本站小編為你精心準(zhǔn)備了故障診斷軟件技術(shù)研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1故障和診斷模型

1．1自動(dòng)控制系統(tǒng)故障診斷特點(diǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化生產(chǎn)活動(dòng)的中樞神經(jīng)，它接收指令，進(jìn)行運(yùn)算，擔(dān)負(fù)著指揮和調(diào)度生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的任務(wù)。以一個(gè)完整的分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)為例，它的結(jié)構(gòu)和組成十分復(fù)雜。從縱向分析，它是一個(gè)多層次系統(tǒng)，大致可分為控制層、控制數(shù)據(jù)應(yīng)用層、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)用層等，層與層間通過有限的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行交互。從橫向分析，它是由一系列子系統(tǒng)和部件組成的多功能系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)和部件都具有其固有的結(jié)構(gòu)和功能，可以通過通用的總線或者固有的硬件結(jié)構(gòu)相連接，它們相互協(xié)作密切配合。整個(gè)系統(tǒng)的特性就是由這些子系統(tǒng)和部件的特性以及它們之間的層級(jí)聯(lián)系所決定。透過自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，分析故障及其傳播機(jī)理，可以看出控制系統(tǒng)的故障具有以下特點(diǎn)：1）層次性：控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)決定了控制系統(tǒng)故障具有層次性，每一個(gè)故障都勢(shì)必與控制系統(tǒng)的某個(gè)層次相關(guān)聯(lián)。高層次的故障可能由低層次的故障所引起，但與一般的機(jī)械式結(jié)構(gòu)不同，控制系統(tǒng)低層次的故障可以被檢測(cè)和控制，未必引起高層次的故障。這種分層的故障特征是控制系統(tǒng)故障的基本特性；2）相關(guān)性：也可以稱之為自動(dòng)控制系統(tǒng)故障的“橫向性”，它是由系統(tǒng)各設(shè)備和參數(shù)之間的聯(lián)系所決定的。一個(gè)故障存在多條潛在的故障傳播途徑，因而一個(gè)故障的發(fā)生可能引起其他多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生；3）延時(shí)性：依據(jù)控制系統(tǒng)故障的傳遞機(jī)制，從基礎(chǔ)設(shè)備故障到系統(tǒng)級(jí)故障要經(jīng)歷發(fā)生、發(fā)展到形成的過程。這是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程。單次基礎(chǔ)故障數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果不具有代表性，需要通過統(tǒng)計(jì)方法使故障的檢測(cè)趨向可靠，但同時(shí)會(huì)犧牲部分實(shí)時(shí)性。因此，綜合故障的發(fā)生和檢測(cè)特征，故障具有延時(shí)性；4）模糊性：控制系統(tǒng)的故障和診斷信息不僅包含定性問題，還包含定量問題，所以不能純粹用“正常”或“故障”來表示，所以故障分析還要考慮由量定性的過程。根據(jù)輸入的精確值和隸屬度，按照一定的關(guān)系求出模糊量。分析過程通常可以有多項(xiàng)不同來源的輸入量。例如，控制器CPU運(yùn)行負(fù)荷超過某一限值，或者內(nèi)存使用量超過某一限值，可判定為運(yùn)行超負(fù)荷故障，但此類故障是一個(gè)模糊的概念，不具備非此即彼的特性。

