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基于模糊診斷技術(shù)的海洋石油平臺儀表系統(tǒng)故障診斷方法分析

文檔作者：周彥波文檔來源：中海石油深海開發(fā)有限公司		更新日期： 2026年05月17日	點擊數(shù)：
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工程設(shè)備與材料
96
2023 年 第01 期 總第129 期 工程技術(shù)研究
基于模糊診斷技術(shù)的海洋石油平臺儀表系統(tǒng)故障診斷
方法分析
周彥波
中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518066
摘要：海上環(huán)境較為復(fù)雜，容易受到磁場及天氣因素
的影響，而海洋石油平臺儀表控制的對象較為復(fù)雜，
儀表系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障。儀表系統(tǒng)出現(xiàn)的故障類型多
樣，且原因較為復(fù)雜，應(yīng)采用科學(xué)的技術(shù)提高海洋石
油平臺儀表系統(tǒng)故障診斷準(zhǔn)確率。為加強(qiáng)對海洋石油
平臺儀表系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的認(rèn)識，文章以海洋石油
平臺儀表調(diào)試工作的重要性為切入點，并介紹海洋石
油平臺儀表系統(tǒng)常見故障，接著闡述模糊診斷技術(shù)的
原理，最后探究基于模糊診斷技術(shù)的海洋石油平臺儀
表系統(tǒng)故障診斷方法，以供參考。
關(guān)鍵詞：儀表系統(tǒng)；故障診斷；海洋石油；故障樹
Abstract: The offshore environment is complex and vulnerable
to the influence of magnetic field and weather factors,
while the instrument control object of offshore oil platform
is complex, and the instrument system is prone to failure.
The fault types of the instrument system are diverse and the
causes are complex. Scientific technology should be used to
improve the fault diagnosis accuracy of instrument system
in offshore oil platform. In order to strengthen the understanding
of fault diagnosis technology for instrument system
of offshore oil platform, this paper takes the importance of
instrument debugging of offshore oil platform as the starting
point, introduces the common faults of instrument system in
offshore oil platform, then expounds the principle of fuzzy
diagnosis technology, and finally explores the fault diagnosis
method of instrument system in offshore oil platform based
on fuzzy diagnosis technology for reference.
Analysis of Fault Diagnosis Method for Instrument System of Offshore Oil Platform
Based on Fuzzy Diagnosis Technology
ZHOU Yanbo
CNOOC Deep Sea Development Co., Ltd., Shenzhen 518066, Guangdong, China
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2023.01.028 .
作者簡介： 周彥波，男，本科，工程師，研究方向為海洋油氣生產(chǎn)設(shè)
