機(jī)場油庫自控系統(tǒng)故障診斷策略的探究

馬 駿

（中國航空油料有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050802）

機(jī)場油庫是直接為飛機(jī)加油車或機(jī)坪管網(wǎng)等輸送航空油料的油庫，主要功能包括油料的接收、儲(chǔ)存與發(fā)出，還涉及到倒油、放沉與油品回收等作業(yè)流程，是機(jī)場供油系統(tǒng)的樞紐所在。

近年來，隨著國內(nèi)自動(dòng)化水平的不斷提高，自控系統(tǒng)在機(jī)場供油系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是通過機(jī)坪管網(wǎng)直接加注航空燃料的機(jī)場，自控系統(tǒng)已經(jīng)成為機(jī)場油庫的核心部分。機(jī)場油庫自控系統(tǒng)是機(jī)場油庫非常重要且較為復(fù)雜的組成部分，它的應(yīng)用一方面極大地提高了企業(yè)的供油服務(wù)效率，另一方面，在實(shí)際使用過程中，自控系統(tǒng)也容易受各類故障的影響，導(dǎo)致無法正常使用，從而影響正常的機(jī)坪供油服務(wù)。隨著機(jī)場油庫自控系統(tǒng)使用年限的增加，構(gòu)成自控系統(tǒng)的各類電氣設(shè)備故障率逐步提高，而對自控系統(tǒng)故障的原因查找與處理耗費(fèi)了大量的人力物力。

1 機(jī)場油庫自控系統(tǒng)故障類型

1.1 硬件故障

機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的硬件故障主要包括控制儀表故障、變頻器故障、泵機(jī)故障、接線端子故障、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 及相關(guān)模塊故障、 不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS） 故障、信號(hào)干擾故障、接觸器與繼電器等電氣設(shè)備故障。

其中，控制儀表故障主要包括溫度變送器、壓力/壓差變送器、物位儀表與流量計(jì)故障[1]。控制儀表相當(dāng)于機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的感官器官，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端，安裝的位置大多位于現(xiàn)場，往往處于高溫、高濕、腐蝕、震動(dòng)等較為惡劣的環(huán)境中，因此相比于自控系統(tǒng)的其他部分，故障發(fā)生率處于較高水平；而使用在油庫爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的電氣儀表均要求為防爆電氣設(shè)備，因此也對控制儀表質(zhì)量提出了更高的要求。其中，儀表數(shù)據(jù)顯示異常是控制儀表故障最直觀的表現(xiàn)，主要表現(xiàn)形式有無法顯示參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際不符、顯示數(shù)據(jù)忽高忽低、突然變化、閃現(xiàn)、變化緩慢或無變化等。

接觸器與繼電器相當(dāng)于自控系統(tǒng)的雙手，由于機(jī)場油庫自控系統(tǒng)通過輸出單元直接控制其線圈的通斷，以此來間接地控制電動(dòng)閥與泵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)也可以通過其觸點(diǎn)的開閉，間接地反饋到PLC 中，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。因此，當(dāng)其觸點(diǎn)不能正常吸合或斷開時(shí)，將影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。按照功能的不同，其通斷頻率也相差很大，通斷頻率過高與過低有可能造成觸點(diǎn)粘連、線圈燒毀、觸點(diǎn)接觸電阻過大與零件松動(dòng)等故障，因此這類電氣設(shè)備作為易損件更應(yīng)該引起自控系統(tǒng)維護(hù)人員的注意，例如可以將不同位置上的接觸器與繼電器定期調(diào)整位置，輪換使用，平均通斷頻率，減少使用損耗。

1.2 軟件故障

機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的軟件故障主要針對的是程序問題，除程序本身設(shè)計(jì)問題的原因外，由于用戶程序儲(chǔ)存在PLC 的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM） 中，是掉電易失性的，當(dāng)后備電池故障、系統(tǒng)電源發(fā)生閃失時(shí)，程序丟失或紊亂的可能性就很大，同時(shí)強(qiáng)烈的電磁干擾也會(huì)引起程序出錯(cuò)，因此，備份和保管好應(yīng)用程序也是非常重要的。針對機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的軟件故障，應(yīng)本著先易后難的原則，根據(jù)故障現(xiàn)象，采取重新啟動(dòng)程序、利用系統(tǒng)自帶的程序監(jiān)視功能查找問題、程序修改等方式進(jìn)行故障處理[2]。

