周國(guó)定

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

一般的過(guò)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(mén)故障)，導(dǎo)致控制回路發(fā)生波動(dòng)，性能退化，故障通過(guò)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(jí)控制系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)，輕則導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，能耗上升，重則導(dǎo)致廠級(jí)控制系統(tǒng)癱瘓，發(fā)生安全事故。這時(shí)往往都是現(xiàn)場(chǎng)工程師通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象分析，準(zhǔn)確定位控制回路，并經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)的問(wèn)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(cè)和容錯(cuò)控制問(wèn)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(cuò)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(jiǎn)化故障診斷和容錯(cuò)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(chǎng)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(guò)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(jí)為24VDC 的中間繼電器分開(kāi)，否則會(huì)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(chǎng)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(wèn)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(wèn)題，可以后備可以無(wú)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(wèn)題，還是通道問(wèn)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(chǎng)儀表控制系統(tǒng)中，隨著自動(dòng)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(cè)性儀表，在硬件和軟件的設(shè)計(jì)時(shí)，均帶入簡(jiǎn)單的自我分析檢測(cè)、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(chǎng)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(dòng)補(bǔ)償容錯(cuò)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(hào)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(guò)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(guò)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(dòng)，由于系統(tǒng)關(guān)聯(lián)傳遞機(jī)制，可能整個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)廠級(jí)范圍波動(dòng)。

3.2 基于多模型的故障檢測(cè)診斷與容錯(cuò)控制層

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

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

2） 基于多殘差動(dòng)態(tài)描述的故障診斷模塊，根據(jù)不同的故障模式在過(guò)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(cè)量的變量信號(hào)和控制信號(hào)以及故障信號(hào)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(guò)系統(tǒng)測(cè)量值與模型估計(jì)值之間形成多殘差描述。

3） 主動(dòng)容錯(cuò)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(cuò)補(bǔ)償調(diào)節(jié)控制庫(kù)和正常控制器之間。在線過(guò)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(lái)源于下述三種控制方式之一：正常控制器（對(duì)應(yīng)正常運(yùn)行工況）、歷史故障調(diào)節(jié)控制器（對(duì)應(yīng)于歷史故障情況） 和在線智能調(diào)節(jié)控制器（對(duì)應(yīng)于未知故障情況）。在這種模式下，系統(tǒng)正常采用正?？刂撇呗裕?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(cuò)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(duì)話功能。工程師和管理人員可以通過(guò)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(lái)災(zāi)難性的后果。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著過(guò)程控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度以及復(fù)雜程度不斷提高，故障檢測(cè)、診斷與容錯(cuò)控制成為現(xiàn)代過(guò)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(mén)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(dòng)的多種故障模式下的快速故障檢測(cè)診斷方法。