機場油庫自控系統故障診斷策略的探究

馬 駿

（中國航空油料有限責任公司河北分公司，河北 石家莊 050802）

機場油庫是直接為飛機加油車或機坪管網等輸送航空油料的油庫，主要功能包括油料的接收、儲存與發出，還涉及到倒油、放沉與油品回收等作業流程，是機場供油系統的樞紐所在。

近年來，隨著國內自動化水平的不斷提高，自控系統在機場供油系統的應用越來越廣泛，尤其是通過機坪管網直接加注航空燃料的機場，自控系統已經成為機場油庫的核心部分。機場油庫自控系統是機場油庫非常重要且較為復雜的組成部分，它的應用一方面極大地提高了企業的供油服務效率，另一方面，在實際使用過程中，自控系統也容易受各類故障的影響，導致無法正常使用，從而影響正常的機坪供油服務。隨著機場油庫自控系統使用年限的增加，構成自控系統的各類電氣設備故障率逐步提高，而對自控系統故障的原因查找與處理耗費了大量的人力物力。

1 機場油庫自控系統故障類型

1.1 硬件故障

機場油庫自控系統的硬件故障主要包括控制儀表故障、變頻器故障、泵機故障、接線端子故障、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 及相關模塊故障、 不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS） 故障、信號干擾故障、接觸器與繼電器等電氣設備故障。

其中，控制儀表故障主要包括溫度變送器、壓力/壓差變送器、物位儀表與流量計故障[1]。控制儀表相當于機場油庫自控系統的感官器官，是整個系統的數據采集端，安裝的位置大多位于現場，往往處于高溫、高濕、腐蝕、震動等較為惡劣的環境中，因此相比于自控系統的其他部分，故障發生率處于較高水平；而使用在油庫爆炸危險環境的電氣儀表均要求為防爆電氣設備，因此也對控制儀表質量提出了更高的要求。其中，儀表數據顯示異常是控制儀表故障最直觀的表現，主要表現形式有無法顯示參數、顯示數據與實際不符、顯示數據忽高忽低、突然變化、閃現、變化緩慢或無變化等。

接觸器與繼電器相當于自控系統的雙手，由于機場油庫自控系統通過輸出單元直接控制其線圈的通斷，以此來間接地控制電動閥與泵機等執行機構；同時執行機構的運行狀態也可以通過其觸點的開閉，間接地反饋到PLC 中，以實現閉環控制。因此，當其觸點不能正常吸合或斷開時，將影響整個系統的正常運行。按照功能的不同，其通斷頻率也相差很大，通斷頻率過高與過低有可能造成觸點粘連、線圈燒毀、觸點接觸電阻過大與零件松動等故障，因此這類電氣設備作為易損件更應該引起自控系統維護人員的注意，例如可以將不同位置上的接觸器與繼電器定期調整位置，輪換使用，平均通斷頻率，減少使用損耗。

1.2 軟件故障

機場油庫自控系統的軟件故障主要針對的是程序問題，除程序本身設計問題的原因外，由于用戶程序儲存在PLC 的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM） 中，是掉電易失性的，當后備電池故障、系統電源發生閃失時，程序丟失或紊亂的可能性就很大，同時強烈的電磁干擾也會引起程序出錯，因此，備份和保管好應用程序也是非常重要的。針對機場油庫自控系統的軟件故障，應本著先易后難的原則，根據故障現象，采取重新啟動程序、利用系統自帶的程序監視功能查找問題、程序修改等方式進行故障處理[2]。

2 故障診斷過程

目前，自控系統的故障診斷方式主要包括人工診斷與智能診斷兩種故障診斷策略。人工診斷主要依靠專業技術人員按照自控系統故障相關應急預案和以往經驗對進行自控系統故障診斷與處理，當無法解決時，還需要聯系售后進行故障診斷，因此人工診斷方式具有耗時長與對安全生產影響較大等不足；而智能診斷決策支持系統是以自控系統本身為基礎，致力于彌補人工診斷的不足，整合自控系統數據，按照一定的故障診斷規則與以往經驗，設計的一套具有故障自動診斷與技術指導的可不斷修改完善的計算機程序。當發生故障后，故障診斷系統可快速定位，分析故障原因，提示故障位置，并提出相應的解決方案，這對提高整個自控系統的穩定性與使用壽命、快速精準故障診斷具有重要意義[3]。

