摘    要： 針對在智能診斷中最底層現(xiàn)場控制器的診斷功能和處理方法加以闡述，提出一種基于現(xiàn)場控制器的模糊智能診斷方法，并指出處理及設(shè)計中的基本原則。在實際應(yīng)用中證明其可行性及有效性。
關(guān)鍵詞： 工藝過程故障診斷；現(xiàn)場控制器；多任務(wù)系統(tǒng)；模糊智能診斷；PLC；選煤生產(chǎn)

　　以PLC為代表的現(xiàn)場控制器功能日趨完善，除了完成對設(shè)備、工藝過程的監(jiān)控任務(wù)，還可以對現(xiàn)場的各種故障快速發(fā)現(xiàn)、及時解決[1]。統(tǒng)計表明實際中80%以上的故障為一般性故障，在解決常見、多發(fā)故障的處理上，現(xiàn)場診斷功能可發(fā)揮如下作用：(1)精確定位故障，避免診斷的盲目性；(2)立即采取措施，避免造成嚴(yán)重后果；(3)使系統(tǒng)有一定的容錯能力，在出現(xiàn)某些故障的情況下，改變控制策略，避免停車等事故，確保系統(tǒng)繼續(xù)安全可靠的運行。
1 控制器的診斷功能擴展
　　根據(jù)故障危害程度等特征，將故障分為安全性故障、工藝過程性故障、耐用性故障等不同等級[2-3]。在組織故障處理功能時，故障的等級應(yīng)予以考慮。(1)安全性故障：可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的故障，主要包括設(shè)備損壞、危及人身安全要求控制系統(tǒng)立即處理并報警。(2)工藝過程性故障：能夠?qū)刂七^程、產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但不易立即發(fā)現(xiàn)處理的故障，一段時間后如故障仍不排除則后果擴大。(3)耐用性輕度故障：除上述2種故障外，不直接影響生產(chǎn)和質(zhì)量的輕度故障。
　　現(xiàn)場控制器如高端PLC、DCS系統(tǒng)，其操作系統(tǒng)均采用搶先式多任務(wù)處理機制，控制器故障診斷處理可依照故障的等級，采用不同的任務(wù)等級。圖1以Quantum PLC為例，給出故障診斷及處理功能在PLC中的合理結(jié)構(gòu)安排。操作系統(tǒng)為用戶程序提供不同優(yōu)先級的處理功能，在每個級別上都按照采樣輸入、處理程序、執(zhí)行輸出的過程進行，高優(yōu)先級的任務(wù)中斷低優(yōu)先級任務(wù)。

　　安全性故障：在正常的掃描任務(wù)中判斷處理，由于PLC的CPU速度很高，PLC程序掃描周期一般只有幾毫秒，所以對于絕大部分故障的處理速度是滿足要求的，并可使程序簡化。對于后果嚴(yán)重、響應(yīng)速度要求極高的故障，必須安排在I/O或定時中斷中處理。
　　工藝過程性故障：在不影響CPU掃描工作正常進行的情況下，在正常的掃描任務(wù)中判斷處理，對于算法復(fù)雜度較高或時間響應(yīng)要求偏低的診斷過程，應(yīng)安排在背景任務(wù)中。對于需要復(fù)雜的修正及自學(xué)習(xí)過程，該過程不宜安排在控制器中。
　　  耐用性故障：應(yīng)安排在背景任務(wù)中或上位機中進行。
　　  安全性故障易于發(fā)現(xiàn)處理，通常通過簡單判斷進行停機等處理。而工藝過程性故障，一方面十分隱蔽，難于發(fā)現(xiàn)，另一方面卻對生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量影響嚴(yán)重。以往，控制器無法為操作人員提供可靠的診斷，操作人員只有密切注視系統(tǒng)運行情況、工藝參數(shù)的變化才能避免事故，這對于要求自動化程度較高的場合更是一種挑戰(zhàn)。在現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮可能的故障，并在控制器中做好診斷處理工作是解決這一問題根本途徑。
2  基于控制器的模糊智能診斷
　　模糊邏輯系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場診斷具有許多優(yōu)點：現(xiàn)場信號(如信號的幅值、變化率、頻率特征等)均為實型變量，可以通過測量或提取處理為模糊邏輯系統(tǒng)的輸入。由于生產(chǎn)實際中，故障診斷領(lǐng)域存在的大量經(jīng)驗性專家知識具有模糊性和不完全性，無法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此模糊邏輯系統(tǒng)能夠充分有效地利用自然語言和知識信息，模糊規(guī)則基本格式“If…then…”型，非常適合于描述專家經(jīng)驗知識[3]。

