工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)與診斷方法

唐博

摘要：現(xiàn)如今工業(yè)自動(dòng)化控制體系的自動(dòng)化水平日益提高，實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的系統(tǒng)故障問(wèn)題日益復(fù)雜。本文的研究結(jié)合當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，探討故障已解決的方式和方法，并結(jié)合實(shí)際故障情況和診斷技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng);故障檢測(cè);診斷方法

引言：工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化控制體系的應(yīng)用普遍，系統(tǒng)試運(yùn)行的穩(wěn)定。但系統(tǒng)本身運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)乎到工業(yè)生產(chǎn)的正常信息，一旦自動(dòng)化控制體系出現(xiàn)問(wèn)題，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響，進(jìn)而引發(fā)安全事故和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。因此針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的故障問(wèn)題，需要借助相應(yīng)的分析方案進(jìn)行故障的檢測(cè)和故障問(wèn)題的診斷。依據(jù)當(dāng)前被廣泛運(yùn)用的可編程控制對(duì)于工業(yè)實(shí)際設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，有針對(duì)性的對(duì)于部分故障問(wèn)題進(jìn)行處理，能夠減少因故障問(wèn)題帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

一、常用的自動(dòng)控制體系的發(fā)展歷程和特點(diǎn)

（一）PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)也叫做可編程序控制器，是直接作用于各種工業(yè)環(huán)境下而形成的數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置。這也是現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域普遍運(yùn)用的一種控制系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)唯一的弊端在于只能針對(duì)某特定的動(dòng)作順序進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)功能簡(jiǎn)單，一旦工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中多樣變化，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其可靠性和運(yùn)營(yíng)性就會(huì)大大打折扣。雖然說(shuō)PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)取代了繼電器保護(hù)系統(tǒng)，但實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中只能完成順序和邏輯控制等簡(jiǎn)單的處理功能。

現(xiàn)如今計(jì)算器、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)被廣泛運(yùn)用到PLC控制系統(tǒng)中，借助可視化編程和人機(jī)界面能夠使自動(dòng)化控制，操作更加簡(jiǎn)單、便捷。PLC發(fā)展至今的模塊小、結(jié)構(gòu)緊湊，已安裝編程簡(jiǎn)單，具有可靠性，能夠借助邏輯運(yùn)算和順序控制完成相應(yīng)的控制功能。

（二）DCS控制系統(tǒng)

DCS也叫分布式控制系統(tǒng)，是集散式的控制系統(tǒng)，在一定程度上其控制概念分散、集中管理。早期采用機(jī)械式氣動(dòng)元件和現(xiàn)場(chǎng)儀表組成基地式氣動(dòng)儀表的控制模式完成連續(xù)量、壓力、液位、流量等實(shí)際控制的調(diào)節(jié)任務(wù)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，又相繼發(fā)明了氣動(dòng)單元組合儀表和電動(dòng)單元組合儀表。上世紀(jì)60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛運(yùn)用到了工業(yè)領(lǐng)域，這就形成了數(shù)字控制體系的DDC模式的技術(shù)，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理功能能夠完成自動(dòng)化設(shè)備中的實(shí)際控制、計(jì)算過(guò)程量的輸入和輸出組合以及現(xiàn)有的儀表控制模式，并借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成了眾多回路調(diào)節(jié)的控制算法。尤其是適用于化工、發(fā)電廠等多個(gè)領(lǐng)域。而且這些場(chǎng)合的連續(xù)性和設(shè)備調(diào)節(jié)的多樣性，借助較多的過(guò)程控制算法，能夠建立起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模型評(píng)估機(jī)制。

二、工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)

（一）故障檢測(cè)

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中實(shí)際的故障檢測(cè)是為了發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并采取相應(yīng)的報(bào)警機(jī)制，能夠有效提高故障檢測(cè)的效率，降低故障的漏報(bào)率和誤報(bào)率。故障檢測(cè)主要包括信息采集、信息處理和故障原因分析等多個(gè)步驟，具體的故障問(wèn)題是需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)看的，包括受控對(duì)象故障、儀表故障、軟件故障等等。

