电厂自动控制系统存在的问题与解决对策的研究
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摘要：良好的电厂热工自动控制系统的故障诊断装置，通过利用电厂现有分散控制系统（DCS）中的故障诊断所需信号，进行故障的检测、诊断和处理，可以大大的提高电厂热工自动系统的可靠性。
关键词：自动控制系统；故障诊断；应对措施
电厂的自动控制系统应用是比较广泛，其控制的原理和控制方法基本上是相似的，在运行中遇到的问题也是大同小异的。故本文将以比较典型的过热汽温控制系统为例进行介绍。
1.1 传感器典型故障类型
感器的常见故障:①传感器断线:传感器处于断开的状态。②传感器恒偏差:传感器的输出信号和实测值存在较大偏差。③传感器的增益变化:传感器的输出增益衰减或增大。④传感器卡死:传感器的输出不随被测量值的变化而变化，保持一个恒定的输出值。⑤传感器脉冲性故障:传感器的输出突然出现很短时间的突变后又恢复正常。
1.2 自动控制系统故障诊断装置的硬件设计问题
针对原硬件的使用情况，在原设计系统中充分进行硬件的开发利用，实现新的功能。
1.3 控制系统中的软件对故障诊断存在低效和不合理对原有软件的一些子程序进行完善性编程，增加和加强故障诊断数据存储和通讯功能，便于系统故障诊断的进行。
2 解决上述问题的方法
2.1 基于各种实际情况建立模型以响应系统动态特性众所周知，过热汽温系统是一个多扰动输入系统，通常控制模式为：减温水流量为输入，各级减温器后的蒸汽温度为输出，其他为扰动因素。但该模式因系统负荷的变化而无法满足日常的控制，故本文认为采用建立模糊动态模型，以小区域控制模型代替大区域控制模型，提高系统控制和响应精度，从而获得全控制范围高精度的动态响应，保证系统能够满足生产要求，具体做法是在典型工况（如35%，50%，70%，100%负荷）下分别建立对象相应的线性模型，规定其相应的工作范围和转换条件，通过模糊关系连接来描述全系统。对于过热汽温系统，动态模型可将蒸汽负荷作为条件变量，用模糊语言来描述系统运行所处的工况。W（负荷）=（很低，较低，中等，较高，很高），在不同的模糊语言值的情况下分别建立线性子模型，最终得到刻画系统整个动态特性的模糊规则集。
2.2 典型工况下基于观测器的故障诊断
观测器和滤波器用于故障诊断实质上是用状态重构的方法来实现状态估计，构造和状态相关的残差信息使其中包含故障信息，基于残差分析来进行故障检测和隔离。
2.3 利用误差检测技术进行故障检测
故障检测方法最基本和有效的方法是对测量信号偏离期望值的误差程度进行检测，这种检测技术通常通过对测量信号设置上、下限来实施。测量信号的值落在上、下限设定的区间时，认为信号正常;反之，认为信号不正常。另外，测量信号的变化速率也是检测故障状，态的有效方法，信号的变化速率高于上限或低于下限则认为系统处于故障状态。
2.4 执行器故障诊断
执行器是过程控制中较薄弱的环节，其故障是控制系统中常见故障之一。执行器的常见故障有:反馈与指令间偏差过大;执行器输出出现突变型或缓变型偏差;增益逐渐衰减;执行器振荡;执行器卡死故障等。下面针对执行器的粘滞-滑动故障提出诊断方法。执行器出现粘滞一滑动故障现象时，据该过程中速度变化
事件的频率分布的变化进行诊断，正常时的速度变化如图2，如发生粘滞-滑动时速度频率分布图明显出现变化，利用阀杆速度的均值和方均根的增大来诊断这种故障。故障是很方便诊断出来。二者之间的关系视分布频率图的形状而定，在理论上，速度均值和均方根间的比率与阀杆运动速度大小的发生频率分布图形状有关。
2.5 热工自动控制系统的闭环辨识
系统控制要求辨识必须在闭环状态下进行，如研究参数自适应控制问题时，辨识和控制是有机结合的，这时的辨识一定要在闭环状态下进行，以便实时修改控制规律。闭环辨识可采用2 种方法:①间接辨识法，首先获得闭环系统模型，在此基础上利用反馈通道上的控制器模型，从中导出前向通道模型;②直接辨识法，利用前向通道的输入输出数据，直接建立前向通道的数学模型，反馈通道的控制器模型可以未知。
