石油化工自動(dòng)化儀表故障診斷方法研究

王擁軍

（中石油烏魯木齊石化公司計(jì)控部，新疆 烏魯木齊 830019）

石油化工行業(yè)由于生產(chǎn)環(huán)境的限制，難以滿足大規(guī)模的人員安置需求，但由于其自身的生產(chǎn)量相對(duì)龐大，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)提出更高的要求。面對(duì)這一問題，自動(dòng)化技術(shù)的介入有效改善了石油化工的生產(chǎn)模式，以及其代替人工的操作方式大大提供了生產(chǎn)效率，并減少了對(duì)人員的使用數(shù)量。但隨之而來的也出現(xiàn)了新的問題。雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的定期維護(hù)與檢查，但出現(xiàn)故障仍是不可避免的，長期停產(chǎn)維護(hù)設(shè)備對(duì)企業(yè)造成了不小的經(jīng)濟(jì)損失，由此，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的設(shè)備故障檢測(cè)成為現(xiàn)階段專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。其中，楊軍以PLC為操控中心，進(jìn)行了電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)的相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的準(zhǔn)確檢測(cè)，但耗時(shí)較長，且對(duì)故障位置的定位存在一定偏差；馮子恒等人就石油化工企業(yè)自動(dòng)化儀表故障的預(yù)防措施進(jìn)行了深入研究，并提出了具體的維護(hù)方法，有效降低了儀表故障的發(fā)生頻率，但對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的問題，缺乏明確的研究。為此，本文提出了石油化工自動(dòng)化儀表故障診斷方法研究，以期為相關(guān)領(lǐng)域的維修工作提供參考。

1 石油化工自動(dòng)化儀表故障診斷

1.1 故障信號(hào)VMD分解

傳統(tǒng)故障診斷方法存在誤差的主要原因是故障信號(hào)的分析受干擾信號(hào)的影響，導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，影響最終的診斷結(jié)果。為了避免該問題，本文采用VMD對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行分解，在分解過程中將故障診斷問題轉(zhuǎn)化為變分信號(hào)的求解問題。為此，本文將其分為構(gòu)造和求解兩個(gè)過程。

構(gòu)造的目的是明確儀表在不同狀態(tài)下的正常運(yùn)行參數(shù)范圍，本文定義其為儀表的模態(tài)，用K表示，將故障信號(hào)的規(guī)范控制在K內(nèi)，假設(shè)每個(gè)模式的中心工作參數(shù)為有限帶寬值，則每個(gè)模式的估計(jì)帶寬之和通過K個(gè)模態(tài)函數(shù)uk(t)最小化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表正常狀態(tài)參數(shù)的判斷。但需要注意的是，模態(tài)函數(shù)uk(t)需要滿足所有模態(tài)之和等于輸入信號(hào)的約束標(biāo)準(zhǔn)。具體步驟如下：

首先，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換，得到不同負(fù)荷狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的模態(tài)函數(shù)uk(t)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的解析處理，此時(shí)輸出的信號(hào)形式為單邊頻譜：

其中，γ表示Hilbert變換后故障信號(hào)的單邊頻譜，j表示儀表的運(yùn)行負(fù)荷狀態(tài)，t表示故障信號(hào)采集的時(shí)間，φ（t）表示儀表正常狀態(tài)下t時(shí)刻的運(yùn)行參數(shù)。

在得到故障信號(hào)的單邊頻譜后，需要計(jì)算自動(dòng)化儀表的基礎(chǔ)參數(shù)基帶范圍，考慮到解析信號(hào)為非固定模態(tài)的結(jié)果，本文通過預(yù)估中心參數(shù)值實(shí)現(xiàn)該過程，其可表示為：

對(duì)應(yīng)的約束條件為：

其中，f表示采集到的信號(hào)總量。

通過這樣的方式完成對(duì)故障信號(hào)的拆解，并構(gòu)造出以單邊頻譜為基礎(chǔ)單元的信號(hào)形式。

1.2 故障診斷

在完成上述操作后，既可以對(duì)VMD拆解后的故障信號(hào)進(jìn)行診斷，即對(duì)變分問題求解。為了最大限度干擾信號(hào)對(duì)診斷結(jié)果的影響，本文在計(jì)算過程中引入二次懲罰因子α，并借助拉格朗日乘法算子λ(t)對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行約束，將約束性變分問題轉(zhuǎn)化為非約束性變分問題，降低計(jì)算的復(fù)雜程度。