（二）故障診斷

常見(jiàn)的故障診斷方式包含了故障分離、故障評(píng)價(jià)和故障檢測(cè)，是依據(jù)具體的故障檢測(cè)相應(yīng)的故障信息，找出存在的故障源，明確故障的類型和大小。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)于系統(tǒng)的性能指標(biāo)和功能的影響因素進(jìn)行分析，這就形成了故障評(píng)價(jià)。能夠依據(jù)實(shí)際控制機(jī)構(gòu)或是計(jì)算機(jī)接口出現(xiàn)的一些常見(jiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行判斷和評(píng)估，給出故障問(wèn)題的等級(jí)，方便企業(yè)對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行劃分和修正。故障決策是依據(jù)具體的故障檢測(cè)信息和故障評(píng)價(jià)等級(jí)，由相關(guān)的工作人員結(jié)合具體的系統(tǒng)控制技術(shù)，在遠(yuǎn)程操作的模式下對(duì)于故障問(wèn)題進(jìn)行合理判斷，采取及時(shí)的故障維修方式和手段，制止更大的故障發(fā)生。現(xiàn)如今對(duì)于故障的診斷手法在不斷的更新。如線性模型的建立可以針對(duì)局部的故障問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化分析，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于動(dòng)態(tài)的故障問(wèn)題進(jìn)行檢驗(yàn)，避免了傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化控制體系故障檢測(cè)中存在的不足。

三、工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)故障檢測(cè)方式

（一）直接測(cè)量系統(tǒng)輸出輸入信號(hào)

實(shí)際工業(yè)故障檢測(cè)過(guò)程中，可以借助直接測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于存在的故障問(wèn)題是否超過(guò)闌值范圍進(jìn)行及時(shí)的判斷。除此之外還可以基于因果關(guān)系進(jìn)行處理，在實(shí)際系統(tǒng)輸出過(guò)程中，結(jié)合相應(yīng)的幅值、 相位、 頻率對(duì)于存在的故障源進(jìn)行分析。在故障發(fā)生時(shí)運(yùn)用多種分析量進(jìn)行分析和處理判斷故障源的所在，最常見(jiàn)的故障診斷方式，包括譜分析法、概率密度法和功率譜分析法。

（二）特征量輔助診斷法

部分故障問(wèn)題在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在一些特征量上進(jìn)行反應(yīng)，而且輸出量整體的反應(yīng)會(huì)較為明顯。其潛在的早期故障會(huì)結(jié)合具體的故障量特征進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)或預(yù)報(bào)，會(huì)根據(jù)特征量進(jìn)行故障問(wèn)題的處理和分離，并及時(shí)針對(duì)故障問(wèn)題作出評(píng)價(jià)和決策機(jī)制。通常情況下故障量的選取較為困難，需要采取相應(yīng)的手段和方式進(jìn)行及時(shí)的檢驗(yàn)。

（三）硬件冗余診斷法

為了保障系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的可靠性，可以借助幾只同類儀表并行共測(cè)某一變量的方法對(duì)于某一時(shí)工具的變量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以此來(lái)提高測(cè)量的可靠性。如果某一儀表盤(pán)的輸出和其他的儀表盤(pán)輸出明顯不同，這就說(shuō)明該儀表盤(pán)出現(xiàn)了故障問(wèn)題，要不斷的減少隨機(jī)干擾，影響錯(cuò)誤診斷事件的發(fā)生。

（四）人工智能檢測(cè)法

人工智能檢測(cè)法是針對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，綜合考慮整個(gè)故障建立起來(lái)的模型方式，最典型的檢驗(yàn)方式包括故障數(shù)和圖論法。故障數(shù)檢測(cè)法是在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的一種檢測(cè)方式，針對(duì)某一故障開(kāi)始通過(guò)對(duì)于故障形成的原因和形成的現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。檢驗(yàn)故障中需要結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障的診斷，該方法實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中靈活性大。由于件數(shù)較多、工程量大容易出錯(cuò)，只能適應(yīng)較小的故障問(wèn)題診斷。其次就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式可以針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行大規(guī)模的模擬處理，建立起自適應(yīng)的學(xué)習(xí)模式。針對(duì)這些特點(diǎn)還適用于故障實(shí)時(shí)檢測(cè)，與其他的專家系統(tǒng)不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于數(shù)值和算法的模式下，對(duì)于存在的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)的勘測(cè)。診斷的過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的輸入是被診斷的癥狀和輸出故障的主要原因。現(xiàn)研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障系統(tǒng)中每一個(gè)輸出神經(jīng)元都會(huì)對(duì)應(yīng)故障形成的原因和問(wèn)題，建立起相應(yīng)的解決方案。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，本文在研究過(guò)程中基于PLC自動(dòng)控制的故障檢測(cè)方式，分析了當(dāng)前常見(jiàn)的故障檢測(cè)方法。選用合適的軟件提出故障處理方案，希望能夠切實(shí)提高工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，最大限度地減少各類故障的發(fā)生，幫助企業(yè)減少經(jīng)濟(jì)損失。

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