許呈嫣，白 焰，王仁書

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

基于模糊Petri網(wǎng)的無線順序控制系統(tǒng)的故障診斷*

許呈嫣，白 焰，王仁書

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

通過分析基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的順序控制系統(tǒng)，給出它的故障傳播規(guī)則。針對(duì)模糊Petri網(wǎng)在故障診斷中的置信度模糊推理算法的不足，進(jìn)行了添加閾值判斷的改進(jìn)。運(yùn)用改進(jìn)后的模糊Petri網(wǎng)推理算法對(duì)無線順序控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，計(jì)算控制器故障發(fā)生的概率，得出其中控制邏輯重新發(fā)送概率最大，理論結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致。

模糊Petri網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；順序控制；故障診斷

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等特性在工業(yè)領(lǐng)域等方面得到了廣泛應(yīng)用。順序控制系統(tǒng)通過減少運(yùn)行人員的操作次數(shù)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，從而減少誤操作事故，有利于機(jī)組的安全運(yùn)行。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與順序控制結(jié)合起來形成的無線順序控制系統(tǒng)，在發(fā)揮原有順序控制安全運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，降低布線成本，降低能耗，易于修改重建，有很大的應(yīng)用前景。同時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性低的原因，國(guó)內(nèi)外將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)結(jié)合的研究很少，多是與智能家居、溫度檢測(cè)[1]、快速定位[2]等結(jié)合。如文獻(xiàn)[3]闡述了無線順序控制系統(tǒng)在空調(diào)遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用。在我國(guó)有一些應(yīng)用，如文獻(xiàn)[4]闡述了無線順序控制系統(tǒng)在電站化學(xué)水處理超濾系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。然而，以上研究都沒有涉及對(duì)無線順序控制系統(tǒng)的故障診斷。對(duì)于無線順序控制系統(tǒng)的故障診斷的研究多數(shù)集中于對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分故障診斷的研究，而非針對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)。提高可靠性，故障診斷是十分必要的，因此本文提出了一種針對(duì)整體無線順序控制系統(tǒng)的故障診斷方法。

Petri網(wǎng)是一種描述故障診斷產(chǎn)生和傳播的圖形化推理工具，可以和模糊推理[5,6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]、遺傳算法[7]和粗糙集[8]等結(jié)合進(jìn)行故障診斷。由于無線順序控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的故障多含有不確定信息，因此本文選擇模糊Petri網(wǎng)進(jìn)行故障診斷。

2 無線順序控制系統(tǒng)

2.1 無線順序控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無線順序控制系統(tǒng)自上而下分為三層：監(jiān)控級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)[4]，如圖1所示。

Figure 1 Structure of wireless sequence control system圖1 無線順序控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控級(jí)用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，主要包括工程師站和運(yùn)行員站，他們之間通過以太網(wǎng)連接。

控制級(jí)設(shè)備是用于執(zhí)行控制邏輯的PLC控制器，它向上通過以太網(wǎng)與監(jiān)控級(jí)相連，向下通過Profibus總線與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)相連，保證了上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)基站設(shè)備間的正常通信。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備主要包括基站、采集運(yùn)行設(shè)備工作狀態(tài)的無線DI(Digital Input)模塊和控制設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無線DO(Digital Output)模塊。上述每個(gè)模塊中都含有無線節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。為了避免過多節(jié)點(diǎn)共享信道對(duì)系統(tǒng)性能造成影響，對(duì)于每一個(gè)設(shè)備的狀態(tài)采集與指令輸出分別建立不同的無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)由相應(yīng)的基站維護(hù)并工作在不同信道?；局慌c本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2.2 無線順序控制系統(tǒng)故障分析