本文采用直接辨识法，对于前向通道模型，利用最小二乘法，可直接获得模型参数的最小二乘估计值，然后得到模型参数。热工自动控制系统故障诊断装置的硬件设计电厂DCS 装置总体如图3 所示。其实现的功能为:
（1）在线监测自动调节系统调节品质并给出评价，如衰减率、过渡过程时间、超调量、静态偏差、动态偏差等指标。
（2）控制系统闭环辨识。
（3）诊断控制系统是否处于最优整定状态，分析其原因，并给出建议措施。
（4）判断控制系统中一些重要信号是否正常工作，给出报警并分离出故障传感器，提出建议和应采取的措施。
（5）判断控制系统中执行机构是否工作正常，如执行机构出现故障时，给出相应的报警和建议。
（6）实时数据采集实现故障诊断装置与电厂DCS 的数据通信。
从DCS 网上获得数据，送到上位计算机，上位机完成数据的采集、保存、显示、打印、数据分析、模型计算及故障诊断功能。②通过INICI01（模件）从DCS 网上获得数据，然后通过网关计算机传送到电厂管理信息系统（MIS）的数据库，再从MIS 数据库中提取数据用于故障诊断。
4 软件设计
4.1 软件的总体设计
热工控制系统故障诊断装置的软件从总体上可分为四大部分:数据采集模块、图形显示模块、在线诊断分析模块、历史数据分析模块。软件的编程主要是对3 个子程序的编程:数据采集子程序;图形显示模块和在线诊断分析子程序;历史数据分析子程序。其中图形显示、在线分析程序是软件的核心部分，作为整
个软件的主程序;数据采集程序是软件运行的前提条件，是整个软件的后台程序;历史数据分析程序作为软件的离线分析工具。
4.2 数据采集程序的开发
本装置中数据采集部分既可从DCS 中直接采集又可从MIS 中进行数据采集，把数据采集部分作为一个独立的程序来处理，针对DCS 和MIS 2 种数据源分别编制2 个数据采集模块。数据采集程序实现的功能包括:数据采集、数据库保存和共享内存分配。
4.2.1 主程序的开发
主程序采用VC 中的多文档形式进行开发，可实现多窗口、多画面显示，同时程序提供了各个画面的切换按钮，大大方便了用户使用。
（1）主程序中的显示画面:①流程图画面。包括给水控制系统、主汽温控制系统、主汽压控制系统流程图。流程图画面中可动态显示各主要测点的实时值，动态反映阀门、泵、M/A 站等的运行状态。②实时数据浏览画面。提供了测点库中所有测点的实时值显示。③趋势图画面。能显示每个测点的实时趋势曲线。④分析诊断结果显示画面。显示各在线分析模块的结果及在线诊断的故障信息，方便用户了解控制系统的运行情况，根据分析、诊断结果及时处理出现的问题，确保控制系统达到最优的运行状态。
（2）在线诊断分析模块:该模块是整个软件的核心部分，实现控制系统的故障诊断功能。它可分为以下子模块:①控制性能分析模块。对各控制系统进行在线监测与分析。量值偏差积分和（ITE）性能指标，通过该组指标可对控制系统一段时间内的控制效果给予评估将2 种方法结合可对控制系统进行更公平准确的性能分析。②闭环辨识模块。在控制系统不切除自动的情况下根据闭环系统本身的定值扰动与外界干扰响应，自动完成被控对象数学模型的辨识。并对辨识出的模型进行测试和简单的分析，如阶跃响应、根轨迹和波特图等。③控制系统整定指
导模块。程序自动启动整定指导模块对控制系统进行调节器参数整定，并根据整定结果给用户以调节指导。④传感器、执行器故障诊断模块。传感器的诊断方法有很多种，包括观测器方法、神经网络方法、误差检测和信号冗余方法等。执行器故障诊断部分针对执行机构的几种典型故障分别编制了相应的子程序来实现诊断算法。
4.2.2 历史分析程序的开发
历史分析程序可同时打开多个历史数据库进行分析、比较。它提供强大的离线分析功能，可对任意一段历史时期的数据进行分析。
5 结论
该装置的使用，提高了电厂热工自动控制系统的可靠性，优化了自动调节系统的调节品质，为电厂的安全经济运行做出了重要贡献。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。