专利名称：仪表冻表故障快速检测方法
技术领域：
本发明涉及仪表故障检测领域，尤其是一种基于DCS集散控制系统和APC先进控制预测技术的仪表冻表故障检测方法。
背景技术：
在石油、石油化工生产过程中，水系统、蒸汽系统绝大部分是在室外露天，这些系统的检测仪表取样管线基本是以水作为传导介质。如蒸汽系统压力、流量测量，水系统压力、流量测量等。在北方，这些检测仪表取样管线及变送器都需要加伴热保温系统，以便在严寒的冬季确保仪表取样管线中水介质不发生冻结，使之压力传导正常，从而使仪表工作正常。但是伴热保温系统维护工作量很大，如有不慎就会发生冻取样管和变送器的事故，我们称之为冻表故障。冻表故障发生后，会造成指示不准，工艺参数偏离甚至停车，也会把变送器膜盒冻裂报废。
冻表一般发生在冬季凌晨3-4点钟，也是工艺操作人员和巡检工人最疲劳的时候，这时最容易发生故障。冻取样管后，指示仪表会发生指示不准，会造成操作人员误判、误操作。调节回路仪表冻表指示不准后，会发生被调量偏离正常值，给工艺系统带来大的扰动以至停车。联锁回路仪表冻表指示不准后，会发生联锁动作停车事故。目前这类事故的发现还是靠工人现场巡检发现和工艺操作人员发现工艺过程有问题及记录曲线异常等，而且很多这类事故是发生了停车才知道的。
最寒冷-20℃以下的冬季，冻表发生后，一般联锁回路仪表从开始有反应到停车大约在30分钟左右的时间。另外冻表故障出现后，仪表的测量值发生渐进性偏移，这是因为变送器膜合受到冰的膨胀力量所至。
目前有的研究机构从事仪表故障的在线测量的研究，如《化工自动化及仪表》2008年1期“流程工业仪表故障快速检测方法”一文中，采用DCS OPC服务器通用数据接口，将数据采集到上位机进行运算，根据仪表信号变化量的方差的大小判断仪表故障，在仪表本身故障和分析表取样管漏造成的测量不准等故障都具有良好的检测判断；但是，冻表故障出现后，仪表的测量值发生渐进性偏移，仪表信号变化量的方差仍然很大，无法判定这类故障，进一步，受到DCSOPC服务器数据传输速度的限制，该现有技术采样间隔到分钟数量级，显然对于发生冻表且很快就停车的系统来说，冻表故障检测是较难做到的。
发明内容
为了克服已有的仪表故障检测方法不能有效检测仪表冻表故障的不足，本发明提供一种在冻表故障出现后能有效检测报警的仪表冻表故障快速检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种仪表冻表故障快速检测方法，所述仪表冻表故障快速检测方法包括1)、设置测量变量A的采样数据窗口时间，采集n个测量变量，并对各个测量变量进行粗差剔除； 2)、建立一元回归线性方程，上位机对采样数据窗口时间内的DCS数据采用一元线性回归法进行直线拟合，拟合的直线方程式为(1) 其中， 斜率
表示仪表测量值趋势的变化方向； 3)、采用对比法判断仪表故障，包括 (3.1)、当待检测仪表在调节回路，设定所述待检测仪表的测量值与其他仪表的测量值同方向或相反方向变化，当检测到待检测仪表和其他仪表的测量值出现相反方向或同方向变化，判定为冻表故障； (3.2)、当待检测仪表不在调节回路，根据直线方程(1)计算采样数据窗口时间内的变化量，当所述变化量超过上限阈值，判定为冻表故障。
作为优选的一种方案在步骤2)中计算残差平方和 所述故障检测方法还包括 4)、所拟合直线的残差平方和与待检测仪表正常运行时的历史数据做比值运算，如比值小于阈值，判定为冻表故障。
进一步，在所述步骤1)中，对各个测量变量进行粗差剔除的过程为 (1.1)、对预设时间段内的测量变量计算平均值，设Ai为i次仪表采样测量值变量，平均值计算公式(2)为 其中，A为平均值，n为预设时间段内测量总次数； (1.2)、用算术平均值X平均值代表真值后计算得到的误差，记作Vi，Vi＝Ai-A 根据贝塞尔公式可得标准偏差δ的估计值，计算式为(3) (1.3)、若某个剩余误差|Vi|>3σ，判定该测量值中含有粗大误差，应予以剔除，将Ai剔除后，用剩下的测量值重新计算平均值及标准偏差σ后仍按上述步骤进行判断，直至不存在粗大误差，粗差剔除结束。
