（检测技术与自动化装置专业论文）基于遗传神经网络的铝电解槽诊断系统研究.pdf

北方+ r 业大学硕士学位论文 摘要 铝电解槽是铝电解生产的主要设备，铝电解槽运行是否正常，不仅关系到电解铝的 经济技术指标，而且影响铝电解槽的寿命以及r 常生产。铝电解槽是一个非线性、多耦 合、时变和大时滞的工业过程体系，在铝电解过程中，形成了复杂多变的槽况特征，如 阳极效应、阳极病变、冷槽、热槽和不稳定槽等，故障种类多，难以检测，而且有些故 障一旦发生，将会造成巨大的经济损失，影响安全生产。因此，本文对铝电解槽槽况进 行故障诊断研究并丌发了铝电解槽故障诊断软件系统。 本文首先对铝电解乍产原理和故障模式进行了介绍和分析，从槽电阻信号入手，建 立以频淆能量为特征向量的故障样本和b p 神经网络模型。由于b p 神经网络对仞值的 要求高，存在容易陷入局部最小值、收敛速度慢等缺陷和不足，本文利用遗传算法的全 局最优搜索能力，对b p 神经网络的初始权值和阈值进行优化。这样能够有效的加快学 习速度，并增强了诊断识别的泛化能力。本文通过m a t u 旧对故障诊断算法进行编 程，并由c o mb u i l d e r 编译生成c o m 组件，提供给v i s u a lc + + 进行调用。 其次，用u s a lc + + 6 0 和s q ls e e r2 0 0 0 设计开发了铝电解槽故障诊断软件系 统，该系统主要分为故障诊断子系统和数据传输子系统。本文介绍了所选用的开发软件 和开发环境，并从软件的总体结构设计、故障诊断子系统和数据传输子系统的设计，到 其他主要功能模块，如数据实时显示和动态曲线显示模块、历史数据查询模块、报表生 成和打印模块、在线帮助模块等的设计和开发，进行了详细地说明和论述，并生成了故 障诊断软件系统的应用程序安装包。 最后，通过比较，没有经过优化的b p 神经网络经历3 1 3 1 次训练达到指定精度， 运行时间为3 8 8 2 8 2 4 1 3 s ，经过遗传算法优化的b p 神经网络经历2 5 7 1 次训练达到指定 精度，运行时间为2 2 1 9 9 6 9 4 5 s ，训练次数减少了1 8 ，收敛时间缩短了4 3 。通过3 0 组测试样本的测试，故障诊断的正确率在8 0 左右。通过给定的测试环境和测试方 案，对故障诊断软件进行了功能测试和应用，结果显示，对发生故障的诊断基本正确。 关键词：铝电解，遗传算法，b p 神经网络，软件系统 北方t 业大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nd i a g n o s i ss y s t e mf o ra l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lb a s e do n g e n e t i cn e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t u m i n i u mr e d u c t i o nc e ui st h em a i np r o d u c t i o ne q u i p m e n t w h e t h e rt h es t a t u so f t h e a l u m i n i u mr e d u c t i o nc e ni sn o 丌n a l ，n o to n l yr e l a t e dt ot h ee c o n o m i ca n dt e c h n i c a li n d i c a t o r s ， b u ta l s oa f f e c tt h el i f eo fa l u m i n i u mc e l la n dd a y t o d a yp r o d u c t i o n u m i n i u mr e d u c t i o nc e l l i san o n l i n e a r ，m u l t i c o u p l i n g ，a n dt h et i m e v a r y i n gt i m e d e i a ys y s t e mo fi n d u s t r i a lp r o c e s s 1 1 1 t h ee l e c t r o l ”i cp r o c e s s ，i tf o n n e dac o m p l e xm u l t i c h a n g et h es t a t u so ft h ec e l lf e a t u r e s ，s u c ha s a n o d ee f f e c t s ，a n o d ed i s e a s e ，c o l dc e l l ，h e a tc e l la n du n s t a b l ec e l l ，e t c ni sd i f f i c u l tt 0b e d e t e c t e d ，a n ds o m ef a u l i sw i l lr e s u l ti nh u g ee c o n o m i cl o s s e sa n dt h ei m p a c to np