機(jī)和主機(jī)不一定裝在一起，可通過局域網(wǎng)互聯(lián)，并使備機(jī)處于熱備狀態(tài)。主控室內(nèi)常設(shè)置智能模擬屏和大屏幕投影儀，直觀地顯示數(shù)據(jù)。智能屏上有詳細(xì)的管網(wǎng)圖，實時數(shù)據(jù)由位于各管道相應(yīng)位置的智能顯示窗顯示出來。一般在這種規(guī)模的系統(tǒng)中還配備維護(hù)工作站、監(jiān)控工作站等操作站，它們也互聯(lián)成局域網(wǎng)。控制這個系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)實際上就是正在研發(fā)的設(shè)備管理專家系統(tǒng)。
        ３ 建立設(shè)備故障檢測與診斷系統(tǒng)的一般步驟
        ３．１ 分析并確定各故障對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)
        當(dāng)某一故障發(fā)生時，總有一些相關(guān)參數(shù)與之對應(yīng)。相關(guān)參數(shù)可能很多，通過統(tǒng)計和必要的研究后，根據(jù)相關(guān)程度的高低篩選出有足夠建立故障模型的參數(shù)組。掌握了這些相關(guān)參數(shù)之后，才能利用這些數(shù)據(jù)來建立故障數(shù)據(jù)庫及相關(guān)的故障模型。
        ３．２ 采集相關(guān)參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立故障數(shù)據(jù)庫
        空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時，各個參數(shù)都有其正常的波動范圍，如果參數(shù)波動超出這一范圍，就可能發(fā)生了某種故障。通過前述理論分析或?qū)嶒炑芯浚呀?jīng)能夠找出各故障對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)，再將這些相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立其形成某種故障的數(shù)據(jù)模型。當(dāng)這些參數(shù)波動超出其正常范圍，則就對應(yīng)某一種故障。單純故障的模型比較容易建立，建立多種故障的模型則比較困難，但它也是以單純故障模型為基礎(chǔ)的。數(shù)據(jù)采集是建庫的基礎(chǔ)工作，是一項有相當(dāng)難度的研究工作，一般都在實驗室中進(jìn)行，主要通過仿真方式獲得。當(dāng)然，也不排除從真系統(tǒng)中得到的寶貴數(shù)據(jù)，甚至從災(zāi)難性事故記錄回放中取得的教訓(xùn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集來的有關(guān)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)先與正常狀態(tài)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，如果屬于正常數(shù)據(jù)，則采集系統(tǒng)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)不正常，則進(jìn)行分類、分析、統(tǒng)計、存檔，以便于故障診斷時調(diào)用。現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集以及實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫信息的存儲，是監(jiān)測系統(tǒng)和報表管理系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)性工作，是長遠(yuǎn)性工作，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的增長，系統(tǒng)本身獲得的“經(jīng)驗”也是逐步積累的。
        ３．３ 建立識別系統(tǒng)
        建立了故障模型數(shù)據(jù)庫后，就要將采集來的數(shù)據(jù)與故障模型數(shù)據(jù)庫對應(yīng)起來，并判斷出與采集來的數(shù)據(jù)最為接近的模型，經(jīng)分析軟件判斷出故障名稱。這就涉及到模型識別的問題，也即數(shù)據(jù)分類方法，就是采用什么分類方法將采集來的數(shù)據(jù)歸為模型數(shù)據(jù)庫中的某一類。
常用的分類方法有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、貝葉司（Ｂａｙｓ）法、理論選擇（ｒｕｌｅ－ｂａｓｅｄ）法、統(tǒng)計模型法、模糊識別法等。不同的分類方法有不同的特點(diǎn)，所以在選擇時要根據(jù)故障數(shù)據(jù)的不同特點(diǎn)選擇合適的方法，以提高識別效率和準(zhǔn)確度。
