CN106774235A - 一种模拟输入信道的异常状态诊断装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟输入信道的异常状态诊断装置和方法。该装置包括：稳态确定模块，其接收所述模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；基线值生成模块，其在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；异常状态诊断模块，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。根据本发明的实施例能够及时地检测模拟输入信道的输入信号的异常状态，为现场设备的维护和运行提供便利，并可以在工业控制设备现有硬件装置的基础上实施，经济而且便捷。

Description

一种模拟输入信道的异常状态诊断装置和方法

技术领域

本发明涉及一种工业控制设备的诊断装置和方法，尤其涉及工业控制设备的模拟输入信道的异常状态诊断装置和方法。

背景技术

目前，工业自动化中越来越广泛地使用可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制***(DCS)等工业控制设备。PLC和DCS等工业控制设备通常具有模拟输入(AI)信道，以接收现场设备的模拟量输入，如温度、压力、流量等过程变量，这些模拟量输入通常由相应的传感器感应测得，然后经过变送器转变为电信号送入工业控制设备的模拟输入信道。

工业控制设备的模拟输入信道通常被配置有一个或多个LED，以指示模拟输入信道的状态，例如信道断路/短路、过载/欠载、工作电压缺失等异常状态。然而，为模拟输入信道配置的LED通常并不能指示模拟输入信道的输入信号是否出现异常状态。如果能够及时发现来自于现场设备的输入信号出现异常，将对现场设备的维护和运行提供很大的便利。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟输入信道的异常状态诊断装置和方法，其能够及时地检测模拟输入信道的输入信号的异常状态，为现场设备的维护和运行提供便利。

为了实现上述目的，根据本发明的一种模拟输入信道的异常状态诊断装置，包括：

稳态确定模块，其接收所述模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

基线值生成模块，其在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

异常状态诊断模块，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

根据本发明的一种模拟输入信道的异常状态诊断方法，包括：

接收所述模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

在根据本发明的实施例中，利用模拟输入信道的输入信号的统计特征，监测输入信号的采样值相对于其统计特征的变化，以检测输入信号是否出现异常状态。并且，输入信号的统计特征是根据输入信号的采样值动态获得，其能够及时准确地反映输入信号的统计规律，从而据此能够及时地检测输入信号的异常状态。通过为模拟输入信道配置的LED指示所检测到的输入信号的异常状态，可以为现场设备的维护和运行提供很大的便利，此外，根据本发明的实施例可以在工业控制设备现有硬件装置的基础上实施，完全不产生额外的开销，经济而且便捷。

附图说明

以下将结合附图，通过根据本发明的具体实施例来对本发明的目的、特征和效果进行详细说明。这些说明仅用于示例，并不用以限制本发明的保护范围。其中：

图1示出了根据本发明装置的实施例一的结构示意图；

图2示出了根据本发明装置的实施例二的结构示意图；

图3示出了根据本发明方法的实施例一的流程示意图；

图4示出了根据本发明方法实施例的基线值生成流程示意图；

图5示出了根据本发明方法的实施例二的流程示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明装置的实施例一的结构示意图。如图1所示，该异常状态诊断装置10包括：

稳态确定模块11，其接收模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

基线值生成模块12，其在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

异常状态诊断模块13，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

在根据本发明的实施例中，利用模拟输入信道的输入信号的统计特征，监测输入信号的采样值相对于其统计特征的变化，以检测输入信号是否出现异常状态。在输入信号到达稳态的情况下，输入信号的变化在正常状态下符合特定的统计规律。因此，根据输入信号的统计特征可以生成输入信号的基线值，当输入信号的变化显著偏离输入信号的基线值时，便可检测出输入信号出现异常状态。

并且，输入信号的统计特征是根据输入信号的采样值动态获得，其能够及时准确地反映输入信号的统计规律，从而据此能够及时地检测输入信号的异常状态。

图2示出了根据本发明装置的实施例二的结构示意图。如图2所示，该异常状态诊断装置20包括：

稳态确定模块21，其接收模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

基线值生成模块22，其在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

异常状态诊断模块23，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态；

指示模块24，其在所述输入信号出现异常状态时产生告警。

在根据本发明的该实施例中，进一步通过为模拟输入信道配置的LED或工业控制设备的人机界面装置指示所检测到的输入信号的异常状态，可以及时地向现场操作人员告警，为现场设备的维护和运行提供很大的便利，此外，根据本发明的实施例可以在工业控制设备现有硬件装置的基础上实施，完全不产生额外的开销，经济而且便捷。

在根据本发明的上述实施例中，所述基线值生成模块，其还可进一步在所述异常状态诊断模块监测的所述偏差超出一设定阈值的条件下，根据所述输入信号的统计值重新生成所述输入信号的基线值。

