專利名稱：執(zhí)行器故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化儀表領(lǐng)域，特別涉及一種執(zhí)行器故障的智能診斷方法。
背景技術(shù)：
執(zhí)行器廣泛用于煉油、化工、電力、冶金、鋼鐵、造紙、制藥、生化、環(huán)保等流程工業(yè)行業(yè)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，主要有氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器，氣動(dòng)執(zhí)行器由調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣閥門定位器組成，電動(dòng)執(zhí)行器由調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器組成。由于執(zhí)行器需要不問斷地連續(xù)調(diào)節(jié)介質(zhì)流量，長期頻繁動(dòng)作，各組成部分經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的工作故障。對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行器，會(huì)出現(xiàn)由于電氣閥門定位器進(jìn)氣口、定位器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)出氣口等處的泄漏而導(dǎo)致的漏氣，由于彈簧或填料函或密封故障導(dǎo)致氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿或調(diào)節(jié)閥閥桿卡死，由于介質(zhì)的高溫高壓差或雜質(zhì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥堵死，由于反饋連桿斷裂或配合錯(cuò)位導(dǎo)致閥位測量反饋機(jī)構(gòu)故障等。對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，會(huì)出現(xiàn)由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路故障等導(dǎo)致的電機(jī)斷電，由于電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)或填料函和密封故障導(dǎo)致電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿或調(diào)節(jié)閥閥桿卡死，由于介質(zhì)的高溫高壓差或雜質(zhì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥堵死，由于反饋連桿斷裂或配合錯(cuò)位導(dǎo)致閥位測量反饋機(jī)構(gòu)故障等。執(zhí)行器是自動(dòng)化系統(tǒng)中重要的終端執(zhí)行儀表，安裝的生產(chǎn)現(xiàn)場無人職守，一旦出現(xiàn)上述故障，會(huì)造成控制系統(tǒng)不能正常工作而失控，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生產(chǎn)事故或安全事故，比如電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)卡死或堵死時(shí)會(huì)過力矩從而燒壞電機(jī)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿和調(diào)節(jié)閥卡死或堵死時(shí)如沒有診斷到會(huì)繼續(xù)沖氣加壓，輕則會(huì)拉斷閥桿破壞執(zhí)行器，重則會(huì)將閥芯從調(diào)節(jié)閥中拉出或?qū)е抡{(diào)節(jié)閥破裂造成介質(zhì)外流，對(duì)于有毒的、腐蝕性的、易燃易爆的介質(zhì)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重事故，因此，需要及時(shí)診斷這些嚴(yán)重故障，報(bào)警指示和做緊急處理。但由于可能出現(xiàn)的故障情況復(fù)雜，又缺乏相關(guān)的測量傳感器或基于成本的考慮，使得這些故障的診斷難以用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)。目前主要是通過儀表工和操作工監(jiān)視巡檢與定期檢查來人工判斷發(fā)現(xiàn)故障和進(jìn)行維護(hù)的，工作量大難以做到及時(shí)準(zhǔn)確和不遺漏，可靠性差。有些研究文獻(xiàn)對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器過力矩提出采用監(jiān)視電樞電流異常來判斷是否過載，但由于電動(dòng)執(zhí)行器電機(jī)特性的特殊性，往往在過載時(shí)電流的變化不同于普通電機(jī)并且易于和啟動(dòng)時(shí)情況相同，所以會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)執(zhí)行器工作過程中出現(xiàn)的嚴(yán)重故障以及目前主要依靠人工檢查故障上存在的不足，提供了一種可用于氣動(dòng)執(zhí)行器和電動(dòng)執(zhí)行器，通過閥位測量信息進(jìn)行執(zhí)行器故障智能診斷的方法。
