催化裂化分餾系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)研究

孟 帥,侯立剛,呂品超

(遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,遼寧撫順 113001)

催化裂化分餾系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)研究

孟 帥,侯立剛＊,呂品超

(遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院,遼寧撫順 113001)

由于催化裂化系統(tǒng)的故障及其表現(xiàn)之間具有模糊性,針對(duì)催化裂化分餾系統(tǒng)故障及特征參數(shù)間的關(guān)系建立模糊故障診斷模型,該模型考慮了已知征兆的影響,并引入了征兆可信度與規(guī)則可信度,對(duì)識(shí)別催化裂化分餾系統(tǒng)故障的專家知識(shí)進(jìn)行了整理。為了縮短故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)周期,增加開發(fā)過(guò)程的靈活性,采用專家系統(tǒng)工具CL IPS結(jié)合編程語(yǔ)言VC++的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)催化裂化裝置分餾系統(tǒng)的故障診斷專家系統(tǒng)。該方法可移植性較好,能夠在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出有效的故障診斷專家系統(tǒng)。

CL IPS; VC++; 催化裂化; 故障診斷

催化裂化過(guò)程是石油二次加工過(guò)程中最重要的一環(huán),其工藝復(fù)雜,控制回路較多。而由于原料品種和性質(zhì)的頻繁變化,導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)常處于較大的波動(dòng)狀態(tài)。另外,為了使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),企業(yè)不得不將大量的人力、物力投到操作和維修人員的技術(shù)培訓(xùn)中,而新的操作維修人員往往無(wú)法馬上掌握技術(shù),故常會(huì)產(chǎn)生誤操作,從而影響了生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行[1]。故障診斷專家系統(tǒng)作為故障診斷的工具和手段,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與工廠專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合,從而提高診斷效率,減少設(shè)備維修對(duì)人員的依賴性。

在專家系統(tǒng)的開發(fā)中,考慮到故障及其表象間的模糊關(guān)系及系統(tǒng)開發(fā)周期、軟件可靠性等因素,本文采用模糊推理機(jī)制與VC++內(nèi)嵌CL IPS的混合編程方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

1 系統(tǒng)特征參數(shù)選取及處理

1.1 特征參數(shù)選取

在建立診斷系統(tǒng)之前,能夠快速、有效地提取反映設(shè)備的故障信息的特征是故障診斷的關(guān)鍵所在。故障診斷方法再先進(jìn),反映機(jī)器故障信息的特征不準(zhǔn)確也不會(huì)得出一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果[2]。由于催化裂化裝置分餾子系統(tǒng)工藝過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程,因此很難找到一種可以反映其整個(gè)工作過(guò)程的通用模型,同樣也不存在一種能準(zhǔn)確反映其工作狀態(tài)的特征參數(shù)。在一個(gè)多征兆故障里,有的征兆對(duì)某種故障起主要作用,有的征兆起次要作用,還有的征兆不起作用,即這些征兆對(duì)某一故障的貢獻(xiàn)大小不盡相同[3]。

因此,考慮各方面因素,選用13個(gè)參數(shù)作為診斷的特征參數(shù),見表1。

在廣泛搜索和獲取催化裂化裝置領(lǐng)域?qū)＜乙约熬S修人員經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)理論知識(shí)得到分餾子系統(tǒng)的典型故障與特征參數(shù)之間的關(guān)系,見表2。

表1 特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters

表2 典型故障與特征參數(shù)之間的關(guān)系Table 2 Relationship between malfunctionsand characteristic parameters

1.2 參數(shù)模糊化處理

針對(duì)催化裂化裝置參數(shù)對(duì)事故狀態(tài)的影響,本文采用隸屬函數(shù)和相關(guān)的方法來(lái)進(jìn)行不確定知識(shí)的處理。

現(xiàn)定義如下兩種隸屬函數(shù):

升形:當(dāng)參數(shù)取值越大時(shí),參數(shù)對(duì)故障狀態(tài)影響程度越大。

降形:當(dāng)參數(shù)取值越大時(shí),參數(shù)對(duì)故障狀態(tài)影響程度越小。

式中,x為參數(shù)值,α1,α2分別為專家提供的該參數(shù)的閾值。

1.3 診斷型知識(shí)

