Method of increasing the reliability and safety of the processes through the use of fault tolerant control systems

• Autorzy: Pawlak M. , Kościelny J. M. , Wasiewicz P.

Warianty tytułu

PL

Metoda podwyższania niezawodności i bezpieczeństwa procesów poprzez stosowanie układów regulacji tolerujących uszkodzenia

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The operation idea of fault tolerant control systems, has been presented in the paper. Protection and security layers applied in technical diagnostics associated with safety of control system, have been discussed. The automatic control system of a steam turbine power, has been described as an example of fault tolerant control system. A steam turbine is the main element of energy blocs forming a national energy system. Therefore, the turbine control systems require high reliability. The impact of diagnostics and fault tolerance on the values of reliability and safety coefficients of control systems, have been determined in the paper.

PL

Przedstawiono ideę działania układów automatyki tolerujących uszkodzenia. Omówiono warstwy zabezpieczeniowo ochronne stosowane w diagnostyce technicznej, związanej z bezpieczeństwem układów regulacji. Jako przykład układu regulacji tolerującego uszkodzenia torów pomiarowych, opisano układ regulacji mocy turbiny parowej. Turbiny takie stanowią podstawowy element bloków energetycznych, tworzących krajowy system energetyczny. Dlatego też, od układów regulacji turbin wymaga się dużej niezawodności. W pracy określono wpływ diagnostyki i tolerowania uszkodzeń na wartości wskaźników niezawodności i bezpieczeństwa układów automatyki.

Słowa kluczowe

EN

control system; functional safety; protection and security layers; diagnostics; fault tolerance; redundancy; reconfiguration; reliability and safety coefficients; energetic block; steam turbine

PL

bezpieczeństwo; diagnostyka; układ regulacji; tolerowanie uszkodzeń; redundancja; rekonfiguracja; turbina parowa; blok energetyczny; wskaźniki niezawodności

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 3
• Strony: 398--407
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pawlak M.

• Institute of Automatic Control and Robotics Warsaw University of Technology, sw. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warsaw, Poland

autor

Kościelny J. M.

• Institute of Automatic Control and Robotics Warsaw University of Technology, sw. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warsaw, Poland

autor

Wasiewicz P.

