容錯(cuò)技術(shù)提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性

1、 利用容錯(cuò)技術(shù)指導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)際系統(tǒng)的硬件和軟件出現(xiàn)故障都是難以避免的。因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí),必須全面考慮如何應(yīng)用容錯(cuò)技術(shù),保證系統(tǒng)在局部出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常運(yùn)行,從而提高控制系統(tǒng)的可靠性。本文在分析通用容錯(cuò)技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對控制系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)的基本原則,并針對控制系統(tǒng)中控制器的特點(diǎn)提出了一套模型預(yù)測與專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制器檢測方案。此控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)已成功應(yīng)用于某130t/h煤粉爐的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。1容錯(cuò)技術(shù)概述容錯(cuò)的基本思想是由馮*諾伊曼在1962年提出的。系統(tǒng)若具有自動(dòng)修復(fù)和容忍故障的能力,就可以達(dá)到高可靠性系統(tǒng)的目標(biāo)。這就是容錯(cuò)的思想。容錯(cuò)技術(shù)能夠達(dá)到對故

2、障的“容忍”,并非是“無視”故障的存在,而是要能夠自動(dòng)、適時(shí)地監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障,然后采取相應(yīng)的故障控制或處理的策略,而要達(dá)到這些要求,還要有相應(yīng)的硬件作為基礎(chǔ)。故障容錯(cuò)技術(shù)包括硬件冗余,故障檢測與診斷和故障決策等內(nèi)容2。容錯(cuò)技術(shù)所包括的內(nèi)容可以歸納如圖1所示。 圖1故障容錯(cuò)技術(shù)所包含的內(nèi)容1.1硬件冗余為提高系統(tǒng)的可靠性,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可采用兩種方法:其一是盡可能地選用高可靠性的單元組成系統(tǒng)。這種方法一方面受到技術(shù)水平的限制,有時(shí)為了達(dá)到高可靠性要求,單元配置的成本較高;另一方面,對于由同樣可靠性程度的單元組成的系統(tǒng),系統(tǒng)越復(fù)雜,系統(tǒng)的可靠性越低。因此對于復(fù)雜系統(tǒng),單純依靠提高單元的可靠性

3、達(dá)到系統(tǒng)的高可靠性是非常困難的。其二是增加一定數(shù)量的相同單元組成系統(tǒng)或采用多套相同的系統(tǒng),即所謂冗余的方法。這種方法可以提高系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)冗余也是容錯(cuò)技術(shù)的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)冗余時(shí),必須考慮幾個(gè)方面的問題:1單元可靠性是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ),因此必須努力提高單元的可靠性;2對于簡單并聯(lián)冗余系統(tǒng),當(dāng)冗余超過一定數(shù)量時(shí),可靠性提高的速度大為減緩,同時(shí)采用冗余也就意味著成本的增加,因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮費(fèi)效比問題;3采用何種冗余方法要根據(jù)實(shí)際情況決定,一般在低級別部位采用冗余的效果比在高級別部位采用冗余的效果好;4并不是所有單元都可以冗余,比如當(dāng)失效單元無法有效地隔離時(shí),就無法采用冗余。1.2故障檢測與診斷

4、容錯(cuò)技術(shù)的主要內(nèi)容是故障檢測與診斷。公認(rèn)系統(tǒng)故障有三種類型:早期故障,耗損性故障和偶然性故障3。這三種故障分別對應(yīng)系統(tǒng)生命周期的三個(gè)階段。早期故障可以通過修正設(shè)計(jì)等措施及時(shí)剔除。耗損性故障可以通過定時(shí)檢修和更換老化部件避免。當(dāng)系統(tǒng)工作在早期和耗損期之間的工作期時(shí),在此期間所發(fā)生的故障全是隨機(jī)發(fā)生的偶然故障,稱為偶然性故障。因?yàn)檫@一時(shí)期正是系統(tǒng)的工作期,所以偶然性故障的故障檢測與診斷很重要。故障檢測與診斷的目的在于當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障,并確定出故障的部位和類型,同時(shí)自動(dòng)采取保護(hù)措施。故障檢測與診斷的成功與否將直接影響系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。故障檢測與診斷裝置的基本要求:1在系統(tǒng)所處的各種工作

