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铁厂烧结系统自动化控制系统 烧结自动化 交流提纲一 烧结自动化的现状 展望和对策1烧结自动化的回顾与现状1 1国内烧结自动化的现状1 2国外烧结自动化的现状 1 概述 2 芬兰罗德洛基厂的烧结过程智能控制管理系统SPMS 3 奥钢联的Vairon烧结优化系统 2趋势与展望2 1概述2 2质量直接检测闭环控制 1 鹿岛厂的稳定成品烧结矿质量的控制系统 2 鹿岛厂的烧结矿成份控制系统 2 3烧结过程可视化3问题和对策二 成品烧结矿质量预测1化学成分预测 工艺模型 2物理特性预测三 专家系统的构成 关键问题和实现方法与演示 四 目标函数优化的构成和实现方法简介与演示 五 问题讨论 烧结工程自动化控制系统 一 烧结自动化的现状 展望和对策 1烧结自动化的回顾与现状1 1国内烧结自动化的现状我国烧结自动化始于二次世界大战以后 当时只有鞍钢有现代的DL烧结机 当时国内最大的炼铁厂 北京石景山钢铁厂 即首钢的前身 也只有人工操作的烧结锅 其自动化只有一些检测仪表及油压式煤气压力调节器 真正有意义的烧结自动化始于解放后第一个五年计划 鞍钢建设当时国内最大的75m2DL烧结机 全套从前苏联引进 自动化系统与当时世界先进烧结自动化大致相同 即包括工艺过程及设备顺序控制及逻辑控制 配料 混合料水份 点火炉燃烧等自动控制以及数据检测和记录等 其功能与现在的烧结自动化的基础自动化类似 只是由电气硬线逻辑 模拟仪表来实现 这种系统延续到上世纪80年代 其间也作过一些研发工作 如开发透气性检测仪表 烧结终点控制等 直到1985年9月宝钢从日本引进的400m2烧结机才开始使用电子计算机和包括L1及L2的两级自动化系统 但电子计算机功能较弱 没有复杂的工艺控制数学模型 仅作为监控和作一般模拟仪表难以实现的控制 如带有计算的点火炉燃烧的点火强度控制 混合料水份控制等 以后才陆续研发一些数学模型 如成本最低的配料模型等 和人工智能系统 主要是模糊控制系统 1 但主要还是引进国外烧结自动化技术 烧结工程自动化控制系统 烧结程自动化控制系统 表1列出了2000年以后建设的几个烧结厂的自动化系统 可以认为代表了我国烧结自动化的现状 从表中看出有三类型 即只有基础自动化的 具有基础自动化和过程自动化但L2级功能较弱的 和具有基础自动化和过程自动化且L2级功能包括多个数学模型的功能强大的系统 大都是引进的 这不决定与机组大小和需要 而决定于资金情况 但是应该指出 第三类系统是必然的趋势与方向 有许多厂已陆续增设数学模型 如承钢等增设成本最低的配料模型等 特别是关系到产品质量和经济效益的数学模型 转炉工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 1 2国外烧结自动化的现状国外烧结自动化也是始于二次世界大战以后 开始主要是热管理 接着是自动控制 70年代以后 当电子计算机用于高炉 转炉 轧机后 证明其工业控制的可用性 于是烧结也开始使用电子计算机 其中以日本最为领先 但开始只是用于监控和模拟仪表难以实现的控制 以后随着PLC及DCS的发展并取代了电气硬线逻辑系统和模拟仪表 使这些控制可下放到以微机为核心的PLC或DCS执行 而过程计算机则执行更复杂的数学模型运算 此外 由于生产的强化 特别是质量 成本有更高的要求和激烈的市场竞争 于是发展工艺数学模型作为预测 操作指导与闭环控制 其中有代表性的是日本五大钢铁公司开发的数学模型和人工智能控制系统 前者如日本川崎制铁千叶厂的烧结OGS操作指导系统 它关注4个方面 过程判断 生产量和质量判断 透气性判断 判断对过程会招致损坏设备和成品质量恶化而应采取的紧急措施的动作量 