抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型

魏臻珠, 蔣建東, 王洪亮, 楊海波

(1. 鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001； 2. 安陽(yáng)供電公司 河南 安陽(yáng) 455002； 3.衛(wèi)輝市電業(yè)局 河南 衛(wèi)輝 453100)

0 引言

抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行靈活，具有削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、備用等多項(xiàng)功能，近些年來(lái)得到了迅速發(fā)展.由于設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜、運(yùn)行工況多、啟停頻繁、振動(dòng)部位廣泛等方面的原因，抽水蓄能機(jī)組出現(xiàn)故障的可能性比常規(guī)機(jī)組更大一些.目前在工業(yè)領(lǐng)域故障診斷與狀態(tài)維修模型的研究已經(jīng)取得了較多的成果[1-3]，而對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修模型的研究還很少.大多只是針對(duì)抽水蓄能機(jī)組某方面故障提出一些診斷方法和理論[4-5].文獻(xiàn)[6]建立了抽水蓄能機(jī)組故障診斷的Petri網(wǎng)模型，但沒有建立狀態(tài)維修的模型，也沒有給出Petri網(wǎng)建模過程中 “狀態(tài)組合爆炸”問題的解決方法.

本文首先介紹了Petri網(wǎng)的推理方法.針對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障部位和故障現(xiàn)象較多及其具有多層次性的特點(diǎn)，提出了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的分解與分層方法.解決了Petri網(wǎng)模型隨著變遷和庫(kù)所數(shù)量增多復(fù)雜度增大，求解速度降低，甚至出現(xiàn)“狀態(tài)組合爆炸”的問題.在此基礎(chǔ)上，給出了知識(shí)的提取與知識(shí)庫(kù)的建立方法及故障診斷與狀態(tài)維修Petri網(wǎng)模型的實(shí)現(xiàn)步驟，最后以轉(zhuǎn)子模塊為例建立了其故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型.

1 Petri網(wǎng)的矩陣表示方法

圖1 Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Petri Nets structure diagram

基本Petri網(wǎng)是由節(jié)點(diǎn)和邊組成的有向圖，如圖1所示.節(jié)點(diǎn)分為兩類：變遷T(transition)和庫(kù)所P(place).在圖中，變遷用畫線表示，庫(kù)所用圓圈表示，邊用有向線段表示.變遷表示四通八達(dá)的狀態(tài)改變，庫(kù)所表示系統(tǒng)發(fā)生變化的條件，變遷和庫(kù)所通過邊建立起聯(lián)系.通過邊指向變遷的庫(kù)所稱為輸入庫(kù)所，邊指向的庫(kù)所稱為輸出庫(kù)所.

可以用矩陣來(lái)更清晰地表示Petri網(wǎng)模型，假定一個(gè)Petri網(wǎng)由m個(gè)庫(kù)所，n個(gè)變遷構(gòu)成，則可以定義如下的網(wǎng)絡(luò)描述矩陣：

設(shè)Petri網(wǎng)的初始標(biāo)識(shí)狀態(tài)為M(m)，則有

(1)

P=V∩R.

(2)

網(wǎng)絡(luò)中可發(fā)射的變遷發(fā)射之后,網(wǎng)絡(luò)新的標(biāo)識(shí)狀態(tài)M′可用(3)式計(jì)算,

(3)

(1)～(3)式中的加、乘、與分別為邏輯加、邏輯乘和邏輯與.

2 抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)建模方法

2.1 模型的分解與分層

抽水蓄能機(jī)組故障部位和故障現(xiàn)象較多，利用Petri 網(wǎng)直接進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)維修建模會(huì)出現(xiàn)矩陣維數(shù)過高，降低故障診斷和狀態(tài)維修效率和實(shí)時(shí)性的問題.為了減少關(guān)聯(lián)矩陣的維數(shù)，利用Petri 網(wǎng)的并發(fā)特性，根據(jù)抽水蓄能機(jī)組不同部件的故障往往關(guān)聯(lián)性較小的特點(diǎn)，將抽水蓄能機(jī)組按照組件分解為轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過流部件5個(gè)模塊分別建立并行的Petri網(wǎng)模型.

針對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的多層次性，為了便于建模和理解，降低其復(fù)雜性和矩陣的維數(shù).將Petri網(wǎng)模型按照功能不同分為2層：第1層為故障診斷層，第2層為狀態(tài)維修層.

2.2 知識(shí)的提取與表示方法

知識(shí)的提取是故障診斷與狀態(tài)維修的重要內(nèi)容，直接影響著系統(tǒng)的性能.本文通過對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障征兆、故障原因與狀態(tài)維修方案等信息進(jìn)行加工、整理、挑選、概括等過程完成知識(shí)提取.