作为优选的再一种方案在所述步骤(1)中，数据采集系统DCS中的高速计算模块每间隔一秒采集一次数据，并对1分钟以内的数据进行预处理，即计算10个6秒测量值的平均值以供上位机调用。
进一步，当室外温度降到零下2摄氏度，投入所述高速计算模块。
更进一步，所述的采样数据窗口时间随着室外温度变化规则室外温度越低，采样数据窗口时间越短。
本发明的技术构思为冻表故障出现后，仪表的测量值发生渐进性偏移，并且大多数情况是仪表的测量值的记录曲线变成一条比较平滑的曲线，仪表灵敏度降低。
上位机对一定时间宽度的现场仪表数据进行采样，采用一元线性回归法进行分析判断。一元线性回归法所拟合直线的斜率很好地表征了仪表测量值趋势的变化，残差平方和很好表征了仪表灵敏度的变化。根据专家知识库，用这两个数据与历史数据比较，可以判断出仪表是否发生了冻表故障。
冻表故障出现后，仪表的测量值发生渐进性偏移，用一元线性回归法所拟合直线的斜率可判断趋势的变化及一定时间宽度的变化量。对比法可分为在调节回路时不在调节回路时两种情况 仪表在调节回路时，根据本调节回路工艺流程，有与此仪表的测量值同(或相反)方向变化的其它仪表的工艺测量值作为参考，冻表故障出现时，情况正好相反，既与此仪表的测量值同(或相反)方向的变化出现了相反(或相同)的变化，在一定时间宽度(数据窗口)变化量超过不可信值，既可判定为冻表故障。
仪表不在调节回路但是带联锁时，根据工艺流程，与此仪表的测量值同(或相反)方向变化的其它仪表的工艺测量值作没有发生变化，本表在一定时间宽度(数据窗口)变化量超过不可信值，可判定为冻表故障。
冻表故障出现后，仪表的测量值发生渐进性偏移，用一元线性回归法所拟合直线的斜率可判断趋势的变化及一定时间宽度的变化量。
冻表故障出现后仪表的测量值曲线变成一条比较平滑的曲线，仪表灵敏度降低，这主要是变送器膜盒冻结所至。这时仪表测量值表征灵敏度的一元线性回归法所拟合直线的残差平方和变小甚至趋近于零，可判定为冻表故障。
数据窗口的变化原则根据室外气温较低时发生冻表故障，一元线性回归法所拟合直线较陡，反之则较平缓，所以数据窗口的变化原则以室外气温为依据，数据窗口时间可随室外温度而改变，温度低时时间短，反之则长。
冻表故障检测的投入是以室外气温降到<＝-2℃时为准。这里要求DCS有一路室外气温测量值 快速采集数据的实现上位机通过OPC服务器接口的数据采集是一个慢过程，最快1分钟采集一次数据，对于要求快速判断来说是无能为力的。在DCS组态程序中，都带有一个计算模块，一秒运算一次。我们利用计算模块高速采样运算的特性，把1分钟以内的数据进行预处理，计算10个6秒测量值的平均值以供上位机调用。通过预处理，实现了一秒钟采集一次数据，符合高速采样的需要，以满足快速判定冻表故障的要求。
本发明的有益效果主要表现在1、采用的算法建立的模型，更好地符合了冻表实际过程，在冻表故障出现后能有效检测报警；2、快速性好；3、仪表在自动调节回路冻表故障出现后，能提前报警，操作员可以速打手动操作，调整工艺参数，避免工艺出现大的波动；4、仪表在联锁回路冻表故障出现后，能提前报警，仪表操作员可以迅速旁路联锁，以避免跳车发生；5、上位机不断地监视冻表故障是否发生，以避免操作人员特别是夜间的疲劳及疏忽。
图1是数据调用流程框图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1 参照图1，一种仪表冻表快速故障检测方法，包括1)、设置测量变量A的采样数据窗口时间，采集n个测量变量，并对各个测量变量进行粗差剔除； 2)、建立一元回归线性方程，上位机对采样数据窗口时间内的DCS数据采用一元线性回归法进行直线拟合，拟合的直线方程式为(1) 其中， 斜率
