基于双相干频谱分析的控制阀性能评估

２０１８年第１８卷第１期　安全技术　．　编辑李文波　基于双相干频谱分析的　控制阀性能评估　高新江，王春利，李传坤，韩华伟　（中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛２６６０７１）　摘　要：针对控制阀的故障识别，提出了基于　实际操作参数的双ｌ卡Ｈ　ｆ频谱分析，实现阀门的性　能评估。　双相干频谱分析的方法进行性能评估，通过采集　控制阀的实际开度值（ＯＰ）与实际输出值（ＰＶ）的　历史运行数据，运用双相干频谱分析方法，分析　ｅ　控制润性能评估技７　发展现状　（）Ｉ　值与ＰＶ值在频域上的差异，并形成了定量的　评估指标，实现控制阀控制性能的定量评估．．　目前，同内对控制阀性能评估研究还比较少，　所有的故障诊断软件和性能检测软件都被网外大　型公司所垄断　。像ＦＩＳＨＥＲ的ＦＩＥＬＤＶＵＥ　ＤＶＣ　系列和ＡＭＳ　ＶＡＬＶＥＩ　ＩＮＫ控制阀诊断软件、ＳＩＥ—　ＭＥＮＳ　ＳＩＰＡＲＴＰＳ３２系列、ＳＡＭＳＯＮ的ＥＸＰＥＲＴ　关键　：化工装置　控制阀　双相干谱　性　能评估　化丁装置的生产过程，主要通过调节现场的　控制阀来实现。控制阀是自动化控制系统中的执　行器，其应川质量反幢在系统的ｉ怙】节品质上　。　ｐｌｕｓ专家控制阀诊断软件、Ｍａｓｏｎｅｉｌａｎ的ＳＶＩ系列　和Ｖａｌｖｕｅ控制阀诊断软件等都是目前控制阀性能　评估与故障检测的佼佼者　。　控制阀性能评估的方法大致可以分为以下３　种　。　Ｔ、　ｆｊ动控制水平的提高，控制　已渗透到生产　Ｊ的每一个角落，它存稳定生产，优化控制，维护及　检修成本控制等方面部起着举足轻重的作用。控　制阀发生故障将导致装置操控性能恶化、装置性　能下降、能耗增加　．据报道，３０％的回路波动问题　是ｆｆ１阀门故障引起的　．　通常遇到的控制阀问题　大多为粘滞、死区、滞后等，这些故障的特点是导　致控制阀的输入和实际输ｆ｛Ｊ之间呈现非线性特　征，【六Ｊ此可以通过评价控制Ｉｉ＿！《Ｉ的输入和输　之间　的非线性程度来判断控制阀的件能，并以此评价　整个装置操控性能的健康状态　本文采用基于　ａ）基于物理模　的方法：通过数学模型的建　立来诠释系统的物理特性和失效模式的方法。　ｂ）基丁定性经验知识的方法：对于复杂控制　系统，当运行过程巾发生故障，通过故障征兆信息　收稿日期：２０１７．１０－２９　作者简介：高新江，工程师，２０１２年毕业于哈尔滨　工业大学自动化专业，现在中国石化安全工程研究　院从事石化装置异常工况监测方面的研究工作。　ＳＡＦＥＴＹ　ＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ　ｏ　安全、　健　境　。　奠　２０１８年第１８卷第１期　定　捕述也Ｉ１Ｊ　以　ｔ·）拭Ｊ：数　仃分析处　、　下完成性能　故障识别与检测　动的方法：对过程分析数据进　２．３皮尔逊积矩卡Ｈ关系数　在统训‘学中，皮尔逊秋　ｌ卡ｆＩ火系数（Ｐｅｒｕ·ＳＯｌ１　Ｉ）ｒｏｄｕｃｔ—ｎｌｏｌｎｅｎｔ　ＣＯＩ＇Ｉ　ｅｌａｔｉｏ￣１“　·ｉｍＩｔ）川于度　两　需要知道系统精确模型的情况　卡¨占文障诊断　个变量　和ｌ，之间的卡ＨＺ－（线　卡Ｈ天），其值介于　一埘比上述　干叶　厅法，实际巾很难获得能比较　精确地捕述埘象动态性能的数学模型，定性经验　分析！Ｊ！ＩＪ需　Ｋ　累Ｊ－｛的经验知识积累，而基于数　１与１之间。其巾，ｌ太，Ｊ　变Ｉ·ｌ　Ｌ　止相关，０表　『Ｉ然科学领域　示无关，一ｌ表示完全负相父、　巾，该系数广泛用ｆ度量两个变艟之间的相关程　据　动的＿厅法匝ＪＪｌＩ　‘便易实现　．　２　双檑平撷谱分析万法与定量评估　２．