Petri網(wǎng)不關(guān)心系統(tǒng)變化的過程，僅關(guān)心變化的條件及變化發(fā)生后對(duì)系統(tǒng)的影響，其推理方法可歸結(jié)為if-then結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生式規(guī)則.用Petri網(wǎng)的一個(gè)變遷的輸入庫(kù)所表示規(guī)則的前提部分，輸出庫(kù)所表示規(guī)則的結(jié)論部分.輸入事實(shí)或信息與一命題相匹配用庫(kù)所中的一個(gè)令牌來(lái)表示.如果一個(gè)變遷所有的輸入庫(kù)所都有一個(gè)令牌，那么此變遷是可發(fā)射的，并將令牌傳送到它的所有輸出庫(kù)所.推理輸出一個(gè)結(jié)論就相當(dāng)于在相應(yīng)的Petri網(wǎng)中由相關(guān)事實(shí)或信息得到網(wǎng)絡(luò)的初始標(biāo)識(shí)狀態(tài)，并通過一系列變遷的發(fā)射將令牌傳播到其后的庫(kù)所中得到網(wǎng)絡(luò)新的標(biāo)識(shí)狀態(tài)，與命題相關(guān)的Petri網(wǎng)模型輸出庫(kù)所的令牌就是命題的結(jié)論.

本文采用從機(jī)組故障征兆到設(shè)備故障原因，再到狀態(tài)維修方案的產(chǎn)生式規(guī)則來(lái)進(jìn)行知識(shí)的表示、知識(shí)庫(kù)的組織與推理的建立.即將每條知識(shí)表示成if<故障征兆> ，then<故障原因> ，then<狀態(tài)維修方案>這種通用形式.例如：if<振動(dòng)方向?yàn)閺较騛nd特征頻率為基頻and軸心軌跡為橢圓or振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加而增加較明顯>，then<轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心>，then<轉(zhuǎn)子除垢，進(jìn)行修復(fù)，按技術(shù)要求對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡>.

根據(jù)這種模式對(duì)抽水蓄能機(jī)組故障征兆、故障原因與狀態(tài)維修方案進(jìn)行提取和規(guī)則化表示后，形成抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修知識(shí)庫(kù).

2.3 故障診斷與狀態(tài)維修Petri網(wǎng)模型的實(shí)現(xiàn)步驟

在完成知識(shí)的提取與知識(shí)庫(kù)的建立后，進(jìn)行故障診斷與狀態(tài)維修Petri網(wǎng)模型的建立由以下幾個(gè)步驟完成.

步驟1根據(jù)if-then結(jié)構(gòu)規(guī)則化處理后的每條故障診斷與狀態(tài)維修知識(shí)分別建立轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)架結(jié)構(gòu)、推力軸承、過流部件各個(gè)模塊的Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu).

步驟2確定Petri模型中每一層的狀態(tài)，寫出每一個(gè)初始庫(kù)所對(duì)應(yīng)的故障征兆、故障原因或設(shè)備狀態(tài)以及狀態(tài)維修方案，確定Petri網(wǎng)模型故障診斷層和狀態(tài)維修層輸入和輸出庫(kù)所的初始標(biāo)識(shí)Mn.

步驟3由當(dāng)前標(biāo)識(shí)Mn根據(jù)變遷規(guī)則求出變遷點(diǎn)火序列，若有Ti(Ti表示一個(gè)或多個(gè)變遷)能夠點(diǎn)火，則轉(zhuǎn)向步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟5.

步驟4變遷Ti點(diǎn)火后，新的標(biāo)識(shí)Mn+1可以按照變遷點(diǎn)火規(guī)則求出，轉(zhuǎn)步驟3.

步驟5取最后的標(biāo)識(shí)為系統(tǒng)結(jié)果狀態(tài)，從該標(biāo)識(shí)判斷目標(biāo)庫(kù)所是否包含令牌，若含有令牌，則說明有故障原因和狀態(tài)維修方案輸出.

下面以轉(zhuǎn)子模塊為例，說明抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的建立方法.

3 轉(zhuǎn)子故障診斷和狀態(tài)維修Petri模型的建立

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)整理出轉(zhuǎn)子常見故障原因、故障征兆和維修方案，如表1所示.

表1 轉(zhuǎn)子常見故障原因、征兆和維修方案Tab.1 Normal rotor fault, symptoms and maintenance scheme

根據(jù)表1形成規(guī)則知識(shí)時(shí)，首先要對(duì)其進(jìn)行整理和刪減.比如矢量區(qū)方面的故障征兆，由于對(duì)其狀態(tài)界定比較困難，且不是主要故障征兆.“振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加而增加”在所有故障征兆中都含有，它對(duì)故障診斷的決策不起決定作用，應(yīng)在故障征兆中予以刪除.然后按照知識(shí)的邏輯關(guān)系分別形成如下幾個(gè)規(guī)則:

規(guī)則1

if，then；if，then.

