Диагностика отказов системы регулирования уровня в баке (стр. 2 из 18)

1 – смеситель, 2 – отстойник.

Рис.1.1. Схема противоточной многоступенчатой экстракции

Радиохимическое производство обладает рядом специфических особенностей, которые сказываются на разработке систем автоматизации и их эксплуатации.

Условия проведения химико-технологических процессов характеризуются высокими давлениями и температурами, агрессивностью обрабатывающих сред, необходимостью обеспечения безопасностью при любых, в частности потенциально опасных процессах.

Получение текущей информации о ходе технологического процесса связано с определением концентраций веществ в радиоактивных растворах. Это сужает и без того неширокий круг методов и приборов контроля состава, используемых в общих химических производствах. Требования же к качеству проведения процесса высоки, следовательно, нужна высокая точность измерения.

Применяемые средства контроля должны обладать повышенной надежностью, так как при размещении их в радиоактивной зоне проверки, замена и т.п. операции весьма не желательны, а часто просто не возможны.

Все эти и многие другие, здесь не рассматриваемые особенности радиохимических производств привели к определенным требованиям к системам управления. Одним из наиболее важных требований является обеспечение безопасности. Для обеспечения этого необходимо выполнять наблюдение за системой в режиме реального времени, диагностировать отказы для увеличения надежности таких систем. Ранее выявление отказов позволяет предотвратить дальнейшее его развитие и, следовательно, возникновение более существенных повреждений, неполадок, последствия которых могут быть даже катастрофическими.

Развитие диагностики началось в ранние 1970-е. В 1973 году Джонс представил, например, хорошо известный метод «фильтров выявления отказов» для линейных систем.

Виллски обобщил ранние исследования в этой области. Ролт рассмотрел применение методов идентификации к выявлению отказов реактивных двигателей. Методы корреляции были применены для выявления протечек Изерманом

Первая книга по методам диагностики, основанным на моделях, применительно к химическим процессам была опубликована Химмелблау в 1978. Выявление отказов датчиков, основанное на аналитической избыточности наблюдателей было предложено Кларком.

Использование методов оценки параметров для выявления отказов технических систем было продемонстрировано Холлманом, Гейгером, Филбертом и Метсгером. Развитие методов выявления отказов процесса, основанное на моделировании, оценке параметров и состояния, было обобщено Изерманом. Методы вектора равенства были изначально предложены Шой и Вилски, а затем в дальнейшем доработаны Патоном и Ченом.

Методы частотной области обычно применяются когда воздействие как отказов, так и возмущений имеет частотные характеристики, отличающиеся друг от друга и, следовательно, частотный спектр служит критерием различения отказов. Данные методы рассматриваются в работах Франка и Динга.

Задача отделения рассогласований от возмущений рассматривается в нескольких статьях. Например, Шоу и Вилски, Чанг, Спейер, Лю и др. предложили оптимальные надежные отношения равенства, а Энами и Наэни выдвинули концепцию порогового селектора. Чен и Патон для выполнения надежной диагностики использовали метод отделения возмущений. Метод Патона и Чена интересен в противопоставлении с методом Шоу и Вилски, которые минимизировали моделируемую неопределенность, для нескольких рабочих точек. Патон и Чен рассматривали эту проблему непосредственно при оценке оптимальной матрицы неизвестных входных возмущений в диапазоне рабочих точек и использовали метод распределения собственных чисел.

2. Описание метода диагностики отказов

2.1. Основные понятия метода

Под «отказом» будем понимать неожиданное изменение функций системы, даже если оно не представляет собой физический отказ или поломку (аварию). Подобный отказ или неисправность препятствуют нормальной работе автоматической системы или нарушают ее. Это вызывает неприемлемое ухудшение функционирования системы или даже приводит к опасным ситуациям. Термин отказ использовать предпочтительнее, чем термин сбой, так как первый обозначает неисправность, а второй ближе к понятию «катастрофа». Термин сбой означает поломку компонента системы или функции, а термин отказ может быть использован для указания того, что неисправность, на ее ранней стадии, может быть приемлемой (допустимой), для предотвращения каких-либо серьезных последствий. Однако, для предотвращения каких-либо серьезных последствий, отказ должен быть диагностирован как можно раньше, даже если он приемлем на ранней стадии его возникновения.

