工业控制中安全故障诊断方法的研究与探讨

摘要：故障诊断概念已被大家所接受，但有关功能安全的研究仍显不足。文章讨论了功能安全的主要研究内容和故障诊断的相关理论与算法，分析了它们之间的关系，围绕系统生命周期探讨了工业控制系统功能安全的一般设计方法和安全措施，通过分析进一步明确了它们的研究范围，对提高安全控制系统的设计和管理水平具有一定的指导意义。

关键词：故障诊断 神经网络 模糊逻辑 免疫算法 功能安全 控制系统 故障树 Petri网

中图分类号: TP277文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)07-0094-02

1、引言

复杂工业过程具有规模大、复杂性高、变量多等特点，一旦发生事故，影响力大、损失大，因此工业控制系统的功能安全设计与故障诊断就显得十分重要。我国的故障诊断技术发展于20世纪70年代末，虽然起步较晚，但经过追赶，特别是近几年的努力，已基本跟上了国外研究的步伐，在某些理论研究方面已和国外不相上下，但如何对控制系统的功能安全进行评价还是一个新课题，国际上已经制订了功能安全标准并不断完善，开发了系列化的符合功能安全的产品，我国在这方面的研究和应用还很不足，目前正在制订并完善相应的国家功能安全标准，建立相应的测试环境。本文主要讨论功能安全和故障诊断的基本概念、功能安全等级的评估技术、故障诊断的主要算法等，尽力理清功能安全和故障诊断主要理论和关键技术。

2、功能安全与故障诊断关键技术

2.1功能安全研究的主要内容

功能安全是从系统整体的安全要求出发将安全转化为风险目标控制，研究对象是综合性安全相关系统，这些系统通常难以确定实际操作中的每一种失效模式，也很难测试所有可能发生的状况。技术缺陷、硬件或软件的偶然失效、环境、管理人员，任何一个环节都有可能导致系统功能失效，从而导致事故的发生。功能安全标准理论由系统论、控制论、计算机技术、现代安全管理等学科相互渗透、交叉发展而成。功能安全方法就是应用这些学科技术来实现系统的模型化和最优化，把定性分析和定量分析紧密结合，进行系统分析和设计。功能安全保证主要包括失效识别和安全完整性水平。

2.2可靠度预计和失效识别

失效可能是由于硬件装置的耗损所致的随机失效，也可能是在硬件和软件中都可能出现的系统失效。失效识别就是要分辨出不同部件的各种失效原因，估算出系统失效概率;失效概率与可靠度有关。

失效概率是衡量产品在单位时间内失效次数的数量指标，它也是描述产品在单位时间内失效的可能性。

失效率的单位是“1／h”。如果以R（t）表示可靠度函数，则失效率可以用时间函数表示:

λ（t）＝［－dR（t）／dt］·［1／R（t）］

系统的可靠度预计，通常分为早期预计和后期预计。早期预计用于方案论证等初始设计阶段，有元件计数法、上下限法、相似设备法、相似功能法、有源单元法等;后期预计用于具体设计阶段，有数学模型法、应力分析法、布尔真值法、减额分析法（包括参数变量法、差值分析法、相关法、蒙特卡洛法等用计算机进行预计的方法）。

2.3故障诊断相关理论与算法

数据采集是故障诊断的基础工作，概率论和数理统计是故障诊断的基础理论和常规方法。目前我国虽然在一些特定设备的诊断研究方面很有特色，形成了一批自己的监测诊断产品，但针对工业过程的故障诊断的理论研究和应用则相对较少，由于实际工业过程存在多故障、多过程、突发性故障等特点，常规方法和技术不能满足故障诊断的要求。随着人工智能技术的迅速发展，特别是知识工程、专家系统和人工神经网络在诊断领域的进一步应用，人们对智能诊断问题进行了更加深入和系统的研究。智能诊断技术模拟人类专家对复杂系统进行诊断，它的优势是综合了多个专家的最优经验，其功能达到专家水平，而且比专家更快速。故障诊断方法很多，按照国际故障诊断权威的观点，可分为基于知识、模型、信号处理三种方法。工业过程故障诊断主要算法包括小波变换、模糊理论、人工神经网络、模式识别、定性模型等。