2.1 人工診斷

目前，大部分機場油庫采用以人工診斷為主、簡單的程序自診斷為輔的方式進行自控系統故障排查。人工診斷對人員專業素質要求較高，需要故障排查人員非常熟悉自控系統硬件連接與程序邏輯關系，在清楚“故障鏈條”的基礎上，采用看、聽、摸、聞等方式，利用萬用表、紅外線測溫儀與過程校驗儀等測量工具進行故障排查。由于機場油庫具有安全供油的重要任務，因此要求維修人員要以“先易后難、先軟后硬”的原則，快速安全地進行故障診斷，避免出現盲目排查的情況。

2.1.1 硬件故障的檢查及處理

自控系統硬件故障具有持續性與再現性的特點。因此，通斷幾次電源或執行幾次復位操作后，故障現象仍然相同，可用備件替換來判斷硬件是否損壞[4]。若通斷電或復位后故障不再出現，說明可能由于瞬間供電波動、電磁干擾或硬件偶發性故障所致。其中最容易出現故障的是輸入設備、輸出設備和輸入/輸出（I/O） 相關線路及模塊故障。

當輸入設備故障時，可以通過觀察或萬用表測量，來檢查輸入設備出否出現燒壞、接觸不良、短路或線路絕緣下降等問題，對癥處理即可。當輸出設備無法正常工作時，先將執行機構切至“硬操”控制狀態，觀察其能否正常工作，若“硬操”正常，則說明輸出設備本身無問題；再切至“軟操”控制狀態，通過檢測輸出信號來診斷故障[5]，具體的故障位置需要結合I/O 模塊的檢查來判斷，由于I/O 模塊是PLC 與外部控制對象溝通信息的通道，能否正常工作，既與輸入設備、輸出設備有關，又與連接導線、接線端子和電源模塊等部件有關[6]，故障情況非常復雜，具體診斷過程詳見2.1.3 節的典型舉例。

2.1.2 軟件故障的檢查及處理

PLC 軟件故障的概率要小于硬件故障，只要PLC 控制信號正常，程序出現問題的概率很小。跟蹤PLC 程序的運行是故障診斷的一種有效方法。例如，通過PLC 自帶程序運行監控功能，監視程序運行情況，當硬件輸入點動作時，監視程序響應的輸入信號與輸出信號是否動作，分為以下3 種情況：如果輸入信號未動作，則結合硬件故障檢查流程進行輸入鏈條的檢查；如果有輸入信號，程序無對應輸出，則檢查程序是否邏輯正確、程序是否出現丟失或紊亂、控制相關模塊是否故障；如果程序中輸入信號、輸出信號都有，但對應的輸出設備無動作，則需要結合硬件故障檢查流程進行輸出鏈條的檢查。

2.1.3 典型的機場油庫自控系統故障的人工診斷

自動供油保壓功能是機場油庫自控系統最重要的功能，主要是通過采集機坪加油總管上的壓力與流量等參數，根據壓力實際值與設定值的偏差進行油泵變頻恒壓控制，使機坪管網保持在一定壓力范圍內，保證供油穩定。在正常情況下，當機坪管網壓力下降到啟泵壓力時，油泵會按照預定程序邏輯，自動啟動保壓，若無法自動啟泵，機坪管網壓力將迅速下降，無法保證持續的機坪加油作業。以下結合軟件故障與硬件故障檢查方法，介紹某機場機坪管網壓力下降到啟泵壓力時，油泵不自動啟動保壓的典型故障的人工診斷過程。

1） 當機場油庫自控系統出現無法自動啟泵的情況時，首先應該檢查程序邏輯中設定的自動啟泵的6 個前提條件是否滿足：一是在自動加油狀態，有且只有一個出口閥開到位；二是發油總管壓力低于啟泵設定值；三是當前發油油罐的液位在設定的低液位以上；四是當前發油油罐的低液位音叉開關沒有動作；五是當前沒有換罐動作；六是油泵無故障信號。

