CN109595687A - 电采暖dcs控制系统、系统的故障诊断方法及故障容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于建筑供暖技术领域，提供了一种电采暖控制系统、故障检测方法及故障容错控制方法，基于预测控制思想，通过在线或离线的方式获取各房间基于阶跃响应的内部模型，进而构建预测模型，再计算预测模型输出变化量与实际输出变化量之差，将该差值与阈值比较来确定系统的工作状态，在综合分析其它故障信息的基础上，进而确定故障类型，最后依据故障类型采取不同的控制策略。此处，检测通道故障采用管理层开环预测控制方法，而通讯通道故障时采用现场控制层闭环预测控制方法，而对于执行器和执行通道故障时，采用基于环境温度优化的控制方法，从而实现故障诊断和容错控制，在不增加任何硬件资源的情况下，通过软件提高供暖的可靠性和经济性。

Description

电采暖DCS控制系统、系统的故障诊断方法及故障容错方法

技术领域

本发明属于建筑供暖技术领域，提供了一种电采暖DCS控制系统、系统的故障诊断方法及故障容错方法。

背景技术

由于现有的电采暖控制系统中，现场控制器通常采用基于温度的PID闭环反馈控制，因而当温度传感器或者其检测通道出现故障时，控制输出要么饱和，要么截止，这会导致电暖器仅能处于开通或关断状态，使房间温度处于高或低两种极端状态，不能跟踪给定值使供暖要求不能得到有效保证。再者，当电暖器或者执行通道出现故障时，房间的控温要求显然亦不能完成。此外，当管理层、控制层和现场控制层之间的通讯通道出现故障时，亦使整个DCS控制系统处于瘫痪状态。

发明内容

本发明实施例提供一种电采暖DCS控制系统，基于该电采暖DCS控制系统实现系统故障的诊断和容错控制，在不增加任何硬件资源的情况下，提高供暖的可靠性及经济性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电采暖DCS控制系统，该系统包括：设于控制中室的工控机及PLC控制器、设于各个温控房间的温度控制器和电暖器，工控机与PLC之间通讯，PLC与各温度控制器之间通讯，每个温度控制器至少控制一个电暖器；

在工控机上集成有管理层的开环预测模型；

在每个温度控制器上集成有现场控制层的闭环预测模型。

进一步的，预测模型的表达式如下

其中，N为截断步长，y_m(k+i)为第i步的预测模型输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+i-j)为控制序列，包含k时刻之前所施加的控制量、k时刻及其以后待求的控制量。

进一步的，管理层的开环预测模型的表达式如下：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为参考轨迹，h_j为内部模型，u(k+1-j)为k时刻之前所施加的控制序列。

进一步的，现场控制层的闭环预测模型的表达式如下：

其中，y(k)为k时刻实测的温度值，y_m(k)为k时刻预测模型的输出值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列；

为了实现上述目的，本发明提供了一种电采暖DCS控制系统的故障诊断方法，所述方法具体如下：

分别检测检测通道和传感器、通讯通道及执行通道和电暖器是否故障，故障检测方法具体如下：

基于温度控制器输出的温度值来判断检测通道和传感器是否故障；

基于延时查询方法来检测通讯通道是否故障；

对故障预测模型进行单位跃阶扰动，基于故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值来检测执行通道和电暖器是否故障。

进一步的，所述故障预测模型的构建方法具体包括如下步骤：

S11、建立温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型；

S12、基于温度控制器控制的电暖器数量来选择适配的内部模型，基于选定的内部模型来构建故障预测模型。

进一步的，所述执行通道的故障检测方法具体包括如下步骤：

S13、读取温度控制所在环境的温度值，称为初始温度值，并向温度控制器发送给定的阶跃扰动信号；

S14、计算若干周期内的实际温度变化量；

S15、在相同初始温度下，给施加故障预测模型相同的阶跃扰动信号，并输出相同采样周期内的温度变化量；

S16、基于预测模型输出变化量与实际变化量的差值来诊断是否存在执行通道故障，即故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值大于阈值，则判定检测通道故障。

进一步的，基于故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值来预估执行通道的故障数量，即若故障预测模型输出的温度变化量位于(N-1)个电暖器对应内部模型的温度变化量与N个电暖器对应内部模型的温度变化量之间，则故障执行通道的数量为M-(N-1)，其中M为温度控制器控制的电暖器数量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电采暖DCS控制系统的故障容错方法，所述故障容错方法具体如下：

