基于PLC技术的自动化液位仪表故障识别系统

赵 青

(国能包头煤化工有限责任公司，内蒙古 包头 014060)

科学技术的迅猛发展，使自动化技术在工业各类生产过程中的应用程度日益加深，若想达到自动化控制生产过程的目的，流量、温度、液位等基础参数的监测尤为重要，特别是液位的高低直接关系着产品的质量能否达到合格标准[1，2]。为保证产品质量和生产安全性，自动化液位仪表的重要性逐渐显现，该仪表由多个自动化元件组成，能够实现生产过程中的液位测量、显示以及控制等功能[3-5]，但自动化液位仪表在便于工业生产的同时，也使相关技术人员面临着检修与维护的巨大挑战，该仪表结构复杂，且集成度较高，技术人员很难第一时间发现故障并进行维修[6]，因此研究自动化液位仪表故障识别系统成为工业生产亟待解决的课题。

该课题引起很多专家和学者的重视，例如王莉君等[7-8]，分别利用降维映射分析和贝叶斯分类器相结合的方法，以及改进神经网络算法完成自动化液位仪表故障识别系统设计。这2种系统的灵敏度较高，均能够实现仪表故障的精准、高效识别，但对于微小故障的识别效果有待优化。PLC运行过程中利用可编程的存储器能够实现全部运算和控制的存储及执行，具有良好的稳定性，并且功能多样，因此本文设计基于PLC技术的自动化液位仪表故障识别系统。

1 自动化液位仪表概述及其故障分析

1.1 自动化液位仪表概述

自动化液位仪表作为供热、石油罐区和燃气等工程中最重要的检测仪表之一，可以检测及控制生产过程中的液位或界面，包含测量精度高与测量范围大等优势。吹气式自动化液位仪表如图1所示，其在当前各类工程中的发展空间十分广阔。

图1 吹气式自动化液位仪表Fig.1 Blowing type automatic liquid level instrument

吹气式自动化液位仪表由气源压力计、过滤器减压阀以及恒流量阀等组成，将吹气管放入液体内，通过外加气压使其底端生成持续的气泡，此时吹气管承受的反作用力等于液压[9-10]。吹气管属于差压传感器，可以用差压测量代替液位测量，对于放射线、包含固体和高黏度介质液位的测量效果较好[11]。吹气式自动化液位仪表工作原理如图2所示。

图2 吹气式自动化液位仪表工作原理Fig.2 Working principle of air blowing automatic liquid level instrument

1.2 自动化液位仪表故障分析

(1)精度降低。当自动化液位仪表安装位置不合适或出现电磁扰动时，极容易降低仪表的测量精度，需要依据测量对象调节仪表位置，使两者的接触为正流向即可。

(2)无回波。自动化液位仪表附近的机电设备和电力线路等会引起工作环境的剧烈变化，从而导致仪表出现无回波现象[12]，此时应采取物理隔绝、更改仪表位置、优化仪表工作参数等措施。

(3)参数超上限。该故障的原因主要为自动化液位仪表的上限过低或机械故障，可以依据参数越限情况选择测量范围合适的仪表，也可以拆分仪表以检修相应的机械故障。

(4)调节阀波动。当自动化液位仪表的弹簧刚度不足、管道发生振动或调节阀选型不合理时，极易造成仪表的调节阀波动故障。加强调节阀的刚度可有效解决其轻微的波动[13-14]，若调节阀的波动较为激烈，可考虑更换调节阀或增加支撑。

2 故障识别系统

2.1 系统整体结构

基于PLC技术的自动化液位仪表故障识别系统整体结构如图3所示。数据层由传感器节点和报警器组成，将若干个传感器节点安装于自动化液位仪表附近适当的位置上，用于采集各仪表的信号数据；利用网络层的无线网络通信模块可以将数据层的自动化液位仪表信号数据传输到应用层；该层是整个系统的核心，自动化液位仪表故障识别报警控制模块依据接收到的信号数据，采用基于小波包算法的自动化液位仪表故障识别方法以及PLC技术，在自动化液位仪表发生故障的情况下，使用报警器控制单元驱动数据层的报警器发出警报，且该模块还能够实现自动化液位仪表故障识别和报警信息的打印记录与显示；用户通过连Internet的手机、台式计算机等设备可以随时随地查看自动化液位仪表相关信息，并执行相应的控制指令。

图3 系统整体结构Fig.3 Overall structure of system

2.2 系统的硬件设计

2.2.1 PLC结构

PLC由CPU、存储器、输入/输出接口电路组成，有体积小、灵活性高与维护方便等优势，由于其所含接口可以与工业过程连接，非常适用于自动化液位仪表故障识别控制，其内部结构如图4所示。

图4 PLC内部结构示意Fig.4 Internal structure diagram of PLC

(1)中央处理单元(CPU)。其为PLC的核心，通过CPU循环扫描编写的PLC语言可以实现输入/输出信号采集以及数据处理等操作。

(2)存储器。包括系统及用户存储器2类，其中系统存储器用于保存系统的监控程序、子程序及其调用的管理程序等[15-16]；另一个存储器主要用于保存用户编写的程序。

(3)输入/输出接口电路。该模块负责将外部电平进行转换，使其变为PLC的中央处理单元需要的标准电平模式，且该模块包含滤波、光电隔离等功能，用以完成输入/输出信号的传输。

