1、 化工静设施常用传感器障碍检验与隔离方式研究第一章 绪 论1.1 化工静设备常用传感器故障检测与隔离的意义大量的传感器在石油、化工等行业的生产中广泛应用，传感器是实现自动控制和自动测试的首要环节，假如没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。可以说，传感器传递信息的好坏不仅直接关系到设备的运行状态，而且关系到至关重要的安全问题，特别是一些提供控制信号的传感器，其工作状态直接影响到系统的状态。传感器的正常工作是确保化工设备平稳运行的重要条件。由于传感器工作环境恶劣、复杂、数据量大、分布面广、传感器安装部位特殊等原因，使得传感器是系统中最易发生故障的部件，也
2、成为过程控制中的薄弱环节之一。根据相关统计，70%的控制系统失效起因于执行器和传感器的故障，仅靠人力去修复和发现传感器故障很难做到及时有效，而对自动检测传感器的故障，以及对传感器故障的信号的及时隔离的研究，可以很大程度上提高系统运行的可靠性，减少事故的发生，特别是恶性事故的发生。事实上，传感器故障的可靠性对化工静设备的可靠控制和系统的稳定及系统的最优运行起着至关重要的作用。化工静设备的控制与检测必须依赖于系统的各传感器的监测数据，因此，各种可靠的监测数据是化工生产实行最优化控制和管理的关键。在化工静设备中的传感器主要有两种用途：一种是用作监测，供设备管理者及时了解和掌握设备的运行状况；另一种是
3、用于控制，控制设备的运行。首先，用于控制的传感器发生故障，可能会引起错误的动作和决定。特别是在实际生产中，由于设备停机所造成的经济损失非常大，根据某化工厂工作人员介绍，如果因为某设备停机导致整个生产线停机一天，将会损失约 30 万元人民币。为了避免停机带来的经济损失，提高传感器的故障检测与隔离水平就显得尤其重要。为了保证设备的正常运转及生产工序的良好运行，提高生产效率，现在就需要研究一种智能的传感器故障检测与隔离系统，实现传感器故障的实时监测及报警，更及时、准确地解决故障。本文主要研究对传感器故障的自动检测理论和方法，并对故障信号及时隔离，以达到减少事故的发生，节能降耗，延长设备使用寿命的目的
4、。还能帮助管理者及时做出正确的决策，避免误诊或漏诊。由检测结果我们能够根据故障大小，对故障信号进行隔离，决定是采取软件故障恢复还是采取硬件故障恢复，尽量减少不必要的停机而带来的不必要的损失。由此可见，传感器的可靠性对化工静设备的可靠控制和系统的最优运行起着至关重要的作用，研究智能传感器故障检测与隔离系统实现传感器故障的自动检测与隔离是非常重要的。1.2 故障检测与隔离的方法故障检测与隔离在过去是由维修人员在进行设备维修时完成的。当时由于机器设备比较简单，主要依靠专家或维修人员的个人经验、感官及简单仪表进行故障检测。检测出来的结果不能反映系统的动态特性，并且，反应的结果只是一种静态的检测结果。硬
5、件技术的提高可以有效地提高系统的可靠性的故障检测技术，即采用的是硬件冗余的方法，硬件冗余的方法主要有：提高硬件的质量的方法或者是多元件备份的方法。硬件冗余的优点是不需要建立被控对象的数学模型、鲁棒性强，是提高系统可靠性的重要措施，但是过多的冗余会增加系统的复杂性，使系统的重量、成本和体积增加。基于解析冗余的检测技术，是毕业于麻省理工学院的 Beard 于 1971 年在他发表的博士论文中首次在公众场合被提出来的。解析冗余的方法不仅可以克服硬件冗余方法的缺点，而且解析冗余法成本低，算法能够在线实现，并且也很方便。他提出了用解析冗余的故障检测技术代替硬件冗余，通过系统的自组织使系统闭环稳定，利用比
6、较观测器的输出得到系统的故障信息。随后，解析冗余的方法得到了飞速的发展。随着人工智能技术的发展以及计算机技术的发展，故障检测技术已经进入了智能化时代，成为一门综合性的技术。故障检测涉及多门学科，如信号处理、现代控制理论、最优化方法、统计数学、模式识别以及相应的应用学科。本文简单地将故障检测方法分为：基于解析数学模型的方法和不依赖于数学模型的方法1。近年来，故障检测技术得到了快速的发展，小波变换、遗传算法、神经络、主元分析、模糊识别、非线性理论、专家系统、自适应理论等都在这里得到了成功的应用。从不同角度出发，故障检测方法的分类不完全相同。如何将各种故障检测技术集成融合，将各种方法相互取长补短，将
7、是现在的研究重点。对于如何将各种检测方法应用于化工领域进行传感器或者是化工设备的故障检测也很重要。1.2.1 基于解析数学模型的方法基于解析模型的方法是最早发展起来的故障检测方法，同时也是一种应用、研究最广泛的检测方法，这种方法需要建立被检测对象的较为精确的数学模型。其检测思路是利用滤波器或观测器对控制系统的状态或参数进行重构，并构成残差序列，然后采用一些措施，通过这些措施来增加残差序列中包含的故障信息，抑制模型误差等非故障信息，通过对残差序列的统计分析检测故障的发生并进行故障隔离2 。基于解析模型方法的优点是模型机理清楚，易分析，结构简单，易实现，可实时检测。它的缺点是系统复杂，计算量大；存
