专利名称：：焦炉多回路控制系统的性能评估与故障诊断方法
技术领域：
：本发明涉及一种焦炉多回路控制系统的性能评估与故障诊断方法。技术背景随着钢铁工业的高速发展，炼焦工业也获得较快发展，用于控制焦炉温度的加热燃烧控制系统的设计越来越完善。但是由于长期运行并且缺乏有效的维护，焦炉加热燃烧控制系统的控制性能不断下降，从而降低了焦化企业的经济效益，影响了焦炭的质量产量和生产成本。焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，是焦炭的关键生产设备，同时也产生大量的焦炉煤气，为其他生产过程提供燃料。但是，焦炉同时也是焦化厂最大的能耗设备，其生产出的煤气大部分被自身消耗掉，所以焦炉加热燃烧过程控制的好坏对焦化厂生产成本的降低和经济效益的提高有非常重要的作用。现有的焦炉加热燃烧控制系统在工业过程运行的初期一般具有良好的性能，但是如果没有定期的维护，其性能会随着时间的推移而下降。进而导致产品产量降低、操作成本增加等问题。所以需要通过一些方法对控制系统的性能进行评估，为维护人员提供控制系统工作状况的相关信息。因此，实现对焦炉加热燃烧控制系统的性能评估与故障诊断具有重要的意义。
发明内容本发明的目的是提出一种焦炉多回路控制系统的性能评估与故障诊断方法，该焦炉多回路控制系统的性能评估与故障诊断方法能减小工作人员的劳动强度，提高故障诊断效率。本发明的技术解决方案如下一种焦炉多回路控制系统的性能评估方法，其特征在于，采用模糊综合评价方法计算出焦炉加热燃烧控制系统的性能等级；所述的模糊综合评价方法具有2个评价因子改进差异系数和过程能力指数；其中，Yt是火道温度检测值，Ysp是火道温度设定值，V是改进差异系数，N是火道温度检测值的数目；过程能力指数定义为:Cp=^~；其中，Cp是加热燃烧控制系统的过程能力指数，σ是一组火道温度检测值的总体标准差，T是火道温度工艺要求的技术公差幅度；模糊等级分为优质、良好、合格、不合格四个等级，分别计为等级1、2、3和4，采用梯形隶属函数确定各评价因子的隶属度，模糊综合评价矩阵R为；其中，R1为改进差异系数的隶属度集合，R2为过程能力指数的隶属度集合，μu为第i个评价因子隶属于第j个等级的程度，i取值为1和2，j取值为14；改进差异系数和过程能力指数的阈值表如下改进差异系数阈值表过程能力指数阈值表炼焦生产过程性能的评价结果为E=AoR=(ei;e2,e3,e4)；其中A为权重矢量，A=(αα2)，E为模糊综合评价结果矢量，表明该评价点焦炉加热燃烧控制系统的总体情况对各等级的隶属程度，θι表示焦炉加热燃烧控制系统对优质等级的隶属程度，e2表示焦炉加热燃烧控制系统对良好等级的隶属程度，e3表示焦炉加热燃烧控制系统对合格等级的隶属程度，e4表示焦炉加热燃烧控制系统对不合格等级的隶属程度，之后根据最大隶属度原则判断焦炉加热燃烧控制系统性能的等级；其中，运算符“O”表示乘法；Q1,%分别是第一个评价因子和第二个评价因子的权重，i=1，2Ji为第i个评价因子的隶属度，当以优质等级1为参照对象时，Xi的计算公式为，Ζ=1，2;·/'=1，1^，4；当以良好等级2为参照对象时，计算公式为入=XA，/=1，2口'=11，4;当以合格等级3为参照对象时，Xi的计算公式为，/=1，2口'=1，L，4;当以不合格等级4为参照对象时，Xi的计算公式为Xi=Vμu，i=1,2;j=1，L，4，其中符号V表示取大运算符，在焦炉加热燃烧控制系统的性能评估中，选择良好等级2为参照对象计算λ”Yt的取值范围是1200-1400，Ysp的取值范围是12601320，N的取值范围是144240；T的数值为40。