r o d u c t i o n s a f e t y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rm a i n l yi n v e s l i g a t e d t h ef a u l td i a g n o s i so ft h e a l u m i n i u m r e d u c t i o nc e l la n dd e s i g n e do ft h es o f t 、v a r es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ep n c i p l eo fe l e c t i 0 l y t i cp r o d u c t i o na n di t sf a u l tm o d e sw a si n n 0 d u c e d a n da n a l v s j s f i r s t l v ，t h ea u t h o rs e tu pt h eb pn e u r a ln e 觚o r km o d e lf o r t h ef a u l td i a 印o s i so f t h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l lb e c a u s ei ti sh a r dt oc o n f o mt h ei n i t i a lv a l u eo ft h eb pn e u r a l n e 似。咄a j l di ti se a s yt ol o c a lm i i l i m u m ，s l o wc o n v e 略e n c ed e f e c t sa j l ds h o r t c o m i l l 笋t h u s ， t h ep a p e ru s e dg e n e t i ca 1 9 0 r i t h i i lt o 叩t i m i z et h eb pn e u r a ln e 伽o r ki i l i t i a lv a l u e nc a l l e f ! f 色c t i v e l ya c c e l e r a t et h el e 锄i n gs p e e d 锄de i l i l a n c e dr e c o 印i t i o no f t h eg e n e r a l i z a t i o na b i l i t ) ， t h ef a u l td i a 朗o s i sa l g o r i t h mj sp r o 伊姗e db yt h em a r l 蛆，a i l dt h ea u t h o ru s e dt h ec o m b u i l d e rt oc o m p i l e ri tt oc o mc o m p o n e n t s t 1 l u s ，i tc 柚b eu s e db yv i s u a lc + + s e c o n d l y ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ef a u l td i a g n o s i ss o f t w a r es y s t e mw i t hv i u s a l c + + a n ds q ls e e r2 0 0 0 ，w h i c hc a nb ed i v i d e di i l t os u b s y s t e mf a u l td i a 印o s i sa i l dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s t h es y s t 锄m a i n l yc o m p o s e so fm a n ym o d u l e s ，s u c ha sr e a l - t i i l l ed a t a d i s p l a ya 1 1 di i ) r i l 锄i cc u em o d u l e s ，l l i s t o r i c a ld a t aq u e 巧m o d u l e ，p r i n t i l l gr e p o nf o m sm o d u l e ， 0 i l j j m eh e l pm o d u l e ，e t c t h e n ，t h ea u t h o rm a d et h es o r w a r ci i l s t a l l a t i o np a c k a g e f i i l a l l y ，t h eb pn e u r a ln e 呐o r kw m c hh a sn o tb e e no p t i i i l i z e dr e a c ht h ea p p o i i l t e da c c u r a c y m e r3 1 3 1t m i n i n g ，w h e nm n t i l l l ei s3 8 8 2 8 2 4 