專利名稱：丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過(guò)程故障診斷領(lǐng)域，特別地，涉及一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
聚丙烯是以丙烯單體為主聚合而成的一種合成樹(shù)脂，是塑料工業(yè)中的重要產(chǎn)品。由于聚丙烯具有比重輕、耐抗沖、耐腐蝕、高透明、無(wú)毒性、強(qiáng)度好、電絕緣性能好且易于加工等優(yōu)良性能，因而被廣泛應(yīng)用于輕工、化工、化纖、建材、家電、包裝、汽車等領(lǐng)域，在目前我國(guó)的聚烯烴樹(shù)脂中，成為僅次于聚乙烯和聚氯乙烯的第三大塑料。
工業(yè)化的聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜性高，投資巨大，其生產(chǎn)裝置長(zhǎng)期安全、可靠、平穩(wěn)操作十分重要。在聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中，熔融指數(shù)(MI)是反映產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，是生產(chǎn)質(zhì)量控制和牌號(hào)切換的重要依據(jù)。但MI只能離線檢測(cè)，一般離線分析至少需要近2小時(shí)，耗資而且耗時(shí)，特別是離線分析的2小時(shí)期間將無(wú)法及時(shí)了解聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程的狀態(tài)。因此，選取與熔融指數(shù)密切相關(guān)的易測(cè)變量作為二次變量，從中分析熔融指數(shù)，檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程是否正常，對(duì)丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控就顯得異常重要。
現(xiàn)有聚丙烯工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于變量較多，各變量之間存在一定的相關(guān)性，對(duì)過(guò)程的監(jiān)控，本質(zhì)上宜采用多變量控制圖。因此現(xiàn)有的同時(shí)用多個(gè)單變量控制圖對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行監(jiān)控的故障診斷系統(tǒng)和方法，將難以準(zhǔn)確解釋過(guò)程的運(yùn)行狀況，并且會(huì)增大誤報(bào)率。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的不能在線測(cè)量熔融指數(shù)、難以得到較好的診斷效果、誤報(bào)率較高的不足，本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量熔融指數(shù)、能夠得到良好的診斷效果、有效減小誤報(bào)率的一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，包括與丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)以及上位機(jī)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成；智能儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)包括標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi,---(1)]]>2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾),---(2)]]>3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx,---(3)]]>其中，TX為訓(xùn)練樣本，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；主元分析模塊，用于進(jìn)行主元分析提取主成分，依照設(shè)置的主元方差提取率，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑x；②對(duì)∑x進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值，記選取個(gè)數(shù)為k；
④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；殘差分析模塊，用于計(jì)算殘差分析控制限，設(shè)置檢驗(yàn)水平為α，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0---(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3,h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)。
信號(hào)采集模塊，用于設(shè)定每次采樣的時(shí)間間隙，采集現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的信號(hào)；待診斷數(shù)據(jù)確定模塊，用于將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；故障診斷模塊，用于對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
作為優(yōu)選的一種方案所述的上位機(jī)還包括判別模型更新模塊，用于定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，輸出到標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊、主元分析模塊、殘差分析模塊，并更新殘差分析模塊中的模型。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的上位機(jī)還包括結(jié)果顯示模塊，用于將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
作為優(yōu)選的再一種方案所述的關(guān)鍵變量包括催化劑流率f4、輔催化劑流率f5、三股丙烯進(jìn)料流率(f1、f2、f3)、釜內(nèi)流體溫度T、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)P、釜內(nèi)液位l和釜內(nèi)氫氣體積濃度α。
一種用所述的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的故障診斷方法，所述的故障診斷方法包括以下步驟(1)、從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本TX；(2)、在上位機(jī)的主元分析模塊、殘差分析模塊中，分別設(shè)置主元分析方差提取率、殘差分析置信限α參數(shù)，設(shè)定DCS中的采樣周期；(3)、訓(xùn)練樣本TX在上位機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成3.1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi---(1),]]>3.2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾)---(2),]]>3.3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx---(3),]]>其中，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；(4)、進(jìn)行主元分析提取主成分，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑x；②對(duì)∑x進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；