施設(shè)備檢驗及檢測。
1 儀表調(diào)試工作的重要性
海上石油資源的開發(fā)不僅能夠減少石油開采對陸
地環(huán)境的影響，還能夠有效保證我國工業(yè)的正常運轉(zhuǎn)，
推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。建設(shè)海洋石油平臺能夠有效提高石油
勘探和開采的效率，而對于海洋石油平臺而言，儀表
系統(tǒng)是重要的組成部分，其作用相當(dāng)于人類的“中樞
系統(tǒng)”，只有在前期做好儀表系統(tǒng)的調(diào)試，才會讓整個
海洋石油平臺上的各個設(shè)備系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行作業(yè)。
相反，如果儀表前期調(diào)試工作存在問題，不僅會增加
系統(tǒng)及平臺維護(hù)和修理的成本，還會對海洋的生態(tài)環(huán)
境及生物的多樣性造成惡劣的影響。因而，必須正確
認(rèn)識儀表調(diào)試工作的重要性和必要性，統(tǒng)籌規(guī)劃，在
調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和解決問題，并且要加強(qiáng)經(jīng)驗的梳理和總
結(jié)，確保海洋石油平臺的正常運行。
2 儀表系統(tǒng)常見故障
2.1 模擬輸入量
海洋石油平臺儀表調(diào)試的環(huán)境較為特殊，容易受
到天氣及自然因素的干擾，而調(diào)試和檢測的對象又較
為復(fù)雜，需要檢測的位置與點數(shù)不盡相同，因而在模
擬輸入量上很容易出現(xiàn)故障。在模擬輸入量方面的故
障主要包括以下三種。
Key Words: instrument system; fault diagnosis; offshore oil;
fault tree
分類號：TE953
工程設(shè)備與材料
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工程技術(shù)研究 第8 卷 總第129 期 2023 年1 月
（1）現(xiàn)場的變送器信號加載困難（見圖1）。該故
障表現(xiàn)檢查回路信號時信號加載困難，甚至顯示無法
連接，并且DCS 也接不上，都是顯示壞值或開路。這
類的故障多分布在端子箱、AI 卡件及安全槽等位置，
導(dǎo)致現(xiàn)場的變送器信號加載困難原因有電源未接通、
錯纜、線路重疊等。
法蘭容室
受壓部
毛細(xì)管
膜片 法蘭
圖1 變送器結(jié)構(gòu)圖
（2）現(xiàn)場信號可正常發(fā)出，但操作站無法進(jìn)行工
作?，F(xiàn)場信號與操作站的指示不一致，儀表量程出現(xiàn)
負(fù)遷移，DCS 組態(tài)出現(xiàn)問題。該故障分布較為廣泛，
多發(fā)生在錯線、錯纜及錯位號，以及錯誤通道上，但
這類的故障比較容易被發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)頻率也不高，處理
難度較小。
（3）電阻箱連接之后無法正常指導(dǎo)工作。與現(xiàn)場
的變送器信號加載困難故障相比，這類故障的發(fā)現(xiàn)較
為容易，處理程序也較為簡單。該故障主要是由于協(xié)
調(diào)不科學(xué)而使得電阻公共段對應(yīng)不匹配，進(jìn)而使得熱
電偶、AI 卡件等設(shè)施出現(xiàn)異常情況，但這類故障的穩(wěn)
定性較低，容易出現(xiàn)批量錯誤。針對這類故障，應(yīng)根
據(jù)設(shè)計圖紙確定控制方案，對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行逐點校驗，
并配合短路法和開路法進(jìn)行故障排查[1]。
2.2 數(shù)字輸出量
數(shù)字輸出量方面的故障出現(xiàn)概率較小，在所有故
障中這類故障的占比不會超過10%，但這類信號大部
分都存在于流量開關(guān)、溫度開關(guān)等開關(guān)上，若出現(xiàn)故
障會影響整個儀表系統(tǒng)的安全運行。具體故障包括以
下三種。
（1）現(xiàn)場已發(fā)訊，但操作站不顯示變化。這類故
障的處理難度較小，主要需要對繼電器、DI 卡、組態(tài)
及通道配置是否處于正常工作狀態(tài)進(jìn)行測試和排查，
并且在調(diào)試過程中DI 卡點存在較大的不確定性，易出
現(xiàn)問題。
（2）現(xiàn)場已發(fā)訊，操作站出現(xiàn)多點動作。結(jié)合海
