多變量故障診斷方法在危廢焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

于淑芬，杜燎原，崔天鑫，王茜，張毅

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

多變量故障診斷方法在危廢焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

于淑芬，杜燎原，崔天鑫，王茜，張毅

（北京機(jī)電院高技術(shù)股份有限公司，北京 100027）

分析了當(dāng)前工業(yè)危險廢物（含醫(yī)療廢物）焚燒處理主要工藝過程的特征，以及對電氣自控系統(tǒng)穩(wěn)定性和容錯性的控制要求和常用的控制方法。針對系統(tǒng)“故障”的概念和診斷，提出了基于多變量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的故障診斷的方法。介紹了系統(tǒng)硬件選型及搭建和算法程序：故障診斷系統(tǒng)的硬件基于SIEMENS S7 414-H系列PLC，利用多變量數(shù)據(jù)綜合的處理技術(shù)對故障進(jìn)行綜合判斷和定位，對焚燒系統(tǒng)的工藝參數(shù)和過程進(jìn)行精確診斷，并提出了基于專家?guī)斓墓收咸幚聿呗浴?/p>

故障診斷;危廢焚燒;多變量

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，大量危險廢棄物的增加及對環(huán)境造成的破壞，已經(jīng)成為我國環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域面臨的重要問題。黨的“十八大”提出了全面建成小康社會的目標(biāo)以及“五位一體”協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃，將生態(tài)文明建設(shè)的重要性提到空前的高度，也對環(huán)境保護(hù)工作提出了更高的要求。

危險廢物特別是工業(yè)危險廢棄物（含醫(yī)療廢物），對人類的居住環(huán)境和生活造成了巨大的威脅，必須經(jīng)過減量化無害化處理。作為當(dāng)前工業(yè)危廢處理領(lǐng)域廣泛采用的一類較成熟的技術(shù)，回轉(zhuǎn)窯焚燒處理工藝已經(jīng)在幾十個危廢焚燒的項目中得到了有效應(yīng)用。

為了保證焚燒系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行，對系統(tǒng)的故障診斷方法和處理措施的研究已成為一個重要的課題。本文針對焚燒系統(tǒng)主要工藝段的不同特點(diǎn)，綜合利用多個傳感器的信息，制訂了不同的判斷規(guī)則，以提高故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性。

1 故障診斷的概念和方法

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)所要求的控制指標(biāo)，通常可以利用標(biāo)準(zhǔn)的過程控制器（如PID控制器）。通過控制器來補(bǔ)償過程中的干擾和過程變化產(chǎn)生的影響，達(dá)到期望的控制目標(biāo)。但對于有些過程的變化，控制器的輸出往往不能使被控對象恢復(fù)到所容許的狀態(tài)，不能達(dá)到期望的目標(biāo)。這些過程的變化，就被稱為故障。

一般來說，工業(yè)過程控制系統(tǒng)中的故障類型包括過程參數(shù)的變化、干擾參數(shù)的變化、執(zhí)行器的問題和傳感器的問題等[1]。故障診斷系統(tǒng)在功能上應(yīng)包括故障檢測、故障識別、故障估計等環(huán)節(jié)[2]（如圖1所示）。

2 回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒處理工藝

焚燒系統(tǒng)根據(jù)工藝過程可分為：來料預(yù)處理系統(tǒng)、廢物進(jìn)料系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)、二燃室焚燒系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、尾氣處理（含急冷、除塵、脫酸、排放等過程）系統(tǒng)、助燃系統(tǒng)、公輔設(shè)備系統(tǒng)等?；剞D(zhuǎn)窯危廢焚燒處理系統(tǒng)的典型工藝流程見圖2。

圖1 故障診斷系統(tǒng)功能示意圖

圖2 回轉(zhuǎn)窯危廢焚燒處理系統(tǒng)

