1、 化工工程论文参考资料：半定量 SDG 模式视角下化工过程障碍诊断第一章 绪论1.1 化工过程故障诊断的研究背景美国异常工况处理代写论文协会数据表明：美国的石化行业每年的损失高达 200 亿美元，如果包括制药和精细化工行业，损失就更大了。在英国每年类似的损失达到 270 亿美元2 。在我国每年化工行业的安全事故也给国家和社会造成巨大的生命和财产损失。2012 年 2 月 28 日 9 时 20 分左右，河北省石家庄市赵县克尔化工有限公司一号车间爆炸事故已造成 17 人死亡 46 人受伤；2011 年 3 月 27 日 19 时 40 分左右, 安徽省安庆市迎江区鑫富化工有限公司制造车间 3 号
2、低温氯化釜发生爆炸，共造成 3 人死亡，1 人轻伤；2010 年 6 月 29 日, 辽宁省辽阳石化公司炼油厂原油输车间发生闪爆事故，3 人死亡，7 人受伤，均为、级烧伤。不断发生的化工安全事故时时刻刻都在提醒人们必须高度重视化工安全，同时也是对化工安全研究人员提出了新的挑战，开发实时高效的化工过程故障诊断技术成为该领域内的研究难点。化工生产过程是特殊的动态系统,与一般的工业生产不尽相同, 其生产环境通常都处于高温高压、低温真空、有毒或具有腐蚀性等苛刻条件下,一旦发生故障将会造成巨大的生命和财产损。故障诊断是一门综合性技术，它涉及现代控制论、信号处理与模式识别、计算机科学、人工智能、电子技术、
3、统计数学等等学科。根据现代化工生产过程的特殊性, 将计算机技术、智能控制理论、优化理论、信号处理技术等新型综合理论技术应用在故障诊断系统中, 形成化工过程智能故障诊断技术, 近年来已成为国际过程系统工程学术界和工业界研究的热点之一。国内外很多资料表明，开展生产过程的监控与故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，在采用诊断技术后，事故减少 75%，维修费用降低 25-50%。英国对 2000 个工厂的调查表明，采用诊断技术后每年节省维修费 3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅为 0.5 亿英镑。据中国有关部门统计，如果将故障检测与诊断技术推广，每年可以减少事故 50-70%，节约维修费 10-30%
4、，效益相当客观。因此化工过程的故障检测及诊断问题引起了越来越多的关注。1.2 化工过程故障诊断的基本概念1.2.1 化工过程故障诊断的定义广义上来说，所谓故障是指一定系统中某一个部件或参数发生了较大的偏差，使得系统的性能偏离了原先的正常水平，导致系统不能完成预期的目的和功能。在化工过程中，故障一般定义为该过程的某些可观测的变量或者计算参数超出了该化工过程正常运行所允许的范围，导致这种现象的有设备故障、设备老化、过程参数漂移和人为操作失误等等因素。化工过程的特殊性使得故障在化工运行上一般都会反映在流量 F、温度 T、压力 P、液位 L 等几个关键参数上。化工过程运行中的故障具有传播性、相关性、放
5、射性、延时性和不确定性等特征。所谓故障诊断，就是在一定的检测策略的指导下实施对被诊断系统的自动检测，通过检测获取诊断对象的故障模式，提取故障特征，并且在此基础上根据预定的推理原则，对故障信息作出综合评价，并向系统的操作者或控制者提示排除该故障所要采取的操作或措施。化工过程故障诊断则可以理解为根据化工过程的各种可测量的过程变量和状态参数来推断过程是否正常运行，判断故障发生的原因和部位，预测潜在故障的发生等。化工过程故障诊断依靠化工系统工程理论和运筹学方法，在事故区域中搜索可能的事故原因。操作人员利用这一工具可以部分弥补 DCS 控制中的误操作问题，这是生产过程实现从技术手段减少不安全行为的重要手
6、段。图 1-1 为化工过程故障诊断的一般框架。1.2.2 化工过程故障诊断的任务过程监测与故障诊断技术通过过程信息辨别和异常报警为大型化工过程正常运行提供了技术指导和支持。一般而言，化工过程故障诊断的任务有以下五个方面的内容：(1) 故障建模：按照已知的信息与系统中变量之间的输入-输出关系，建立被诊断系统的数学模型，作为对该系统进行故障诊断的依据(2) 故障检测：当系统的输出或某些过程参数出现扰动时，诊断系统能够从可测或不可测变量的推断中，判断被诊断系统是否发生了故障。故障检测是故障诊断的首要任务。3) 故障推断：在检测到故障后，给出故障源的具体位置，区别故障的原因是进料组分扰动、温度波动、传
