CN1851442A - 执行器故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种执行器故障的诊断方法。目前执行器故障是通过人工巡检与定期检查的，难以做到及时准确和不遗漏。本发明方法的步骤是：测量当前实际阀位和给定阀位并计算其偏差；根据偏差判断执行器当前应该运动的方向；判断执行器在设定的时间段Δt内应该运动的方向与当前应该的运动方向是否一致；如果方向相一致，计算阀位的在设定的时间段Δt内的实际变化量D；如实际阀位变化量D小于设定的最小阀位变化量Dmin，则判断执行器发生故障；将测量的当前实际阀位进行转存，作为下次判断的计算数据。本发明方法不直接测量各种可能的故障源，通过测量执行机构的阀位，根据故障表现的结果即可诊断故障是否发生。

Description

执行器故障诊断方法
技术领域
本发明属于工业自动化仪表领域，特别涉及一种执行器故障的智能诊断方法。
背景技术
执行器广泛用于炼油、化工、电力、冶金、钢铁、造纸、制药、生化、环保等流程工业行业的自动化控制系统中，主要有气动执行器和电动执行器，气动执行器由调节阀、气动执行机构、电气阀门定位器组成，电动执行器由调节阀、电动执行机构和伺服放大器组成。由于执行器需要不问断地连续调节介质流量，长期频繁动作，各组成部分经常会出现严重的工作故障。对于气动执行器，会出现由于电气阀门定位器进气口、定位器、气动执行机构进出气口等处的泄漏而导致的漏气，由于弹簧或填料函或密封故障导致气动执行机构推杆或调节阀阀杆卡死，由于介质的高温高压差或杂质导致调节阀堵死，由于反馈连杆断裂或配合错位导致阀位测量反馈机构故障等。对于电动执行器，会出现由于电机驱动电路故障等导致的电机断电，由于电机和减速机构或填料函和密封故障导致电动执行机构推杆或调节阀阀杆卡死，由于介质的高温高压差或杂质导致调节阀堵死，由于反馈连杆断裂或配合错位导致阀位测量反馈机构故障等。执行器是自动化系统中重要的终端执行仪表，安装的生产现场无人职守，一旦出现上述故障，会造成控制系统不能正常工作而失控，严重时会造成生产事故或安全事故，比如电动执行机构卡死或堵死时会过力矩从而烧坏电机，气动执行机构推杆和调节阀卡死或堵死时如没有诊断到会继续冲气加压，轻则会拉断阀杆破坏执行器，重则会将阀芯从调节阀中拉出或导致调节阀破裂造成介质外流，对于有毒的、腐蚀性的、易燃易爆的介质，会出现严重事故，因此，需要及时诊断这些严重故障，报警指示和做紧急处理。但由于可能出现的故障情况复杂，又缺乏相关的测量传感器或基于成本的考虑，使得这些故障的诊断难以用传统方法实现。目前主要是通过仪表工和操作工监视巡检与定期检查来人工判断发现故障和进行维护的，工作量大难以做到及时准确和不遗漏，可靠性差。有些研究文献对于电动执行器过力矩提出采用监视电枢电流异常来判断是否过载，但由于电动执行器电机特性的特殊性，往往在过载时电流的变化不同于普通电机并且易于和启动时情况相同，所以会经常导致错误判断。
发明内容
本发明是针对执行器工作过程中出现的严重故障以及目前主要依靠人工检查故障上存在的不足，提供了一种可用于气动执行器和电动执行器，通过阀位测量信息进行执行器故障智能诊断的方法。
该故障诊断方法包括以下步骤：
(a)测量当前实际阀位和给定阀位，计算其偏差；
(b)根据偏差判断执行器当前应该运动的方向；
(c)判断执行器在设定的时间段Δt内应该运动的方向与当前应该的运动方向是否一致，Δt的设定根据执行器不同而不同，其设定值应小于执行器承受过载的时间；
(d)如果方向相一致，计算当前阀位与时间Δt前的阀位的差，即执行器阀位的在设定的时间段Δt内的实际变化量D；
(e)如实际阀位变化量D小于设定的最小阀位变化量Dmin，则判断执行器发生故障，Dmin的设定根据执行器不同而不同，其设定值应大于执行器的动作死区；
(f)将测量的数据进行转存，作为下次判断的计算数据。
