基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)

趙 青

(國能包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014060)

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)各類生產(chǎn)過程中的應(yīng)用程度日益加深，若想達(dá)到自動(dòng)化控制生產(chǎn)過程的目的，流量、溫度、液位等基礎(chǔ)參數(shù)的監(jiān)測(cè)尤為重要，特別是液位的高低直接關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量能否達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)[1，2]。為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全性，自動(dòng)化液位儀表的重要性逐漸顯現(xiàn)，該儀表由多個(gè)自動(dòng)化元件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程中的液位測(cè)量、顯示以及控制等功能[3-5]，但自動(dòng)化液位儀表在便于工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，也使相關(guān)技術(shù)人員面臨著檢修與維護(hù)的巨大挑戰(zhàn)，該儀表結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且集成度較高，技術(shù)人員很難第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維修[6]，因此研究自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)成為工業(yè)生產(chǎn)亟待解決的課題。

該課題引起很多專家和學(xué)者的重視，例如王莉君等[7-8]，分別利用降維映射分析和貝葉斯分類器相結(jié)合的方法，以及改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這2種系統(tǒng)的靈敏度較高，均能夠?qū)崿F(xiàn)儀表故障的精準(zhǔn)、高效識(shí)別，但對(duì)于微小故障的識(shí)別效果有待優(yōu)化。PLC運(yùn)行過程中利用可編程的存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)全部運(yùn)算和控制的存儲(chǔ)及執(zhí)行，具有良好的穩(wěn)定性，并且功能多樣，因此本文設(shè)計(jì)基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)。

1 自動(dòng)化液位儀表概述及其故障分析

1.1 自動(dòng)化液位儀表概述

自動(dòng)化液位儀表作為供熱、石油罐區(qū)和燃?xì)獾裙こ讨凶钪匾臋z測(cè)儀表之一，可以檢測(cè)及控制生產(chǎn)過程中的液位或界面，包含測(cè)量精度高與測(cè)量范圍大等優(yōu)勢(shì)。吹氣式自動(dòng)化液位儀表如圖1所示，其在當(dāng)前各類工程中的發(fā)展空間十分廣闊。

圖1 吹氣式自動(dòng)化液位儀表Fig.1 Blowing type automatic liquid level instrument

吹氣式自動(dòng)化液位儀表由氣源壓力計(jì)、過濾器減壓閥以及恒流量閥等組成，將吹氣管放入液體內(nèi)，通過外加氣壓使其底端生成持續(xù)的氣泡，此時(shí)吹氣管承受的反作用力等于液壓[9-10]。吹氣管屬于差壓傳感器，可以用差壓測(cè)量代替液位測(cè)量，對(duì)于放射線、包含固體和高黏度介質(zhì)液位的測(cè)量效果較好[11]。吹氣式自動(dòng)化液位儀表工作原理如圖2所示。

圖2 吹氣式自動(dòng)化液位儀表工作原理Fig.2 Working principle of air blowing automatic liquid level instrument

1.2 自動(dòng)化液位儀表故障分析

(1)精度降低。當(dāng)自動(dòng)化液位儀表安裝位置不合適或出現(xiàn)電磁擾動(dòng)時(shí)，極容易降低儀表的測(cè)量精度，需要依據(jù)測(cè)量對(duì)象調(diào)節(jié)儀表位置，使兩者的接觸為正流向即可。

(2)無回波。自動(dòng)化液位儀表附近的機(jī)電設(shè)備和電力線路等會(huì)引起工作環(huán)境的劇烈變化，從而導(dǎo)致儀表出現(xiàn)無回波現(xiàn)象[12]，此時(shí)應(yīng)采取物理隔絕、更改儀表位置、優(yōu)化儀表工作參數(shù)等措施。

(3)參數(shù)超上限。該故障的原因主要為自動(dòng)化液位儀表的上限過低或機(jī)械故障，可以依據(jù)參數(shù)越限情況選擇測(cè)量范圍合適的儀表，也可以拆分儀表以檢修相應(yīng)的機(jī)械故障。

(4)調(diào)節(jié)閥波動(dòng)。當(dāng)自動(dòng)化液位儀表的彈簧剛度不足、管道發(fā)生振動(dòng)或調(diào)節(jié)閥選型不合理時(shí)，極易造成儀表的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)故障。加強(qiáng)調(diào)節(jié)閥的剛度可有效解決其輕微的波動(dòng)[13-14]，若調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)較為激烈，可考慮更換調(diào)節(jié)閥或增加支撐。

