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1、摘 要 化工生产过程是复杂的动态系统 该生产过程一般是在高温高压 低温真空 有毒 或腐蚀性等极端条件下进行的 生产系统和设备一旦发生故障 将会造成经济损失 甚 至造成人员伤亡和环境污染 利用故障诊断技术提高系统的可靠性和安全性 已经引 起了企业和学术界的高度重视 并在该研究领域取得了丰富的研究成果 本文主要对田纳西 伊斯曼过程 Tennessee Eastman Process TEP 进行了模拟与仿 真研究 首先在查阅文献基础上对故障诊断方法进行了概述 并对 TE 过程中的五大操 作单元进行了研究 其中包括反应器 冷凝器 汽 液分离器 压缩机及汽提塔五大操 作单元 在此基础上 对主元分析的故
2、障诊断法的原理和算法进行了研究 并以 TE 过 程为背景 调用其化工过程数据 编写 MATLAB 程序实现 T2图 Q 图以及贡献图 采 用主元分析法对 TE 过程进行了仿真实验研究 证明主元分析方法的有效性 关键词 TE 过程 故障诊断 模拟 T2统计 Q 统计 Abstract The chemical production process is a complex dynamic system The process is generally carried out under the extreme environment which may have high temperature
3、 high pressure low temperature vacuum poison or corrosiveness etc When the industrial production devices result in fault it will bring economical loss or even cause human injuries and environmental problems Improving the dependability and security depending on fault diagnosis technology is paid atte
4、ntion by companies and researchers lots of achievements have been obtained in fault diagnosis field This thesis mainly imitate and studied the Tennessee Eastman process Tennessee Eastman Process TEP Then described that five big operation elements in TE process In which including reactor condenser st
5、eam fluid separator compressor and stripper five big operation unit Method has carried out classification on TE process and the malfunction diagnose In this foundation studied the principal component analysis method Taking the TE process as an application background we programmed the MATLAB algorith
6、m of PCA drawed the T2 statistic Q statistic and contribution map proved the validity of the method Keywords TE pross Fault diagnosis imitate T2statistic Qstatistic 目录 1 绪论 1 1 1 课题的意义和研究现状 1 1 2 计算机模拟方法及故障诊断方法 3 1 2 1 计算机模拟方法 3 1 2 2 故障诊断方法 4 1 3 本文的主要研究工作 5 2 TE 过程 6 2 1 TE 过程简介 6 2 2 反应器 6 2 2 1
7、工业反应器的类型 7 2 2 2 釜式反应器的结构 9 2 2 3 反应釜的操作方式 10 2 2 4 连续釜式反应器数学模型及最佳操作 11 2 3 冷凝器 12 2 3 1 冷凝器的分类 13 2 3 2 水冷式冷凝器主要数学模型 15 2 4 分离器 15 2 4 1 气 液分离器 16 2 4 2 气 液旋流分离器 16 2 5 压缩机 18 2 5 1 压缩机的种类 18 2 5 2 离心式压缩机 18 2 6 汽提塔 21 2 6 1 汽提塔的主要部件 21 2 6 2 管式汽提塔 22 3 TE 过程的模拟与仿真实验研究 24 3 1 TE 过程模拟 24 3 2 TE 过程仿真
8、研究 29 3 2 1 TE 过程模拟图 29 3 2 2 仿真实验 30 3 3 本章小结 33 4 TE 过程的故障诊断方法研究 34 4 1 主元分析的故障诊断法原理 34 4 2 主元分析的故障诊断算法 36 4 2 1 正常过程主元模型的获得 36 4 2 2 Q 统计量 36 4 2 3 T2统计量 37 4 2 4 贡献图 37 4 3 仿真结果分析 38 4 3 1 故障 0 的研究 38 4 3 2 故障 7 的分析 39 4 4 本章小结 41 5 结论 42 致谢 43 参考文献 44 附录 A 英文原文 45 附录 B 汉语翻译 50 附录 C 程序代码 55 1 绪论
