一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，包括现场设备层、故障诊断层和联锁报警层，其中，所述现场设备层包括设置于工业对象上的传感器，还包括控制器和执行器，所述传感器的输出端和控制器的第一输入端相连接，控制器的输出端经过执行器对工业对象进行控制；所述故障诊断层包括故障检测模块、故障诊断模块和主动补偿容错控制模块，所述联锁报警层包括生产监控模块和报警处理模块。产品在传感器工作的过程当中就及时诊断出传感器的故障，这样既可以及时联锁报警，同时也降低了技术人员在联锁报警后再去查找、分析传感器故障原因的工作困难，对保证表面活性剂产品质量，降低能耗，防止发生安全事故有着重要的意义。
【专利说明】一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型公开了一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，涉及控制系统 中的传感器故障诊断【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 化工产品的生产制造是有着相当的危险性的过程，以表面活性剂装置的生产过程 为例，环氧乙烷装卸、储存、进料、磺化反应等工序都具有相当的危险性，操作不当容易造成 事故。必须通过安全有效的控制手段来保证装置的生产安全。现阶段企业普遍采用计算机 来控制系统的报警和联锁，速度及可靠性大大提升，相比而言传感器故障成为了系统启动 报警、联锁的主要诱发因素。以往的联锁报警系统在传感器检测被控参数的过程当中并不 执行任何动作，只有当被控参数达到报警极限时才进行联锁报警，对传感器故障的诊断也 是在事后进行。为维护表面活性剂生产装置控制系统的正常运行，目前联锁报警系统设计 中普遍存在计算机控制的可靠性提高，随之而来的传感器可靠性不足的问题。 实用新型内容
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于传感器 故障诊断p术的联锁报警系统，摒弃以往采用简单的逻辑控制来实现被控参数的超限报警 的方式，采用传感器故障诊断技术，在被控参数超过报警极限之前、传感器出现故障时，就 能够及时分析原因并进行相应补偿容错控制。
[0004]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0005] -种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，包括现场设备层、故障诊断层和 联锁报警层，其中，所述现场设备层包括设置于工业对象上的传感器，还包括控制器和执行 器，所述传感器的输出端和控制器的第一输入端相连接，控制器的输出端经过执行器对工 业对象进行控制；
[0006]所述故障诊断层包括故障检测模块、故障诊断模块和主动补偿容错控制模块，故 障检测模块检测传感器故障是存在，并将故障信号的发送频率和故障数学模型保存至故障 诊断模块中的故障特征库中，故障特征库对故障信号进行匹配诊断，通过主动补偿容错控 制模块中的历史故障补偿容错控制库实现对故障信号的补偿修正，完成对于历史故障的主 动补偿容错控制；
[°°^7]所述联锁报警层包括生产监控模块和报警处理模块，当故障诊断模块中当前的故 障信号与故障特征库未能匹配时，判定当前的故障信号为未知故障，连锁报警层启动生产 监控模块监控成产状况或者启动报警处理模块发出报警、紧急切断电源进行联锁。
[0008]作为本实用新型的进一步优选方案，所述故障检测模块包括正常过程模型、自适 应阈值包络轨迹、加权移动平均滤波模块；
[0009]~传感器和所述正常过程模型联合输入至加权移动平均滤波模块，至加权移动平均 滤波模块的输出发送至故障检测模块，所述自适应阈值包络轨迹的输出也发送至故障检测 模块。
[0010]作为本实用新型的进一步优选方案，所述传感器为流量检测器、压力检测器、温度 检测器或液位检测器。
[0011]作为本实用新型的进一步优选方案，所述执行器为气控阀门或电控阀门。
[0012] 作为本实用新型的进一步优选方案，所述报警处理模块包括声、光报警器或者蜂 鸣器。
[0013] 本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型 可以在传感器工作的过程当中就及时诊断出传感器的故障，这样既可以及时联锁报警，同 时也降低了技术人员在联锁报警后再去查找、分析传感器故障原因的工作困难，对保证表 面活性剂产品质量，降低能耗，防止发生安全事故有着重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型的系统结构示意图。