2.2.2 传感器节点结构

用于采集自动化液位仪表信号的传感器节点包含微处理器、数据采集、无线通信以及电源4个单元，如图5所示。

图5 传感器节点结构示意Fig.5 Structure diagram of sensor node

(1)微处理器单元。该单元选用的主芯片型号为MSP430F149，具有处理能力强、功耗低和模拟性能高等优点。该单元可以在-40～85 ℃内运行，对恶劣环境的适应性较好。同时该单元包含与各种单元进行连接的接口，例如拨码开关电路、数据采集单元等，其中拨码开关电路能用于传感器节点地址的设定。

(2)无线通信单元。该单元选用射频标准为IEEE 802.15.4的nRF905单片射频收发器，电路部分由接口电路、天线电路以及晶振电路组成，且该单元的发射速率最高可达到50 Kb/s。

(3)数据采集单元。选择MAX6675传感器获取自动化液位仪表信号数据。该单元可以在-20～85 ℃内运行，且内嵌冷端补偿电路，对信号的分辨率极高。引进74HC4051芯片，将8路热电偶输入信号当作MAX6675的信号输入，以方便扩展系统。

(4)电源单元。该单元通过锂一次电池完成传感器节点运行需要的电能的供应，该电池基本不存在自放电情况，即便长时间不使用减少的能量也非常低。

2.3 系统软件设计

自动化液位仪表故障突变信号的分析、处理以及特征提取对故障识别效果具有重大影响，因此使用基于小波包算法的自动化液位仪表故障识别方法，识别自动化液位仪表故障。小波包分解具有良好的时频分辨率，不仅可以多层次划分频带，还可以进一步划分未细化的高频区域。在自动化液位仪表发生故障的情况下，其故障特征频段的能量大于正常时的频段能量，通过该特征便能获得能量变化与自动化液位仪表故障之间的映射关系，具体故障识别流程如图6所示。利用频谱分析处理自动化液位仪表信号，经过小波包分解与重构后，获取相应频带区域的信号，并将仪表故障特征频段提取出来，计算每个特征频带信号的能量，将计算结果进行归一化处理，并与仪表正常状态的频段能量进行比较，以确定自动化液位仪表状态，当其处于正常状态时，则结束算法；当其处于故障状态时，则判断仪表故障类型后结束算法。

图6 自动化液位仪表故障识别流程Fig.6 Fault identification flow chart of automatic liquid level instrument

3 系统性能测试结果分析

将10个自动化液位仪表作为实验对象，并引入MATLAB软件搭建仿真环境，模拟精度降低、参数超上限、无回波以及调节阀波动等8种常见仪表故障，使用本文系统采集仪表故障信号与正常状态信号各50组数据用以实现故障识别。

将传感器节点数量分别设置为30、60、90，不同自动化液位仪表信号数据采集次数下，传感器节点的平均能耗如图7所示。从图7可以发现，不同传感器节点数量的节点平均能耗均随自动化液位仪表信号数据采集次数增加呈缓慢上升趋势，且始终保持在0.8 J以下；当采集次数相同时，传感器节点数量与节点平均能耗之间呈正比，但能耗增加幅度很小。因此可得，本文系统的传感器节点平均能耗整体水平较低，满足系统的低能耗要求。

图7 传感器节点平均能耗结果Fig.7 Average energy consumption results of sensor nodes

使用本文系统的小波包算法分解并重构调节阀波动故障信号，获得的3个频带波形如图8所示。

图8 调节阀波动故障信号的不同频带波形Fig.8 Waveforms of different frequency bands of fluctuation fault signal of regulating valve

从图8可得，本文系统对自动化液位仪表故障信号具有较好的分解及重构效果，能清晰呈现不同频带的信号特点，且不存在噪声，有助于提升仪表故障识别准确性。

某日上午8点至9点的自动化液位仪表故障识别结果见表1，将10个仪表分别用A—J的字母编号。从表1可以看出，当自动化液位仪表发生故障时，本文系统的故障识别结果与故障实际结果一致，并能及时进行报警，且各仪表的故障识别用时均低于40 s，表明本文系统具有较优异的自动化液位仪表故障识别性能。

表1 自动化液位仪表故障识别结果Tab.1 Fault identification results of automatic liquid level instrument

本文系统可以为用户提供自动化液位仪表故障识别记录的查询功能，查询界面如图9所示。

图9 自动化液位仪表故障记录查询界面Fig.9 Automatic liquid level instrument fault record query interface

由图9可以看出，对于自动化液位仪表故障记录的查询，本文系统可以提供多个查询条件，以满足用户的不同查询需求，且查询界面十分简洁，当用户输入查询条件后，能清晰、迅速地了解所需故障信息。

4 结语

随着工业生产过程对自动化液位仪表的依赖性日益增强，仪表能否正常运行变得格外重要，因此本文设计基于PLC技术的自动化液位仪表故障识别系统，将PLC技术作为核心，通过各层级的相互协作识别自动化液位仪表故障。该系统的传感器节点平均功耗较低，利用小波包算法可以获得较理想的自动化液位仪表信号分解及重构效果，据此能够实现仪表故障的精准、高效识别，且系统的仪表故障记录查询界面十分友好，符合用户不同的查询需求，该系统的可扩展性优良，在各大领域的设备故障识别中具有广阔的发展前景。