出现通讯通道故障时的容错控制方法：基于现场控制层的闭环预测模型来控制现场温度达到温度给定值；

出现检测通道及传感器故障时的容错控制方法：基于管理层的开环预测模型进行温度控制；

出现执行通道及电暖器故障时的容错控制方法：提高正常执行通道的温度给定值，若是所有执行通道均故障，则提高相邻温控房内的温度给定值。

本发明基于预测控制思想，通过在线或离线的方式获取各房间基于阶跃响应的内部模型，进而构建预测模型，再计算预测模型输出变化量与实际输出变化量之差，将该差值与阈值比较来确定系统的工作状态，在综合分析其它故障信息的基础上，进而确定故障类型，最后依据故障类型采取不同的控制策略。此处，检测通道故障采用管理层开环预测控制方法，而通讯通道故障时采用现场控制层闭环预测控制方法，而对于执行器和执行通道故障时，采用基于环境温度优化的控制方法，从而实现故障诊断和容错控制，这在不增加任何硬件资源的情况下，通过软件实现供暖的可靠性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电采暖DCS控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型数据图；

图3为本发明实施例提供的温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的电采暖DCS控制系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出于本发明实施例相关的部分。

电采暖DCS控制系统包括：设于控制中室的工控机及PLC控制器、设于各个温控房间的温度控制器、电暖器及温度控制器，工控机与PLC之间通讯采用PrefilBus通讯总线，而PLC与温度控制器之间选用485通讯总线，每个温度控制器与至少一个电暖器通讯连接；

其中，在工控机上集成有管理层的开环预测模型，管理层的开环预测模型的表达式如式(1)所示：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨线，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

其中，在每个温度控制器上集都成有现场控制层的闭环预测模型及故障预测模型；现场控制层的闭环预测模型的表达式如式(2)所示：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨线，y(k)为k时刻实际过程的输出测量值，y_m(k)为k时刻预测模型的输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

在本发明实施例中，故障预测模型的表达式如式(3)所示

其中，N为截断步长，y_m(k+i)为k+i时刻预测模型的输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+i-j)为控制序列，包含k时刻之前所施加的控制量、k时刻及其以后待求的控制量。

本发明旨在不增加任何硬件成本的前提下，通过系统中集成的软件算法来实现电供暖系统故障自诊断和容错控制，降低对系统维护人员水平要求及维护成本，同时提高电供暖系统的可靠性。

在本发明实施例中，电采暖DCS控制系统的故障诊断方法具体如下：

分别检测检测通道和传感器、通讯通道、执行通道和电暖器是否故障，故障检测方法具体如下：

基于温度控制器输出的温度值来判断检测通道和传感器是否故障；

基于延时查询方法来检测通讯通道是否故障；

对故障预测模型进行单位跃阶扰动，基于故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值来检测执行通道和电暖器是否故障。

下面针对上故障检测方作出具体的说明：

(1)检测通道及传感器的故障检测

检测通道为传感器与温度控制器间的数据传输通道，判断温度控制器输出的温度值是否为开路状态及短路状态下的数值，若判断结果为是，则判断检测通道及温度传感器处于故障状态。

(2)通讯通道的故障检测

本发明“通讯通道”是指各温度控制器至工控机间的通讯线路，检测测试信号从各温度控制器传送至工控机的传输时长，若传输时长大于设定的时间阈值，则判断通讯通道故障，否则通讯通道正常。

(3)执行通道及电暖器的故障检测

执行通道为执行器与温度控制器间的数据传输通道，对故障预测模型进行单位跃阶扰动，基于故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值来判断执行通道是否故障，若故障预测模型输出的变化量与实际变化量大于整定阈值，则判定为执行通道及电暖器故障。

在本发明实施例中，故障预测模型的构建方法具体包括如下步骤：

S11、建立温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型；

在电采暖DCS控制系统中，假定一个温度控制器最多控制4台电暖器，分别建立温度控制器控制4台电暖器工作的内部模型、温度控制器控3台电暖器工作的内部模型，温度控制器控制2台电暖器工作的内部模型、及温度控制器控1台电暖器工作的内部模型，以温度控制器控制4台电暖器工作为例进行详细说明，在离线状态下给4台电暖器施加交流电压，例如市电220V，或者是4台电暖器在线状态下，按设定的采样周期依次采集采集点的温度值，采集点是指离待测电暖器所在房间中离待测电暖器最远的位置点，直至采集点的温度达到稳态位置，这里的稳态是指采集点的温度达到了预设的温度值，N时刻采集到的N个温度值即构成该电暖器的内部模型，内部模型以表格的形式存储于工控机的数据库中，在线状态下的采集是工控机通过采样程序自动完成上述采集，各电暖器的内部模型是在测试条件基本一致的条件下获取的，可以减小故障预测模型的误差，温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型数据图如图2所述，图3为温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型曲线图。