一种焦炉多回路控制系统的故障诊断方法，该焦炉多回路控制系统的故障诊断方法基于前述的焦炉多回路控制系统的性能评估方法的评估结果，具体诊断过程为步骤1建立故障知识库，当火道温度出现异常时，将排查出的故障与改进差异系数和过程能力指数关联在一起，组成一条完整的故障源信息，将该条故障信息存入到故障知识库中；步骤2故障信息匹配，输出诊断结果当加热燃烧控制系统的性能等级在合格及以下时，针对焦炉加热燃烧控制系统的三个回路焦炉煤气流量控制回路、混合煤气压力控制回路和烟道吸力控制回路，分别计算V1,V2,V3,Cpl，Cp2，Cp3，其中V1是焦炉煤气流量控制回路的改进差异系数，Vpl是焦炉煤气流量控制回路的过程能力指数；v2是混合煤气压力控制回路的改进差异系数，Cp2是混合煤气压力控制回路的过程能力指数；v3是烟道吸力控制回路的改进差异系数，Cp3是烟道吸力控制回路的过程能力指数；以三个控制回路的改进差异系数和过程能力指数为索引进行查找，如果能查到完全相同的故障信息时，直接将该故障信息作为诊断结果输出；当无法找到完全相同的信息时，采用基于欧氏距离的故障信息匹配方法，计算出与索引数值最接近的故障信息作为等价信息输出，即满足下式的故障信息为输出信息其中，Vi是本次计算出的改进差异系数，Vh是故障信息表中已有的i控制回路的第j条故障信息的改进差异系数，Vifflax是包括Vi在内的改进差异系数中的最大值，Vi-是包括Vi在内的改进差异系数中的最小值，Cpi是本次计算出的过程能力指数，cpi_j是故障信息表中已有的i控制回路的第j条故障信息的过程能力指数，Cpimax是包括Cpi在内的过程能力指数中的最大值，Cpimin是包括Cpi在内的过程能力指数中的最小值，Nl是故障信息表中故障信息的当前数量，i代表三个控制回路，λ是权重系数，λ的取值范围是0.4-0.6。本发明的技术思路为首先，提出一项基于改进差异系数的性能评估指标；然后，计算焦炉火道温度的过程能力指数作为另一项性能评估指标，将以上两项性能评估指标作为评价因子，将模糊等级分为优质、良好、合格、不合格四个等级，根据每个评价因子的实际情况，采用梯形隶属函数计算各评价因子的隶属度，应用最大隶属度原则判断焦炉加热燃烧控制系统的性能等级；最后，多控制回路建立基于改进差异系数和过程能力指数的故障知识库，将排查出的故障和对应的改进差异系数以及过程能力指数按照序号存入故障知识库，并在控制系统运行的过程中实时更新故障知识库，在焦炉加热燃烧控制系统的性能等级在合格及以下的时候，以改进差异系数和过程能力指数作为索引，根据最优匹配的原则，搜索出所有可能的故障源，并将这些故障源通过文本形式直观的体现出来。有益效果采用本发明的焦炉加热燃烧过程控制性能评估与故障诊断方法，使控制系统的性能评价和故障诊断变得更加直观，通过计算机的自动运算，提高了性能评价和故障诊断的自动化程度，相比于过去工作人员需要时刻关注系统运行状况，并随时针对运行不佳情况，根据自身经验推测可能存在的故障，该方法极大的减小了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。图1为控制系统性能评估结构框图2为性能评估与故障诊断结构框图；图3为改进差异系数隶属度函数图；图4为过程能力指数隶属度函数图。具体实施例方式以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明。实施例1对焦炉加热燃烧过程多回路控制系统进行性能评估和故障诊断，首先需要建立评估需要的指标，这些指标同时也是故障诊断时的故障源搜索的索引，因此第一步就是建立改进差异系数和过程能力指数两项指标。1、为了体现火道温度检测值与设定值之间的拟合程度，定义改进差异系数作为性能指标，其公式如下其中，Yt是火道温度检测值，Ysp是火道温度设定值，V是基于Ysp的改进差异系数，N是火道温度检测值的数目。Yt的取值范围是1200-1400，Ysp的取值范围是1260-1320，N的取值范围是144-240。表1是改进差异系数的评级标准。表1改进差异系数评级标准同时，为了直观的体现加热燃烧过程的控制状态满足技术标准的能力，计算加热燃烧控制系统的过程能力指数，其表达式如下T其中，Cp是加热燃烧控制系统的过程能力指数，σ是一组火道温度检测值的总体标准差，它的计算过程如下首先，计算一组火道温度检测值的平均值；然后，计算该组火道温度检测值与它们平均值之差的平方和；最后，用计算得到的平方和除以该组火道温度检测值的数目，将得到的结果求算术平方根即是ο，T是火道温度工艺要求的技术公差幅度，因为焦炉火道温度要求的波动范围为正负20°C，所以T的数值为40。