該故障診斷方法包括以下步驟(a)測量當(dāng)前實(shí)際閥位和給定閥位，計(jì)算其偏差；(b)根據(jù)偏差判斷執(zhí)行器當(dāng)前應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向；(c)判斷執(zhí)行器在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向是否一致，Δt的設(shè)定根據(jù)執(zhí)行器不同而不同，其設(shè)定值應(yīng)小于執(zhí)行器承受過載的時(shí)間；(d)如果方向相一致，計(jì)算當(dāng)前閥位與時(shí)間Δt前的閥位的差，即執(zhí)行器閥位的在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)的實(shí)際變化量D；(e)如實(shí)際閥位變化量D小于設(shè)定的最小閥位變化量Dmin，則判斷執(zhí)行器發(fā)生故障，Dmin的設(shè)定根據(jù)執(zhí)行器不同而不同，其設(shè)定值應(yīng)大于執(zhí)行器的動(dòng)作死區(qū)；(f)將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，作為下次判斷的計(jì)算數(shù)據(jù)。
執(zhí)行器故障主要包括對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行器，會(huì)出現(xiàn)由于電氣閥門定位器進(jìn)氣口、定位器、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)出氣口等處的泄漏導(dǎo)致的漏氣、由于彈簧或填料函或密封故障導(dǎo)致氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿或調(diào)節(jié)閥閥桿卡死、由于介質(zhì)的高溫高壓差或雜質(zhì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥堵死、由于反饋連桿斷裂或配合錯(cuò)位導(dǎo)致閥位測量反饋機(jī)構(gòu)故障等；對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，會(huì)出現(xiàn)由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路故障等導(dǎo)致的電機(jī)斷電、由于電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)或填料函和密封故障導(dǎo)致電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿或調(diào)節(jié)閥閥桿卡死、由于介質(zhì)的高溫高壓差或雜質(zhì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥堵死、由于反饋連桿斷裂或配合錯(cuò)位導(dǎo)致閥位測量反饋機(jī)構(gòu)故障等。
如果發(fā)生以上故障，執(zhí)行器中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出異常行為即不走或惰走。異常行為包括當(dāng)執(zhí)行器閥位給定與實(shí)際閥位不相等時(shí)，在一定的時(shí)間段內(nèi)實(shí)際閥位不變化即為不走；當(dāng)執(zhí)行器閥位給定與實(shí)際閥位不相等時(shí)，在一定的時(shí)間段內(nèi)實(shí)際閥位的變化達(dá)不到要求值即執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度低于最小的正常速度即為惰走或爬行。
該方法診斷執(zhí)行器是否發(fā)生故障的依據(jù)是在一段合適長度的計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)是否同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件(a)執(zhí)行器在該計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向保持一致，即該計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)閥位測量和閥位給定的偏差正負(fù)一致且絕對(duì)值大于執(zhí)行器最大動(dòng)作死區(qū)；(b)執(zhí)行器在該計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度小于其應(yīng)該具有的最小速度，即該計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)閥位測量值最大變化小于執(zhí)行器最小速度。
在一段合適長度的計(jì)時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果執(zhí)行器正常狀態(tài)工作，條件(a)和條件(b)是矛盾的不會(huì)同時(shí)發(fā)生，因?yàn)槿绻麠l件(a)具備，則執(zhí)行器一定會(huì)朝應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向正常動(dòng)作了該計(jì)時(shí)時(shí)間段因而不存在(b)，而如果條件(b)具備，則執(zhí)行器的閥位測量和閥位給定的偏差一定是小于執(zhí)行器動(dòng)作死區(qū)則不存在(a)。如果執(zhí)行器工作在前述的故障狀態(tài)下，則條件(a)和條件(b)一定會(huì)同時(shí)發(fā)生在故障閥位處。
本發(fā)明方法不直接測量各種可能的故障源，通過測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位，并根據(jù)故障表現(xiàn)的結(jié)果(執(zhí)行機(jī)構(gòu)表現(xiàn)的異常行為)即可診斷故障是否發(fā)生。


圖1中為故障診斷程序流程圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，執(zhí)行器故障診斷方法包括以下步驟(a)測量當(dāng)前實(shí)際閥位和給定閥位，計(jì)算其偏差。通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波與信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和歸一化處理，得到當(dāng)前閥位測量Xn和閥位給定Yn，并計(jì)算其閥位偏差En＝Y(jié)n-Xn。
