發(fā)電廠水處理流程傳感器故障檢測系統(tǒng)研究

張大海，劉宇穗 ，張世榮，李 威，黃冬蘭

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

在火力發(fā)電廠中，水既是熱力系統(tǒng)的工作介質(zhì)，也是某些熱力設(shè)備的冷卻介質(zhì)；水質(zhì)的優(yōu)劣，直接影響發(fā)電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。水處理流程是發(fā)電廠中的重要輔助環(huán)節(jié)，配備數(shù)量較多的各類傳感器以滿足流程監(jiān)測和過程控制的需求。傳感器故障是導(dǎo)致水處理流程參數(shù)越限的主要原因之一，有必要開展傳感器故障檢測研究以確保機(jī)組用水安全。工業(yè)流程傳感器故障檢測是目前科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[2-3]。故障檢測方法主要分為3類：基于分析模型的方法、基于定性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的方法及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法[2]。其中，基于分析模型及基于定性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的方法更適用于具有較少輸入、輸出或狀態(tài)變量的系統(tǒng)；對(duì)于具有海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)則宜采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。主元分析PCA（principal component analysis）是一種經(jīng)典的多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，通過定義一系列正交向量，即主元，使得過程數(shù)據(jù)的變化在這些向量的方向上得到集中體現(xiàn)，從而提取傳感器數(shù)據(jù)間的相關(guān)性。很多研究人員研究了基于PCA的傳感器故障檢測、分離與信息重構(gòu)方法[4-6]，并對(duì)其建模數(shù)據(jù)[7]及檢測指標(biāo)[8]的選取進(jìn)行了研究。檢測算法只是故障檢測的一個(gè)方面，完成故障檢測算法的現(xiàn)場應(yīng)用，還需要對(duì)故障檢測系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[9-10]以PCA為手段設(shè)計(jì)了發(fā)電廠凝汽器的故障診斷軟件，但此軟件以Matlab為平臺(tái)不適合在線應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]采用LabVIEW設(shè)計(jì)了機(jī)械裝置故障的離線診斷系統(tǒng)，較適合實(shí)驗(yàn)室研究。文獻(xiàn)[12-13]將.NET框架應(yīng)用于故障診斷及預(yù)測軟件平臺(tái)。

本文研究了基于PCA的故障檢測方法及其在電廠水處理流程中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究故障檢測系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)問題，對(duì)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。設(shè)計(jì)完成的傳感器故障檢測平臺(tái)在廣東某1000 MW電廠進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)正確性和可靠性。

1 火電廠水處理流程

目前，火力發(fā)電廠仍然較多采用傳統(tǒng)的預(yù)處理——陽床／陰床——混床的水處理工藝，如圖1所示。陽床、陰床及混床中的離子交換樹脂置換水中的鹽，實(shí)現(xiàn)凈化水質(zhì)的目的。本文針對(duì)試驗(yàn)電廠水處理流程的具體情況，重點(diǎn)選取12個(gè)傳感器變量用于故障檢測研究，如表1所示。以下故障檢測算法研究及軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)針對(duì)水處理過程的特征開展。

圖1 陽-陰-混床水處理流程Fig.1 Eation bed-anion bed-mixed bed water treatment process

表1 傳感器列表Tab.1 List of the sensors

2 基于PCA的故障檢測

設(shè)流程需要檢測的傳感器個(gè)數(shù)為m（在本文中m=12），獲取m個(gè)傳感器N次采樣，并歸一化處理獲得數(shù)據(jù)集合X：

式中，xi∈Rm，i=1，…，N。 對(duì)進(jìn)行主元分析可以得到主元模型。主元模型是利用過程正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)樣本集進(jìn)行主元分析所得到的一系列統(tǒng)計(jì)信息，包括：負(fù)載矩陣P、X協(xié)方差矩陣的特征值向量Δ、均值向量u、方差矩陣Dα和主元個(gè)數(shù)k。PCA故障檢測方法假設(shè)在整個(gè)正常運(yùn)行過程中，過程的統(tǒng)計(jì)特性不發(fā)生太大的改變，使用過程正常運(yùn)行下的數(shù)據(jù)建立主元模型來描述過程的統(tǒng)計(jì)特性，并利用該模型對(duì)新的檢測樣本進(jìn)行故障檢測。一般采用T2和Q統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。其中T2統(tǒng)計(jì)量定義為