1 3 s ，n eb pn e u r a ln e m o r kw l l i c hh a sb c e n o p t i i i 血e dr e a c ht l l ea p p o i i l t e da o c u r a c y 如r2 5 7 1t r a j i l i l l g ，w h e nm n - t i i i l ei s2 2 1 9 9 6 9 4 5 s t h e t 汹g t i m e sr e d u c e d1 8 柚dt h e1 1 j n - t i i i l er e d u c e d4 3 a c c o r d i n gt o3 0t e s ts 锄p l e s ，t h c a c c u m c yo ff a u l td i a g n o s i si sa b o u t8 0 7 1 1 l es y s t e mm a d e ar e s u l tf o rt h ef a u l td i a g n o s i su n d e r t h et e s te n v i r o 玎m e n ta n dt e s tp r o j e c t t h er e s u l ti sb a s i cr i g i l t ，a n dt h ea u t h o r 舀v e st h eu s e r i i l t e l l f a c ea n dt e s ti e s u l t si i lt h ee n d k e yw o r d s ：u m 埘u mr e d u c t i o nc e u ，g c n e t i ca l g o r i t l l i l l ，b pn e u r a ln e t 、v o 咄s o f t w a r es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 友王些丕堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：护8 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 匕友王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权j 曼友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名抽扔 签字日期：o g 年6 月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： g一日 讲 凡 ， 月 夕1 广 6 ，p 年醯 名 期 签 日 r竹 ，_ i 师 字 导 签 北方工业人学硕+ 学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 铝在自然界中分布极广，占地壳总量的8 ，是最丰富的会属元素。由于金属铝的 一系列优良的物理化学性质，它的应用同益广泛，已成为有色金属中产量最大、最重要 的会属，在工业上享有“力能金属”的美誉，铝电解工业也因此而在国民经济中占有越来 越重要的地位，成为一个国家的支柱产业，并具有广泛的发展自仃景。 铝电解工业是一种典型的流程工业，企业的规模一般都很大。铝电解工业是最早在 生产过程中采用计算机系统进行控制的工业企业之一。早在上世纪6 0 年代，世界各国 就丌始采用计算机控制钳电解过干罕。铝电解虽然是传统产业，但在应用计算机网络和自 动化技术方面却能紧芷艮信息时代的步伐。但是，目i ，j 我凼铝电解工业的发展水平与世= 界 发达国家相比还有很大的差距，我国预焙铝电解槽生产系列中普遍使用的槽控机由于其 软、硬件功能简单，运算功能弱，已经远远不能满足现代铝电解工艺对自动化技术的要 求。要想缩小与发达国家的这利一差距，达到国际先进技术水平，必须加强铝电解：f 业的 综合自动化技术的研究和实施。 铝电解槽运行状态的检测和故障诊断是铝电解工业中很重要的一个环节，也是铝电 解工业提高自动化水平的一个瓶颈。铝电解槽是铝电解生产的主要设备，铝电解槽运行 是否正常，不仅关系到电解铝的经济技术指标，而且影响着铝电解槽的寿命以及日常生 产。铝电解槽是一个非线性、多耦合、时变和大时滞的工业过程体系，在铝电解过程 中，物料平衡与能量平衡状态的不断变化及其相互影响和相互制约，形成了复杂多变的 槽况特征，如阳极效应、阳极病变、冷槽、热槽和不稳定槽等，故障种类多，难以检 测，而且有些故障一旦发生，将会造成巨大的经济损失，影响安全生产【。如何降低电 解铝的能耗，提高铝电解槽的寿命，提前预报电解铝过程中发生的故障，减少经济损 失，提高铝的产量和质量，成为目前急需解决的重要课题。 铝电解生产过程中计算机控制系统实时采集并存储了大量的生产数据，这些数据中 包含着丰富的、通常人们很难能够发现的生产实际过程中各种因素之间相互影响、相互 作用的宝贵信息，提取和利用这些信息对于人们加强对生产过程的认识、提高控制和管 理水平、监测铝电解槽的状态、预报即将发生的故障显得非常重要。通过建立铝电解生 产过程数据的数据库，采用面向对象技术开发铝电解槽故障诊断软件，对生产数据进行 分析处理，可以为生产管理者提供方便易用的决策依据。