③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；(5)、計(jì)算殘差分析控制限；當(dāng)檢驗(yàn)水平為α?xí)r，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0---(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3,h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)；(6)、將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
作為優(yōu)選的一種方案所述的故障診斷方法還包括(7)、定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，重復(fù)(3)～(5)的訓(xùn)練過(guò)程，以便及時(shí)更新殘差分析模塊的模型。
作為優(yōu)選的另一種方案在所述的(6)中，上位機(jī)將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
作為優(yōu)選的再一種方案所述的關(guān)鍵變量包括催化劑流率f4、輔催化劑流率f5、三股丙烯進(jìn)料流率(f1、f2、f3)、釜內(nèi)流體溫度T、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)P、釜內(nèi)液位l和釜內(nèi)氫氣體積濃度α。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為聚丙烯工業(yè)過(guò)程中，由于變量較多，各變量之間存在一定的相關(guān)性。現(xiàn)有技術(shù)中，同時(shí)用多個(gè)單變量控制圖對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行監(jiān)控將難以正確解釋過(guò)程的運(yùn)行狀況，并且會(huì)增大誤報(bào)率。本發(fā)明對(duì)過(guò)程的監(jiān)控，采用多變量控制圖。
將主元分析(PCA)和殘差分析(Q統(tǒng)計(jì)量)相結(jié)合，可以很好的應(yīng)用于多變量過(guò)程統(tǒng)計(jì)監(jiān)控。因?yàn)橹髟治龊蜌埐罘治鱿嘟Y(jié)合用于多變量監(jiān)控，在充分利用數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，降低了系統(tǒng)維數(shù)，使得監(jiān)控能夠更加準(zhǔn)確、可靠。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、主元分析算法簡(jiǎn)單，收斂性好，可以在不過(guò)多損失信息的前提下降低系統(tǒng)維數(shù)，用Q統(tǒng)計(jì)量對(duì)主元分析的殘差空間進(jìn)行分析監(jiān)控，具有成熟的理論基礎(chǔ)，計(jì)算簡(jiǎn)單，監(jiān)控效果好，使得故障診斷快捷有效，能更好的指導(dǎo)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效益；2、故障診斷系統(tǒng)建立在已有的DCS系統(tǒng)之上，實(shí)施簡(jiǎn)單，基本不需要硬件改造，成本低，易于推廣。


圖1是本發(fā)明所提出的故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明所提出的故障診斷系統(tǒng)功能模塊圖；圖3是聚丙烯生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖；圖4是主元分析和殘差分析(PCA-Q)檢測(cè)效果圖；圖5是本發(fā)明上位機(jī)的原理框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1參照?qǐng)D1、圖2、圖3、圖4以及圖5，一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，包括與丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2、DCS系統(tǒng)以及上位機(jī)6，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5構(gòu)成；智能儀表2、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)6通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，所述的上位機(jī)6包括標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊7，用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi,]]>2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾),---(2)]]>3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx,---(3)]]>其中，TX為訓(xùn)練樣本，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；主元分析模塊8，用于進(jìn)行主元分析提取主成分，依照設(shè)置的主元方差提取率，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑x；②對(duì)∑x進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值(一般取大于80％)，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；
殘差分析模塊9，用于計(jì)算殘差分析控制限，設(shè)置檢驗(yàn)水平為α，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0---(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3,h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)。
信號(hào)采集模塊10，用于設(shè)定每次采樣的時(shí)間間隙，采集現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的信號(hào)；待診斷數(shù)據(jù)確定模塊11，用于將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；故障診斷模塊12，用于對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
所述的上位機(jī)還包括判別模型更新模塊13，用于定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，輸出到標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊7、主元分析模塊8、殘差分析模塊9，并更新殘差分析模塊9中的模型。。
所述的上位機(jī)還包括結(jié)果顯示模塊14，用于將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
