制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的應(yīng)用范文

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摘要:制氧系統(tǒng)在鋼鐵冶煉中占有著非常重要的作用，在煉鋼過程中吹入高純度的氧氣可以提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時間，提高總產(chǎn)量。近年來，隨著制氧設(shè)備不斷向大型化、自動化方向發(fā)展，制氧設(shè)備故障診斷也面臨著新的困難和挑戰(zhàn)。基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法能夠很好地解決復(fù)雜、大型動態(tài)制氧系統(tǒng)產(chǎn)生的故障問題，因此智能化的制氧設(shè)備故障狀態(tài)診斷專家系統(tǒng)的建立就顯得非常必要了。

關(guān)鍵詞:制氧系統(tǒng);故障診斷;專家系統(tǒng)

一、設(shè)備故障診斷研究現(xiàn)狀

故障診斷過程的實質(zhì)是一種特殊的推理決策過程。根據(jù)現(xiàn)場工作人員所觀測的數(shù)據(jù)及設(shè)備表現(xiàn)的外部特征，找出所診斷的設(shè)備可能存在的故障或是找出這些故障發(fā)生的直接原因，是故障診斷的根本任務(wù)［1］。近年來，工程師們總結(jié)出了很多解決設(shè)備故障的理論及方法，總的來說，可分為以下三大類:一是基于解析模型的故障診斷方法:這是最早應(yīng)用于故障診斷的一種方法，也可稱之為基于數(shù)學(xué)模型的診斷方法。這種方法是通過對被診斷對象建立清晰嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)模型，從而利用精準的數(shù)學(xué)方法進行故障診斷。但是，隨著科技的發(fā)展，設(shè)備的更新，大多數(shù)設(shè)備故障無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以無法采用這種方法進行精準的故障診斷。二是基于信號處理的故障診斷方法:這種方法是通過利用檢測到的設(shè)備信號的頻率、幅值、方差等的變動情況對設(shè)備故障做出診斷。其中小波變換法是這種診斷方法中最常用到的一種故障診斷方法，常用于時變信號分析的故障處理。三是基于知識的故障診斷方法:隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，智能化的故障診斷方法也隨之應(yīng)運而生，成為了故障診斷的主流方法。基于知識的故障診斷方法是一個能夠?qū)崟r更新的開放系統(tǒng)，可以在診斷過程中不斷補充新的知識，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。基于知識的診斷方法所采用的理論技術(shù)有模糊控制、故障樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機及專家系統(tǒng)等多種。其中，基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，對于其涉及的不同領(lǐng)域內(nèi)的不同的設(shè)備故障可以選擇不同的故障診斷方法，以求達到最好的診斷效果。目前，基于知識的故障診斷方法隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時代的到來，成為了故障診斷領(lǐng)域最熱門的研究方法，也推動了人工智能故障診斷方法的有效運用。

二、基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法

基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法是基于知識的故障診斷方法的一個分支，該診斷方法是利用現(xiàn)今發(fā)達的計算機軟件技術(shù)將各個領(lǐng)域不同專家的經(jīng)驗、知識和研究成果變換成一類包含知識和推理的計算機程序，根據(jù)程序中知識庫存儲的領(lǐng)域?qū)＜覍Σ煌收献龀龅呐袛啵瑢?yīng)實際設(shè)備中出現(xiàn)的故障，利用計算機實現(xiàn)設(shè)備的自診斷［2］。基于專家系統(tǒng)的故障診斷方法在結(jié)構(gòu)上主要由以下四部分組成:

(一)知識的獲取

專家系統(tǒng)也被人們稱為是“基于知識的系統(tǒng)”，知識的獲取對于整個專家系統(tǒng)而言是至關(guān)重要的核心單元。實際工作中，專家系統(tǒng)解決實際問題能力的強弱，與專家系統(tǒng)中知識庫所包含知識量的豐富程度有著直接的關(guān)系。知識的獲取是知識庫建立的基礎(chǔ)，同時也是知識庫修改和擴充的后勤保障。簡單系統(tǒng)當中，知識獲取機構(gòu)可以是一個簡單的知識編輯程序，在較為復(fù)雜的大型系統(tǒng)中，知識擴區(qū)機構(gòu)也可以擴展為一個復(fù)雜的知識獲取子系統(tǒng)，專家系統(tǒng)通過這個子系統(tǒng)可自動獲取所需知識。