洋石油平臺儀表調(diào)試工作經(jīng)驗來看，導(dǎo)致現(xiàn)場信號已
發(fā)訊，而操作站出現(xiàn)多點動作故障的原因主要是人為
因素，如公共線路出現(xiàn)錯誤連接、繼電器接入其他電
流等。
（3）現(xiàn)場發(fā)訊部件再次動作，操作站還是顯示斷
開。出現(xiàn)該類故障時，技術(shù)人員應(yīng)對繼電器的觸電情
況進(jìn)行檢查，時間繼電器具有一定的記憶功能，若發(fā)
訊部件狀態(tài)出現(xiàn)問題，應(yīng)檢查繼電器的觸電是否正常
工作，其“通”與“斷”是否正常運行，時間設(shè)置是
否正確等[2]。另外，技術(shù)人員也可以合理利用DI 點的
功能，排查回路環(huán)節(jié)，確定故障類型和位置。
2.3 模擬輸出量
信號是技術(shù)人員需要調(diào)整和控制的變化因素，系
統(tǒng)的信號控制的作用相當(dāng)突出，控制質(zhì)量的高低會直
接影響整個儀表系統(tǒng)調(diào)試和工作的效果?？刂崎y門和
調(diào)速器是信號控制的關(guān)鍵設(shè)備，但儀表系統(tǒng)較為復(fù)雜，
閥門的種類和數(shù)量較多，閥門對應(yīng)的性能也不盡相同。
在海洋石油平臺儀表調(diào)試過程中，模擬輸出量的故障
與模擬輸入量的故障存在一定相同之處，同時為了保
證調(diào)試效果，可先實施單機(jī)調(diào)試，調(diào)試時注意各閥門
和輸出的設(shè)備對應(yīng)，避免因變送器錯誤而誤診故障。
儀表系統(tǒng)模擬輸出量故障可能是多方面綜合作用而導(dǎo)
致的，但從中總結(jié)規(guī)律和特點來看，組態(tài)錯誤和閥門
定位器錯誤是造成儀表系統(tǒng)模擬輸出量故障的兩大主
要原因。
3 基于模糊診斷技術(shù)的海洋石油平臺儀
表系統(tǒng)故障診斷方法
儀表系統(tǒng)故障的情況較為復(fù)雜，故障表征和導(dǎo)致
故障的原因并不是“一對一”的關(guān)系，而是“多對一”
或者“一對多”，并且每個主要故障原因還可以根據(jù)層
次分析法分出權(quán)重大小不同的故障原因。
為提高海洋石油平臺儀表系統(tǒng)故障診斷準(zhǔn)確性，
可以采用故障樹輔助分析。利用符號學(xué)和邏輯學(xué)的理
論和經(jīng)驗，搭建海洋石油平臺儀表系統(tǒng)的故障樹，輸
入儀表系統(tǒng)的各類故障的因果關(guān)系，識別、評價和排
列危險性故障。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)故障時，則對故障進(jìn)行標(biāo)記，
基于故障樹進(jìn)行對比分析，挖掘故障背后的產(chǎn)生原因，
并借助模糊控制方法，統(tǒng)籌環(huán)境、信息、通信交流及
人工智能決策系統(tǒng)，探索形成模糊診斷技術(shù)，提高故
障診斷的準(zhǔn)確性與預(yù)測性。
模糊診斷技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備的模糊征兆進(jìn)行識別，
并借助數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行模糊推理，為規(guī)劃和決策提
工程設(shè)備與材料
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2023 年 第01 期 總第129 期 工程技術(shù)研究
供最科學(xué)的答案。在利用模糊診斷技術(shù)對海洋石油平
臺儀表系統(tǒng)進(jìn)行診斷時，技術(shù)人員應(yīng)先將診斷經(jīng)驗轉(zhuǎn)
變成規(guī)則描述，科學(xué)選擇特征量，并且細(xì)致輸入特征量，
理論上而言特征量越科學(xué)和越細(xì)致，模糊診斷的準(zhǔn)確
性和預(yù)測性就越好。
但隨著特征量輸入的增加，故障診斷系統(tǒng)也會隨
著變得復(fù)雜，需要建立更多的子模塊，處理一對多和
多對一的邏輯關(guān)系，邏輯關(guān)系的相關(guān)建構(gòu)難度系數(shù)較
高。因而應(yīng)衡量和計算海洋石油平臺儀表系統(tǒng)的規(guī)模
大小和復(fù)雜性，選取適量的特征量，提高模糊診斷分
析的正確性，但也要避免浪費，節(jié)約成本和精力[3]。
4 基于模糊診斷技術(shù)的海洋石油平臺儀
表系統(tǒng)故障診方法的應(yīng)用
以某海洋石油平臺儀表系統(tǒng)中的液位計為例進(jìn)行
分析，從其使用情況來看，該設(shè)備的故障主要表現(xiàn)為