执行器故障主要包括：对于气动执行器，会出现由于电气阀门定位器进气口、定位器、气动执行机构进出气口等处的泄漏导致的漏气、由于弹簧或填料函或密封故障导致气动执行机构推杆或调节阀阀杆卡死、由于介质的高温高压差或杂质导致调节阀堵死、由于反馈连杆断裂或配合错位导致阀位测量反馈机构故障等；对于电动执行器，会出现由于电机驱动电路故障等导致的电机断电、由于电机和减速机构或填料函和密封故障导致电动执行机构推杆或调节阀阀杆卡死、由于介质的高温高压差或杂质导致调节阀堵死、由于反馈连杆断裂或配合错位导致阀位测量反馈机构故障等。
如果发生以上故障，执行器中的执行机构表现出异常行为即不走或惰走。异常行为包括：当执行器阀位给定与实际阀位不相等时，在一定的时间段内实际阀位不变化即为不走；当执行器阀位给定与实际阀位不相等时，在一定的时间段内实际阀位的变化达不到要求值即执行机构运动速度低于最小的正常速度即为惰走或爬行。
该方法诊断执行器是否发生故障的依据是在一段合适长度的计时时间段内是否同时满足以下两个条件：
(a)执行器在该计时时间段内应该的运动方向保持一致，即该计时时间段内阀位测量和阀位给定的偏差正负一致且绝对值大于执行器最大动作死区；
(b)执行器在该计时时间段内运动速度小于其应该具有的最小速度，即该计时时间段内阀位测量值最大变化小于执行器最小速度。
在一段合适长度的计时时间段内，如果执行器正常状态工作，条件(a)和条件(b)是矛盾的不会同时发生，因为如果条件(a)具备，则执行器一定会朝应该的运动方向正常动作了该计时时间段因而不存在(b)，而如果条件(b)具备，则执行器的阀位测量和阀位给定的偏差一定是小于执行器动作死区则不存在(a)。如果执行器工作在前述的故障状态下，则条件(a)和条件(b)一定会同时发生在故障阀位处。
本发明方法不直接测量各种可能的故障源，通过测量执行机构的阀位，并根据故障表现的结果(执行机构表现的异常行为)即可诊断故障是否发生。
附图说明
图1中为故障诊断程序流程图
具体实施方式
如图1所示，执行器故障诊断方法包括以下步骤：
(a)测量当前实际阀位和给定阀位，计算其偏差。通过电流电压转换电路、滤波与信号放大电路、模数转换、线性化和归一化处理，得到当前阀位测量Xn和阀位给定Yn，并计算其阀位偏差En＝Yn-Xn。
(b)根据偏差判断执行器当前应该运动的方向。当前阀位偏差为正且大于偏差预定限即En＞Emin(取Emin＝2.5％)时执行器应正向(即向阀位增大的方向)运动；当前阀位偏差为负且绝对值大于偏差预定限即En＜-Emin时执行器应反向(即向阀位减小的方向)运动。Emin的设定根据执行器不同而不同，其设定值应大于执行器要求的定位精度。
(c)判断执行器在设定的时间段Δt内应该运动的方向与当前应该的运动方向是否一致。在过去一段计时时间段Δt内，每个采样点(如微处理器采样速率为100ms，Δt内采样点的数量n＝100，则计时时间段Δt长度为10s)的阀位偏差E0～En-1来判断。以前时间段Δt内每个采样点阀位偏差为正且大于偏差预定限，即E0～En-1＞Emin时执行器以前应正向运动；以前时间段Δt内每个采样点阀位偏差为负且绝对值大于偏差预定限，即E0～En-1＜-Emin时执行器以前应反向运动。当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向不一致时诊断为正常状态，一致时进行下一步。
(d)如果方向相一致，计算当前阀位与时间Δt前的阀位的差，即执行器阀位的在设定的时间段Δt内的实际变化量D，就是求当前阀位和以前一段计时时间段初始(0)的阀位差D＝Xn-X0。
(e)如实际变化量D小于设定的最小阀位变化量Dmin，则判断执行器发生故障。当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向一致且为正向运动时，执行器阀位的实际变化应小于预定限即D＜Dmin(取Dmin＝0.5％)诊断为故障；当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向一致且为反向运动时，执行器阀位的实际变化应大于负的预定限即D＞-Dmin诊断为故障；否则诊断为正常状态。