　　診斷系統(tǒng)通過設(shè)置的多源傳感器采集特征信號并分析處理，模糊化變換成故障征兆模糊向量A；推理機根據(jù)當(dāng)前的設(shè)備征兆信息A，運用知識庫中的模糊知識，按照一定的模糊推理策略進行推理，若匹配成功則將該結(jié)論作為中間結(jié)果繼續(xù)進行，直到問題解決。若推理過程中有多條模糊規(guī)則匹配可用，則按照沖突消解策略從中選出1條最優(yōu)規(guī)則執(zhí)行，從而實現(xiàn)基于知識的推理求解過程。
    　模糊關(guān)系矩陣表達故障原因和各種征兆之間的因果關(guān)系，矩陣中的每個元素rij的大小表明了它們之間的互相關(guān)聯(lián)的密切程度。模糊診斷矩陣的確定是模糊診斷中十分重要的環(huán)節(jié)，需要參考大量故障診斷經(jīng)驗的總結(jié)和實驗測試及統(tǒng)計分析的結(jié)果。
    　建立模糊診斷系統(tǒng)的其他階段，包括輸入信息的模糊化、模糊推理機制和解模糊單元的設(shè)計都有較強的自由度，某個環(huán)節(jié)的設(shè)計不當(dāng)都將影響故障診斷的精確性。對于特定的問題，可以通過經(jīng)驗積累并不斷修正來確定最佳的模糊邏輯系統(tǒng)。修正過程可以是人工的，也可采用自學(xué)習(xí)過程進行。
3 模糊智能診斷在控制器中的實現(xiàn)[4]
    　現(xiàn)以選煤的流程生產(chǎn)實際為例，對基于現(xiàn)場控制器的故障診斷進行研究。整個生產(chǎn)過程中，兩段的密度控制是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，該部分工藝過程如圖3所示。以往現(xiàn)場控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中沒有考慮針對工藝過程性故障的診斷、處理，出現(xiàn)故障后很長時間才能發(fā)現(xiàn)。

   　 現(xiàn)取生產(chǎn)中常見的5項故障：b₁系統(tǒng)缺介質(zhì)、b₂介質(zhì)系統(tǒng)煤泥多、b₃一段泵堵塞、b₄二段泵堵塞、b₅系統(tǒng)介質(zhì)量多(液位設(shè)定不當(dāng))。相關(guān)的故障征兆：a₁一段液位高、a₂一段液位低、a₃一段密度高、a₄一段密度低、a₅一段泵電流低、a₆二段液位高、a₇二段密度低、a₈二段泵電流低、a9一段/稀介分流大。根據(jù)以往故障診斷經(jīng)驗，建立診斷矩陣，并可在應(yīng)用中進行修正，如表1所示。

  　  采用梯形圖或功能塊難于實現(xiàn)，矩陣及多維數(shù)組的計算，診斷功能在Quantum PLC的開發(fā)環(huán)境Concept軟件中采用高級語言環(huán)境STL(Statement Language)開發(fā)，首先將診斷矩陣、征兆向量及故障向量做如下定義：
TYPE
　　  FuzzyR_Matrix： ARRAY [1..5，1..9] OF REAL；
　  　Sympton_Array： ARRAY [1..9] OF REAL；
　　  Conclude_Array： ARRAY [1..5] OF REAL；
END_TYPE
　　在隸屬度函數(shù)的選取中，高斯型等超越函數(shù)運算量較大，占用控制器時間多。而簡單代數(shù)型隸屬度函數(shù)，如三角函數(shù)和梯形函數(shù)，在滿足要求的前提下，更利于計算處理，本文采用后者對各現(xiàn)場的輸入量進行模糊化。圖4為一段桶位的隸屬度函數(shù)，Csetv_L1為一段液位設(shè)定值。

　　  圖5所示窗口(1)給出在系統(tǒng)運行過程中，通過采樣實時數(shù)據(jù)，采用加權(quán)平均算子進行診斷，對診斷結(jié)果變量進行在線監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)。窗口(2)給出相同的征兆時，采用主因素型算子的診斷結(jié)果。此時，Symptom[ ]=[0，0.74，0，0.24，0.04，0.01，0.075，0，0]，實時過程量值略。

　　該系統(tǒng)現(xiàn)場Quantum控制器的邏輯結(jié)算時間大于0.1 ms，完成車間90個設(shè)備控制及15個閉環(huán)調(diào)節(jié)等工作。在加入診斷功能前，控制系統(tǒng)掃描任務(wù)周期為8.9 ms，診斷功能直接安排在主程序中，觸發(fā)診斷功能后，控制系統(tǒng)掃描周期為10.4 ms，Watchdog為30 ms，完全滿足安全性要求。通過診斷結(jié)論可將原模糊診斷矩陣中的參數(shù)加以人工或自動修正，如將征兆“一段液位低”對“缺介質(zhì)”的值從原0.95進一步向1靠近，具體的修正在上位機中完成。
　　本文將模糊智能故障診斷方法應(yīng)用于控制器中,提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計控制系統(tǒng)時充分考慮故障診斷及處理功能,是減少故障避免事故的重要措施;同時降低了故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)費用，易于推廣應(yīng)用，有利于故障診斷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成。但應(yīng)用中應(yīng)注意控制功能與故障監(jiān)控診斷的兼顧和平衡?；诳刂破鞯脑\斷能夠準(zhǔn)確定位故障,為上級或遠程診斷中心提供可靠的依據(jù),避免人工描述不準(zhǔn)確性。
參考文獻
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