7、感器失灵还是阀门卡死。故障推断是故障诊断技术的研究主体。(4) 故障辨识：在分离出故障后，确定故障的大小、发生时刻及其时变特性。(5) 故障的评价与决策：判断故障的严重程度及其对诊断对象的影响和发展趋势，针对不同的工况采取相对应的处理措施。第二章 SDG 简介2.1 SDG 的基本概念符号有向图是一种由节点和节点之间有方向的支路构成的络图，称为 SDG(SignedDirected Graph)。它能够直观清楚的体现系统中各个变量、各个部分之间的相互影响关系，是描述复杂系统一种十分有效的办法。SDG 是由节点和节点之间的有向支路两部分构成。其中节点代表系统的状态变量，可以是流量、液位、压力等物
8、理变量，也可以是阀门、开关、控制器等操作变量。节点的状态有 3 种不同情况：偏高、正常、偏低，分别用0 表示。稳态下各个节点的状态值用0表示，表示该变量的值高于上限阈值， 表示该变量的值低于下限阈值。节点之间的有向支路表示两节点之间的定性因果关系，有正影响和负影响两种，分别用表示。正影响表明原因变量(起始节点)与结果变量(终止节点) 变化方向相同, 即上游节点状态值的增加使得下游节点状态值也增加；负影响则表明原因变量与结果变量变化方向相反, 即上游节点状态值的增加使得下游节点状态值的减少。其中 影响在 SDG 图中用实线箭头表示， 影响在 SDG 图中用虚线箭头表示。SDG 中根据节点状态取值
9、的不同可以分为三级 SDG、五级 SDG 和多级 SDG 等类型。因此，SDG 是一类符号有向图的总称，可以根据运用领域和对节点及支路状态函数的不同定义，产生多种变化形式。目前，在工业领域应用最多的是三级 SDG。举一个简单的例子来说明 SDG 中节点、有向边和定性影响关系等。图 2-1 是环氧丙烷水合生成丙二醇的流程图。其中，氮气为保护气体，水和 1,2-环氧丙烷反应生成丙二醇，同时放出大量热，化学反应方程式为：C3H6O + H2O2N C3H8O +9104kJ/(kgmol)。反应在一个有搅拌器的反应器中进行，共有 3 股输入物料，分别是含有少量甲醇的 1,2-环氧丙烷(F1) 、工业
10、纯水(F2)和氮气(F3)。反应器有 2 股输出物料：反应废气(F5)和产品物流(F4)。系统中 F6 为冷却物料，用于调节反应温度。第三章 基于半定量 SDG 的故障. 33-423.1 模糊 SDG 模型 .33-363.1.1 隶属函数. 33-343.1.2 隶属函数的确定方式. 34-353.1.3 阈值. 35-363.2 基于模糊 SDG 模型的故障诊断框架 . 36-373.3 专家系统 .37-403.3.1 专家知识的表示. 38-393.3.2 知识库的建立和维护. 39-403.4 诊断推理 .40-413.5 本章小结 .41-42第四章 案例分析 .42-664.1
11、 TE 过程简介. 42-484.2 TE 过程的 SDG 模型. 48-504.3 参数阈值的设定. 50-514.4 TE 过程案例分析. 51-654.5 本章小结. 65-66结论在当今科技日新月异的背景下，大型化、自动化和复杂化已经成为化工工业的显著特点。这些特点一方面带给社会企业带来巨大的经济效益，提高了人民的生活水平；另一面也给国家和人民带来了潜在的安全隐患。众所周知，化工生产过程中所使用大多都是易燃易爆有腐蚀性的原料，反应过程的条件苛刻，通常是高温高压或是低温真空，而且工艺过程很复杂，一旦因故障引起化工安全事故将会给国家和社会带来严重的生命财产损失，因此化工过程的安全性越来越受
12、到人们的关注。本文针对化工过程的特点，建立了基于半定量 SDG 的故障诊断方法，为进一步的开发和工业应用打下了基础。本文的研究成果归结如下：(1)详细的分析了化工过程故障诊断的意义、基本概念和一般框架，明确了故障诊断的任务、特征和步骤，详尽的总结了各种故障诊断的方法，并对不同的诊断方法的优缺点进行对比，为开展后续的研究工作打下基础。(2)详细的分析了 SDG、SDG 模型、有效节点、相容通路的基本概念和相应的数学表达式，概括了建立 SDG 模型的方以及 SDG 故障诊断的研究进展，对三种不同的 SDG 建模方法进行比较。(3)详细的分析了怎样确定隶属函数，根据隶属函数确定节点阈值。在此基础上建立了基于半定量 SDG 模型的故障诊断框架，为 SDG 进行故障诊断提供了依据，通过 SDG 模型获取专家知识。(4)仔细分析了运用半定量 SDG 模型进行诊断的推理步骤，并对可能的故障源进行先后排序，排序原则：相容通路隶属度大的优先，路径短的优先，受影响因素多的优先。根据优先原则能够有效提高 SDG 模型诊断的分辨率。(5)以 TE 过程为研究对象，验证本文提出的诊断方法和推理机制的可行性。通过四个典型的案例研究，表明本文提出的基于半定量 SDG 模型的故障诊断方法能有效地提高诊断效率。