式中：t是主元的分向量；Dλ是由Δ的前k個(gè)值所構(gòu)成的對(duì)角陣；Tα2是顯著性水平為α的T2統(tǒng)計(jì)量的控制限。Q統(tǒng)計(jì)量定義為

式中：e為殘差向量；Qα為顯著性水平為α的Q統(tǒng)計(jì)量的控制限。

在對(duì)流程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測時(shí)，對(duì)每次獲得的檢測樣本進(jìn)行T2、Q統(tǒng)計(jì)量的假設(shè)檢驗(yàn)，如果T2和Q統(tǒng)計(jì)量超過了其控制限，則可以判定過程在置信度為1-α的條件下出現(xiàn)了故障。

3 故障檢測平臺(tái)研究

3.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本文將基于PCA的傳感器故障檢測方法應(yīng)用到發(fā)電廠水處理流程，重點(diǎn)研究故障檢測軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。按照模塊化設(shè)計(jì)思想將故障檢測平臺(tái)分為4個(gè)獨(dú)立的功能模塊：調(diào)度功能塊、數(shù)據(jù)接口、故障檢測算法功能塊及人機(jī)接口，如圖2所示。4個(gè)功能模塊都設(shè)計(jì)為可執(zhí)行程序，功能塊之間的數(shù)據(jù)通信采用OPC（ole for process control）開放標(biāo)準(zhǔn)。模塊化設(shè)計(jì)使故障檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)清晰、功能劃分明確，便于程序的功能分析、程序設(shè)計(jì)及軟件測試；平臺(tái)的后期升級(jí)和維護(hù)性也可以得到增強(qiáng)，適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

圖2 故障檢測平臺(tái)基本框架Fig.2 Framework of the fault detection platform

調(diào)度功能塊主要用于實(shí)時(shí)檢測平臺(tái)其他3個(gè)功能塊是否“在服務(wù)”，若其中任何模塊出現(xiàn)故障則重啟相關(guān)模塊，確保平臺(tái)的正確工作。數(shù)據(jù)接口模塊主要用于獲取水處理流程的傳感器數(shù)據(jù)，并提供OPC服務(wù)器功能。故障檢測算法功能塊作為OPC客戶，獲取傳感器數(shù)據(jù)并采用PCA核心算法及工況處理、模型更新等輔助算法完成水處理流程傳感器故障檢測的核心功能。人機(jī)接口通過OPC實(shí)現(xiàn)與其他功能塊之間的數(shù)據(jù)交互，并完成平臺(tái)配置、故障報(bào)警、檢測信息的呈現(xiàn)等功能。

3.2 故障檢測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

（1）SIS 數(shù)據(jù)接口

大型發(fā)電廠一般采用可編程序控制器PLC作為水處理流程的控制裝置，并提供與電廠SIS（supervisory information system）的接口。水處理流程所有傳感器信號(hào)以及控制信息都集成到SIS進(jìn)行統(tǒng)一管理。SIS采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫對(duì)發(fā)電廠流程的海量信息進(jìn)行管理并提供了開放的數(shù)據(jù)接口，SIS的采樣速率完全滿足水處理流程傳感器故障檢測的需要。故本文采用從SIS數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù) （實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)）的方案來設(shè)計(jì)故障檢測平臺(tái)。