S12、基于温度控制器控制的电暖器数量来选择适配的内部模型，基于选定的内部模型来构建故障预测模型；

在本发明实施例中，若温控房间中的温度控制器控制3台电暖器，则将温度控制器控制3台电暖器的内部模型输入故障预测模型，故障预测模型具体如公式(3)所示：

其中，N为截断步长，y_m(k+i)为(k+i)时刻预测模型的输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+i-j)为控制序列，包含k时刻之前所施加的控制量、k时刻及其以后待求的控制量，i<j时各项和表示k时刻以前输入变化序列对输出量作用的预测，而i>j时各项和表示输出量受到未来输入序列影响的预测。为便于应用，该故障预测模型也可以改写为增量形式，具体表示如下：

Δu(k+i-j)＝u(k+i-j-1) (5)

对于一个温度控制器控制多个电暖器的情况，基于温度控制器控制全部电暖器的内部模型进行故障预测模型输出变化量的计算。

在本发明实施例中，执行通道故障的检测方法具体包括如下步骤：

S13、读取温度控制所在环境的温度值，称为初始温度值，并向温度控制器发送给定的阶跃扰动信号，通常阶跃扰动量设为1℃；

S14、计算若干周期内的实际温度变化量，基于现场温度传感器采集的若干周期温度值来计算实际的温度变化量；

S15、在相同初始温度下，给故障预测模型相同的阶跃扰动信号，并输出相同采样周期内的温度变化量；

S16、基于若干采样周期的实际变化量与预测模型输出变化量的差值大小来诊断是否存在执行通道故障；

由于预测模型是在最不利环境温度(离热源最远的位置)条件下建立，因而通常情况下实际输出应该高于模型预测输出，当差值为负时，即判定执行通道出现故障，否则执行通道正常，但由于电网电压有可能向下波动和电暖器老化等因素，实际判定时需要使用阈值来抵消这些影响。该阈值可以选定为单一电暖器内部模型在相同初始温度和同样采样周期的温度变化量的10％％，也可以根据现场经验整定，即故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值大于阈值，则判定检测通道故障，否则检测通道正常。

在本发明实施例中，基于故障预测模型输出的温度变化量位于(N-1)个电暖器对应内部模型的温度变化量与N个电暖器对应内部模型的温度变化量之间，则故障执行通道的数量为M-(N-1)，其中M为温度控制器控制的电暖器数量，一个电暖器及该电暖器与温度控制器的数据传输通道构成一个执行通道，以一个控制器控5个电暖器为例进行说明，若故障预测模型输出的温度变化量位于4个电暖器对应内部模型的温度变化量与3个电暖器对应内部模型的温度变化量之间，则判定2个执行通道故障。

在本发明实施例中，电采暖DCS控制系统的容错控制方法具体如下：

(4)通讯通道故障时的容错控制

当通讯通道故障是，现场温度控制器与PLC控制器或工控机出现通讯故障时，现场温度控制器将无法获得现场温度的实时给定值，则基于给定的温度值进行控制，为了避免硬启动，采用一阶指数期望轨迹的预测控制方法来进行控制，其故障容错方法为：

基于现场控制层的闭环预测模型来控制现场温度达到温度给定值，现场控制层的闭环预测模的推理过程具体如下：

在本发明实施例中，选用的期望轨迹如式(6)所示，在未来P个时刻的值为：

y_r(k+i)＝αⁱy(k)+(1-αⁱ)y_sp,i＝1,2,L,p (6)

y_r(k)＝y(k)

其中，y_r(k)为k时刻的参考轨线，预测控制的目的是使系统的输出变量沿着一条事先规定的曲线逐渐到达设定值y_sp，这条指定的曲线称为参考轨迹，α＝exp(-T/τ)，T为采样周期，τ为参考轨迹的时间常数，y(k)为k时刻实际测量得出的温度变化量，为抵消模型误差和其它扰动影响，采用闭环预测模型为式(7)所示：

y_p(k+1)＝y_m(k+1)+h₀·[y(k)-y_m(k)] (7)

其中，h₀为加权系数向量，y(k)为k时刻实际过程的输出测量值，y_m(k)为k时刻预测模型的输出值，y_m(k+1)为(k+1)时刻预测模型的输出值，y_p(k+1)为(k+1)时刻闭环预测模型的输出值。

再考虑温度控制系统的大滞后特点，选用单步预测单步控制的模型算法(MAC)，令闭环预测输出等于期望轨迹，得出通讯通道故障时的现场控制层的闭环预测模型如式(2)所示：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨线，y(k)为k时刻实际测量得出的温度变化量，y_m(k)为k时刻故障预测模型的输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

(5)检测通道及传感器故障时的容错控制

当检测通道故障时，不能采用闭环预测模型，而采用式(3)的开环预测模型，按上述方法，可以确定管理层的开环预测模型为式(1)所示：

其中，u(k)为k时刻的控制量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨迹，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