日本钢铁公司 新日铁 的烧结操作预测系统 SOFS 日本钢管公司的烧结料层温度状况控制系统等 后者有各种目的的人工智能控制系统 如日本川崎制铁水岛厂的烧结作业管理专家系统 横向均匀烧成模糊控制系统 新日铁的烧结作业专家系统 日本钢管公司福山厂的返矿配比模糊控制系统等 奥钢联和芬兰罗德洛基厂更研制成套的烧结自动化系统 且除了作为本公司使用外 使成套烧结自动化系统商品化和销售到多个国家 国外烧结自动化系统大都是带有管理自动化的三级计算机控制系统 是整个钢铁公司CIMS的一部分 转炉工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 该系统包括过程自动化和基础自动化的两级计算机控制系统 并可与上位管理自动化系统相连组成三级自动化系统 它集当前先进的计算机技术 网络通信技术 数据库应用开发 过程控制及模糊逻辑的智能控制于一体 实现了以优化生产过程 设定点控制为目的的实时过程数据处理及过程模拟计算 生产报表管理及长短期历史趋势查询等功能 控制模型主要包括混合料量控制 混合料水分控制 烧结机布料控制 烧透点位置控制及烧透偏差控制等 基础自动化根据烧结过程原料加入情况和实时检测数据 分别建立各单品种物料矢量 如 匀矿 煤等 及混合料总量 干量 水分等多个矢量表 用来动态模拟烧结过程各个阶段的料流和水分变化情况 在烧结混合料料量控制模型 燃料比例控制模型 烧结混合布料控制模型 烧结混合料水分控制模型中 根据各检测点相关的矢量数据和配比动态调整各点切出量和水的加入量 同时也控制点火温度和料层厚度 1 芬兰罗德洛基厂的烧结过程智能控制管理系统SPMS 烧结工程自动化控制系统 SPMS基础自动化级的 模型 实质上是一些简单的计算 与国内现行相当的控制系统 大都源于宝钢从日本引进的烧结自动化系统 相差无几 例如烧结混合料量控制模型是根据混合料仓槽位的变化情况 使用移动平均技术自动调整二混后缓冲仓圆辊转速 再根据缓冲仓槽位的变化情况 调整配料室混匀矿的总配料量 并通过配比计算动态调整混合料中精矿 燃料和熔剂切出量 烧结混合料中的水分控制模型 其烧结混合料基本的水分控制是基于物料平衡汁算 模型通过原料的湿重和原始水分化验数来计算从配料室到混合料槽之间各切除点的干料量和水量 通过一 二混目标水分率计算出一 二混需要补水量 并根据水分修正系数权重动态抑制混合料料量发生波动时给水分控制带来的波动 同时可解决水分检测过程中的纯滞后问题 燃料比率控制模型用于在线控制烧结混合料中的燃料量 并考虑返矿消耗的燃料 用矢量表进行物料跟踪 通过对燃料总切除量的偏差进行控制 当生产过程中混匀矿和返矿的切除量发生波动时 模型可以通过配比计算动态调整燃料的切出量 确保烧结混合料中的燃料比率保持恒定 烧结混合料布料控制模型用于在线控制烧结混合料槽的下料量 确保烧结机台车上的布料量保持恒定 与国内烧结机层厚控制原理大致相同 使用6个 其个数可视烧结机的宽度 横向小闸门个数而适当修改 平行分布的超声波料位计对料层厚度进行实时检测 在主闸门位置合适的情况下 通过料层厚度变化情况控制圆辊给料机转速 使台车上的混合料料量保持稳定 并通过调整6个小闸门的开度使烧结机台车横向料面保持水平 烧结工程自动化控制系统 2 奥钢联的Vairon烧结优化系统 它是烧结自动化的L2级系统 其总体思想是 由于烧结工艺和反应动力学相当复杂 要不断降低操作成本和优化产品质量在烧结厂很难达到 故利用数学模型和人工智能手段来预测设定值的变化对生产率和烧结质量等的影响 并把这些工具集成为完整的控制系统 就能够对烧结工艺进行优化 奥钢联的烧结优化系统包括1套工艺信息系统和一系列在线工艺模型 这些摸型可以分为生产率控制和烧结质量控制模型 后者又包括原料配比摸型 