容錯技術提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性

1、 利用容錯技術指導控制系統(tǒng)的設計。實際系統(tǒng)的硬件和軟件出現(xiàn)故障都是難以避免的。因此在設計控制系統(tǒng)時,必須全面考慮如何應用容錯技術,保證系統(tǒng)在局部出現(xiàn)故障時仍能正常運行,從而提高控制系統(tǒng)的可靠性。本文在分析通用容錯技術的基礎上,針對控制系統(tǒng)的特點,提出了控制系統(tǒng)容錯技術的基本原則,并針對控制系統(tǒng)中控制器的特點提出了一套模型預測與專家系統(tǒng)相結(jié)合的控制器檢測方案。此控制系統(tǒng)容錯技術已成功應用于某130t/h煤粉爐的計算機監(jiān)控系統(tǒng)設計中。1容錯技術概述容錯的基本思想是由馮*諾伊曼在1962年提出的。系統(tǒng)若具有自動修復和容忍故障的能力,就可以達到高可靠性系統(tǒng)的目標。這就是容錯的思想。容錯技術能夠達到對故

2、障的“容忍”,并非是“無視”故障的存在,而是要能夠自動、適時地監(jiān)測并診斷出系統(tǒng)的故障,然后采取相應的故障控制或處理的策略,而要達到這些要求,還要有相應的硬件作為基礎。故障容錯技術包括硬件冗余,故障檢測與診斷和故障決策等內(nèi)容2。容錯技術所包括的內(nèi)容可以歸納如圖1所示。 圖1故障容錯技術所包含的內(nèi)容1.1硬件冗余為提高系統(tǒng)的可靠性,在系統(tǒng)設計中可采用兩種方法:其一是盡可能地選用高可靠性的單元組成系統(tǒng)。這種方法一方面受到技術水平的限制,有時為了達到高可靠性要求,單元配置的成本較高;另一方面,對于由同樣可靠性程度的單元組成的系統(tǒng),系統(tǒng)越復雜,系統(tǒng)的可靠性越低。因此對于復雜系統(tǒng),單純依靠提高單元的可靠性

3、達到系統(tǒng)的高可靠性是非常困難的。其二是增加一定數(shù)量的相同單元組成系統(tǒng)或采用多套相同的系統(tǒng),即所謂冗余的方法。這種方法可以提高系統(tǒng)的可靠性,同時冗余也是容錯技術的基礎。在設計冗余時,必須考慮幾個方面的問題:1單元可靠性是系統(tǒng)可靠性的基礎,因此必須努力提高單元的可靠性;2對于簡單并聯(lián)冗余系統(tǒng),當冗余超過一定數(shù)量時,可靠性提高的速度大為減緩,同時采用冗余也就意味著成本的增加,因此在設計時必須考慮費效比問題;3采用何種冗余方法要根據(jù)實際情況決定,一般在低級別部位采用冗余的效果比在高級別部位采用冗余的效果好;4并不是所有單元都可以冗余,比如當失效單元無法有效地隔離時,就無法采用冗余。1.2故障檢測與診斷

4、容錯技術的主要內(nèi)容是故障檢測與診斷。公認系統(tǒng)故障有三種類型:早期故障,耗損性故障和偶然性故障3。這三種故障分別對應系統(tǒng)生命周期的三個階段。早期故障可以通過修正設計等措施及時剔除。耗損性故障可以通過定時檢修和更換老化部件避免。當系統(tǒng)工作在早期和耗損期之間的工作期時,在此期間所發(fā)生的故障全是隨機發(fā)生的偶然故障,稱為偶然性故障。因為這一時期正是系統(tǒng)的工作期,所以偶然性故障的故障檢測與診斷很重要。故障檢測與診斷的目的在于當系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時能自動發(fā)現(xiàn)故障,并確定出故障的部位和類型,同時自動采取保護措施。故障檢測與診斷的成功與否將直接影響系統(tǒng)的容錯能力。故障檢測與診斷裝置的基本要求:1在系統(tǒng)所處的各種工作

