趙 青

(國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060)

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使自動化技術(shù)在工業(yè)各類生產(chǎn)過程中的應(yīng)用程度日益加深，若想達到自動化控制生產(chǎn)過程的目的，流量、溫度、液位等基礎(chǔ)參數(shù)的監(jiān)測尤為重要，特別是液位的高低直接關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量能否達到合格標準[1，2]。為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性，自動化液位儀表的重要性逐漸顯現(xiàn)，該儀表由多個自動化元件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程中的液位測量、顯示以及控制等功能[3-5]，但自動化液位儀表在便于工業(yè)生產(chǎn)的同時，也使相關(guān)技術(shù)人員面臨著檢修與維護的巨大挑戰(zhàn)，該儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且集成度較高，技術(shù)人員很難第一時間發(fā)現(xiàn)故障并進行維修[6]，因此研究自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)亟待解決的課題。

該課題引起很多專家和學(xué)者的重視，例如王莉君等[7-8]，分別利用降維映射分析和貝葉斯分類器相結(jié)合的方法，以及改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)設(shè)計。這2種系統(tǒng)的靈敏度較高，均能夠?qū)崿F(xiàn)儀表故障的精準、高效識別，但對于微小故障的識別效果有待優(yōu)化。PLC運行過程中利用可編程的存儲器能夠?qū)崿F(xiàn)全部運算和控制的存儲及執(zhí)行，具有良好的穩(wěn)定性，并且功能多樣，因此本文設(shè)計基于PLC技術(shù)的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)。

1 自動化液位儀表概述及其故障分析

1.1 自動化液位儀表概述

自動化液位儀表作為供熱、石油罐區(qū)和燃氣等工程中最重要的檢測儀表之一，可以檢測及控制生產(chǎn)過程中的液位或界面，包含測量精度高與測量范圍大等優(yōu)勢。吹氣式自動化液位儀表如圖1所示，其在當(dāng)前各類工程中的發(fā)展空間十分廣闊。

圖1 吹氣式自動化液位儀表Fig.1 Blowing type automatic liquid level instrument

吹氣式自動化液位儀表由氣源壓力計、過濾器減壓閥以及恒流量閥等組成，將吹氣管放入液體內(nèi)，通過外加氣壓使其底端生成持續(xù)的氣泡，此時吹氣管承受的反作用力等于液壓[9-10]。吹氣管屬于差壓傳感器，可以用差壓測量代替液位測量，對于放射線、包含固體和高黏度介質(zhì)液位的測量效果較好[11]。吹氣式自動化液位儀表工作原理如圖2所示。

圖2 吹氣式自動化液位儀表工作原理Fig.2 Working principle of air blowing automatic liquid level instrument

1.2 自動化液位儀表故障分析

(1)精度降低。當(dāng)自動化液位儀表安裝位置不合適或出現(xiàn)電磁擾動時，極容易降低儀表的測量精度，需要依據(jù)測量對象調(diào)節(jié)儀表位置，使兩者的接觸為正流向即可。

(2)無回波。自動化液位儀表附近的機電設(shè)備和電力線路等會引起工作環(huán)境的劇烈變化，從而導(dǎo)致儀表出現(xiàn)無回波現(xiàn)象[12]，此時應(yīng)采取物理隔絕、更改儀表位置、優(yōu)化儀表工作參數(shù)等措施。

(3)參數(shù)超上限。該故障的原因主要為自動化液位儀表的上限過低或機械故障，可以依據(jù)參數(shù)越限情況選擇測量范圍合適的儀表，也可以拆分儀表以檢修相應(yīng)的機械故障。

(4)調(diào)節(jié)閥波動。當(dāng)自動化液位儀表的彈簧剛度不足、管道發(fā)生振動或調(diào)節(jié)閥選型不合理時，極易造成儀表的調(diào)節(jié)閥波動故障。加強調(diào)節(jié)閥的剛度可有效解決其輕微的波動[13-14]，若調(diào)節(jié)閥的波動較為激烈，可考慮更換調(diào)節(jié)閥或增加支撐。