液位計顯示數(shù)值與現(xiàn)場的實際數(shù)值不相符合，液位計
數(shù)值變動的頻率不固定，如測量時液位數(shù)值無變化、
數(shù)值嚴(yán)重虛高、數(shù)值變化劇烈等情況[4]。導(dǎo)致液位計
故障的原因較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸不正常會導(dǎo)致液位計
故障，而電纜的磨損和老化、設(shè)備故障、工藝問題及
海洋磁場等原因也會使得液位計出現(xiàn)故障。基于數(shù)據(jù)
分析、符號及邏輯的關(guān)系，建立液位計事故故障樹
（具體見圖2），建立“液位計顯示值不準(zhǔn)確”集合，
其下包括模糊子集{U1、U2、U3、U4}，集體為{ 設(shè)備
故障、工藝影響、數(shù)據(jù)傳輸故障、環(huán)境影響}。在模糊
診斷技術(shù)的應(yīng)用過程中，通過輸入模糊的數(shù)字量，系
統(tǒng)通過數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)行模糊計算，確定故障表征背后的
故障原因。
液體計顯示值
不準(zhǔn)確
設(shè)備硬件故障 工藝影響 數(shù)據(jù)傳輸故障 環(huán)境影響
圖2 液位計故障樹
基于故障樹建立模糊控制規(guī)則，在這種一組多重
條件語句的背景下確定液位計顯示數(shù)值不準(zhǔn)確的異常
原因，并將此次故障診斷和分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行累積，便
于下次使用。液位計顯示值不準(zhǔn)確故障模糊關(guān)系矩陣
R 如下：
11 1
1
m
n nm
r r
r r
? ?
= ? ? ? ?
?? ??
R
?
? ? ?
?
（1）
通過液位計顯示值不準(zhǔn)確故障模糊關(guān)系矩陣，則
可以進(jìn)一步得到液位計數(shù)值顯示故障表現(xiàn)及故障原因
的模糊關(guān)系，具體如下：
{ }
11 1
1
[ , ] 1, 2, 3, 4
m
n nm
r r
e ef U U U
r r
? ?
? ? = ? ?
?? ??
?
? ? ?
?
{U U2,U3,U4} （2）
式中：{U1,U2,U3,U4} 為輸出量故障因素的模糊子
集；e 為液位顯示值偏差；ef 為液位波動頻率；rij 為E
與U 之間的關(guān)系強(qiáng)度，rij ∈［0,1］，rij 越大，E 與U
之間的因果關(guān)系越強(qiáng)。其中，電磁環(huán)境的變化是造成
液位計數(shù)值顯示不正常的主要原因，以此類推，ef 特
征分布值和U4 之間的r 數(shù)值就會大于ef 特征分布值
和U1、U2、U3 之間的r 值。但從r 值的大小來看，當(dāng)
r 值在0.8 ～ 1.0 時，則表明故障原因存在；當(dāng)r 值在
0.6 ～ 0.8 時，則表明故障原因有一定的存在概率；當(dāng)
r 值在0.4 ～ 0.6 時，則表明故障原因可能不存在；當(dāng)r
值在0.2 ～ 0.4 時，則表明故障原因基本存在；當(dāng)r 值
在0 ～ 0.2 時，表明故障原因不存在。
5 結(jié)束語
隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，一些先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)和
機(jī)械設(shè)備在海洋石油平臺上得到廣泛的應(yīng)用，儀表系
統(tǒng)的自動化和系統(tǒng)化水平得到了有效提升，數(shù)字化油
田建設(shè)正在不斷推進(jìn)。為保證石油勘探和開采質(zhì)量，
就必須加強(qiáng)儀表系統(tǒng)故障的診斷和預(yù)防。模糊診斷技
術(shù)的應(yīng)用對海洋石油平臺儀表系統(tǒng)故障診斷工作的開
展具有重要現(xiàn)實意義，不會干擾儀表和系統(tǒng)的正常運
轉(zhuǎn)，能夠通過模糊控制模型和邏輯集合數(shù)據(jù)庫診斷儀
表故障，快、狠、準(zhǔn)定位儀表原因和位置，進(jìn)而實現(xiàn)
故障預(yù)發(fā)現(xiàn)、預(yù)處理、保證進(jìn)度及環(huán)境保護(hù)等各項目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
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