CN100461043C - 工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法 - Google Patents

工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,包括与工业过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机,所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成;智能仪表、DCS系统、上位机依次相连,所述的上位机包括标准化处理模块、小波分解模块、主元分析功能模块、小波重构功能模块、支持向量机分类器功能模块以及故障判断模块。以及提出了一种故障诊断方法。本发明提供一种同时考虑工业过程数据的复共线性、非线性特性和多尺度特性、能够得到良好的诊断效果的的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法。

Description

工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法
(一)
技术领域
本发明涉及工业过程故障诊断领域,特别地,涉及一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法。
(二)
背景技术
聚丙烯是以丙烯单体为主聚合而成的一种合成树脂,是塑料工业中的重要产品。在目前我国的聚烯烃树脂中,成为仅次于聚乙烯和聚氯乙烯的第三大塑料。在聚丙烯生产过程中,熔融指数(MI)是反映产品质量的一个重要指标,是生产质量控制和牌号切换的重要依据。但MI只能离线检测,一般离线分析至少需要近2小时,耗资而且耗时,特别是离线分析的2小时期间将无法及时了解聚丙烯生产过程的状态。因此,选取与熔融指数密切相关的易测变量作为二次变量,从中分析熔融指数,检测生产过程是否正常,对丙烯聚合生产过程进行监控就显得异常重要。
聚丙烯生产过程从本质上来说是具有多尺度特性的,比如微观、宏观聚合动力学的空间多尺度特性,过程变量总是在不同采样率或尺度下得到的,相应的控制或操作也是在不同的时间和空间尺度下发生的。只有全面考虑到过程的复共线性和非线性特性,同时考虑丙烯聚合生产过程的多尺度特性,才能对聚丙烯生产进行准确、可靠的故障诊断。但是目前的故障诊断只考虑了聚丙烯生产过程的复共线性和非线性特性,而没有考虑到过程的多尺度特性,往往难以得到较好的故障诊断效果。
(三)
发明内容
为了克服已有的聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统的没有考虑过程的多尺度特性、难以得到较好的诊断效果的不足,本发明提供一种同时考虑工业过程数据的复共线性、非线性特性和多尺度特性、能够得到良好的诊断效果的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,包括与聚丙烯生产过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机,所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成;智能仪表、DCS系统、上位机依次相连,所述的上位机包括:
标准化处理模块,用于对数据库中采集系统正常时关键变量数据进行标准化处理,各变量的均值为O,方差为1,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成:
1)计算均值:
2)计算方差:
3)标准化:
其中,TX为训练样本,N为训练样本数,@为训练样本的均值;
小波分解功能模块,用于采用Mallat塔式分解算法将原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,依照分解层数,采用以下步骤来实现:
①将原始信号空间K可以分解为…-系列逼近空间匕与细节空间W1,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;
②计算逼近空间6。空间b由尺度函数{似办;Ue Ζ}张成,采用下式来计算:
Vj ={φ^)\φ, k{t) = 2-'m(p(:2-j t-k)} (4)
③计算细节空间Wjo细节空间Wj由小波函数= I,k^Z}张成,采用下式来计算:
W1 (5)
其中y是尺度因子,&是平移因子;
④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
其中,第一项代表近似信息,第二项为细节信息,逼近因子与细节因子采用Mallat算法计算;
所述的近似信息^//(0与细节信息Djf (J) (/ = 1,2,J),定义如下:
Φ元分析樺块,用干讲行主元分析搵取主成分,依照丰元分析方差摇取率,采用协方差奇异值分解的方法,采用以下步骤来实现:
①计算X的协方差阵,记为Σ Λ' .