5、方式和狀態(tài)下,都應能自動、可靠地進行檢測;2能檢測90%以上的系統(tǒng)故障;3故障檢測與診斷裝置的失效率不應大于系統(tǒng)總失效率的50%;4誤報率小于1%。目前,故障檢測和診斷中常用的方法有:1直接余度:其基本原理是對系統(tǒng)的關鍵部件引入多重相同的部件,利用表決法檢測并診斷系統(tǒng)故障,并利用冗余的部件實現(xiàn)容錯的目的。2解析余度:其基本原理是利用系統(tǒng)之間或系統(tǒng)的各部件之間的功能關系構(gòu)成功能上的冗余,利用系統(tǒng)狀態(tài)、輸出等變化來檢測與診斷系統(tǒng)的故障,利用最少的硬件冗余實現(xiàn)容錯的目的。3利用參數(shù)估計、信息序列處理等現(xiàn)代控制論與統(tǒng)計理論相結(jié)合的方法進行故障檢測,并估計出偏差量,利用補償、校正等方式實現(xiàn)系統(tǒng)容錯控制。

6、這種檢測方法所涉及的計算工作繁雜,難以在實時系統(tǒng)中實現(xiàn)。實際應用中,一般綜合使用直接余度和解析余度來進行表決,即所謂表決法。表決法是一種常用的故障檢測與診斷的方法,該方法實現(xiàn)起來比較簡單、可靠,但需要有一定的硬件冗余。1.3故障決策故障決策的目的在于針對故障的部位和類型,采取相應的容錯措施。一般有兩種方法:其一是將故障單元隔離,利用冗余配置替換故障單元,保持系統(tǒng)正常運行;其二是在故障存在的前提下,降低系統(tǒng)的性能,保證系統(tǒng)在可靠性所允許的一定范圍之內(nèi)運行。2控制系統(tǒng)的容錯技術控制系統(tǒng)是一種以控制器為核心的人工系統(tǒng),它通過輸入設備(傳感器組和輸出設備(執(zhí)行機構(gòu)將受控系統(tǒng)和控制器連接到一起,如圖2所

7、示。 圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)可以被劃分為三個相對獨立的串聯(lián)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)間通過信號聯(lián)接。因此,可以分別設計符合各個子系統(tǒng)實際特點的子容錯方案。2.1輸入、輸出子系統(tǒng)的容錯輸入、輸出設備都是以硬件為主構(gòu)成的。當其元件出現(xiàn)故障時,會有明顯異于正常的特征信號出現(xiàn),因此可以使用常規(guī)的硬件冗余比較的容錯方案。2.2控制器子系統(tǒng)的容錯控制器是控制系統(tǒng)的核心,它的突出特點就是以軟件為核心,因此控制器的容錯與一般意義下的硬件容錯技術有所不同,必須考慮軟件的獨特特點。控制器可能出現(xiàn)的故障主要有:控制器硬件故障,控制軟件故障,控制算法缺陷和操作失誤。控制器以通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C作為硬件的基礎。為了提高控制系統(tǒng)的

8、可靠性,一般采用集散控制系統(tǒng),即由幾臺計算機分別控制不同的控制回路,計算機間由通訊聯(lián)系。由于計算機程序運行的獨立性,控制計算機無法熱切換,因此必須選用高可靠性的計算機?？刂栖浖刹僮髌脚_和應用軟件組成。理想的操作平臺,不但要功能強大,而且要穩(wěn)定。應用軟件就是控制算法的實現(xiàn),應當能夠如實再現(xiàn)控制算法。軟件故障與硬件故障的特點不同4:軟件故障主要是軟件設計和編碼的錯誤,而與拷貝、使用、維護的關系甚小;可靠度與時間無關,軟件的可靠度隨軟件錯誤的排除而提高;相同軟件的冗余不會提高可靠性。由于軟件故障的以上特點,因此軟件的容錯工作主要是如何發(fā)現(xiàn)和避免軟件中的錯誤,這需要應用軟件系統(tǒng)工程的方法。控制算法是

9、控制系統(tǒng)工作的保證,如果算法出了問題,控制系統(tǒng)就會出現(xiàn)誤操作。為了取得滿意的控制效果,控制算法一般都比較復雜,有些甚至采用了自適應、自學習算法,因此難以通過仿真對控制算法進行全面的檢驗;并且受控對象的特性也有可能發(fā)生改變,偏離控制算法的設計區(qū)域。所有這些因素都會導致控制系統(tǒng)在某些意想不到的情況下做出誤操作?？刂破鞯妮敵鍪欠裾?是針對它對受控對象的影響結(jié)果而言,其本身并不具備明顯的特征。由于一般受控對象都有一定的滯后和慣性,因此控制器的輸出對受控對象的影響具有遲滯性和積累性,因此并不能根據(jù)受控對象當時的狀態(tài)來判定控制器輸出是否正常,而需要一套預測的方法提供信息。本文運用模型預測的方法預測控制器