試驗(yàn)電廠的SIS采用了上海麥杰公司的open-Plant的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫[14]。該數(shù)據(jù)庫在國內(nèi)的大型火電廠已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用，為外部平臺(tái)提供DDE/OPC/ODBC/API等方式。為了保證檢測平臺(tái)對(duì)openPlant數(shù)據(jù)庫的高效操作，本文選用了API方式，通過使用麥杰公司提供的openPlant API函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取。openPlant API為操作者提供了功能豐富的函數(shù)集[14-15]，采用這些函數(shù)即可完成檢測平臺(tái)與SIS之間的數(shù)據(jù)讀寫操作。數(shù)據(jù)接口模塊一方面從openPlant數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)并通過OPC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，另一方面，接口程序還需要處理各功能模塊傳遞來的指令。故接口程序編制時(shí)采用了多線程技術(shù)，程序流程如圖3所示。

圖3 接口模塊流程圖Fig.3 Program flowchart of the data interface module

（2）OPC 接口的開發(fā)

OPC是故障檢測平臺(tái)各功能模塊之間的數(shù)據(jù)紐帶；數(shù)據(jù)接口功能塊運(yùn)行為OPC服務(wù)器，而算法功能塊及人機(jī)接口功能塊作為OPC客戶。為了確保故障檢測軟件平臺(tái)的可靠性，本文采用了成熟、可靠的WinTECH開發(fā)工具——WtOPCSvr.dll。首先，調(diào)用UpdateRegistry函數(shù)注冊(cè)O(shè)PC服務(wù)器；并調(diào)用InitWTOPCsvr函數(shù)初始化COM/DCOM，創(chuàng)建服務(wù)器類工廠。然后，調(diào)用CreateTag函數(shù)建立需要的Item；CreateTag為每一個(gè)成功建立的Item返回句柄。服務(wù)器即通過句柄對(duì)各Item數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，用Updatebyname函數(shù)完成。服務(wù)器退出時(shí)，調(diào)用函數(shù)UnitWtOPCsvr釋放資源，并進(jìn)一步調(diào)用CoUnitialize函數(shù)終止COM庫的服務(wù)。以上即為使用WinTECH OPC開發(fā)工具的基本過程。

算法功能塊和人機(jī)接口功能塊都作為OPC客戶運(yùn)行。本文采用NI公司的DataSocket控件來開發(fā)OPC客戶端。DataSocket控件采用URL來表示數(shù)據(jù)的地址，格式如下：

opc：//machine_name/server_name/Item_name。每個(gè)URL可以唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)OPC項(xiàng)。OPC客戶端的關(guān)鍵開發(fā)步驟如下：

①初始化 DataSocket。需要對(duì) DataSocket的Name屬性及OnDataUpdated事件賦值。當(dāng)對(duì)應(yīng)的OPC項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)就觸發(fā)其OnDataUpdated事件，可以在該事件的處理過程中獲得數(shù)據(jù)值。

②連接OPC服務(wù)器。調(diào)用DataSocket的ConnectTo（string URL，CWDSAccessModes accessMode）函數(shù)建立于OPC服務(wù)器的連接。URL參數(shù)為OPC項(xiàng)地址，accessMode表示更新模式，在本文中選用cwdsReadAutoUpdate模式，當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)更新。

③在OnDataUpdated事件處理過程中讀取數(shù)據(jù)。

（3）功能塊調(diào)度

為了維護(hù)故障檢測平臺(tái)的安全與穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了功能調(diào)度模塊監(jiān)視各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)。功能調(diào)度的基本思路：調(diào)度功能塊定時(shí)向其他功能塊發(fā)起“在服務(wù)”查詢消息；各功能塊若運(yùn)行正常（“在服務(wù)”），則在收到查詢消息后，按照約定的算法生成確認(rèn)信息，并返回給調(diào)度功能塊；反之，若被監(jiān)測功能塊出現(xiàn)故障則不能返回正確的確認(rèn)信息。調(diào)度功能塊多次確認(rèn)某一功能塊“在服務(wù)”狀態(tài)丟失后，可以通過重啟該功能塊來確保平臺(tái)功能的正常執(zhí)行。