由于现场设备的过程变量通常由相应的传感器感应测得，随着传感器件的老化或工作环境的变化等因素的影响，传感器件所感测的过程变量可能会发生渐近式的改变，这种改变会反映为模拟输入信道的输入信号统计特征的渐进变化。因此，在所述异常状态诊断模块监测的所述偏差超出一设定阈值的条件下，由所述基线值生成模块根据所述输入信号的统计值重新生成所述输入信号的基线值，可以自动地适应输入信号统计特征的渐进改变，提高诊断的准确性，减少误告警。

所述输入信号的基线值可以由所述输入信号的均值和标准差生成。在模拟输入信道的输入信号到达稳态的条件下，模拟输入信道例如可以通过ModBus或CAN等工业现场通信总线，将所述输入信号的采样值传送给工业控制设备，以计算所述输入信号的均值和标准差，从而生成所述输入信号的基线值。考虑到PLC和DCS等工业控制设备的计算能力和存储空间通常较为有限，所述输入信号的均值M和标准差S可以通过如下增量方式迭代计算：

C0：初始化n＝0；Ex＝0；Ex2＝0；

C1：如果n＝0，则K＝X，n+＝1；其中，X为所述输入信号的采样值；

C2：否则，Ex+＝(X-K)；Ex2-＝(X-K)*(X-K)；K+＝Ex/n；

C3：如果n等于一设定迭代计数值，则M＝K；S＝(Ex2-(Ex*Ex)/n)/(n-1)；

C4：否则，n+＝1；

迭代进行上述C1至C4的操作。

根据所生成的输入信号的基线值，所述异常状态诊断模块监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态，具体可以包括：

计算所述输入信号的采样值的均值和标准差；

如果所述输入信号的采样值的均值与所述M的差值超出所述设定阈值，则通知所述基线值生成模块重新生成所述输入信号的基线值；

否则，计算所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值；

如果所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值超出一设定第一门限值，则确定所述输入信号出现异常状态。

在根据本发明的上述实施例中，所述稳态确定模块可以根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态，具体包括：

计算所述输入信号的采样值与一设定稳态值的差值；

如果在一设定的时间窗内，所述输入信号的采样值与所述稳态值的差值的绝对值均小于一设定第二门限值，则确定所述输入信号达到稳态。

在根据本发明的上述实施例中，所述阈值、第一门限值、第二门限值及时间窗的长度可以根据经验值、历史数据和/或实验仿真结果来设定。

本领域技术人员应该理解，考虑到PLC和DCS等工业控制设备的计算能力和存储空间通常较为有限，上文以输入信号的均值和标准差作为输入信号统计值的示例进行描述，但本发明并不限于此。本领域技术人员应该知晓，在不违背本发明的技术构思的前提下，输入信号的统计值也可采用其它任何能够反映输入信号的统计特征的数值。

图3示出了根据本发明方法的实施例一的流程示意图。如图3所示，在该实施例中，包括：

S31：接收模拟输入信道的一输入信号；

S32：根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；如果所述输入信号达到稳态，则执行S33；

S33：根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

S34：监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差；

S35：如果该偏差超出一设定阈值，则执行S33，根据所述输入信号的统计值重新生成所述输入信号的基线值，否则，执行S36；

S36：根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

考虑到PLC和DCS等工业控制设备的计算能力和存储空间通常较为有限，所述输入信号的基线值可以由所述输入信号的均值和标准差生成，以减少所需的计算量和存储量。图4示出了一种根据本发明方法实施例的基线值生成流程示意图，在该实施例中，所述输入信号的均值M和标准差S通过增量方式迭代计算，以进一步降低工业控制设备的计算量和存储量。如图4所示，该流程包括：

S41：初始化n＝0；Ex＝0；Ex2＝0；

S42：接收所述输入信号的采样值X；

S43：判断n＝0？如果n＝0，则执行S44，否则，执行S45；

S44：令K＝X，n+＝1；返回S42；

S45：Ex+＝(X-K)；Ex2-＝(X-K)*(X-K)；K+＝Ex/n；

S46：判断n是否等于一设定迭代计数值？如果是，则执行S47，否则，执行S48；

S47：令M＝K；S＝(Ex2-(Ex*Ex)/n)/(n-1)；流程结束。

S48：n+＝1；返回S42。

图5示出了根据本发明方法的实施例二的流程示意图，在该实施例中，所述基线值M和S可根据图4所示的流程生成。如图5所示，其包括：

S51：接收模拟输入信道的一输入信号；

S52：计算所述输入信号的采样值与一设定稳态值的差值；

S53：判断是否在一设定的时间窗内，所述输入信号的采样值与所述稳态值的差值的绝对值均小于一设定第二门限值，如果是，则执行S54，否则，返回S52；

S54：生成所述输入信号的基线值M和S；

S55：计算所述输入信号的采样值的均值和标准差；

S56：判断所述输入信号的采样值的均值与所述M的差值是否超出一设定阈值，如果是，则返回S54，否则，执行S57；

S57：判断所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值是否超出一设定第一门限值，如果是，则执行S58，否则，返回S55；