3 電氣和控制系統(tǒng)配置的基本要求

總體來講，焚燒爐工藝的電控要求為：二級負(fù)荷供電，采用智能儀表系統(tǒng)，控制系統(tǒng)要求采用冗余控制器或DCS系統(tǒng)。

穩(wěn)定可靠的處理器是故障診斷系統(tǒng)的基本要求和根本保證。一般來講，為了保證CPU穩(wěn)定運(yùn)行，需要配置高性能和高可靠性的PLC處理器?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)架如圖3所示，S7-400H處理器采用冗余配置的容錯自動化系統(tǒng)，按照熱備用模式中的活動狀態(tài)冗余性原理來運(yùn)行。如果主控制器發(fā)生了故障，備用控制器就會對過程實(shí)施全面控制，自動同步用戶程序、數(shù)據(jù)塊、過程映像、內(nèi)部輸入（定時器、計數(shù)器、存儲器位）等，并接管集中管理控制功能、切換輸入/輸出配置，使系統(tǒng)無間斷運(yùn)行。

圖3 控制系統(tǒng)構(gòu)架圖

4 焚燒爐系統(tǒng)故障診斷方法

4.1 焚燒爐系統(tǒng)的故障類型

焚燒爐系統(tǒng)的故障類型大體可分為電氣設(shè)備的故障、控制系統(tǒng)的故障、傳感器的故障、工藝系統(tǒng)參數(shù)偏離窯頭故冷卻障泵等。

（1）電氣設(shè)備的故障

電氣設(shè)備的故障主要包括電機(jī)故障和負(fù)載線路的故倉障等。斷路器或馬達(dá)啟動器的短路保護(hù)、熱繼電器的炭過罐載保護(hù)等措施，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備主回路的直接保護(hù)。同時，通過對故障信號的采集，控制器在程序中判斷輸出對電機(jī)的“斷開”命令，起到對“現(xiàn)場級”設(shè)備的直接保液罐護(hù)。此類故障診斷基于對特定設(shè)備故障點(diǎn)的檢測，定位準(zhǔn)確，保護(hù)及時可靠，故障處理的措施也簡單易行。

（2）控制系統(tǒng)的故障

控制系統(tǒng)的故障包括CPU的故障、通訊網(wǎng)絡(luò)的故障、各類模塊的故障等幾類。網(wǎng)絡(luò)和模塊的故障可通過CPU對模塊的診斷功能，在診斷字中得到相應(yīng)的故障信息，作為判斷模塊和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的基本依據(jù)。

（3）傳感器的故障

過程工業(yè)中的儀表主要有溫度、壓力、物（液）位、流量、成分等幾類。傳感器故障主要包括測量元件的故障、傳感器故障、線路故障等。對于這幾類故障的診斷，主要依靠控制系統(tǒng)對儀表測量值的診斷來實(shí)現(xiàn)。傳感器的故障可以通過控制系統(tǒng)對傳感器的信號采集的范圍以及獲取的狀態(tài)字來判斷。傳感器數(shù)據(jù)串入聯(lián)鎖控制回路的前提條件之一是其要工作在正常的測量范圍之內(nèi)。判定為異常數(shù)值狀態(tài)的傳感器，其數(shù)值首先要從聯(lián)鎖回路中分離，聯(lián)鎖自動程序自動切換到手動控制狀態(tài)，并且應(yīng)對聯(lián)鎖設(shè)備或執(zhí)行器進(jìn)行狀態(tài)跟蹤，以尾速運(yùn)行。故障排除從測量元件的故障、傳感器故障、線路故障、回路保險、測量通道故障等方面依次排查。

（4）工藝系統(tǒng)參數(shù)偏離故障

系統(tǒng)參數(shù)偏離故障包括在正常起爐、正常運(yùn)行、正常停車等環(huán)節(jié)和過程中，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)偏離正常允許數(shù)據(jù)范圍的各種異常情況。

4.2 系統(tǒng)故障診斷分析

根據(jù)焚燒系統(tǒng)的特點(diǎn)，對重要的工藝段進(jìn)行分析并介紹如何利用多個傳感器數(shù)據(jù)信息對系統(tǒng)故障進(jìn)行分析的原理和實(shí)現(xiàn)方法。