[0015] 图2是本实用新型中基于残差包络轨迹法的故障检测模块。
[0016] 图3是本实用新型中不同的传感器故障类型所对应的故障函数示意图，
[0017] 其中：(a)偏差故障、（b)漂移故障、（c)精度下降故障、（d)完全故障。
[0018] 图4是本实用新型的一个具体实施例中，环氧乙烷中间罐的高温监控和高液位监 控示意图，
[0019] 其中：11-氮气、12-环氧乙烷自冷却器、13-环氧乙烷自槽车、14-冷冻水、15-冷 冻水去夹套，01-冷冻水、02-尾气去尾气吸收塔、03-环氧乙烷去乙氧基化反应器，V101-环 氧乙烷中间罐、P101-环氧乙烷进料泵、PV101-进料切断阀、PV102-环氧乙烷返回管线切 断阀、PV103-环氧乙烷排放管线切断阀、PV104-电动阀、PV108-入口切断阀，TT101A/B/C ; TT102A/B/C ;TT103A/B/C分别为温度参数，LT101A ;LT101B分别为液位参数。
[0020] 图5是本实用新型的具体实施例中环氧乙烷中间罐的联锁控制示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中 自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通 过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用 新型的限制。
[0022] 下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
[0023] 本实用新型的系统结构示意图如图1所示，基于传感器故障诊断技术的联锁报警 系统，包括现场设备层、故障诊断层和联锁报警层，其中，所述现场设备层包括设置于工业 对象上的传感器，还包括控制器和执行器，所述传感器的输出端和控制器的第一输入端相 连接，控制器的输出端经过执行器对工业对象进行控制；所述故障诊断层包括故障检测模 块、故障诊断模块和主动补偿容错控制模块，故障检测模块检测传感器故障是存在，并将故 障信号的发送频率和故障数学模型保存至故障诊断模块中的故障特征库中，故障特征库对 故障信号进行匹配诊断，通过主动补偿容错控制模块中的历史故障补偿容错控制库实现对 故障信号的补偿修正，完成对于历史故障的主动补偿容错控制；所述联锁报警层包括生产 监控fe：块和报警处理検块，当故障诊断彳旲块中当iu的故障信号与故障特征库未能匹配时， 判定当前的故障信号为未知故障，连锁报警层启动生产监控模块监控成产状况或者启动报 警处理模块发出报警、紧急切断电源进行联锁。
[0024]现场设备层：在表面活性剂的生产过程中，现场设备层的传感器一旦发生故障，所 产生偏离被测信号真实值的故障信号会通过控制回路在整个厂级范围迅速传播并传递至 控制器部分。
[0025]故障诊断层：传统的现场设备层无法判断故障是否存在，只是单纯地执行控制算 法和控制策略，因此要在现场设备层上增加故障诊断层检测出故障的存在与否并对其进行 分析。如果通过故障检测模块判断确实存在传感器故障，那么可以收集那些经常发生的、具 有一定特点的故障信号研究其发生频率及故障数学模型描述，然后按照其故障发生的频率 大小依次在故障诊断模块建立起故障特征库，以待对未来的检测信号进行判断。在故障特 征库对故障信号进行匹配诊断后甚至可进一步根据故障类型对故障信号进行补偿修正，使 其回复到被测信号的真实状态，即对于历史故障的主动补偿容错控制，可以通过主动补偿 容错控制模块中的历史故障补偿容错控制库实现。
[0026]联锁报警层：如果在故障诊断模块中当前的故障信号与故障特征库未能匹配的， 属于非经验型故障即未知故障，对于未知故障系统将进入联锁报警层进行处理，将密切监 控生产状况，一旦检测信号超过报警极限就发出警告或紧急切断电源进行联锁，技术人员 可以通过权限更改设定值、进行参数整定或修改相关指令等。
[0027]判断传感器是否发生故障主要是通过建立传感器故障的数学模型，分析其故障函 数，对比故障信号与非故障信号的区别，并以此检测出故障信号存在与否。
[0028] 传感器故障的数学描述：分析传感器输出信号的构成，可将传感器故障的数学模 型描述为：
[0029] X = f + d(x,w) ( 0:.
[0030] yO) = u) + /(1) + C(x,uj) (2...)
