化工过程关键控制回路的容错控制技术的研究

周扬

摘要：以芳烃厂酸性水汽提装置关键控制回路为研究对象，对化工过程控制系统的容错控制技术进行了探讨与分析。介绍了容错定义，在基于容错技术应用研究资料的基础上，采用多元回归与时间序列发建立了容错控制模型，提出了化工过程关键控制回路容错控制应用注意事项与未来方丈方向，以供参考。

关键词：关键控制回路；容错控制技术；时间序列分析

引言：随着近年来，我国工业事业的高速发展，化工、冶金、机械制造、电力等产业呈现出智能化、多元化、大型化、复杂化发展趋势。在此背景下，生产安全性、可靠性成为人们关注的重点。从过程控制系统出发，提升系统容错性，成为强化控制系统可靠性研究的重要课题。容错控制技术在控制系统的应用有许多中，其中过程关键控制回路系统容错控制是多数化工企业采用的手段之一，在不加大硬件成本投入的基础上，对提升控制系统可靠性具有良好效果。本文以某化工企业“司芳烃厂酸性水汽提装置”为例，对过程关键控制回路的容错控制技术进行了简要分析。

1相关概述

所谓容错控制技术主要是指，在实际生产过程中，当控制系统某部分或某些结构发生故障时，系统能过及时发现并分辨故障部位，采取有效措施，维持控制系统规定功能，或开既定范围内，保证系统运行的稳定性与可靠性[1]。据有关资显示，容错技术的研究，起源于生物体本质属性中“容错特性”的模仿，随着研究的不断深入，容错技术在计算机系统中得到有效应用，并发挥着重要作用，成为信息化时代背景下，各领域各行业关注的重点。

在我国工业现代化建设与发展过程中，工业生产安全与稳定运行问题日渐凸显，提升工业行业各产业生产过程中控制系统的可靠性、稳定性、有效性至关重要。在此背景下，容错控制技术在过程控制领域中的渗透与有效应用成为相关机构与工作人员研究的重点。

以化工产业为例，实现化工产业过程控制系统容错控制的形式有许多，包括控制系统传感器、执行器亢余技术的增加（董春利，1992；沈毅，1996）；双机热备份（宋百玲，2001；张斌，2001）等，均可有效提升控制在系统的稳定性与可靠性，但是也在一定程度上加大了成本投资，在中小企业中得不到广泛推广与应用。对此，相关工作人员可依据控制系统生产过程中数据信息特性，运用软测量技术，丰富过程控制系统中容错控制研究内容，提升对控制系统故障诊断、容错控制模型、机理等方面研究，从而在实践设计与应用中强化系统的容错控制。例如，刘伟在《基于专家系统的容错控制及在合成反应过程中的应用》中，通过构建数据库、生产过程故障模式体系、控制性能仿真分析程序、基础控制器体系等，将容错控制技术，具体应用于流化床“醋酸和乙炔合成醋酸乙烯”生产过程中，根据工艺系统故障状态的诊断，实现控制系统重组操作，取得良好效果[2]。此外，在某化工企业，通过利用软测量技术，结合仪表检测手段，建立容错控制模型的综合运用，实现了芳烃厂酸性水汽提装置生产过程中关键控制回路的容错控制，有效提升了过程控制系统可靠性，加大了经济效益与竞争优势。

2化工过程关键控制回路中容错控制模型建立

过程控制系统容错，主要是指构成控制系统中仪表控制装置出现故障后，系统采用一定措施，如相关算法计算、其他正常仪表替换等，保证系统过规定性能稳定与可靠运行的能力。目前，回路系统以及网络系统的容错控制研究有待相关研究有待进一步的深化与完善。本文研究的过程关键回路容错控制技术，其模型的建立主要采用的是“自回归模型”与“多元回归模型”[3]。其中，自回归模型的建立主要是，将仪表装置中与脱酸塔流量、压强、温度相关的多组数据信息，以时间为序列进行计算并分别建模，得出AR模型：

y（k）=A1·y（k-1）+A2·y（k-2）+（1-A1-A2）·yj

依据模型参数A1、A2对脱酸塔进行数值预测通过与实际数值进行对比探寻故障原因，可得到准确结果。

此外，多元回归模型的建立主要是指，将仪表装置中与脱酸塔压强、流量、温度相關的多组数据信息，以时间为序列进行多元回归建模计算，在计算出剔除无关因素，得出准确参数回归模型，在与实践对比中，还原实际工作情况，探寻主要故障因素。

3容错控制应用与注意事项

经实践应用与分析发现，将过程控制系统的容错模型预算数值与实践检测结果进行融合，可运用以三取二表决算法构建三取二表决系统，从而提升故障诊断准确率，提升判断可信性。当基本检测器体系发生故障时，预测值取代体系测量值，实现容错控制，并给予故障警告，发挥系统容错控制作用。与此同时，在过程关键回路控制系统中，增设软件编程，通过对预测值与测量值的反复比较，可对检测器运行情况进行精准检测，并及时发现故障问题，进行预警与补偿控制处理，用以保障系统规定功能稳定运行，为仪表修复提供便利。

在此过程中，为保证模型计算的准确性，需保证在装置正常运行状态下获取仪表实际运行数据信息，尽量避免模型预算值计算错误的产生。与此同时，在实践应用过程中，应结合相关资料与工艺正常参数范围，确立预测值与测量值之间比较的“阑值”，并依据实际情况进行科学调整；避免预测值输出突变问题的常胜，采用有效措施解决误报问题，提升生产装置运行可靠性[4]。

4过程控制中容错控制技术发展方向

随着科学技术与自动化仪表控制装置的创新发展，系统容错控制将实现对信息变化系统的操作与控制。在未来研究与发展中，在化工、机械、电力等工业生产过程中国，应结合智能模拟原理与智慧方法，进行技术创新，实现过程控制装置控制系统容错创新设计；对单参数检测仪表、多参数组合检测仪表，采用不同容错策略进行科学设计，实现过程控制系统容错；对执行器、控制器等进行一体化设计，从结构出发，进行硬件功能冗余处理，满足生产需求；加强仪表控制装置的容错控制系统集成化研究，形成迎合时代发展的全新容错控制理论，并保证生产安全性、经济性[5]。

结论：总而言之，系统的容错控制是一项综合性、复杂性工程，在化工过程关键回路控制系统中，容错技术的应用与系统容错功能的实现，需明确掌握各项知识要点，包括计算机学科知识、人工智能知识、机械自动知识等等。对化工过程关键回路的容错控制技术研究，有利于推动化工仪表、自动化装置技术的创新发展，为过程控制系统容错的强化提供理论支持。

参考文献：

[1]杨浩，姜斌，周东华.互联系统容错控制的研究回顾与展望[J].自动化学报，2017，01：9-19.

[2]王战.化工过程控制目标和集中分散控制系统解析[J].化工设计通讯，2017，01：120+133.

[3]杨积慧.浅谈DCS、SIS、PLC三大控制系统的特点、差异及发展[J].中国仪器仪表，2016，01：67-72.

[4]刘怀，黄建新.一类分布式控制系统中带有优先约束的周期性任务容错调度方法[J].小型微型计算机系统，2016，04：830-834.

[5]生宁，王宏.运行控制系统集中式容错控制方法[J].控制理论与应用，2016，05：569-578.