②对Σ A-进行奇异值分解,得到特征根λ\,λ2’ ...,λρ,其中λ2λ2ΐ.2λρ, 对应的特征向量矩阵为U;
③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k;
④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T;
⑤计算主元,通过式子F==TxX计算得到主元F;
小波重构功能模块,用于进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的主元;
支持向量机分类器功能模块,用于核函数采用径向基函数A:(x(,x) = exp(-||x-x, \\/σ2),依照置信概率,将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
其中,OC1 (ί=1,···,Ν)是拉各朗曰乘子,X, (ί=1,···,Ν)是输入向量,y是输出变量,0是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的的方向,b为决定超平面位置的参数,3为核参数;
定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态·,
信号采集模块,用于设定每次采样的时间间隙,采集现场智能仪表的信号;待诊断数据确定模块,用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX;
故障诊断模块,用于对待检测数据VX用训练时得到的@和4进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入,用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为中主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到小波重构模块;将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,计算判别函数值,判别过程的状态。
作为优选的一种方案:所述的上位机还包括:判别模型更新模块,用于定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中,输出到标准化处理模块、小波分解模块、主元分析模块、小波重构功能模块,并更新支持向量机分类器的分类模型。
作为优选的另一种方案:所述的上位机还包括:结果显示模块,用于将故障诊断结果传给DCS系统,并在DCS的控制站显示过程状态,并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示。
作为优选的再一种方案:所述的关键变量包括主催化剂流率/4、辅催化剂流率/5、三股丙烯进料流率(/i、/2、/3)、釜内流体温度7"、釜内流体压强/>、釜内液位I和釜内氢气体积浓度a。
一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断方法,所述的故障诊断方法包括以下步骤:
(1)、确定故障诊断所用的关键变量,从DCS数据库的历史数据库中分别采集系统正常和故障时所述变量的数据作为训练样本TX;
(2)、在小波分解模块、主元分析模块和支持向量机分类器模块中,分别设置小波分解层数、主元分析方差提取率、支持向量机核参数和置信概率参数,设定DCS中的采样周期;
(3)、训练样本TX在上位机中,对数据进行标准化处理,使得各变量的均值为O,方差为I,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成·.
3.1)计算均值
3.2)计算方差
3.3)标准化:
其中,N为训练样本数,N为训练样本数,@为训练样本的均值;
(4)、用于采用Mallat塔式分解算法将采集的原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,采用以下步骤来实现:
①将原始信号空间Fq可以分解为一系列逼近空间b与细节空间%,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;
②计算逼近空间F>空间K;由尺度函数{似办),& e Z}张成,釆用下式来计算:
Vj = (4)
③计算细节空间WjO细节空间%由小波函数{办奶,/= I, :..J, k e Z}张成,采用下式来计算:
Wj ={〜(0| 〜W = 2'"V(2-々-々)} (5)
其中是尺度因子,々是平移因子;
④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
其中,第一项代表近似Ϊ息,第二项Sllf节信息,逼近因子与细节因子采用Mallat算法计算;
所述的近似信息心/«与细节信息Djfif) (/=1,2,...,J),定义如下:
(5)、进行主元分析提取成分,采用协方差奇异值分解的方法,采用以下步骤来实现:
①计算X的协方差阵,记为Σχ;
②对Σ ^进行奇异值分解,得到特征根λι, λ2,...,λρ,其中λ2λ2乙.之λρ, 对应的特征向量矩阵为U;
③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k;
④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T;
⑤计算主元,通过式子F二TxX计算得到主元F;
(6)、进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的- —■
土兀;
(7)、核函数采用径向基函数尤(1,3) = 6乂?(-||:^-\||/(72),将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
