装备系统故障自愈原理研究精要.doc

[基金项目] 　国家自然科学基金资助项目 ; 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(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, 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)?? O5-0043-061 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, 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, 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, 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