（1）固體廢物自動進(jìn)料系統(tǒng)的故障診斷

固體廢物典型的進(jìn)料系統(tǒng)包括斗提電機(jī)、液壓站（兩臺液壓泵一用一備，以及液壓缸電磁閥等），以及一、二級密封門及推料機(jī)等。斗提電機(jī)設(shè)置上升位置和下降位置的限位開關(guān)；一級門、二級門設(shè)置打開和關(guān)閉位置的限位開關(guān)；推料機(jī)設(shè)置前進(jìn)和后退位置的限位開關(guān)。一個典型的進(jìn)料周期為：斗提機(jī)帶動上料斗開始上升，約十幾秒之后一級門打開，料斗繼續(xù)上升到限位后靜置，等待數(shù)秒后開始下降直到最低點(diǎn)，同時一級門關(guān)閉，到達(dá)限位后二級門打開，二級門到達(dá)限位后推料機(jī)前進(jìn)，到達(dá)前進(jìn)限位位置后返回，最后二級門關(guān)閉，整個周期結(jié)束。

控制上涉及對電機(jī)、密封門、推料機(jī)的正反車啟?？刂坪瓦\(yùn)行狀態(tài)、限位開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行時間和次數(shù)等的信號采集和輸出控制等等操作。圖4為某項目固體廢物自動進(jìn)料系統(tǒng)的邏輯圖。

進(jìn)料系統(tǒng)的故障主要包括在進(jìn)料過程中設(shè)備運(yùn)行的各個環(huán)節(jié)發(fā)生的設(shè)備運(yùn)行故障、物料卡阻故障、過程動作開關(guān)故障等。常見故障為由于物料卡阻或過程動作開關(guān)松動或者電磁閥保險絲熔斷，導(dǎo)致過程開關(guān)信號未采集到，造成后續(xù)動作無法進(jìn)行或造成更嚴(yán)重的物料卡阻。

圖4 固體廢物自動進(jìn)料系統(tǒng)的邏輯圖

故障診斷的程序設(shè)置為，在設(shè)備動作過程中配置相應(yīng)的內(nèi)部計數(shù)器、定時器，采集設(shè)備運(yùn)行和過程開關(guān)的開關(guān)量信號，通過圖4的邏輯規(guī)則，精確判斷故障發(fā)生的位置和正在進(jìn)行的上料步驟。通過視頻復(fù)核技術(shù)，可以準(zhǔn)確判斷造成故障的原因，并采取簡便有效的措施來排除故障。

（2）回轉(zhuǎn)窯焚燒狀況的故障診斷

回轉(zhuǎn)窯焚燒一般通過國際上普遍使用“3T + E”的控制方法來指導(dǎo)運(yùn)行，即保證焚燒爐出口煙氣的足夠溫度（≥850℃）、煙氣在燃燒室內(nèi)停留足夠的時間（≥2s）、燃燒過程中適當(dāng)?shù)耐牧?、過量的空氣系數(shù)（6%～10%）。

為了對上述參數(shù)和控制因素進(jìn)行監(jiān)測，為轉(zhuǎn)窯焚燒環(huán)節(jié)的儀表配置如下：窯頭煙氣溫度表T1、窯尾煙氣溫度表T2、窯頭煙氣壓力（負(fù)壓）表P1、窯尾煙氣壓力（負(fù)壓）表P2、窯尾煙氣出口氧含量表A1、窯尾內(nèi)窺式火焰視頻監(jiān)測探頭V1。控制量為廢物進(jìn)料量F1、一次風(fēng)流量F2、輔助燃料的流量F3、轉(zhuǎn)窯速度S1。

通過對上述控制參數(shù)的監(jiān)測和對尾氣排放參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測反饋，用排除法和經(jīng)驗判斷來定位故障，為影響燃燒狀況的參數(shù)設(shè)置經(jīng)驗參數(shù)范圍，通過報警方式預(yù)判參數(shù)的偏離趨勢，分析出影響尾氣參數(shù)和轉(zhuǎn)窯參數(shù)的具體控制量。

（3）急冷塔出口溫度控制系統(tǒng)的保護(hù)措施

急冷系統(tǒng)使用雙流體霧化噴槍向塔內(nèi)噴射經(jīng)過霧化的、顆粒細(xì)小的水滴，與高溫?zé)煔饨Y(jié)合后，迅速蒸發(fā)并且?guī)ё邿崃?，?shí)現(xiàn)高溫?zé)煔獾慕禍?。水量的調(diào)節(jié)由變頻器調(diào)速來完成，并與急冷塔出口溫度聯(lián)鎖。

