催化裂化分馏系统的故障诊断专家系统研究

孟 帅,侯立刚,吕品超

(辽宁石油化工大学信息与控制工程学院,辽宁抚顺 113001)

催化裂化分馏系统的故障诊断专家系统研究

孟 帅,侯立刚＊,吕品超

(辽宁石油化工大学信息与控制工程学院,辽宁抚顺 113001)

由于催化裂化系统的故障及其表现之间具有模糊性,针对催化裂化分馏系统故障及特征参数间的关系建立模糊故障诊断模型,该模型考虑了已知征兆的影响,并引入了征兆可信度与规则可信度,对识别催化裂化分馏系统故障的专家知识进行了整理。为了缩短故障诊断专家系统的开发周期,增加开发过程的灵活性,采用专家系统工具CL IPS结合编程语言VC++的方法来实现催化裂化装置分馏系统的故障诊断专家系统。该方法可移植性较好,能够在较短的时间内开发出有效的故障诊断专家系统。

CL IPS; VC++; 催化裂化; 故障诊断

催化裂化过程是石油二次加工过程中最重要的一环,其工艺复杂,控制回路较多。而由于原料品种和性质的频繁变化,导致系统经常处于较大的波动状态。另外,为了使系统正常运转,企业不得不将大量的人力、物力投到操作和维修人员的技术培训中,而新的操作维修人员往往无法马上掌握技术,故常会产生误操作,从而影响了生产装置的正常运行[1]。故障诊断专家系统作为故障诊断的工具和手段,可以实现计算机与工厂专家的经验知识相结合,从而提高诊断效率,减少设备维修对人员的依赖性。

在专家系统的开发中,考虑到故障及其表象间的模糊关系及系统开发周期、软件可靠性等因素,本文采用模糊推理机制与VC++内嵌CL IPS的混合编程方法进行设计与研究。

1 系统特征参数选取及处理

1.1 特征参数选取

在建立诊断系统之前,能够快速、有效地提取反映设备的故障信息的特征是故障诊断的关键所在。故障诊断方法再先进,反映机器故障信息的特征不准确也不会得出一个准确的结果[2]。由于催化裂化装置分馏子系统工艺过程是一个非常复杂的物理、化学变化过程,因此很难找到一种可以反映其整个工作过程的通用模型,同样也不存在一种能准确反映其工作状态的特征参数。在一个多征兆故障里,有的征兆对某种故障起主要作用,有的征兆起次要作用,还有的征兆不起作用,即这些征兆对某一故障的贡献大小不尽相同[3]。

因此,考虑各方面因素,选用13个参数作为诊断的特征参数,见表1。

在广泛搜索和获取催化裂化装置领域专家以及维修人员经验的基础上,根据理论知识得到分馏子系统的典型故障与特征参数之间的关系,见表2。

表1 特征参数Table 1 Characteristic parameters

表2 典型故障与特征参数之间的关系Table 2 Relationship between malfunctionsand characteristic parameters

1.2 参数模糊化处理

针对催化裂化装置参数对事故状态的影响,本文采用隶属函数和相关的方法来进行不确定知识的处理。

现定义如下两种隶属函数:

升形:当参数取值越大时,参数对故障状态影响程度越大。

降形:当参数取值越大时,参数对故障状态影响程度越小。

式中,x为参数值,α1,α2分别为专家提供的该参数的阈值。

1.3 诊断型知识

基于规则的产生式系统是一种很适合于表达因果关系的表示模式,也是目前专家系统中最为普遍的一种表示方法[4],故本系统也采用产生式规则方法表示知识。产生式规则的基本形式为:

IF规则条件部分(条件1,条件2,…,条件n)

THEN结论

为更好地描述故障诊断知识的模糊性,则需要对产生式规则加以改进。

模糊产生式诊断规则的一般形式为:

THEN Q(CF,a)

其中,Pi,Q为模糊断言,的权重,即前件断言Pi对Q的影响程度CF为规则的可信度,CF∈[0,1];a为判别是否可以应用该规则的阈值,a∈[0,1],当规则的前件可信度σ≥a时,该规则才可用[5]。

2 确定开发工具

CL IPS是美国航空航天局/约翰逊太空中心用C语言设计的,是一种多范例编程语言,它支持基于规则的、面向对象的和面向过程的编程[6]。由于具有逻辑推理功能强大,可移植和可扩展性好,便于和其他语言混合使用等优势,CL IPS已经成为目前应用最为广泛的专家系统开发工具之一。但是CL IPS本身是为人工智能设计的,数据的采集和处理能力不强,且缺少图形用户界面的能力。VC++是当前主流的程序设计语言,它具有强大的功能,擅长进行复杂的数值计算和数据交换,运行速度快并且具有良好的可移植性。但VC++不擅长逻辑推理,用其编写推理机的编程工作量很大[7]。