其中,a, (i=l,"%N)是拉各朗日乘子,X1 (i=l,…,N)是输入向量,y是输出变量,0是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的的方向,b为决定超平面位置的参数,5为核参数;
定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态;
(8)、将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX;对待检测数据VX用训练时得到的政和σ2χ进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入,用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为中主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到小波重构模块;将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,计算判别函数值,判别过程的状态。
作为优选的一种方案:所述的故障诊断方法还包括:(9)、定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中,重复(3)〜(7)的训练过程,以便及吋更新支持向量机分类器的分类模型。
作为优选的另一种方案:在所述的(8)中,计算判别函数值,并在上位机的人机界面上显示过程的状态,上位机将故障诊断结果传给DCS系统,并在DCS的控制站显示过程状态,同时通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示。
作为优选的再一种方案:所述的关键变量包括主催化剂流率/4、辅催化剂流率/5、三股丙烯进料流率(/!、/2、/3)、釜内流体温度Γ、釜内流体压强P、釜内液位I和釜内氢气体积浓度α。
本发明同时考虑聚丙烯生产过程数据的复共线性、非线性特性和多尺度特性,将主元分析、支持向量机和小波分析相结合,对工业过程进行故障诊断。其中,主元分析用于处理工业过程生产数据的复相关性,支持向量机分类器用于解决非线性分类问题,小波分析用于获取过程在不同尺度下的信息。
本发明的有益效果主要表现在:同时兼顾聚丙烯生产过程数据中的复相关性、多尺度特性和非线性特性等特性,充分利用了主元分析,多尺度系统理论和支持向量机各自的特点,将主元分析的解相关性能力,小波分析对信息不同尺度下的强分解与重构能力以及支持向量机的多变量非线性映射能力很好地结合了起来,发挥了各自的优势,使得故障诊断更加可靠有效,能更好的指导生产,提高生产效益。
(四)
附图说明
图I是本发明所提出的故障诊断系统的硬件结构图。
图2是本发明所提出的故障诊断系统功能模块图。
图3是小波分析的Mallat算法分解图。
图4是聚丙烯生产流程简图。
图5是MS-PAC-SVM检测效果图。
图6是本发明上位机的原理框图。
(五)
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
实施例I
参照图1、图2、图3、图4、图5以及图6,工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,包括与聚丙烯生产过程对象I连接的现场智能仪表2、DCS系统以及上位机6,所述的DCS系统由数据接口 3、控制站4、数据库5构成;智能仪表2、DCS系统、上位机6通过现场总线依次相连,所述的上位机6包括:
标准化处理模块7,用于对数据进行标准化处理,各变量的均值为O,方差为1,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成:
I)计算均值:(I)
2)计算方差:(2)
3)标准化
其中,TX为训练样本,N为训练样本数,@为训练样本的均值;
小波分解功能模块8,用于采用Mallat塔式分解算法将原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,根据小波分解层数,采用以下步骤来实现:
①将原始信号空间F0可以分解为--系列逼近空间6与细节空间%,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;
②计算逼近空间K;。空间匕由尺度函数{似办)JEZ}张成,采用下式来计算:
③计算细节空间%。细节空间%由小波函数
张成,采用下式来计算:
其中y是尺度因子,&是平移因子;
④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
其中,第一项代表近似信息,第二项为细节信息,逼近因子与细节因子采用Mallat算法计算;
所述的近似信息七/(0与细节信息Djfif) (/=1,2,定义如下:
主元分析模块9,用&#进行主元分析提取主成分,依照设置的主元分析方差提取率,釆用协方差奇异值分解的方法,釆用以下步骤来实现:
①计算X的协方差阵,记为Σ-γ ;
②对Σ X进行奇异值分解,得到特征根λ1; λ2,...,λρ,其中λ^λ2匕.之λρ, 对应的特征向量矩阵为U;
③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k;④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T;
⑤计算主元,通过式子F = TxX计算得到主元F;
小波重构功能模块10,用于进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的主元;
支持向量机分类器功能模块11,用于核函数采用径向基函数欠(x,,x) = exp(-1丨X-X, ||/σ2),依照设置的置信概率,将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
其中,(i=l,…,N)是拉各朗日乘子,X, (ί=1,···,Ν)是输入向量,y是输出变量,《是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的的方向,b为决定超平面位置的参数,5为核参数;
