現(xiàn)場控制儀表的故障診斷與補(bǔ)償容錯控制系統(tǒng)

周國定

（金東紙業(yè)（江蘇） 股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

一般的過程控制系統(tǒng)基礎(chǔ)層往往包含90%以上的常規(guī)控制回路，回路之間又存在關(guān)聯(lián)耦合現(xiàn)象，一旦局部某一控制回路發(fā)生故障 (例如，傳感器故障或者閥門故障)，導(dǎo)致控制回路發(fā)生波動，性能退化，故障通過回路之間關(guān)聯(lián)傳遞機(jī)制傳播到相關(guān)回路，其性能也被退化，致使整個(gè)廠級控制系統(tǒng)出現(xiàn)波動，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，能耗上升，重則導(dǎo)致廠級控制系統(tǒng)癱瘓，發(fā)生安全事故。這時(shí)往往都是現(xiàn)場工程師通過對故障現(xiàn)象分析，準(zhǔn)確定位控制回路，并經(jīng)過維護(hù)消除故障，整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

1 故障現(xiàn)象的合理描述

工業(yè)過程目前絕大部分己采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，且以計(jì)算機(jī)控制的可靠性可以達(dá)到較高水平，隨之而來的問題是執(zhí)行器和傳感器可靠性的不足。實(shí)際上，傳感器和執(zhí)行器的故障已成為導(dǎo)致控制系統(tǒng)失效的主要原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%控制系統(tǒng)失效，起因于傳感器和執(zhí)行器故障。然而，傳統(tǒng)控制理論的研究大多都是基于傳感器和執(zhí)行器工作正常的假設(shè)。因此，研究傳感器和執(zhí)行器的故障檢測和容錯控制問題有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。另一方面，目前大部分故障容錯控制研究中廣泛采用了“二狀態(tài)故障模型”，雖然這種描述可以簡化故障診斷和容錯控制的研究，但這種描述不能很好的反映實(shí)際的工程系統(tǒng)中所發(fā)生的故障現(xiàn)象。

2 故障的處理措施

2.1 電源故障的處理措施

電源故障較易造成現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng)的癱瘓，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在處理過程中，技術(shù)人員可以從UPS 系統(tǒng)入手，設(shè)計(jì)旁路柜用于支持220VAC 供電的穩(wěn)定性和安全。在實(shí)際生產(chǎn)中，技術(shù)人員應(yīng)盡量避免齊納型安全柵的使用，同時(shí)避免兩個(gè)回路附帶在同一塊安全柵上，以此確保儀表接地性能良好和工作電壓的足夠。此外，在工作中盡量選用220VAC 進(jìn)行供電，確保不同供電儀表之間的安全間距，而plc 和儀表的24VDC 供電必須和電壓等級為24VDC 的中間繼電器分開，否則會因?yàn)槔^電器的電源部分故障嚴(yán)重影響儀表控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 DCS 系統(tǒng)和PLC 故障處理措施

DCS 系統(tǒng)和PLC 是現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。目前有效避免硬件和軟件問題產(chǎn)生，好的途徑是增加一套冗余系統(tǒng)，當(dāng)一套系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可以后備可以無縫的切換上去，包括CPU、運(yùn)行程序、通訊等等，如紙機(jī)流程系統(tǒng)控制、地鐵運(yùn)行控制上均采用多通道冗余系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。安全PLC 的運(yùn)行，在硬件回路中設(shè)計(jì)帶有自檢功能，若出現(xiàn)故障，CPU 可以自行判斷分析，輸出報(bào)警代碼，是硬件回路問題，還是通道問題，還是PLC 本地故障等等，方便故障判斷和維修。

2.3 儀表本身故障的處理措施

在現(xiàn)場儀表控制系統(tǒng)中，隨著自動化設(shè)備理念的普及和完善，不僅僅分析儀表，若流量、壓力、液位、濃度等檢測性儀表，在硬件和軟件的設(shè)計(jì)時(shí)，均帶入簡單的自我分析檢測、報(bào)警輸出等功能，而這些以前是在PLC 或DCS 中進(jìn)行分析的，這樣的設(shè)計(jì)更方便人員現(xiàn)場監(jiān)控，同時(shí)儀表自身帶有通訊協(xié)議，DH+、profibus 等等，使得數(shù)據(jù)傳輸更加方便。