本發(fā)明所述的故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，所述的故障診斷系統(tǒng)的核心由包括標(biāo)準(zhǔn)化模塊7、主元分析模塊8、殘差分析模塊9等三大功能模塊和人機(jī)界面的上位機(jī)6構(gòu)成，此外還包括現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2，DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線。所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口3、控制站4、數(shù)據(jù)庫(kù)5構(gòu)成；丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程1、智能儀表2、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)6通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線依次相連，實(shí)現(xiàn)信息流的上傳和下達(dá)。故障診斷系統(tǒng)在上位機(jī)6上運(yùn)行，可以方便地與底層系統(tǒng)進(jìn)行信息交換，及時(shí)應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障。
本發(fā)明所述的故障診斷系統(tǒng)的功能模塊圖如圖2所示，主要包括標(biāo)準(zhǔn)化模塊7、主元分析模塊8、殘差分析模塊9等三大功能模塊。
所述的故障診斷方法按照如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)1、從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)5的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)以下九個(gè)變量的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本TX主催化劑流率f4、輔催化劑流率f5、三股丙烯進(jìn)料流率(f1、f2、f3)釜內(nèi)流體溫度T、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)P、釜內(nèi)液位l和釜內(nèi)氫氣體積濃度α；2、在上位機(jī)6的主元分析模塊8、殘差分析模塊9中，分別設(shè)置主元分析方差提取率、殘差分析置信限α等參數(shù)，設(shè)定DCS中的采樣周期；3、訓(xùn)練樣本TX在上位機(jī)6中依次經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理7、主元分析模塊8、殘差分析模塊9等功能模塊，采用以下步驟來(lái)完成上位機(jī)6中故障診斷系統(tǒng)的訓(xùn)練1)上位機(jī)6的標(biāo)準(zhǔn)化處理功能模塊7，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X。采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi---(1)]]>②計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾)---(2)]]>③標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx---(3)]]>其中N為訓(xùn)練樣本數(shù)，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；
上位機(jī)6的標(biāo)準(zhǔn)化處理功能模塊7所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化處理能消除各變量因?yàn)榱烤V不同造成的影響。
2)上位機(jī)6的主元分析功能模塊8，進(jìn)行主元分析提取主成分。所示的主元分析總方差提取率大于80％，計(jì)算過(guò)程采用協(xié)方差奇異值分解的方法。采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑x；②對(duì)∑x進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值(一般取大于80％)，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F。
主元分析在力求數(shù)據(jù)信息丟失最少的原則下，對(duì)高維的變量空間降維。其實(shí)質(zhì)是研究變量體系的少數(shù)幾個(gè)線性組合，并且這幾個(gè)線性組合所構(gòu)成的綜合變量將盡可能多地保留原變量變異方面的信息。很顯然，分析系統(tǒng)在一個(gè)低維空間要比在一個(gè)高維空間容易得多。
3)上位機(jī)6的殘差分析模塊9，計(jì)算殘差分析控制限。
當(dāng)檢驗(yàn)水平為α?xí)r，控制限可按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0---(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3,h0=1-2θ1θ33θ22]]>
λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)。
4、系統(tǒng)開(kāi)始投運(yùn)1)用定時(shí)器，設(shè)置好每次采樣的時(shí)間間隔；2)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表2檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)并傳送到DCS數(shù)據(jù)庫(kù)5的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中；3)上位機(jī)6在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)5的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)，作為待診斷數(shù)據(jù)VX；4)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX，在上位機(jī)6的標(biāo)準(zhǔn)化處理功能模塊7中，用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊8的輸入；5)上位機(jī)6中的主元分析模塊8，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后的矩陣輸入到殘差分析模塊9，作為殘差分析模塊9的輸入；6)上位機(jī)6中的殘差分析模塊9，采用下式來(lái)計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量對(duì)于第i個(gè)樣本，Qi＝eiei′其中ei是殘差矩陣E的第i行，若Q＜Qα，說(shuō)明該樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，反之，如果Q＞Qα，說(shuō)明該樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障；7)上位機(jī)6將故障診斷結(jié)果傳給DCS，并在DCS的控制站4顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示，使得現(xiàn)場(chǎng)操作工可以及時(shí)應(yīng)對(duì)。
5、模型更新在系統(tǒng)投運(yùn)過(guò)程中，定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集TX中，重復(fù)步驟3的訓(xùn)練過(guò)程，以便及時(shí)更新上位機(jī)6的殘差分析模塊9中的模型，保持模型具有較好的效果。