1．2故障樹建造對(duì)于系統(tǒng)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，引發(fā)故障經(jīng)常是多種因素作用，相同故障在不同的環(huán)境狀態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下表現(xiàn)的癥狀卻不完全相同，有時(shí)可能幾個(gè)故障同時(shí)發(fā)生，更加大了故障診斷的難度，若有可靠的故障診斷機(jī)制來提高對(duì)故障的檢測(cè)和監(jiān)控，可以最大限度的避免誤操作和非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，從而提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和可用效率。故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它用事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)和轉(zhuǎn)移符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的故障樹分析的基本程序一般包括如表1的步驟。圖1顯示了控制系統(tǒng)故障的樹形結(jié)構(gòu)。宏觀上的系統(tǒng)故障是一系列子故障的集合，或者說，一個(gè)底層故障的產(chǎn)生可以引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)故障。例如“控制器電源故障”或者“控制器硬件故障”任何一項(xiàng)發(fā)生，可以視為控制器故障。故障的這種從底層到上層、從微觀到宏觀的邏輯組合關(guān)系和傳遞關(guān)系，取決于控制系統(tǒng)的構(gòu)成方式，同時(shí)也決定了故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)思路。故障樹在DCS故障診斷的典型應(yīng)用包括故障組合、子故障動(dòng)態(tài)抑制、故障源推理、故障標(biāo)識(shí)傳遞等。故障診斷在大部分情況下，元故障的“或”關(guān)系可以產(chǎn)生組合故障。在另一些特殊情況下，元故障的“與”關(guān)系才可以產(chǎn)生組合故障，例如相互冗余的兩個(gè)設(shè)備，當(dāng)兩者均發(fā)生故障時(shí)，兩者所擔(dān)當(dāng)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境才被視為故障。在由下至上傳遞故障信息時(shí)，故障信息中包含故障標(biāo)識(shí)，可以據(jù)此反向推理故障源。故障樹還可以為子故障動(dòng)態(tài)抑制提供依據(jù)，例如，當(dāng)節(jié)點(diǎn)通訊發(fā)生異常時(shí)，節(jié)點(diǎn)的其他故障信息無法上送，那么在故障分析時(shí)對(duì)該節(jié)點(diǎn)的其他故障信息應(yīng)該不予分析，防止得出無意義的結(jié)果。

2生產(chǎn)控制系統(tǒng)故障診斷軟件設(shè)計(jì)

2．1故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的故障診斷系統(tǒng)是一系列軟硬件的有機(jī)結(jié)合。生產(chǎn)控制系統(tǒng)往往由用于控制生產(chǎn)設(shè)備的硬件控制系統(tǒng)、用于提供數(shù)據(jù)服務(wù)和數(shù)據(jù)計(jì)算的服務(wù)器、用于提供監(jiān)視和人工控制的操作員客戶端、以及連接它們的網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成。圖2是一個(gè)分散控制系統(tǒng)的示意圖，其中控制站負(fù)責(zé)采集測(cè)量數(shù)據(jù)、根據(jù)用戶配置運(yùn)行與生產(chǎn)工藝相關(guān)的控制程序、并輸出控制信號(hào)，達(dá)到控制生產(chǎn)設(shè)備的目的。服務(wù)器計(jì)算和存儲(chǔ)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并為控制和操作網(wǎng)內(nèi)的其他終端提供數(shù)據(jù)服務(wù)。