表示仪表测量值趋势的变化方向； 3)、采用对比法判断仪表故障，包括 (3.1)、当待检测仪表在调节回路，设定所述待检测仪表的测量值与其他仪表的测量值同方向或相反方向变化，当检测到待检测仪表和其他仪表的测量值出现相反方向或同方向变化，判定为冻表故障； (3.2)、当待检测仪表不在调节回路，根据直线方程(1)计算采样数据窗口时间内的变化量，当所述变化量超过上限阈值，判定为冻表故障。
在所述步骤1)中，对各个测量变量进行粗差剔除的过程为 (1.1)、对预设时间段内的测量变量计算平均值，设Ai为i次仪表采样测量值变量，平均值计算公式(2)为 其中，A为平均值，n为预设时间段内测量总次数； (1.2)、用算术平均值X平均值代表真值后计算得到的误差，记作Vi，Vi＝Ai-A 根据贝塞尔公式可得标准偏差δ的估计值，计算式为(3) (1.3)、若某个剩余误差|Vi|>3σ，判定该测量值中含有粗大误差，应予以剔除，将Ai剔除后，用剩下的测量值重新计算平均值及标准偏差σ后仍按上述步骤进行判断，直至不存在粗大误差，粗差剔除结束。
在所述步骤(1)中，数据采集系统DCS中的高速计算模块每间隔一秒采集一次数据，并对1分钟以内的数据进行预处理，即计算10个6秒测量值的平均值以供上位机调用。所述的采样数据窗口时间随着室外温度变化规则室外温度越低，采样数据窗口时间越短。当室外温度降到零下2摄氏度，投入所述高速计算模块。
本实施例的DCS系统1包括有现场仪表(包括变送器)、控制站、操作站，DCS系统1连接DCS计算模块2，DCS系统1和DCS计算模块2同时与OPC服务器3连接，所述OPC服务器2与上位机4连接。
现场工艺信号经过现场仪表(包括变送器)传输到DCS控制站，控制站通过控制总线传输到DCS操作站、OPC服务器，OPC服务器传输到上位机。上位机程序用VB实现。
本实施例的具体实现算法 DCS高速采样算法利用高速采样的特性，可实现1秒1次测量值采样，然后每6秒计算一个平均值，1分钟共10个数的作为上传数据，存变量A1-A10 平均值计算 设Ai为i次仪表采样测量值变量则 A平均值、n＝6 本算法软件是在DCS控制站CPU实现的，具有极高的实时性。
上位机算法包括剔除粗差算法、建立一元回归线性方程和数据窗口设定算法，具体有 其一.剔除粗差算法 我们利用计算模块高速采样的1分钟10个数据(每个为6秒测量平均值)，上位机调用后进行剔除粗差预处理。
a.计算平均值 由公式(n—数据个数) b.计算标准偏差 用算术平均值X平均值代表真值后计算得到的误差，称为残余误差， 记作Vi，Vi＝Ai-A 根据贝塞尔(Bessel)公式可求得标准偏差δ的估计值 c.按3σ判定 若某个剩余误差|Vi|>3σ，则判定该测量值中含有粗大误差，应予以剔除。
d.将Ai剔除，用剩下的测量值重新计算平均值及标准偏差σ后仍按上述步骤进行判断，直至不存在粗大误差，粗差剔除结束。
其二、一元回归线性方程 设A＝f(t) A为仪表测量值，它是时间t的函数。有n个点若干组数据(t1，A1)；(t2，A2)…(tn，An) 令 a为直线截距常数，b为直线斜率常数。可大致为线性关系。
用最小二乘法确定a；b。令 Q(a，b)极点处应满足 既 可得 上式为正规方程，解正规方程得a、b，记为
(
为Q(a，b)的极小值点) 这里 有 (6)式是a，b的线性方程组，Q(a，b)有极小值，故有一组解
可以证明这组解使Q(a，b)取极小值。
经验公式，回归直线 将(6)，(7)式确定的
代入(1)得 (1)式就是t与A相关关系的经验公式，称为回归直线方程。
其三、数据窗口设定算法T＝kw T数据窗口设定时间宽度，k比例系数，w室外温度值。
上位机通过OPC服务器接口调用DCS的数据，可实现1分钟1次调用和数据剔除粗差。对5分钟步长内的数据，采用一元线性回归法，回归为一条直线，并计算5分钟和10分钟增量，根据增量、直线斜率等并判断 ①是否递增或递减。
②自动调节回路仪表测量值与参照仪表测量值增减变化是否相反。