因此，如何利用计算机技术和 自动化技术对铝电解槽槽况进行在线监测、诊断具有重要的意义。 1 匕方上业人学硕十学位论文 1 2 铝电解槽故障诊断系统的研究现状 1 2 1 国外研究现状 随着故障诊断技术和计算机技术的发展，美国、法国、挪威等国家采用了基于人工 智能、专家系统、神经网络等技术对铝电解槽槽况进行综合分析和诊断，取得了较好的 诊断效果。加拿大和挪威等国家运用专家监控系统对槽况进行全面解析和珍断，并根据 结果对铝电解槽进行控制，取得了较好的经济效益。美固铝业公司、挪威铝业公司、法 国彼施涅公司、美国凯撒铝业公司和瑞士铝业公司拥有世界上先进的电解铝技术【2 1 。 德国联合铝业公司的e l a s 系统代表了国际较高的技术水平，在美国、欧洲、非洲 都有应用。德固联合铝j i p 公司茵厂第一电解系列为年产量2 1 9 万吨，由、，a w 公司丌发 设计的1 1 5 l a 中间j u 料预焙阳极电解礴。芮厂采用瑞士a l e s a 自动浓相输送a l ：0 3 ， 它具有御置灵活、占地面积小、效果好等明显优点，并配有德国鲁奇公司( l u r g i ) 设 计制造的先进技术、运行状况良好的 二式烟气净化系统。该电解槽配备删公司丌发 的e a is 过程控制软件技术，电解过程采用由信息级和控制级组成的集散式白适应控制 系统，整个控制是完善的，而且可靠性强，实现了自动熄灭阳极效应，可更好稳定生产 状况和实现高效、低耗、长寿的目标，保证了电解过程的稳定性，槽上安装的点式下料 装置及自适应控制技术的应用是该厂获得较高电流效率的关键因素。该系统通过全程模 拟电解槽生产过程中的各种扰动和其自身的变化规律，同时忽略掉部分对电解槽生产过 程中影响较小的扰动和在歇息的过程中剔除对电解槽生产产生异常的扰动( 效应、换极 等为正常扰动不予剔除) ，做出相应的控制模块应用于生产中。 另外，还有人从产生机理上对铝电解槽针振进行过较详细的分类，并通过人工神经 网络来识别和诊断针振原因，根据电压信号的振幅和频率来进行故障诊断。 1 2 2 国内研究现状 在我国，故障诊断技术的研究比国外晚十年左右。目前，我国在这方面的研究主要 集中在模糊专家系统和神经网络两个方面，以及与小波变换等其他技术相结合的方法， 并且在一定程度上取得了比较好的诊断效梨圳。 由清华大学承担的“流程工业典型设备的故障诊断与预测维护系统”课题，以其在技 术研究上的突破及成功应用，顺利地通过了8 6 3 计划c s 主题专家组组织的验收。课 题研究和开发了具有自主知识产权的铝电解槽智能健康诊断系统。这套系统的核心算法 水平达到国内领先水平，在相关理论研究方面也取得了具有国际水平的理论成果。这套 故障诊断系统可通过及时发现或预报设备的异常或故障而避免由其所导致的巨大经济损 2 北方工业大学硕士学位论文 失或安全事故，从而具有潜在的巨大经济效益。铝电解槽智能健康诊断系统可以有效地 预报铝电解槽的阳极效应，从而改善对铝电解槽状念的监控，对控制阳极效应的发生次 数、节能和保证铝产品产量均起到了积极的作用。目前，铝电解槽智能健康诊断系统分 别在甘肃省白银铝厂续建工程项目部和河南省神火集团铝电工程建设指挥部铝厂项目部 进行了试应用。 中南大学与中铝公司平果分公司联合丌发的基于小波包变换预处理的铝电解槽针振 信息元诊断系统，针对铝电解槽电压波动信号的频谱特点，采用小波包分析方法提取了 电压信号的特征向量，进行预处理得到频段能量特征向量，应用b p 神经网络建立特征 向量至0 振针信息元之i f j 的映射，仿真结果表明，能够及时发现铝电解槽的早期不良症 状。 中南大学与中铝公司广西分公司f 乜解j1 联合丌发的基于小波高阶模糊神经网络的诊 断系统，将小波理论与模糊逻辑理论引入高阶b p 神经网络中，运用串联方式将小波包 分析、模糊逻辑和神经网络融合在一起，构成诊断系统，提高了铝电解槽工作状态诊断 的精度。 清华大学开发的基于s d g ( 符号定向图) 模型和模糊融合的诊断系统，根据生产 经验建立了铝电解槽槽况s d g 模型，辨识不同的故障模式并计算其可能性，增加了诊 断结果的准确性。 沈阳铝镁设计院和东北大学联合开发的铝电解槽模糊专家系统，把铝电解的专家知 识和经验作为规则引入到系统之内，对槽况进行实时在线诊断。在铝电解槽阳极效应的 预测方面，提出了通过对碳阳极气泡振动信号的频谱分析来预报铝电解槽的阳极效应的 方法。 东北大学采用分布式神经网络技术开发的诊断系统，不管是单一故障诊断，还是多 个复合故障诊断，诊断准确率都能够达到8 5 以上。 目前，虽然对铝电解槽故障的智能诊断研究，无论在理论上还是在系统开发方面都 已取得了很大的进步，但是真正投入使用并且功能完善的系统并不多，大多数的研究成 果仍然停留在实验室阶段。 1 3 故障诊断技术的方法分类 1 3 1 基于解析模型的故障诊断方法 基于解析模型的故障诊断方法是最早发展起来的，此方法需要建立被诊断对象的较 为准确的数学模型，如基于系统模型的状态估计、参数估计和等价空间的诊断方法等。 北方二r = 业大学硕士学位论文 基于解析模型诊断的主要思想是：根据组成系统建立待诊断系统模型，这种模型通 常用一阶逻辑语句来描述。根据系统的逻辑模型以及系统的输入能通过逻辑推理推导出 系统在j 下常情况下预期行为。