[0031]其中，X表示状态矢量；U表示输入矢量；g(X，u)为系统非线性模型；3:(--)表示 模型的不确定性；y(t)表示传感器实际输出；Κλ-.w)表示被测信号的真实输出；Y (t)表示 测量过程中产生的随机误差，呈正态分布，平均值为0 ; ζ (X，U，t)表示传感器故障函数。 [0032]残差包络轨迹法：传感器的实际输出与被测信号的真实输出之间的差值，即 称之为残差。
[0033]理想状态下，传感器无故障工作时残差应该为"〇，，，然为实际情况却是传感器输出 信号的残差不仅与传感器故障函数相关，还与系统随机误差Y (t)、系统非线性模型的不确 定性误差％：，_以及线性化误差σ (t)等未知因素相关，导致了即使在传感器无故障工作 时残差$不为零，对于故障诊断模块的历史故障特征库的建立增加了难度[5]。为了确保不 受或少受这些未知因素的影响，在设计故障检测模块时不能以残差是否为"〇，，作为判断传 感器是否存在故障的标准，而是应该以判断残差是否不超过某一阈值范围作为评判标准， 这一阈值范围应包含非线性模型不确定误差3(x,m)、线性化误差 σ (t)和测量过程中产生 的随机误差Y (t)。可采用残差包络轨迹法设计故障检测模块，如图2所示。
[0034] 为了精确计算残差，可采用加权移动平均滤波技术对残差进行采样，每次都取当 前采样时刻前的（包含当前时刻的米样点）η个米样点，那么在第k个采样时刻可以得到一 组序列[奴 λ-/? + 〖)，…,WAd)，MM]，计算其加权移动平均值，此加权移动平均值 在有新的采样值都时时进行更新。
[0035] #(? = [ Σ n^Wn 糾-(3)
[0036] 其中，Hi为权数。
[0037] 自适应阈值包络轨迹：为了有效剔除未知因素对残差造成的影响，可设置自适应 阈值包络轨迹，即传感器无故障输出时残差的包络轨迹。包络轨迹是由系统非线性模型不 确定误差范围S(x，)、线性化误差σ⑴和测量过程中引起的随机误差Y⑴造成的残差 的最大和最小的阈值范围随着时间变化曲线构成，自适应阈值包络轨迹Ψ(〇具有其最大 和最小边界。
[0038] ?(β) + ---?) S ψ(0 S fit) Φ - δ{βφ?)
[0039] 在第k个采样时刻，若残差的加权移动平均值卢(尊落在了轨迹Ψ(〇的范围内，认 为残差主要由系统非线性模型不确定误差范围线性化误差σ (t)和测量噪声引起 的随机误差Y(t)引起，此时判断为传感器在正常工作。反之，在第k个采样时刻，若残差 的加权移动平均值#(零落在了轨迹ψα)的范围之外，就认为残差除了由以上因素构成外 还包含了其他成分，此时判断为传感器发生故障。利用上述的残差包络轨迹法设计的故障 检测模块可以大大减少由于未知因素导致的误报警，提高联锁报警系统的可靠性，减少不 必要的经济损失。
[0040] 故障诊断模块要求能够判断当前故障是否与历史故障匹配、如果匹配则要及时分 析其故障类型、对故障进行评估与决策，甚至可进一步在主动补偿容错控制模块中根据故 障类型对故障信号进行补偿修正 [6]。如不属于历史故障则判断为未知故障，系统密切监视 检测信号受否超限并发出警告，甚至紧急切断电源进行联锁保证系统正常工作。
[0041]在历史故障特征库中，按照发生故障后信号幅值的变化程度、变化速度将传感器 故障归类为软故障和硬故障，幅值变化较小且缓慢的为软故障。幅值变化较大且迅速的为 硬故障。又可详细分为：(a)软故障-偏差故障；(b)软故障-漂移故障；(C)软故障-精度 下降故障；（d)硬故障-完全故障四种类型，如图3所示。
[0042]软故障-偏差故障：此类故障是指有故障信号与无故障信号互相平行，两者之间 相差某一恒定常数K，产生这种故障的其主要原因是由于有偏置电流或偏置电压的存在，将 这一恒定的干扰信号添加到了原有的信号上。其函数表示为：
[0043] ζ (x, u, t) = K (5)
[0044] 其中，K为常数。
[0045]软故障-漂移故障：此类故障是指有由于温漂的存在，使得有故障信号偏离无故 障信号的趋势随着时间的推移不断增大，导致两信号之间的差值也越来越大的一类故障， 其表示形式为：
[0046] ζ (x. u. t) = K(t_t0) (6)
[0047] 其中，K为常数，tQ为的故障起始时刻。
[0048] 软故障-精度下降故障：此类故障是指如果分别计算有故障信号和无故障信号的 平均值进行计算结果不会发生变化，但这并不表示传感器故障不存在，如果进一步计算;其 方差会发现故障信号的方差会比较大，说明其信号波动较剧烈，存在故障。具体表示形式 为：
[0049] ζ (X. u_ t)?Ν(0，〇 22) (7)
[0050] 其中，022表示方差。这一类故障信号外在表现不明显，需要计算方差才有可能进 一步判断，因此也难于发现。
[0051] 硬故障-完全故障：此类故障是指有故障信号在输出一段时间后突然变成了某一 固定值不变的一类故障，其主要成因是由于传感器突然失灵引起的短路故障和开路故障， 如{旨号线断线，心片引脚断，电路腐蚀，电路短路等。短路引起的故障信号接近于仪表量矛呈 的最小值。开路引起的故障信号接近于仪表量程的最大值。该类故障可以表示成为：
[0052] y ⑴=V·(或 Vnin) (8)
[0053] 其中，V_ Vmin表不仪表量程的最大值和最小值。
[0054] 这类故障刚开始发生时有一形成过程，可以表示为：
[0055]
[0056] 其中，tQ为的故障起始时刻。
[0057] 此类故障一旦形成就很难再去修正，如果在刚发生时能够被检测出来，对防止此 类故障的扩大化起着关键的作用。