操作員站則用于監(jiān)視各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設(shè)備參數(shù)，以及人工設(shè)置工藝參數(shù)。生產(chǎn)控制系統(tǒng)的故障診斷軟件，部署于控制系統(tǒng)的各個(gè)組成節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的故障診斷軟件都是控制系統(tǒng)的故障診斷子系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。對(duì)于不同類型的節(jié)點(diǎn)，其上運(yùn)行的故障診斷軟件職責(zé)也不相同。如果按簡(jiǎn)單的“檢測(cè)、計(jì)算、監(jiān)視”過程來設(shè)計(jì)故障診斷系統(tǒng)，可以在設(shè)備和節(jié)點(diǎn)上檢測(cè)故障情況，再將檢測(cè)到的故障信息匯總到服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算，而客戶端可從服務(wù)器獲取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行全系統(tǒng)的故障監(jiān)控。但是，檢測(cè)環(huán)節(jié)所在的設(shè)備或者計(jì)算環(huán)節(jié)所在的服務(wù)器也有可能發(fā)生故障。一旦集中計(jì)算環(huán)節(jié)發(fā)生故障，則所有監(jiān)控客戶端都無法獲取到有效的診斷信息。因此，出于故障診斷對(duì)于控制系統(tǒng)而言的重要性考慮，故障診斷系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)需要考慮魯棒性，而故障診斷軟件的設(shè)計(jì)和部署盡可能應(yīng)對(duì)多樣的軟件運(yùn)行環(huán)境故障。按圖2所示，對(duì)故障診斷軟件的功能和部署進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)：控制站：除了影響診斷功能本身的故障，例網(wǎng)絡(luò)完全中斷、診斷所依賴的硬件故障，控制站診斷本身以及下掛模塊的所有故障，并將收集到的診斷數(shù)據(jù)組播發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，供操作站接收。服務(wù)器：診斷本機(jī)硬件、系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)等故障，同樣組播到網(wǎng)絡(luò)，供操作站接收。操作站：診斷本機(jī)硬件、監(jiān)控服務(wù)等故障，監(jiān)控本機(jī)故障狀態(tài)，并組播到網(wǎng)絡(luò)；收集網(wǎng)絡(luò)上的診斷數(shù)據(jù)，監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài)；主動(dòng)監(jiān)測(cè)其他節(jié)點(diǎn)的診斷數(shù)據(jù)包，若某個(gè)節(jié)點(diǎn)超過協(xié)定的時(shí)間沒有發(fā)出診斷數(shù)據(jù)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重故障，主要是為了應(yīng)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)電源失效，主機(jī)內(nèi)設(shè)備硬件故障，或操作系統(tǒng)崩潰、死機(jī)等軟件故障。根據(jù)各個(gè)角色的功能可知，所有節(jié)點(diǎn)和設(shè)備都有診斷自身輕度故障的職責(zé)，操作站具有收集和呈現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)的職責(zé)。每個(gè)操作站進(jìn)行獨(dú)立診斷，可以分散診斷服務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)診斷節(jié)點(diǎn)都是其他診斷節(jié)點(diǎn)的冗余，即使服務(wù)器、控制站、或者某個(gè)操作站因故障或離線完全不可用，其他操作站也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并繼續(xù)監(jiān)控其他節(jié)點(diǎn)的故障狀態(tài)。