在無線順序控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與系統(tǒng)上層設(shè)備間的通信只能通過無線網(wǎng)絡(luò)，而無線傳輸容易受到干擾產(chǎn)生錯(cuò)誤，因此無線順序控制系統(tǒng)的故障診斷對(duì)于提高它的可靠性顯得尤為重要。一個(gè)火電廠的無線順序控制系統(tǒng)包含的設(shè)備是非常復(fù)雜多樣的，但其中的每個(gè)無線子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)卻是相似的，因此在對(duì)無線順序控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分析的時(shí)候，我們只對(duì)包含一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)整個(gè)復(fù)雜的無線順序控制系統(tǒng)故障分析可以類推。同時(shí)，我們根據(jù)現(xiàn)有情況，認(rèn)為采樣DI模塊與控制指令輸出DO模塊與基站之間是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，不考慮數(shù)據(jù)在各個(gè)無線節(jié)點(diǎn)之間的多跳傳輸情況。

一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

Figure 2 Data flow of wireless sequence control system圖2 無線順序控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

無線順序控制系統(tǒng)中的無線DO和DI模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，DO模塊由無線節(jié)點(diǎn)與回讀通道組成，DI模塊由無線節(jié)點(diǎn)與采樣通道組成，不采用內(nèi)部傳感器。

Figure 3 Structure of wireless DO module圖3 無線DO模塊結(jié)構(gòu)圖

Figure 4 Structure of wireless DI module圖4 無線DI模塊結(jié)構(gòu)圖

無線節(jié)點(diǎn)由電源模塊、CPU模塊、通信模塊和定時(shí)器模塊構(gòu)成。由于無線節(jié)點(diǎn)的用電全部來自于電源，當(dāng)電源模塊發(fā)生故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)各模塊的功能都受到影響，會(huì)造成各種性能的下降，如會(huì)使節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答、無定期信號(hào)返回和接收數(shù)據(jù)有大量誤碼等。CPU模塊故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部邏輯計(jì)算產(chǎn)生問題，也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答和無定期信號(hào)返回。通信模塊故障時(shí)，也會(huì)使得節(jié)點(diǎn)接受傳輸數(shù)據(jù)有大量誤碼。而定時(shí)器故障會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器不能按時(shí)溢出并清除標(biāo)志位，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回。當(dāng)回讀通道和采樣通道發(fā)生故障時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回。當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答時(shí)，控制器認(rèn)為控制邏輯的執(zhí)行受阻將會(huì)重新發(fā)送指令。當(dāng)節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回時(shí)，系統(tǒng)則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)已脫離網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)會(huì)在基站就地顯示該故障。當(dāng)接收傳輸數(shù)據(jù)有大量誤碼時(shí)，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)接收的和發(fā)送的信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

為保證設(shè)備接收到正確的DO指令，無線DO模塊在收到基站發(fā)送的DO指令后，在輸出DO指令的同時(shí)，也將指令回傳到基站，讓基站確認(rèn)該指令是否正確，如果不正確則基站將該指令重新發(fā)送。由上述過程可以看出，如果DO指令在傳輸過程中出錯(cuò)，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備動(dòng)作錯(cuò)誤，同時(shí)回傳的錯(cuò)誤信息會(huì)讓基站重新發(fā)送指令。如果DO指令在回傳過程中出錯(cuò)，則只會(huì)讓基站重新發(fā)送指令。

無線DI節(jié)點(diǎn)在狀態(tài)采集開始后被定時(shí)器喚醒，導(dǎo)通信號(hào)采集回路，將采集結(jié)果發(fā)送給基站，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。當(dāng)DI采樣信號(hào)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，控制器認(rèn)為控制邏輯執(zhí)行錯(cuò)誤將停止執(zhí)行。當(dāng)被控對(duì)象發(fā)生故障時(shí)，也會(huì)讓DI節(jié)點(diǎn)的采樣信號(hào)錯(cuò)誤。