2 故障識別系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于PLC技術(shù)的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)層由傳感器節(jié)點和報警器組成，將若干個傳感器節(jié)點安裝于自動化液位儀表附近適當(dāng)?shù)奈恢蒙希糜诓杉鲀x表的信號數(shù)據(jù)；利用網(wǎng)絡(luò)層的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以將數(shù)據(jù)層的自動化液位儀表信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層；該層是整個系統(tǒng)的核心，自動化液位儀表故障識別報警控制模塊依據(jù)接收到的信號數(shù)據(jù)，采用基于小波包算法的自動化液位儀表故障識別方法以及PLC技術(shù)，在自動化液位儀表發(fā)生故障的情況下，使用報警器控制單元驅(qū)動數(shù)據(jù)層的報警器發(fā)出警報，且該模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)自動化液位儀表故障識別和報警信息的打印記錄與顯示；用戶通過連Internet的手機、臺式計算機等設(shè)備可以隨時隨地查看自動化液位儀表相關(guān)信息，并執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of system

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.2.1 PLC結(jié)構(gòu)

PLC由CPU、存儲器、輸入/輸出接口電路組成，有體積小、靈活性高與維護方便等優(yōu)勢，由于其所含接口可以與工業(yè)過程連接，非常適用于自動化液位儀表故障識別控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Internal structure diagram of PLC

(1)中央處理單元(CPU)。其為PLC的核心，通過CPU循環(huán)掃描編寫的PLC語言可以實現(xiàn)輸入/輸出信號采集以及數(shù)據(jù)處理等操作。

(2)存儲器。包括系統(tǒng)及用戶存儲器2類，其中系統(tǒng)存儲器用于保存系統(tǒng)的監(jiān)控程序、子程序及其調(diào)用的管理程序等[15-16]；另一個存儲器主要用于保存用戶編寫的程序。

(3)輸入/輸出接口電路。該模塊負責(zé)將外部電平進行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)镻LC的中央處理單元需要的標準電平模式，且該模塊包含濾波、光電隔離等功能，用以完成輸入/輸出信號的傳輸。

2.2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

用于采集自動化液位儀表信號的傳感器節(jié)點包含微處理器、數(shù)據(jù)采集、無線通信以及電源4個單元，如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of sensor node

(1)微處理器單元。該單元選用的主芯片型號為MSP430F149，具有處理能力強、功耗低和模擬性能高等優(yōu)點。該單元可以在-40～85 ℃內(nèi)運行，對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性較好。同時該單元包含與各種單元進行連接的接口，例如撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)采集單元等，其中撥碼開關(guān)電路能用于傳感器節(jié)點地址的設(shè)定。

(2)無線通信單元。該單元選用射頻標準為IEEE 802.15.4的nRF905單片射頻收發(fā)器，電路部分由接口電路、天線電路以及晶振電路組成，且該單元的發(fā)射速率最高可達到50 Kb/s。

(3)數(shù)據(jù)采集單元。選擇MAX6675傳感器獲取自動化液位儀表信號數(shù)據(jù)。該單元可以在-20～85 ℃內(nèi)運行，且內(nèi)嵌冷端補償電路，對信號的分辨率極高。引進74HC4051芯片，將8路熱電偶輸入信號當(dāng)作MAX6675的信號輸入，以方便擴展系統(tǒng)。

(4)電源單元。該單元通過鋰一次電池完成傳感器節(jié)點運行需要的電能的供應(yīng)，該電池基本不存在自放電情況，即便長時間不使用減少的能量也非常低。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動化液位儀表故障突變信號的分析、處理以及特征提取對故障識別效果具有重大影響，因此使用基于小波包算法的自動化液位儀表故障識別方法，識別自動化液位儀表故障。小波包分解具有良好的時頻分辨率，不僅可以多層次劃分頻帶，還可以進一步劃分未細化的高頻區(qū)域。在自動化液位儀表發(fā)生故障的情況下，其故障特征頻段的能量大于正常時的頻段能量，通過該特征便能獲得能量變化與自動化液位儀表故障之間的映射關(guān)系，具體故障識別流程如圖6所示。利用頻譜分析處理自動化液位儀表信號，經(jīng)過小波包分解與重構(gòu)后，獲取相應(yīng)頻帶區(qū)域的信號，并將儀表故障特征頻段提取出來，計算每個特征頻帶信號的能量，將計算結(jié)果進行歸一化處理，并與儀表正常狀態(tài)的頻段能量進行比較，以確定自動化液位儀表狀態(tài)，當(dāng)其處于正常狀態(tài)時，則結(jié)束算法；當(dāng)其處于故障狀態(tài)時，則判斷儀表故障類型后結(jié)束算法。