定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态;信号采集模块]2,用于设定每次采样的时间间隙,采集现场智能仪表的信号;待诊断数据确定模块13,用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX;
故障诊断模块14,用于对待检测数据VX用训练时得到的@和^^2进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入,用训练吋相同的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为中主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到小波重构模块;将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,计算判别函数值,判别过程的状态。所述的上位机还包括:判别模型更新模块15,用于定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中,输出到标准化处理模块7、小波分解模块8、主元分析模块9、小波重构功能模块10,并更新支持向量机分类器模块11的分类模型。
所述的上位机还包括:结果显示模块16,用于将故障诊断结果传给DCS,并在DCS的控制站显示过程状态,并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示。
本实施例的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统的硬件结构图如附图I所示,所述的故障诊断系统核心由包括标准化模块7、小波分解模块8、主元分析模块9、小波重构模块10、支持向量机分类器模块]1等五大功能模块和人机界面的上位机6构成,此外还包括:现场智能仪表2,DCS系统和现场总线。所述的DCS系统由数据接口 3、控制站4、数据库5构成;丙烯聚合生产过程I、智能仪表2、DCS系统、上位机6通过现场总线依次相连,实现信息流的上传和下达。故障诊断系统在上位机6上运行,可以方便地与底层系统进行信息交换,及时应对系统故障。
本实施例述的故障诊断系统的功能模块图如附图2所示,主要包括标准化处理模块7、小波分解模块8、主元分析模块9、小波重构模块10、支持向量机分类器模块11等五大功能模块。
所述的故障诊断方法按照如下步骤进行实施:
1、从DCS数据库5的历史数据库中采集系统正常时以下九个变量的数据作为训练样本TX:主催化剂流率/4、辅催化剂流率/5、三股丙烯进料流率if'、f2、/3)、釜内流体温度Γ、釜内流体压强P、釜内液位/和釜内氢气体积浓度α;
2、在上位机6的小波分解模块8、主元分析模块9和支持向量机分类器模块11中,分别设置小波分解层数、主元分析方差提取率、支持向量机核参数和置信概率等参数,并设定DCS中的采样周期;
3、训练样本TX在上位机6中,依次经过标准化处理7、小波分解8、主元分析9、小波重构10、支持向量机11等功能模块,采用以下步骤来完成诊断系统的训练:
I)上位机6的标准化处理功能模块7,对数据进行标准化处理,使得各变量的均值为0,方差为1,得到输入矩阵X。采用以下步骤来实现:
①计 :
②计算方差:
③标准化
其中N为训练样本数,,N为训练样本数,西为训练样本的均值;
上位机6的标准化处理功能模块7所进行的标准化处理能消除各变量因为量纲不同造成的影响。
2)在上位机6的小波分解功能模块8中,釆用Mallat塔式分解算法将原始信号分解为一系列近似信息和细节信息。所述的上位机6中小波分解模块8的小波分析釆用db3小波,分解层数取为3 — 7。采用以下步骤来实现:
①将原始信号空间F0可以分解为一系列逼近空间K;与细节空间Wj,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;
②计算逼近空间Vj。空间Fj由尺度函数{似办),k e Z}张成,采用下式来计算:
③计算细节空间Wj。细节空间%由小波函数{%,#),./ = I, .·, J-Ae Ζ} 张成,采用下式来计算:
W1 ={〜(0|%02-"V(2-々—灸)} (5)
其中./是尺度因子,A是平移因子。
④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
J
其中第一项代表近似信息,第二项为细节信息。逼近因子与细节因子ci#采用Mallat算法计算。其中所采用的Mallat算法的塔式分解图,如图2所示。
所述的近似信息4//(0与细节信息Djf [t) (/-=1,2, 定义如下:
AJ fit) = ILaJ/Pj At) (7)
keZ
Dj f ^ (8)
实际聚丙烯生产过程I本质上来说是具有多尺度特性的,各个尺度下的信息含量和所体现的系统特性是不同的,如果直接对系统进行建模,将忽略这种不同,从而导致会导致结果上的偏差。用小波分解提取各个尺度的信息,能更充分的挖掘过程数据所携带的信息,提升结果的精确度。
3)上位机6的主元分析模块9,进行主元分析,提取主成分。所述的主元分析总方差提取率大于80%,计算过程采用协方差奇异值分解的方法,采用以下步骤来实现:①计算X的协方差阵,记为Σχ;
②对Σι进行奇异值分解,得到特征根λρ λ2,…,λρ,其中λ2λ2ΐ.之λρ, 对应的特征向量矩阵为U;
③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献
率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,i己选取个数为k;
④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T;
⑤计算主元,通过式子F=TxX计算得到主元F。
