基于重构技术工业故障诊断OPC数据平台的设计.pdf

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基于重构技术工业故障诊断OPC数据平台的设计pdf,基于重构技术工业故障诊断OPC数据平台的设计
2009,26(8)杨海荣,等:基于重构技术工业故障诊断OC数据平台的设计 995 PCA统计量监控曲线显示检测到故障并发出故障报 警,再求每个变量对SE统计量贡献值大小,查找贡献 度最大的变量对应的传感器,就可以将故障定位到该传 感器上。诊断出故障传感器并隔离其故障信号,就需要 60 运用到下文介绍的故障数据重构技术。 32故障数据重构技术 故障数据重构的目的就在于通过数据统计特性来估 50 100 计丢失数据。主元空间中故障可重构的前提条件是故障 样本数 必须能够在该空间被检测到,不能被检测到的故障也就 Fig 3 Reconstruction of the failure data 无法重构。因此故障的可重构性等同于可检测性的必要 图3已知数据回归法重构后的故障数据 条件。由上述PCA故障诊断方法检测到了故障并定位到 故障传感器,信号重构的方法很多,根据常见的传感器4故障诊断数据平合实现 故障情况,某个传感器发生了故障其他传感器正常工作符 为实现容错控制在工程中的应用,真正体现故障诊 合已知数据回归法(KDR)运用条件,故本文采用了已知断和容错控制相结合的应用价值212。在控制系统中建 数据回归法用于过程传感器故障数据进行重构2l 立故障诊断模块,并重构故障数据作为DCS控制的和先 假设过程数据x=x∈x满足归一化的条件,其中进控制的输入。故障诊断数据平台的工作原理及功能见 下图 x、x+分别表示测量数据中已知部分以及缺失部分,即 x由于传感器故障是未知的。通过下式对缺失部分x+进 行重构。对和分别表示缺失数据和整体采样的重构值, 数据库务器 T程师管理站 监控组态界面 ∈Rm,r≤n为PCA载荷矩阵,或样本协方差 阵 先进控制软 件DCS控制 S121_「E(xx)E(x+) 的前r个特征向 S2I52]e(xxE(xx* 故障数据修正 S=IPPJAPPI (6) 实时数据库 数据库 其中A为S特征值构成的对角阵 故障诊 P和P分别表示P与x、x对应的部分,即有 断模块 □数据采集块雪 OPC数据交换模块 (7) T业现场传感器网络 C=PPT=1-PP表示余差投影阵。 i= s2sux Fig 4 Framework of fault diagnosis data platform 图4故障诊断数据平台设计框架 I 0x Or (9) 0x 该数据平台是基于通用的OPC数据通讯方式建立 根据式(9),对采样数据x可以采用以下形式进行 的,支持OPC服务的控制系统就可以建立该数据平台。 描述 在不覆盖原始数据的前提下建立1个与实时数据库平行 (10) 的数据平台为先进控制软件和DCS控制提供“正常”数 其中,Φ为重构矩阵。某温度传感器发生故障后重据。工作方式如下 构数据例图如图3所示。 Step1:激活故障检测及重构系统,数据采集到300 根据上述方法可以在传感器发生故障后得到经过重个正常样本建立正常模型,继续采集数据。 构的故障数据,可以作为上层控制软件的输入,这祥可 Sep2:对原始教据进行故障诊断,界面如图2所示 以使系统在故障发生后保持稳定运行1段时间。下文将 Step3:若检测到故障,隔离故障并触发数据重构机 叙述整个系统的具体解决方案。 制,在故障监控界面上定位故障传感器。 Step4:故障重构算法通过数据库的读写修改故障数 o1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 996 计算机与用化香 209,26(8) 据修正数据库数据,作为控制器的输入信号。 industry control. Journal of Qingdao University of Science and Step5:控制器读取数据给出控制信号。 Technology2003,24(6:545547 Step6:工人检修故障传感器后确认故障排除在监控 5 Jiang P, Duan X H and Wang R Design of monitoring system for DCS based on OPC techmology Informationization, 2009, 7: 59-62 界面上点击“确认故障”取消数据重构机制。 6 Chen J M, Wang Z and Sun Y X Application of OPC in industrial 检测及重构系统 process control. Mechanical Electrical Engineering Magazine, 系统状态[正常 激活系统 2001,18(5):27-28. Pcond 7 OPC Foundation OPC DA3.00 Specification [DB/OLI 1482 KP Tcond 确认故障 http://www.opcfoundation.Drg,2003 kemple/h 4393℃ I2上限值门3.88 T1[4454℃ 8 OPC Foundation; OPC HDA lI Specification [DB/OL] 125072℃ 19 kmol/h T2当前值27 http://www.opcfoundation.org2002 T36431℃ 限值 SPE上限 28.61 9 Guo H X and Mo D J. Application of oPC in fieldbus and T47002℃ SPE当前值[2498 development of its software. Journal of Beijing University of T57435℃ 故障位号「无故障 Chemical Technology, 2002, 29(3): 71-73 68088℃ I818℃ Treb 10 Wang Y G and Chen WR. Process control configuration software T&(89.52 Preb 90.29℃ based on OPC. Joumal of Shenyang Institute of Chemical 1500) KP 31.77 kgmole/h Technology, 2000, 14(2): 87-90 EXIT 11 BakshiBR. Multiscale PCa with application to multivariate statistical process monitoring. aiChE JoumaL, 1998, 44 Fig. The interface of detection and reconstruction system (7):1596-1610 图5故障检测及重构系统运行界面 12 Li D H, Wang L Y and Li s. Fault diagnosis of sensors in 图5是该系统运用到实验室精馏装置的界面。