观测到的系统实际行为与系统预期行为有差异，说明系统 存在故障，利用逻辑推理也能够确定引发故障的原因。 1 3 2 基于信号处理的故障诊断方法 当难以建立诊断对象的解析数学模型时，基于信号处理的故障诊断方法足非常有用 的，因为这种方法回避了抽取对象的数学模型的难点。 基于信号处理的主要思想足：利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信 号进行采集、变换、综合、估值与谚! 刖等加工处理，以达到检测出故障的同的。所采用 的方法有：傅罩叶分析法( f f t ) 、小波分析法、频淆分析法和相天分析法。 1 3 3 基于知识的故障诊断方法 基于知识的故障诊断方法与基于信号处理的故障诊断方法类似，也不需要系统的定 量数学模型，但它克服了后者的缺点，引入了诊断对象的许多信息，特别是可以充分地 利用专家诊断知识等，所以是一种很有6 订途的故障诊断方法，尤其足在非线性系统领域 中。基于知识的故障诊断方法还可以分为基于症状的方法和基于定性模型的方法。基于 症状的方法包括专家系统方法、模糊推理方法、模式识别方法和神经网络方法等，基于 定性模型的方法包括定性观测器、定性仿真和知识观测器等。 基于知识的诊断方法的主要思想是：在知识的层次上，以知识处理技术为基础，实 现辩证逻辑与数理逻辑的集成，符号处理与数值处理的统一，推理过程与算法过程的统 一。通过在概念和处理方法上的知识化，实现设备故障诊断智能化。 1 4 铝电解槽故障诊断技术发展方向 铝电解槽是一个多变量、非线性、大滞后、时变的复杂系统，不能确定它的数学模 型。因此，将基于知识的故障诊断方法或者基于信号处理的故障诊断方法应用于铝电解 过程的故障诊断，比基于解析模型的故障诊断方法具有优势。而且，在这个复杂的铝电 解系统中，用多种故障诊断方法的融合能够更好的进行诊断。 因此，铝电解槽故障诊断技术主要有以下几种发展趋判1 叭1 】： 一是把模糊逻辑与人工神经网络相结合，充分利用模糊控制与神经网络的优点，构 造模糊神经网络。 模糊逻辑与人工神经网络相结合的方式包括：以模糊算子代替神经网络中神经元的 传递函数、采用模糊参数作为神经网络的权值、采用模糊变量作为神经网络的输入信号 4 北方工业人学硕士学位论文 等。基于模糊理论的模糊逻辑系统与人工神经网络相比，既有共同之处，也有各自不同 的特点。首先，它们都是用于解决复杂非线性系统的信息处理、控制、决策等问题所使 用的方法，两者都采用数值方法建立输入与输出之间的非线性映射关系，因此，都不需 要建立系统的数学模型。其次，神经网络和模糊系统都能从各自不同的角度增强计算机 系统信息处理的“智商”，因而在广泛的人工智能领域都发挥了重要的作用。最后，人们 已经证明，一个适当设计的模糊逻辑系统与神经网络都已成为严格有效的非线性系统信 息处理、控制、决策的方法和工具。但是，在如何建立输入输出的映射关系、如何存储 和表达知识以及在系统的结构等方面，神经网络和模糊逻辑系统是有着显著差别的。由 于各自不同的结构特点，它们在应用中也有各自的优缺点，如表1 1 所示。 表1 1 模糊逻辑系统! j 人i ：神经网络雕i 匕较 名称模糊逻辑系统人上神经网络 结构模糊规则、模糊推理多个神经元相且迮接而成的网络 优点能处理4 i 确定的信息，可利川专家经验知识 无学习能力，推理过程中模糊性增加 缺点并行处理、容错性强、有自我学习能力知识解释困难、初始权值设置任意性强 将模糊逻辑与神经网络结合，构造模糊神经网络。模糊神经网络技术实质上是对人 脑结构和思维功能的双重模拟，也就是大脑神经网络的“硬件”拓扑结构和模糊信息处理 的“软件”功能的同时模拟。其显著特点体现在它充分吸收了模糊理论和神经网络各自的 优点，并由此来弥补各自的不足。近年来，关于模糊神经网络技术的研究得到了高度的 重视，其成果也己得到了广泛的应用。在故障诊断领域，模糊神经网络技术代表了一个 新的方向。 。 在铝电解槽阳极效应预报中，神经网络主要用来计算在当前的状态下，正常运行和 发生阳极效应的概率，这决定了神经网络输出应该是实数值( o 到1 之间的概率值) ， 而不是简单的布尔值。在铝电解槽故障诊断系统中，神经网络是用于提供状态和故障概 率的子模块。因此，由自适应线性单元和模糊神经元组成的模糊神经网络，相对于由输 出值为布尔值的神经元组成的神经网络，更适用于铝电解槽的故障诊断系统。 二是遗传算法与神经网络相结合，构造遗传神经网络。近年来，基于神经网络的故 障诊断已广泛应用于参数预测及故障诊断等方面，其中最常用的是b p 神经网络，它能 够模拟很多映射关系。但是，神经网络仍存在着它所固有的弊端。就拿应用最多的b p 5 北方工业人学硕七学位论文 算法来说，最为明显的两点就是收敛速度慢和容易陷入局部极小值。它是利用可微函数 的梯度下降的方法进行搜索最优的，这是b p 算法收敛慢的主要原因。b p 算法对于局部 搜索具有优势，但对于全局搜索，就容易陷入局部极小值，不能搜索到最优值。而且 b p 神经网络的初始权值不易确定，有的学者经过分析研究后认为：选择权值的量级为 s ，其中s 为第一层神经元数量，t 为输出层神经元数量。对于这些问题，出现了一 些优化网络结构和权值的方法，如改进优化法、改进作用函数以及如梯度下降搜索法和 模拟退火法等。