提高過程自動化控制精度的溫度測點故障處理

［關(guān)鍵詞］過程自動化；溫度測點；故障處理；改造方法

［中圖分類號］TG334.9 ［文獻標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0021–03

1溫度測點故障處理

1.1常見故障類型與表現(xiàn)

（1）傳感器漂移。傳感器漂移是指傳感器在長時間使用后，其輸出信號會逐漸偏離實際測量值的現(xiàn)象。此類故障的主要原因包括傳感器材料老化、環(huán)境溫度變化及電磁干擾等。傳感器漂移的直接后果是測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，從而影響控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。例如，在高溫環(huán)境下工作的傳感器，其敏感元件可能會因為長期暴露在高溫中而發(fā)生物理或化學(xué)變化，導(dǎo)致測量值逐漸偏離實際溫度。此時，如果沒有及時校正或更換傳感器，控制系統(tǒng)可能會根據(jù)錯誤的溫度數(shù)據(jù)進行操作，進而引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，影響整個生產(chǎn)過程的安全和效率。

（2）信號中斷。信號中斷通常由物理連接問題、信號線斷裂或電氣干擾引起。當(dāng)信號中斷發(fā)生時，控制系統(tǒng)可能會失去對某一溫度測點的監(jiān)控，從而使系統(tǒng)無法獲得必要的溫度數(shù)據(jù)進行控制調(diào)整。信號中斷不僅會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法及時響應(yīng)溫度變化，從而引發(fā)超溫或低溫等異常情況，嚴(yán)重時甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或生產(chǎn)中斷。為了防止信號中斷導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，系統(tǒng)設(shè)計中通常會考慮冗余設(shè)計或自動切換功能，以保證在信號中斷時能夠迅速切換到備用通道或設(shè)備，維持系統(tǒng)的正常運行。

1.2故障診斷方法

在確保溫度測點穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的過程中，故障診斷方法起著至關(guān)重要的作用。有效的故障診斷不僅可以及時發(fā)現(xiàn)問題，還能為故障處理和系統(tǒng)改造提供重要依據(jù)。

（1）統(tǒng)計分析法在溫度測點故障診斷中應(yīng)用廣泛，且具有較強的實用性和易操作性。統(tǒng)計分析法主要依賴于溫度測點歷史數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性來識別異常點和趨勢變化。常用的統(tǒng)計分析技術(shù)包括均值和標(biāo)準(zhǔn)差分析、移動平均法和控制圖等。這些技術(shù)能夠有效檢測出測量數(shù)據(jù)中的異常值和漂移現(xiàn)象。例如，當(dāng)傳感器輸出信號的均值超過預(yù)設(shè)的控制限時，可以判定傳感器存在漂移或故障。這種方法的優(yōu)勢在于不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，且對數(shù)據(jù)的要求較低，適用于現(xiàn)場快速診斷。然而，統(tǒng)計分析法也存在一定的局限性，如對隨機噪聲較敏感，且不能提供具體的故障原因，需要與其他診斷方法結(jié)合使用。

（2）基于模型的診斷方法依托于對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模，通過對比實際測量值與模型預(yù)測值的差異來判斷故障的存在。該方法的核心在于建立一個精確的系統(tǒng)模型，并利用該模型預(yù)測溫度測點的正常輸出。當(dāng)實際測量值與模型預(yù)測值出現(xiàn)顯著偏差時，即可認(rèn)為傳感器存在故障。常用的模型包括狀態(tài)空間模型、傳遞函數(shù)模型等。這種方法的優(yōu)點在于可以提供故障的定量分析，幫助識別具體的故障類型和位置。此外，基于模型的診斷方法對系統(tǒng)內(nèi)部的物理過程有較好的描述能力，適用于復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷。然而，該方法的缺點在于模型的建立和維護較為復(fù)雜，且對系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求較高，需要大量的先驗知識和實驗數(shù)據(jù)支持。

（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷方法隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為故障診斷領(lǐng)域的研究熱點。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法主要通過對大量歷史數(shù)據(jù)的分析和挖掘，建立故障診斷模型，實現(xiàn)對故障的自動識別和預(yù)測。常用的技術(shù)包括機器學(xué)習(xí)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等。這些技術(shù)可以在海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的模式和關(guān)系，從而實現(xiàn)高精度的故障診斷。例如，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以構(gòu)建復(fù)雜的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，模型通過對傳感器數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，可實現(xiàn)對傳感器故障的精準(zhǔn)識別和分類。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的優(yōu)勢在于不依賴于系統(tǒng)的物理模型，可以處理非線性和復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷問題，具有較高的適應(yīng)性和魯棒性。然而，該方法也面臨數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)量的挑戰(zhàn)，模型的訓(xùn)練和優(yōu)化過程復(fù)雜，需要強大的計算能力和存儲資源支持。

1.3故障處理策略

過程自動化控制系統(tǒng)中，溫度測點的故障不僅影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。因此，及時有效的故障處理策略至關(guān)重要。

