首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司鋼軋作業(yè)部 劉順東 陳明瀟

現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化，最重要的一點(diǎn)是大量先進(jìn)傳感器的應(yīng)用，能夠采集生產(chǎn)現(xiàn)場各種所需設(shè)備和工藝信息數(shù)據(jù)，為自動控制系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)來源，而自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到系統(tǒng)中傳感器可靠性的影響和制約很大。因此，能夠快速發(fā)現(xiàn)和判斷出自動化控制系統(tǒng)中的傳感器故障具有非?，F(xiàn)實(shí)的實(shí)際意義。利用各種傳感器對生產(chǎn)過程中采集的各種工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)整，使現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備工作在穩(wěn)定可靠的狀態(tài)或最佳的狀態(tài)，生產(chǎn)制造出的產(chǎn)品達(dá)到最佳的品質(zhì)。因此傳感器在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用占據(jù)著極其重要的地位，現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)檢測是否準(zhǔn)確，將直接影響到自動化控制系統(tǒng)的控制精度和功能的實(shí)現(xiàn)。一旦傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤或異常，將直接造成自動控制功能的失敗，嚴(yán)重會造成生產(chǎn)線的設(shè)備損壞或停產(chǎn)故障。

本文采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)對系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、識別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器自身故障，利用容錯控制策略，來提高自動控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 傳感器重要組成和故障介紹

傳感器按照檢測原理來劃分，主要由以下幾部分組成：將被測量進(jìn)行準(zhǔn)確感知的敏感元件、由于接收敏感元件信號的轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出的變換電路以及為上述部位提供動力的輔助電源，如圖1所示：

由于傳感器內(nèi)部封裝有電子元件，而且有些傳感器安裝現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，高溫潮濕、震動大，傳感器容易受到溫度、環(huán)境等因素影響造成自身的信號產(chǎn)生不穩(wěn)定；傳感器長時(shí)間工作在上述惡劣的環(huán)境下，很容易出現(xiàn)異常問題，如老化、斷線等，這樣就會導(dǎo)致傳感器檢測輸出信號出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的傳感器檢測狀態(tài)出現(xiàn)異常。這樣檢測狀態(tài)出現(xiàn)異常的傳感器將無法準(zhǔn)確及時(shí)的對被監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行檢測，最后自動化控制系統(tǒng)將失去穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)來源而導(dǎo)致控制失敗，造成控制功能異常，進(jìn)而發(fā)生產(chǎn)線堆鋼等現(xiàn)象，嚴(yán)重的會造成軋線設(shè)備的損壞。

一旦出現(xiàn)了部分傳感器發(fā)生故障，為了避免傳感器檢測信號反饋異常造成的設(shè)備控制失敗問題，故障傳感器就要及時(shí)準(zhǔn)確的被系統(tǒng)識別，通過自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的保護(hù)，并能進(jìn)行有效的診斷和隔離，采用容錯控制技術(shù)，使有傳感器或無傳感器的設(shè)備能夠穩(wěn)定、安全、可靠地運(yùn)行。

因此，對傳感器狀態(tài)監(jiān)測與故障后，相應(yīng)的自動控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定控制是非常重要的，這就涉及到兩個重要方面，一是傳感器狀態(tài)異常異常后故障識別問題；二是在故障識別后的容錯機(jī)制和相應(yīng)的穩(wěn)定控制方法，即容錯控制。自動化控制系統(tǒng)只有做到了傳感器狀態(tài)信號異常信息及時(shí)有效的識別后，再依據(jù)識別后的異常信號采用相應(yīng)的容錯機(jī)制，就能夠增加整個控制系統(tǒng)的容錯性和穩(wěn)定可靠性，降低損失，對自動化產(chǎn)線穩(wěn)定生產(chǎn)起到安全性保障。

2 傳感器狀態(tài)監(jiān)測與故障識別

傳感器設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是確保傳感器信號的準(zhǔn)確性，通過對傳感器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，來判斷其是否正常，進(jìn)一步預(yù)測診斷設(shè)備故障并排除故障；通過傳感器自身狀態(tài)的有效監(jiān)測，自動控制監(jiān)測系統(tǒng)能夠識別和確定現(xiàn)場傳感器自身的運(yùn)行狀態(tài)，采用各種判別方法如：測試、測量、監(jiān)測等手段，結(jié)合傳感器運(yùn)行的歷史狀態(tài)和目前實(shí)際情況，考慮到傳感器工作環(huán)境因素的影響，來有效的評估現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行情況，綜合判斷出傳感器狀態(tài)是否正?；虍惓?，并顯示和記錄狀態(tài)，對異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，為傳感器設(shè)備狀態(tài)的故障分析、性能評估、合理使用提供有效的信息和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。傳感器狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的核心是利用先進(jìn)的現(xiàn)場傳感器技術(shù)，通過有效的監(jiān)測手段，來對傳感器檢測輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把數(shù)據(jù)結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，提取特征信息，識別故障，給出科學(xué)、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的防治措施或維修方案。