在焦炉火道过程能力指数中，T反映的是对控制参数的技术要求，σ反映的是参数过程控制的一致性，将两者进行比较，就反映了参数控制过程满足控制参数技术要求的程度，该值越大，过程能力越强，表2是过程能力指数的评级标准。表2过程能力指数评级标准2、计算得到火道温度的改进差异系数和过程能力指数之后，利用二者，采用模糊综合评价方法，计算出焦炉加热燃烧控制系统的性能等级，如图1所示。模糊综合评价方法是根据不同评价因子的敏感程度来确定其权重，以实现对焦炉加热燃烧控制系统的准确性能评估。将火道温度的改进差异系数和过程能力指数作为评价因子。模糊等级分为优质、良好、合格、不合格四个等级，等级1是优质等级，它为最高等级。根据每个评价因子的实际情况，采用梯形隶属函数计算各评价因子的隶属度。通过计算各指标的隶属度，可得到模糊综合评价矩阵R。「m「。1DMlM2M3MlA.οΛ其中，R1为改进差异系数的隶属度集合，R2为过程能力指数的隶属度集合，μu为第i个评价因子隶属于第j个等级的程度。评价因子模糊化的阈值由各评价因子的评级标准和专家经验决定，表3是改进差异系数的阈值表，表4是过程能力指数的阈值表，改进差异系数的隶属度函数如图3所示，过程能力指数的隶属度函数如图4所示。表3改进差异系数阈值表表4过程能力指数阈值表利用μ,j计算λi，以良好等级2为参照对象，X1为第i个评价因子属于良好等级及以上的隶属度，即λ”λ2分别是第一个评价因子和第二个评价因子处于良好等级和优质等级的隶属度，其计算公式如下所示(4)λi越小表示第i个评价因子越差，其相应的权重也应该越大，因此定义各评价因子的权重为αρα2分别是第一个评价因子和第二个评价因子的权重。则炼焦生产过程性能的评价结果为E=AoR=(e1;e2,e3,e4)(6)其中，A为权重矢量，A=(Q1,α2)，E为模糊综合评价结果矢量，表明该评价点焦炉加热燃烧控制系统的总体情况对各等级模糊子集的隶属程度，θι表示焦炉加热燃烧控制系统对优质等级的隶属程度，e2表示焦炉加热燃烧控制系统对良好等级的隶属程度，％表示焦炉加热燃烧控制系统对合格等级的隶属程度，e4表示焦炉加热燃烧控制系统对不合格等级的隶属程度，之后根据最大隶属度原则判断焦炉加热燃烧控制系统性能的等级。例如，计算得到一组火道温度检测值的改进差异系数V=0.064，Cp=1.14，根据改进差异系数的隶属度函数图和过程能力指数隶属度函数图可计算得到，按照公式⑷计算得到Xi=O.53，入2=0.42，将λ"λ2K2UU.42U.joU带入公式(5)计算得到α工=0.44，α2=0.56，权重矢量A=(0.44，0.56)，按照公式(6)计算得到根据最大隶属的原贝u，焦炉加热燃烧控制系统的性能等级为合格。3、计算得到焦炉加热燃烧控制系统的性能等级后，当加热燃烧控制系统的性能等级在合格及以下的时候，需要对造成性能不佳的故障原因进行诊断，如图2所示。焦炉加热燃烧控制系统由三个控制回路组成，它们是焦炉煤气流量控制回路、混合煤气压力控制回路、烟道吸力控制回路。三个控制回路的运行情况是造成火道温度异常的直接原因，因此当火道温度异常时，针对这三个控制回路，分别计算\，V2,V3,Cpl，Cp2，Cp3，其中V1是焦炉煤气流量控制回路的改进差异系数，Cpl是焦炉煤气流量控制回路的过程能力指数；V2是混合煤气压力控制回路的改进差异系数，Cp2是混合煤气压力控制回路的过程能力指数；V3是烟道吸力控制回路的改进差异系数，Cp3是烟道吸力控制回路的过程能力指数。4、建立故障知识库，当火道温度出现异常时，将排查出的故障与改进差异系数和过程能力指数关联在一起，组成一条完整的故障源信息，将该条故障信息存入到故障知识库中。存入形式如下列表格所示表5焦炉煤气流量控制回路故障信息表表6混合煤气压力控制回路故障信息表表7烟道吸力控制回路故障信息表表5、表6、表7列举了三个控制回路存入故障知识库的故障信息格式。在控制系统运行的过程中，针对各种运行异常情况，用新的故障信息不断更新知识库，使知识库的故障信息不断丰富。