圖6 自動化液位儀表故障識別流程Fig.6 Fault identification flow chart of automatic liquid level instrument

3 系統(tǒng)性能測試結(jié)果分析

將10個自動化液位儀表作為實驗對象，并引入MATLAB軟件搭建仿真環(huán)境，模擬精度降低、參數(shù)超上限、無回波以及調(diào)節(jié)閥波動等8種常見儀表故障，使用本文系統(tǒng)采集儀表故障信號與正常狀態(tài)信號各50組數(shù)據(jù)用以實現(xiàn)故障識別。

將傳感器節(jié)點數(shù)量分別設(shè)置為30、60、90，不同自動化液位儀表信號數(shù)據(jù)采集次數(shù)下，傳感器節(jié)點的平均能耗如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，不同傳感器節(jié)點數(shù)量的節(jié)點平均能耗均隨自動化液位儀表信號數(shù)據(jù)采集次數(shù)增加呈緩慢上升趨勢，且始終保持在0.8 J以下；當(dāng)采集次數(shù)相同時，傳感器節(jié)點數(shù)量與節(jié)點平均能耗之間呈正比，但能耗增加幅度很小。因此可得，本文系統(tǒng)的傳感器節(jié)點平均能耗整體水平較低，滿足系統(tǒng)的低能耗要求。

圖7 傳感器節(jié)點平均能耗結(jié)果Fig.7 Average energy consumption results of sensor nodes

使用本文系統(tǒng)的小波包算法分解并重構(gòu)調(diào)節(jié)閥波動故障信號，獲得的3個頻帶波形如圖8所示。

圖8 調(diào)節(jié)閥波動故障信號的不同頻帶波形Fig.8 Waveforms of different frequency bands of fluctuation fault signal of regulating valve

從圖8可得，本文系統(tǒng)對自動化液位儀表故障信號具有較好的分解及重構(gòu)效果，能清晰呈現(xiàn)不同頻帶的信號特點，且不存在噪聲，有助于提升儀表故障識別準確性。

某日上午8點至9點的自動化液位儀表故障識別結(jié)果見表1，將10個儀表分別用A—J的字母編號。從表1可以看出，當(dāng)自動化液位儀表發(fā)生故障時，本文系統(tǒng)的故障識別結(jié)果與故障實際結(jié)果一致，并能及時進行報警，且各儀表的故障識別用時均低于40 s，表明本文系統(tǒng)具有較優(yōu)異的自動化液位儀表故障識別性能。

表1 自動化液位儀表故障識別結(jié)果Tab.1 Fault identification results of automatic liquid level instrument

本文系統(tǒng)可以為用戶提供自動化液位儀表故障識別記錄的查詢功能，查詢界面如圖9所示。

圖9 自動化液位儀表故障記錄查詢界面Fig.9 Automatic liquid level instrument fault record query interface

由圖9可以看出，對于自動化液位儀表故障記錄的查詢，本文系統(tǒng)可以提供多個查詢條件，以滿足用戶的不同查詢需求，且查詢界面十分簡潔，當(dāng)用戶輸入查詢條件后，能清晰、迅速地了解所需故障信息。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程對自動化液位儀表的依賴性日益增強，儀表能否正常運行變得格外重要，因此本文設(shè)計基于PLC技術(shù)的自動化液位儀表故障識別系統(tǒng)，將PLC技術(shù)作為核心，通過各層級的相互協(xié)作識別自動化液位儀表故障。該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點平均功耗較低，利用小波包算法可以獲得較理想的自動化液位儀表信號分解及重構(gòu)效果，據(jù)此能夠?qū)崿F(xiàn)儀表故障的精準、高效識別，且系統(tǒng)的儀表故障記錄查詢界面十分友好，符合用戶不同的查詢需求，該系統(tǒng)的可擴展性優(yōu)良，在各大領(lǐng)域的設(shè)備故障識別中具有廣闊的發(fā)展前景。