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基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪表系统故障诊断方法分析

文档作者：周彦波文档来源：中海石油深海开发有限公司		更新日期： 2026年05月17日	点击数：
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工程设备与材料
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2023 年 第01 期 总第129 期 工程技术研究
基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪表系统故障诊断
方法分析
周彦波
中海石油深海开发有限公司，广东 深圳 518066
摘要：海上环境较为复杂，容易受到磁场及天气因素
的影响，而海洋石油平台仪表控制的对象较为复杂，
仪表系统容易出现故障。仪表系统出现的故障类型多
样，且原因较为复杂，应采用科学的技术提高海洋石
油平台仪表系统故障诊断准确率。为加强对海洋石油
平台仪表系统故障诊断技术的认识，文章以海洋石油
平台仪表调试工作的重要性为切入点，并介绍海洋石
油平台仪表系统常见故障，接着阐述模糊诊断技术的
原理，最后探究基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪
表系统故障诊断方法，以供参考。
关键词：仪表系统；故障诊断；海洋石油；故障树
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 .
作者简介： 周彦波，男，本科，工程师，研究方向为海洋油气生产设
施设备检验及检测。
1 仪表调试工作的重要性
海上石油资源的开发不仅能够减少石油开采对陆
地环境的影响，还能够有效保证我国工业的正常运转，
推动经济发展。建设海洋石油平台能够有效提高石油
勘探和开采的效率，而对于海洋石油平台而言，仪表
系统是重要的组成部分，其作用相当于人类的“中枢
系统”，只有在前期做好仪表系统的调试，才会让整个
海洋石油平台上的各个设备系统有条不紊地进行作业。
相反，如果仪表前期调试工作存在问题，不仅会增加
系统及平台维护和修理的成本，还会对海洋的生态环
境及生物的多样性造成恶劣的影响。因而，必须正确
认识仪表调试工作的重要性和必要性，统筹规划，在
调试中发现和解决问题，并且要加强经验的梳理和总
结，确保海洋石油平台的正常运行。
2 仪表系统常见故障
2.1 模拟输入量
海洋石油平台仪表调试的环境较为特殊，容易受
到天气及自然因素的干扰，而调试和检测的对象又较
为复杂，需要检测的位置与点数不尽相同，因而在模
拟输入量上很容易出现故障。在模拟输入量方面的故
障主要包括以下三种。
Key Words: instrument system; fault diagnosis; offshore oil;
fault tree
分类号：TE953
工程设备与材料
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工程技术研究 第8 卷 总第129 期 2023 年1 月
（1）现场的变送器信号加载困难（见图1）。该故
障表现检查回路信号时信号加载困难，甚至显示无法
连接，并且DCS 也接不上，都是显示坏值或开路。这
类的故障多分布在端子箱、AI 卡件及安全槽等位置，
导致现场的变送器信号加载困难原因有电源未接通、
错缆、线路重叠等。
法兰容室
受压部
毛细管
膜片 法兰
图1 变送器结构图
（2）现场信号可正常发出，但操作站无法进行工
作。现场信号与操作站的指示不一致，仪表量程出现
负迁移，DCS 组态出现问题。该故障分布较为广泛，
多发生在错线、错缆及错位号，以及错误通道上，但
这类的故障比较容易被发现，出现频率也不高，处理
难度较小。
（3）电阻箱连接之后无法正常指导工作。与现场
的变送器信号加载困难故障相比，这类故障的发现较
为容易，处理程序也较为简单。该故障主要是由于协
调不科学而使得电阻公共段对应不匹配，进而使得热
电偶、AI 卡件等设施出现异常情况，但这类故障的稳
定性较低，容易出现批量错误。针对这类故障，应根
据设计图纸确定控制方案，对各个环节进行逐点校验，
并配合短路法和开路法进行故障排查[1]。
2.2 数字输出量
数字输出量方面的故障出现概率较小，在所有故
障中这类故障的占比不会超过10%，但这类信号大部
分都存在于流量开关、温度开关等开关上，若出现故
障会影响整个仪表系统的安全运行。具体故障包括以
下三种。
（1）现场已发讯，但操作站不显示变化。这类故
障的处理难度较小，主要需要对继电器、DI 卡、组态
及通道配置是否处于正常工作状态进行测试和排查，
并且在调试过程中DI 卡点存在较大的不确定性，易出
现问题。
（2）现场已发讯，操作站出现多点动作。结合海
洋石油平台仪表调试工作经验来看，导致现场信号已
发讯，而操作站出现多点动作故障的原因主要是人为
因素，如公共线路出现错误连接、继电器接入其他电
流等。
（3）现场发讯部件再次动作，操作站还是显示断
开。出现该类故障时，技术人员应对继电器的触电情
况进行检查，时间继电器具有一定的记忆功能，若发
讯部件状态出现问题，应检查继电器的触电是否正常
工作，其“通”与“断”是否正常运行，时间设置是
否正确等[2]。另外，技术人员也可以合理利用DI 点的
功能，排查回路环节，确定故障类型和位置。
2.3 模拟输出量
信号是技术人员需要调整和控制的变化因素，系
统的信号控制的作用相当突出，控制质量的高低会直
接影响整个仪表系统调试和工作的效果。控制阀门和
调速器是信号控制的关键设备，但仪表系统较为复杂，
阀门的种类和数量较多，阀门对应的性能也不尽相同。
在海洋石油平台仪表调试过程中，模拟输出量的故障
与模拟输入量的故障存在一定相同之处，同时为了保
证调试效果，可先实施单机调试，调试时注意各阀门
和输出的设备对应，避免因变送器错误而误诊故障。
仪表系统模拟输出量故障可能是多方面综合作用而导
致的，但从中总结规律和特点来看，组态错误和阀门
定位器错误是造成仪表系统模拟输出量故障的两大主
要原因。
3 基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪
表系统故障诊断方法
仪表系统故障的情况较为复杂，故障表征和导致
故障的原因并不是“一对一”的关系，而是“多对一”
或者“一对多”，并且每个主要故障原因还可以根据层
次分析法分出权重大小不同的故障原因。
为提高海洋石油平台仪表系统故障诊断准确性，
可以采用故障树辅助分析。利用符号学和逻辑学的理
论和经验，搭建海洋石油平台仪表系统的故障树，输
入仪表系统的各类故障的因果关系，识别、评价和排
列危险性故障。当现场出现故障时，则对故障进行标记，
基于故障树进行对比分析，挖掘故障背后的产生原因，
并借助模糊控制方法，统筹环境、信息、通信交流及
人工智能决策系统，探索形成模糊诊断技术，提高故
障诊断的准确性与预测性。
模糊诊断技术能够对设备的模糊征兆进行识别，
并借助数学分析方法进行模糊推理，为规划和决策提
工程设备与材料
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2023 年 第01 期 总第129 期 工程技术研究
供最科学的答案。在利用模糊诊断技术对海洋石油平
台仪表系统进行诊断时，技术人员应先将诊断经验转
变成规则描述，科学选择特征量，并且细致输入特征量，
理论上而言特征量越科学和越细致，模糊诊断的准确
性和预测性就越好。
但随着特征量输入的增加，故障诊断系统也会随
着变得复杂，需要建立更多的子模块，处理一对多和
多对一的逻辑关系，逻辑关系的相关建构难度系数较
高。因而应衡量和计算海洋石油平台仪表系统的规模
大小和复杂性，选取适量的特征量，提高模糊诊断分
析的正确性，但也要避免浪费，节约成本和精力[3]。
4 基于模糊诊断技术的海洋石油平台仪
表系统故障诊方法的应用
以某海洋石油平台仪表系统中的液位计为例进行
分析，从其使用情况来看，该设备的故障主要表现为
液位计显示数值与现场的实际数值不相符合，液位计
数值变动的频率不固定，如测量时液位数值无变化、
数值严重虚高、数值变化剧烈等情况[4]。导致液位计
故障的原因较为复杂，数据传输不正常会导致液位计
故障，而电缆的磨损和老化、设备故障、工艺问题及
海洋磁场等原因也会使得液位计出现故障。基于数据
分析、符号及逻辑的关系，建立液位计事故故障树
（具体见图2），建立“液位计显示值不准确”集合，
其下包括模糊子集{U1、U2、U3、U4}，集体为{ 设备
故障、工艺影响、数据传输故障、环境影响}。在模糊
诊断技术的应用过程中，通过输入模糊的数字量，系
统通过数学表达进行模糊计算，确定故障表征背后的
故障原因。
液体计显示值
不准确
设备硬件故障 工艺影响 数据传输故障 环境影响
图2 液位计故障树
基于故障树建立模糊控制规则，在这种一组多重
条件语句的背景下确定液位计显示数值不准确的异常
原因，并将此次故障诊断和分析的数据进行累积，便
于下次使用。液位计显示值不准确故障模糊关系矩阵
R 如下：
11 1
1
m
n nm
r r
r r
 