2 故障識(shí)別系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。數(shù)據(jù)層由傳感器節(jié)點(diǎn)和報(bào)警器組成，將若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于自動(dòng)化液位儀表附近適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，用于采集各儀表的信號(hào)數(shù)據(jù)；利用網(wǎng)絡(luò)層的無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以將數(shù)據(jù)層的自動(dòng)化液位儀表信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層；該層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別報(bào)警控制模塊依據(jù)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)，采用基于小波包算法的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別方法以及PLC技術(shù)，在自動(dòng)化液位儀表發(fā)生故障的情況下，使用報(bào)警器控制單元驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)層的報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，且該模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別和報(bào)警信息的打印記錄與顯示；用戶通過連Internet的手機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)等設(shè)備可以隨時(shí)隨地查看自動(dòng)化液位儀表相關(guān)信息，并執(zhí)行相應(yīng)的控制指令。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of system

2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC結(jié)構(gòu)

PLC由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路組成，有體積小、靈活性高與維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，由于其所含接口可以與工業(yè)過程連接，非常適用于自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Internal structure diagram of PLC

(1)中央處理單元(CPU)。其為PLC的核心，通過CPU循環(huán)掃描編寫的PLC語言可以實(shí)現(xiàn)輸入/輸出信號(hào)采集以及數(shù)據(jù)處理等操作。

(2)存儲(chǔ)器。包括系統(tǒng)及用戶存儲(chǔ)器2類，其中系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于保存系統(tǒng)的監(jiān)控程序、子程序及其調(diào)用的管理程序等[15-16]；另一個(gè)存儲(chǔ)器主要用于保存用戶編寫的程序。

(3)輸入/輸出接口電路。該模塊負(fù)責(zé)將外部電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)镻LC的中央處理單元需要的標(biāo)準(zhǔn)電平模式，且該模塊包含濾波、光電隔離等功能，用以完成輸入/輸出信號(hào)的傳輸。

2.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

用于采集自動(dòng)化液位儀表信號(hào)的傳感器節(jié)點(diǎn)包含微處理器、數(shù)據(jù)采集、無線通信以及電源4個(gè)單元，如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure diagram of sensor node

(1)微處理器單元。該單元選用的主芯片型號(hào)為MSP430F149，具有處理能力強(qiáng)、功耗低和模擬性能高等優(yōu)點(diǎn)。該單元可以在-40～85 ℃內(nèi)運(yùn)行，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性較好。同時(shí)該單元包含與各種單元進(jìn)行連接的接口，例如撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)采集單元等，其中撥碼開關(guān)電路能用于傳感器節(jié)點(diǎn)地址的設(shè)定。

(2)無線通信單元。該單元選用射頻標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.15.4的nRF905單片射頻收發(fā)器，電路部分由接口電路、天線電路以及晶振電路組成，且該單元的發(fā)射速率最高可達(dá)到50 Kb/s。

(3)數(shù)據(jù)采集單元。選擇MAX6675傳感器獲取自動(dòng)化液位儀表信號(hào)數(shù)據(jù)。該單元可以在-20～85 ℃內(nèi)運(yùn)行，且內(nèi)嵌冷端補(bǔ)償電路，對(duì)信號(hào)的分辨率極高。引進(jìn)74HC4051芯片，將8路熱電偶輸入信號(hào)當(dāng)作MAX6675的信號(hào)輸入，以方便擴(kuò)展系統(tǒng)。

(4)電源單元。該單元通過鋰一次電池完成傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行需要的電能的供應(yīng)，該電池基本不存在自放電情況，即便長(zhǎng)時(shí)間不使用減少的能量也非常低。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)化液位儀表故障突變信號(hào)的分析、處理以及特征提取對(duì)故障識(shí)別效果具有重大影響，因此使用基于小波包算法的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別方法，識(shí)別自動(dòng)化液位儀表故障。小波包分解具有良好的時(shí)頻分辨率，不僅可以多層次劃分頻帶，還可以進(jìn)一步劃分未細(xì)化的高頻區(qū)域。在自動(dòng)化液位儀表發(fā)生故障的情況下，其故障特征頻段的能量大于正常時(shí)的頻段能量，通過該特征便能獲得能量變化與自動(dòng)化液位儀表故障之間的映射關(guān)系，具體故障識(shí)別流程如圖6所示。利用頻譜分析處理自動(dòng)化液位儀表信號(hào)，經(jīng)過小波包分解與重構(gòu)后，獲取相應(yīng)頻帶區(qū)域的信號(hào)，并將儀表故障特征頻段提取出來，計(jì)算每個(gè)特征頻帶信號(hào)的能量，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，并與儀表正常狀態(tài)的頻段能量進(jìn)行比較，以確定自動(dòng)化液位儀表狀態(tài)，當(dāng)其處于正常狀態(tài)時(shí)，則結(jié)束算法；當(dāng)其處于故障狀態(tài)時(shí)，則判斷儀表故障類型后結(jié)束算法。

