傳感器狀態監測與容錯控制的應用

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鋼軋作業部 劉順東 陳明瀟

現代化的生產制造產線能夠實現高度自動化，最重要的一點是大量先進傳感器的應用，能夠采集生產現場各種所需設備和工藝信息數據，為自動控制系統提供可靠的數據來源，而自動控制系統的穩定性受到系統中傳感器可靠性的影響和制約很大。因此，能夠快速發現和判斷出自動化控制系統中的傳感器故障具有非常現實的實際意義。利用各種傳感器對生產過程中采集的各種工藝參數進行監控和實時調整，使現場機械設備工作在穩定可靠的狀態或最佳的狀態，生產制造出的產品達到最佳的品質。因此傳感器在自動化系統中的應用占據著極其重要的地位，現場傳感器數據檢測是否準確，將直接影響到自動化控制系統的控制精度和功能的實現。一旦傳感器數據出現錯誤或異常，將直接造成自動控制功能的失敗，嚴重會造成生產線的設備損壞或停產故障。

本文采用多傳感器數據融合技術對系統中的傳感器進行狀態監測、識別，及時發現傳感器自身故障，利用容錯控制策略，來提高自動控制系統的可靠性和穩定性。

1 傳感器重要組成和故障介紹

傳感器按照檢測原理來劃分，主要由以下幾部分組成：將被測量進行準確感知的敏感元件、由于接收敏感元件信號的轉換元件、轉換成標準信號輸出的變換電路以及為上述部位提供動力的輔助電源，如圖1所示：

由于傳感器內部封裝有電子元件，而且有些傳感器安裝現場環境非常惡劣，高溫潮濕、震動大，傳感器容易受到溫度、環境等因素影響造成自身的信號產生不穩定；傳感器長時間工作在上述惡劣的環境下，很容易出現異常問題，如老化、斷線等，這樣就會導致傳感器檢測輸出信號出現不穩定狀態，從而導致相應的傳感器檢測狀態出現異常。這樣檢測狀態出現異常的傳感器將無法準確及時的對被監控設備狀態信息進行檢測，最后自動化控制系統將失去穩定可靠的數據來源而導致控制失敗，造成控制功能異常，進而發生產線堆鋼等現象，嚴重的會造成軋線設備的損壞。

一旦出現了部分傳感器發生故障，為了避免傳感器檢測信號反饋異常造成的設備控制失敗問題，故障傳感器就要及時準確的被系統識別，通過自動化控制系統進行合理的保護，并能進行有效的診斷和隔離，采用容錯控制技術，使有傳感器或無傳感器的設備能夠穩定、安全、可靠地運行。

因此，對傳感器狀態監測與故障后，相應的自動控制系統如何實現安全穩定控制是非常重要的，這就涉及到兩個重要方面，一是傳感器狀態異常異常后故障識別問題；二是在故障識別后的容錯機制和相應的穩定控制方法，即容錯控制。自動化控制系統只有做到了傳感器狀態信號異常信息及時有效的識別后，再依據識別后的異常信號采用相應的容錯機制，就能夠增加整個控制系統的容錯性和穩定可靠性，降低損失，對自動化產線穩定生產起到安全性保障。

2 傳感器狀態監測與故障識別

傳感器設備狀態監測與故障診斷是確保傳感器信號的準確性，通過對傳感器運行狀態的監測，來判斷其是否正常，進一步預測診斷設備故障并排除故障；通過傳感器自身狀態的有效監測，自動控制監測系統能夠識別和確定現場傳感器自身的運行狀態，采用各種判別方法如：測試、測量、監測等手段，結合傳感器運行的歷史狀態和目前實際情況，考慮到傳感器工作環境因素的影響，來有效的評估現場設備狀態運行情況，綜合判斷出傳感器狀態是否正常或異常，并顯示和記錄狀態，對異常狀態進行報警，為傳感器設備狀態的故障分析、性能評估、合理使用提供有效的信息和基礎數據。傳感器狀態監測技術的核心是利用先進的現場傳感器技術，通過有效的監測手段，來對傳感器檢測輸出數據進行處理，并把數據結果傳送給數據庫進行存儲，提取特征信息，識別故障，給出科學、準確、經濟的防治措施或維修方案。

傳感器狀態監測的目的是根據控制系統對設備狀態進行實時檢測判斷，并結合已經掌握提煉的故障狀態特征和設置參數、外在工藝條件，查詢傳感器設備本身的運行歷史數據，來有效的預測、分析和判斷設備可能存在的故障，以確定傳感器數據是否準確可靠。輕微故障通過聲光報警來提示故障的發生及其后果。維護人員可以根據告警信息，提前采取有效措施，進一步開發和排除故障，最終使設備恢復正常狀態。嚴重的故障，會判斷影響程度并結合多數據信號冗余切換控制來實現安全穩定控制。

狀態監測與故障診斷系統主要分為三部分：現場數據的采集、傳感器狀態的監測和傳感器自身故障診斷（如圖2所示），上述三者之間的關系可以描述如下：“現場數據的采集是保證傳感器狀態正確監測和診斷的前提和基礎，傳感器狀態的監測是現場數據采集功能的擴展和自動實現，也是傳感器自身故障診斷的前提和基礎；傳感器自身故障診斷是傳感器狀態監測系統的核心，三者相輔相成，最終構成一個完整的狀態監測與故障診斷系統。”