其中,p0為機(jī)組當(dāng)前狀態(tài)允許進(jìn)行維修；p1為振動(dòng)方向?yàn)閺较?；p3為特征頻率為基頻；p7為軸心軌跡為橢圓；p11為轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心；p16為轉(zhuǎn)子除垢，進(jìn)行修復(fù)，按技術(shù)要求對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡.

規(guī)則2

if，then；if，then.

其中,p10為有較大的沖擊性振動(dòng)；p12為轉(zhuǎn)子部件缺損；p17為修復(fù)轉(zhuǎn)子，重新動(dòng)平衡；正確操作.

規(guī)則3

if，then；if ，then.

其中,p2為振動(dòng)方向?yàn)檩S向；p4為振動(dòng)信號(hào)中含有二倍頻；p6為振動(dòng)波形非正弦；p9為開機(jī)時(shí)振動(dòng)較大；p13為轉(zhuǎn)子弓形彎曲；p18為正確存放轉(zhuǎn)子，科學(xué)管理校直轉(zhuǎn)子，按技術(shù)要求進(jìn)行動(dòng)平衡.

規(guī)則4

if，then；if ，then.

其中,p14為轉(zhuǎn)子臨時(shí)彎曲；p19為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)90°后重新啟動(dòng)；按技術(shù)要求調(diào)整軸系轉(zhuǎn)子對(duì)中量，重新對(duì)中.

規(guī)則5

if，then；if，then.

其中,p5為振動(dòng)信號(hào)中含有三倍基頻；p8為軸心軌跡為雙環(huán)橢圓；p15為轉(zhuǎn)子不對(duì)中；p20為轉(zhuǎn)子冷態(tài)對(duì)中時(shí)，考慮到熱態(tài)不對(duì)中變化量；按技術(shù)要求調(diào)整軸系轉(zhuǎn)子對(duì)中量，重新對(duì)中.

根據(jù)以上規(guī)則，形成轉(zhuǎn)子故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)模型，如圖2所示.

圖2 轉(zhuǎn)子故障診斷與狀態(tài)維修Petri網(wǎng)模型Fig.2 The Petri nets model for rotor fault diagnosis and maintenance on conditions

在圖2中，p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,p10為故障征兆庫(kù)所集合，每個(gè)庫(kù)所對(duì)應(yīng)一種故障征兆，其中令牌的有無(wú)表示是否有該故障征兆，由機(jī)組信息決定，對(duì)應(yīng)于故障診斷層的輸入；p16,p17,p18,p19,p20為故障原因庫(kù)所集合，每個(gè)庫(kù)所對(duì)應(yīng)一種給定的故障原因，其中令牌的有無(wú)表示是否為該類型的故障，對(duì)應(yīng)于診斷層的輸出；p11,p12,p13,p14,p15為元件狀態(tài)庫(kù)所集合，對(duì)應(yīng)于元件的目前狀態(tài)，其中令牌的有無(wú)表示是否有具有該狀態(tài)，由元件維修歷史和目前狀態(tài)確定；p11,p12,p13,p14,p15和p16,p17,p18,p19,p20共同構(gòu)成狀態(tài)維修層的輸入.p21,p22,p23,p24,p25為狀態(tài)維修方案庫(kù)所集合，其中令牌的有無(wú)表示是否有該狀態(tài)維修方案輸出，對(duì)應(yīng)于狀態(tài)維修層的輸出.變遷t1,t2,t3,t4,t5用來(lái)表示診斷層故障征兆與故障原因間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；變遷t6,t7,t8,t9,t10用來(lái)表示狀態(tài)維修層故障原因、機(jī)組狀態(tài)與維修方案間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

該模型第1層故障診斷層的輸出矩陣O1(m,n)、輸入矩陣I1(m,n)和第2層狀態(tài)維修層的輸出矩陣O2(m,n)、輸入矩陣I2(m,n)分別為：

4 結(jié)論

本文介紹了Petri網(wǎng)基本知識(shí)，提出了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修Petri模型的分解與分層方法，有效地降低了Petri網(wǎng)模型的維數(shù)，提高了問題的求解速度，避免了可能出現(xiàn)的“狀態(tài)組合爆炸”問題.給出了模型的知識(shí)提取與表示方法及其實(shí)現(xiàn)步驟，完成了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修的Petri網(wǎng)建模.該模型利用圖形語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能機(jī)組故障診斷與狀態(tài)維修系統(tǒng)的分析與建模，具有簡(jiǎn)單直觀，準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn).

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