一种DCS测点冗余容错及故障识别方法与流程

本发明属于dcs故障检测，具体的说是一种dcs测点冗余容错及故障识别方法。

背景技术：

1、分散控制系统（dcs）是电力、石油、化工、冶金等流程工业中广泛采用的核心自动化控制系统。dcs系统通过大量的输入/输出（i/o）测点采集现场仪表和传感器的信号，实现对生产过程的全方位监视与控制。由于工业现场环境复杂恶劣，测点信号在采集、传输和处理过程中容易受到各种干扰和故障的影响，导致测量数据不准确甚至完全失效，进而可能引发控制偏差、设备误动作甚至生产安全事故。

2、为提高dcs系统的可靠性，现有技术中普遍采用冗余配置方案。对于关键工艺参数和重要保护信号，通常配置两个或三个冗余测点，通过冗余测点之间的相互校验和表决来提升测量结果的可靠性。目前主流的冗余处理方法包括“三取二”逻辑判断和“三取中”数值选择等。“三取二”方法主要适用于开关量信号，三个冗余信号中有两个及以上满足条件即判定条件成立；“三取中”方法适用于模拟量信号，从三个冗余测量值中选取中间值作为最终输出。然而，现有冗余处理方法存在以下不足：

3、第一，现有的冗余表决方法对各个冗余测点采用等权重处理，未能充分考虑各测点实际信号质量的差异，当某个测点出现部分性能退化但尚未完全失效时，该测点的不可靠数据仍然以与正常测点相同的权重参与表决，可能污染最终的融合结果。

4、第二，现有方法对测点故障的识别较为粗放，主要依赖简单的超限判断或通道自检，缺乏对测点信号多维度特征的综合分析能力，难以对测点的早期劣化趋势进行有效预警。

5、第三，现有方法在测点故障后的冗余切换策略较为固化，切换条件单一，无法根据各测点的实时健康状态进行动态、精细化的容错处理。

6、第四，现有方法中模拟量测点和开关量测点的冗余处理逻辑相互独立，缺乏统一的、可扩展的冗余容错框架。

7、针对上述问题，亟需一种能够对冗余测点进行精细化质量评估、多维度故障识别和动态容错处理的dcs测点冗余容错及故障识别方法。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术的不足，解决背景技术中所提出的至少一个技术问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，包括以下步骤：

3、s1、信号采集与质量状态获取。

4、对dcs中各测点的信号进行实时采集，获取每个测点的测量值及对应的质量状态信息。

5、具体地，dcs控制器按照预设的采样周期对各i/o卡件通道上的测点信号进行周期性扫描采集。采集到的原始信号经过模数转换后得到测点的测量值。

6、优选地，采集过程还获取每个测点的质量状态信息。质量状态信息包括：测点通信状态、测点数据校验状态、测点信号幅值状态和测点信号变化率状态。

7、测点通信状态用于指示测点与dcs控制器之间的通信链路是否正常，当通信链路正常时，测点能够按照预设周期向控制器上报数据；当通信链路异常时，控制器无法在规定的超时时间内接收到测点数据。

8、测点数据校验状态用于指示测点数据帧的循环冗余校验是否通过，数据帧在传输过程中若发生误码，校验将失败。

9、测点信号幅值状态用于指示测点测量值是否处于预设的量程范围内，超出量程通常表明传感器或信号调理电路存在异常。

10、测点信号变化率状态用于指示测点测量值的变化率是否超过预设的变化率阈值，变化率异常往往预示着信号跳变或传感器响应异常。

11、s2、测点信号质量评估。根据各测点的质量状态信息，对每个测点的信号质量进行评估，生成各测点的质量评估系数。质量评估是对测点信号可靠性的量化表征。本发明从多个维度综合评估测点的信号质量。质量评估是对测点信号可靠性的量化表征。本发明从多个维度综合评估测点的信号质量。对于第i个测点，其质量评估系数按照以下方式确定：

12、其中，为测点i的信号完整性系数，为测点i的时延稳定性系数，为测点i的历史可靠性系数；α、β、γ为对应的权重系数，且α+β+γ=1，α、β、γ的取值范围均为[0,1]。信号完整性系数根据测点数据帧的校验结果确定。具体而言，在预设的时间窗口内，统计测点i成功通过校验的数据帧数量与总接收数据帧数量的比值，该比值即为。越接近1，表明测点数据传输的完整性越好。时延稳定性系数根据测点信号的实际到达时间与预期到达时间的偏差确定。具体而言，在预设的时间窗口内，统计测点i各次信号实际到达时间与预期到达时间之间的偏差，计算偏差的倒数并归一化处理后得到。越接近1，表明测点信号传输的时延越稳定。历史可靠性系数根据测点在过去预设时间段内的故障次数与总采样次数的比值确定。具体而言，，其中为测点i在过去预设时间段内发生故障的次数，为总采样次数。

13、s3、数据一致性检验。对属于同一冗余组的多个测点的测量值进行数据一致性检验，计算各测点测量值之间的偏差量。在实际工业现场中，同一工艺参数通常配置多个冗余测点，这些测点安装在同一工艺位置或相近位置，理论上其测量值应保持高度一致。当某个测点的测量值明显偏离其他冗余测点的测量值时，该测点可能存在故障。对于包含n个测点的冗余组，各测点测量值之间的偏差量按照以下方式确定：其中，为第i个测点的测量值，为第j个测点的测量值，为测点i与测点j之间的偏差量。冗余组内各测点的平均偏差量按照以下方式确定：

14、其中，为测点i相对于冗余组内其他测点的平均偏差量。越大，表明测点i的测量值与其他测点的偏离程度越大，其数据可靠性越低。

15、s4、综合可信度权值确定。根据各测点的质量评估系数和所述偏差量，确定各测点的综合可信度权值。综合可信度权值的确定综合考虑了测点自身的信号质量和测点相对于冗余组内其他测点的数据一致性。测点i的综合可信度权值按照以下方式确定：