很显然,分析系统在一个低维空间要比在一个高维空间容易得多。主元分析在力求数据信息丢失最少的原则下,对高维的变量空间降维,以得到丙烯聚合生产过程变量体系的少数几个线性组合,并且这几个线性组合所构成的综合变量将尽可能多地保留原丙烯聚合生产过程变量变异方面的信息。
4)上位机6的小波重构功能模块10,进行小波重构。
根据小波理论,将丙烯聚合生产过程各尺度下得到的主元相加,即得到丙烯聚合生产过程总的主元。
5)训练上位机6中的支持向量机分类器功能模块11的分类模型。
所述的上位机6中的支持向量机分类器功能模块9的核函数,采用径向基函数火(x,,x) = exp(-Il X-X11! /σ2),将训练过程化为如下二次规划求解问题:
从而得到分类函数,即如下函数的符号函数:
(ίο)
其中,(ί=1,···,Ν)是拉各朗日乘子,X, (ί=1,···,Ν)是输入向量,y是输出变量,®是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的的方向,b为决定超平面位置的参数,^为核参数;
定义当fiXP^O,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态。
支持向量机基于统计学习理论,采用结构风险最小化准则,很好地解决了工业聚丙烯生产熔融指数检测过程中存在的小样本、局部极小点、高维数等难题,用于工业聚丙烯生产熔融指数检测的分类问题能提高分类精度。
4、系统开始投运:1)用定时器,设置好每次釆样的时间间隔;
2)现场智能仪表2检测过程数据并传送到DCS数据库5的实时数据库中;
3)上位机6在每个定时周期从DCS数据库5的实时数据库中,得到最新的变量数据,作为待诊断数据VX;
4)待检测数据VX,在上位机6的标准化处理功能模块7中,用训练时得到的ΪΪ和σΊ;进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块8的输入;
5)上位机6的小波分解模块8,用训练时同样的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为上位机6中主元分析模块9的输入;
6)上位机6的主元分析模块9,用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到上位机6的小波重构模块10;·
7)上位机6的小波重构模块10,将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的组成分输入到上位机6的支持向量机分类器模块11;
8)上位机6的支持向量机分类器模块11,将输入代入训练得到的判别函数, 计算判别函数值,判别过程的状态,并在上位机6的人机界面上显示过程的状态
9)上位机6将故障诊断结果传给DCS,并在DCS的控制站4显示过程状态,同时通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示,使得现场操作工可以及时应对。
5、分类器模型更新
在系统投运过程中,定期将工业聚丙烯生产过程状态正常的点添加到训练集TX中,重复步骤3的训练过程,以便及时更新上位机6的支持向量机分类器11的分类模型,使分类器模型具有较好的分类效果。
下面详细说明本发明的一个具体实施例。
以聚丙烯生产HYPOL工艺实际工业生产为例。图三给出了典型的Hypol连续搅拌釜(CSTR)法生产聚丙烯的工艺流程图,前2釜是CSTR反应器、后2釜是流化床反应器(FBR)。选取主催化剂流率、辅催化剂流率、三股丙烯进料流率、釜内流体温度、釜内流体压强、釜内液位、釜内氢气体积浓度九个易测操作变量作为模型的输入量,从生产过程的DCS系统中获取这九个参数的数据作为训练样本,其中五十个正常的样本作为训练集,另二十二个样本点作为测试集数据验证诊断效果。小波分解层数为5,PCA提取主成分个数为7,支持向量机核参数为5,冒信概率0.98,采样周期为2小时。图5为MS-PAC-SVM检测效果图,图中只画出了前两个主成分的分布。表I列出了图5相对应的测试集中实际故障点和本系统检测出的故障点,可以看出仅15号故障点漏报,误报率为O。显然,
本系统具有较高的诊断准确性。
表I。
实施例2
参照图I、图2、图3以及图4,一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断方法,所述的故障诊断方法包括以下步骤:
(1)、确定故障诊断所用的关键变量,从DCS数据库的历史数据库中分别采集系统正常和故障时所述变量的数据作为训练样本TX;
(2)、在小波分解模块8、主元分析模块9和支持向量机分类器模块11中,分别设置小波分解层数、主元分析方差提取率、支持向量机核参数和置信概率等参数,设定DCS中的采样周期;
(3)、训练样本TX在上位机6中,对数据进行标准化处理,使得各变量的均值为O,方差为I,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成:
3.1)计算均值:
其中,N为训练样本数。
(4)、用于采用Mallat塔式分解算法将采集的原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,采用以下步骤来实现:
①将原始信号空间F0可以分解为一系列逼近空间Fj与细节空间%.,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;
②计算逼近空间F>空间K/由尺度函数{似洲彳e Z}张成,采用下式来计算:
③计算细节空间WjO细节空间%由小波函数I, 张成,采用下式来计算:
其中y是尺度因子,&是平移因子;
④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
其中,第一项代表近似信息,第二项为细节信息,逼近因子a#与细节因子采用Mallat算法计算;
所述的近似信息2j/(0与细节信息DjJif) (/'=1,2,…,J),定义如下:
(5)、进行主元分析提取i2成分,采用协方差奇异值分解的方法,釆用以下步骤来实现:
①计算X的协方差阵,记为Σι;