(b)根據(jù)偏差判斷執(zhí)行器當(dāng)前應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向。當(dāng)前閥位偏差為正且大于偏差預(yù)定限即En＞Emin(取Emin＝2.5％)時(shí)執(zhí)行器應(yīng)正向(即向閥位增大的方向)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)前閥位偏差為負(fù)且絕對(duì)值大于偏差預(yù)定限即En＜-Emin時(shí)執(zhí)行器應(yīng)反向(即向閥位減小的方向)運(yùn)動(dòng)。Emin的設(shè)定根據(jù)執(zhí)行器不同而不同，其設(shè)定值應(yīng)大于執(zhí)行器要求的定位精度。
(c)判斷執(zhí)行器在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向是否一致。在過去一段計(jì)時(shí)時(shí)間段Δt內(nèi)，每個(gè)采樣點(diǎn)(如微處理器采樣速率為100ms，Δt內(nèi)采樣點(diǎn)的數(shù)量n＝100，則計(jì)時(shí)時(shí)間段Δt長度為10s)的閥位偏差E0～En-1來判斷。以前時(shí)間段Δt內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)閥位偏差為正且大于偏差預(yù)定限，即E0～En-1＞Emin時(shí)執(zhí)行器以前應(yīng)正向運(yùn)動(dòng)；以前時(shí)間段Δt內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)閥位偏差為負(fù)且絕對(duì)值大于偏差預(yù)定限，即E0～En-1＜-Emin時(shí)執(zhí)行器以前應(yīng)反向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向不一致時(shí)診斷為正常狀態(tài)，一致時(shí)進(jìn)行下一步。
(d)如果方向相一致，計(jì)算當(dāng)前閥位與時(shí)間Δt前的閥位的差，即執(zhí)行器閥位的在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)的實(shí)際變化量D，就是求當(dāng)前閥位和以前一段計(jì)時(shí)時(shí)間段初始(0)的閥位差D＝Xn-X0。
(e)如實(shí)際變化量D小于設(shè)定的最小閥位變化量Dmin，則判斷執(zhí)行器發(fā)生故障。當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向一致且為正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器閥位的實(shí)際變化應(yīng)小于預(yù)定限即D＜Dmin(取Dmin＝0.5％)診斷為故障；當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向一致且為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器閥位的實(shí)際變化應(yīng)大于負(fù)的預(yù)定限即D＞-Dmin診斷為故障；否則診斷為正常狀態(tài)。
(f)將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，作為下次判斷的計(jì)算數(shù)據(jù)。將當(dāng)前閥位測量Xn和閥位給定Yn，以及計(jì)算的閥位偏差En進(jìn)行轉(zhuǎn)存為下一次故障診斷作準(zhǔn)備，方法是X1轉(zhuǎn)存到X0、X2轉(zhuǎn)存到X1、…、Xn轉(zhuǎn)存到Xn-1和Y1轉(zhuǎn)存到Y(jié)0、Y2轉(zhuǎn)存到Y(jié)1、…、Yn轉(zhuǎn)存到Y(jié)n-1，以及E1轉(zhuǎn)存到E0、E2轉(zhuǎn)存到E1、…、En轉(zhuǎn)存到En-1。
權(quán)利要求
1.執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于該方法包括以下步驟(a)測量當(dāng)前執(zhí)行器實(shí)際閥位和給定閥位，計(jì)算其偏差；(b)根據(jù)偏差判斷執(zhí)行器當(dāng)前應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向；(c)判斷執(zhí)行器在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向是否一致；(d)如果方向相一致，計(jì)算當(dāng)前閥位與時(shí)間Δt前的閥位的差，即執(zhí)行器閥位的在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)的實(shí)際變化量D；(e)如實(shí)際閥位變化量D小于設(shè)定的最小閥位變化量Dmin，則判斷執(zhí)行器發(fā)生故障；(f)將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存，作為下次判斷的計(jì)算數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(a)中所述的測量當(dāng)前實(shí)際閥位和給定閥位并計(jì)算其偏差，是指通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波與信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性化和歸一化處理，得到當(dāng)前閥位測量Xn和閥位給定Yn，并計(jì)算其閥位偏差En＝Y(jié)n-Xn。