虽然有一定的可行性，但均不能圆满解决所存在的i u j 题。遗传算法的出 现，使得网络的训练有了新的有效方法。遗传算法的搜索不但是并行的，而且能够遍及 全局，不f h 加快了网络的训练，而且容易得到全局最优解，改善网络的性能。这也是日 6 订这门技术的最新发展趋向。 1 5 课题的研究内容 从锚电解槽故障诊断技术的发展方向来看，再结合铝电解槽槽况的自身特点，本文 利用b p 神经网络建立故障模型，进行故障诊断。为了克服b p 神经网络对初值的要求 高，存在收敛速度慢、容易陷入局部最小值的缺陷和不足，用遗传算法对b p 神经网络 的初始权值和阈值进行优化，得到最优初始权值和阈值，然后再进行网络的学习，加快 了网络的训练，提高了故障诊断的准确性。 最后，利用v i s u a lc + + 6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 开发铝电解槽故障诊断软件系统，实 现对铝电解槽槽况状态的实时监控和铝电解过程的故障诊断。用m a n a b 软件编写故 障诊断算法，采用c o mb u i l d e r 进行编译，生成c o m 组件，方便v i s u a lc + + 调用。 1 6 论文的结构安排 本文论述了如何设计和实现铝电解槽槽况的故障诊断，包括故障诊断方法的选择， 遗传算法对神经网络的优化，软件系统的开发、设计及相关细节等问题，并对相关背景 知识做了简单介绍，包括故障诊断技术方法分类、国内外研究现状等。 论文的结构安排如下： 第一章是整篇论文的概述，简要介绍了课题的研究背景和意义，阐明了要解决的问 题，综述了故障诊断的方法和技术，分析了铝电解槽故障诊断技术的发展方向，概括了 本文各章节的内容和作者完成的工作。 第二章主要论述了铝电解槽故障诊断系统的总体设计方案。首先简要介绍了铝电解 的原理和铝电解槽的故障分类，并在此基础上，从系统结构和功能上给出了系统的总体 设计方案，然后介绍了涉及到的主要开发工具以及整个系统的特点和功能。 6 北方t 业大学硕士学位论文 第三章详细论述了故障诊断子系统的设计方案，包括故障诊断算法的选择，神经网 络模型的建立，遗传算法优化神经网络的方法和遗传神经网络模型的建立，最后给出了 故障诊断子系统的软件实现方案。 第四章首先介绍了数据传输子系统的设计过程，包括数据表结构信息，a d o 数据 库连接技术连接、打开、获取、操作、关闭数据库及数据库的记录集的方法。其次，介 绍了其他主要功能模块的设计丌发方法，包括实时数据显示模块，动念曲线显示模块， 历史数据查询模块，在线故障珍断模块，报表生成打印模块，在线帮助系统模块等。 第五章主要进行了铝电解槽故障诊断系统的测试，并对测试结果进行了分析。 笫六章对全文进行了总结，并对本课题的研究提出了展望。 7 北方= 业大学硕士学位论文 2 铝电解槽故障诊断系统总体设计 2 1 铝电解生产的原理 目前，铝的生产方法是铝电解，铝电解是一个复杂的工业过程，由大量的物理变 化、化学变化和其他过程所组成。铝电解槽是铝电解过程的主要设备，其工作状态直接 影响铝电解工业的效益。 炼铝的方法称为霍尔一埃鲁法，其基本原理是采用氧化铝作为炼铝的原料，以冰晶 石熔体作为溶剂，碳素材料作为阳极，以位于碳素内衬中的铝液作为阴极，通入直流 电，通过电解反应，在阳极产生出二氧化碳或一氧化碳，在阴极产生金属铝，其基本的 化学反应方程式为1 5 l ： 2 2 0 3 + 3 c = 4 + 3 c 0 2( 2 1 ) 铝电解槽工作在大电流、高温度、强腐蚀性熔体的条件下，是一个多变量耦合、时 变和大滞后的工业过程体系，由于同时受到电磁力、气体等作用，使电解槽内众多的参 数和变量具有不确定性和不可连续测定性，使得锚电解槽控制所需的重要参数( 氧化铝 浓度、铝电解温度) 无法在线连续测量。目前可以在线采集的参数只有槽电压和槽电 流，能够实时反应槽况变化的参数也只有通过槽电压和槽电流计算而得到的槽电阻信 号，其他参数均无法在线测量，因此无法建立起完整的数学模型。 2 2 槽电阻信号的计算 槽电阻信号，又简称为槽电阻，主要由有用信号和干扰信号两部分构成，是用来实 现对铝电解过程中实时监控和故障诊断的主要技术参数。 目前，被广泛采用的槽电阻的计算模型是【1 2 】： 磁一以一e ) j r i( 2 2 ) 其中： r ：气时刻的槽电阻采样值； 圪：气时刻的槽电压值； ，。：时刻的系列电流值； e ：表观反电动势设定常数。 8 北方工业人学硕十学位论文 2 3 铝电解槽的故障分类 在生产过程中，由于槽内物料平衡与能量平衡状态的不断变化及其相互影响和相互 制约，形成了复杂多变的槽况特征，如阳极效应，阳极病变，阳极长苞，铝液波动，冷 槽，热槽和不稳定槽等，而铝电解槽故障诊断系统要诊断的目标就是这些故障。 2 3 1 阳极效应 阳极效应是铝电解过程中发生在阳极上的特殊现象，产生阳极效应的最主要的原因 是阳极附近的氧化锚浓度降低。当工业铝电解槽罩氧化铝含量低于1 o 时，氟离子和 氧离子共同在碳阳极上放电，形成氧氟化合物( c o f ) ，随后和其他吸附化合物一起积 聚住阳极表面上。此时，电解质对碳1 5 几极的湿润性变坏，电解质会在更人程度上为阳极 所排斥，于是阳极的有效电流密度逐渐增加，达到临界电流密度时，便发，上阳极效应。 