该系 air-conditioning system based on PCA method. Transactions of 统只有在系统发生故障才工作,在不影响生产的情况下 China Electrotechnical Society, 2008, 23(6): 130-136 能够对故障进行排除工作,也为控制系统遇到致命故障 13 Liang X M, Liu C and Lu WY. Monitoring and fault diagnosis 时争取更多的时间,是控制系统的一种保障机制 based on PCA for sensor networks, Manufacturing Automation, 2007,293):7981 5结语 14 Xiao Y w and Xu B g a method for identification of normal proc ss faults based on oved PCa 针对当今工业过程中故障诊断的需求该故障检测及 Computers and applied Chemistry, 2007, 24(2): 163-168 重构数据平台的建立可以为工厂故障排除争取更多时15 Zhu Q and Shi H E. Fault detection and diagnosis based0aCCA 间,在故障发生时重构故障数据使系统继续稳定运行 for multivariable statistics. 2006. SI 1段时间。给工人一定的时间去排除故障。故障诊断数6 Wang H Q and Jiang N. Fault reconstruction approach in principal component subspace, Journal of Chemmical Industry and 据平台是基于目前在工业控制领域很成熟的OPC技术建 Engineering( China,2004,55(8):1291-1295 立的,具有一定的集成性和开放性。本文将故障诊断及 17 Wang Y Z and Liu F. Principal component analyais and data 容错控制技术初步运用到工业控制工程中。但是该平台 reconstruction for process monitoring, Journal of Southerm Yangtze 有一定的局限性,根据故障可重构的前提条件,只有在 University: Natural Science Edition, 2004, 3(1): 30-32. 主元空间中可检测故障才能被重构,并不能克服所有故 18 Lv N, Liu S B and Yu X Y. Sensor's fault diagnosis and 障对系统的影响,有待将更优秀的故障诊断算法运用到 Techniques of Automation and Applications, 2008, 27(4): 86-89 reconstruction based on the principle component space statistics 该平台上。 19 LiY, Xie Z and Wang G Determination of principal components in References PCA model on basis of fault reconstruction. Joumal of I YuCMand Zhang H C. Advances of fault diagnosis methods in Northeastern University (Natural Science), 2004, 25(1): 20-23 industrial processes. Jourmal of Hefei University of 20 Zhao Z G and Liu F. Estimation of missing data in process Technology (Natural Science), 2008, 31(1): 13-t monitoring with probabilistic PCA. Computers and Applied 2 Feng d w and Yang X H. viewing the development of fieldbus hem出y,2006,23(12):1205-1208. techmology m information integration, Metallurgical Industy 21 Qiu T, Zhang QE, DingY Wu Z S, Zhang Y and Kong L. Automation 2001. 6: 22-27. Noalinear sensor fault detection and data rebuilding based on 3 Xiang D, Wang R X and QinX S Research and implementation of nciple component analysis. Journal of Tsinghua multi-ticr and OPC-based process control system. Computer University Science and Technology ) 2006, 46(5 ): 708-711 Applications, 2003, 23 (2): 68-70 22 XuJX,LiY and Xie Z. A study on faulty sensor reconstruction 4 Xu GJ and Li C L The OPC technology and its application in based on PCA. Chinese Joumal of Scientific Instrument, 2003 01994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 2009,26(8) 杨海荣,等:基于重构技术工业故障诊断oPC数据平台的设计 997 24(4):187-188 断J,电工技术学报,208,23(6:130-136 23 Luan y j, Zhou Y and Zhao y K Design of power plant real-ime10梁背明,刘成,鲁五一.基于PCA的传感器网络的故障诊斷分 fault diagnosis system with virtual DCS-based simulation system. 析叮制造业自动化,2007,29(3):7981 Electric Power Automation Equipment, 2006, 26(3): 79-81 11肖应旺,徐保国.