9、绪论 1 1 课题的意义和研究现状 过程控制工程以过程工业生产的 安 稳 长 满 优 为研究任务 所研究的对 象是工业生产过程 如炼油 化工 造纸等 这类生产过程一般具有多样性 复杂性和 危险性的特点 如何将设计的控制策略 优化算法等放在一个具有普遍性的实验对象 进行研究和测试是研究人员必须考虑的一个问题 因为在实验室研究和测试之前 将这 些算法直接安装在工业实际装置或流程上运行是不可能的 所以计算机过程模拟仿真 就成了主要的研究和测试手段 Tennessee Eastman 简称 TE 过程是一个用来开发 研究和评价过程控制技术的 化工过程模型 TE 过程第一次出现于 1990 年在芝加哥举
10、行的美国化工学会 AICHE 上 它是由美国 Eastman 化学公司的过程控制小组的 Downs 和 Vogel 提出 的 这个案例很适合于研究过程控制技术 尽管这个案例提出时已经修改了其中的构 成 过程和操作条件以保护这个过程的所有权 但这并不影响到它的性能和价值 因 而在他们提出这个模拟案例后 引起了过程控制学术界的广泛关注 此后许多学者 研究员等对这个案例的过程控制进行了深入广泛的研究并给出了相应的控制策略 T J Mcavoy 等人给出的 Base Control 控制策略在仿真研究等领域被广泛采用 而 Manabu Kano 等人研究了 TE 过程故障诊断的多元统计分析方法 可以说
11、 TE 过程具备了复杂工业生产过程所具备的特点 因此使用 TE 过程对提出 算法的有效性进行验证是具有代表性的 石油炼制 化工 电力 水泥 炼钢 冶金 热能等行业的生产过程中 它们的 生产过程往往处于高温 高压等极端条件下 生产过程产生异常 从而导致生产中断 甚至爆炸 泄漏毒气等危险情况发生 一旦出现生产故障不仅会给工厂带来不小的经 济损失 甚至严重威胁着人身安全 化工过程故障诊断是解决化工生产过程系统可靠 性 安全性 科学决策问题的关键技术之一 我们目前所说的故障诊断技术一般都是指以软件冗余 或解析冗余 为主的故障诊 断技术 是本世纪 70 年代初期以来首先从美国发展起来的 这项技术诞生以后
12、逐渐引 起了学术界的关注 并且在近十年来得到了迅速的发展 已取得了许多应用成果 促进 故障诊断技术迅猛发展的一个主要动力是市场的迫切需求 70 年代初以来 随着计算机 科学的发展 人们所建造的自动化装置的规模越来越大 投资也越来越高 如 现在一套 大型乙烯装置上就有成百上千的控制回路 整套装置的投资一般都在数十亿人民币以上 某些微小故障若不能及时排除 就有可能造成巨大的灾难 原苏联切尔诺贝利核电站的 泄漏事故 中国运载火箭的连续数次失事就说明了这一点 因此 在这种情况下 系统的 安全性就显得极其重要 提高系统可靠性和安全性的方法有多种 其中一个重要的方法 就是采用故障诊断技术 国内现有监控软件
13、主要采用单变量过程监控技术 多变量监控技术在理论和工程 应用方面都处于研究中 国内的清华大学 浙江大学 华东理工大学 华南理工大学 等在过程监控方面都作了大量的研究 浙江大学在研究传统的统计监控方法如主元分 析 PCA 法 偏最小二乘分析 PLS 法等基础上 目前重点研究独立成分分析 ICA 盲 源信号分析 BSA 等高阶统计量的信号统计方法在化工过程监控中的应用 所谓故障诊断 就是确定哪一种故障发生了 换句话说 就是确定所看到的故障 状态原因 即确定故障的类型 位置 量级和时间 1 化工过程故障诊断的任务 可 分为以下四个方面的内容 1 故障检测 确定故障是否发生 故障分离 在故障检测之后确
14、定故障的种类 故障发生的部位 故障评价 将故障对系统性能指标 功能的影响等做出判断和估计 给出故障等 级 故障决策 根据故障检测的信息和故障评价的等级做出故障诊断决策 针对不同的 工况 对系统做出报警 修改操作或控制 甚至停机进行维修等决定 避免故障扩大 这部分主要方法有数学分析 控制理论 系统辨识 人工智能和模式识别等 评价一个故障诊断系统的性能指标主要有 故障检测的及时性 早期故障检测的灵 敏度 故障的误报率和漏报率 故障定位和故障评价的准确性 故障检测和诊断系统 的鲁棒性 下图为一个完整的故障诊断系统示意图 2 故障 检测 改操作 或控制 停止 运行 故障 报警 继续 运行 故障 评价
15、故障 决策 排除 故障 动态 系统 y t 无故障 故障 信息 原因 部位 大小 故障 等级 u t 故障 分离 图 1 1 故障诊断过程示意图 1 2 计算机模拟方法及故障诊断方法 1 2 1 计算机模拟方法 计算机模拟方法分机理分析法和系统辨识等多种方法 下面对机理分析法和系统 辨识法进行介绍 1 机理分析法 机理分析法需要分析过程的运动规律 运用一些已知的规律 定理和原理 如牛 顿三定律 生物学定律 能量平衡方程 物料平衡方程 化学动力学原理等 才能建 立起过程的数学模型的方法 2 系统辨识法 系统辨识是根据系统的输入输出时间函数来确定描述系统行为的数学模型 通过 辨识建立数学模型的目的
16、是估计表征系统行为的重要参数 建立一个能模仿真实系统 行为的模型 用当前可测量的系统的输入和输出预测系统输出的未来演变 通常 预 先给定一个模型类 M 一类输入信号 u 和等价准则 J L y yM 然后选择使 误差函数 J 达到最小的模型 作为辨识所要求的结果 系统辨识法包括 结构辨识和 参数估计法 在实际的辨识过程中 随着使用的方法不同 结构辨识和参数估计这两 个方面并不是截然分开的 而是可以交织在一起进行的 1 2 2 故障诊断方法 按照国际故障诊断权威 P M Frank 教授 1990 的观点 所有的故障诊断方法可以划 分成基于解析模型的方法 基于知识的方法和基于信号处理的方法三种 但随着近些 年故障检测与诊断技术的发展 并且与很多学科的交叉 如统计学 上述的分类方法 已不是很合适 因此 本文分为基于解析模型的方法 基于知识的方法 基于信号处 理的方法和基于统计数据的方法 下面详细介绍 1 基于解析模型的方法 基于解析模型的故障诊断方法要求被控对象有精确的数学模型 以残差为特征的 方法 残差是设备观测值与数学模型之间一致性检验的结果 它会由于故障 干扰 噪声和模型误差而不为零