基站是現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)與上層設(shè)備進(jìn)行信息交換的樞紐，通過基站可以實(shí)現(xiàn)Profibus協(xié)議和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，基站中還有無線節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護(hù)?；局饕呻娫茨K、通信模塊、CPU模塊和Profibus協(xié)議芯片構(gòu)成。電源模塊、通信模塊和協(xié)議芯片故障都會(huì)導(dǎo)致基站與監(jiān)控級(jí)之間的Profibus總線傳輸信號(hào)錯(cuò)誤，從而使控制器邏輯停止。電源模塊、CPU模塊和協(xié)議芯片的故障還可能使Profibus總線上無傳輸信號(hào)，這將導(dǎo)致監(jiān)控畫面無顯示。

綜上所述，可以得到無線順序控制系統(tǒng)故障傳播的知識(shí)庫為：

R1：if無線DO節(jié)點(diǎn)定時(shí)器故障，then無線DO節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回

R2：if無線DO節(jié)點(diǎn)CPU模塊故障，then無線DO節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答and無定期信號(hào)返回

R3：if無線DO節(jié)點(diǎn)電源模塊故障，then 無線DO節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答and無定期信號(hào)返回and返傳信號(hào)錯(cuò)誤and接收信號(hào)錯(cuò)誤

R4：if無線DO節(jié)點(diǎn)通信模塊故障，then無線DO節(jié)點(diǎn)返傳信號(hào)錯(cuò)誤and接收信號(hào)錯(cuò)誤

R5：if無線DO節(jié)點(diǎn)回讀通道故障，then無線DO節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回

R6：if被控對(duì)象故障，then無線DI節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)錯(cuò)誤

R7：if無線DI節(jié)點(diǎn)電源模塊故障，then 無線DI節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答and無定期信號(hào)返回and發(fā)送信號(hào)錯(cuò)誤

R8：if無線DI節(jié)點(diǎn)通信模塊故障，then無線DI節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)錯(cuò)誤

R9：if無線DI節(jié)點(diǎn)CPU模塊故障，then無線DI節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答and無定期信號(hào)返回

R10：if無線DI節(jié)點(diǎn)定時(shí)器故障，then無線DI節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回

R11：if無線DI節(jié)點(diǎn)采樣通道故障，then無線DI節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回

R12：if基站電源模塊故障，then Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤and Profibus總線無信號(hào)

R13：if基站通信模塊故障，then Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤

R14：if基站CPU模塊故障，then Profibus總線無信號(hào)

R15：if基站Profibus協(xié)議芯片故障，then Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤and Profibus總線無信號(hào)

R16：if無線DO節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答，then控制器邏輯重新發(fā)送

R17：if無線DO節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回，then 無線DO節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示

R18：if無線DO節(jié)點(diǎn)返傳信號(hào)錯(cuò)誤，then Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤

R19：if無線DO節(jié)點(diǎn)接受信號(hào)錯(cuò)誤，then設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作錯(cuò)誤

R20：if無線DI節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)錯(cuò)誤，then Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤

R21：if無線DI節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答，then控制器邏輯重新發(fā)送

R22：if無線DI節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回，then 無線DI節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示

R23：if Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤，then控制器邏輯停止

R24：if Profibus總線無信號(hào)，then監(jiān)控畫面無信號(hào)

3 模糊Petri網(wǎng)

3.1 模糊Petri網(wǎng)的定義

模糊Petri網(wǎng)FPN(Fuzzy Petri Net)是在一般Petri網(wǎng)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊集理論而提出的[9]。

定義1廣義的模糊Petri網(wǎng)可以被定義為一個(gè)九元組:

其中，P={p1,p2,…,pn}是有限個(gè)庫所的集合，表示模糊命題，包括規(guī)則的前提和結(jié)論。

T={t1,t2,…,tm}是有限個(gè)變遷的集合，表示模糊規(guī)則，其對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則可信度CF={μ1,μ2,…,μm}。