基于改进PCA的正常工况改变与过程故障识 24 Chen h and wu C G. Research on universal station software in 别方法[门计算机与应用化学,2007,24(2):163-168 simulator of DCs for fault diagnosis experimentation. Computer I2朱奇,侍洪波,基于PCA多变量统计的故障检测与诊断]控 Simulation,2004,21(1):223-227 制工程,2006,.S1 25 Xu Y and Yu j S Development of expert system for DCS fault 13王海濟,蒋宁,主元空间中的故障重构方法研究[化工学报, diagnosis. Journal of East China University of Science and 2004,558)129】-295 Technology2001,27(5):580584. l4王一竹,刘飞,主元分析及数据重构在过程监控中的应用 中文参考文獻 江南大学学报(自然科学版)2004,3(1):3032 15吕宁,刘少波,于晓洋,基于主元空间统计的传感器故障谂断 于春梅,张洪才工业过程故障诊断方法的研究进展[]合肥 与重构叮自动化技术与应用,2008,27(4) 工业大学学报(自然科学版,2008,11316. 16李元,谢植,王纲.基于故障重构的PCA模型主元数的确定[门 2冯大为,阳宪惠.从信息集成看现场总线技术的发展门冶金 东北大学学报自然科学版,2004,25(1)2023 自动化,2001,6:2227 17赵忠盖,刘飞,基于概率PCA过程监控中還失数据的重构(英 3向冬,王润孝,秦现生.基于OPC的多层过程控制系统架构设 文门计算机与应用化学,2006,23(2:1205-1208 计及实现[门计算机应用,203,26870 18仇韬,张清峰,丁艳军,吴占松,张毅,孔亮PCA在非线性系 4徐国君,李成利,OPC技术及其在工业控制中的应用[门背岛 统传感器故障检测和重构中的应用[门清华大学学报(自然科 科技大学学报(自然科学版,2003,246545-547. 学版),206465:708-711 5姜萍,段新会,王锐,基于OPC技术的DcS监控系统设计门 l9徐进学,李元,谢植.基于PCA的故障传感器重构的理论研究 信息化纵横2009,7:5962 J.仪器仪表学报,2003,24(4):l87-88 6陈积明,王智,孙优贤,OPC在工业过程控制中的应用门机电 20栾铁佳,周燕,赵英凯.基于虚拟DCS的仿真系统设计火电厂 工程,2001,18(5)2728 实时故障谂断系统门电力自动化设备,20026(3):798 7郭红晓,莫德举.OPC技术及其软件的开发[.北京化工大学 21陈皓,吴重光用于故障诊斷试验的仿DcS操作站款件研究 学报(自然科学版),2002,29(3:7-73 计算机仿真2004,21(11)223-227 8王育钢,陈未如.基于OPC的过程控制软件门沈阳化学院 22顾燕萍,俞金寿,DCS故障谂断专家系统的开发门化工进晨, 学报,200014(2):8790 2001,27(5)1580584. 9李冬辉,王乐英,李晟基于PCA的空调系统传感器故障诊 An industry process fault diagnosis data platform based on OPC technology and data reconstruction Yang Hairong, Bo Cuimei, Jiang Sunhua and Zhang Guangming (1. College of Automaiton, Nanjing University of Technology, Nanjing, 210009, Jangsu, China; 2. Suzhou Sinoma Design and Research lnstitute of Non-metallic Minerals Industry Co. Ltd, Suzhou, 215004, Jangsu, China) Abstract: Today's rapid development of factory automation control technology makes the higher degree of automation, however, once the detection equipment failure, it will bring about the collapse of the coatrol system, and lead to economic losses and even industrial accidents. Fault diagnosis technology, Known Data Regression and OPC technology are integrated to design a fault-tolerant control data platform to address this issue. Industry data obtained through the OPC(OLE for Processing Cantrol)on-site services, and processed by fault diagnosis technology. Sensors faults have been detected by PCa method, and failure sensors isolated Fault data has been reconstructed by Known Data Regression method, as the input of upper control software, fault monitoring software shows failure to remind operators. The results show that the platform can operate stably which laid the foundation for engineering applications of fault diagnosis and fault-tolerant technology. Keywords: OPC technology, fault diagnosis, active fault-tolerant control, data reconstruction, sensor fault (Received: 2009-06-19, Revised: 2009-07-15) o1994-2011cHinaAcademicJournalElectronicPublishingIlouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

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