（1）實時監(jiān)測與報警作為故障處理的第一道防線，通過對溫度測點數(shù)據(jù)的持續(xù)監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)異常情況并發(fā)出警報。現(xiàn)代自動化系統(tǒng)普遍采用先進的監(jiān)測技術(shù)，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、分布式控制系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些技術(shù)能夠?qū)崟r采集和傳輸溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)檢測到溫度測點出現(xiàn)異常變化，如信號突變、漂移或中斷時，會立即觸發(fā)報警機制，通知操作人員或自動控制系統(tǒng)采取相應(yīng)措施。實時監(jiān)測與報警不僅可以快速響應(yīng)故障，還能通過數(shù)據(jù)記錄和分析，提供故障發(fā)生的詳細信息，幫助確定故障的性質(zhì)和位置，從而為后續(xù)的故障處理提供依據(jù)。

（2）冗余配置與切換是提高系統(tǒng)可靠性和容錯能力的有效手段。在關(guān)鍵溫度測點處配置冗余傳感器，當(dāng)主傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以自動切換到備用傳感器，確保測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。冗余配置可以采用多種形式，如同類型傳感器的冗余、不同類型傳感器的冗余，以及多層級冗余配置等。這些配置方案可以根據(jù)具體應(yīng)用場景和系統(tǒng)要求進行優(yōu)化設(shè)計，以達到最佳的故障容錯效果。此外，冗余配置還可以結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，通過對多傳感器數(shù)據(jù)的綜合分析，提高測量精度和可靠性。例如，利用卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)融合算法，可以將多個傳感器的測量數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均，消除單一傳感器誤差對系統(tǒng)的影響，從而獲得更加準(zhǔn)確的溫度信息。

2改造方法

2.1新型傳感器的選型及布置

高精度溫度傳感器和冗余傳感器布置方案是改造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠有效解決溫度測點故障問題，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

高精度溫度傳感器的選型需要綜合考慮其測量精度、響應(yīng)時間、環(huán)境適應(yīng)性及長期穩(wěn)定性等因素。當(dāng)前市場上的高精度溫度傳感器種類繁多，包括熱電偶、熱電阻、紅外傳感器等。熱電偶傳感器因其寬廣的測量范圍和快速響應(yīng)能力，在高溫測量場景中應(yīng)用廣泛。熱電阻傳感器則因其高精度和良好的長期穩(wěn)定性，在低溫和中溫測量場合具有優(yōu)勢。紅外傳感器由于其非接觸測量的特性，適用于惡劣環(huán)境下的溫度監(jiān)測。通過選擇合適類型的傳感器，可以有效提高測量精度和系統(tǒng)可靠性。例如，在高溫環(huán)境下工作時，采用耐高溫、抗腐蝕性能優(yōu)良的熱電偶傳感器，可確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并延長傳感器的使用壽命。

在高精度溫度傳感器選型的基礎(chǔ)上，傳感器的布置方案也需精心設(shè)計，以最大程度發(fā)揮其性能。冗余傳感器布置方案是解決單點故障問題的有效手段。冗余配置可以分為同類型傳感器冗余和不同類型傳感器冗余。同類型傳感器冗余是指在同一測點布置多個相同的傳感器，當(dāng)一個傳感器發(fā)生故障時，系統(tǒng)可自動切換到其他傳感器，確保測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。不同類型傳感器冗余是指在同一測點布置不同類型的傳感器，當(dāng)一種類型的傳感器失效時，系統(tǒng)可以依靠另一類型的傳感器繼續(xù)工作。這種異質(zhì)冗余配置能夠更好地應(yīng)對不同類型故障，提高系統(tǒng)的魯棒性。

為了優(yōu)化傳感器布置方案，還需考慮傳感器的安裝位置和方式。合理的傳感器安裝位置能夠準(zhǔn)確反映被測對象的溫度分布，避免因局部溫度異常或環(huán)境干擾導(dǎo)致的測量誤差。在大型工業(yè)設(shè)備或復(fù)雜系統(tǒng)中，可以采用分布式傳感器布置，通過在關(guān)鍵位置安裝多個傳感器，全面監(jiān)測系統(tǒng)的溫度變化。分布式布置不僅提高了測量的覆蓋范圍，還增強了系統(tǒng)的故障檢測能力。例如，在化工反應(yīng)釜的溫度監(jiān)測中，可以在釜體不同高度和位置安裝多個溫度傳感器，實時監(jiān)測釜內(nèi)溫度梯度，確保反應(yīng)過程的穩(wěn)定性和安全性。

