基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪表系统故障诊断

邓 燕

（海洋石油工程股份有限公司）

目前，针对海洋石油平台的故障诊断技术多集中于起重设备、压缩机及平台结构等重要的机械设备或本体结构，往往忽略了仪表系统。 海洋石油平台仪表系统主要负责对工艺参数进行指示报警、分析处理及偏差调节等，关乎着整个平台的安全生产， 而且海洋石油平台发展的无人化、智能化也是建立在仪表系统实现高度自动化的基础之上，因此探讨海洋石油平台仪表系统的故障诊断技术具有重要的现实意义。

1 仪表系统故障类型及原因

海洋石油平台仪表系统由传感器 （如温度、压力、液位、流量传感器）、输入输出电路（模拟量、数字量）、逻辑控制器（如PLC）、终端元件、关断阀、电磁阀、电机及其他系统接口电路等组成。仪表系统故障一般包括系统故障和测量故障，故障发生的原因涉及面较广， 具有随机性和复杂性，主要包括工艺条件波动、现场环境影响、硬件及软件等原因。

2 模糊诊断技术

同一种故障的表征可能是由多种故障原因引起的，同一种故障的原因也会导致多种故障的表征， 各大主因下还可细分为很多次类原因，造成仪表系统的故障诊断问题庞大而繁杂，为此可以采用安全系统工程常用的分析方法——描述事故因果关系的故障树［1］。 通过建立海洋石油平台仪表系统的故障树，对现场发生的故障进行标记，通过与故障树对比，找出故障发生的底事件，再通过模糊控制方法建立感知环境、 融合信息、通信、规划决策的专家系统，探索一种仪表系统故障诊断方法——模糊诊断技术。

模糊诊断技术以模糊数学为基础，把模糊现象与因素间的关系采用数学表达式表述，采用数学方法计算并得到确定的答案［2］。 模糊控制能将海洋石油平台操作人员或维护人员的控制维护知识和经验表达成以语言变量描述的规则，用这些规则再去判断和控制系统。 合理选取特征量是故障诊断分析的第一步［3］，特征量筛选得越细越多，相应的诊断结果就越准确，但是故障诊断系统就越复杂，子模块就需要建立得更多，相互之间的逻辑关系建构工作量也就越大；特征量选取过少则难以建立和训练模型。 另外，特征量应根据仪表系统类型和特征量对诊断结果影响的权重进行选取，并综合考虑仪表设备在系统中的重要程度、本身的价值等因素，从而使得特征量的选取最为经济可靠。

3 模糊诊断技术在仪表系统故障诊断中的应用

根据某海洋石油平台液位计现场使用情况来看，液位计故障表征是液位显示值与实际液位值出现偏差，液位值变动的频率过高或过低（液位显示无变化、液位显示跳变、液位显示虚高、液位显示不稳定、液位无显示），故障的因素主要有数据传输故障、电缆老化、通信板烧损（设备硬件故障）、乳化层过厚（工艺影响）和电磁干扰（环境影响）。 通过建立图1所示的液位计故障树，确立输出量故障因素的模糊子集{U1、U2、U3、U4}，液位显示值偏差e，液位显示值偏差变化率Δe，液位波动频率ef，输入变量E［e，ef］。 实际应用中，液位计液位显示值偏差变化的实际范围就构成了e的基本论域，液位显示值在单位时间变动的次数就是ef的基本论域，基本论域内的量是精确量，但模糊控制算法需要模糊量，所以输入的精确量（数字量）需要转换为模糊量。 为了实现模糊化，需要在液位显示值偏差、液位波动频率与模糊量之间建立模糊关系， 并按表1确定论域中每个元素对各模糊语言变量的隶属度。

其中，rij∈［0，1］表示E与U之间的关系强度，rij越大，E与U之间的因果关系越强。 例如，从海洋石油平台仪表系统维保经验可以得出，导致液位值频繁波动的原因中电磁干扰是大概率事件，那么ef特征分布值和U4之间的r值应该就会比ef与U1、U2、U3之间的r值大； 同样如果液位值长期存在偏差，则乳化层过厚是大概率事件，那么e和ef的特征分布值与U3之间的r值应该就大于其他r值。通常，r值在0.8～1.0之间，表明故障原因存在；r值在0.6～0.8之间， 表明故障原因可能存在；r值在0.4～0.6之间， 表明故障原因不太可能存在；r值在0.2～0.4之间， 表明故障原因可能不存在；r值在0.0～0.2之间，表明故障原因不存在。

4 结束语

目前，海洋石油平台均已实现自动化，现场仪表大多属于智能仪表，基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪表系统故障诊断可以在不影响仪表和系统正常生产操作的情况下， 通过监测、分析传感器测量信号或控制器的输出反馈信号，及时发现仪表故障信息，快速准确判断出仪表系统故障原因。 在模糊控制模型越来越完善、数据库越来越丰富的基础上， 还可以实现故障的预发现、预处理。