下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。
以聚丙烯生產(chǎn)HYPOL工藝實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)為例。圖三給出了典型的Hypol連續(xù)攪拌釜(CSTR)法生產(chǎn)聚丙烯的工藝流程圖，前2釜是CSTR反應(yīng)器、后2釜是流化床反應(yīng)器(FBR)。選取主催化劑流率、輔催化劑流率、三股丙烯進(jìn)料流率、釜內(nèi)流體溫度、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)、釜內(nèi)液位、釜內(nèi)氫氣體積濃度九個(gè)易測(cè)操作變量作為模型的輸入量，從生產(chǎn)過(guò)程的DCS系統(tǒng)中獲取這九個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其中五十個(gè)正常的樣本作為訓(xùn)練集，另二十二個(gè)樣本點(diǎn)作為測(cè)試集數(shù)據(jù)驗(yàn)證診斷效果。PCA提取主成分個(gè)數(shù)為7，置信概率0.98，采樣周期為2小時(shí)。圖4為PCA-Q檢測(cè)效果圖，圖中只畫(huà)出了前兩個(gè)主成分的分布。表1列出了與圖4相對(duì)應(yīng)的測(cè)試集中實(shí)際故障點(diǎn)和本系統(tǒng)檢測(cè)出的故障點(diǎn)，可以看出僅15號(hào)故障點(diǎn)漏報(bào)，誤報(bào)率為0。顯然，本系統(tǒng)具有較高的診斷準(zhǔn)確性。
表1實(shí)施例2參照?qǐng)D1、圖2、圖3、圖4以及圖5，一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷方法，所述的故障診斷方法包括以下步驟(1)、從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)3的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本TX；(2)、在上位機(jī)的主元分析模塊8、殘差分析模塊9中，分別設(shè)置主元分析方差提取率、殘差分析置信限α參數(shù)，設(shè)定DCS中的采樣周期；(3)、訓(xùn)練樣本TX在上位機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成
3.1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi---(1),]]>3.2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾)---(2),]]>3.3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx---(3),]]>其中，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；(4)、進(jìn)行主元分析提取主成分，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑x；②對(duì)∑x進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，…，λp，其中λ1≥λ2≥…≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值(一般取大于80％)，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；(5)、計(jì)算殘差分析控制限，當(dāng)檢驗(yàn)水平為α?xí)r，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0---(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3,h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)；(6)、將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)5中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
所述的故障診斷方法還包括(7)、定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，重復(fù)(3)～(5)的訓(xùn)練過(guò)程，以便及時(shí)更新殘差分析模塊9的模型。
在所述的(6)中，上位機(jī)將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
權(quán)利要求
1.一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，包括與丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)以及上位機(jī)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成；智能儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)依次相連，其特征在于所述的上位機(jī)包括標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi,...(1)]]>2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾),...(2)]]>3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx,...(3)]]>其中，TX為訓(xùn)練樣本，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；主元分析模塊，用于進(jìn)行主元分析提取主成分，依照設(shè)置的主元方差提取率，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑X；②對(duì)∑X進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，...，λp，其中λ1≥λ2≥...≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；殘差分析模塊，用于計(jì)算殘差分析控制限，設(shè)置檢驗(yàn)水平為α，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0...(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3]]>h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)；信號(hào)采集模塊，用于設(shè)定每次采樣的時(shí)間間隙，采集現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的信號(hào)；待診斷數(shù)據(jù)確定模塊，用于將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；故障診斷模塊，用于對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
2.如權(quán)利要求1所述的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括判別模型更新模塊，用于定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，輸出到標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊、主元分析模塊、殘差分析模塊，并更新殘差分析模塊中的模型。