數據采集部分的任務包括：模擬量信號和開關量的采集、信號的預處理、濾波限幅以及單位轉換等。

狀態監測部分的任務是在前端數據采集的基礎上，通過使用現場多個傳感器數據資源，結合這些多傳感器在空間和時間上的數據信息，將可以實現冗余或互補的傳感器信息有效的結合起來，得到對主體的一致性解釋或描述（即數據融合），并對現場傳感器自身設備的狀態進行有效區分和分類，最終就能夠給出這些現場傳感器設備狀態的有效合理信息。這里具體內容部分包括以下：傳感器數據信號的分析，如數值超限分析、歷史數據統計分析、時序分析、自動觸發聲光報警、前端傳感器原始數據的處理和后端故障診斷。根據對設備狀態信息的狀態合理有效的監測，可以判斷出傳感器故障診斷部分是否已經進入了正常工作狀態，從而在故障診斷后采用相應的安全容錯控制策略。

診斷過程包括三部分，即設備故障信號的采集、設備故障信號的特征提取、設備故障的模式分類。綜上所述，基于多傳感器數據融合的故障診斷技術主要是利用數據融合技術來提高故障診斷的準確率（如圖3所示）[1]。

數據融合技術是在20世紀70年代提出的，多傳感器數據融合技術首次應用于軍事系統，由于現代機械功能多樣，結構復雜，工作環境不穩定，采用單一傳感器進行設備故障診斷的方法已經無法滿足和適應現代化高度中生產線的需求，對關鍵位置傳感器工作狀態診斷的結果存在很大的不確定性，甚至可能會出現傳感器狀態的錯誤診斷、異常報警等。設備故障依據各自工作原理不同的特點，會出現相應的不同故障特點，如有些現場運行的設備出現故障時往往會伴隨著較大的設備振動，而有些設備故障（如電機堵轉等）會導致設備本身運行時的溫度顯著提升；在設備故障時，如果能夠綜合利用現場設備所安裝的傳感器數據信息，通過收集并整理這些多個傳感器檢測數據的反饋信息，這樣就可以利用這些故障信息來綜合、有針對性的對已出現的設備故障做出有效準確的判斷。不同檢測原理和不同安裝方式傳感器的出現，集成并采用了先進技術，使多個傳感器數據之間的相互判斷、比較成為可能，把這些傳感器數據通過融合技術，充分利用各種不同檢測原理的傳感器數據信息，在設備狀態出現異常數據時可以多方面對數據進行有效處理，這樣就可以獲得比應用單一傳感器的控制系統更加全面、準確的設備狀態信息，最終實現對設備異常狀態信息的準確診斷。如圖4所示，通過采集設備狀態異常的多傳感器數據將直接融合。在多傳感器數據級融合的過程中，要多方面分析各個傳感器數據信息，通過數據融合后為了保持數據的一致性，可以通過查找傳感器初始數據之間是否存在相關性來判斷。

另外容錯控制方法和穩定控制技術是密不可分。

3 傳感器的容錯控制

容錯控制是在1986年，由IEEE會議和美國國家科學基金委員(National ScienceFoundation,NFS)共同舉辦的會議被首次提出，其含義是：當某些執行元件出現故障或者失效時，通過施加一定的控制策略，使得控制系統能夠繼續按照原指標或降低指標的要求，執行規定任務。近年來相關學者對容錯控制展開了廣泛地研究，包括各類電機、電動汽車的驅動系統、航空航天設備等，容錯控制的研究對于提高系統安全性、可靠性、穩定性等具有重要的意義[2]。

系統的容錯控制技術一般以系統模型的建立為基礎，系統模型越準確，現場傳感器異常后容錯控制就越有效。在一些無法準確建立數學模型的容錯控制系統中，往往會考慮其他方法。

容錯控制方法是將現場總結提煉出來的設備運行狀態特征形成專家系統知識，輸入到計算機系統，使計算機能夠利用這些知識和經驗解決具體問題。容錯控制可以完全依據現場傳感器工作狀態及生產工藝情況，綜合判斷出是否可以正常生產控制還是立即停機處理，它是完全依據每條生產線根據專家知識和智慧制定出來安全可行的一套特定容錯智能控制方案。智能容錯方案能夠很好地識別和適應設備運行隨機產生的未知錯誤，使自動化控制系統能夠實現安全有效的無擾動控制，具有良好的容錯性，大大提高了整個自動化控制系統的運行穩定。

容錯控制做為一門新興的交叉學科，其學科意義就是要盡量保證動態系統在發生故障時仍然可以穩定運行，并具有可以接受的性能指標。因此，容錯控制為提高復雜動態系統的可靠性開辟了一條新的途徑。由于任何系統都不可避免地會發生故障，因此，容錯控制也可以看作是保證系統安全運行的最后一道防線[3]。

4 結論

高度自動化的生產線中一些高精密的傳感器設備一旦發生故障將帶來巨大的人員和經濟損失。因此，在工業控制系統中對傳感器進行故障檢測和診斷是保證傳感器數據可靠的前提，即必須能夠對傳感器信號進行錯誤判斷，根據錯誤判斷的結果做出相應的容錯控制設計，容錯控制是傳感器設備異常后穩定控制的保證；最后，傳感器數據在發生故障的情況下能夠有效及時準確的識別，通過制定的傳感器異常下的容錯控制策略來實現自動控制系統的安全穩定，進一步來提高自動化控制系統的可靠性和穩定性，最大限度地減少損失具有非常重要的現實意義。