• Institute of Automatic Control and Robotics Warsaw University of Technology, sw. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. http://www.sache.org/beacon/files/2009/09/pl/read/2009-09-Beacon-Polish%20-s.pdf
• 2. http://archiwum.ciop.pl/18388.html
• 3. Blanke M, Kinnaert M, Lunze J, Staroswiecki M. Diagnosis and Fault-Tolerant Control. Berlin Springer-Verlag, 2004.
• 4. Calado J M F, Korbicz J, Patan K, Patton R J, Sáda Costa J M G. Soft computing approaches to fault diagnosis for dynamic systems. European Journal of Control 2001; 7(2–3): 248–286, http://dx.doi.org/10.3166/ejc.7.248-286.
• 5. Chiang L H, Russell E L, Braatz R D. Fault Detection and Diagnosis in Industrial Systems. London: Springer, 2001, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4471-0347-9.
• 6. Frank P M. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy. Automatica 1990; 26: 459-474, http://dx.doi.org/10.1016/0005-1098(90)90018-D.
• 7. Gertler J. Fault Detection and Diagnosis in Engineering Systems, New York - Basel - Hong Kong: Marcel Dekker. Inc., 1998.
• 8. Hajiyev C, Caliskan F. Fault Diagnosis and Reconfiguration in Flight Control Systems. London: Kluwer Academic Publishers, 2003, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4419-9166-9.
• 9. Héctor B, Fabián G. Reconfigurable Distributed Control. London: Springer, 2005.
• 10. Huang H Z. Structural reliability analysis using fuzzy sets theory. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2012; 14(4): 284–294.
• 11. IEC 61508 (2010). Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety – related systems. Parts 1-7. International Electrotechnical Commission (IEC), Geneva.
• 12. IEC 62061 (2005). Safety of machinery – Functional safety of safety-related electrical/electronic and programmable electronic control systems (E/E/PE). International Electrotechnical Commission (IEC), Geneva.
• 13. Isermann I. Fault-Diagnosis Systems: An Introduction from Fault Detection to Fault Tolerance. Berlin: Springer, 2005.
• 14. Isermann R, Ballé P. Trends in the application of model-based fault detection and diagnosis of technical process. Control Engineering Practice 1997; 5(5): 709-719, http://dx.doi.org/10.1016/S0967-0661(97)00053-1.
• 15. Jormakka H, Koponen P, Pentikainen H, Bartoszewicz-Burczy H. On managing physical and cyber threats to energy systems identification and countermeasure requirements. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2010; 3: 27-33.
• 16. Kamal E, Aitouche A, Ghorbani R, Bayart M. Fuzzy Scheduler Fault-Tolerant Control for Wind Energy Conversion Systems. Control Systems Technology, IEEE Transactions 2014; 1(22):119 – 131, http//dx.doi.org/10.1109/TCST.2013.2246162.
• 17. Korbicz J, Kościelny J M. Modeling, Diagnostics and Process Control. Implementation in the DiaSter System. Springer, 2010.
• 18. Korbicz J, Kościelny J M, Kowalczuk Z, Cholewa W, et al. Fault Diagnosis: Models, artificial intelligence methods, applications. Berlin: Springer, 2004, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-18615-8.
• 19. Korbicz J. Robust fault detection using analytical and soft computing methods. Bulletin of the Polish Academy Sciences. Technical Sciences 2006, 54(1):75-88.
• 20. Kosmowski K. Layer of protection analysis in the context of functional safety management. 10th Conference Diagnostics of Processes and Systems. Zamość: 2011; 1:371-378
• 21. Kosmowski K, Śliwiński M. Od lipca 2015 r. zmiany w normie PN EN 61511. IV Forum Bezpieczeństwa Funkcjonalnego, Urząd Dozoru Technicznego, Ożarów Mazowiecki, 26-27 lutego 2015.
• 22. Kościelny J M. Diagnostyka zautomatyzowanych procesów przemysłowych –Diagnosis of automated industrial processes. Akademicka Oficyna Wydawnicza Exit – Academic Publishing House Exit, Warsaw, 2001.
• 23. Kościelny J M, Syfert M, Wnuk P. Advanced monitoring and diagnostic system 'AMandD'. 6th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes. SAFEPROCESS'06, Beijing, P.R. China, August 29-September 1 2006, 635-640, http://dx.doi.org/10.1016/B978-008044485-7/50107-X.
• 24. Leonhardt S, Ayoubi M. Methods of fault diagnosis. Control Engineering Practice 1997; 5(5): 683-692, http://dx.doi.org/10.1016/S0967-0661(97)00050-6.
• 25. Mahmoud M, Jiang J, Zhang Y M. Active Fault Tolerant Control Systems. Stochastic Analysis and Synthesis. Lecture Notes in Control and Information Sciences. Berlin: Springer, 2003.
• 26. Patton R J, Lopez-Toribio C J, Uppal F J. Artificial intelligence approaches to fault diagnosis for dynamic systems. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science 1999; 9(3): 471-518.
• 27. Patton R J, Frank P, Clark R. Issues of fault diagnosis for dynamic systems. Berlin: Springer, 2000, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4471-3644-6.
• 28. Patton R, Montander S. Active fault tolerant control for nonlinear systems with simultaneous actuator and sensor faults. International Journal of Control, Automation and Systems 2013; 6(11): 1149-1161.
• 29. Pawlak M, Karczewski J. New Structure of Governor Electrohydraulic Power which meets the Requirements of the Implemented LFCSystem. ActaEnergetica 2014; 1(18): 126-135.
• 30. Pawlak M, Karczewski J. Struktura UAR turbiny kondensacyjnej biorącej udział w regulacji systemu elektroenergetycznego – Structure of control system of condensation turbine taking part in control of electroenergy system. VII Konferencja Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej – VII Conference on Thermal Energy Research Issues. Warsaw, 2005.
• 31. Pawlak M. Zmodernizowany układ regulacji elektrohydraulicznej turbiny zaprojektowany w OTC Lodz – Modernized electro-hydraulic control system of turbine designed in Thermal Technology Branch ITC" in Lodz. Energetyka – Energetics, 2011; 22: 70-73.
• 32. Pawlak M. Zwiększenie niezawodności bloku energetycznego współspalającego biomasę - Reliability increase of energy block using biomass. Cieplne Maszyny Przepływowe – Turbomachinery, 2010; 138: 37-43.
• 33. PN-EN 61508 (2010). Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/ elektronicznych/ programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem. Części 1-7. Polski Komitet Normalizacyjny.
• 34. PN-EN 61511 (2009). Bezpieczeństwo funkcjonalne. Przyrządowe systemy bezpieczeństwa do sektora przemysłu procesowego. Części 1-3. Polski Komitet Normalizacyjny.
• 35. Simani S, Fantuzzi C, Patton R J. Model-based Fault Diagnosis in Dynamic Systems using Identification Techniques. New York: Springer, 2003, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4471-3829-7.
• 36. Steffen T. Control Reconfiguration of Dynamic Systems: Linear Approaches and Structural Tests, Lecture Notes in Control and Information Sciences. Berlin: Springer, 2005.
• 37. Stoican F, Olaru S, Seron M, Doná J. Fault tolerant control scheme based on sensor–actuation channel switching and dwell time. International Journal of Robust and Nonlinear Control 2014; 4(24): 775–792, http://dx.doi.org/10.1002/rnc.2907.
• 38. Syfert M, Wnuk P, Kościelny J M. DiaSter - Intelligent system for diagnostics and automatic control support of industrial processes. JAMRIS - Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems 2011; 4: 41-46.
• 39. Tao G, Chen S, Joshi S M, Tang X. Adaptive Control of Systems with Actuator Failures. Berlin: Springer, 2004, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4471-3758-0.
• 40. Trybus L. Systemy sterowania w energetyce. Control systems in energetics. XV Krajowa Konferencja Automatyki. XV Domestic Conference of Automatics. Warsaw: 2005; 1:29-40.
• 41. Wasiewicz P, Pawlak M. Development of fault tolerant control system for condensation power turbine. 6th IFAC Symposium on Fault Detection Supervision and Safety of Technical Processes. SAFEPROCESS'06, Beijing, P.R. China, August 29-September 1 2006, 523-528, http://dx.doi.org/10.1016/B978-008044485-7/50082-8.
• 42. Witczak M. Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Strategies for Non-Linear Systems. Berlin: Springer-Verlag, 2014, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-03014-2.
• 43. Wnuk P. The use of evolutionary optimization in fuzzy TSK model identification. 6th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of Technical Processes. SAFEPROCESS'06, Beijing, P.R. China, August 29-September 1 2006, 414-419, http://dx.doi.org/10.1016/B978-008044485-7/50070-1.
• 44. Zamojski W. Niezawodność i eksploatacja systemów. System reliability and maintenance. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wroclaw University of Technology Publishing House, 1981.