2.2故障檢測與診斷算法設(shè)計

故障檢測與診斷算法的設(shè)計需要建立在對系統(tǒng)物理過程的深入理解和準(zhǔn)確建模基礎(chǔ)上。基于模型的診斷算法利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過比較實際測量值與模型預(yù)測值之間的差異來識別故障。這種方法的核心在于建立一個精確的系統(tǒng)模型，并利用該模型進行故障檢測和診斷。例如，在溫度測點故障檢測中，可以建立一個描述溫度變化的動態(tài)模型，如狀態(tài)空間模型或傳遞函數(shù)模型。通過對模型輸出與實際測量值的殘差分析，判斷系統(tǒng)是否存在故障。基于模型的診斷算法具有較高的理論精度和解釋能力，能夠提供故障的定量分析和具體位置識別。然而，該方法依賴于模型的準(zhǔn)確性和完整性，模型參數(shù)的估計和系統(tǒng)復(fù)雜性的增加會影響其應(yīng)用效果。

為了進一步提高故障檢測與診斷的性能，可以將基于模型的方法與機器學(xué)習(xí)方法結(jié)合，形成混合診斷算法。這種方法不僅利用了模型方法的物理解釋能力，還結(jié)合了機器學(xué)習(xí)的強大數(shù)據(jù)處理能力。例如，可以采用基于模型的方法進行初步故障檢測，當(dāng)檢測到異常時，再通過機器學(xué)習(xí)算法進行深入分析和分類，從而提高故障診斷的準(zhǔn)確性和實時性。此外，還可以利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多種傳感器的數(shù)據(jù)進行綜合分析，進一步增強故障檢測的魯棒性和可靠性。

在故障檢測與診斷算法的設(shè)計過程中，還需要考慮算法的計算復(fù)雜度和實時性要求。工業(yè)過程自動化控制系統(tǒng)對實時性有較高要求，因此，算法的計算效率直接影響其實際應(yīng)用效果。通過優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)、采用高效的計算方法和硬件加速技術(shù)，可以顯著提高故障檢測與診斷的實時性能。例如，在嵌入式系統(tǒng)中，可以利用現(xiàn)場可編程門陣列或圖形處理單元加速計算，實現(xiàn)高速實時故障檢測。

2.3容錯控制

當(dāng)溫度測點發(fā)生故障時，及時調(diào)整控制參數(shù)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。控制參數(shù)調(diào)整策略基于對系統(tǒng)動態(tài)行為的實時分析，通過對控制算法的參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整，以補償傳感器故障引起的測量誤差。例如，在PID 控制系統(tǒng)中，當(dāng)檢測到傳感器故障時，可以實時調(diào)整比例、積分及微分參數(shù)，使控制器能夠繼續(xù)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體實現(xiàn)方式包括基于模型預(yù)測的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，以及采用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法。這些方法能夠動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，確保在傳感器故障情況下，系統(tǒng)仍能保持良好的控制性能。

冗余系統(tǒng)切換機制是容錯控制策略的另一個重要組成部分。冗余系統(tǒng)通過配置多個傳感器或控制器，當(dāng)主傳感器或控制器發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到備用設(shè)備，保證控制任務(wù)的連續(xù)性和可靠性。冗余系統(tǒng)可以分為硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余包括配置多個相同或不同類型的傳感器，通過數(shù)據(jù)融合和比較，選擇最優(yōu)的測量數(shù)據(jù)作為控制輸入。軟件冗余則通過在控制算法中引入容錯邏輯，當(dāng)檢測到主設(shè)備數(shù)據(jù)異常時，自動啟用備用設(shè)備的數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的正常運行。

具體而言，冗余系統(tǒng)切換機制需要包括故障檢測、冗余資源管理及切換控制等多個環(huán)節(jié)。故障檢測模塊實時監(jiān)測傳感器和控制器的狀態(tài)，當(dāng)檢測到故障時，立即向系統(tǒng)發(fā)出切換指令。冗余資源管理模塊負責(zé)管理系統(tǒng)中的冗余資源，包括監(jiān)控備用傳感器和控制器的狀態(tài)，確保其處于可用狀態(tài)。切換控制模塊則負責(zé)執(zhí)行切換操作，包括切換邏輯的判斷和執(zhí)行，確保切換過程平穩(wěn)無擾動。例如，在化工過程控制中，當(dāng)主要溫度傳感器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以迅速切換到備用傳感器，避免溫度控制失常引發(fā)的安全問題和產(chǎn)品質(zhì)量問題。

3結(jié)束語

統(tǒng)計分析法、模型診斷方法及數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷方法的結(jié)合，使得故障診斷更為準(zhǔn)確和高效。實時監(jiān)測與報警、冗余配置與切換的應(yīng)用，確保了系統(tǒng)在故障情況下的持續(xù)穩(wěn)定運行。此外，高精度溫度傳感器和冗余傳感器的合理布置，以及基于模型和機器學(xué)習(xí)的故障檢測與診斷算法的設(shè)計，為系統(tǒng)提供了強大的技術(shù)支持。未來的研究可以進一步優(yōu)化這些方法，探討更多創(chuàng)新的技術(shù)手段，以持續(xù)推動自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展。