D={d1,d2,…,dn}是有限個(gè)命題的集合。

P∩T∩D=?,|P|=|D|。

I:T→P，是變遷到庫所的映射，代表輸入函數(shù)。I={δij} ，δij為邏輯量，δij∈{0,1}，當(dāng)pi是tj的輸入時(shí)，δij=1。當(dāng)pi不是tj的輸入時(shí)，δij=0。i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。

O:T→P，是變遷到庫所的映射，代表輸出函數(shù)。O={γij}，γij為邏輯量，γij∈{0,1}，當(dāng)pi是tj的輸出時(shí)，γij=1。當(dāng)pi不是tj的輸出時(shí)，γij=0。i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

f:T→[0,1]是從變遷到0和1之間的實(shí)數(shù)的映射，f(ti)=ui，ui∈[0,1]，ui代表變遷ti的置信度，表示該模糊規(guī)則的可信程度，U=diag(u1,u2,…,um)。

α:P→[0,1]是從庫所到0和1之間的實(shí)數(shù)的映射，代表該庫所的置信度，對(duì)應(yīng)該命題的邏輯狀態(tài)，初始狀態(tài)即為Petri網(wǎng)的初始標(biāo)示。

β:P→D是從庫所到命題之間的映射。

Λ:T→[0,1]是從變遷到0和1之間的實(shí)數(shù)的映射，Λ(ti)=λi，λi∈[0,1]，λi代表變遷ti的閾值。

定義2若變遷的輸入庫所的token值(相應(yīng)于命題的置信度)大于閾值，則該變遷可以引發(fā)，否則不能引發(fā)[5]。

即，當(dāng)α(pi)>λ(pi)時(shí)，變遷t可引發(fā)；當(dāng)α(pi)<λ(pi)時(shí)，變遷t不能引發(fā)。

3.2 用模糊Petri網(wǎng)表示模糊產(chǎn)生式規(guī)則

模糊關(guān)系式規(guī)則，主要有以下三種：

(1)ifdithendj(CF={μR})

(2)ifdi1∧di2∧…∧dinthendj(CF={μR})

(3)ifdi1∨di2∨…∨dinthendj(CF={μR})

其中，di、di1、di2、…、din、dj為模糊命題，μR是模糊規(guī)則的置信度。

用模糊Petri網(wǎng)表示上述三種規(guī)則如圖5所示。

Figure 5 Petri net of rule(1), rule (2), and rule(3)圖5 規(guī)則(1)、(2)、(3)的模糊Petri網(wǎng)表示

對(duì)應(yīng)于上述三種模糊產(chǎn)生式規(guī)則，變遷引發(fā)時(shí)相應(yīng)的輸出庫所對(duì)應(yīng)的命題為真的程度即置信度為[5]：

(1)α(dj)=α(di)×ui；

(2)α(dj)=min(α(di1),α(di2),…,α(din))×ui；

(3)α(dj)=max(α(di1)×ui1,α(di2)×ui2,…,α(din)×uin)

3.3 模糊Petri網(wǎng)中知識(shí)的推理算法

文獻(xiàn)[6]是根據(jù)MYCIN的置信度方法進(jìn)行推理計(jì)算的，其主要思想是模糊命題合取式的真值取各子式真值的最小值，模糊命題析取式的真值取各子式真值的最大值，這與3.2節(jié)中三種典型模糊規(guī)則的置信度取值相一致。但是，這種方法默認(rèn)以置信度的大小取值為推理?xiàng)l件，即沒有3.1節(jié)中的定義2，不考慮閾值條件，認(rèn)為所有變遷都可觸發(fā)。這種設(shè)定計(jì)算量大，而增加閾值條件更加符合模糊推理情況。因此，本文對(duì)此加以改進(jìn)，在原有推理基礎(chǔ)上增加了閾值判斷部分，定義了一種新的模糊Petri網(wǎng)的知識(shí)推理過程。