控制器通過調(diào)節(jié)變頻器來調(diào)節(jié)水量，從而達(dá)到控制溫度的目的。水路上設(shè)置壓力變送器和壓力開關(guān)，用來檢測水壓，并且保護(hù)水泵避免出現(xiàn)干運(yùn)轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。設(shè)置氣動閥和超壓保護(hù)電磁閥。氣路上設(shè)置壓力變送器和壓力開關(guān)，用來檢測氣壓，保證霧化所需的壓縮空氣壓力。設(shè)置減壓閥和旁路電磁閥。噴槍前段設(shè)置電磁流量計，用來測量噴入急冷塔的液體流量，其保證用來急冷降溫的水量。

系統(tǒng)常見故障為：急冷水的過噴和欠噴。前者會造成霧化不充分，霧滴較大，可能會導(dǎo)致管道濕底或者降溫不充分；后者供水不足，煙氣冷卻不充分可能造成出口溫度過高。

水泵故障導(dǎo)致水路壓力降低、噴水流量減小、急冷塔出口溫度過高；氣路故障可導(dǎo)致壓縮空氣失壓、霧化效果不足造成管道濕底和急冷塔出口溫度過高，旁路電磁閥或減壓閥故障可導(dǎo)致霧化壓力過大，造成壓縮空氣由噴槍口處將急冷水頂回水泵，急冷水流量過低導(dǎo)致急冷塔出口溫度過高；噴槍口堵塞可導(dǎo)致急冷水流量過低和急冷塔出口溫度過高。

通過以上分析，在程序設(shè)置中，故障診斷系統(tǒng)通過綜合判斷水壓、氣壓、水泵狀態(tài)、噴水流量、急冷塔出口溫度等傳感器信息，可以迅速定位故障的位置和原因，提示操作人員迅速排除故障。

（4）袋除塵器的故障診斷

袋除塵器的工作原理是：當(dāng)含塵氣體進(jìn)入袋式除塵器，顆粒大、比重大的粉塵，由于重力的作用沉降下來，落入灰斗；含有較細(xì)小粉塵的氣體在通過濾袋時，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。除塵器配置的儀表為進(jìn)出口煙氣溫度表、進(jìn)出口壓差表、灰斗溫度表、灰斗料位開關(guān)。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在灰斗積灰可能因煙氣結(jié)露而在灰斗內(nèi)搭橋，導(dǎo)致灰塵無法排除，越積越多。同時，灰塵中含有微量可燃物（一部分來自于用于吸附重金屬的活性炭），在灰斗內(nèi)長時間積累后，熱量無法散出，一段時間后在氧氣充足的條件下會發(fā)生自燃現(xiàn)象。因可燃物的量不大，即便自燃，也不會形成明火，而會以火星灰燼的方式存在。自燃后的灰燼產(chǎn)生大量熱量，通過濾袋后會對濾袋和籠骨產(chǎn)生致命性破壞。

對此類故障的診斷必須從故障產(chǎn)生的機(jī)理入手，通過對濾袋灰斗溫度、濾袋入口溫度、濾袋出口溫度、濾袋灰斗料位開關(guān)等信息的監(jiān)測，綜合判斷灰斗落料堵塞卸灰閥的情況。診斷程序中，將上述信號通過模擬量比較并結(jié)合數(shù)字信號的邏輯判斷，寫入故障報警的系統(tǒng)中，在故障發(fā)生的開始階段準(zhǔn)確地預(yù)測了事故的發(fā)生。

（5）爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)故障診斷與完善

在焚燒系統(tǒng)中，必須保證回轉(zhuǎn)窯爐膛在微負(fù)壓的情況下工作，系統(tǒng)負(fù)壓由引風(fēng)機(jī)維持。為了保證爐膛壓力的穩(wěn)定性，引風(fēng)機(jī)選擇與爐膛負(fù)壓聯(lián)鎖形成閉環(huán)控制回路，由控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)壓變化，隨時調(diào)整引風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速，使負(fù)壓穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)。圖5為負(fù)壓的聯(lián)鎖控制回路圖。