首先，利用二次懲罰因子對(duì)分解后的故障信號(hào)約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)高斯噪聲的過濾處理，其可以表示為：

其中，γ′表示過濾后的故障信號(hào)。在此過程中，拉格朗日算子主要負(fù)責(zé)保持約束條件的嚴(yán)格性。

以此為基礎(chǔ)，對(duì)石油化工自動(dòng)化設(shè)備故障診斷的步驟如下：

（1）首先按照儀表的出廠參數(shù)設(shè)置，對(duì)故障類型進(jìn)行劃分，在參數(shù)齊全的狀態(tài)下對(duì)可以表征故障類型的信號(hào)特征進(jìn)行提取，并將其作為故障診斷的依據(jù)；

（2）將采集的故障信號(hào)進(jìn)行VMD分解后，將與表征故障類型信號(hào)特征相似的單邊頻譜信號(hào)作為儀表的輸入信號(hào)，在與被測(cè)儀表運(yùn)行環(huán)境近似的條件下對(duì)故障征兆數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，計(jì)算對(duì)應(yīng)的故障征兆在不同故障類型下的支持度；

（3）再對(duì)分解后的信號(hào)進(jìn)行去噪過濾處理，同樣重復(fù)上述操作，并統(tǒng)計(jì)其輸出的故障類型匹配結(jié)果是否與原結(jié)果一致，如果一致，則可將其作為最終的故障診斷結(jié)果；如不一致，則需要重新在儀表中輸入降噪后的信號(hào)，再次采集對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)，并重復(fù)步驟（1）和步驟（2）的操作，直至結(jié)果一致。

2 試驗(yàn)測(cè)試

將本文提出的故障診斷方法應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，并將文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]提出的方法作為對(duì)照組。通過分析三種方法對(duì)故障的診斷結(jié)果，客觀評(píng)價(jià)本文提出方法的應(yīng)用價(jià)值。

2.1 模態(tài)的選取

本文實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)以自動(dòng)化電氣儀表的故障診斷為目標(biāo)，選用美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)電氣工程實(shí)驗(yàn)室的儀表振蕩數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，電機(jī)傳動(dòng)儀表終端的6205-2RS SKF端口介入有0.1775mm的故障點(diǎn)。儀表具體的參數(shù)設(shè)置為：負(fù)荷為0狀態(tài)下儀表運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1797r/min、負(fù)荷為1狀態(tài)下儀表運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1772r/min、負(fù)荷2狀態(tài)下儀表運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1750r/min，負(fù)荷為3狀態(tài)下儀表運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1730r/min。實(shí)驗(yàn)按照12kHz的采樣頻率對(duì)儀表的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，并定義模態(tài)數(shù)為K，在不同負(fù)荷狀態(tài)下，以儀表中心的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為模態(tài)區(qū)分的依據(jù)。為了使診斷結(jié)果更加直觀，本文以正判率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算方式為：

其中，P表示正判率，tr表示故障診斷準(zhǔn)確的次數(shù)，t表示輸出的總判斷總數(shù)。

2.2 結(jié)果分析

在上述基礎(chǔ)上，對(duì)三種方法的診斷結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在不同負(fù)荷狀態(tài)下，三種方法診斷結(jié)果的正判率均出現(xiàn)了一定程度的下降，這是因?yàn)殡S著儀表運(yùn)行負(fù)荷的增加，由于其自身的振動(dòng)、延時(shí)等問題帶來的干擾作用逐漸加強(qiáng)，因此三種方法對(duì)0負(fù)荷狀態(tài)的診斷結(jié)果最為準(zhǔn)確。但相比之下，本文方法的診斷效果相對(duì)穩(wěn)定，始終穩(wěn)定在95%以上，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

表1 不同方法的故障診斷結(jié)果

3 結(jié)語

石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展決定了其自動(dòng)化程度將會(huì)越來越高，在此背景下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備故障的有效診斷成為確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文提出石油化工自動(dòng)化儀表故障診斷方法研究，對(duì)故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，具有良好的應(yīng)用效果。通過本文的研究，以期為石油化工行業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的故障診斷工作提供有價(jià)值的參考。