3 主動補(bǔ)償容錯控制方法的設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)閉環(huán)控制層

這一層主要由傳感器、執(zhí)行器、信號轉(zhuǎn)化和控制器組成的常規(guī)控制回路組成。在流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，這一層常采用集散控制系統(tǒng)、可編程控制器或計(jì)算機(jī)直接控制等。一般的過程控制系統(tǒng)基礎(chǔ)層往往包含90%以上的常規(guī)控制回路，回路之間存在著關(guān)聯(lián)耦合現(xiàn)象。一旦局部的控制回路發(fā)生異常 (如調(diào)節(jié)閥/傳感器發(fā)生故障)，導(dǎo)致波動，由于系統(tǒng)關(guān)聯(lián)傳遞機(jī)制，可能整個(gè)系統(tǒng)會出現(xiàn)廠級范圍波動。

3.2 基于多模型的故障檢測診斷與容錯控制層

本層的在線智能故障容錯控制方法采用一個(gè)單獨(dú)的故障檢測模塊、故障診斷模塊、主動補(bǔ)償容錯控制模塊。

1） 故障的檢測模塊，采用一個(gè)成本有效的保守故障檢測與診斷方案。故障檢測模塊采用加權(quán)移動平均殘差和自適應(yīng)閾值包絡(luò)的保守故障檢測方法。檢測模塊根據(jù)正常行為模式，周期性地檢測系統(tǒng)的“健康”狀態(tài)。

2） 基于多殘差動態(tài)描述的故障診斷模塊，根據(jù)不同的故障模式在過程操作單元和控制回路之間故障傳播的途徑不同，可設(shè)“多殘差描述故障特征”。即根據(jù)可測量的變量信號和控制信號以及故障信號在閉環(huán)系統(tǒng)中的傳播途徑，建立多個(gè)操作單元或控制回路的數(shù)學(xué)模型。通過系統(tǒng)測量值與模型估計(jì)值之間形成多殘差描述。

3） 主動容錯補(bǔ)償調(diào)節(jié)模塊，一個(gè)控制策略協(xié)調(diào)器平行置于歷史故障容錯補(bǔ)償調(diào)節(jié)控制庫和正?？刂破髦g。在線過程監(jiān)控時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)目前運(yùn)行狀況，控制策略可能來源于下述三種控制方式之一：正常控制器（對應(yīng)正常運(yùn)行工況）、歷史故障調(diào)節(jié)控制器（對應(yīng)于歷史故障情況） 和在線智能調(diào)節(jié)控制器（對應(yīng)于未知故障情況）。在這種模式下，系統(tǒng)正常采用正常控制策略，當(dāng)系統(tǒng)檢到故障，故障診斷模塊診斷故障的類型與大小，如果判斷是歷史故障，則相應(yīng)的歷史故障補(bǔ)償容錯控制器被切換到當(dāng)前控制。

3.3 人機(jī)監(jiān)督管理層

人機(jī)監(jiān)督管理層主要功能包括：報(bào)警系統(tǒng)、緊急停車和人機(jī)對話功能。工程師和管理人員可以通過權(quán)限修改相關(guān)指令，例如:控制目標(biāo)的變化，參數(shù)的整定等操作，并與智能調(diào)節(jié)器相聯(lián)結(jié)。如果系統(tǒng)診斷出當(dāng)前故障屬于未知故障，系統(tǒng)發(fā)出警告，監(jiān)督層密切注意生產(chǎn)狀況，緊急切斷電源，防止不曾預(yù)計(jì)的未知故障帶來災(zāi)難性的后果。

4 結(jié)語

隨著過程控制系統(tǒng)的自動化程度以及復(fù)雜程度不斷提高，故障檢測、診斷與容錯控制成為現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。建立了多種傳感器故障和執(zhí)行器故障 (閥門故障) 合理描述形式，使其更加貼近于工業(yè)實(shí)際情況；研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的多種故障模式下的快速故障檢測診斷方法。