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基于模糊診斷技術的海洋石油平臺儀表系統故障診斷方法分析

文檔作者：周彥波文檔來源：中海石油深海開發有限公司		更新日期： 2026年05月17日	點擊數：
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工程設備與材料
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2023 年 第01 期 總第129 期 工程技術研究
基于模糊診斷技術的海洋石油平臺儀表系統故障診斷
方法分析
周彥波
中海石油深海開發有限公司，廣東 深圳 518066
摘要：海上環境較為復雜，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雜，
儀表系統容易出現故障。儀表系統出現的故障類型多
樣，且原因較為復雜，應采用科學的技術提高海洋石
油平臺儀表系統故障診斷準確率。為加強對海洋石油
平臺儀表系統故障診斷技術的認識，文章以海洋石油
平臺儀表調試工作的重要性為切入點，并介紹海洋石
油平臺儀表系統常見故障，接著闡述模糊診斷技術的
原理，最后探究基于模糊診斷技術的海洋石油平臺儀
表系統故障診斷方法，以供參考。
關鍵詞：儀表系統；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設
施設備檢驗及檢測。
1 儀表調試工作的重要性
海上石油資源的開發不僅能夠減少石油開采對陸
地環境的影響，還能夠有效保證我國工業的正常運轉，
推動經濟發展。建設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
系統是重要的組成部分，其作用相當于人類的“中樞
系統”，只有在前期做好儀表系統的調試，才會讓整個
海洋石油平臺上的各個設備系統有條不紊地進行作業。
相反，如果儀表前期調試工作存在問題，不僅會增加
系統及平臺維護和修理的成本，還會對海洋的生態環
境及生物的多樣性造成惡劣的影響。因而，必須正確
認識儀表調試工作的重要性和必要性，統籌規劃，在
調試中發現和解決問題，并且要加強經驗的梳理和總
結，確保海洋石油平臺的正常運行。
2 儀表系統常見故障
2.1 模擬輸入量
海洋石油平臺儀表調試的環境較為特殊，容易受
到天氣及自然因素的干擾，而調試和檢測的對象又較
為復雜，需要檢測的位置與點數不盡相同，因而在模
擬輸入量上很容易出現故障。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
工程設備與材料
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工程技術研究 第8 卷 總第129 期 2023 年1 月
（1）現場的變送器信號加載困難（見圖1）。該故
障表現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，
導致現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
毛細管
膜片 法蘭
圖1 變送器結構圖
（2）現場信號可正常發出，但操作站無法進行工
作。現場信號與操作站的指示不一致，儀表量程出現
負遷移，DCS 組態出現問題。該故障分布較為廣泛，
多發生在錯線、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現，出現頻率也不高，處理
難度較小。
（3）電阻箱連接之后無法正常指導工作。與現場
的變送器信號加載困難故障相比，這類故障的發現較
為容易，處理程序也較為簡單。該故障主要是由于協
調不科學而使得電阻公共段對應不匹配，進而使得熱
電偶、AI 卡件等設施出現異常情況，但這類故障的穩
定性較低，容易出現批量錯誤。針對這類故障，應根
據設計圖紙確定控制方案，對各個環節進行逐點校驗，
并配合短路法和開路法進行故障排查[1]。
2.2 數字輸出量
數字輸出量方面的故障出現概率較小，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、溫度開關等開關上，若出現故
障會影響整個儀表系統的安全運行。具體故障包括以
下三種。
（1）現場已發訊，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
及通道配置是否處于正常工作狀態進行測試和排查，
并且在調試過程中DI 卡點存在較大的不確定性，易出
現問題。
（2）現場已發訊，操作站出現多點動作。結合海
洋石油平臺儀表調試工作經驗來看，導致現場信號已
發訊，而操作站出現多點動作故障的原因主要是人為
因素，如公共線路出現錯誤連接、繼電器接入其他電
流等。
（3）現場發訊部件再次動作，操作站還是顯示斷
開。出現該類故障時，技術人員應對繼電器的觸電情
況進行檢查，時間繼電器具有一定的記憶功能，若發
訊部件狀態出現問題，應檢查繼電器的觸電是否正常
工作，其“通”與“斷”是否正常運行，時間設置是
否正確等[2]。另外，技術人員也可以合理利用DI 點的
功能，排查回路環節，確定故障類型和位置。
2.3 模擬輸出量
信號是技術人員需要調整和控制的變化因素，系
統的信號控制的作用相當突出，控制質量的高低會直
接影響整個儀表系統調試和工作的效果。控制閥門和