(二)知識庫的建立

建立專家系統(tǒng)時，最為關(guān)鍵的一項任務(wù)就是知識庫的設(shè)計和建設(shè)。知識庫的建立實質(zhì)上就是將領(lǐng)域?qū)＜业闹R和現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗編織成計算機語言存儲到計算機中，用于實際具體問題的求解。知識庫中的知識有靜態(tài)的也有動態(tài)的，分別存放于不同的數(shù)據(jù)庫中。

(三)推理機的建立

專家系統(tǒng)想要順利的利用知識庫中存儲的領(lǐng)域知識去解決實際問題，還需要擁有一定的推理能力才能夠?qū)崿F(xiàn)問題的解決。推理機制就是通過規(guī)劃、搜索和推理三個步驟，利用從知識庫中獲取的相關(guān)知識，結(jié)合用戶提供的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行問題的推導(dǎo)，最終得出解決方法的機構(gòu)。常用的三種推理方法有:正向推理、反向推理和正反向混合推理［3］。

(四)解釋器的建立

對于一個良好的結(jié)構(gòu)完整的專家系統(tǒng)來講，不但能夠通過專家經(jīng)驗來解決實際問題，還應(yīng)能夠?qū)o出的結(jié)論做出合理的解釋。這樣，才能讓工作人員完全信任專家系統(tǒng)得出的結(jié)論。總之，解釋機構(gòu)的建立能夠讓用戶更加清晰地認識整個專家系統(tǒng)，對程序正在做什么，為什么這樣做，結(jié)論具體是如何得出的一個較為全面的認知。擁有縝密的解釋機制使專家系統(tǒng)的一大亮點。總之，設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的建立，讓計算機有了思維能力，拓寬了計算機的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了故障的自診斷。同時，幫助不具有編程能力的現(xiàn)場工程技術(shù)人員建立了功能強大的程序系統(tǒng)。現(xiàn)場工作人員通過專家系統(tǒng)可以將他們在實際工作中遇到的故障實例、處理經(jīng)驗和知識輸入到專家系統(tǒng)中，從而豐富專家系統(tǒng)的知識庫，使專家系統(tǒng)能夠更為高效，有針對性地進行工作。

三、制氧設(shè)備故障特點及常見故障

制氧機組制氧工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多。設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，如果單靠人為診斷故障原因，不但耗時長，診斷結(jié)果還不一定準確。想要找到一種高效的故障診斷方法，就需要對制氧設(shè)備故障特點及引發(fā)故障的原因有充分的認識和了解［4］。制氧設(shè)備的故障特點主要有以下兩點:

(一)制氧設(shè)備故障存在模糊性

例如，制氧設(shè)備運行過程中，操作人員發(fā)現(xiàn)某一設(shè)備工藝參數(shù)發(fā)生了較大的波動，檢查該設(shè)備時并沒有發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在故障問題，這就有可能是制氧機組中其他設(shè)備的故障引發(fā)了該設(shè)備工藝參數(shù)的變動。但是，具體是其中的哪個設(shè)備出現(xiàn)的問題，并不能及時找出并排除故障。

(二)制氧設(shè)備故障具有高度非線性、時變和時滯性

大量的實踐經(jīng)驗證明，很多時候制氧設(shè)備出現(xiàn)的故障都是由一些被人們忽略的小問題積累到一起而造成的。但是這些小問題不容易被人們發(fā)現(xiàn)，所以故障的產(chǎn)生具有一定的延遲性。但是小問題不解決，會引發(fā)蝴蝶效應(yīng)，造成大故障的出現(xiàn)，某些時候甚至?xí)斐烧麄€機組停止運行的重大事故。制氧設(shè)備故障主要有三大類:(1)磨損性故障，此類故障有因工藝參數(shù)波動過大，超出正常范圍值引發(fā)的故障;有因氣液分離異常導(dǎo)致氮氧抽取比例失衡引發(fā)的故障;有因操作人員技能水平不均，導(dǎo)致設(shè)備操作調(diào)整不及時，或操作失誤引發(fā)的故障。(2)電氣故障，此類故障有因制氧設(shè)備長期處于低溫、高溫、振動等惡劣環(huán)境下導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)老化、破損，使得設(shè)備參數(shù)偏離正常數(shù)值而引發(fā)故障;還有因程序自動控制閥門線性控制不好、PID參數(shù)與閥門實際動作線性不一致，閥門控制出現(xiàn)偏差、波動，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。(3)控制故障，此類故障多是因為設(shè)備使用不當，沒有良好的維護等因素，使得設(shè)備老化異常引發(fā)設(shè)備故障。