傳感器狀態(tài)監(jiān)測的目的是根據(jù)控制系統(tǒng)對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測判斷，并結(jié)合已經(jīng)掌握提煉的故障狀態(tài)特征和設(shè)置參數(shù)、外在工藝條件，查詢傳感器設(shè)備本身的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，來有效的預(yù)測、分析和判斷設(shè)備可能存在的故障，以確定傳感器數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠。輕微故障通過聲光報(bào)警來提示故障的發(fā)生及其后果。維護(hù)人員可以根據(jù)告警信息，提前采取有效措施，進(jìn)一步開發(fā)和排除故障，最終使設(shè)備恢復(fù)正常狀態(tài)。嚴(yán)重的故障，會判斷影響程度并結(jié)合多數(shù)據(jù)信號冗余切換控制來實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定控制。

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要分為三部分：現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳感器狀態(tài)的監(jiān)測和傳感器自身故障診斷（如圖2所示），上述三者之間的關(guān)系可以描述如下：“現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集是保證傳感器狀態(tài)正確監(jiān)測和診斷的前提和基礎(chǔ)，傳感器狀態(tài)的監(jiān)測是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能的擴(kuò)展和自動實(shí)現(xiàn)，也是傳感器自身故障診斷的前提和基礎(chǔ)；傳感器自身故障診斷是傳感器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，三者相輔相成，最終構(gòu)成一個完整的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。”

數(shù)據(jù)采集部分的任務(wù)包括：模擬量信號和開關(guān)量的采集、信號的預(yù)處理、濾波限幅以及單位轉(zhuǎn)換等。

狀態(tài)監(jiān)測部分的任務(wù)是在前端數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過使用現(xiàn)場多個傳感器數(shù)據(jù)資源，結(jié)合這些多傳感器在空間和時(shí)間上的數(shù)據(jù)信息，將可以實(shí)現(xiàn)冗余或互補(bǔ)的傳感器信息有效的結(jié)合起來，得到對主體的一致性解釋或描述（即數(shù)據(jù)融合），并對現(xiàn)場傳感器自身設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行有效區(qū)分和分類，最終就能夠給出這些現(xiàn)場傳感器設(shè)備狀態(tài)的有效合理信息。這里具體內(nèi)容部分包括以下：傳感器數(shù)據(jù)信號的分析，如數(shù)值超限分析、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)序分析、自動觸發(fā)聲光報(bào)警、前端傳感器原始數(shù)據(jù)的處理和后端故障診斷。根據(jù)對設(shè)備狀態(tài)信息的狀態(tài)合理有效的監(jiān)測，可以判斷出傳感器故障診斷部分是否已經(jīng)進(jìn)入了正常工作狀態(tài)，從而在故障診斷后采用相應(yīng)的安全容錯控制策略。

診斷過程包括三部分，即設(shè)備故障信號的采集、設(shè)備故障信號的特征提取、設(shè)備故障的模式分類。綜上所述，基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的故障診斷技術(shù)主要是利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)來提高故障診斷的準(zhǔn)確率（如圖3所示）[1]。