2 故障診斷過程

目前，自控系統(tǒng)的故障診斷方式主要包括人工診斷與智能診斷兩種故障診斷策略。人工診斷主要依靠專業(yè)技術(shù)人員按照自控系統(tǒng)故障相關(guān)應(yīng)急預(yù)案和以往經(jīng)驗(yàn)對進(jìn)行自控系統(tǒng)故障診斷與處理，當(dāng)無法解決時(shí)，還需要聯(lián)系售后進(jìn)行故障診斷，因此人工診斷方式具有耗時(shí)長與對安全生產(chǎn)影響較大等不足；而智能診斷決策支持系統(tǒng)是以自控系統(tǒng)本身為基礎(chǔ)，致力于彌補(bǔ)人工診斷的不足，整合自控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，按照一定的故障診斷規(guī)則與以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的一套具有故障自動(dòng)診斷與技術(shù)指導(dǎo)的可不斷修改完善的計(jì)算機(jī)程序。當(dāng)發(fā)生故障后，故障診斷系統(tǒng)可快速定位，分析故障原因，提示故障位置，并提出相應(yīng)的解決方案，這對提高整個(gè)自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與使用壽命、快速精準(zhǔn)故障診斷具有重要意義[3]。

2.1 人工診斷

目前，大部分機(jī)場油庫采用以人工診斷為主、簡單的程序自診斷為輔的方式進(jìn)行自控系統(tǒng)故障排查。人工診斷對人員專業(yè)素質(zhì)要求較高，需要故障排查人員非常熟悉自控系統(tǒng)硬件連接與程序邏輯關(guān)系，在清楚“故障鏈條”的基礎(chǔ)上，采用看、聽、摸、聞等方式，利用萬用表、紅外線測溫儀與過程校驗(yàn)儀等測量工具進(jìn)行故障排查。由于機(jī)場油庫具有安全供油的重要任務(wù)，因此要求維修人員要以“先易后難、先軟后硬”的原則，快速安全地進(jìn)行故障診斷，避免出現(xiàn)盲目排查的情況。

2.1.1 硬件故障的檢查及處理

自控系統(tǒng)硬件故障具有持續(xù)性與再現(xiàn)性的特點(diǎn)。因此，通斷幾次電源或執(zhí)行幾次復(fù)位操作后，故障現(xiàn)象仍然相同，可用備件替換來判斷硬件是否損壞[4]。若通斷電或復(fù)位后故障不再出現(xiàn)，說明可能由于瞬間供電波動(dòng)、電磁干擾或硬件偶發(fā)性故障所致。其中最容易出現(xiàn)故障的是輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入/輸出（I/O） 相關(guān)線路及模塊故障。

當(dāng)輸入設(shè)備故障時(shí)，可以通過觀察或萬用表測量，來檢查輸入設(shè)備出否出現(xiàn)燒壞、接觸不良、短路或線路絕緣下降等問題，對癥處理即可。當(dāng)輸出設(shè)備無法正常工作時(shí)，先將執(zhí)行機(jī)構(gòu)切至“硬操”控制狀態(tài)，觀察其能否正常工作，若“硬操”正常，則說明輸出設(shè)備本身無問題；再切至“軟操”控制狀態(tài)，通過檢測輸出信號(hào)來診斷故障[5]，具體的故障位置需要結(jié)合I/O 模塊的檢查來判斷，由于I/O 模塊是PLC 與外部控制對象溝通信息的通道，能否正常工作，既與輸入設(shè)備、輸出設(shè)備有關(guān)，又與連接導(dǎo)線、接線端子和電源模塊等部件有關(guān)[6]，故障情況非常復(fù)雜，具體診斷過程詳見2.1.3 節(jié)的典型舉例。

2.1.2 軟件故障的檢查及處理

PLC 軟件故障的概率要小于硬件故障，只要PLC 控制信號(hào)正常，程序出現(xiàn)問題的概率很小。跟蹤PLC 程序的運(yùn)行是故障診斷的一種有效方法。例如，通過PLC 自帶程序運(yùn)行監(jiān)控功能，監(jiān)視程序運(yùn)行情況，當(dāng)硬件輸入點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，監(jiān)視程序響應(yīng)的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)是否動(dòng)作，分為以下3 種情況：如果輸入信號(hào)未動(dòng)作，則結(jié)合硬件故障檢查流程進(jìn)行輸入鏈條的檢查；如果有輸入信號(hào)，程序無對應(yīng)輸出，則檢查程序是否邏輯正確、程序是否出現(xiàn)丟失或紊亂、控制相關(guān)模塊是否故障；如果程序中輸入信號(hào)、輸出信號(hào)都有，但對應(yīng)的輸出設(shè)備無動(dòng)作，則需要結(jié)合硬件故障檢查流程進(jìn)行輸出鏈條的檢查。