3、工业控制系统功能安全的一般设计方法

目前主流的工控系统主要有现场总线、工业以太网、可编程控制器（PLC）、工控机、智能仪表和传感器等组成，主要采用组态软件等设计系统界面。

在工业控制系统生命周期的每一个阶段都要充分考虑系统的安全性和可靠性。分析阶段要考虑系统运行环境和要求，更改生产工艺、减少各种可能带来风险的环节。设计阶段要选用符合功能安全标准的产品，要采用模块化设计，软件设计要符合软件工程的规范，采用面向对象等软件开发技术，定义系统功能时要增加冗余度，某些场合采用双机热备份冗余容错技术，保证某些系统功能失效时系统仍能正常运行。近年来多家国际自动化领域的大公司都提出了符合国际功能安全标准的现场总线功能安全技术，如西门子公司的PROFIsafe、罗克韦尔的CIPSafety、三菱的CC－Link Safety等。PROFIsafe技术将安全系统作为一种功能融入到控制系统之中，提高了安全性，降低了成本。CIP Safety和DeviceNetSafety技术通过冗余CRC、数据校验后加时间戳及每个网络提供一个特定的识别号等方法确保安全，在网络总线上同时集成标准控制系统和安全系统，在同一网络上传输标准和安全信息。CC－Link Safety是在协议上位层中开辟一个安全层，CC－Link Safety不仅能保持与CC－Link的互换性、使用原有的电缆等资源、连接兼容产品，而且在安全通信方面也能实现和CC－Link同样的高速通信和高速响应性，还具有检测安全系统的不正当修改和设定错误及能迅速分析问题原因的功能。同时这些大公司致力于开发相应的功能安全产品，在原有的现场总线及工业以太网基础上形成安全集成的工业控制网络系统。这些功能安全技术、产品和解决方案已成为当今自动化领域的新热点和核心竞争力。测试阶段要以发现系统设计中的错误为目标，而不是仅满足于验证系统设计的正确性，要进行系统安全性等级评估和功能安全性测试，然后重新完善系统功能，制订安全管理计划。运行维护阶段一方面要不断完善系统功能，加强现场设备的保护，控制柜的设计满足有关等级要求，对信号要进行隔离、接地、屏蔽，一方面要对系统的硬件和软件进行早期的和准确的故障检测与诊断，有些重要场合要建立专门的故障诊断与报警系统，这样可以减少停产时间，增加系统运行的安全性。

从上面分析可知，分析和设计阶段重点考虑功能安全，而现场运行维护阶段重点考虑故障诊断和加强安全目标管理。总之，设计工业控制系统时，要树立“安全第一” 的观点，系统要符合相关功能安全标准，采用符合功能安全的设备和技术，对系统进行正确的可靠度预计和功能安全等级评估，进行必要的故障诊断和有成效的安全管理，保障工业生产的可靠运行！本文探讨了工业控制系统的功能安全及故障诊断关键技术和安全控制系统的设计方法，从研究对象、理论基础、研究方法和措施三方面进行了总结。

4、结语

工业控制系统的安全性和可靠性是系统设计成功的关键指标，在系统生命周期的每一个阶段都必须考虑它们，不但要从技术方面而且还要从管理方面保证系统可靠运行。在管理方面要建立安全管理制度，确定符合安全完整性等级产品的准入原则，修改生产工艺、减少各种可能带来风险的环节等。在技术方面，既要进行故障诊断，及时发现故障并报警，最好能进行早期故障预报;更要在分析和设计阶段定义系统功能时考虑安全性、可靠性因素，选用符合功能安全标准的安全相关系统和含有安全功能的现场总线技术，因此功能安全和故障诊断是工业控制系统的主要技术，功能安全评价和智能故障诊断是现阶段工业控制领域的研究热点。研究功能安全与故障诊断的目的都是为了保障系统安全运行，提高系统的可靠性，将控制系统的功能安全和故障诊断理论放在一起讨论，是为了更好地明确它们的研究范围、掌握研究方法，希望在推动功能安全和故障诊断的理论研究和产品开发等方面起到抛砖引玉的作用。

参考文献

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