冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法

摘要

本发明公开了一种冶金行业生产过程控制系统故障展示及容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1）对冶金行业生产过程控制系统获得的工作状态参数中的异常或故障信号进行分析，获得故障原因，并以系统异常为顶事件、各种故障原因为底事件形成冶金系统故障树；2）将步骤1）中获得的故障原因与冶金系统故障树对应，以光子牌的形式动态显示在冶金系统故障树上，在冶金系统故障树上展示故障信号以及故障原因，显示冶金系统工作状况；3）制定与具体故障原因相对应的控制方法，并建立专家知识库，如果诊断出有故障发生，则检索专家知识库，找出与具体故障原因相对应的控制方法，进行容错控制。本发明可提高冶金行业控制系统的安全性、可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种冶金行业自动控制系统故障显示及容错控制方法，特别是涉及系统工作状态监控、故障诊断与模式识别以及容错控制方法，属于工业控制技术领域。

背景技术

现代冶金工业生产需将整流所提供的160kA-500kA直流电通入电解槽，在950℃-970℃下发生电化学反应。因此供电整流和电解槽控是冶金生产的两大重要系统，冶金行业的生产过程控制系统主要分为整流所自动化系统、电解槽控系统、低压配用电系统等。目前使用的这些监测、监控系统和通信系统都是分散在金属冶炼厂的各个车间相互独立运行，主要还是计算机采集监视，人工操作的生产模式。特别是整流供电和电解槽控二大环节，仍然以现场的人与人电话沟通和操作值班为主，未能真正意义上实现生产信息的统一管理，信息孤岛现象普遍存在。总体而言，冶金的生产过程监视与控制水平若得不到有效提升，一旦因事故停电或停槽将使生产企业遭受巨大的经济损失和能源浪费。

针对目前冶金生产过程中存在的缺陷，为避免缺陷发展为事故，事故扩大为重大事故，从而减小损失，提高整个冶金系统的安全性尤为重要。因此迫切需要一种能对参数信息和现象进行在线辨识与分析、智能判断和告警、自动限制控制与处理、保护动作等处理过程，使事故得到有效控制和限制、最大程度实现事故的区域隔离和局部分解，每个环节和流程形成闭环式的容错控制系统，同时需要及时将系统运行状况反馈给操作者，能为故障处理提供有效的帮助。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、安全、可靠的冶金行业生产过程控制系统中的状态监控、故障推理及容错控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种冶金行业生产过程控制系统故障展示及容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对冶金行业生产过程控制系统获得的工作状态参数中的异常或故障信号进行分析，获得故障原因，并以系统异常为顶事件、各种故障原因为底事件形成冶金系统故障树；

2）将步骤1）中获得的故障原因与冶金系统故障树对应，以光子牌的形式动态显示在冶金系统故障树上，在冶金系统故障树上展示故障信号以及故障原因，显示冶金系统工作状况；

3）针对具体故障信息，制定与具体故障原因相对应的控制方法，并建立专家知识库，在步骤2）中如果诊断出有故障发生，则检索专家知识库，找出与具体故障原因相对应的控制方法，进行容错控制，减少故障发生对系统的影响，提高系统工作的可靠性。

前述的冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法，其特征在于：在所述步骤1）中，将整个冶金行业生产过程控制系统分为：水冷系统、调压变冷却系统、整流变冷却系统、整流系统、单机组稳流系统和稳流总调系统，并以此子系统为中间事件，逐步扩大故障树，最终形成以系统异常为顶事件、各种故障原因为底事件的系统故障树。

前述的冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法，其特征在于：在所述步骤2）中，将故障树和故障诊断结果形成对应关系，将诊断结果展现在故障树上，以故障树形式显示为动态界面，并在界面上提示故障处理措施，为故障诊断和处理提供便捷。

前述的冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法，其特征在于：在所述步骤3）中，在保证设备正常运行的前提下，采用异常机组限负荷、正常机组升负荷的控制方法，并使总输出负荷不变。