2.1.3 典型的機(jī)場油庫自控系統(tǒng)故障的人工診斷

自動(dòng)供油保壓功能是機(jī)場油庫自控系統(tǒng)最重要的功能，主要是通過采集機(jī)坪加油總管上的壓力與流量等參數(shù)，根據(jù)壓力實(shí)際值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行油泵變頻恒壓控制，使機(jī)坪管網(wǎng)保持在一定壓力范圍內(nèi)，保證供油穩(wěn)定。在正常情況下，當(dāng)機(jī)坪管網(wǎng)壓力下降到啟泵壓力時(shí)，油泵會(huì)按照預(yù)定程序邏輯，自動(dòng)啟動(dòng)保壓，若無法自動(dòng)啟泵，機(jī)坪管網(wǎng)壓力將迅速下降，無法保證持續(xù)的機(jī)坪加油作業(yè)。以下結(jié)合軟件故障與硬件故障檢查方法，介紹某機(jī)場機(jī)坪管網(wǎng)壓力下降到啟泵壓力時(shí)，油泵不自動(dòng)啟動(dòng)保壓的典型故障的人工診斷過程。

1） 當(dāng)機(jī)場油庫自控系統(tǒng)出現(xiàn)無法自動(dòng)啟泵的情況時(shí)，首先應(yīng)該檢查程序邏輯中設(shè)定的自動(dòng)啟泵的6 個(gè)前提條件是否滿足：一是在自動(dòng)加油狀態(tài)，有且只有一個(gè)出口閥開到位；二是發(fā)油總管壓力低于啟泵設(shè)定值；三是當(dāng)前發(fā)油油罐的液位在設(shè)定的低液位以上；四是當(dāng)前發(fā)油油罐的低液位音叉開關(guān)沒有動(dòng)作；五是當(dāng)前沒有換罐動(dòng)作；六是油泵無故障信號(hào)。

2） 若上述前提條件有一條不滿足，則泵機(jī)無法自動(dòng)啟泵；若滿足全部前提條件，則按照“先易后難、先軟后硬”的原則，重啟PLC，PLC 會(huì)進(jìn)行自檢，重新運(yùn)行程序，以排除程序運(yùn)行問題造成的故障。

3） 重啟程序后，仍無法自動(dòng)啟泵，則可以將使用泵打到檢修狀態(tài)，若自控系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，則重點(diǎn)檢查之前的使用泵相關(guān)硬件控制鏈條是否出現(xiàn)故障，可按圖紙對該泵控制鏈條進(jìn)行梳理，重點(diǎn)排查接觸器與繼電器等低壓電器元件，針對大電流接線端子可使用紅外線測溫器進(jìn)行溫度測量，同時(shí)查看對應(yīng)變頻器是否出現(xiàn)故障代碼。

4） 若自控系統(tǒng)無法自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，則可能是壓力等信號(hào)采集輸入鏈條與分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS） 相關(guān)模塊故障，重點(diǎn)應(yīng)檢查接線端子排、信號(hào)隔離模塊、總線通信模塊、現(xiàn)場遠(yuǎn)傳設(shè)備與PLC 相關(guān)模塊指示燈是否正常。

5） 若通過上述重點(diǎn)檢查均未發(fā)現(xiàn)問題，但系統(tǒng)仍無法自動(dòng)啟泵，則需要利用PLC 程序監(jiān)控功能，按照控制邏輯，檢查程序運(yùn)行情況是否與外圍輸入輸出信號(hào)一致。例如，若程序顯示已發(fā)出啟泵信號(hào)，但I(xiàn)/O 模塊對應(yīng)的輸出指示燈不亮，則需要檢查或更換輸出單元；若程序顯示已發(fā)出啟泵信號(hào)，同時(shí)對應(yīng)的輸出指示燈亮，而對應(yīng)的繼電器KA 不動(dòng)作，則需要檢查外部負(fù)載電路的供電電源是否正常，可用電筆測對應(yīng)輸出點(diǎn)的公共端子，若電筆不亮，說明電源故障，若電筆亮，說明電源正常，可能是繼電器KA 故障。排除繼電器KA 故障后，如果繼電器KA 仍不動(dòng)作，則使用導(dǎo)線一端接對應(yīng)的輸出點(diǎn)的公共端子，一端接對應(yīng)的PLC 輸出點(diǎn)，若繼電器KA 仍不動(dòng)作，則說明輸出線路故障，需要檢查接線是否正確牢固；如果繼電器KA動(dòng)作，則說明PLC 輸出點(diǎn)有問題。