１　蚁谱的定义　没　（，　）　零均值、实数随机信号，则　（，　）的　‘１，介　卡Ｉｌ炎（　阶州　）定义为　：　Ｒ　（丁１．了＿　）＝Ｅｌ　（，ｚ）　（，７＋ｒ１）　（，　＋７－！）］　ｆ｛Ｉ：７－．，７＿　——随机ｆ１１，１￣：　剐单价　议　定义为　阶自相关的二维傅里叶变换：　（．，　＝Ｅ［Ａ（／　）ｘ（／　）ｘ（ｊ　＋．／　）］　式巾：　（．／‘）——参数数据序列　（ｎ）的傅　叶变　换　舣　谱，ｊ（　／　反应了参数信号成分彳Ｆ频率　．／　ｆｌＩｌ／　处的　线性卡¨互作川，其值　信弓‘系统的　非线性程度行火　２．２　双卞Ｈ｝：谱　双谱包含ｒ信　非对称、非线性的信息，可以　用来描述非线性卡Ｈ位耦合，但作为故障特征量，往　往效果小够好．　这是由于在角频率对（　，　）处　双谱评　值不仪取决于数据样本的长度，而且与　信号　角频牢　．，　，　＋　处的功率有关。　ｌｆ１ｉ将双瞒做归一·化处理得到双相干谱为　：　ｆ，　、　Ｉ　Ｂ（　ｌ，　２）Ｉ　。　一　Ｐ（　１）Ｐ（　２）Ｐ（　＋叫　）　式‘　：Ｐ（　１），Ｐ（∞　），Ｐ（　ｌ＋　２）——，　（１，１）的功率　仵山Ｉ，叫　，∞Ｉ＋０９１处的值。　双＿卡ｆ｛　卜ｉ｝孚的物理意义为角频率∞。与　！非线　性相位耦合产，｛　的能量在　。＋∞，处总能量巾所　【　的比例　、舣卡Ｈ｝　谱丽数的平方值在０，１之　间，定　描述了二次耦合的程度。当双相十谱函　数的平方值为Ｉ时，表示　＋　处的能量全部来　自ＬＯ。与　问的相位耦合，当其值为０时，表示不　存在相位耦合“　．　度　两个变量之问的皮尔逊卡｝Ｉ火系数定义为两个　变量之间的协方差和标准雄的商假设有两个变　、　，刀『５么两变量问的皮尔逊卡¨火系数町通过　以下公式计算：　！　二　二！：２　ｖ／∑（．　—　）！（１　—　）　式中：　Ｙ——变量，Ｙ的　均　；　变量’　的平均值　由于控制阀的实时没定ｆｆ｛（）｝】　ｊ实际输ｆｆｊ值　ＰＶ存在近似线性的物　特性，　定．、＇为实时设定　他ＯＰ的双相Ｉ　谱，　为实际输…ｆｆ【ＰＶ的双卡门一ｆ　谱，即可求得ＯＰ值　ＰＶ值　频域Ｌ的线性卡Ｈ火　伉。所以，可以定义皮尔逊　父Ｉ　卡ＩＩ炎系数作为控　制阀的性能评估指标　他　０～ｌ之间，值越　人，控制性能越好；值越小控制性能越差，可能仔　故障Ｊｘｌ险一　３控韦ＩＪ阀性能评估　３．１　实时数据的获取　通常，存石化装置生产过　ｆｆ『．各企业会建立　ｈ己的实时数据库，实现对各装　各参数的实Ｉｌ１『　运行数据的盱史存储，　提供棚腑的数采接口，供　其它信息化项目的调用　通常　业数据库数采　接口种类分为Ｉｆ）２ｌ、ＯＰＣＳｅｒｖｅ￣’、ＯＩ）ＢＣ、Ｗｅ１）Ｓｅｒｖｅｒ　等。本文以ＯＰＣＳｅｒｖｅｒ接ｒＩ方式，从实时数掂库中　获取某一控制阀的实际控制值（）Ｉ　孑实际输　值　ＰＶ，如图ｌ所示．．从罔ｌＩｆ　以彳亍ｆｌＩ＇当调节阀处　于手动调节时，ＯＰ值一股为　定　，ＰＶ值住相应　的固定值上下波动，　０Ｐ值变化时，ＰＶ应当立　跟随变化，并稳定在相应的输ｆｆＪ伉Ｊ　。　３．２基于ＭＡＴ［　ＡＢ的双卡Ｈ干　分析　ＭＡＴＬＡＢ带有高阶谱分析ｌ　箱，奉义主要　应用其中的ｂｉｓｐｅｃｄ函数进行双卡｝｛Ｆ谱分析　表达式如下：　２０１８年第１８卷第１期　安全技术　ｌ　１）ｓＩ　。ｗａｘｉｓ］＝ｂｉｓｐｅ（　（１（ｘ，ｎｆｆｔ，ｗｉｎｄ，ｓａｍｐ—　的频潜分布　本一致，存存一定的差异性　通过　ｓＰｇ，｛ｌ、’Ｐｒｌａｐ）　Ｊ＝ｌ：－１１：ｘ——时域　；　Ｉ１Ｉｎ——ＦＦ　的长度；　ｗ．１１ｌ１——Ｒａ　最优窗　数的Ｋ度；　ｓａ｜Ｔ１ｆ】一ｓＰｇ——每个分段的长度；　（）ｖ　ｒｌａｐ——每段重迭长度；　１）ｓｐｅ（·——等高线｛Ｊ１ｊ－示的直接法双谱；　Ｗａｘｉｓ——频率点　阵．　