前述的冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法，其特征在于：具体的控制方法为：具体的控制方法为：在保证设备正常运行前提下，当机组异常发生后，选择开关的使能信号置1，将异常机组由总调调节模式切换至分调调节模式，由中央控制室单独对异常机组调节，并根据不同的控制字选通不同的异常限制量通道，限制异常机组的电流输出，操作者通过界面输入异常机组电流输出给定值Iref，如果电流值输出超过本项指标异常控制上限值Irefmax，则电流输出给定值设定为异常控制上限值Irefmax，否则机组整流输出值为界面输入的电流输出给定值Iref，当使能信号置0时，本机组参与总调调节模式，本机组电流输出给定上限值为总调电流给定值，并通过小闭环控制模式的PID调节控制单机组电流输出。

本发明所达到的有益效果：本发明的冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法，通过对参数信息和现象进行在线辨识与分析、智能判断和告警、自动限制控制与处理、保护动作等处理过程，使事故得到有效控制和限制、最大程度实现事故的区域隔离和局部分解，每个环节和流程形成闭环式的容错控制系统，提高冶金行业控制系统的安全性、可靠性，并将在线诊断的结果通过故障树动态展示，为操作者及时掌握系统工作状态以及故障处理提供帮助。

附图说明

图1为本发明冶金行业生产过程控制系统框图；

图2为本发明水循环异常故障树；

图3为本发明电源故障展示图；

图4为本发明风机、水泵故障诊断图；

图5为本发明稳流总调容错控制专家知识库；

图6为本发明异常机组分调容错控制专家知识库。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

由图1可以看出，冶金行业生产过程控制系统故障显示及容错控制方法主要分为故障诊断、故障展示和容错控制3个步骤。对中控室获得的系统工作状态参数进行分析，完成系统的故障诊断功能。如果诊断出故障信息，并将与其相对应的光子牌点亮，并在故障树上显示，针对不同的故障信息收索专家知识库，采取不同的容错控制策略，对故障进行报警、限负荷、切除机组或系列跳闸处理。

从图2中的水循环异常故障树可以看出，在水循环系统中以水压高、水压低、水流低、水温高、膨胀水罐水位低、水温低和纯水电导率高等为中间事件进行逐步扩展，寻找导致异常的原因，以电源回路断线、空开故障、电压异常等为底事件进行分析，最终获得水循环异常故障树。

图3为动态显示故障信息，当故障发生后，相对应的光子牌亮，就可以直观的显示各种故障状态以及故障原因，利用输入电压值判定获得电压异常，这种情况发生后，会导致输入电源故障、风机和水泵电源故障，并由此导致水温高和水流低，从而引起水循环异常，相关的故障信号和故障原因的光子牌被点亮，并在底事件处会显示“请检查总电源”的提示，可以方便操作者及时把握故障原因，有效的采取措施避免因故障导致重大损失。

图4为风机和水泵系统的故障诊断，通过延时消除外界干扰的影响以及误判，首先根据电源信号判定电源是否掉电，然后再根据风机和水泵本体的工作状态判定本体是否故障，并根据故障信息采取不同的容错控制，如投备用、报警和切机组。

冶金控制系统采用“小闭环+大闭环”的控制模式，小闭环实现单机组的给定输出，而大闭环事实现系统总输出恒定。从图5稳流总调容错控制专家知识库可以看出，电流总给定值减去异常机组的测定值获得总调电流值给定值，并通过一个前馈减少误差，总调给定值除以总调机组数获得正常单机组电流给定值，单机组通过小闭环控制模式的PID调节来保证单机组稳定输出，大闭环控制模式保证系统总输出不变。

图6为单机组异常容错控制策略，当机组出现水温高、元件母排温度高、快熔坏1个和低倍过载等异常时，根据不同的情况，在保证设备正常运行前提下，当机组异常发生后，选择开关的使能信号置1，并根据不同的控制字选通不同的通道，限制异常机组的电流输出，可以通过界面输入异常机组电流给定值，如果超过上限值，输出给定为上限值，否则输出为输入电流给定值，当使能为0时，本机组参与总调，输出限制值为总调给定值，并通过小闭环控制模式PID调节保证单机组电流稳定输出。