2.2 智能診斷

機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的智能故障診斷就是通過建立智能診斷決策支持系統(tǒng)，把自人類專家獲取的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為適合的計(jì)算機(jī)表達(dá)形式，來模擬人類專家進(jìn)行故障診斷的過程，以便快速定位故障類型與位置，并及時(shí)給予操作人員準(zhǔn)確的故障處理參考[7]。智能診斷決策支持系統(tǒng)主要由故障規(guī)則庫、故障經(jīng)驗(yàn)庫與知識(shí)庫3 個(gè)部分組成。

2.2.1 故障規(guī)則庫

故障規(guī)則庫的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是根據(jù)對比不同設(shè)備狀態(tài)之間和設(shè)備狀態(tài)與控制程序之間的矛盾邏輯，通過計(jì)算機(jī)語言將人類專家的故障診斷規(guī)則儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。故障規(guī)則庫程序代碼一般按照“G#:IF A,THEN B”形式表達(dá)各類故障，R#為規(guī)則號(hào)，A 為條件，B 為結(jié)論。程序代碼示例如下。

G01:IF(程序中已發(fā)出啟泵信號(hào),但油泵無啟泵信號(hào)反饋),THEN(故障報(bào)警:泵機(jī)啟動(dòng)故障);

G02:IF(程序中未發(fā)出啟泵信號(hào),但油泵有啟泵信號(hào)反饋),THEN(故障報(bào)警:泵機(jī)異常啟動(dòng));

G03:IF(無開到位出口電動(dòng)閥,但油泵機(jī)有啟泵信號(hào)反饋),THEN(立即執(zhí)行聯(lián)鎖停泵,并故障報(bào)警:無開到位出口電動(dòng)閥,泵機(jī)異常啟動(dòng),已聯(lián)鎖停泵保護(hù));

這種表示方法由條件和結(jié)論兩部分組成，故障規(guī)則庫設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)故障診斷邏輯，通過“與”和“或”來描述前提條件，并針對不同的故障條件，來進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作和故障描述。這種表示方法接近人類思維方式，直觀自然，便于理解。

2.2.2 故障經(jīng)驗(yàn)庫

故障規(guī)則庫中包含的是明確的錯(cuò)誤邏輯關(guān)系故障，而故障經(jīng)驗(yàn)庫主要是用于診斷自控系統(tǒng)所涉及到的工藝故障，例如管線泄漏、管線脹壓、過濾器堵塞、泵機(jī)溫度過高及油泵發(fā)生氣蝕等異常。故障規(guī)則庫的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是根據(jù)設(shè)備的工藝參數(shù)、人類專家經(jīng)驗(yàn)與已發(fā)生過的故障數(shù)據(jù)，不斷地修改、增刪和擴(kuò)充故障經(jīng)驗(yàn)庫內(nèi)容。但有時(shí)不同的故障類型可能導(dǎo)致同一種參數(shù)異常，而且在不同的階段，同一種參數(shù)是否異常的判定標(biāo)準(zhǔn)也不同，這就需要智能診斷決策支持系統(tǒng)要進(jìn)行多次橫向?qū)Ρ龋ńY(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行比較分析） 與縱向?qū)Ρ龋ㄅc之間的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析），來分析判斷發(fā)生的故障類型。示例如下。

