自动故障检测与诊断在暖通空调中的研究与实践

王秀全

摘 要：本文简单阐述了暖通空调中的自动检测故障及其诊断，故障发生的原因及诊断方法，了解了常用的故障检测的优点和缺点。说明了暖通空调行业中的自动故障检测的现状和应用情况，并且做出了相应的总结。

关键词：自动故障检测 ；诊断 ；暖通空调 ；研究与实践

暖通空调因为安装条件和运行发生变化，再加上长时间的运行，在其性能上会呈衰退状态。自动故障检测及其诊断可以进行实时监测暖通空调的运行和优化参数，可以进行故障报警、诊断和隔离，还可进行系统性的评估和维护，所以其能够降低暖通空调的能源消耗，延长暖通空调的使用寿命，防止发生问题。近年来，故障监测与诊断技术发展迅速，比如航天、化工、炼油等领域。其中，故障检测与诊断技术在暖通空调的领域也得到了很好的应用和发展，采用自动故障检测与诊断能够优化暖通空调运行，有利于降低建筑能量消耗，有利于提高其经济性；同时它还能够提高舒适性和用户的健康条件，增加可靠性和经济性。

1 自动故障检测与诊断的流程和故障

故障诊断能够了解到暖通空调系统失效的原因，故障诊断的流程分为：故障检测，检查系统情况；识别故障，出现异常的情况分析原因；故障评价，系统失常程度和影响程度；故障决策，根据故障结果来进行存在和恢复的情况。故障的恢复包括两种，硬故障恢复和软故障恢复。硬故障恢复指的是停机后用维修的方法来恢复故障，软故障恢复并不是依靠维修排除故障，而是修改设定值或者读数来恢复故障。

按照严重的程度能够分为硬故障和软故障，硬故障指的是完全失效的器件故障，比如阀门堵塞、风机不能正常运转、传感器读数完全失效等。硬故障存在突发性，属于大故障范围，它很容易被检测到。软故障指的器件部分失效或者其性能下降，比如阀门泄露，传感器出现偏差现象，风机盘管出现结垢现象，软故障存在渐变性，不容易被检测到。所以说，软故障要比硬故障更加严重。

按照故障器件的不同能够分为元件故障和传感器故障，风机、水阀、制冷剂和水泵等属于元件故障，传感器故障是传感器出现偏差或失效的故障。在暖通空调中存在温度传感器，压力传感器和流量传感器等故障。故障分类通常不是孤立的，而是交织起来的。在同个系统中，能够存在硬故障、软故障、元件故障、传感器故障，因此故障具有复杂性。

2 自动故障检测与诊断的研究进展

2.1 国外自动故障检测和诊断技术的发展

国外的暖通空调系统的故障特点：涉及范围广，各种诊断故障门类齐全；研究技术早，国外的各种故障检测和诊断交流较活跃；诊断故障的软件很多；暖通空调故障诊断系统和别的专业有很大的联系，比如自动控制，计算机等。

（1）对自动故障检测与诊断技术的调查研究进展。国外重点调查过检测的统计方法，解决了残差的问题；运用多种状态检测定位部件故障；总结某些基本故障中的检测方法等研究。

（2）故障的检测及其性能能够影响到研究的进展。以前的自动故障检测和诊断技术都需要使用人工方法来研究性能。比如使用阀门的开度来研究管路的阻力，有少数的研究涉及到故障对系统的性能影响。

（3）故障修复频率及其成本的研究。关于暖通空调系统分析故障原因的文献很少，因此对此有过最广泛的研究。

（4）暖通空调设备中自动故障检测与诊断技术的研究。自动故障检测与诊断技术一开始只是应用于制冷设备，但由于考虑到微处理器和设备成本，大量的科研者开始投入到这个領域。

2.2 国内自动故障检测与诊断技术的发展

国内有关于很多检测诊断的书籍论文，但都偏向于对结霜融霜控制，缺乏对优化运行和故障诊断的研究，利用计算机仿真技术来进行预测和监视。

（1）对性能的控制、优化和故障诊断的研究。

总结制冷系统中常见的故障机器，并通过常规知识来进行验证；依据现有知识建立故障标准模式；提出方程组封闭性、稳定状态检测等问题的解决方法；采用人工神经网络方法来进行故障检测与诊断；采用神经网络智能方法来解决问题；暖通空调系统的性能优化，并进行实验解决一些问题。