③本次数据存历史数据库。
设数据窗口时间设置为5分钟。当1分钟的数据剔除粗差后，与前4分钟的数据进行一次回归运算，如存在线性相关则要看直线斜率的变化，依此作为冻表判断的重要依据。还要判断数据开始至10分钟末的变化量，作为冻表判断的辅助依据。回归运算是每1分钟进行一次，即每分钟将前5分钟的数据调用计算一次。
为了减轻DCS运算负荷，DCS的高速计算模块的投入是以室外气温降到<＝-2℃时为准。还在DCS内部设置一开关仪表实现控制冬季人为投入或人为撤出。
当被测仪表在自动调节回路时，根据本调节回路工艺流程，选取1至2个参照仪表作为对比，例如气化炉烧嘴冷却水流量仪表，孔板检测，采用差压变送器，一般在烧嘴入口前和出口后加两块流量测量仪表，两块仪表流量相等，相差在误差范围内。以不在调节回路的仪表可以作为参照，当调节回路检测仪表冻表时，表的指示会发生偏移，在自动调节回路的作用下，烧嘴冷却水流量发生了变化，这样会使调节回路的仪表与另一快参照仪表发生相反方向的偏移。孔板测量误餐为1.5％，故在一定时间宽度内两表相差大于满量程的5％即可判断为冻表故障。
由于烧嘴内部泄露时，二者测量相差值会增大，但这个数据可以存在历史数据库中调用修正。
当被测仪表不在自动调节回路，发生冻表时，只有此仪表本身指示发生了偏移而实际工艺参数没有发生变化即参照仪表数据没有变化，在一定时间宽度内偏差大于5％可判断冻表故障。DCS计算模块算法相同，上位机算法只是无相反方向变化的判断，略有不同。
实施例2 参照图1，本实施例中，在步骤2)中计算残差平方和 所述故障检测方法还包括 4)、所拟合直线的残差平方和与待检测仪表正常运行时的历史数据做比值运算，如比值小于阈值，判定为冻表故障。
上位机通过OPC服务器接口调用DCS的数据，可实现1分钟1次调用和分析计算，对5分钟步长内的数据，采用一元线性回归法，将数据回归为一条直线，并计算5分钟和10分钟增量，根据增量、直线斜率等并判断 ④是否递增或递减。
⑤调用历史数据查看两表固有误差、正常时的残差平方和。
⑥计算两表误差减固有误差是否大于5％。
⑦与正常时的残差平方比较，是否残差平方和变小。
⑧本次数据存历史数据库。
本实施例的其他步骤和工作过程与实施例1相同。
举例对一测量压力仪表一组数据进行一元线性回归。
正常时[12.66；12.33；12.69；11.9；11.8；12.16；11.4；11.3；12.56；11.1；11.3；11.21；11.58；12.09；12.35；12.37；12.53；12.12；11.98；11.65；11.09；11.0；11.26；11.58；11.97；12.08；12.09；12.26；12.42；12.35；12.08；11.9；12.17；12.42；12.15；11.88；11.82；11.87；11.12；10.79；10.74；10.28；11.53；11.81；10.9；10.5；10.3] 拟合精度0.5482，残差平方和Q14.7236，方差9.3228 冻表时[12.78；12.23；12.57；12.84；12.93；13.14；13.03；12.88；12.26；11.83；11.28；10.74；10.33；9.54；9.09；8.76；8.45；8.0；7.75；7.24；7.0；6.79；6.69；6.22；6.35；5.89；5.99；5.57；5.62；5.2；5.02；4.99；4.5；4.27；4.03；3.78；3.73；3.28；3.23；2.77；2.49；2.18；1.98；1.63；1.51；1.0；0.9；.043；0.18；0.03] 拟合精度0.1438，残差平方和Q0.868，方差6.0397 可见冻表发生时，尽管数据值发生了较大的偏移，从12.58到0.18，但是由于仪表灵敏度降低，残差平方和Q值降至正常值的5.9％，变成一条光滑下降的曲线。这里方差降至正常值的64.8％。