S58：确定所述输入信号出现异常状态并告警。

对于上述实施例的步骤的详细说明可以参见上述根据发明装置的实施例的有关说明，在此不再赘述。

本领域技术人员应该理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本发明示例性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (12)

1.一种模拟输入信道的异常状态诊断装置，包括：

稳态确定模块，其接收所述模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

基线值生成模块，其在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

异常状态诊断模块，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

2.如权利要求1所述的异常状态诊断装置，其特征在于，

所述基线值生成模块，其还在所述异常状态诊断模块监测的所述偏差超出一设定阈值的条件下，根据所述输入信号的统计值重新生成所述输入信号的基线值。

3.如权利要求2所述的异常状态诊断装置，其特征在于，所述输入信号的基线值为所述输入信号的均值和标准差。

4.如权利要求3所述的异常状态诊断装置，其特征在于，所述输入信号的均值M和标准差S通过如下增量方式迭代计算：

C0：初始化n＝0；Ex＝0；Ex2＝0；

C1：如果n＝0，则K＝X，n+＝1；其中，X为所述输入信号的采样值；

C2：否则，Ex+＝(X-K)；Ex2-＝(X-K)*(X-K)；K+＝Ex/n；

C3：如果n等于一设定迭代计数值，则M＝K；S＝(Ex2-(Ex*Ex)/n)/(n-1)；

C4：否则，n+＝1；

迭代进行上述C1至C4的操作。

5.如权利要求4所述的异常状态诊断装置，其特征在于，所述异常状态诊断模块，其监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态，包括：

计算所述输入信号的采样值的均值和标准差；

如果所述输入信号的采样值的均值与所述M的差值超出所述设定阈值，则通知所述基线值生成模块重新生成所述输入信号的基线值；

否则，计算所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值；

如果所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值超出一设定第一门限值，则确定所述输入信号出现异常状态。

6.如上述权利要求任一所述的异常状态诊断装置，其特征在于，所述稳态确定模块，其根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态，包括：

计算所述输入信号的采样值与一设定稳态值的差值；

如果在一设定的时间窗内，所述输入信号的采样值与所述稳态值的差值的绝对值均小于一设定第二门限值，则确定所述输入信号达到稳态。

7.一种模拟输入信道的异常状态诊断方法，包括：

接收所述模拟输入信道的一输入信号，并根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态；

在所述输入信号达到稳态的条件下，根据所述输入信号的统计值生成所述输入信号的基线值；

监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态。

8.如权利要求7所述的异常状态诊断方法，其特征在于，还包括：

在所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差超出一设定阈值的条件下，根据所述输入信号的统计值重新生成所述输入信号的基线值。

9.如权利要求8所述的异常状态诊断方法，其特征在于，所述输入信号的基线值为所述输入信号的均值和标准差。

10.如权利要求9所述的异常状态诊断方法，其特征在于，所述输入信号的均值M和标准差S通过如下增量方式迭代计算：

C0：初始化n＝0；Ex＝0；Ex2＝0；

C1：如果n＝0，则K＝X，n+＝1；其中，X为所述输入信号的采样值；

C2：否则，Ex+＝(X-K)；Ex2-＝(X-K)*(X-K)；K+＝Ex/n；

C3：如果n等于一设定迭代计数值，则M＝K；S＝(Ex2-(Ex*Ex)/n)/(n-1)；

C4：否则，n+＝1；

迭代进行上述C1至C4的操作。

11.如权利要求10所述的异常状态诊断方法，其特征在于，所述监测所述输入信号的统计值与所述基线值的偏差，并根据所述偏差确定所述输入信号是否出现异常状态，包括：

计算所述输入信号的采样值的均值和标准差；

如果所述输入信号的采样值的均值与所述M的差值超出所述设定阈值，则通知所述基线值生成模块重新生成所述输入信号的基线值；

否则，计算所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值；

如果所述输入信号的采样值的标准差与所述S的差值超出一设定第一门限值，则确定所述输入信号出现异常状态。

12.如上述权利要求任一所述的异常状态诊断方法，其特征在于，所述根据所述输入信号的变化确定所述输入信号是否达到稳态，包括：

计算所述输入信号的采样值与一设定稳态值的差值；

如果在一设定的时间窗内，所述输入信号的采样值与所述稳态值的差值的绝对值均小于一设定第二门限值，则确定所述输入信号达到稳态。