②对Σι进行奇异值分解,得到特征根λ1; λ2,...,λρ,其中λ2λ2ΐ.之λρ, 对应的特征向量矩阵为U;
③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k;
④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T;
⑤计算主元,通过式子F=TxX计算得到主元F;
(6)、进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的主元;
(7)、核函数采用径向基函数[(χ,,χ) = εχρ(-||χ-χ,||/σ2),将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
f{x) = Yuyioc,K{xi,x) + b (10)其中,a, (i=l,…,N)是拉各朗日乘子,Xt (ί=1,···,Ν)是输入向量,y是输出变量,ω是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的的方向,b为决定超平面位置的参数,0'为核参数;
定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态;
(8)、将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX;对待检测数据VX用训练时得到的@和4进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入,用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为中主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到小波重构模块;将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的主成分输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,·计算判别函数值,判别过程的状态。
所述的故障诊断方法还包括:(9)、定期将过程状态正常的点添加到训练集VX中,重复(3)〜(7)的训练过程,以便及时更新支持向量机分类器的分类模型。
在所述的(8)中,计算判别函数值,并在上位机的人机界面上显示过程的状态,上位机将故障诊断结果传给DCS系统,并在DCS的控制站显示过程状态,同时通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示。
所述的关键变量包括主催化剂流率/4、辅催化剂流率/s、三股丙烯进料流率(/i、./2、/3)、釜内流体温度Γ、釜内流体压强P、釜内液位/和釜内氢气体积浓度α。

Claims (8)

1、一种工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,包括与聚丙烯生产过程对象连接的现场智能仪表、DCS系统以及上位机,所述的DCS系统由数据接口、控制站、数据库构成;智能仪表、DCS系统、上位机依次相连,其特征在于:所述的上位机包括: 标准化处理模块,用于对数据库中采集系统正常时关键变量数据进行标准化处理,各变量的均值为O,方差为1,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成: 1)计算均值:
2)计算方差 3)标准化: 其中,TX为训练样本,N为训练样本数,@为训练样本的均值; 小波分解功能模块,用于采用Mallat塔式分解算法将原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,根据小波分解层数,采用以下步骤来实现: ①将原始信号空间K可以分解为一系列逼近空间Fj与细节空间Wj,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度;②计算逼近空间Fi7,空间b由尺度函数{心办),Ae Ζ}张成,采用下式来计算:
③计算细节空间细节空间%由小波函数{的,办),y = I,J, k ^ z}张成,采用下式来计算:
其中_/是尺度因子,A:是平移因子; ④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
其中,第一项代表近似信息,第二项为细节信息,逼近因子与细节因子4α采用Mallat算法计算; 所述的近似信息及//(0与细节信息Djfif) (/=1,2,J),定义如下:
主元分析模块,用于Ϊ行主元分析提取主成分,依照设置的主元分析方差提取率,采用协方差奇异值分解的方法,采用以下步骤来实现: ①计算X的协方差阵,记为Σχ; ②对ΣX进行奇异值分解,得到特征根&,λ2,…,、,其中λ2λ2ι.之λΡ, 对应的特征向量矩阵为U; ③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡 献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k; ④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T; ⑤计算主元,通过式子F=TxX计算得到主元F; 小波重构功能模块,用于进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的主元; 支持向量机分类器功能模块,用于将核函数设为径向基函数[(xpx) = exp(-||x-xj/σ2),依照设置的置信概率,将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
