現場控制儀表的故障診斷與補償容錯控制系統

律明旸

摘要：在現場控制儀表的過程控制系統中常規控制回路是基礎，回路間相互耦合，如果控制回路中某一局出現故障，例如閥門故障，那么將會影響整個控制回路性能，嚴重時會使控制系統癱瘓。在這一基礎上，對控制回路中的故障進行有效、快速解決，可使控制系統性能提升。但對連續作業系統而言，維系和更換系統設備將會對生產產生影響，這就需要運用控制補償思想進行系統容錯控制，保證控制系統可以正產工作。

關鍵詞：現場控制儀表;故障診斷;補償容錯;控制系統

常規控制回路在過程控制系統基礎層中的占比達到90%，回路間呈現出關聯耦合的關系，其中一局部如果有控制回路故障存在，會使控制回路出現波動情況，使其性能退化，基于回路關聯傳遞機制，將故障傳播至有關回路，也會使其性能退化，導致廠及控制系統有波動情況出現，降低產品質量，增加能耗，嚴重時會使廠級控制系統癱瘓，最終發生安全事故。這就需要現場工程師分析故障現象，由此對控制回路進行精準定位，采取合理維護手段，消除故障，工業控制系統朝著正常狀態發展。從而可知，解決廠級范圍的控制回路退化問題時，需要回路準確定位。面對連續流程的工業生產線時通常是一年進行一次大修，進而很難及時維修、更換性能衰退或出現故障的設備，應基于控制補償角度有效進行主動容錯控制法制定，維持控制回路性能處于正常狀態。

一、現場控制儀表故障診斷

應用計算機控制系統是當前大多數工業過程的選擇，主要是因為計算機有著水平較高的控制可靠性，但是這一過程中會伴隨著傳感器、執行器沒有足夠可靠性的問題。事實上，在傳感器以及執行器故障影響下，控制系統會出現失效問題，根據統計可知，80%控制系統失效是因為傳感器以及執行器存在故障。基于傳統控制理論可知，其假設執行器、傳感器有著正常狀態，使得檢測執行器、傳感器故障、容錯控制等問題的理論價值及應用價值較高。另外，現階段會應用“二狀態故障模型”來研究故障容錯的控制形式。盡管該描述能夠對故障診斷以及容錯控制進行簡單研究，但是很難將工程系統中出現的故障現象反映出來[1]。因此，這時就應該構建一個可解析實際故障的模型。

（一）傳感器故障

傳感器控制是多輸入、多輸出、非線性的動態控制，因此容易受到各種因素影響出現故障，本文主要分析的工業工程中所使用的傳感器，那么在工業工程中，可以外界因素、傳感器特征為基礎，這就能夠將傳感器故障劃分成兩類，一類是軟故障，另一類是硬故障。傳感器偏差故障、精度下降故障、漂移故障為軟故障表現形式，完全故障即為硬故障的表現。實際工業工程中軟故障相較于硬故障更容易被檢測，危害性也將隨之增加。

（二）執行器故障

執行器作為系統控制回路終端，對于控制系統性能有著重要作用。工業工程中閥門是一種常見執行器，如果沒有合理使用閥門，或是閥門存在故障，將會阻礙工業生產工作的開展，甚至會出現安全事故。此外，控制系統中許多重要部門閥門價格貴，更換起來也比較麻煩，因此需要注重故障診斷與分析工作開展。閥門組成部分主要有閥門定位器、調節機構以及執行機構。控制器可將信號輸出，執行機構對閥門推理加以控制，推理力矩將會轉變為角位移信號;對調節機構加以應用后，位移信號對于流通面積產生影響，這將會改變流體流量。利用閥門定位器能夠優化控制系統性能，定位器以及閥桿位移量是可形成控制系統的副回路控制，克服摩擦力。閥門定位器與被控變量可以構成串級控制，結合閥門機構劃分故障類型，可分成一般外部故障以及定位器、執行機構、調節機構等故障。系統壓力井底的情況下，閥門呈現出圖標故障;當閥桿傳感器出現問題，極易產生衰減故障;當閥桿移動范圍超出其正常移動范圍時，就會堵塞閥門，閥門衰減故障很容易發生。

二、主動補償容錯的控制方法

控制系統通常較為復雜，負反饋控制以及控制回路耦合將會加快控制回路故障的傳播速度，故障對控制系統造成的影響，不會使其出現較大變化，這就很難在線調節閉環控制系統故障。現場控制儀表中還有許多可以預見故障及常見故障，根據這些故障特征構建故障模型，合理進行主動容錯控制，將其保存在系統容錯控制庫之中。系統可根據故障模塊做出診斷，由此判斷故障位置，同時做好故障隔離工作，這一方法在控制儀表主動容錯控制方面應用的范圍較廣。在這一基礎上，構建以故障檢測為基礎的故障診斷以及主動補償容錯控制法，基礎閉環控制、診斷故障、補償容錯、人機監督管理等是其中重點內容。基礎閉環控制構成的部件主要有有控制器、執行器、信號轉換、傳感器，計算機控制系統、集散控制系統是比較常見的基礎閉環控制系統。常規控制回路在工業控制中有著比較大的占比，當回路控制出現故障時，因為回路間耦合關聯，會對整個系統造成影響。基礎閉環控制可使工況更穩定，并且會對故障診斷以及實施容錯控制策略產生影響。

結束語

過程控制系統和復雜程度提高，使得控制系統中故障診斷以及容錯控制成為重要組成部分，其能夠實現工作檢測、診斷故障、主動補償容錯。因此需要結合過程控制系統特點及現狀，構建多種執行器與傳感器故障描述形式，保證與工業情況相符，并基于此制定合理的容錯控制方法。

參考文獻：

[1]楊澤斌，王丁，孫曉東，孫超，吳家杰.無軸承異步電機傳感器故障容錯控制[J].儀器儀表學報，2021，42（05）：99-109.

[2]李明.基于數據驅動的調節閥故障診斷與容錯控制方法研究[D].中國計量大學，2019.