=    
 
R

  

（1）
通过液位计显示值不准确故障模糊关系矩阵，则
可以进一步得到液位计数值显示故障表现及故障原因
的模糊关系，具体如下：
{ }
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} 为输出量故障因素的模糊子
集；e 为液位显示值偏差；ef 为液位波动频率；rij 为E
与U 之间的关系强度，rij ∈［0,1］，rij 越大，E 与U
之间的因果关系越强。其中，电磁环境的变化是造成
液位计数值显示不正常的主要原因，以此类推，ef 特
征分布值和U4 之间的r 数值就会大于ef 特征分布值
和U1、U2、U3 之间的r 值。但从r 值的大小来看，当
r 值在0.8 ～ 1.0 时，则表明故障原因存在；当r 值在
0.6 ～ 0.8 时，则表明故障原因有一定的存在概率；当
r 值在0.4 ～ 0.6 时，则表明故障原因可能不存在；当r
值在0.2 ～ 0.4 时，则表明故障原因基本存在；当r 值
在0 ～ 0.2 时，表明故障原因不存在。
5 结束语
随着经济和科技的发展，一些先进的现代技术和
机械设备在海洋石油平台上得到广泛的应用，仪表系
统的自动化和系统化水平得到了有效提升，数字化油
田建设正在不断推进。为保证石油勘探和开采质量，
就必须加强仪表系统故障的诊断和预防。模糊诊断技
术的应用对海洋石油平台仪表系统故障诊断工作的开
展具有重要现实意义，不会干扰仪表和系统的正常运
转，能够通过模糊控制模型和逻辑集合数据库诊断仪
表故障，快、狠、准定位仪表原因和位置，进而实现
故障预发现、预处理、保证进度及环境保护等各项目标。
参考文献
[1] 李伟, 王飒, 丁健刚, 等. 一种用于石油化工厂环境下的仪表自动检
测方法[J]. 西安石油大学学报(自然科学版),2022,37(2):102-109.
[2] 林斌. 海洋石油平台安全仪表系统研究[D]. 北京: 中国舰船研究院,
2014.
[3] 徐华东. 面向智能仪表的故障诊断技术研究[D]. 上海: 华东师范大
学,2022.
[4] 王潇. 海洋石油平台腐蚀检测技术综合应用与结果分析[J]. 盐科学
与化工,2022,51(5):42-46.

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