數(shù)據(jù)融合技術(shù)是在20世紀(jì)70年代提出的，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)首次應(yīng)用于軍事系統(tǒng)，由于現(xiàn)代機(jī)械功能多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境不穩(wěn)定，采用單一傳感器進(jìn)行設(shè)備故障診斷的方法已經(jīng)無法滿足和適應(yīng)現(xiàn)代化高度中生產(chǎn)線的需求，對關(guān)鍵位置傳感器工作狀態(tài)診斷的結(jié)果存在很大的不確定性，甚至可能會出現(xiàn)傳感器狀態(tài)的錯誤診斷、異常報(bào)警等。設(shè)備故障依據(jù)各自工作原理不同的特點(diǎn)，會出現(xiàn)相應(yīng)的不同故障特點(diǎn)，如有些現(xiàn)場運(yùn)行的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)往往會伴隨著較大的設(shè)備振動，而有些設(shè)備故障（如電機(jī)堵轉(zhuǎn)等）會導(dǎo)致設(shè)備本身運(yùn)行時(shí)的溫度顯著提升；在設(shè)備故障時(shí)，如果能夠綜合利用現(xiàn)場設(shè)備所安裝的傳感器數(shù)據(jù)信息，通過收集并整理這些多個傳感器檢測數(shù)據(jù)的反饋信息，這樣就可以利用這些故障信息來綜合、有針對性的對已出現(xiàn)的設(shè)備故障做出有效準(zhǔn)確的判斷。不同檢測原理和不同安裝方式傳感器的出現(xiàn)，集成并采用了先進(jìn)技術(shù)，使多個傳感器數(shù)據(jù)之間的相互判斷、比較成為可能，把這些傳感器數(shù)據(jù)通過融合技術(shù)，充分利用各種不同檢測原理的傳感器數(shù)據(jù)信息，在設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)可以多方面對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，這樣就可以獲得比應(yīng)用單一傳感器的控制系統(tǒng)更加全面、準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對設(shè)備異常狀態(tài)信息的準(zhǔn)確診斷。如圖4所示，通過采集設(shè)備狀態(tài)異常的多傳感器數(shù)據(jù)將直接融合。在多傳感器數(shù)據(jù)級融合的過程中，要多方面分析各個傳感器數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)融合后為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，可以通過查找傳感器初始數(shù)據(jù)之間是否存在相關(guān)性來判斷。

另外容錯控制方法和穩(wěn)定控制技術(shù)是密不可分。

3 傳感器的容錯控制

容錯控制是在1986年，由IEEE會議和美國國家科學(xué)基金委員(National ScienceFoundation,NFS)共同舉辦的會議被首次提出，其含義是：當(dāng)某些執(zhí)行元件出現(xiàn)故障或者失效時(shí)，通過施加一定的控制策略，使得控制系統(tǒng)能夠繼續(xù)按照原指標(biāo)或降低指標(biāo)的要求，執(zhí)行規(guī)定任務(wù)。近年來相關(guān)學(xué)者對容錯控制展開了廣泛地研究，包括各類電機(jī)、電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)、航空航天設(shè)備等，容錯控制的研究對于提高系統(tǒng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性等具有重要的意義[2]。

系統(tǒng)的容錯控制技術(shù)一般以系統(tǒng)模型的建立為基礎(chǔ)，系統(tǒng)模型越準(zhǔn)確，現(xiàn)場傳感器異常后容錯控制就越有效。在一些無法準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的容錯控制系統(tǒng)中，往往會考慮其他方法。

容錯控制方法是將現(xiàn)場總結(jié)提煉出來的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征形成專家系統(tǒng)知識，輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)能夠利用這些知識和經(jīng)驗(yàn)解決具體問題。容錯控制可以完全依據(jù)現(xiàn)場傳感器工作狀態(tài)及生產(chǎn)工藝情況，綜合判斷出是否可以正常生產(chǎn)控制還是立即停機(jī)處理，它是完全依據(jù)每條生產(chǎn)線根據(jù)專家知識和智慧制定出來安全可行的一套特定容錯智能控制方案。智能容錯方案能夠很好地識別和適應(yīng)設(shè)備運(yùn)行隨機(jī)產(chǎn)生的未知錯誤，使自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全有效的無擾動控制，具有良好的容錯性，大大提高了整個自動化控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

容錯控制做為一門新興的交叉學(xué)科，其學(xué)科意義就是要盡量保證動態(tài)系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行，并具有可以接受的性能指標(biāo)。因此，容錯控制為提高復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。由于任何系統(tǒng)都不可避免地會發(fā)生故障，因此，容錯控制也可以看作是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的最后一道防線[3]。

4 結(jié)論

高度自動化的生產(chǎn)線中一些高精密的傳感器設(shè)備一旦發(fā)生故障將帶來巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。因此，在工業(yè)控制系統(tǒng)中對傳感器進(jìn)行故障檢測和診斷是保證傳感器數(shù)據(jù)可靠的前提，即必須能夠?qū)鞲衅餍盘栠M(jìn)行錯誤判斷，根據(jù)錯誤判斷的結(jié)果做出相應(yīng)的容錯控制設(shè)計(jì)，容錯控制是傳感器設(shè)備異常后穩(wěn)定控制的保證；最后，傳感器數(shù)據(jù)在發(fā)生故障的情況下能夠有效及時(shí)準(zhǔn)確的識別，通過制定的傳感器異常下的容錯控制策略來實(shí)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，進(jìn)一步來提高自動化控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，最大限度地減少損失具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。