在查找故障信息时，以三个控制回路的改进差异系数和过程能力指数为索引进行查找，当无法找到完全相同的信息时，采用基于欧氏距离的故障信息匹配方法，计算出与索引数值最接近的故障信息作为等价信息输出，考虑到两项索引数值的数量级存在差异的情况，采用归一化方法将两项索引的数值转换到W，l]之间，经过归一化处理的基于欧氏距离的故障信息匹配方法计算公式如下所示其中，Vi是本次计算出的改进差异系数，Vh是故障信息表中已有的改进差异系数，Vimax是包括Vi在内的改进差异系数中的最大值，Vimin是包括Vi在内的改进差异系数中的最小值，Cpi是本次计算出的过程能力指数，Cpi_j是故障信息表中已有的过程能力指数，Cpimax是包括Cpi在内的过程能力指数中的最大值，Cpimin是包括Cpi在内的过程能力指数中的最小值，N是故障信息表中故障信息的当前数量，i代表三个控制回路，λ是权重系数，λ的取值范围是0.4-0.6。分别以焦炉煤气流量控制回路、混合煤气压力控制回路、烟道吸力控制回路为例，按照上述方法进行故障信息匹配。对于焦炉煤气流量控制回路，计算得到V1=0.042，Cpl=1.250，其中，N=100，i=1，λ=0.5,Vlfflax=0.714，Vlfflin=0.012，Cplmax=1.86，Cplmin=0.44代入公式(7)计算如下式中，Vh是焦炉煤气流量控制回路故障信息表中第j条故障信息的改进差异系数、Cpld是焦炉煤气流量控制回路故障信息表中第j条故障信息的过程能力指数。与0.054对应的故障信息是第2条故障信息，其索引为\_2=0.063，Cpl_2=1.1，故障信息是“流量控制模块存在问题”。对于混合煤气压力控制回路，计算得到V2=0.501，Cp2=0.7，其中，N=50，i=2，λ=0.4，V2fflax=0.205，V2fflin=0.014，Cp2max=1.92，Cp2min=0.86，带入公式(7)计算如下其中，V2_j是混合煤气压力控制回路故障信息表中第j条故障信息的改进差异系数、Cp2_j是混合煤气压力控制回路故障信息表中第j条故障信息的过程能力指数。与0.093对应的故障信息是第9条故障信息，其索引为V2_9=0.473，Cp2_9=0.72，故障信息是“压力传感器存在故障”。对于烟道吸力控制回路，计算得到V3=0.247，Cp3=1.28，其中，N=60，i=3，λ=0.45,V3fflax=0.82,V3fflin=0.02，Cp3max=1.72，Cp3min=0.37，带入公式(7)计算如下其中，V”是烟道吸力控制回路故障信息表中第j条故障信息的改进差异系数、Cp3-J是烟道吸力控制回路故障信息表中第j条故障信息的过程能力指数。与0.015对应的故障信息是第26条故障信息，其索引为V3_26=0.23，Cp3_26=1.29，故障信息是“阀门线性化模块存在问题”。该方法对于各种形式的多回路控制系统都适用，能够直观、准确、方便的显示出当前可能的故障信息，供工艺人员作为故障排查的参考。权利要求一种焦炉多回路控制系统的性能评估方法，其特征在于，采用模糊综合评价方法计算出焦炉加热燃烧控制系统的性能等级；所述的模糊综合评价方法具有2个评价因子改进差异系数和过程能力指数；其中，改进差异系数定义为其中，Yt是火道温度检测值，Ysp是火道温度设定值，V是改进差异系数，N是火道温度检测值的数目；过程能力指数定义为其中，Cp是加热燃烧控制系统的过程能力指数，σ是一组火道温度检测值的总体标准差，T是火道温度工艺要求的技术公差幅度；模糊等级分为优质、良好、合格、不合格四个等级，分别计为等级1、2、3和4，采用梯形隶属函数确定各评价因子的隶属度，模糊综合评价矩阵R为；R=R1R2=μ11μ12μ13μ14μ21μ22μ23μ24;其中，R1为改进差异系数的隶属度集合，R2为过程能力指数的隶属度集合，μij为第i个评价因子隶属于第j个等级的程度，i取值为1和2，j取值为1～4；改进差异系数和过程能力指数的阈值表如下改进差异系数阈值表阈值BaBb1Bb2Bb3Bb4Bc改进差异系数0.010.020.050.080.150.2过程能力指数阈值表阈值CaCb1Cb2Cb3Cb4Cc过程能力指数0.430.671.01.331.672.0炼焦生产过程性能的评价结果为E＝AoR＝(e1，e2，e3，e4)；其中A为权重矢量，A＝(α1，α2)，E为模糊综合评价结果矢量，表明该评价点焦炉加热燃烧控制系统的总体情况对各等级的隶属程度，e1