3.如權(quán)利要求1或2所述的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述的上位機(jī)還包括結(jié)果顯示模塊，用于將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
4.如權(quán)利要求3所述的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，其特征在于所述的關(guān)鍵變量包括催化劑流率f4、輔催化劑流率f5、三股丙烯進(jìn)料流率(f1、f2、f3)、釜內(nèi)流體溫度T、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)P、釜內(nèi)液位l和釜內(nèi)氫氣體積濃度α。
5.一種用如權(quán)利要求1所述的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的故障診斷方法，其特征在于所述的故障診斷方法包括以下步驟(1)、從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中采集系統(tǒng)正常時(shí)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本TX；(2)、在上位機(jī)的主元分析模塊、殘差分析模塊中，分別設(shè)置主元分析方差提取率、殘差分析置信限α參數(shù)，設(shè)定DCS中的采樣周期；(3)、訓(xùn)練樣本TX在上位機(jī)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得各變量的均值為0，方差為1，得到輸入矩陣X，采用以下過(guò)程來(lái)完成3.1)計(jì)算均值TX‾=1NΣi=1NTXi...(1),]]>3.2)計(jì)算方差σx2=1N-1Σi=1N(TXi-TX‾)...(2),]]>3.3)標(biāo)準(zhǔn)化X=TX-TX‾σx...(3),]]>其中，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，N為訓(xùn)練樣本數(shù)，TX為訓(xùn)練樣本的均值；(4)、進(jìn)行主元分析提取主成分，采用協(xié)方差奇異值分解的方法，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)①計(jì)算X的協(xié)方差陣，記為∑X；②對(duì)∑X進(jìn)行奇異值分解，得到特征根λ1，λ2，...，λp，其中λ1≥λ2≥...≥λp，對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣為U；③計(jì)算總方差和每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率，按各個(gè)特征值的方差貢獻(xiàn)率從大到小累加直到總的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到給定值，記選取個(gè)數(shù)為k；④選取特征向量矩陣U的前k列，作為變換矩陣T；⑤計(jì)算主元，通過(guò)式子F＝T×X計(jì)算得到主元F；(5)、計(jì)算殘差分析控制限；當(dāng)檢驗(yàn)水平為α?xí)r，控制限按下式(4)計(jì)算Qα=θ1[Cαh02θ2θ1+1+θ2h0(h0-1)θ2]1h0...(4)]]>式中θi=Σj=k+1nλji,i=1,2,3]]>h0=1-2θ1θ33θ22]]>λi是X協(xié)方差矩陣的特征值，Cα是正態(tài)分布置信度為α的統(tǒng)計(jì)；(6)、將采集的數(shù)據(jù)傳送到DCS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在每個(gè)定時(shí)周期從DCS數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，得到最新的變量數(shù)據(jù)作為待診斷數(shù)據(jù)VX；對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)VX用訓(xùn)練時(shí)得到的TX和σx2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為主元分析模塊的輸入，用訓(xùn)練時(shí)得到的變換矩陣T對(duì)輸入進(jìn)行變換，變換后矩陣輸入到殘差分析模塊，計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的Q統(tǒng)計(jì)量，若Q＜Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)正常，過(guò)程對(duì)象正常；若Q＞Qα，判定樣本點(diǎn)Q統(tǒng)計(jì)異常，過(guò)程對(duì)象出現(xiàn)故障。
6.如權(quán)利要求5所述的一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷方法，其特征在于所述的故障診斷方法還包括(7)、定期將過(guò)程狀態(tài)正常的點(diǎn)添加到訓(xùn)練集VX中，重復(fù)(3)～(5)的訓(xùn)練過(guò)程，以便及時(shí)更新殘差分析模塊的模型。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷方法，其特征在于在所述的(6)中，上位機(jī)將故障診斷結(jié)果傳給DCS系統(tǒng)，并在DCS的控制站顯示過(guò)程狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線將過(guò)程狀態(tài)信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)操作站進(jìn)行顯示。
8.如權(quán)利要求7所述的一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷方法，其特征在于所述的關(guān)鍵變量包括催化劑流率f4、輔催化劑流率f5、三股丙烯進(jìn)料流率(f1、f2、f3)、釜內(nèi)流體溫度T、釜內(nèi)流體壓強(qiáng)P、釜內(nèi)液位l和釜內(nèi)氫氣體積濃度α。
全文摘要
一種丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，包括與丙烯聚合生產(chǎn)過(guò)程連接的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、DCS系統(tǒng)以及上位機(jī)，所述的DCS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口、控制站、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成；智能儀表、DCS系統(tǒng)、上位機(jī)依次相連，所述的上位機(jī)包括標(biāo)準(zhǔn)化處理模塊、主元分析模塊、殘差分析模塊、信號(hào)采集模塊、待診斷數(shù)據(jù)確定模塊以及故障判斷模塊。以及提出了一種故障診斷方法。本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量熔融指數(shù)、能夠得到良好的診斷效果、有效減小誤報(bào)率的丙烯聚合生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)及故障診斷系統(tǒng)及方法。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101038485SQ20061015541
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者劉興高 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)