权利要求
1、一种仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于所述仪表冻表故障快速检测方法包括
1)、设置测量变量A的采样数据窗口时间，采集n个测量变量，并对各个测量变量进行粗差剔除；
2)、建立一元回归线性方程，上位机对采样数据窗口时间内的DCS数据采用一元线性回归法进行直线拟合，拟合的直线方程式为(1)
其中，
斜率
表示仪表测量值趋势的变化方向；
3)、采用对比法判断仪表故障，包括
(3.1)、当待检测仪表在调节回路，设定所述待检测仪表的测量值与其他仪表的测量值同方向或相反方向变化，当检测到待检测仪表和其他仪表的测量值出现相反方向或同方向变化，判定为冻表故障；
(3.2)、当待检测仪表不在调节回路，根据直线方程(1)计算采样数据窗口时间内的变化量，当所述变化量超过上限阈值，判定为冻表故障。
2、如权利要求1所述的仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于在步骤2)中计算残差平方和
所述故障快速检测方法还包括
4)、所拟合直线的残差平方和与待检测仪表正常运行时的历史数据做比值运算，如比值小于阈值，判定为冻表故障。
3、如权利要求1或2所述的仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于在所述步骤1)中，对各个测量变量进行粗差剔除的过程为
(1.1)、对预设时间段内的测量变量计算平均值，设Ai为i次仪表采样测量值变量，平均值计算公式(2)为
其中，A为平均值，n为预设时间段内测量总次数；
(1.2)、用算术平均值X平均值代表真值后计算得到的误差，记作Vi，Vi＝Ai-A
根据贝塞尔公式可得标准偏差δ的估计值，计算式为(3)
(1.3)、若某个剩余误差|Vi|>3σ，判定该测量值中含有粗大误差，应予以剔除，将Ai剔除后，用剩下的测量值重新计算平均值及标准偏差σ后仍按上述步骤进行判断，直至不存在粗大误差，粗差剔除结束。
4、如权利要求3所述的仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于在所述步骤(1)中，数据采集系统DCS中的高速计算模块每间隔一秒采集一次数据，并对1分钟以内的数据进行预处理，即计算10个6秒测量值的平均值以供上位机调用。
5、如权利要求3所述的仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于所述的采样数据窗口时间随着室外温度变化规则室外温度越低，采样数据窗口时间越短。
6、如权利要求4所述的仪表冻表故障快速检测方法，其特征在于当室外温度降到零下2摄氏度，投入所述高速计算模块。
全文摘要
一种仪表冻表故障快速检测方法，包括1)设置测量变量A的采样数据窗口时间，采集n个测量变量，并对各个测量变量进行粗差剔除；2)建立一元回归线性方程；3)采用对比法判断仪表故障，包括(3.1)当待检测仪表在调节回路，设定所述待检测仪表的测量值与其他仪表的测量值同方向或相反方向变化，当检测到待检测仪表和其他仪表的测量值出现相反方向或同方向变化，判定为冻表故障；(3.2)当待检测仪表不在调节回路，根据直线方程(1)计算采样数据窗口时间内的变化量，当所述变化量超过上限阈值，判定为冻表故障。本发明提供一种在冻表故障出现后能有效检测报警的仪表冻表故障快速检测方法。
文档编号G01D18/00GK101424550SQ200810119309
公开日2009年5月6日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者慧 王 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油化学股份有限公司, 中海石油天野化工股份有限公司