當(dāng)油泵出口壓力過高時(shí)（壓力正常范圍可根據(jù)工藝參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)設(shè)定），可能是泵后單向閥開啟故障、過濾器堵塞、出口壓力變送器故障等多種原因?qū)е碌?，這時(shí)首先需要參考油泵進(jìn)口壓力數(shù)值，如果進(jìn)口壓力數(shù)值正常，則出口壓力變送器故障可能性比較大；如果進(jìn)口壓力數(shù)值過低，則單向閥開啟故障與過濾器堵塞可能性較大。然后，結(jié)合過濾器壓差計(jì)數(shù)值判斷具體故障，如果過濾器壓差計(jì)數(shù)值過大，則過濾器堵塞可能性較大；如果過濾器壓差計(jì)數(shù)值正常，則單向閥開啟故障可能性較大。最后，可以對比以往故障數(shù)據(jù)，判定故障類型，并顯示供參考的處理方案。

2.2.3 知識(shí)庫

知識(shí)庫主要用于智能診斷決策支持系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后，具體解決方案的提供與相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的查詢，其主要內(nèi)容包括各類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)、指導(dǎo)書籍及人類專家經(jīng)驗(yàn)等。示例如下。

當(dāng)夏季白天某段管線壓力過高時(shí)，智能診斷決策支持系統(tǒng)可以根據(jù)知識(shí)庫中專家經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容提示操作人員：“由于溫升導(dǎo)致管線脹壓，為防止油品滲漏，請進(jìn)行人工泄壓操作”；當(dāng)夏季夜間某段管線壓力下降速度過快時(shí)，智能診斷決策支持系統(tǒng)可以提示操作人員“管線壓力下降速度已超過往年同期由于溫差壓力下降速度，請現(xiàn)場排查管線是否有滲漏點(diǎn)”。同時(shí)，操作人員可以在知識(shí)庫中查閱相關(guān)具體知識(shí)，并可以不斷修訂完善知識(shí)庫內(nèi)容。

2.2.4 故障推理方式

從上述介紹可知，故障推理不僅需要調(diào)用故障規(guī)則庫中與當(dāng)前被測參數(shù)有關(guān)的規(guī)則進(jìn)行分析、推理和診斷，同時(shí)還要用到故障經(jīng)驗(yàn)庫中已發(fā)生過的故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行反復(fù)推理診斷，直到得出結(jié)論為止。機(jī)場油庫自控系統(tǒng)故障智能診斷決策支持系統(tǒng)的故障推理方式設(shè)計(jì)，主要有正向推理和反向推理兩種[8]。

正向推理是將自控系統(tǒng)采集到的參數(shù)與故障規(guī)則庫與故障經(jīng)驗(yàn)庫中的規(guī)則與數(shù)據(jù)逐條對比，當(dāng)與故障條件吻合時(shí)，執(zhí)行該故障規(guī)則。正向推理主要包括以下4 種對比方法：一是提取關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線與特殊時(shí)段或典型作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)正常過程曲線進(jìn)行對比，從而進(jìn)行故障分析診斷；二是提取關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線與典型關(guān)鍵參數(shù)異常過程曲線進(jìn)行對比，從而進(jìn)行故障分析診斷；三是將采集到的實(shí)時(shí)參數(shù)與人工設(shè)定的參數(shù)正常值進(jìn)行對比分析；四是將采集到的同一性質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行對比診斷，例如，對比加油總管線上的主壓力變送器、備用壓力變送器的采集數(shù)值。

反向推理是根據(jù)異常數(shù)據(jù)與故障發(fā)生的概率，先假定已推理出某種故障結(jié)果，再在假定結(jié)果的引導(dǎo)下，在故障規(guī)則庫與故障經(jīng)驗(yàn)庫中進(jìn)行規(guī)則條件與數(shù)據(jù)匹配，反向找出對應(yīng)的具體規(guī)則。例如，當(dāng)油泵出口壓力過高時(shí)，先假定是由于過濾器堵塞造成的，再反向查找對比造成過濾器堵塞的條件是否滿足（過濾器壓差是否高于正常范圍等），以此判斷假設(shè)是否正確。

3 結(jié)論

本文針對機(jī)場油庫自控系統(tǒng)，研究了人工診斷與智能診斷兩種故障診斷策略，在實(shí)際應(yīng)用中往往是兩種方法的有機(jī)結(jié)合與相互補(bǔ)充，通過人工診斷經(jīng)驗(yàn)不斷完善智能診斷數(shù)據(jù)庫，而智能診斷決策支持系統(tǒng)可以為人工診斷提供及時(shí)準(zhǔn)確的故障定位與決策支持。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，故障診斷過程將會(huì)越來越智能便捷，這對于進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)場油庫自控系統(tǒng)的故障診斷，具有重大意義。