8、在建模误差，模型的适应性差；可靠性差，容易出现漏报、误报等现象；外部扰动的鲁棒性差，对系统的噪声和干扰敏感。根据残差产生的不同形式，基于解析数学模型的方法可以进一步分为：参数估计法3,4、等价空间法5-9和状态估计法10,11。虽然这三种方法是独立发展起来的，但它们之间存在着一定的联系，现在已经证明基于等价空间方法与观测器的状态估计方法是等价的。在能够得到系统精确数学模型的情况下，最直接有效的方法是基于解析模型的方法。但在实际系统中，数学模型的建立正是解析模型故障检测方法的难点。所以目前对于基于解析模型的方法的研究，主要集中在提高检测系统对于建模误差、系统噪声、扰动和测量噪声等未知输入的鲁棒性
9、及系统对于早期故障的灵敏性方面。第二章 化工设备及其常用传感器概述化工设备(Chemical Equipment)是化学工业生产中所用的机器和设备的总称。化工生产中经过原料预处理、化学反应以及反应产物的分离和精制等一系列化工过程将原料加工成一定规格的成品，需要实现这些过程所用的机械，常常都被划归为化工设备。各种化工设备受工艺流程的影响具有承受温度变化大，工艺复杂，多进料、出料，化工过程复杂，导致测量设备信号会在一定范围内波动。大的运行趋势相关，但短时信号滞后，有时相关性不明显。传感器48是一种器件或装置，是将被测物理量转换为与之有确定对应关系的输出量，是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分，是
10、实现自动测试和自动控制的首要环节。可以说，如果没有传感器对原始信息进行精确可靠的捕获和转换，那么一切测量和控制都是不可能实现的。没有传感器也就没有现代化的自动测量和控制，也将没有现代科学技术的迅猛发展。化工静设备中的传感器用途之一是作控制信号并控制设备的运行；另一种用途是用作监测，提供设备信息，供设备管理员及时了解和掌握设备的运行状况。以上两种用途都是为工艺流程进行合理的控制提供方便的，为化工设备的正常运转和化工系统的正常生产提供保障。后一种用途的传感器对于系统的正常运行非常重要，传感器如果出现故障，将会直接影响设备的运行状态，甚至会造成事故。然而，对于前一种用途的传感器故障的危害，大家的认识
11、一般还不够，对于监测的传感器出现了故障，虽然不会直接造成明显能耗的增加，但是，也许会带来潜在的经济利益损失，也会减少设备的使用寿命。由此可见，及时有效地排除化工静设备中的传感器故障是一个亟待解决的问题。第三章 基于单传感器的故障检测. 31-503.1 基于支持向量机的故障检测. 31-383.1.1 回归型支持向量机原理. 31-323.1.2 基于 SVM 的单传感器故障检测. 32-333.1.3 仿真实验与结果分析. 33-383.2 基于方差的故障检测与隔离方法. 38-403.3 基于神经络的故障检测与隔离方法. 40-493.4 本章小结 .49-50第四章 基于多传感器系统的故
12、障检测. 50-604.1 故障检测与隔离的概念. 50-514.2 标准信号之获取与故障信号.514.2.1 正常标准信号的获取. 514.2.2 故障信号的判定标准. 514.3 基于脱丁烷塔建立的多个传感器故障. 51-534.4 仿真实验与结果分析. 53-584.5 本章小结 .58-60结论通过对化工静设备的工作原理及工艺流程的学习以及对现场的调研，充分了解了化工静设备常用传感器的类型、工作特点、信号特点及故障型式。各种化工设备主要采用了温度、流量、压力、液位等传感器，而各种化工设备虽然工艺不同，但是反应过程都处于比较平缓的状态，各种设备上传感器的信号变化特点相似。因此，只以典型的
13、脱丁烷塔为例，对比较典型的温度、压力、流量传感器进行了故障检测与隔离方法的研究。本文主要完成了以下工作：1总结传感器故障检测与隔离的理论方法，分析国内外已有的传感器故障检测与隔离方法的优缺点。分析传感器的故障类型，讨论化工静设备和常用传感器及各种传感器故障信号的特点和表现方式，特别是对传感器的软故障进行研究，提出了传感器故障检测与隔离的整体方案。2从化工生产的特点及传感器信号特性的分析，提出了基于支持向量机的单传感器故障检测与信号恢复方法，利用支持向量机建立传感器输出的预测模型，通过对模型预测值与实际输出值的残差分析实现对断路、偏差等硬故障的检测，并可以用预测信号短时间替换故障信号，实现传感器
14、故障的隔离，并通过 matlab 仿真证明了方法的有效性。3采用动态神经络建立传感器信号的时间序列预测模型，根据传感器输出信号的时间序列，分别建立了基于自身信号的传感器预测模型和基于自身传感器及相邻传感器信号的预测模型。利用预测信号与输出信号的残差分析检测故障的发生。通过 matlab 软件进行故障检测仿真，通过分析这两种模型都能很好地实现传感器硬故障及漂移软故障的检测，基于相邻传感器的检测模型具有更好的鲁棒性。4根据稳态运行情况下同一设备上各监测点信号的相对稳定性，建立多传感器系统的检测模型，当其中单个传感器发生故障时，根据系统模型变化的阈值分析检测故障的发生，并通过 Origin 软件仿真分析了方法的有效性。本文在化工静设备常用传感器的故障检测方面开展了一定的研究工作，由于本人知识及时间等因素所限，课题的研究还不完善。今后可以进一步开展的工作包括：由传感器输出的信号检测出的故障实际上是传感器系统的故障，应进一步实现对系统中各部分故障的检测能力；建立更加完善的化工设备传感器系统故障检测模型，并开展具体实现的相关工作，提高整体的故障检测与隔离能力；通过对多种传感器故障检测与隔离结果的分析，我们还可以进一步判断化学工艺是否出现问题。