2．2故障的檢測(cè)故障檢測(cè)的前提是已經(jīng)通過故障樹分析，得到了可能發(fā)生故障的所有位置，由此對(duì)這些位置進(jìn)行實(shí)時(shí)故障檢測(cè)。故障檢測(cè)過程一般是周期性的測(cè)試和采樣過程。例如，通過故障樹分析得出控制器中用于交換用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)存可能發(fā)生故障，那么在故障檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)過程中可以在該控制器上部署一段嵌入式程序，周期性地測(cè)試內(nèi)存的可讀寫性，并且送出檢測(cè)結(jié)果。同理，通訊模塊和I／O卡件也可以各自檢測(cè)電源可用、總線連通等各類故障。分散診斷有利于降低耦合，保持系統(tǒng)大部分可靠。在這些設(shè)備和節(jié)點(diǎn)上部署的診斷程序?qū)崿F(xiàn)了故障的檢測(cè)環(huán)節(jié)，它們是故障診斷軟件系統(tǒng)的重要組成部分。

2．3故障數(shù)據(jù)分析和過濾控制系統(tǒng)中主機(jī)和設(shè)備一般將每次檢測(cè)的直接結(jié)果發(fā)向網(wǎng)絡(luò)，即通過網(wǎng)絡(luò)傳播的故障診斷數(shù)據(jù)包一般包含原始診斷數(shù)據(jù)。對(duì)很多硬件設(shè)備而言，單次的檢測(cè)可能由于工作狀態(tài)、環(huán)境等因素的影響，存在擾動(dòng)和不確定性，因此，原始診斷數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過過濾和統(tǒng)計(jì)才能形成有效的診斷結(jié)果。故障診斷數(shù)據(jù)的處理過程與一般的信號(hào)處理過程既有相似性，又有特殊性。與一般的信號(hào)處理過程類似，原始的故障診斷信號(hào)可以根據(jù)需要進(jìn)行濾波和放大，而數(shù)字化的故障診斷信息又可以依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)有效性進(jìn)行篩選、依據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。故障診斷數(shù)據(jù)的過濾過程旨在剔除無效的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，例如初始測(cè)量狀態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或者因嚴(yán)重故障而未執(zhí)行輕度故障測(cè)量返回的數(shù)據(jù)點(diǎn)。因此在測(cè)量環(huán)節(jié)，需要引入標(biāo)記數(shù)據(jù)有效性的附加信息。故障診斷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的規(guī)則，涵蓋一般的統(tǒng)計(jì)方法，也有部分診斷項(xiàng)需要統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間或者一系列診斷數(shù)據(jù)點(diǎn)中出現(xiàn)某個(gè)值的次數(shù)。過濾和統(tǒng)計(jì)的規(guī)則是多樣的，通常可以參考一般的軟件濾波方法。例如限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、滑動(dòng)平均濾波法、中位值平均濾波法、限幅平均濾波法、一階滯后濾波法、加權(quán)遞推平均濾波法、消抖濾波法、限幅消抖濾波法等等。對(duì)于故障診斷軟件，規(guī)則是故障數(shù)據(jù)處理過程必不可少的輸入項(xiàng)。故障數(shù)據(jù)的規(guī)則的輸入應(yīng)該具有統(tǒng)一的接口和不同的來源，可以是人工實(shí)時(shí)輸入、組態(tài)和配置輸入、或是其他系統(tǒng)的結(jié)果作為輸入。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，故障產(chǎn)生和消除的判定條件往往不盡相同，所以同一個(gè)故障項(xiàng)的產(chǎn)生和消除需要不同的規(guī)則來判定。

2．4故障狀態(tài)監(jiān)控人機(jī)界面是故障診斷結(jié)果的輸出之一，也是故障診斷系統(tǒng)的組成部分。生產(chǎn)控制系統(tǒng)故障診斷軟件的人機(jī)界面包含實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警、故障日志等。圖形化的人機(jī)界面是故障診斷軟件易用性的關(guān)鍵。但是，不同的行業(yè)應(yīng)用具有不同的生產(chǎn)工藝和流程，不同的生產(chǎn)過程擁有不同的設(shè)備，要求查看的實(shí)時(shí)診斷內(nèi)容也必然有所區(qū)別。為了避免為每個(gè)工藝過程定制監(jiān)控畫面，生產(chǎn)控制系統(tǒng)軟件一般以流程圖的形式將工藝參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控畫面上，而流程圖可以由用戶進(jìn)行自由組態(tài)，以滿足豐富的呈現(xiàn)效果。同樣，故障診斷軟件在人機(jī)界面設(shè)計(jì)上也可以使用這種方案，故障診斷結(jié)果數(shù)據(jù)可以作為變量引入流程圖，用戶根據(jù)自己的需要自由繪制圖形和動(dòng)態(tài)，以豐富且可變的形式來顯示故障診斷結(jié)果。關(guān)鍵的診斷結(jié)果使用報(bào)警的方式來提示操作人員和設(shè)備維護(hù)人員，在控制系統(tǒng)軟件中，故障診斷報(bào)警和工藝過程參數(shù)的報(bào)警類似，診斷結(jié)果以模擬量超越限值或開關(guān)量變化來觸發(fā)報(bào)警。故障診斷軟件記錄故障的產(chǎn)生和消除，以及設(shè)備關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的變化，形成故障診斷日志，以便對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行追溯和分析。用戶可以對(duì)狀態(tài)診斷歷史記錄進(jìn)行查詢。查詢條件一般應(yīng)該有起始時(shí)間、終止時(shí)間、設(shè)備地址、設(shè)備名、工段、設(shè)備狀態(tài)等。

3先進(jìn)故障診斷軟件技術(shù)