5、方式和狀態(tài)下,都應(yīng)能自動(dòng)、可靠地進(jìn)行檢測;2能檢測90%以上的系統(tǒng)故障;3故障檢測與診斷裝置的失效率不應(yīng)大于系統(tǒng)總失效率的50%;4誤報(bào)率小于1%。目前,故障檢測和診斷中常用的方法有:1直接余度:其基本原理是對系統(tǒng)的關(guān)鍵部件引入多重相同的部件,利用表決法檢測并診斷系統(tǒng)故障,并利用冗余的部件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的目的。2解析余度:其基本原理是利用系統(tǒng)之間或系統(tǒng)的各部件之間的功能關(guān)系構(gòu)成功能上的冗余,利用系統(tǒng)狀態(tài)、輸出等變化來檢測與診斷系統(tǒng)的故障,利用最少的硬件冗余實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的目的。3利用參數(shù)估計(jì)、信息序列處理等現(xiàn)代控制論與統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合的方法進(jìn)行故障檢測,并估計(jì)出偏差量,利用補(bǔ)償、校正等方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容錯(cuò)控制。

6、這種檢測方法所涉及的計(jì)算工作繁雜,難以在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用中,一般綜合使用直接余度和解析余度來進(jìn)行表決,即所謂表決法。表決法是一種常用的故障檢測與診斷的方法,該方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單、可靠,但需要有一定的硬件冗余。1.3故障決策故障決策的目的在于針對故障的部位和類型,采取相應(yīng)的容錯(cuò)措施。一般有兩種方法:其一是將故障單元隔離,利用冗余配置替換故障單元,保持系統(tǒng)正常運(yùn)行;其二是在故障存在的前提下,降低系統(tǒng)的性能,保證系統(tǒng)在可靠性所允許的一定范圍之內(nèi)運(yùn)行。2控制系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)控制系統(tǒng)是一種以控制器為核心的人工系統(tǒng),它通過輸入設(shè)備(傳感器組和輸出設(shè)備(執(zhí)行機(jī)構(gòu)將受控系統(tǒng)和控制器連接到一起,如圖2所

7、示。 圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)可以被劃分為三個(gè)相對獨(dú)立的串聯(lián)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)間通過信號聯(lián)接。因此,可以分別設(shè)計(jì)符合各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)際特點(diǎn)的子容錯(cuò)方案。2.1輸入、輸出子系統(tǒng)的容錯(cuò)輸入、輸出設(shè)備都是以硬件為主構(gòu)成的。當(dāng)其元件出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)有明顯異于正常的特征信號出現(xiàn),因此可以使用常規(guī)的硬件冗余比較的容錯(cuò)方案。2.2控制器子系統(tǒng)的容錯(cuò)控制器是控制系統(tǒng)的核心,它的突出特點(diǎn)就是以軟件為核心,因此控制器的容錯(cuò)與一般意義下的硬件容錯(cuò)技術(shù)有所不同,必須考慮軟件的獨(dú)特特點(diǎn)?？刂破骺赡艹霈F(xiàn)的故障主要有:控制器硬件故障,控制軟件故障,控制算法缺陷和操作失誤。控制器以通用或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)作為硬件的基礎(chǔ)。為了提高控制系統(tǒng)的

8、可靠性,一般采用集散控制系統(tǒng),即由幾臺計(jì)算機(jī)分別控制不同的控制回路,計(jì)算機(jī)間由通訊聯(lián)系。由于計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行的獨(dú)立性,控制計(jì)算機(jī)無法熱切換,因此必須選用高可靠性的計(jì)算機(jī)?？刂栖浖刹僮髌脚_和應(yīng)用軟件組成。理想的操作平臺,不但要功能強(qiáng)大,而且要穩(wěn)定。應(yīng)用軟件就是控制算法的實(shí)現(xiàn),應(yīng)當(dāng)能夠如實(shí)再現(xiàn)控制算法。軟件故障與硬件故障的特點(diǎn)不同4:軟件故障主要是軟件設(shè)計(jì)和編碼的錯(cuò)誤,而與拷貝、使用、維護(hù)的關(guān)系甚小;可靠度與時(shí)間無關(guān),軟件的可靠度隨軟件錯(cuò)誤的排除而提高;相同軟件的冗余不會(huì)提高可靠性。由于軟件故障的以上特點(diǎn),因此軟件的容錯(cuò)工作主要是如何發(fā)現(xiàn)和避免軟件中的錯(cuò)誤,這需要應(yīng)用軟件系統(tǒng)工程的方法?？刂扑惴ㄊ?/p>

9、控制系統(tǒng)工作的保證,如果算法出了問題,控制系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)誤操作。為了取得滿意的控制效果,控制算法一般都比較復(fù)雜,有些甚至采用了自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)算法,因此難以通過仿真對控制算法進(jìn)行全面的檢驗(yàn);并且受控對象的特性也有可能發(fā)生改變,偏離控制算法的設(shè)計(jì)區(qū)域。所有這些因素都會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)在某些意想不到的情況下做出誤操作。控制器的輸出是否正常,是針對它對受控對象的影響結(jié)果而言,其本身并不具備明顯的特征。由于一般受控對象都有一定的滯后和慣性,因此控制器的輸出對受控對象的影響具有遲滯性和積累性,因此并不能根據(jù)受控對象當(dāng)時(shí)的狀態(tài)來判定控制器輸出是否正常,而需要一套預(yù)測的方法提供信息。本文運(yùn)用模型預(yù)測的方法預(yù)測控制器