ｆ——ｏＦ　Ｌ＝：二　——斗　ｌ』一　　十　竹　１］　ｌｉＰ＇　囝１　位予的（）ｊ　与Ｉ）＼点行数椐　通过ＭＡ　ＦＩ　ＡＢ分析ＯＰ仉与ＰＶ值的双谱及　舣柑ｆ谱切片　，　２、图３，ｆ１『以看Ｈ１　ＯＰ俩与　ＰＶ　ｆＩｔ｛－的ｌＪＪ片　小一致，很难看｝十｛存在的差异　、　０　谱ｆ　ｉ．ｆ切片圆　ｊ　　１Ｔ　｝　『。　图２　（）ｌ，值的双谱与双相干谱切片图　１　　【［妾ｌ　３　值的双谱与双相干谱切片图　所以，需要埘０Ｉ　值与ＰＶ值进行双相十谱冈　分析，如图４、　５所示　可以看“：ＯＰ值与ＰＶ值　汁算ＯＰ值与ＰＶ值的双卡Ｈ十谱矩阵的皮尔逊积矩　相关系数可得０．７ｌ　１　９，接近于１，汪明ＯＰ值与ＰＶ　值的频域分布　本一致，控制阀控制良好　双相　营馅计二　等岛线　槲十漕估¨。瓣　３．５　３１　（）５。　ｆ　０　４　０　３　｛）３　２　５　０　２　＝０　２　警１　５　０　１　０．５　０　１　０　０　（｝（）　嘲５　值的双相干分斫　３．３特殊频谱的特征展示　为了，展　ＯＰ值　ＰＶ值的特殊双相ｒ谱，本　文选取了装置巾存在的两个控制阀控制一条管线　的例子进行分析，ｌ其ＯＰ值与ＰＶ值的运行数据如　６所示。通过ＯＰ值的ｆｆｆｆ线呵以看ｆ“两个控制　通常为一开一火，切换时川现全开状态。　∥ｓ　１　０　图６　并联控制阀的（）Ｊ’值与ｅ’＼债　分刖计算并绘制ＯＰ值与ＰＶ值的双卡Ｈ十谱，　如同７所示。可以看ｆ¨存仵一定的差异性，汁算　相关性系数可得０．３１２，趋向于０，控制阀ＯＰ值与　ＰＶ值性能评估较差。　计算并绘制图６绿色『ｘ：域段时问内某一控制　阀单独控制的ＯＰ值与ＰＶ值的双ｌ卡Ｈ十谱，如罔８　ｓＡＦＥＴＹ　ＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ　０　安全、　健康　境　安全技术　２０１８年第１８卷第１期　所示。计算相关系数为０．８８８　５，趋向于１，控制性　能良好。　双相干谱估计三维圈　ｌ０　为０．２３２　６，趋向于０，控制性能较差。南罔ｌ０可　以看出，双相十谱可以很好的展现ＯＰ值与ＰＶ值　双相干谱估计三维图　－ｌ０　在频域上存在的巨大差异。　曩幢千曹膏什．７．１ｔｌ　取格午■曾计三ｌｍ　０　０　孽０　Ｏ　（ａ）ＯＶＩＩ￣　（ｂ）ＰＶ值　围１　０　（）Ｉ’值与Ｉ’＼债的双　下鲁分ｊ　图７　ＯＰ值与１）Ｖ值的双相干谱分布　双相干谱估计三维图　１０　综上所述，可以通过计算ＯＰ值与ＰＶ值的双　双相干谱估计三维图　ｌＯ‘，　相干谱的相关系数，实现定量的控制性能评估。　相关系数趋向于１时，表示控制阀控制性能较好；　趋向于０时，则表示控制阀控制性能较差，需要进　８　６　譬４　２　行进一步分析。　●Ｊ｝ｌ●●１●●●●●●０　０　ｆ　■Ｌ●　基于双相干频谱分析的控制阀性能评估可以　通过实时获取各控制阀的运行数据，实现在线的　定量的控制性能评估，自动查找控制性能较差的　（ａ）ｏＰ值　（ｂ）ＰＶ值　控制阀，弥补操作人员不能实时分析控制阀性能　的不足。　８　ｆ）　健与　谴的双　子等分市　综上所述，两个独立控制性能良好的控制阀　进行并联控制时，产生的双相十谱存在较大差异。　主要因为并联控制阀进行控制切换时，如图６的　红色区域，带来了次生的干扰，不符合调节阀的流　量特性。同理当控制阀的性能下降时，其流量特　性也将随之改变，产生一定的干扰　素。应用双　相干谱分析可以很好地进行查找问题，并且本文　４　结论　本文针对控制阀的控制性能评估，提Ｈ　５了基　于双相干频谱分析的评估方法。结合控制阀实际　设定值ＯＰ与实际输出值ＰＶ的物理特性，提｝｝｛了　基于皮尔逊积矩相关系数的定量评估指标．　