2） 若上述前提條件有一條不滿足，則泵機無法自動啟泵；若滿足全部前提條件，則按照“先易后難、先軟后硬”的原則，重啟PLC，PLC 會進行自檢，重新運行程序，以排除程序運行問題造成的故障。

3） 重啟程序后，仍無法自動啟泵，則可以將使用泵打到檢修狀態，若自控系統自動啟動備用泵，則重點檢查之前的使用泵相關硬件控制鏈條是否出現故障，可按圖紙對該泵控制鏈條進行梳理，重點排查接觸器與繼電器等低壓電器元件，針對大電流接線端子可使用紅外線測溫器進行溫度測量，同時查看對應變頻器是否出現故障代碼。

4） 若自控系統無法自動啟動備用泵，則可能是壓力等信號采集輸入鏈條與分布式控制系統（Distributed Control System，DCS） 相關模塊故障，重點應檢查接線端子排、信號隔離模塊、總線通信模塊、現場遠傳設備與PLC 相關模塊指示燈是否正常。

5） 若通過上述重點檢查均未發現問題，但系統仍無法自動啟泵，則需要利用PLC 程序監控功能，按照控制邏輯，檢查程序運行情況是否與外圍輸入輸出信號一致。例如，若程序顯示已發出啟泵信號，但I/O 模塊對應的輸出指示燈不亮，則需要檢查或更換輸出單元；若程序顯示已發出啟泵信號，同時對應的輸出指示燈亮，而對應的繼電器KA 不動作，則需要檢查外部負載電路的供電電源是否正常，可用電筆測對應輸出點的公共端子，若電筆不亮，說明電源故障，若電筆亮，說明電源正常，可能是繼電器KA 故障。排除繼電器KA 故障后，如果繼電器KA 仍不動作，則使用導線一端接對應的輸出點的公共端子，一端接對應的PLC 輸出點，若繼電器KA 仍不動作，則說明輸出線路故障，需要檢查接線是否正確牢固；如果繼電器KA動作，則說明PLC 輸出點有問題。

2.2 智能診斷

機場油庫自控系統的智能故障診斷就是通過建立智能診斷決策支持系統，把自人類專家獲取的知識及經驗轉化為適合的計算機表達形式，來模擬人類專家進行故障診斷的過程，以便快速定位故障類型與位置，并及時給予操作人員準確的故障處理參考[7]。智能診斷決策支持系統主要由故障規則庫、故障經驗庫與知識庫3 個部分組成。

2.2.1 故障規則庫

故障規則庫的設計重點是根據對比不同設備狀態之間和設備狀態與控制程序之間的矛盾邏輯，通過計算機語言將人類專家的故障診斷規則儲存在計算機中。故障規則庫程序代碼一般按照“G#:IF A,THEN B”形式表達各類故障，R#為規則號，A 為條件，B 為結論。程序代碼示例如下。

G01:IF(程序中已發出啟泵信號,但油泵無啟泵信號反饋),THEN(故障報警:泵機啟動故障);

G02:IF(程序中未發出啟泵信號,但油泵有啟泵信號反饋),THEN(故障報警:泵機異常啟動);

G03:IF(無開到位出口電動閥,但油泵機有啟泵信號反饋),THEN(立即執行聯鎖停泵,并故障報警:無開到位出口電動閥,泵機異常啟動,已聯鎖停泵保護);

這種表示方法由條件和結論兩部分組成，故障規則庫設計人員可以根據故障診斷邏輯，通過“與”和“或”來描述前提條件，并針對不同的故障條件，來進行相應的聯鎖保護動作和故障描述。這種表示方法接近人類思維方式，直觀自然，便于理解。