(6)执行通道及电暖器故障时的容错控制

当控温房间内出现电暖器或者是电暖器与温度控制器间的数据传输通道故障，控制故障基于故障执行通道的数量来提高该温控房内正常供执行通道的温度给定值，若是该温控房内所有的执行通道均故障，则提高该与温控房相邻的温控房的温度给定值，旨在提高故障点或者是故障温控房内的环境温度。

本发明提供的基于电暖DCS控制系统的故障诊断方法及容错方法具有如下益效果：

本发明基于预测控制思想，通过在线或离线的方式获取各房间基于阶跃响应的内部模型，进而构建预测模型，再计算预测模型输出变化量与实际输出变化量之差，将该差值与阈值比较来确定系统的工作状态，在综合分析其它故障信息的基础上，进而确定故障类型，最后依据故障类型采取不同的控制策略。此处，检测通道故障采用管理层开环预测控制方法，而通讯通道故障时采用现场控制层闭环预测控制方法，而对于执行器和执行通道故障时，采用基于环境温度优化的控制方法，从而实现故障诊断和容错控制，这在不增加任何硬件资源的情况下，通过软件实现供暖的可靠性和经济性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电采暖DCS控制系统，其特征在于，所述系统包括：

设于控制室中的工控机及PLC控制器、设于各个温控房间的温度控制器和电暖器，工控机与PLC之间通讯，PLC与各温度控制器之间通讯，每个温度控制器控制至少一个电暖器；

在工控机上集成有管理层的开环预测模型；

在每个温度控制器上都集成有现场控制层的闭环预测模型及故障预测模型。

2.如权利要求1所述电采暖DCS控制系统，其特征在于，预测模型输出的表达式如下

其中，i＝1,2,3……P，N为截断步长，P为预测步长，y_m(k+i)为第i步的预测模型输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+i-j)为(k+i-j)时刻的控制量。

3.如权利要求1所述电采暖DCS控制系统，其特征在于，管理层的开环预测模型的表达式如下：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨线，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

4.如权利要求1所述电采暖DCS控制系统，其特征在于，现场控制层的闭环预测模型的表达式如下：

其中，u(k)为k时刻的控制增量，y_r(k+1)为k+1时刻的参考轨迹，y(k)为k时刻实测的温度值，y_m(k)为k时刻预测模型的输出值，h_j为内部模型中的第j时刻点采集到的温度值，u(k+1-j)为k时刻前施加的控制序列。

5.基于权利要求1至4任一权利要求所述电采暖DCS控制系统的故障诊断方法，其特征在于，分别检测检测通道、通讯通道及执行通道是否故障，故障检测方法具体如下：

基于模型预测输出温度与实测温度的差值来诊断检测通道和传感器是否故障；

基于延时查询方法来诊断通讯通道是否故障；

基于预测模型输出的温度变化量与实测温度变化量的差值来诊断执行通道和电暖器是否故障。

6.如权利要求5所述电采暖DCS控制系统的故障诊断方法，其特征在于，所述故障预测模型的构建方法具体包括如下步骤：

S11、建立温度控制器控制不同数量电暖器的内部模型；

S12、基于温度控制器控制的电暖器数量来选择适配的内部模型，基于选定的内部模型来构建故障预测模型。

7.如权利要求5所述电采暖DCS控制系统的故障诊断方法，其特征在于，所述执行通道的故障检测方法具体包括如下步骤：

S13、读取温度控制器所在环境的温度值，称为初始温度值，并由温度控制器发出给定的阶跃扰动信号；

S14、读取并计算若干周期内的实际温度变化量；

S15、在相同初始温度下，施加预测模型相同的阶跃扰动信号，并计算相同采样周期内的温度变化量；

S16、基于预测模型输出变化量与实际变化量的差值来诊断是否存在执行通道故障，即故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值大于阈值，则判定检测通道故障。

8.如权利要求7所述电采暖DCS控制系统的故障诊断方法，其特征在于，基于故障预测模型输出的变化量与实际变化量的差值来预估执行通道的电暖器故障数量，即若实际输出的温度变化量位于(N-1)个电暖器对应内部模型的温度变化量与N个电暖器对应内部模型的温度变化量之间，则执行通道故障电暖器的数量为M-(N-1)，其中M为温度控制器控制的电暖器数量。

9.基于权利要求1至4任一权利要求所述电采暖DCS控制系统的故障容错方法，其特征在于，所述故障容错方法具体如下：

出现通讯通道故障时的容错控制方法：基于现场控制层的闭环预测模型来控制现场温度达到温度给定值；

出现检测通道和传感器故障时的容错控制方法：基于管理层的开环预测模型进行温度控制；

出现执行通道及电暖器故障时的容错控制方法：提高正常执行通道的温度给定值，若是所有执行通道均故障，则提高相邻温控房内的温度给定值。