首先引入三個(gè)算子

⊕:a⊕b=c，a、b、c是n維向量，ci=max(ai,bi)；

?:A?e=d，A是(n×m)維向量，aij是A的第i行、第k列元素，e、d分別是m維、n維向量，di=max1≤k≤m(aik·ek)；

⊙:R⊙S=Q，R、S、Q均是(n×m)維向量，qij=rij·sij。

為了便于計(jì)算最小值，根據(jù)文獻(xiàn)[10]建議提出用算子“neg”。

具體推理算法為：

步驟1令k=0。

步驟3判斷閾值，εk=ρk⊙sign(ρk-Λ)，εk為m維向量，表示可以引發(fā)的規(guī)則變遷的前提為真的可信度。

步驟4計(jì)算αk+1=αk⊕[(O·U)?εk]。

步驟5若αk+1≠αk，令k=k+1，重復(fù)步驟2～步驟4；若αk+1=αk，推理結(jié)束。

4 基于模糊Petri網(wǎng)的無線順序控制系統(tǒng)故障診斷

根據(jù)2.2節(jié)的無線順序控制系統(tǒng)的故障傳播規(guī)則和3.2節(jié)中對(duì)應(yīng)模糊規(guī)則的模糊Petri網(wǎng)畫法，可以得到無線順序控制系統(tǒng)故障診斷的模糊推理Petri網(wǎng)，如圖6所示。

Figure 6 Fuzzy Petri net of fault diagnosis of wireless sequence control system圖6 無線順序控制系統(tǒng)故障診斷的模糊推理Petri網(wǎng)

其中對(duì)應(yīng)的庫所含義如下：

p0：DO節(jié)點(diǎn)定時(shí)器故障;

p1：DO節(jié)點(diǎn)CPU故障;

p2：DO節(jié)點(diǎn)電源故障;

p3：DO節(jié)點(diǎn)通信模塊故障;

p4：DO節(jié)點(diǎn)回讀通道故障;

p5：被控對(duì)象故障;

p6：DI節(jié)點(diǎn)電源故障;

p7：DI節(jié)點(diǎn)通信故障;

p8：DI節(jié)點(diǎn)CPU故障;

p9：DI節(jié)點(diǎn)定時(shí)器故障;

p10：DI節(jié)點(diǎn)采樣通道故障;

p11：基站電源模塊;

p12：基站通信模塊故障;

p13：基站CPU故障;

p14：基站Profibus協(xié)議芯片故障;

p15：DO節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答;

p16：DO節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回;

p17：DO節(jié)點(diǎn)返傳信號(hào)錯(cuò)誤;

p18：DO節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)錯(cuò)誤;

p19：DI節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)錯(cuò)誤;

p20：DI節(jié)點(diǎn)無詢問應(yīng)答;

p21：DI節(jié)點(diǎn)無定期信號(hào)返回;

p22：Profibus總線信號(hào)錯(cuò)誤;

p23：無Profibus總線信號(hào);

p24：DO節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示;

p25：設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作錯(cuò)誤;

p26：控制器邏輯重新發(fā)送;

p27：DI節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示;

p28：控制器邏輯停止;

p29：監(jiān)控畫面無信號(hào)。

根據(jù)圖6的Petri網(wǎng)可以得出輸入輸出矩陣如下：

設(shè)置閾值為:

Λ=(0.5,0.2,0.3,0.4,0.6,0.5,0.4,0.3,0.3,0.6,0.6,0.2,0.2,0.2,0.2,0.1,0.4,0.3,0.2,0.1,0.1,0.2,0.1,0.1);

變遷置信度為:

U=diag(1,0.7,0.9,0.7,0.7,0.7,0.9,0.7,0.7,0.8,0.7,0.7,0.7,0.8,0.8,0.7,0.7,0.8,0.7,0.9,1,0.8,1,0.9);

初始狀態(tài)為:

α0=(0.8,0,0.65,0.45,0.2,0,0.65,0.45,0,0.8,0.2,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0);