四、制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的建立

(一)建立制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)流程

制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的開發(fā)大致可分為六個階段，經(jīng)過六個不同階段階梯式開發(fā)，使整個系統(tǒng)得到充分的升華和完善。

1．認識階段

在系統(tǒng)建設(shè)初期，知識工程師首先要與領(lǐng)域?qū)＜疫M行對接、研討，針對該系統(tǒng)需要解決的是什么問題，這些問題都有哪些子問題組成，有哪些類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，專業(yè)術(shù)語都有什么，求解問題時需要具備的專業(yè)知識有哪些等問題進行一一探討與梳理。最終形成雙方均能夠認可的系統(tǒng)整體框架。

2．概念化階段

在系統(tǒng)整體框架確定之后，概念化階段需要系統(tǒng)的對需要解決的問題及解決問題時所需的專業(yè)知識進行梳理和明確，力求與認識階段所給出的系統(tǒng)整體框架相匹配。概念化階段對有哪些有效數(shù)據(jù)，已知條件有什么，能得到哪些結(jié)論，有哪些子任務(wù)，子任務(wù)如何命名，有哪些求解方法，系統(tǒng)能否層次化，問題求解過程中會有哪些約束條件，能否正確區(qū)分求解知識和解釋知識等問題進行進一步明確。

3．形式化階段

通過以上兩個階段的工作之后，可以開始進行制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的模型的設(shè)計和建立了。模型建立的好壞直接影響到專家系統(tǒng)整體性能的好壞及開發(fā)進度。所以說，模型的建立是該階段最為重要的工作，也是整個專家系統(tǒng)建設(shè)過程中的重點、難點。

4．實現(xiàn)階段

實現(xiàn)階段就是把形式化階段建立的模型現(xiàn)實化，實踐模型具體工作過程。也就是通過特定的編程方法將上一階段中談到的問題、總結(jié)的知識點、研究的推理方法用計算機語言表示出來，形成計算機程序。

5．測試階段

測試階段會把系統(tǒng)中存在的大大小小的問題一一暴露出來，在這個階段需要對這些問題進行頻繁的修改，對整體系統(tǒng)進行頻繁的改造與升級，通過反復(fù)的測試和修改，力求使整個系統(tǒng)的功能更加完善、強大，達到用戶對系統(tǒng)的總體要求。

6．驗收階段

在驗收階段需要對建立的專家系統(tǒng)進行試運行，通過對試運行期間隊形的觀察確定系統(tǒng)整體的完善性，并對觀察到的問題提出修改意見，通過對試運行階段的調(diào)整使整個專家系統(tǒng)更加符合實際需求。之后，便可以進行文件手冊的編寫，將其進行商品化，正式投入實際運行了。

(二)制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)功能構(gòu)成

制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的整體架構(gòu)由構(gòu)成該系統(tǒng)的各分支架構(gòu)的構(gòu)造方法和具體組織方法決定［5］。專家系統(tǒng)的實用性，由系統(tǒng)在解決實際發(fā)生問題時的能力和效率決定。那么怎樣的結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的呢?這與系統(tǒng)具體的工作環(huán)境和需要系統(tǒng)解決的問題的特點來決定。依照制氧系統(tǒng)工況及制氧設(shè)備故障特點，設(shè)計制定制氧設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖2所示。