10、輸出對受控對象的影響,如圖3所示。受控對象動態(tài)模型的輸入量是控制器的輸出,通過計算可以得到未來一段時間里受控系統(tǒng)的運行軌跡。計算時假設控制器正常,考慮控制器動作的影響。由于模型所預測的時間段不長,因此動態(tài)模型可以比較準確地預測實際系統(tǒng)的運行趨勢。 圖3控制器容錯方案模型預測的一些重要信息,如最大偏移量、最大偏移速率等,送到一個專家系統(tǒng)5,由專家系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)當前運行狀態(tài),綜合判斷控制器輸出是否正常。專家系統(tǒng)內(nèi)存有一套檢測標準,由推理機根據(jù)模型預測的信息和當前系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷控制器輸出是否正常,并判斷可能的故障類型。如果專家系統(tǒng)認為控制器輸出正常,則該輸出被送到輸出設備;如果專家系統(tǒng)認為控制器輸出

11、異常,則該輸出被抑制,轉(zhuǎn)由一個比較穩(wěn)定但控制效果不是最佳的備用控制器產(chǎn)生控制器輸出。3應用舉例上述控制系統(tǒng)容錯技術已被成功運用于某130t/h煤粉爐的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖4。控制器由工控機和PLC組成。PLC負責各回路的基本控制,即所謂下位機;工控機在負責優(yōu)化的同時,還要負責人機界面等工作,即所謂上位機。故障監(jiān)控的主要計算工作也由上位機完成。 圖4130t/h煤粉控制系統(tǒng)簡圖控制系統(tǒng)的輸入設備由傳感器組、配電器和A/D模塊組成。由于控制系統(tǒng)所需要采集的信號都是表征受控系統(tǒng)狀態(tài)的重要參數(shù),因此本設計采用的都是三重余度布置,應用比較法,可以檢測傳感器通道故障,并自動隔離、報警

12、。控制系統(tǒng)的輸出設備由一系列執(zhí)行機構(gòu)組成。由于大部分執(zhí)行機構(gòu),如風門等,無法有效隔離,因此對于每一個執(zhí)行機構(gòu)單元未進行冗余布置。執(zhí)行機構(gòu)的檢測主要依靠測量執(zhí)行機構(gòu)的位置反饋信號和控制器輸出信號,然后進行比較,同時輔以執(zhí)行機構(gòu)動作影響的參數(shù)變化信號。以給粉機速度控制為例,調(diào)整機構(gòu)的故障主信號是給粉機轉(zhuǎn)速的反饋信號,輔助信號是爐內(nèi)燃燒溫度。由于工控機和PLC的可靠性都已達到控制系統(tǒng)的要求(連續(xù)無故障工作時間長達105h,另一方面由于程序執(zhí)行的獨立性,因此沒有設計雙機熱備份系統(tǒng),而采用了冷備份系統(tǒng)。上位機和下位機各有相對獨立的兩套控制器。上位機控制器的控制算法比較復雜,具有自適應和優(yōu)化等功能,而下位機控制器的控制算法則比較簡單。故障監(jiān)控系統(tǒng)在上位機運行。一般情況由上位機控制器輸出,當上位機控制器異常時,轉(zhuǎn)由下位機控制器輸出。4結(jié)束語清華大學學報（自然科學版） 頁碼， 應用控制系統(tǒng)容錯技術可以提高鍋爐控制系統(tǒng)的可靠性，從而提高整個鍋爐 系統(tǒng)的可靠性。鍋爐系統(tǒng)可靠性的提高，就意味著經(jīng)濟效益的提高。 控制系統(tǒng)只是鍋爐系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，要進一步提高鍋爐的可靠性，還需要 提高鍋爐其它子系統(tǒng)的可靠性。 第一作者：男，年生，博士研究生 基金項目：國家攀登計劃