其外观特征是：在阳极周围产生明亮的小火花，气泡停止在阳极析出，电解质也停 止沸腾。熔盐和阳极问的电子传递受到阻碍，导致槽电压在丌始发生的儿秒钟之内迅速 升高( 3 0 5 0 伏) 和电流的急剧下降，往往使现场工作人员无法及时做出反应，消耗 大量的电能，并引起系列r c l 流和电压的波动，降低了电流效率。因此，义寸铝电解楷阳极 效应的预报和控制，具有重要意义。 2 3 2 铝液波动 铝液波动又成滚铝，是在铝电解过程钟时常发生的异常现象，影响铝电解过程的正 常进行。电解槽铝液波动的形成原因很多，但其主要原因是槽内磁场和熔体流动，槽电 解温度和槽膛形状的影响，这三个影响因素对引起电解槽铝液波动过程的形成既有单独 作用，又有相互的共同作用。 其外观特征是：铝液从槽底翻滚到电解质表面，造成电解槽局部短路，电压摆动， 电解温度升高等。当铝液波动较大时，甚至会出现铝液滚出槽的情况。铝液波动对电解 槽造成的危害，不仅会影响电解槽的正常电解生产，还会造成电解槽破损，甚至会被迫 中止电解槽的生产过程，造成非正常停槽。 2 3 3 冷槽热槽 冷槽或热槽是指电解质熔液温度长时间偏底或偏高，一般情况下铝电解槽的正常生 产温度是9 4 0 9 6 0 ，长时间偏低或者偏高都会影响铝电解的正常生产。冷槽会对铝 电解槽内液体温度场和电磁场造成不利影响，可能导致其它的故障产生。热槽会降低铝 电解槽的电解效率，增加电能消耗。因此，应当避免冷槽和热槽的发生，是铝电解槽的 温度保持在正常范围内。 9 北方t 业大学硕士学位论文 铝电解工业生产中，各种铝电解槽故障一般都会直接或间接导致铝电解槽温度的改 变，因此，冷槽和热槽属于前述几种故障的附属故障，一般由有经验的车间工人根据铝 电解槽内的火焰的颜色判定，并采取相应的措施予以排除。 2 4 系统的总体设计方案 先进的计算机控制系统已经应用在现代化铝电解生产系统中，每一个车| 、日j 都配置一 台工控机，每一台槽控机都控制一台电解槽，监控系统通过局域网与数据库服务器相 连，其监控系统结构如图2 1 所示： 图2 1 铝电解网络监控系统结构图 铝电解槽故障诊断软件系统一般安装在监控室的上位机上，也可以安装在局域网内 的任意一台计算机上，如主任室的计算机。系统通过获取存储在数据库服务器上的现场 数据，对信息进行加工处理，实现对铝电解槽的槽况监控和参数修改，同时也为人工操 1 0 北方工业大学硕士学位论文 作以及维护提供可靠的数据依据。这种网络化的结构，不仅方便了数据的共享，而且为 铝电解槽槽况监测与故障诊断软件系统的应用带来了方便。 因此，铝电解槽故障诊断软件系统的总体结构如图2 2 所示： 用户 人机界面 i 工 。l i 故障诊断 i子系统 工 i 信号处理 i子系统 i ： 、 r i 数据传输子系统 f 数据库服务器 i 图2 2 软件系统总体结构图 从图2 2 中可以看出，系统的总体结构可分为三个层次。最上层是人机接口，即界 面层，包括各种人机界面，菜单，命令按钮，图形显示等；中间层是信号分析处理，故 障诊断算法和各种参数运算的主体，即逻辑层，包括各种中间参数的计算，故障诊断算 法的实现，参数的设置，在线数据采集等；最下层是数据库服务器，即数据层，存储各 种在线采集的现场数据等。 本文主要论述数据传输子系统，故障诊断子系统和人机接口界面的设计过程。 2 5 主要开发工具及系统功能 v j s u a lc + + 是m i c r o s o f i 公司推出的功能强大的面向对象开发工具，是在w i n d o w s 操作系统下进行应用程序开发的最重要的产品，是系统级应用开发工具，是运用面向对 一1 1 - 北方丁业大学硕士学位论文 象思想进行软件项目开发的得力工具，它使得软件开发能够在源码级、类级、控件级等 多个级别上重用，不仅加快了软件开发效率，而且提高了软件的可重用性和顽健性。 下面给出各种软件开发平台优缺点的比较，如表2 1 所示： 表2 1 软件开发平台优缺点比较 开发平台 v i s u a lc + +c + + b u 删e rv i s u a lb a s i c d e l p h i i ：业标准，高效率源于c 语言，灵活开发效率高，时间源于p a s c a i 语言，编 具有面向对象的特性好，编程效率 短，使川简单。译速度快，开发效率 优点点，还可以使川高，学起来快，使 高，数据编程能力强 m f 类库，并有刚起米简单。人。 多种i ：具的支持。 学习较幽难，使j j与w i n d o w s 系统的 运行速度较慢，缺乏编剃语言f i 很流行， 缺点起来比较复杂。兼容性较v i s u a l灵活的数据类型，项底层开发较弱。 c + + 差一些。 目管理困难。 s q ls e r v e r2 0 0 0 是m i c r o s o f t 公司的企业级数据库产品，它是由s v b a s es q ls e e r 演变向来的。它是一个功能强大的数据库管理系统，是一个支持缩放、高性能的关系型 数据库管理系统( i b m s ) 。它的完全基于服务器客户机模式的特点使得许多公司和 企业选择该产品作为新一代数据库系统。s q ls e r v e r2 0 0 0 作为一个高性能的数据库管 理系统，既可以管理大中型企业和公司数据，也可以在小型的系统或单机中使用。