Система, используемая для выявления отказов и диагностики их локализации и значимости в системе называется «системой диагностики отказов». Такая система обычно состоит из следующих задач:

выявление отказа: принятие бинарного решения – что-то вышло из строя или все нормально;

изоляция отказа: определение локализации отказа т.е. определение того, какой датчик или исполнительный механизм неисправен;

идентификация отказа: оценка размера и типа или природы отказа.

Сравнительная значимость этих трех задач явно субъективна, однако, выявление необходимо для любой практической системы, что так же важно как и изоляция. С другой стороны, идентификация отказа, тоже несомненно полезна, хотя может быть не самой важной задачей, если включает в себя действия по реконфигурации. Поэтому, в литературе, диагностика отказов очень часто рассматривается как их выявление и изоляция.

2.2. Диагностика отказов, основанная на принципе аналитической избыточности

С начала 1970-х годов проблеме диагностики и изоляции отказов динамических процессов стали уделять все большее внимание. Было изучено и разработано большое количество методологий основанных на физической и аналитической избыточности.

Широко распространены традиционные подходы диагностики отказов, основанные на методах «аппаратной (или физической)» избыточности, которые используют дополнительные наборы датчиков, исполнительных механизмов, компьютеров и программного обеспечения для измерения и/или управления отдельными переменными. Основные недостатки этих методов аппаратной избыточности – дополнительное оборудование и стоимость технического обслуживания, а так же дополнительное пространство, требуемое для размещения оборудования.

В схемах аналитической избыточности, результирующее различие формируется из проверки на непротиворечивость различных переменных, называемых рассогласованиями. Рассогласование должно быть равно нулю, когда система работает нормально, а при отказе в системе, должно отличаться от нуля. Это свойство рассогласования используется для определения того, есть отказ в системе или нет.

Аналитическая избыточность предполагает использование математических моделей системы, за которой осуществляется мониторинг и, следовательно, часто рассматривается как метод диагностики отказов, основанный на моделях.

Проверка на непротиворечивость в аналитической избыточности обычно выполняется посредством сравнения измеряемого сигнала с оценкой. Оценка формируется математической моделью, рассматриваемой системы. Сравнение позволяет использовать рассогласования, вычисляемые как разница между измеряемым сигналом и соответствующим сигналом, формируемым математической моделью. Поэтому, диагностика отказов, основанная на моделяхопределяется как определение отказов системы из сравнения доступных измерений системы с априорной информацией, представленной математической моделью системы, посредством формирования рассогласований и их анализа.

Рассогласование – индикатор отказа, основанный на разнице между измерениями и вычислениями на основе модели.

На практике, наиболее часто используемый метод диагностики – это наблюдение за уровнем (или трендом) рассогласования и принятие необходимых мер в случае превышения рассогласованием установленного порога. Этот метод сравнения с граничным (пороговым) значение (метод геометрического анализа) очень прост в использовании, однако он имеет несколько серьезных недостатков.

Первый недостаток заключается в том, что при наличии шума, вариаций входа и изменений режима работы исследуемого процесса возможно возникновение ложных отказов.

Это не простая проблема. Так как методы диагностики отказов, основанные на моделях, проектируются для выявления любых отличий между поведением реальной системы и модели, то предполагается, что сигнал разницы связан с отказом. Тем не менее, этот же сигнал разницы может реагировать на несоответствие модели или шум измерений, которые могут быть выявлены как отказы, что приведет к ложной тревоге. Эта проблема – предмет исследований в области «надежных» методов, в которых особое внимание уделяется отделению отказов от ошибок, связанных с неточностью модели. С другой стороны, доступность «хорошей» модели исследуемой системы может значительно улучшить выполнение диагностики, минимизируя ложные тревоги.

Второй недостаток связан с тем, что один отказ может вызвать превышение граничных значений многих сигналов системы, как в случае многих отказов, поэтому изоляцию отказов выполнить очень трудно.

Этот метод имеет некоторые преимущества по сравнению с методом физической избыточности. В основном это связано с экономическим и практическим аспектами. Метод аналитической избыточности не требует дополнительного оборудования – это его основное преимущество. Основные недостатки метода связанны с необходимостью использования точной модели реальной системы, получить которую достаточно трудно.

На рисунке 2.1 изображена концепция аналитической избыточности.