现场控制仪表的故障诊断与补偿容错控制系统

周国定

（金东纸业（江苏） 股份有限公司，江苏 镇江 212000）

一般的过程控制系统基础层往往包含90%以上的常规控制回路，回路之间又存在关联耦合现象，一旦局部某一控制回路发生故障 (例如，传感器故障或者阀门故障)，导致控制回路发生波动，性能退化，故障通过回路之间关联传递机制传播到相关回路，其性能也被退化，致使整个厂级控制系统出现波动，轻则导致产品质量下降，能耗上升，重则导致厂级控制系统瘫痪，发生安全事故。这时往往都是现场工程师通过对故障现象分析，准确定位控制回路，并经过维护消除故障，整个工业控制系统恢复正常运行状态。

1 故障现象的合理描述

工业过程目前绝大部分己采用了计算机控制系统，且以计算机控制的可靠性可以达到较高水平，随之而来的问题是执行器和传感器可靠性的不足。实际上，传感器和执行器的故障已成为导致控制系统失效的主要原因，据统计，80%控制系统失效，起因于传感器和执行器故障。然而，传统控制理论的研究大多都是基于传感器和执行器工作正常的假设。因此，研究传感器和执行器的故障检测和容错控制问题有重要的理论和应用价值。另一方面，目前大部分故障容错控制研究中广泛采用了“二状态故障模型”，虽然这种描述可以简化故障诊断和容错控制的研究，但这种描述不能很好的反映实际的工程系统中所发生的故障现象。

2 故障的处理措施

2.1 电源故障的处理措施

电源故障较易造成现场仪表控制系统的瘫痪，从而造成巨大的经济损失。在处理过程中，技术人员可以从UPS 系统入手，设计旁路柜用于支持220VAC 供电的稳定性和安全。在实际生产中，技术人员应尽量避免齐纳型安全栅的使用，同时避免两个回路附带在同一块安全栅上，以此确保仪表接地性能良好和工作电压的足够。此外，在工作中尽量选用220VAC 进行供电，确保不同供电仪表之间的安全间距，而plc 和仪表的24VDC 供电必须和电压等级为24VDC 的中间继电器分开，否则会因为继电器的电源部分故障严重影响仪表控制系统的稳定运行。

2.2 DCS 系统和PLC 故障处理措施

DCS 系统和PLC 是现场仪表控制系统的关键部分。目前有效避免硬件和软件问题产生，好的途径是增加一套冗余系统，当一套系统出现问题，可以后备可以无缝的切换上去，包括CPU、运行程序、通讯等等，如纸机流程系统控制、地铁运行控制上均采用多通道冗余系统，提高系统运行的稳定性。安全PLC 的运行，在硬件回路中设计带有自检功能，若出现故障，CPU 可以自行判断分析，输出报警代码，是硬件回路问题，还是通道问题，还是PLC 本地故障等等，方便故障判断和维修。

2.3 仪表本身故障的处理措施

在现场仪表控制系统中，随着自动化设备理念的普及和完善，不仅仅分析仪表，若流量、压力、液位、浓度等检测性仪表，在硬件和软件的设计时，均带入简单的自我分析检测、报警输出等功能，而这些以前是在PLC 或DCS 中进行分析的，这样的设计更方便人员现场监控，同时仪表自身带有通讯协议，DH+、profibus 等等，使得数据传输更加方便。

3 主动补偿容错控制方法的设计

3.1 工业系统的基础闭环控制层

这一层主要由传感器、执行器、信号转化和控制器组成的常规控制回路组成。在流程工业生产过程中，这一层常采用集散控制系统、可编程控制器或计算机直接控制等。一般的过程控制系统基础层往往包含90%以上的常规控制回路，回路之间存在着关联耦合现象。一旦局部的控制回路发生异常 (如调节阀/传感器发生故障)，导致波动，由于系统关联传递机制，可能整个系统会出现厂级范围波动。

3.2 基于多模型的故障检测诊断与容错控制层

本层的在线智能故障容错控制方法采用一个单独的故障检测模块、故障诊断模块、主动补偿容错控制模块。

1） 故障的检测模块，采用一个成本有效的保守故障检测与诊断方案。故障检测模块采用加权移动平均残差和自适应阈值包络的保守故障检测方法。检测模块根据正常行为模式，周期性地检测系统的“健康”状态。

2） 基于多残差动态描述的故障诊断模块，根据不同的故障模式在过程操作单元和控制回路之间故障传播的途径不同，可设“多残差描述故障特征”。即根据可测量的变量信号和控制信号以及故障信号在闭环系统中的传播途径，建立多个操作单元或控制回路的数学模型。通过系统测量值与模型估计值之间形成多残差描述。

3） 主动容错补偿调节模块，一个控制策略协调器平行置于历史故障容错补偿调节控制库和正常控制器之间。在线过程监控时，根据系统目前运行状况，控制策略可能来源于下述三种控制方式之一：正常控制器（对应正常运行工况）、历史故障调节控制器（对应于历史故障情况） 和在线智能调节控制器（对应于未知故障情况）。在这种模式下，系统正常采用正常控制策略，当系统检到故障，故障诊断模块诊断故障的类型与大小，如果判断是历史故障，则相应的历史故障补偿容错控制器被切换到当前控制。

3.3 人机监督管理层

人机监督管理层主要功能包括：报警系统、紧急停车和人机对话功能。工程师和管理人员可以通过权限修改相关指令，例如:控制目标的变化，参数的整定等操作，并与智能调节器相联结。如果系统诊断出当前故障属于未知故障，系统发出警告，监督层密切注意生产状况，紧急切断电源，防止不曾预计的未知故障带来灾难性的后果。

4 结语

随着过程控制系统的自动化程度以及复杂程度不断提高，故障检测、诊断与容错控制成为现代过程控制系统的一个重要组成部分。建立了多种传感器故障和执行器故障 (阀门故障) 合理描述形式，使其更加贴近于工业实际情况；研究基于数据驱动的多种故障模式下的快速故障检测诊断方法。