3．1專家系統(tǒng)當(dāng)前故障診斷領(lǐng)域所開發(fā)和設(shè)計(jì)的測(cè)試診斷軟件在功能上已較為完善、能夠滿足絕大多數(shù)診斷要求，但在進(jìn)行測(cè)試時(shí)多是自動(dòng)按照預(yù)先定義好的測(cè)試流程，順序地完成測(cè)試項(xiàng)目。整個(gè)測(cè)試診斷過程只是一個(gè)單向的程序順序執(zhí)行過程，用戶無法將自身經(jīng)驗(yàn)和思維與測(cè)試軟件進(jìn)行人機(jī)交互，例如測(cè)試診斷軟件不能由用戶根據(jù)需要任意選取測(cè)試位置、步驟等，大大浪費(fèi)了測(cè)試資源和時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)測(cè)試效率的最優(yōu)化。可以在現(xiàn)有自動(dòng)測(cè)試軟件的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合人工與自動(dòng)測(cè)試的各自優(yōu)點(diǎn)，通過研究基于專家系統(tǒng)的交互式故障推理模式以及設(shè)計(jì)基于該模式的故障診斷軟件系統(tǒng)，完成測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)化。交互式故障推理模式以故障診斷專家系統(tǒng)為核心，結(jié)合故障現(xiàn)象、測(cè)試數(shù)據(jù)和用戶經(jīng)驗(yàn)、思維進(jìn)行綜合分析，基于專家系統(tǒng)和人工智能獲取測(cè)試跳轉(zhuǎn)條件，逐步推理、檢測(cè)、隔離定位具體故障；而且具有學(xué)習(xí)能力、且預(yù)留有故障診斷流程的擴(kuò)展接口，可以在實(shí)際使用過程中不斷優(yōu)化已存在的診斷流程，并可以方便地增加新的診斷流程，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自我豐富與完善。

3．2智能技術(shù)為了更好地診斷與處理生產(chǎn)控制系統(tǒng)故障，有必要將多個(gè)專家的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累起來，應(yīng)用智能技術(shù)，開發(fā)一個(gè)以信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析為依據(jù)的計(jì)算機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)，以幫助運(yùn)行人員對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，故障診斷和運(yùn)行指導(dǎo)，但是傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)存在知識(shí)獲取的瓶頸問題、容錯(cuò)性差、處理大型問題較為困難———通常只能判斷兩種(正常與不正常)狀態(tài)等一系列問題，且系統(tǒng)一般采用產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)，難以適應(yīng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)診斷的要求，而這些問題應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以解決。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模模擬并行處理，信息分布式貯存、連續(xù)性非動(dòng)力學(xué)、全局性集體作用、高度的容錯(cuò)性和魯棒性、自組織、自學(xué)習(xí)及實(shí)時(shí)處理能力，且能對(duì)不正常的程度做量化計(jì)算，利于觀測(cè)與評(píng)定；但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法自身存在學(xué)習(xí)效率低、訓(xùn)練速度不高、知識(shí)表達(dá)的邏輯關(guān)系不明顯、不易理解和維護(hù)，也不便直接表達(dá)包含時(shí)序關(guān)系的復(fù)雜知識(shí)、啟發(fā)性知識(shí)等問題，使其實(shí)用性大受影響。在目前看來，單獨(dú)使用任何一種方法建造的專家系統(tǒng)都有不足。因此，采用分層混合專家網(wǎng)絡(luò)(即分層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法)，研究開發(fā)故障智能診斷軟件，能較為準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)生產(chǎn)控制系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷。

4結(jié)束語

伴隨著控制系統(tǒng)軟件的產(chǎn)生和發(fā)展，故障診斷軟件技術(shù)正在經(jīng)歷飛速的發(fā)展。既有成熟的實(shí)用技術(shù)，也有處于探索和試驗(yàn)階段的新型診斷方法。復(fù)雜的生產(chǎn)控制系統(tǒng)也將安全性和故障診斷部件的可靠性放在首位，因此成熟簡(jiǎn)單的故障診斷技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。復(fù)雜先進(jìn)的故障診斷軟件則能夠智能化地提升故障診斷精確度和實(shí)時(shí)性。有效的故障診斷方法與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的結(jié)合，可以提高故障診斷的能力，減輕人為檢測(cè)的勞動(dòng)負(fù)荷，縮短故障發(fā)現(xiàn)后的處理時(shí)間，甚至防患于未然，預(yù)測(cè)和避免故障的發(fā)生。

作者：張雄偉阮志堅(jiān)陳挺單位：浙江中控技術(shù)股份有限公司