現場控制儀表的故障診斷與補償容錯控制系統

周國定

（金東紙業（江蘇） 股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

一般的過程控制系統基礎層往往包含90%以上的常規控制回路，回路之間又存在關聯耦合現象，一旦局部某一控制回路發生故障 (例如，傳感器故障或者閥門故障)，導致控制回路發生波動，性能退化，故障通過回路之間關聯傳遞機制傳播到相關回路，其性能也被退化，致使整個廠級控制系統出現波動，輕則導致產品質量下降，能耗上升，重則導致廠級控制系統癱瘓，發生安全事故。這時往往都是現場工程師通過對故障現象分析，準確定位控制回路，并經過維護消除故障，整個工業控制系統恢復正常運行狀態。

1 故障現象的合理描述

工業過程目前絕大部分己采用了計算機控制系統，且以計算機控制的可靠性可以達到較高水平，隨之而來的問題是執行器和傳感器可靠性的不足。實際上，傳感器和執行器的故障已成為導致控制系統失效的主要原因，據統計，80%控制系統失效，起因于傳感器和執行器故障。然而，傳統控制理論的研究大多都是基于傳感器和執行器工作正常的假設。因此，研究傳感器和執行器的故障檢測和容錯控制問題有重要的理論和應用價值。另一方面，目前大部分故障容錯控制研究中廣泛采用了“二狀態故障模型”，雖然這種描述可以簡化故障診斷和容錯控制的研究，但這種描述不能很好的反映實際的工程系統中所發生的故障現象。

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場儀表控制系統的癱瘓，從而造成巨大的經濟損失。在處理過程中，技術人員可以從UPS 系統入手，設計旁路柜用于支持220VAC 供電的穩定性和安全。在實際生產中，技術人員應盡量避免齊納型安全柵的使用，同時避免兩個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為24VDC 的中間繼電器分開，否則會因為繼電器的電源部分故障嚴重影響儀表控制系統的穩定運行。

2.2 DCS 系統和PLC 故障處理措施

DCS 系統和PLC 是現場儀表控制系統的關鍵部分。目前有效避免硬件和軟件問題產生，好的途徑是增加一套冗余系統，當一套系統出現問題，可以后備可以無縫的切換上去，包括CPU、運行程序、通訊等等，如紙機流程系統控制、地鐵運行控制上均采用多通道冗余系統，提高系統運行的穩定性。安全PLC 的運行，在硬件回路中設計帶有自檢功能，若出現故障，CPU 可以自行判斷分析，輸出報警代碼，是硬件回路問題，還是通道問題，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

在現場儀表控制系統中，隨著自動化設備理念的普及和完善，不僅僅分析儀表，若流量、壓力、液位、濃度等檢測性儀表，在硬件和軟件的設計時，均帶入簡單的自我分析檢測、報警輸出等功能，而這些以前是在PLC 或DCS 中進行分析的，這樣的設計更方便人員現場監控，同時儀表自身帶有通訊協議，DH+、profibus 等等，使得數據傳輸更加方便。

3 主動補償容錯控制方法的設計

3.1 工業系統的基礎閉環控制層

這一層主要由傳感器、執行器、信號轉化和控制器組成的常規控制回路組成。在流程工業生產過程中，這一層常采用集散控制系統、可編程控制器或計算機直接控制等。一般的過程控制系統基礎層往往包含90%以上的常規控制回路，回路之間存在著關聯耦合現象。一旦局部的控制回路發生異常 (如調節閥/傳感器發生故障)，導致波動，由于系統關聯傳遞機制，可能整個系統會出現廠級范圍波動。

3.2 基于多模型的故障檢測診斷與容錯控制層

本層的在線智能故障容錯控制方法采用一個單獨的故障檢測模塊、故障診斷模塊、主動補償容錯控制模塊。

1） 故障的檢測模塊，采用一個成本有效的保守故障檢測與診斷方案。故障檢測模塊采用加權移動平均殘差和自適應閾值包絡的保守故障檢測方法。檢測模塊根據正常行為模式，周期性地檢測系統的“健康”狀態。

2） 基于多殘差動態描述的故障診斷模塊，根據不同的故障模式在過程操作單元和控制回路之間故障傳播的途徑不同，可設“多殘差描述故障特征”。即根據可測量的變量信號和控制信號以及故障信號在閉環系統中的傳播途徑，建立多個操作單元或控制回路的數學模型。通過系統測量值與模型估計值之間形成多殘差描述。

3） 主動容錯補償調節模塊，一個控制策略協調器平行置于歷史故障容錯補償調節控制庫和正常控制器之間。在線過程監控時，根據系統目前運行狀況，控制策略可能來源于下述三種控制方式之一：正常控制器（對應正常運行工況）、歷史故障調節控制器（對應于歷史故障情況） 和在線智能調節控制器（對應于未知故障情況）。在這種模式下，系統正常采用正常控制策略，當系統檢到故障，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，則相應的歷史故障補償容錯控制器被切換到當前控制。

3.3 人機監督管理層

人機監督管理層主要功能包括：報警系統、緊急停車和人機對話功能。工程師和管理人員可以通過權限修改相關指令，例如:控制目標的變化，參數的整定等操作，并與智能調節器相聯結。如果系統診斷出當前故障屬于未知故障，系統發出警告，監督層密切注意生產狀況，緊急切斷電源，防止不曾預計的未知故障帶來災難性的后果。

4 結語

隨著過程控制系統的自動化程度以及復雜程度不斷提高，故障檢測、診斷與容錯控制成為現代過程控制系統的一個重要組成部分。建立了多種傳感器故障和執行器故障 (閥門故障) 合理描述形式，使其更加貼近于工業實際情況；研究基于數據驅動的多種故障模式下的快速故障檢測診斷方法。