調(diào)度功能塊的“在服務(wù)”查詢信息及其他功能塊的確認(rèn)信息都采用Windows的消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行信息通信時(shí)，發(fā)動(dòng)進(jìn)程通過PostMessage函數(shù)向接收進(jìn)程發(fā)送消息，參數(shù)wParam和lParam攜帶消息體；接收進(jìn)程采用DefWndProc函數(shù)接收數(shù)據(jù)。采用該方式就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能塊與其他功能塊之間“在服務(wù)”查詢及確認(rèn)信息的傳遞。

（4）平臺(tái)組態(tài)

平臺(tái)采用“組態(tài)”理念設(shè)計(jì)完成，使得平臺(tái)更加靈活，便于現(xiàn)場調(diào)試。SIS服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、SIS與故障檢測平臺(tái)之間的變量連接關(guān)系以及平臺(tái)多模塊之間的數(shù)據(jù)連接關(guān)系等都存儲(chǔ)在ACCESS組態(tài)數(shù)據(jù)庫，并提供方便的組態(tài)界面?，F(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，只需按照現(xiàn)場實(shí)際情況對(duì)平臺(tái)進(jìn)行必要的配置，即可針對(duì)實(shí)際的水處理流程開展故障檢測。現(xiàn)場調(diào)整及后期維護(hù)方便。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的水處理流程故障檢測平臺(tái)采用C#開發(fā)完成。故障檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)完成后，先在實(shí)驗(yàn)室以試驗(yàn)電廠的離線數(shù)據(jù)進(jìn)行了平臺(tái)的聯(lián)合調(diào)試，然后在廣東某電廠1000 MW機(jī)組水處理流程進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。為了不影響原有控制及管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，為故障檢測平臺(tái)獨(dú)立配備了一臺(tái)計(jì)算機(jī)，置放于1-2#機(jī)組的電子設(shè)備間，且與openPlant數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處于同一網(wǎng)段。水處理流程的PLC控制系統(tǒng)通過接口機(jī)集成到openPlant數(shù)據(jù)庫。傳感器信號(hào)及控制信號(hào)都進(jìn)入SIS統(tǒng)一管理。傳感器故障檢測平臺(tái)通過與openPlant數(shù)據(jù)庫的接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)該電廠水處理流程控制系統(tǒng)的實(shí)際配置情況對(duì)故障檢測平臺(tái)進(jìn)行了“組態(tài)”，將表1所示12個(gè)傳感器作為故障檢測平臺(tái)的重點(diǎn)研究對(duì)象。以該廠SIS為基礎(chǔ)，對(duì)平臺(tái)各功能塊進(jìn)行了全面驗(yàn)證?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的傳感器故障檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)思想正確，所采用的技術(shù)成熟可靠，適合工業(yè)領(lǐng)域長期在線運(yùn)行。現(xiàn)場試驗(yàn)還驗(yàn)證了基于PCA的故障檢測方法能較好地適用于電廠水處理流程的故障檢測，能較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障檢測及故障定位。

5 結(jié)語

針對(duì)電廠水處理流程傳感器的PCA故障檢測算法，本文設(shè)計(jì)了一套故障檢測的軟件平臺(tái)。采用API的方式實(shí)現(xiàn)了與openPlant SIS數(shù)據(jù)庫的接口，采用OPC通用、開放標(biāo)準(zhǔn)完成功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，故障檢測平臺(tái)還采用了組態(tài)的理念，使故障檢測平臺(tái)的靈活性好，并且易于升級(jí)。平臺(tái)已經(jīng)在大型發(fā)電廠中完成了現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)理念及實(shí)現(xiàn)技術(shù)的正確性和可靠性。該故障檢測平臺(tái)可以為其他工業(yè)控制軟件的設(shè)計(jì)提供參考。

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