许采　集了实际运行装置某些控制阀的设定值与输Ｉ叶Ｊ值　的运行数据，运用ＭＡＴＬＡＢ高阶谱］　具箱，进行双　谱与双相干谱分析，对比正常与异常状态下的频谱　分布状况，计算ｍ相应的性能指标，验证了陔方法的　正确性与实用性。该方法能够准确的评估ｍ控制阀　的控制性能，可实现在线的控制性能评估，异常状态　给　了量化的性能评估指标，可以定量评估控制　阀的性能　３．４异常状态情况下的双相十谱分析　如罔９所示，取白一段控制阀调节存在异常　情况下ＯＰ值与ＰＶ值的历史趋势。ｎ丁以看　，ＯＰ　值与ＰＶ值在总体趋势上基本一致，但存在细微的　区　４，难以定量化地分析该控制阀的控制性能。　及时推送给操作人员，具有实际应用价值。　５　参考文献　［１］　李自皋．浅谈控制阀的选型与使川［Ｊ］．石油化　动化，２００８，３（１６）：６４—６９．　［２］　ＢＩＡＬＫＯＷＳＫＩ　ＷＬ．Ｄｚ’ｅａｌｌＩｓ　ｖｅｒｓｕｓ　ｒｅａｌｉｔｙ：ａ　ｖｉｅｗ　ｆｒｏｍ　ｂｏｔｈ　ｓｉｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇａｐ：ｍａｎｕｆａｃｔｍ’ｉｎｇ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔ／ｓ　ｃｏｍｅ　ｏｎｌｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，Ｐ［Ｊ］．　Ｐｕｌｐ＆Ｐａｐｅｒ　Ｃａｎａｄａ，１９９３，９４（１　１）：２８３—２９４．　９　，奇入许出压力变亿的（）Ｉ’值与ｌ’＼值　计算并绘制该段时间内该控制阀的ＯＰ值与　ＰＶ值的双相干谱，如图１０所示。计算相关系数　［３］　曹稼斌，郑建荣，夏春明，等。基于数据驱动的大型化　装置健康评估与故障源诊断［Ｊ】．汁算机集成制造　０　ＳＡＦＥＴＹ　ＨＥＡＬＴＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ　２０１８年第１８卷第１期　高新江，等．基于取相干频谱分析的控制阔性能评估　安全技术　系统，２０１３，１９（５）：１０８６—１０９２．　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖａｌｖｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏＨ　Ｂｉｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　［４］　王少杰．控制阀性能评估系统的研究［Ｄ］．杭州：浙　江工业大学，２０１５：２０—２２．　［５］　丁峥．控制阀状态监测与故障诊断系统的开发［Ｄ］．　杭州：杭州电子科技大学，２０１５：１５—１９．　Ｇａｏ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｃｈｕｎｌｉ，Ｌｉ　Ｃｈｕａｎｋｕｎ，　Ｈａｎ　Ｈｕａｗｅｉ　［６］　李佳蒋．控制阀性能评估和故障诊断的研究［Ｄ］．杭　州：杭州电子科技大学，２０１５：２５—２７．　［７］ＳＨＯＵＫＡＴ　ＣＨＯＵＨＵＲＹ　Ｍ　Ａ　Ａ，ＳＨＡＨ　Ｓ　Ｌ．ＴＨＯＲＮ．　ＨＩＬＬ　Ｎ　Ｆ．Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｐｏｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ—ｌｏｏｐ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　（ＳＩＮＯＰＥＣ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ，２６６０７　１）　Ａｂｓ．