圖5 負(fù)壓聯(lián)鎖控制回路圖

該系統(tǒng)中的常見故障為爐膛壓力儀表測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。造成此類現(xiàn)象的原因主要有傳感器的故障、引壓管的堵塞、儀表供電異常以及模擬量模塊的故障等。系統(tǒng)首先通過模擬量診斷程序判斷信號采集的準(zhǔn)確性。在信號故障時及時斷開閉環(huán)控制回路并切換到手動控制，保持引風(fēng)機(jī)尾速運(yùn)行。

同時，為了診斷處理由引壓管堵塞或部分堵塞造成壓力測量偏差，診斷系統(tǒng)引入多個傳感器測量的方式來判斷和定位故障傳感器，剔除明顯偏差，還原負(fù)壓真實(shí)情況。

一般來講，系統(tǒng)設(shè)置與回轉(zhuǎn)窯負(fù)壓P1相聯(lián)系的二燃室負(fù)壓P2、鍋爐出口負(fù)壓P3、急冷出口負(fù)壓P4等多個傳感器，首先根據(jù)正常工況情況下各傳感器正常的數(shù)據(jù)范圍和相關(guān)性，確定各測點(diǎn)數(shù)值的關(guān)系。本系統(tǒng)采用各測點(diǎn)差值相關(guān)性的原理來診斷某個傳感器的故障，上述參數(shù)存在如下相關(guān)性：（P2 - P1）∝（P3 - P2） ∝（P4 - P3），程序設(shè)定為根據(jù)上述模擬量的差值定位和診斷故障傳感器的位置。

5 結(jié)語

危廢焚燒系統(tǒng)故障診斷的效率和準(zhǔn)確性基于大量配置合理的傳感器和穩(wěn)定的中央處理器，因此，在一個系統(tǒng)中對儀表和控制器的合理選型和安裝使用是必要的前提。其次，必須設(shè)置合理的簡單易行的專家診斷系統(tǒng)，在故障到來時能準(zhǔn)確定位和分析故障，并提出便捷穩(wěn)妥的解決措施。

對系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律不斷探索而完善的專家?guī)?，是診斷系統(tǒng)發(fā)展的核心問題。在對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的情況下，借鑒有效的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析工具，能取得更加可靠的結(jié)果。

實(shí)踐證明，本系統(tǒng)架構(gòu)合理，在具體的系統(tǒng)構(gòu)成上，如果使用安全儀表系統(tǒng)、完善專家?guī)斓某绦驅(qū)崿F(xiàn)功能、采用更加有效的基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的診斷方法等，還能夠更加快速精確地診斷故障原因，提出合理的故障規(guī)避措施，有效保證危廢處置系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

[1] P. Kesavan and J. H. Lee. Diagnostic tools for multivariable model-based control systems[J]. Ind. Eng. Chem. Res.，36: 2725-2738，1997.

[2] 張育林，李東旭.動態(tài)系統(tǒng)故障診斷理論與應(yīng)用[M].北京：國防科技大學(xué)出版社，1997.

Application of Diagnostic Tools for Multivariate Fault in Hazardous Waste Incineration System

YU Shu-fen, DU Liao-yuan, CUI Tian-xin, WANG Qian, ZHANG Yi
(Beijing Mechanical and Electrical Institute Co., Ltd, Beijing 100027, China)

The paper analyzes the characteristic of main technology course of the incineration treatment of industrial hazardous wastes (including medical wastes) and the control requirement and common control method on stability and alternation of electric self-control system. Aimed at the concept and diagnose of the system “fault”, the paper puts forward the fault diagnostic tools based on multivariate data treatment technology; introduces the selecting type, building and arithmetic procedure of the system hardware: hardware of fault diagnostic system based on SIEMENS S7 414-H series PLC; uses the treatment technology of multivariate data composition to judge and make orientation on fault composition, and makes an exactitude diagnosis of technology parameter and course of incineration system as well as puts forward the treatment measures of fault based on the expert-base.

fault diagnosis; hazardous waste incineration; multivariate

X705

A

1006-5377（2014）02-0008-05