(f)将测量的数据进行转存，作为下次判断的计算数据。将当前阀位测量Xn和阀位给定Yn，以及计算的阀位偏差En进行转存为下一次故障诊断作准备，方法是X1转存到X0、X2转存到X1、…、Xn转存到Xn-1和Y1转存到Y0、Y2转存到Y1、…、Yn转存到Yn-1，以及E1转存到E0、E2转存到E1、…、En转存到En-1。

Claims (7)

1、执行器故障诊断方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(a)测量当前执行器实际阀位和给定阀位，计算其偏差；
(b)根据偏差判断执行器当前应该运动的方向；
(c)判断执行器在设定的时间段Δt内应该运动的方向与当前应该的运动方向是否一致；
(d)如果方向相一致，计算当前阀位与时间Δt前的阀位的差，即执行器阀位的在设定的时间段Δt内的实际变化量D；
(e)如实际阀位变化量D小于设定的最小阀位变化量Dmin，则判断执行器发生故障；
(f)将测量的数据进行转存，作为下次判断的计算数据。
2、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(a)中所述的测量当前实际阀位和给定阀位并计算其偏差，是指通过电流电压转换电路、滤波与信号放大电路、模数转换、线性化和归一化处理，得到当前阀位测量Xn和阀位给定Yn，并计算其阀位偏差En＝Yn-Xn。
3、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(b)中所述的判断执行器当前应该运动的方向，是指当前阀位偏差为正且大于偏差预定限即En＞Emin时执行器应正向运动，即向阀位增大的方向运动；当前阀位偏差为负且绝对值大于偏差预定限即En＜-Emin时执行器应反向运动，即向阀位减小的方向运动。
4、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(c)中所述的判断执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向是否一致，是在过去一段计时时间段Δt内，对每个采样点的阀位偏差E0～En-1进行判断；以前时间段Δt内每个采样点阀位偏差为正且大于偏差预定限，即E0～En-1＞Emin时执行器以前应正向运动；以前时间段Δt内每个采样点阀位偏差为负且绝对值大于偏差预定限，即E0～En-1＜-Emin时执行器以前应反向运动，当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向不一致时诊断为正常状态，一致时进行下一步诊断。
5、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(d)中所述的计算当前阀位与时间Δt前的阀位的差，是计算当前阀位和时间段Δt前的初始(0)的阀位差D＝Xn-X0。
6、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(e)中，当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向一致且为正向运动时，执行器阀位的实际变化应小于预定限即D＜Dmin诊断为故障；当执行器以前应该的运动方向与当前应该的运动方向一致且为反向运动时，执行器阀位的实际变化应大于负的预定限即D＞-Dmin诊断为故障；否则诊断为正常状态。
7、如权利要求1所述的执行器故障诊断方法，其特征在于步骤(f)中所述的数据转存，是指将当前阀位测量Xn和阀位给定Yn，以及计算的阀位偏差En进行转存为下一次故障诊断作准备，方法是X1转存到X0、X2转存到X1、...、Xn转存到Xn-1和Y1转存到Y0、Y2转存到Y1、...、Yn转存到Yn-1，以及E1转存到E0、E2转存到E1、...、En转存到En-1。
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