其中,%,i=l,…,N是拉各朗日乘子,Xi,i=l,…,N是输入向量,y是输出变量,0是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的方向,b为决定超平面位置的参数,σ为基宽度; 定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态; 信号采集模块,用于设定每次采样的时间间隙,采集现场智能仪表的信号;待诊断数据确定模块,用于将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX; 故障诊断模块,用于对待诊断数据VX用训练时得到的if和σ〗进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作为小波分解模块的输入,用训练时相同的参数对输入数据进行小波分解,得到的系数作为主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到小波重构模块;将对应的数据相加即得到原待测数据的主成分,并将所得到的组成分输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,计算判别函数值,判别过程的状态。
2、如权利要求I所述的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,其特征在于:所述的上位机还包括: 判别模型更新模块,用于定期将过程状态正常的点添加到训练集中,输出到标准化处理模块、小波分解模块、主元分析模块、小波重构功能模块,并更新支持向量机分类器的分类模型。
3、如权利要求I或2所述的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,其特征在于:所述的上位机还包括: 结果显示模块,用于将故障诊断结果传给DCS系统,并在DCS的控制站显示过程状态,并通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行
4、如权利要求3所述的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统,其特征在于·.所述关键变量包括主催化剂流率/4、辅催化剂流率/5、三股丙烯进料流率/1、/2、/3、釜内流体温度Γ、釜内流体压强P、釜内液位/和釜内氢气体积浓度。
5、一种用如权利要求I所述的工业聚丙烯生产熔融指数检测故障诊断系统实现的故障诊断方法,其特征在于:所述的故障诊断方法包括以下步骤:.1)、确定故障诊断所用的关键变量,从DCS数据库的历史数据库中分别采集系统正常和故障时所述变量的数据作为训练样本TX;.2)、在小波分解模块、主元分析模块和支持向量机分类器模块中,分别设置小波分解层数、主元分析方差提取率、支持向量机核参数和置信概率参数,并设定DCS中的釆样周期;.3)、训练样本TX在上位机中,对数据进行标准化处理,使得各变量的均值为O,方差为1,得到输入矩阵X,采用以下过程来完成: . 3.1)计算均值:
) .3.2)计算方差:(2)·3.3)标准化:
其中,TX为训练样本,N为训练样本数,反为训练样本的均值;·4)、用于采用Mallat塔式分解算法将采集的原始信号分解为一系列近似信息和细节信息,采用以下步骤来实现: ①将原始信号空间Fo可以分解为一系列逼近空间K;与细节空间妒;,其中J是最粗的尺度,也称为分解的尺度; ②计算逼近空间空间Fj由尺度函数{似办),e Z}张成,采用下式来计算:
③计算细节空间Wj。细节空间Wj'由小波函数{%,办),y = I, ...,J, k^Z)张成,采用下式来计算:
其中_/是尺度因子,A是平移因子; ④从而得到原始信息的分解信息,采用下式进行计算:
具干,第一项代表近似信息,第二项为细节信息,逼近因子力>与细节因子6^采用Mallat算法计算; 所述的近似信息4//(0与细节信息Djfif) 2, 定义如下:
·5)、进行主元分析提取主成分,采用协方差奇异值分解的方法,采用以下步骤来实现: ①计算χ的协方差阵,记为Σι; ②对Σχ进行奇异值分解,得到特征根X1, λ2,其中 对应的特征向量矩阵为U;③计算总方差和每个特征值对应的方差贡献率,按各个特征值的方差贡献率从大到小累加直到总的方差贡献率达到给定值,记选取个数为k; ④选取特征向量矩阵U的前k列,作为变换矩阵T; ⑤计算主元,通过式子F=TxX计算得到主元F;·6)、进行小波重构,根据小波理论,将各尺度下得到的主元相加,即得到总的主元;7)、核函数米用径向基函数Ar(x,,x) = exp(-|| x-x; Il/σ·2),将训练过程化为如下二次规划求解问题:
得到分类函数,即如下函数的符号函数:
其中,α,,i=l,…,N是拉各朗日乘子,χ,,i=l,…,N是输入向量,y是输出变量,ω是支持向量机超平面的法向量,决定超平面的方向,b为决定超平面位置的参数,σ为基宽度; 定义当f(x)>=0,数据样本处于正常状态;当f(x)<0时,处于异常状态;8)、将采集的数据传送到DCS实时数据库中,在每个定时周期从DCS数据库的实时数据库中,得到最新的变量数据作为待诊断数据VX;对待诊断数据VX用训练时得到的反和σχ2进行标准化处理,并将标准化处理后的数据作作为主元分析模块的输入;用训练时得到的变换矩阵T对输入进行变换,变换后矩阵输入到支持向量机分类器模块;将输入代入训练得到的判别函数,计算判别函数值,判别过程的状态。
6、如权利要求5所述的故障诊断方法,其特征在于:所述的故障诊断方法还包括:9)、定期将过程状态正常的点添加到训练集中,重复(3)〜(7)的训练过程,以便及时更新支持向量机分类器的分类模型。
7、如权利要求5或6所述的故障诊断方法,其特征在于:在所述的8)中,计算判别函数值,并在上位机的人机界面上显示过程的状态,上位机将故障诊断结果传给DCS系统,并在DCS的控制站显示过程状态,同时通过DCS系统和现场总线将过程状态信息传递到现场操作站进行显示。
8、如权利要求7所述的故障诊断方法,其特征在于:所述的关键变量包括主催化剂流率/4、辅催化剂流率/5、三股丙烯进料流率Z1、/2、/3、釜内流体温度Τ、釜内流体压强八釜内液位/和釜内氢气体积浓度。
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