基于SFD技術的表面活性劑裝置聯鎖報警系統

王 琪

(南京化工職業技術學院自控系，南京 210048)

在表面活性劑裝置的生產過程中，環氧乙烷裝卸、儲存、進料及磺化反應等工序都具有相當的危險性，操作不當容易造成事故，因此，必須通過安全有效的控制手段來保證裝置的生產安全?，F階段企業普遍采用計算機來控制系統的報警和聯鎖，速度和可靠性有較大提升，相比而言傳感器故障成為了系統啟動報警和聯鎖的主要誘發因素[1,2]。以往的聯鎖報警系統在傳感器檢測被控參數的過程中并不執行任何動作，只有當被控參數達到報警極限時才進行聯鎖報警，對傳感器故障的診斷也是在事后進行。如果從研究傳感器的故障診斷方面考慮聯鎖報警系統的設計問題，可以在傳感器工作的過程當中就及時診斷出傳感器的故障，這樣既可以及時聯鎖報警，同時也降低了技術人員在聯鎖報警后再去查找、分析傳感器故障原因的工作困難，該方法對保證表面活性劑產品質量，降低能耗，防止發生安全事故有著重要的意義。

基于傳感器故障診斷(Sensor Fault Diagnosis，SFD)技術的聯鎖報警系統由現場設備層、故障診斷層和聯鎖報警層組成，其結構如圖1所示。

圖1 基于SFD技術的聯鎖報警系統3層結構

現場設備層。在表面活性劑的生產過程中，現場設備層的傳感器一旦發生故障，所產生偏離被測信號真實值的故障信號會通過控制回路在整個廠級范圍內迅速傳播并傳遞至控制器部分。

故障診斷層。傳統的現場設備層無法判斷故障是否存在，只能單純地執行控制算法和控制策略，因此應在現場設備層上增加故障診斷層以檢測出故障存在與否并對其進行分析。如果通過故障檢測模塊判斷確實存在傳感器故障，那么可以收集那些經常發生的、具有一定特點的故障信號研究其發生頻率和故障數學模型描述，然后按照其故障發生的頻率依次在故障診斷模塊中建立起故障特征庫，以便對檢測信號進行判斷。在故障特征庫對故障信號進行匹配診斷后甚至可以進一步根據故障類型對故障信號進行補償修正，使其恢復到被測信號的真實狀態，即對于歷史故障的主動補償容錯控制，可以通過主動補償容錯控制模塊中的歷史故障補償容錯控制庫實現。

聯鎖報警層。在故障診斷模塊中，當前的故障信號與故障特征庫未能匹配，則其屬于非經驗型故障即未知故障，對于未知故障系統將進入聯鎖報警層進行處理，密切監控生產狀況，一旦檢測信號超過報警極限就發出警告或緊急切斷電源進行聯鎖，技術人員可以通過權限更改設定值，進行參數整定或修改相關指令等。

2 基于殘差包絡軌跡法的故障檢測模塊的設計

判斷傳感器是否發生故障首先要建立傳感器故障的數學模型，分析其故障函數，對比故障信號與非故障信號的區別，以此檢測出故障信號存在與否。

2.1 傳感器故障的數學描述

分析傳感器輸出信號的構成，可將傳感器故障的數學模型描述為：

x=g(x,u)+?(x,u)

(1)

(2)

式中g(x,u)——系統非線性模型；

u——輸入矢量；

x——狀態矢量；

y(t)——傳感器實際輸出；

γ(t)——測量過程中產生的隨機誤差，呈正態分布，平均值為0；

ζ(x,u,t)——傳感器故障函數；

?(x,u)——模型的不確定性。

2.2 殘差包絡軌跡法

圖2 基于殘差包絡軌跡法的故障檢測模塊

為精確計算殘差，可采用加權移動平均濾波技術對殘差進行采樣，每次都取當前采樣時刻前的(包含當前時刻的采樣點)n個采樣點，那么在第k個采樣時刻可以得到一組序列[φ(k-n+1)，…，φ(k-1)，φ(k)]，計算其加權移動平均值[5]，該值在有新的采樣值時進行更新，具體算式為：

(3)

式中ηi——權數。

為了有效剔除未知因素對殘差造成的影響，可設置自適應閾值包絡軌跡，即傳感器無故障輸出時殘差的包絡軌跡。包絡軌跡由系統非線性模型不確定誤差范圍?(x,u)、線性化誤差σ(t)和測量過程中引起的隨機誤差γ(t)造成的殘差的最大和最小閾值范圍隨著時間變化的曲線構成。自適應閾值包絡軌跡Ψ(t)具有最大和最小邊界：

γ(t)+σ(t)-?(x,u)≤Ψ(t)≤γ(t)+σ(t)-?(x,u)

(4)