16、其中，为测点i的质量评估系数，为测点i的平均偏差量，λ为偏差惩罚系数，λ＞0。该公式的含义为：测点的综合可信度与其自身质量评估系数成正比，与其相对于其他测点的偏差程度成反比，当测点的测量值偏离冗余组内其他测点越多时，其综合可信度受到的惩罚越大。对各测点的综合可信度权值进行归一化处理：其中，为归一化后的综合可信度权值，n为冗余组内测点总数，且。归一化处理确保了所有测点的权值之和为1，便于后续的加权融合计算。

17、s5、加权融合输出。基于各测点的综合可信度权值，对冗余组内各测点的测量值进行加权融合，生成冗余组的融合输出值。冗余组的融合输出值按照以下方式确定：

18、其中，为第i个测点的测量值，为测点i归一化后的综合可信度权值，n为冗余组内测点总数。相比于传统的“三取中”方法仅选用单一测点的测量值作为输出，加权融合方法综合利用了冗余组内所有测点的信息，且各测点的贡献度根据其实时可信度动态调整。当某个测点的可信度降低时，其对融合输出的影响自动减小，从而有效抑制了故障测点对输出结果的污染。s6、故障类型识别。

19、根据各测点的质量评估系数、平均偏差量及测点的历史状态数据，识别各测点的故障类型。

20、本发明将测点故障细分为以下五种类型：

21、信号缺失故障：当测点的信号完整性系数低于第一阈值时，表明测点数据无法正常到达控制器，判定为信号缺失故障。信号缺失故障通常由通信链路中断、i/o卡件故障或传感器电源失效等原因引起。信号偏差故障：当测点的平均偏差量大于第二阈值且质量评估系数大于第三阈值时，判定为信号偏差故障。这种情况下，测点自身信号完整性尚可（较高），但其测量值持续偏离其他冗余测点，表明该测点的传感器或信号调理电路可能存在零漂、增益变化等校准偏差问题。信号跳变故障：当测点在连续两个采样周期内的测量值变化量大于第四阈值时，判定为信号跳变故障。信号跳变故障通常由电磁干扰、连接器接触不良或传感器偶发性故障引起，其特征是测量值在极短时间内发生大幅突变。信号饱和故障：当测点的测量值持续处于预设上限值或预设下限值附近预设范围内时，判定为信号饱和故障。信号饱和故障通常由传感器量程选择不当、传感器损坏或信号调理电路饱和引起。信号噪声异常故障：当测点的测量值在预设时间段内的方差大于第五阈值时，判定为信号噪声异常故障。信号噪声异常故障通常由电磁干扰加剧、传感器老化或接地不良引起，其特征是测量值的随机波动幅度显著增大。

22、上述各阈值至可根据不同工业现场的实际工况和测点类型进行整定和优化。

23、优选地，还根据各测点的故障类型生成故障诊断记录。故障诊断记录包括：故障测点标识、故障类型、故障发生时间、故障持续时长和故障等级。

24、故障等级根据测点的综合可信度权值和故障类型的严重程度综合确定，分为一级故障、二级故障和三级故障，其中一级故障的严重程度最高，三级故障的严重程度最低。故障诊断记录的生成便于运维人员及时掌握各测点的健康状态，并为后续的预防性维护提供数据支撑。

25、s7、冗余切换与故障隔离。

26、根据所述故障类型和综合可信度权值，执行测点冗余切换和故障隔离操作。

27、具体地，当冗余组内某一测点的综合可信度权值小于第六阈值时，表明该测点的可信度已降至不可接受的水平，将该测点标记为不可用测点，执行故障隔离操作，将该测点的测量值排除出融合计算。故障隔离后，该测点的数据不再参与后续的加权融合，从而避免低质量数据对融合结果的污染。

28、当冗余组内被标记为不可用测点的数量达到预设数量时，表明当前冗余组的大部分测点均已失效，触发冗余切换操作，将当前冗余组切换至备用冗余组。备用冗余组可以是同一工艺参数的另一组冗余测点（例如安装在不同物理位置的冗余传感器组），也可以是同一测点组的备用i/o通道。

29、当冗余组内所有测点的综合可信度权值均小于第六阈值时，判定该冗余组整体失效，输出故障报警信号并切换至预设安全值输出。预设安全值根据具体工艺要求预先设定，通常选择能够使被控对象趋向安全状态的数值。

30、本发明的有益效果如下：1.本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，通过引入质量评估系数和综合可信度权值，实现了对冗余测点信号质量的多维度精细化评估，克服了现有技术中等权重处理的缺陷，使高质量测点在融合输出中占据更大权重、低质量测点的负面影响被有效抑制。

31、2.本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，将测点故障细分为信号缺失、信号偏差、信号跳变、信号饱和和信号噪声异常五种类型，通过多维度特征进行综合判别，实现了对测点故障的精细化识别，有助于运维人员准确定位故障原因。

32、3.本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，基于综合可信度权值进行动态的故障隔离和冗余切换，切换条件根据各测点的实时健康状态自适应调整，相比于现有技术中固化单一阈值的切换策略，具有更高的灵活性和可靠性。

33、4.本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，通过综合可信度权值的动态更新机制，使各测点的权值能够随信号质量的变化平滑调整，既保证了系统对测点状态变化的快速响应，又避免了融合输出的剧烈波动。

34、5.本发明所述的一种dcs测点冗余容错及故障识别方法，提供了统一的冗余容错框架，可同时适用于模拟量测点和开关量测点，具有良好的通用性和可扩展性。