由此可以看出,VC++和CL IPS在开发专家系统方面都有各自的优势和缺陷,而将两者结合使用就能取长补短,从而达到较为满意的效果。

3 系统功能实现

3.1 推理机的实现

系统的推理是由CL IPS来完成的,得到经过处理的故障征兆数据后,系统自动将其转化为CL IPS中的事实,同时自动载入知识库文件、规则库规则和中间变量。过程数据、中间变量自动转化为CL IPS能够识别的事实,这些事实和故障事实都作为规则的左件(前件)去匹配相应的规则,从而执行规则的右件,完成系统的推理,然后把推理结果返回到VC中[8]。

CL IPS的事实是由事实名、若干属性槽及其相关取值组成,具体结构可通过自定义描述模式和自定义事实实现,一般格式为:

defrule为关键字,符号“=>”表示由条件可推导出结论的动作。一条规则可以包括多个条件和结论,且条件和结论均允许嵌套。条件的格式与事实相似,可以包含变量、函数和表达式.结论主要用来添加或删除事实列表中的事实,并输出和控制运行过程[5]。运用上述自定义的方式,就可进行一般专家系统程序的编写。

3.2 CL IPS与VC接口的实现

当前开发CL IPS嵌入式专家系统的流行趋势是使用CL IPS提供的动态链接库[6]。在因特网上可以下载由CL IPS开发者免费提供的开发环境包和源程序,其中包含一个clips.dll文件,这就是CL IPS开发者提供的动态库。该动态链接库中封装了CL ISP的核心命令,如Load,Reset,Run等。调用此动态连接库中的函数可以实现CL ISP的绝大多数核心功能。同时为了使用方便,又采用了Mark Tom linson为该动态链接库编制的CCL IPSW rap包装类,该类主要完成以下两方面工作;引出所有clip s.dll中定义的函数,并建立CL IPS运行环境;添加一些必要的数据成员以及CL IPS环境操作方法[9]。通过引入clips.dll文件,将CL ISP内核嵌入到VC++编写的主程序中,从而实现CL IPS和VC++的混合编程。

3.3 模糊推理机制的实现

以顶回流泵抽空故障为例,模糊诊断知识表示为:

其中,“rule0”为规则名称;“str-explode”把一个字串转变为一个多字段值;“0.4”为对应征兆的权重;“?rb1”,代表征兆的可信度,通过隶属函数求出;“bind”约束一个变量;“?a”,为前件可信度;“? TH”,为前件阈值;“?CF”,为规则可信度;“? DB”,规则结论中故障原因的可信度;“p rintout result”输出其后内容。

4 结束语

根据催化裂化装置故障及特征参数间的模糊关系,归纳了专家诊断知识,并结合专家系统工具CIPS和VC++,介绍一种有效的故障诊断方法。即使用VC++实现人机接口,运用CL IPS作为推理引擎,实现对催化裂化分馏子系统的故障诊断。与其他方法相比,这种方法具有源代码公开,可移植性好,系统安全可靠等优点。

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[2] 陈长征,张国福.旋转机械故障神经网络诊断征兆表的建立[J].石油化工高等学校学报,2000,13(1):59-63.

[3] 单海欧.改进的小波神经网络在管道泄漏故障诊断中的应用[J].辽宁石油化工大学学报,2008,28(1):74-77.

[4] 鄂加强.智能故障诊断及其应用[M].长沙:湖南大学出版社,2006.

[5] 李玉荣.模糊专家系统在火电厂故障诊断中的应用研究[D].保定:华北电力大学控制理论与控制工程系,2006.

[6] Joseph Giarratano,Gary Riley.专家系统原理与编程[M].印鉴,刘星成,陈忆群,译.北京:机械工业出版社,2006.

[7] 马华杰,袁永军,谭悦,等.CL IPS与Visual C++接口的研究[J].仪器仪表用户,2005(6):110-111.

[8] 钱政,罗承沐,严璋,等.火电厂汽轮机振动故障诊断专家系统设计与实现[J].电力科学与工程,2007,23(2):44-47.

[9] 栾轶佳,赵英凯,周燕.火电厂实时故障诊断专家系统的开发[J].机械与电子,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

孟帅(1982-),男,山东莱芜市,在读硕士。

国家863计划基金资助项目(2007AA 04Z162)。＊通讯联系人。

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