基于規(guī)則的產(chǎn)生式系統(tǒng)是一種很適合于表達(dá)因果關(guān)系的表示模式,也是目前專家系統(tǒng)中最為普遍的一種表示方法[4],故本系統(tǒng)也采用產(chǎn)生式規(guī)則方法表示知識(shí)。產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式為:

IF規(guī)則條件部分(條件1,條件2,…,條件n)

THEN結(jié)論

為更好地描述故障診斷知識(shí)的模糊性,則需要對(duì)產(chǎn)生式規(guī)則加以改進(jìn)。

模糊產(chǎn)生式診斷規(guī)則的一般形式為:

THEN Q(CF,a)

其中,Pi,Q為模糊斷言,的權(quán)重,即前件斷言Pi對(duì)Q的影響程度CF為規(guī)則的可信度,CF∈[0,1];a為判別是否可以應(yīng)用該規(guī)則的閾值,a∈[0,1],當(dāng)規(guī)則的前件可信度σ≥a時(shí),該規(guī)則才可用[5]。

2 確定開發(fā)工具

CL IPS是美國(guó)航空航天局/約翰遜太空中心用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)的,是一種多范例編程語(yǔ)言,它支持基于規(guī)則的、面向?qū)ο蟮暮兔嫦蜻^(guò)程的編程[6]。由于具有邏輯推理功能強(qiáng)大,可移植和可擴(kuò)展性好,便于和其他語(yǔ)言混合使用等優(yōu)勢(shì),CL IPS已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的專家系統(tǒng)開發(fā)工具之一。但是CL IPS本身是為人工智能設(shè)計(jì)的,數(shù)據(jù)的采集和處理能力不強(qiáng),且缺少圖形用戶界面的能力。VC++是當(dāng)前主流的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,它具有強(qiáng)大的功能,擅長(zhǎng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)交換,運(yùn)行速度快并且具有良好的可移植性。但VC++不擅長(zhǎng)邏輯推理,用其編寫推理機(jī)的編程工作量很大[7]。

由此可以看出,VC++和CL IPS在開發(fā)專家系統(tǒng)方面都有各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷,而將兩者結(jié)合使用就能取長(zhǎng)補(bǔ)短,從而達(dá)到較為滿意的效果。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 推理機(jī)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的推理是由CL IPS來(lái)完成的,得到經(jīng)過(guò)處理的故障征兆數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)化為CL IPS中的事實(shí),同時(shí)自動(dòng)載入知識(shí)庫(kù)文件、規(guī)則庫(kù)規(guī)則和中間變量。過(guò)程數(shù)據(jù)、中間變量自動(dòng)轉(zhuǎn)化為CL IPS能夠識(shí)別的事實(shí),這些事實(shí)和故障事實(shí)都作為規(guī)則的左件(前件)去匹配相應(yīng)的規(guī)則,從而執(zhí)行規(guī)則的右件,完成系統(tǒng)的推理,然后把推理結(jié)果返回到VC中[8]。

CL IPS的事實(shí)是由事實(shí)名、若干屬性槽及其相關(guān)取值組成,具體結(jié)構(gòu)可通過(guò)自定義描述模式和自定義事實(shí)實(shí)現(xiàn),一般格式為:

defrule為關(guān)鍵字,符號(hào)“=>”表示由條件可推導(dǎo)出結(jié)論的動(dòng)作。一條規(guī)則可以包括多個(gè)條件和結(jié)論,且條件和結(jié)論均允許嵌套。條件的格式與事實(shí)相似,可以包含變量、函數(shù)和表達(dá)式.結(jié)論主要用來(lái)添加或刪除事實(shí)列表中的事實(shí),并輸出和控制運(yùn)行過(guò)程[5]。運(yùn)用上述自定義的方式,就可進(jìn)行一般專家系統(tǒng)程序的編寫。