ｑ－ｑｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｉｐｈａｓｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａ－　ｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ．Ｂｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｈｉｇｈｅｒ—ｏｒｄｅｒ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，２００４，　４０（１０）：１７１９—１７２８．　［８］　ＺＡＮＧ　Ｘ　Ｙ，ＨＯＷＥＬ　Ｊ．Ｉｓｏｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆｗｈｏｌｅ　ｐｌａｎｔ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｂｉ—ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｒａｔｉｏ　ａｎｔ＠ｓｉｓ［Ｊ］．Ｃｏｎ—　ｔｏｌｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ，２００７，１５（１）：６９—７６．　ｄａｔａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｖａｌｕｅ（ＯＰ）ａｎｄ　ａｃｔｕａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖａｌｕｅ（ＰＶ）ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ，ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ＯＰ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ＰＶ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ，ａｎｄ￣ｒｍｅｄ　ａ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　［９］　吴文兵，黄宜坚，陈文芗．基于双相干谱的减压阀故　障诊断［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１１，１９（１０）：２４１３　—２４１６．　［１０］胡全．基于双相干谱的电机轴承故障检测方法研究　［Ｄ］．大连海事大学，２０１１：３０—３２．　［１１］苏岳龙，于凤琴，马天明．化工企业实时数据库系统　标准编制和装置ＫＰＩ设计标准化［Ｃ］．中国标准化　论坛，２０１４．　ｆＯ－３＇１．９０５＂ｄｓ：ｅｈｅｍｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｖａｌｖｅ；ｄｏｕｂｌｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ＳＡＦＥＴＹ　ＨＥＡＬＴｌＨ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴ　雹