由3.3節(jié)的推理算法可以得到：

α1=(0.8,0,0.65,0.45,0.2,0,0.65,0.45,0,0.8,0.2,0,0,0,0,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.64,0,0,0,0,0,0,0,0);

α2=(0.8,0,0.65,0.45,0.2,0,0.65,0.45,0,0.8,0.2,0,0,0,0,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.64,0.526 5,0,0.409 5,0.409 5,0.585,0.512,0,0);

α3=(0.8,0,0.65,0.45,0.2,0,0.65,0.45,0,0.8,0.2,0,0,0,0,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.64,0.526 5,0,0.409 5,0.409 5,0.585,0.512,0.526 5,0);

α4=(0.8,0,0.65,0.45,0.2,0,0.65,0.45,0,0.8,0.2,0,0,0,0,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.585,0.64,0.526 5,0,0.409 5,0.409 5,0.585,0.512,0.526 5,0);

因?yàn)棣?=α3，推理結(jié)束。所有庫所的最終狀態(tài)為(0.8, 0, 0.65, 0.45, 0.2, 0, 0.65, 0.45, 0, 0.8, 0.2, 0, 0, 0, 0, 0.585, 0.585, 0.585, 0.585, 0.585, 0.585, 0.64, 0.526 5, 0,0.409 5, 0.409 5, 0.585, 0.512, 0.526 5, 0)。

由此可得，DO節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示的故障概率為0.409 5；設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作錯(cuò)誤的故障概率為0.409 5；控制器邏輯重新發(fā)送的故障概率為0.585；DI節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)，基站就地顯示的故障概率為0.512；控制器邏輯停止的故障概率為0.526 5；監(jiān)控畫面無信號(hào)的故障概率為0。

根據(jù)推理結(jié)果，可以得到控制器邏輯重新發(fā)送的概率最大，這主要是由于無線傳輸具有不穩(wěn)定性且易受干擾，因此，為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須設(shè)計(jì)可靠的無線傳輸機(jī)制，并在控制器中設(shè)置相應(yīng)的控制策略。

5 結(jié)束語

本文通過分析基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的順序控制系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的故障傳播規(guī)則。針對(duì)模糊Petri網(wǎng)在故障診斷中的置信度模糊推理算法的不足，進(jìn)行了添加閾值判斷的改進(jìn)。運(yùn)用改進(jìn)后的模糊Petri網(wǎng)推理算法對(duì)無線順序控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，得出控制器故障發(fā)生概率，其中控制邏輯重新發(fā)送概率最大，理論結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致。

本文推理過程中的初始條件是根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象推理得出，不夠精確，仍可進(jìn)一步研究。對(duì)于最終結(jié)果顯現(xiàn)的最大故障概率控制器邏輯重新發(fā)送可以從通信機(jī)制上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，降低故障率。

[1] Wang Fu-lu, Fang Jun-long, Zhang Xi-hai. Research of environmental monitoring system for greenhouse based on wireless sensor network[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2011, 42(2):59-64. (in Chinese)

[2] Wang Chao-nan,Ding En-jie,Zhou Qiang,et al. An approach to fault location of mine distribution network using wireless sensor networks[J]. Journal of Computer-aided Design&Computer Graphics, 2007, 19(3):392-397. (in Chinese)

[3] He Yang. Research and implementation of control technology for air conditioning based on wireless sensor network[D]. Wuhan:Wuhan Institute of Technology, 2012.(in Chinese)

[4] Wang Ren-shu, Bai Yan, Wang Feng-zhu, et al. Application of wireless monitoring system for ultra-filtration system of chemical water treatment in power plants[J]. Electric Power, 2012, 45(7):84-88.(in Chinese)

[5] Zong Qun, Wang Bo, Ya Shu-hong. Application of fuzzy Petri net to elevator fault diagnosis[J]. Hoisting and Conveying Machinery, 2004(4):44-48.(in Chinese)