3.2 CL IPS與VC接口的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前開發(fā)CL IPS嵌入式專家系統(tǒng)的流行趨勢(shì)是使用CL IPS提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[6]。在因特網(wǎng)上可以下載由CL IPS開發(fā)者免費(fèi)提供的開發(fā)環(huán)境包和源程序,其中包含一個(gè)clips.dll文件,這就是CL IPS開發(fā)者提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)。該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中封裝了CL ISP的核心命令,如Load,Reset,Run等。調(diào)用此動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)CL ISP的絕大多數(shù)核心功能。同時(shí)為了使用方便,又采用了Mark Tom linson為該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)編制的CCL IPSW rap包裝類,該類主要完成以下兩方面工作;引出所有clip s.dll中定義的函數(shù),并建立CL IPS運(yùn)行環(huán)境;添加一些必要的數(shù)據(jù)成員以及CL IPS環(huán)境操作方法[9]。通過(guò)引入clips.dll文件,將CL ISP內(nèi)核嵌入到VC++編寫的主程序中,從而實(shí)現(xiàn)CL IPS和VC++的混合編程。

3.3 模糊推理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)

以頂回流泵抽空故障為例,模糊診斷知識(shí)表示為:

其中,“rule0”為規(guī)則名稱;“str-explode”把一個(gè)字串轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)多字段值;“0.4”為對(duì)應(yīng)征兆的權(quán)重;“?rb1”,代表征兆的可信度,通過(guò)隸屬函數(shù)求出;“bind”約束一個(gè)變量;“?a”,為前件可信度;“? TH”,為前件閾值;“?CF”,為規(guī)則可信度;“? DB”,規(guī)則結(jié)論中故障原因的可信度;“p rintout result”輸出其后內(nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)催化裂化裝置故障及特征參數(shù)間的模糊關(guān)系,歸納了專家診斷知識(shí),并結(jié)合專家系統(tǒng)工具CIPS和VC++,介紹一種有效的故障診斷方法。即使用VC++實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口,運(yùn)用CL IPS作為推理引擎,實(shí)現(xiàn)對(duì)催化裂化分餾子系統(tǒng)的故障診斷。與其他方法相比,這種方法具有源代碼公開,可移植性好,系統(tǒng)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 方來(lái)華.催化裂化智能監(jiān)控及診斷指導(dǎo)專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].天津:天津理工學(xué)院機(jī)械電子工程系,2003.

[2] 陳長(zhǎng)征,張國(guó)福.旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷征兆表的建立[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2000,13(1):59-63.

[3] 單海歐.改進(jìn)的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在管道泄漏故障診斷中的應(yīng)用[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(1):74-77.

[4] 鄂加強(qiáng).智能故障診斷及其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社,2006.

[5] 李玉榮.模糊專家系統(tǒng)在火電廠故障診斷中的應(yīng)用研究[D].保定:華北電力大學(xué)控制理論與控制工程系,2006.

[6] Joseph Giarratano,Gary Riley.專家系統(tǒng)原理與編程[M].印鑒,劉星成,陳憶群,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7] 馬華杰,袁永軍,譚悅,等.CL IPS與Visual C++接口的研究[J].儀器儀表用戶,2005(6):110-111.

[8] 錢政,羅承沐,嚴(yán)璋,等.火電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力科學(xué)與工程,2007,23(2):44-47.

[9] 欒軼佳,趙英凱,周燕.火電廠實(shí)時(shí)故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械與電子,2006(11):62-64.

(Ed.:W YX,Z)

Fault Diagnosis Expert System of FCCU Fractionating System

M ENG Shuai,HOU Li-gang＊,LüPin-chao
(School of Inform ation and Control Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China)

11 November 2009;revised 14 January 2010;accepted 2 M arch 2010

Because the relationship of faults and their exp ressions in FCCU system is a fuzzy one.The fault diagnosis model was based on the the relationship between FCCU fractionating system malfunction characteristics and malfunction symp tom s. Thismodel takes into account the influenceof the acquirable symp tom sand introduced symp tom confidence and rule confidence. The expert know ledgeof identifying the faultof FCCU was reviewed.In order to reduce the developing period of fault diagnosis expert system and increase its developing flexibility this paper had discussed amethod by using of developing Visual C++and expert system tool CL IPS the fault diagnosis expert system of FCCU fractionating system.This method has good transp lant ability and can develop effective expert system frame in a short time.

CL IPS;VC++;FCC;Fault Diagnosis

TP39

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.025

1006-396X(2010)02-0093-04

2009-11-11

孟帥(1982-),男,山東萊蕪市,在讀碩士。

國(guó)家863計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2007AA 04Z162)。＊通訊聯(lián)系人。

＊Corresponding autho r.Tel.:+86-13841329808;fax:+86-413-6860488;e-mail:houligang@126.com