表示焦炉加热燃烧控制系统对优质等级的隶属程度，e2表示焦炉加热燃烧控制系统对良好等级的隶属程度，e3表示焦炉加热燃烧控制系统对合格等级的隶属程度，e4表示焦炉加热燃烧控制系统对不合格等级的隶属程度，之后根据最大隶属度原则判断焦炉加热燃烧控制系统性能的等级；其中，运算符“o”表示乘法；α1，α2分别是第一个评价因子和第二个评价因子的权重，αi=1λi/Σk=121λk,i=1,2;λi为第i个评价因子的隶属度，当以优质等级1为参照对象时，λi的计算公式为当以良好等级2为参照对象时，λi的计算公式为当以合格等级3为参照对象时，λi的计算公式为当以不合格等级4为参照对象时，λi的计算公式为λi＝∨μij，i＝1，2，j＝1，L，4，其中符号∨表示取大运算符。FDA0000021997680000011.tif,FDA0000021997680000012.tif,FDA0000021997680000022.tif,FDA0000021997680000023.tif,FDA0000021997680000024.tif2.根据权利要求1所述的焦炉多回路控制系统的性能评估方法，其特征在于，Yt的取值范围是1200-1400，Ysp的取值范围是12601320，N的取值范围是144240；T的数值为40。3.一种焦炉多回路控制系统的故障诊断方法，其特征在于，该焦炉多回路控制系统的故障诊断方法基于权利要求2所述的焦炉多回路控制系统的性能评估方法的评估结果，具体诊断过程为步骤1建立故障知识库，当火道温度出现异常时，将排查出的故障与改进差异系数和过程能力指数关联在一起，组成一条完整的故障源信息，将该条故障信息存入到故障知识库中；步骤2故障信息匹配，输出诊断结果当加热燃烧控制系统的性能等级在合格及以下时，针对焦炉加热燃烧控制系统的三个回路焦炉煤气流量控制回路、混合煤气压力控制回路和烟道吸力控制回路，分别计算V1,V2，V3，Cpl，Cp2，Cp3，其中V1是焦炉煤气流量控制回路的改进差异系数，Cpl是焦炉煤气流量控制回路的过程能力指数；V2是混合煤气压力控制回路的改进差异系数，Cp2是混合煤气压力控制回路的过程能力指数；V3是烟道吸力控制回路的改进差异系数，Cp3是烟道吸力控制回路的过程能力指数；以三个控制回路的改进差异系数和过程能力指数为索引进行查找，如果能查到完全相同的故障信息时，直接将该故障信息作为诊断结果输出；当无法找到完全相同的信息时，采用基于欧氏距离的故障信息匹配方法，计算出与索引数值最接近的故障信息作为等价信息输出，即满足下式的故障信息为输出信息其中，Vi是本次计算出的改进差异系数，Vi^j是故障信息表中已有的i控制回路的第j条故障信息的改进差异系数，Vimax是包括Vi在内的改进差异系数中的最大值，Vimin是包括Vi在内的改进差异系数中的最小值，Cpi是本次计算出的过程能力指数，cpi_j是故障信息表中已有的i控制回路的第j条故障信息的过程能力指数，Cpimax是包括Cpi在内的过程能力指数中的最大值，Cpimin是包括Cpi在内的过程能力指数中的最小值，Nl是故障信息表中故障信息的当前数量，i代表三个控制回路，λ是权重系数，λ的取值范围是0.4-0.6。全文摘要本发明提供了一种焦炉多回路控制系统的性能评估与故障诊断方法，焦炉多回路控制系统的性能评估方法采用模糊综合评价方法计算出焦炉加热燃烧控制系统的性能等级；所述的模糊综合评价方法具有2个评价因子改进差异系数和过程能力指数；故障诊断方法为先建立基于多控制回路改进差异系数和过程能力指数的故障知识库，在焦炉加热燃烧控制系统的性能等级在合格及以下的时候，以改进差异系数和过程能力指数作为索引，根据最优匹配的原则，搜索出所有可能的故障源，并将这些故障源通过文本形式直观的体现出来。本发明提高了故障排查的自动化程度，极大地减小了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。文档编号G05B23/02GK101847004SQ201010189180公开日2010年9月29日申请日期2010年6月3日优先权日2010年6月3日发明者吴敏,安剑奇,曹卫华,李鹏程,陈鑫,雷琪申请人:中南大学