它具 有1 1 1 t e m e t 集成，可伸缩性和可用性，易于安装、部署和使用，还提供了很多常用的管 理工具程序，例如服务器管理器、企业管理器，查询分析器等。 m a t ia b 是m a t h w o r l 娼公司推出的工程计算软件，它以强大的矩阵运算能力为基 础，同时提供多种学科领域的工具箱，现已发展成为世界上最优秀的数学应用软件。由 于语言的平台局限性，m a l l a b 程序无法脱离m a l r i a b 环境而运行。现有的脱离 m a t i a b 环境的混合编程技术主要是借助m a l r i a b 的c c + + 函数库，或者借助 m a l la b 的m c c 编译器生成c 犯+ + 代码，然后嵌入到用户的c 忙+ + 程序。将c c + + 代码进一步编译为d l l 或是e x e 文件，可以应用于c i c + + 语言之外的开发环境，如 v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p l l i 等。一些辅助软件也被广泛应用于m a t ia b 和 d c + + 的混合编程中，如m a t c o m 。 本系统在w i i l d o w sx p 操作系统下，通过v i s u a lc + + 6 0 ，m a l r ia b 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 相结合的方式进行开发设计，具有如下特点： ( 1 ) 功能完善，界面友好：可以做的连接局域网内的远处数据库，实时数据显示， 1 2 北方工业人学硕十学位论文 动态曲线显示，历史数据查询，报表生成和打印，在线帮助，故障诊断，参数设置等功 能。 ( 2 ) 算法先进，升级方便：主要采用神经网络进行故障诊断和故障模式分类，并配 合遗传算法进行优化，使系统能够有效的，准确的，实时的对铝电解槽进行状态监测和 故障诊断。故障诊断算法采用m a t ia b 编程并编译生成c o m 组件，这样做可以在不 改变整个软件系统结构的情况下，方便的升级或修改故障诊断的算法。 ( 3 ) 结构清晰，模块编程：从程序模块的角度来讲，软件系统由数据采集子系统， 故障诊断子系统，信号分析与处理子系统等组成，软件程序采用v i s u a lc + + 编写，程序 结构模块化，容易扩展，各种算法模块和功能模块协调运作，使整个系统的运行效率更 占 同。 铝电角犁槽故障诊断软件系统的功能模块如图2 3 所示： 图2 3 软件系统功能模块图 由图2 3 可以看出，该系统主要实现以下几种功能： ( 1 ) 系统管理模块：实现软件系统的管理，包括用户的添加，密码的修改以及退出 系统等功能。 ( 2 ) 数据采集模块：实现软件系统与局域网内的远处数据库服务器的连接，数据库 中存储的现场数据的读取等功能，在线采集槽电压、系列电流等数据。 ( 3 ) 数据显示模块：实现数据库中现场数据的实时动态显示。 ( 4 ) 曲线显示模块：以动态曲线的形式显示铝电解槽的槽电压和槽电流。 ( 5 ) 故障诊断模块：主要实现对铝电解槽槽况的工作状态进行在线故障诊断，如果 1 3 北方工业人学硕士学位论文 发现有故障产生，将对槽况的故障进行报警和显示，使工作人员能够及时发现故障，保 障安全生产。 ( 6 ) 数据查询与报表打印模块：主要通过日期等条件参数的选择，实现对槽电压、 槽电流等历史数据进行查询，并生成报表，对报表进行打印。 ( 7 ) 在线帮助模块：用户在线帮助手册，包括系统的使用方法等介绍。 2 6 本章小结 本章简要介绍了铝电解的生产原理，在生产过程中可能产生的故障以及故障产生的 原因，并在此基础上，主要介绍了铝电解槽故障诊断系统的总体设计方案，包括系统的 整体结构设计和各个功能模块的划分，最后采用v i s u a lc + + ，m a t l a b 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 三者相结合的方法丌发系统软件，实现对铝电解槽的敞障诊断。 1 4 北方工业人学硕十学位论文 3 故障诊断子系统的设计 3 1 故障诊断方法的选择 神经网络技术的出现，为故障诊断问题提供了一种新的解决途径，特别是对于铝电 解过程这种复杂的系统。由于基于解析模型的故障诊断方法面临着难以建立系统模型的 实际困难，基于知识的故障诊断方法成了重要的、也是实际可行的方法，而神经网络的 i 0 非线性映射特性、信息的分布存储、并行处理和全局集体作用，特别是其高度的自 组织和自学习能力，使其成为铝电解槽槽况故障诊断的一种有效方法和手段。 3 2 神经网络结构的选择 神经刚络的基本巾元足神经元，神经网络就足由大量的种绎，已相互连接而构成的网 络，根据连接方式的不同，神经网络的拓扑结构通常可分成两大类：层状结构和网状结 构。 层状结构的神经网络由若干层组成，其中一层为网络的输入层，另一层为网络的输 出层，其余介于输入层与输出层之间的则为网络的隐含层，每一层都包括一定数量的神 经元，在相邻层中神经元单向连接，而同层内的神经元相互之间无连接关系。根据层与 层之间有无反馈连接，层状结构的神经网络进一步分为前馈网络和反馈网络两种类型。 前馈网络又称为前向网络，其特点是在前后相邻的两层