3 歷史故障特征庫的建立

故障診斷模塊要求能夠判斷當前故障是否與歷史故障匹配，如果匹配則要及時分析其故障類型并對故障進行評估與決策，甚至可進一步在主動補償容錯控制模塊中根據故障類型對故障信號進行補償修正[5]。若不屬于歷史故障則判斷為未知故障，系統密切監視檢測信號是否超限并發出警告，甚至緊急切斷電源進行聯鎖保證系統正常工作。

在歷史故障特征庫中，按照發生故障后信號幅值的變化程度、變化速度將傳感器故障分類為軟故障和硬故障，幅值變化較小且緩慢的為軟故障，幅值變化較大且迅速的為硬故障。又可詳細分為：軟故障-偏差故障、軟故障-漂移故障、軟故障-精度下降故障、硬故障-完全故障4種類型，各故障函數如圖3所示。

圖3 傳感器故障類型

軟故障-偏差故障。此類故障是指有故障信號與無故障信號互相平行，兩者之間相差某一恒定常數K，產生這種故障的主要原因是有偏置電流或偏置電壓的存在，將這一恒定的干擾信號添加到了原有的信號上。其函數表示為：

ζ(x,u,t)=K

(5)

式中K——常數。

軟故障-漂移故障。此類故障是指由于溫漂的存在，使得有故障信號偏離無故障信號的趨勢隨著時間的推移不斷增大，導致兩信號之間的差值也越來越大，其函數表示為：

ζ(x,u,t)=K(t-t0)

(6)

式中t0——故障的起始時刻。

軟故障-精度下降故障。此類故障是指如果分別計算有故障信號和無故障信號的平均值，計算結果不會發生變化，但這并不表示傳感器故障不存在，如果進一步計算其方差會發現故障信號的方差比較大，說明信號波動較劇烈，存在故障，其函數表示為：

ζ(x,u,t)～N(0,σ22)

(7)

式中σ22——方差。

這一類故障信號外在表現不明顯，需要計算方差才有可能進一步判斷，因此也難以發現[6]。

硬故障-完全故障。此類故障是指有故障信號在輸出一段時間后突然變成了某一固定值的一類故障，其主要成因是傳感器突然失靈引起的短路故障或開路故障，如信號線斷線、芯片引腳斷、電路腐蝕及電路短路等。短路引起的故障信號接近于儀表量程的最小值，開路引起的故障信號接近于儀表量程的最大值。該類故障其函數表示為：

y(t)=Vmax(或Vmin)

(8)

式中Vmax、Vmin——儀表量程的最大值和最小值。

這類故障剛開始發生時有一形成過程，可以表示為：

y(t)=[1-e-α(t-t0)]U(t-t0)Vmax(或Vmin)

(9)

式中t0——故障的起始時刻。

此類故障一旦形成就很難再去修正，如果在剛發生時能夠被檢測出來，對防止此類故障的擴大起著關鍵的作用。

4 未知故障的處理

如果故障信號經過故障診斷模塊判斷與歷史故障庫不匹配，則認為故障信號為未知故障類型，聯鎖報警層進入到計算機邏輯控制狀態，將密切監控生產狀況，一旦檢測信號超限就發出警告或緊急切斷電源進行聯鎖。

表面活性劑生產過程中對于環氧乙烷中間罐的高溫監控、高液位監控及其聯鎖控制如圖4、5所示。

圖4 環氧乙烷中間罐的高溫監控和高液位監控

圖5 環氧乙烷中間罐的聯鎖控制

環氧乙烷中間罐高溫報警/聯鎖。當環氧乙烷中間罐V101溫度(TT101A/B/C、TT102A/B/C、TT103A/B/C)分別達到30、35℃時，系統顯示一級、二級高溫報警。當達到38℃時系統啟動高溫聯鎖，并自動關閉環氧乙烷中間罐V101進料切斷閥PV101、環氧乙烷進料泵P101、入口切斷閥PV108和環氧乙烷返回管線切斷閥PV102，打開環氧乙烷排放管線切斷閥PV103、電動閥PV104和尾氣吸收塔消防水進水管線切斷閥。

環氧乙烷中間罐高液位報警/聯鎖。當環氧乙烷中間罐V101液位(LT101A、LT101B)達到70%時，DCS顯示高液位報警并引發高液位聯鎖。自動關閉環氧乙烷中間罐V101和進料切斷閥PV101。

5 結束語

在基于傳感器故障診斷技術的表面活性劑裝置聯鎖報警系統的研究中，對基于SFD技術的聯鎖報警系統的結構進行了闡述，設計了基于殘差包絡軌跡法的故障檢測模塊用于故障信號的檢測，并根據各故障信號的特點建立了歷史故障特征庫用于診斷故障類型以進行相應的補償容錯控制，同時對于未知故障采取計算機邏輯控制，既可及時聯鎖報警，也降低了技術人員在聯鎖報警后再去查找、分析傳感器故障原因的工作困難。該方法不僅具有理論意義，更有實際應用價值，適用

于表面活性劑的實際生產過程，可廣泛推廣應用于各種自動化生產過程的聯鎖報警系統中。

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