1．實時監(jiān)視與歷史查詢

實時監(jiān)視是指對制氧設(shè)備運行過程中各種數(shù)據(jù)的變化的追蹤和監(jiān)測。包括對精餾塔主監(jiān)視圖、實時參數(shù)總表、實時時域波形圖、實時全息譜和實時BODE圖等圖形的分析和監(jiān)測。通過對這些圖形的監(jiān)測和分析，有利于機組運行人員及時了解設(shè)備運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)問題，能夠協(xié)助檢修人員完成設(shè)備故障檢測和診斷。歷史查詢主要是將設(shè)備運行過程中各種有效數(shù)據(jù)以運行參數(shù)日報表、異常報表、隨機表表、事故分析報表等形式存儲下來，以便于日后檢修人員與運行人員在遇到類似問題時進行查詢參考。

2．狀態(tài)分析

狀態(tài)分析分為運行參數(shù)分析、偏差分析和運行狀態(tài)分析三部分。通過對運行參數(shù)的分析可以明確機組主要運行參數(shù)值和熱經(jīng)濟性的目標值。通過偏差分析可以確定實際運行參數(shù)與目標值之間的差距，以便于及時調(diào)整有關(guān)參數(shù)，穩(wěn)定設(shè)備運行。通過對設(shè)備運行狀態(tài)分析，可以掌握設(shè)備運行過程中參數(shù)變化情況，從而掌握各機組主要輔機的具體運行情況。

3．故障診斷

故障診斷模塊是最為重要的組成部分，它包含了四大部分:征兆故障對照表、推理機的建立、故障診斷歷史紀錄、機組狀態(tài)綜合評價。征兆故障對照表能夠很清晰地反映遠程故障診斷系統(tǒng)做出的故障診斷與故障主要征兆的對應(yīng)關(guān)系。推理機其實就是一套閉環(huán)的計算機程序，指導(dǎo)著系統(tǒng)整體的運行方式。正向推理指的是由機組對外表現(xiàn)出來的某些征兆推斷出機組具體故障，采用的是正向思維方式查找故障。反向推理是從結(jié)果入手查找出產(chǎn)生這種結(jié)果的原因，采用的是假設(shè)某種結(jié)論成立，反向查找產(chǎn)生這種結(jié)論的原因，在與實際設(shè)備特征進行比較，看假設(shè)是否成立，直至找出正確結(jié)論。正反向混合推理集合了前兩種單一推理方法的優(yōu)點。該方法采用先正向推理再反向推理的方法，與人類思維方式極為相似，能夠解決比較復(fù)雜的問題。歷史診斷模塊是對推理機產(chǎn)生的歷史診斷記錄進行查詢，用戶可以通過查找機組之前存在過的故障信息，判斷現(xiàn)在有可能產(chǎn)生的是哪一類故障，從而加快故障的發(fā)現(xiàn)與排除。機組狀態(tài)綜合評價模塊是指，按照某一融合算法將各種通道的診斷結(jié)論進行綜合，得出反映機組整體狀態(tài)的診斷結(jié)論。

4．系統(tǒng)維護

專家系統(tǒng)在運行過程中，需要不斷增強求解問題的能力，這就需要增強對知識組織和知識庫的維護，只有不斷地充盈知識庫中的信息，才能夠使專家系統(tǒng)不斷強大。否則，當遇到復(fù)雜任務(wù)的時候，專家系統(tǒng)將無法給出合理的解決方法，所以，即便是系統(tǒng)交付使用后，也會存在具體維護問題。專家系統(tǒng)可以將很多領(lǐng)域?qū)＜铱偨Y(jié)的知識匯總到一起，發(fā)現(xiàn)問題時，通過匯集的專家知識對問題進行分析、比對、推理，從而得出最佳解決方法。現(xiàn)場技術(shù)人員還可以通過對現(xiàn)場設(shè)備的觀察及對運行參數(shù)的分析，在計算機系統(tǒng)的幫助下快速解決實際故障。這也是設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)近年來成為熱門研究課題的原因。

五、結(jié)語

制氧系統(tǒng)是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，設(shè)備眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何能夠更好利用故障診斷專家系統(tǒng)完成制氧系統(tǒng)的故障診斷，使整個故障診斷系統(tǒng)更為優(yōu)化，是今后仍需努力研究的方向。我相信，隨著科技的進步，專家系統(tǒng)故障診斷方法將更加完善，應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。

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作者:閆慧敏 單位:甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院