10、輸出對受控對象的影響,如圖3所示。受控對象動(dòng)態(tài)模型的輸入量是控制器的輸出,通過計(jì)算可以得到未來一段時(shí)間里受控系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡。計(jì)算時(shí)假設(shè)控制器正常,考慮控制器動(dòng)作的影響。由于模型所預(yù)測的時(shí)間段不長,因此動(dòng)態(tài)模型可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行趨勢。 圖3控制器容錯(cuò)方案模型預(yù)測的一些重要信息,如最大偏移量、最大偏移速率等,送到一個(gè)專家系統(tǒng)5,由專家系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),綜合判斷控制器輸出是否正常。專家系統(tǒng)內(nèi)存有一套檢測標(biāo)準(zhǔn),由推理機(jī)根據(jù)模型預(yù)測的信息和當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷控制器輸出是否正常,并判斷可能的故障類型。如果專家系統(tǒng)認(rèn)為控制器輸出正常,則該輸出被送到輸出設(shè)備;如果專家系統(tǒng)認(rèn)為控制器輸出

11、異常,則該輸出被抑制,轉(zhuǎn)由一個(gè)比較穩(wěn)定但控制效果不是最佳的備用控制器產(chǎn)生控制器輸出。3應(yīng)用舉例上述控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)已被成功運(yùn)用于某130t/h煤粉爐的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖4?？刂破饔晒た貦C(jī)和PLC組成。PLC負(fù)責(zé)各回路的基本控制,即所謂下位機(jī);工控機(jī)在負(fù)責(zé)優(yōu)化的同時(shí),還要負(fù)責(zé)人機(jī)界面等工作,即所謂上位機(jī)。故障監(jiān)控的主要計(jì)算工作也由上位機(jī)完成。 圖4130t/h煤粉控制系統(tǒng)簡圖控制系統(tǒng)的輸入設(shè)備由傳感器組、配電器和A/D模塊組成。由于控制系統(tǒng)所需要采集的信號都是表征受控系統(tǒng)狀態(tài)的重要參數(shù),因此本設(shè)計(jì)采用的都是三重余度布置,應(yīng)用比較法,可以檢測傳感器通道故障,并自動(dòng)隔離、報(bào)警

12、。控制系統(tǒng)的輸出設(shè)備由一系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由于大部分執(zhí)行機(jī)構(gòu),如風(fēng)門等,無法有效隔離,因此對于每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元未進(jìn)行冗余布置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的檢測主要依靠測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號和控制器輸出信號,然后進(jìn)行比較,同時(shí)輔以執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作影響的參數(shù)變化信號。以給粉機(jī)速度控制為例,調(diào)整機(jī)構(gòu)的故障主信號是給粉機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號,輔助信號是爐內(nèi)燃燒溫度。由于工控機(jī)和PLC的可靠性都已達(dá)到控制系統(tǒng)的要求(連續(xù)無故障工作時(shí)間長達(dá)105h,另一方面由于程序執(zhí)行的獨(dú)立性,因此沒有設(shè)計(jì)雙機(jī)熱備份系統(tǒng),而采用了冷備份系統(tǒng)。上位機(jī)和下位機(jī)各有相對獨(dú)立的兩套控制器。上位機(jī)控制器的控制算法比較復(fù)雜,具有自適應(yīng)和優(yōu)化等功能,而下位機(jī)控制器的控制算法則比較簡單。故障監(jiān)控系統(tǒng)在上位機(jī)運(yùn)行。一般情況由上位機(jī)控制器輸出,當(dāng)上位機(jī)控制器異常時(shí),轉(zhuǎn)由下位機(jī)控制器輸出。4結(jié)束語清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 頁碼， 應(yīng)用控制系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)可以提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性，從而提高整個(gè)鍋爐 系統(tǒng)的可靠性。鍋爐系統(tǒng)可靠性的提高，就意味著經(jīng)濟(jì)效益的提高。 控制系統(tǒng)只是鍋爐系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，要進(jìn)一步提高鍋爐的可靠性，還需要 提高鍋爐其它子系統(tǒng)的可靠性。 第一作者：男，年生，博士研究生 基金項(xiàng)目：國家攀登計(jì)劃