[6] Gao Mei-mei, Wu Zhi-ming. Fuzzy reasoning Petri net and its application to fault diagnosis[J]. ACTA Automatica SINICA, 2000, 26(5):677-680.(in Chinese)

[7] Lu Jun. GA-BP adaptive weighted fuzzy Petri net for fault diagnosis[J]. Computer Simulation, 2012, 29(1):188-191.(in Chinese)

[8] Zhao Xi-lin, Liu Hui. Research of Petri net models for fault diagnosis based on rough set theory[J]. Microcomputer Information, 2008, 24(1):148-150.(in Chinese)

[9] Witold P, Fernanado G. A generalized fuzzy Petri net model[J]. IEEE Transactions on Fuzzy System, 1994, 2(4):295-301.

[10]TzafestasS,CapkovicF.Petrinet-basedapproachtosynthesisofintelligentcontrolsystemsforDEDS[M]∥Computer-AssistedManagementandControlofManufacturingSystems, 1997:523-531.

附中文參考文獻(xiàn)：

[1] 王福祿，房俊龍，張喜海. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 42(2):59-64.

[2] 王超楠，丁恩杰，周強(qiáng),等. 應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速定位礦井配電網(wǎng)故障的方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 19(3):392-397.

[3] 何楊. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空調(diào)控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 武漢：武漢工程大學(xué), 2012.

[4] 王仁書，白焰，汪鳳珠,等. 無線監(jiān)控系統(tǒng)在電站化學(xué)水處理超濾系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電力, 2012, 45(7):84-88.

[5] 宗群，王波，牙淑紅. 模糊Petri網(wǎng)在電梯故障診斷中的應(yīng)用[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械, 2004(4):44-48.

[6] 高梅梅，吳智銘. 模糊推理Petri網(wǎng)及其在故障診斷中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2000, 26(5):677-680.

[7] 盧軍. 遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷自適應(yīng)Petri網(wǎng)模型[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2012,29(1):188-191.

[8] 趙熙臨，劉輝. 基于粗糙集的Petri網(wǎng)故障診斷模型研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化), 2008,24(1):148-150.

XUCheng-yan,born in 1989,MS,her research interests include wireless sensor network, and automation.

白焰(1954-),男，遼寧沈陽人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。E-mail:By1@ncepu.edu.cn

BAIYan,born in 1954,PhD,professor,PhD supervisor,his research interest includes automation.

王仁書(1986-),男，福建福州人，博士生，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化。E-mail:Wangrenshu_1@126.com

WANGRen-shu,born in 1986,PhD candidate,his research interests include wireless sensor network, and automation.

ThefaultdiagnosisofthewirelesssequencecontrolsystembasedonfuzzyPetrinets

XU Cheng-yan,BAI Yan,WANG Ren-shu

(School of Control and Computer Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

In order to diagnose faults in the wireless sequence control system which is based on the wireless sensor network and the traditional sequence control, the system structure is analyzed and its faults transmission rules are proposed. A fuzzy reasoning mechanism with an improvement of adding threshold judgment is proposed to make up the weakness of the confidence degree method of fuzzy Petri net in faults diagnosis. The improved fuzzy petri net diagnosis method is applied on the wireless sequence control system to diagnose the controller’s fault occurrence probability. It is concluded that the control logic has the largest fault occurrence probability, which is in line with the field test result.

fuzzy Petri nets;wireless sensor network;sequence control;faults diagnosis

1007-130X(2014)08-1512-07

2012-12-11;

：2013-03-07

北京市教育委員會(huì)共建資助項(xiàng)目

TP212.9;TP277

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.015

許呈嫣(1989-),女，安徽績(jī)溪人，碩士，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化。E-mail:xuchengyandoudou@163.com

通信地址：320100 江蘇省南京市棲霞區(qū)堯新大道336號(hào)艾歐史密斯(中國(guó))熱水器有限公司

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