調速器是信號控制的關鍵設備，但儀表系統較為復雜，
閥門的種類和數量較多，閥門對應的性能也不盡相同。
在海洋石油平臺儀表調試過程中，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
證調試效果，可先實施單機調試，調試時注意各閥門
和輸出的設備對應，避免因變送器錯誤而誤診故障。
儀表系統模擬輸出量故障可能是多方面綜合作用而導
致的，但從中總結規律和特點來看，組態錯誤和閥門
定位器錯誤是造成儀表系統模擬輸出量故障的兩大主
要原因。
3 基于模糊診斷技術的海洋石油平臺儀
表系統故障診斷方法
儀表系統故障的情況較為復雜，故障表征和導致
故障的原因并不是“一對一”的關系，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層
次分析法分出權重大小不同的故障原因。
為提高海洋石油平臺儀表系統故障診斷準確性，
可以采用故障樹輔助分析。利用符號學和邏輯學的理
論和經驗，搭建海洋石油平臺儀表系統的故障樹，輸
入儀表系統的各類故障的因果關系，識別、評價和排
列危險性故障。當現場出現故障時，則對故障進行標記，
基于故障樹進行對比分析，挖掘故障背后的產生原因，
并借助模糊控制方法，統籌環境、信息、通信交流及
人工智能決策系統，探索形成模糊診斷技術，提高故
障診斷的準確性與預測性。
模糊診斷技術能夠對設備的模糊征兆進行識別，
并借助數學分析方法進行模糊推理，為規劃和決策提
工程設備與材料
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2023 年 第01 期 總第129 期 工程技術研究
供最科學的答案。在利用模糊診斷技術對海洋石油平
臺儀表系統進行診斷時，技術人員應先將診斷經驗轉
變成規則描述，科學選擇特征量，并且細致輸入特征量，
理論上而言特征量越科學和越細致，模糊診斷的準確
性和預測性就越好。
但隨著特征量輸入的增加，故障診斷系統也會隨
著變得復雜，需要建立更多的子模塊，處理一對多和
多對一的邏輯關系，邏輯關系的相關建構難度系數較
高。因而應衡量和計算海洋石油平臺儀表系統的規模
大小和復雜性，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，節約成本和精力[3]。
4 基于模糊診斷技術的海洋石油平臺儀
表系統故障診方法的應用
以某海洋石油平臺儀表系統中的液位計為例進行
分析，從其使用情況來看，該設備的故障主要表現為
液位計顯示數值與現場的實際數值不相符合，液位計
數值變動的頻率不固定，如測量時液位數值無變化、
數值嚴重虛高、數值變化劇烈等情況[4]。導致液位計
故障的原因較為復雜，數據傳輸不正常會導致液位計
故障，而電纜的磨損和老化、設備故障、工藝問題及
海洋磁場等原因也會使得液位計出現故障。基于數據
分析、符號及邏輯的關系，建立液位計事故故障樹
（具體見圖2），建立“液位計顯示值不準確”集合，
其下包括模糊子集{U1、U2、U3、U4}，集體為{ 設備
故障、工藝影響、數據傳輸故障、環境影響}。在模糊
診斷技術的應用過程中，通過輸入模糊的數字量，系
統通過數學表達進行模糊計算，確定故障表征背后的
故障原因。
液體計顯示值
不準確
設備硬件故障 工藝影響 數據傳輸故障 環境影響
圖2 液位計故障樹
基于故障樹建立模糊控制規則，在這種一組多重
條件語句的背景下確定液位計顯示數值不準確的異常
原因，并將此次故障診斷和分析的數據進行累積，便
于下次使用。液位計顯示值不準確故障模糊關系矩陣
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確故障模糊關系矩陣，則
可以進一步得到液位計數值顯示故障表現及故障原因
的模糊關系，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 之間的關系強度，rij ∈［0,1］，rij 越大，E 與U
之間的因果關系越強。其中，電磁環境的變化是造成
液位計數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
r 值在0.8 ～ 1.0 時，則表明故障原因存在；當r 值在
0.6 ～ 0.8 時，則表明故障原因有一定的存在概率；當
r 值在0.4 ～ 0.6 時，則表明故障原因可能不存在；當r
值在0.2 ～ 0.4 時，則表明故障原因基本存在；當r 值
在0 ～ 0.2 時，表明故障原因不存在。
5 結束語
隨著經濟和科技的發展，一些先進的現代技術和
機械設備在海洋石油平臺上得到廣泛的應用，儀表系
統的自動化和系統化水平得到了有效提升，數字化油
田建設正在不斷推進。為保證石油勘探和開采質量，
就必須加強儀表系統故障的診斷和預防。模糊診斷技
術的應用對海洋石油平臺儀表系統故障診斷工作的開
展具有重要現實意義，不會干擾儀表和系統的正常運
轉，能夠通過模糊控制模型和邏輯集合數據庫診斷儀
表故障，快、狠、準定位儀表原因和位置，進而實現
故障預發現、預處理、保證進度及環境保護等各項目標。
參考文獻
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[4] 王瀟. 海洋石油平臺腐蝕檢測技術綜合應用與結果分析[J]. 鹽科學
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