2.2.2 故障經驗庫

故障規則庫中包含的是明確的錯誤邏輯關系故障，而故障經驗庫主要是用于診斷自控系統所涉及到的工藝故障，例如管線泄漏、管線脹壓、過濾器堵塞、泵機溫度過高及油泵發生氣蝕等異常。故障規則庫的設計重點是根據設備的工藝參數、人類專家經驗與已發生過的故障數據，不斷地修改、增刪和擴充故障經驗庫內容。但有時不同的故障類型可能導致同一種參數異常，而且在不同的階段，同一種參數是否異常的判定標準也不同，這就需要智能診斷決策支持系統要進行多次橫向對比（結合其他參數進行比較分析） 與縱向對比（與之間的故障數據進行比較分析），來分析判斷發生的故障類型。示例如下。

當油泵出口壓力過高時（壓力正常范圍可根據工藝參數及經驗設定），可能是泵后單向閥開啟故障、過濾器堵塞、出口壓力變送器故障等多種原因導致的，這時首先需要參考油泵進口壓力數值，如果進口壓力數值正常，則出口壓力變送器故障可能性比較大；如果進口壓力數值過低，則單向閥開啟故障與過濾器堵塞可能性較大。然后，結合過濾器壓差計數值判斷具體故障，如果過濾器壓差計數值過大，則過濾器堵塞可能性較大；如果過濾器壓差計數值正常，則單向閥開啟故障可能性較大。最后，可以對比以往故障數據，判定故障類型，并顯示供參考的處理方案。

2.2.3 知識庫

知識庫主要用于智能診斷決策支持系統發現故障后，具體解決方案的提供與相關知識點的查詢，其主要內容包括各類相關標準依據、指導書籍及人類專家經驗等。示例如下。

當夏季白天某段管線壓力過高時，智能診斷決策支持系統可以根據知識庫中專家經驗內容提示操作人員：“由于溫升導致管線脹壓，為防止油品滲漏，請進行人工泄壓操作”；當夏季夜間某段管線壓力下降速度過快時，智能診斷決策支持系統可以提示操作人員“管線壓力下降速度已超過往年同期由于溫差壓力下降速度，請現場排查管線是否有滲漏點”。同時，操作人員可以在知識庫中查閱相關具體知識，并可以不斷修訂完善知識庫內容。

2.2.4 故障推理方式

從上述介紹可知，故障推理不僅需要調用故障規則庫中與當前被測參數有關的規則進行分析、推理和診斷，同時還要用到故障經驗庫中已發生過的故障數據，進行反復推理診斷，直到得出結論為止。機場油庫自控系統故障智能診斷決策支持系統的故障推理方式設計，主要有正向推理和反向推理兩種[8]。

正向推理是將自控系統采集到的參數與故障規則庫與故障經驗庫中的規則與數據逐條對比，當與故障條件吻合時，執行該故障規則。正向推理主要包括以下4 種對比方法：一是提取關鍵參數的實時動態曲線與特殊時段或典型作業時的關鍵參數正常過程曲線進行對比，從而進行故障分析診斷；二是提取關鍵參數的實時動態曲線與典型關鍵參數異常過程曲線進行對比，從而進行故障分析診斷；三是將采集到的實時參數與人工設定的參數正常值進行對比分析；四是將采集到的同一性質的參數進行對比診斷，例如，對比加油總管線上的主壓力變送器、備用壓力變送器的采集數值。

反向推理是根據異常數據與故障發生的概率，先假定已推理出某種故障結果，再在假定結果的引導下，在故障規則庫與故障經驗庫中進行規則條件與數據匹配，反向找出對應的具體規則。例如，當油泵出口壓力過高時，先假定是由于過濾器堵塞造成的，再反向查找對比造成過濾器堵塞的條件是否滿足（過濾器壓差是否高于正常范圍等），以此判斷假設是否正確。

3 結論

本文針對機場油庫自控系統，研究了人工診斷與智能診斷兩種故障診斷策略，在實際應用中往往是兩種方法的有機結合與相互補充，通過人工診斷經驗不斷完善智能診斷數據庫，而智能診斷決策支持系統可以為人工診斷提供及時準確的故障定位與決策支持。隨著計算機軟硬件和網絡技術的不斷發展，故障診斷過程將會越來越智能便捷，這對于進一步優化機場油庫自控系統的故障診斷，具有重大意義。