（2）对传感器故障诊断的研究

传感器的自动故障检测与诊断的内容很少，因此陈友明教授对此进行实验，分析了其研究现状和应用情况，并且采用PCA方法进行建模，对四类传感器进行了检测与诊断。

3 自动故障检测与诊断的研究现状

对暖通空调的自动故障检测与诊断开始于1980年，很多学家对其进行了大量的研究。在元件和子系统方面的故障检测进行了更加深入的研究。目前在传感器故障诊断上进行了一些研究：利用精神网络法检测和诊断AHU的传感器故障，并且采用回归模型恢复其送风温度；利用制冷机系统来停止诊断故障；利用神经网络诊断恢复送风流量传感器和新风流量传感器，实现容错控制；采用直接求解方法来实现恢复传感器故障；利用读数进行故障检测。

4 故障诊断的方法

故障诊断中最常用的方法是直接方法和间接方法。

直接方法就是将空调系统中的输入参数和输出参数当做故障，将其输入分类器中；分类器根据制定好的策略来进行故障分类，诊断出故障结果。分类器设计是直接方法的关键，分类器设计方法包括故障树、神经网络、专家规则和贝叶斯分类法。

间接方法需要在正常条件的系统情况、和已知的故障来进行建立系统模型，利用建立的系统模型来进行实时预测，将预测到的参数同实际测量到的参数的偏差，来进行故障分类。间接方法包括回归法、物理原理法、神经网络和模糊逻辑法。它的分类方法和直接方法相同，唯一不同之处就是建立模型的方法不同。因此要减少模型误差，以此来提高诊断故障的准确性和可靠性。

5 自动故障检测与诊断在暖通空调中的应用

如今故障检测与诊断在暖通空调中和制冷系统中有了很好的发展，且收到广泛的应用。早期的故障诊断工具一般都是手提式诊断器，当维修人员要进行设备维修的时候，用手提式诊断器来检查系统故障。手提式诊断器的优点在于一台机器可以诊断检测多种系统，所以手提式诊断器需要配置的传感器的精度需要很高。它的缺点在于不能在线进行检测和诊断，诊断出来的结果是一种静态检测结果，而不能反映动态检测的结果。因此出于可靠性和安全性考虑，在此基础上嵌入故障诊断和保护系统，设备的开启和停止能够起到保护的作用。

比如制冷系统的压力超过上限的时候，保护系统认为有故障了便会自动停止运行。因此需要保证设备的使用寿命，还能够保护到设备和工作人员的安全。但是保护系统智能对较大的故障问题进行检测和诊断，如果系统的运行状态出现恶化的情况就无法进行检测了。而且在初期故障发生的时候，并不能及时检测到，会造成能源上的巨大消耗。

然后使用暖通空调的人员开始从节约能源和舒适度进行开率，开发适用于系统故障诊断方法。比如将故障诊断供热系统的系统应用到城市供暖方面，此类诊断系统能夠及时诊断出设备运行情况，对其进行实时监控和故障诊断，能够更好的保证室内舒适度，还能够节约资源，但是，在时间和方法上，系统还是不太完善，它只能够适用于特定系统内。

目前，对暖通空调系统的自动故障检测与诊断的研究仍然处于理论研究阶段和方法研究阶段。经济社会的迅速发展、日益转变的社会服务模式，人们越来越需要对暖通空调系统自动故障检测与诊断技术，随着科学技术的发展，会有更加完善的技术产生。

6 故障诊断的发展方向

目前，自动故障检测与诊断技术受到限制的关键性问题是故障检测及其诊断的技术性因素和经济性因素。空调系统属于复杂的高度非线性系统，很难找到简单易行和转却可靠的方法。前面文中已然提到了很多方法，但是他们中都存在或多或少的缺点问题，而且自动故障检测与诊断技术费用问题也限制其发展，因此自动故障检测与诊断技术应该加强3个方面的研究。

（1）理论研究和方法研究需要加强。寻找的故障诊断方法要具有以下的特性，使用性广、简单性和理解性；因此要加强对暖通空调系统的故障检测和诊断的研究。

（2）加强系统的可靠性研究。加强对故障诊断系统的可靠性，还要减少其错误，因为如果经常出现错误问题，操作员会认为该技术没用，而关掉系统。因此系统根本起不到任何作用，因此要加强可靠性。

（3）加强系统的经济性研究。加强自动故障检测和诊断系统的经济效益分析，清楚的了解到该系统的好处；降低对该系统的成本费用，诊断方法要利用系统本身的器件，而不要增加更多的元件。

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