3.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(b)中所述的判斷執(zhí)行器當(dāng)前應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向，是指當(dāng)前閥位偏差為正且大于偏差預(yù)定限即En＞Emin時(shí)執(zhí)行器應(yīng)正向運(yùn)動(dòng)，即向閥位增大的方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)前閥位偏差為負(fù)且絕對(duì)值大于偏差預(yù)定限即En＜-Emin時(shí)執(zhí)行器應(yīng)反向運(yùn)動(dòng)，即向閥位減小的方向運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(c)中所述的判斷執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向是否一致，是在過去一段計(jì)時(shí)時(shí)間段Δt內(nèi)，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的閥位偏差E0～En-1進(jìn)行判斷；以前時(shí)間段Δt內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)閥位偏差為正且大于偏差預(yù)定限，即E0～En-1＞Emin時(shí)執(zhí)行器以前應(yīng)正向運(yùn)動(dòng)；以前時(shí)間段Δt內(nèi)每個(gè)采樣點(diǎn)閥位偏差為負(fù)且絕對(duì)值大于偏差預(yù)定限，即E0～En-1＜-Emin時(shí)執(zhí)行器以前應(yīng)反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向不一致時(shí)診斷為正常狀態(tài)，一致時(shí)進(jìn)行下一步診斷。
5.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(d)中所述的計(jì)算當(dāng)前閥位與時(shí)間Δt前的閥位的差，是計(jì)算當(dāng)前閥位和時(shí)間段Δt前的初始(0)的閥位差D＝Xn-X0。
6.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(e)中，當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向一致且為正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器閥位的實(shí)際變化應(yīng)小于預(yù)定限即D＜Dmin診斷為故障；當(dāng)執(zhí)行器以前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向一致且為反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器閥位的實(shí)際變化應(yīng)大于負(fù)的預(yù)定限即D＞-Dmin診斷為故障；否則診斷為正常狀態(tài)。
7.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行器故障診斷方法，其特征在于步驟(f)中所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，是指將當(dāng)前閥位測量Xn和閥位給定Yn，以及計(jì)算的閥位偏差En進(jìn)行轉(zhuǎn)存為下一次故障診斷作準(zhǔn)備，方法是X1轉(zhuǎn)存到X0、X2轉(zhuǎn)存到X1、...、Xn轉(zhuǎn)存到Xn-1和Y1轉(zhuǎn)存到Y(jié)0、Y2轉(zhuǎn)存到Y(jié)1、...、Yn轉(zhuǎn)存到Y(jié)n-1，以及E1轉(zhuǎn)存到E0、E2轉(zhuǎn)存到E1、...、En轉(zhuǎn)存到En-1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種執(zhí)行器故障的診斷方法。目前執(zhí)行器故障是通過人工巡檢與定期檢查的，難以做到及時(shí)準(zhǔn)確和不遺漏。本發(fā)明方法的步驟是測量當(dāng)前實(shí)際閥位和給定閥位并計(jì)算其偏差；根據(jù)偏差判斷執(zhí)行器當(dāng)前應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向；判斷執(zhí)行器在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的方向與當(dāng)前應(yīng)該的運(yùn)動(dòng)方向是否一致；如果方向相一致，計(jì)算閥位的在設(shè)定的時(shí)間段Δt內(nèi)的實(shí)際變化量D；如實(shí)際閥位變化量D小于設(shè)定的最小閥位變化量Dmin，則判斷執(zhí)行器發(fā)生故障；將測量的當(dāng)前實(shí)際閥位進(jìn)行轉(zhuǎn)存，作為下次判斷的計(jì)算數(shù)據(jù)。本發(fā)明方法不直接測量各種可能的故障源，通過測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位，根據(jù)故障表現(xiàn)的結(jié)果即可診斷故障是否發(fā)生。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1851442SQ20061005084
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者尚群立 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)