[0058]如果故障信号经过故障诊断模块判断与历史故障库不匹配，则认为故障信号为未 知故障类型，联锁报警层进入到计算机逻辑控制状态，将密切监控生产状况，一旦检测信号 超限就发出警告或紧急切断电源进行联锁。
[0059] 本实用新型的一个具体实施例以表面活性剂生产过程中对于环氧乙烷中间罐的 高温监控和高液位监控及联锁控制为例，如图4、图5所示：
[0060] 当环氧乙烷中间罐 V101 温度（TT101A/B/C ;TT102A/B/C ;TT103A/B/C)分别达到 30°C和35°C时，系统显示一级和二级高温报警。当达到38°C时系统启动高温联锁，系统将 自动关闭环氧乙烷中间罐V101进料切断阀PV101、环氧乙烷进料栗P101入口切断阀PV108 及环氧乙烷返回管线切断阀PV102,打开环氧乙烷排放管线切断阀PV103、电动阀PV104及 尾气吸收塔消防水进水管线切断阀，发生报警或联锁后，操作人员应迅速、及时、准确地做 出判断，确定引发报警或联锁的条件，并加以排除。
[0061] 当环氧乙烷中间罐V101液位（LT101A，LT101B)达到70%时，DCS显示高液位报警 并引发高液位联锁。自动关闭环氧乙烷中间罐V101进料切断阀PV101。发生该压报警联锁 后，操作人员应迅速、及时、准确地做出判断，确定引发报警或联锁的条件，并加以排除。 [0062] 本实用新型设计了基于残差包络轨迹法的故障检测模块用于故障信号的检测，并 根据各故障信号的特点建立了历史故障特征库用于诊断故障类型以进行相应的补偿容错 控制，同时对于未知故障采取计算机逻辑控制。既可及时联锁报警，也降低了技术人员在联 锁报警后再去查找、分析传感器故障原因的工作困难。不仅具有理论意义，更有其实际应用 价值，适用于表面活性剂的实际生产过程，可以广泛推广应用于各种自动化生产过程的联 锁报警系统中。
[0063]上述内容中，涉及算法和方法的描述是为了说明本实用新型所述系统的工作过程 和原理，并不是本实用新型意欲保护的内容，本实用新型如权利要求所述，保护范围限于硬 件本身和硬件结构之间的连接关系。
[0064]上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于 上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型 宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用 新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定 本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用 上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本实用 新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上 实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护 范围之内。 〇
【权利要求】
1. 一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，其特征在于：包括现场设备层、故 障诊断层和联锁报警层，其中， 所述现场设备层包括设置于工业对象上的传感器，还包括控制器和执行器，所述传感 器的输出端和控制器的第一输入端相连接，控制器的输出端经过执行器对工业对象进行控 制； 所述故障诊断层包括故障检测模块、故障诊断模块和主动补偿容错控制模块，故障检 测模块检测传感器故障是存在，并将故障信号的发送频率和故障数学模型保存至故障诊断 模块中的故障特征库中，故障特征库对故障信号进行匹配诊断，通过主动补偿容错控制模 块中的历史故障补偿容错控制库实现对故障信号的补偿修正，完成对于历史故障的主动补 偿容错控制； 所述联锁报警层包括生产监控模块和报警处理模块，当故障诊断模块中当前的故障信 号与故障特征库未能匹配时，判定当前的故障信号为未知故障，连锁报警层启动生产监控 模块监控成产状况或者启动报警处理模块发出报警、紧急切断电源进行联锁。
2. 如权利要求1所述的一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，其特征在于： 所述故障检测模块包括正常过程模型、自适应阈值包络轨迹、加权移动平均滤波模块； 传感器和所述正常过程模型联合输入至加权移动平均滤波模块，至加权移动平均滤 波模块的输出发送至故障检测模块，所述自适应阈值包络轨迹的输出也发送至故障检测模 块。
3. 如权利要求1或2所述的一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，其特征在 于：所述传感器为流量检测器、压力检测器、温度检测器或液位检测器。
4. 如权利要求1或2所述的一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，其特征在 于：所述执行器为气控阀门或电控阀门。
5. 如权利要求1或2所述的一种基于传感器故障诊断技术的联锁报警系统，其特征在 于：所述报警处理模块包括声、光报警器或者蜂鸣器。
【文档编号】G05B19/418GK204086977SQ201420597313
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】王琪 申请人:南京化工职业技术学院