        ３．４ 對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練和改進(jìn)
        編制具有學(xué)習(xí)功能的系統(tǒng)軟件，利用專家知識對系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)的性能逐步提高，最后達(dá)到預(yù)期效果。例如，實現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的重要環(huán)節(jié)之一就是要求系統(tǒng)本身能自動獲取設(shè)備故障的征兆。開發(fā)應(yīng)用軟件時，從一開始就必須重視數(shù)據(jù)庫的建立完善的故障數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)的成功應(yīng)用起著重要的作用。
        ４ 應(yīng)用
        在空調(diào)系統(tǒng)停機(jī)、啟動和穩(wěn)定工作時，各參數(shù)的正常波動范圍不同，而且不同故障在不同的運(yùn)行階段所呈現(xiàn)的明顯程度也不同，所以，可以將檢測模型分為三個模型，即停機(jī)模型、啟動模型和穩(wěn)定運(yùn)行模型。
停機(jī)模型在空調(diào)系統(tǒng)晚間停機(jī)時啟用，可用于檢測各傳感器是否正常，電壓是否正常，空調(diào)主機(jī)中各種壓力、油溫、油位是否正常等。也即做啟動前的檢查，若發(fā)現(xiàn)問題，就及時排除。
啟動模型適用于空調(diào)系統(tǒng)從開機(jī)到開機(jī)后約１５分鐘這一時間段，主要檢測與制冷劑流量有關(guān)的故障，如，制冷劑是否有泄漏、制冷劑管路是否堵塞等。這是因為制冷劑的故障流量特征曲線與正常流量特征曲線在這段時間內(nèi)差別最明顯。穩(wěn)定運(yùn)行模型主要用于檢測在空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的故障。
        ５ 結(jié)束語
        設(shè)備管理和設(shè)備運(yùn)行對保證建筑的正常使用都同樣重要。現(xiàn)代化的管理也需要現(xiàn)代化技術(shù)的支持，設(shè)備管理系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用無疑將推進(jìn)智能化建筑的發(fā)展，它對保證設(shè)備正常運(yùn)行、設(shè)備故障迅速修復(fù)和設(shè)備故障預(yù)防都有十分重要的意義。除此之外，開發(fā)高品質(zhì)的設(shè)備管理系統(tǒng)，還可以節(jié)約能源，提高勞動效率，創(chuàng)造明顯的社會效益。設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用最終可大幅度下降，在經(jīng)濟(jì)上是十分合算的。把設(shè)備故障和事故隱患解決在萌芽狀態(tài)，既可避免重大事故發(fā)生，又可保證設(shè)備正常運(yùn)行，還能降低運(yùn)行成本。ＨＶＡＣ系統(tǒng)的故障檢測及診斷技術(shù)是建筑設(shè)備領(lǐng)域中的一個新課題，其中涉及多個學(xué)科的知識，既需要有空調(diào)、制冷方面的專業(yè)知識，又需要計算機(jī)、自動控制方面的知識，還需要管理學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)知識。目前，這一技術(shù)的應(yīng)用還有很多問題值得探討，也還有不少技術(shù)難題沒有解決。但是，無論從經(jīng)濟(jì)角度還是從整個建筑的性能來考慮，都應(yīng)積極開展ＨＶＡＣ系統(tǒng)故障檢測及診斷技術(shù)的研究。
        現(xiàn)代設(shè)備管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是通過應(yīng)用故障診斷技術(shù)，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)作出維修計劃，使設(shè)備維修和維護(hù)做到有的放矢。以科學(xué)化、數(shù)字化的設(shè)備狀態(tài)管理模式代替以往模糊的、感官化的經(jīng)驗型設(shè)備管理模式。設(shè)備智能化管理將為業(yè)主、用戶、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員帶來極大的利益。先進(jìn)的設(shè)備管理技術(shù)是降低運(yùn)行成本、節(jié)省能源和保障系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。設(shè)備是智能建筑中配置的重要資源，因此，提高設(shè)備的可靠性對提高設(shè)備的效率、保證居住者利益、降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的意義。＆