圖6 自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別流程Fig.6 Fault identification flow chart of automatic liquid level instrument

3 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果分析

將10個(gè)自動(dòng)化液位儀表作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并引入MATLAB軟件搭建仿真環(huán)境，模擬精度降低、參數(shù)超上限、無回波以及調(diào)節(jié)閥波動(dòng)等8種常見儀表故障，使用本文系統(tǒng)采集儀表故障信號(hào)與正常狀態(tài)信號(hào)各50組數(shù)據(jù)用以實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別。

將傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別設(shè)置為30、60、90，不同自動(dòng)化液位儀表信號(hào)數(shù)據(jù)采集次數(shù)下，傳感器節(jié)點(diǎn)的平均能耗如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，不同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)平均能耗均隨自動(dòng)化液位儀表信號(hào)數(shù)據(jù)采集次數(shù)增加呈緩慢上升趨勢(shì)，且始終保持在0.8 J以下；當(dāng)采集次數(shù)相同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量與節(jié)點(diǎn)平均能耗之間呈正比，但能耗增加幅度很小。因此可得，本文系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)平均能耗整體水平較低，滿足系統(tǒng)的低能耗要求。

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)平均能耗結(jié)果Fig.7 Average energy consumption results of sensor nodes

使用本文系統(tǒng)的小波包算法分解并重構(gòu)調(diào)節(jié)閥波動(dòng)故障信號(hào)，獲得的3個(gè)頻帶波形如圖8所示。

圖8 調(diào)節(jié)閥波動(dòng)故障信號(hào)的不同頻帶波形Fig.8 Waveforms of different frequency bands of fluctuation fault signal of regulating valve

從圖8可得，本文系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化液位儀表故障信號(hào)具有較好的分解及重構(gòu)效果，能清晰呈現(xiàn)不同頻帶的信號(hào)特點(diǎn)，且不存在噪聲，有助于提升儀表故障識(shí)別準(zhǔn)確性。

某日上午8點(diǎn)至9點(diǎn)的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別結(jié)果見表1，將10個(gè)儀表分別用A—J的字母編號(hào)。從表1可以看出，當(dāng)自動(dòng)化液位儀表發(fā)生故障時(shí)，本文系統(tǒng)的故障識(shí)別結(jié)果與故障實(shí)際結(jié)果一致，并能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，且各儀表的故障識(shí)別用時(shí)均低于40 s，表明本文系統(tǒng)具有較優(yōu)異的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別性能。

表1 自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別結(jié)果Tab.1 Fault identification results of automatic liquid level instrument

本文系統(tǒng)可以為用戶提供自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別記錄的查詢功能，查詢界面如圖9所示。

圖9 自動(dòng)化液位儀表故障記錄查詢界面Fig.9 Automatic liquid level instrument fault record query interface

由圖9可以看出，對(duì)于自動(dòng)化液位儀表故障記錄的查詢，本文系統(tǒng)可以提供多個(gè)查詢條件，以滿足用戶的不同查詢需求，且查詢界面十分簡(jiǎn)潔，當(dāng)用戶輸入查詢條件后，能清晰、迅速地了解所需故障信息。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)自動(dòng)化液位儀表的依賴性日益增強(qiáng)，儀表能否正常運(yùn)行變得格外重要，因此本文設(shè)計(jì)基于PLC技術(shù)的自動(dòng)化液位儀表故障識(shí)別系統(tǒng)，將PLC技術(shù)作為核心，通過各層級(jí)的相互協(xié)作識(shí)別自動(dòng)化液位儀表故障。該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)平均功耗較低，利用小波包算法可以獲得較理想的自動(dòng)化液位儀表信號(hào)分解及重構(gòu)效果，據(jù)此能夠?qū)崿F(xiàn)儀表故障的精準(zhǔn)、高效識(shí)別，且系統(tǒng)的儀表故障記錄查詢界面十分友好，符合用戶不同的查詢需求，該系統(tǒng)的可擴(kuò)展性優(yōu)良，在各大領(lǐng)域的設(shè)備故障識(shí)別中具有廣闊的發(fā)展前景。