返矿焦碳控制模型 返矿控制模型和碱度控制模型 烧结优化系统 L2级系统 是如下图所示 主要由3部分组成 烧结工程自动化控制系统 1 工艺信息管理系统 它由具有以下功能的模块组成 与接收和传输数据的外部系统接口的模块 归档烧结厂数据 在不同报告中用文字陈列数据的模块 在各人机界面以图形方式 在线和离线 展示数据的模块 工艺信息管理系统的首要任务是从不同的来源收集所有相关的数据 数据的最主要来源是烧结厂的一级自动化系统 原料数据和产品的成分来自于实验室 其他数据则来自人工输入和模型运算结果 所有数据部保存在数据库中作为长期数据评估 可以根据需要调用进行分析 其另一个任务是以最有效的方式 如图形而不是文字 将数据提供给操作人员 包括 试验室浏览器 了解原料和产品成分 参数显示 各工艺参数时系列数据 趋势曲线等 信息显示 重要的过程数据 如复合计算 模型运算结果和操作指导等 工厂观测 如工艺流程图及其重要数据 这些都使操作人员得以迅速而有效地浏览重要的工艺参数 并可直接同二级自动化系统连接 使用户能够开发其他工具或分析数据 自动化系统中所有模型计算的功能都可以直接读取并用于迸一步的计算 数据均自动更新 大多数显示画面既能够显示连续变化的在线数据也可以显示数据库中存储的离线数据 报表功能可按用户的要求自动给出常规报告 日报 班次报告 原料报告等 烧结工程自动化控制系统 试验室浏览器 参数显示画面 烧结工程自动化控制系统 信息显示画面 烧结工程自动化控制系统 工厂观测 烧结工程自动化控制系统 2 工艺模型 有两种执行方式并可任意选择 操作指导模式 开环 模型只对操作人员给出建议 最终决定取决于操作人员 闭环控制模式 无人为介入 此时模型先计算出设定值 然后执行计算结果 闭环控制设定值为 生料流量 原料配比 添加水和烧结机速度 工艺模型包括 A 生产率控制模型 影响生产率控制的主要参数见图2 由于烧结机速度不能理想地由标准PID算法调节 一般都会有波动 导致运行不稳定 烧结工艺控制的重要目的之一是使原料在到达烧结饥末端时完全烧结 返回粉料量最少和烧透点尽可能接近烧结机末端 以达到最高生产率 如果烧结料在到达烧结机末端时未被烧透 则降低烧结机速度就是符合逻辑的控制行为 但降低烧结机速度又会造成原料在烧结机前端的停留时间过长 这部分烧结料在到达末端之前就会被烧透 反过来又要求加快烧结机速度 而速度加快又会造成烧透点太靠近烧结机末端 这种效应就是众所周知的烧透点振动 如果采用传统的自动化方案 就要对相应的烧结机速度控制行为进行某些修改 以减少这一振动现象 而采用奥钢联的工艺模型 可以根据烧结带上各个部分的烧透点预测值的汇总资料直接计算出最佳的烧结机速度 如下所述 测量点火炉中气体流量而得到原料透气性是计算烧结机速度的一个重要模型参数 通过烧结机的气体流量是原料透气性的函数 由于总烧结时间取决于总的气体流量 显然透气性高将缩短烧透时间 而且 如果通过某一段的气体流量较高 则通过烧结带上其他区域原料的流量会相应有所降低 考虑到这一点 就能够以透气性为基础对烧结工艺进行模拟 进而改善对烧结工艺的控制以达到更高生产率 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 图3模拟了原料透气性和烧透点到烧结机末端距离随时间 用任意单位衡量 变化的对应关系 例如 图中第43个时间段开始的烧透点曲线突升 是对应位置的原料透气性增加的结果 在这一突升之前烧透点曲线有短暂下降 原因就是前述的通过原料的气体流量降低 一旦透气性下降 烧透点曲线也相应出现下降 第54时间段 透气性曲线平稳变化而烧透点曲线不规则变化 其间的并不完全一致的响应关系 可以解释为通过烧结带不同位置的变化的气体流量对烧透点的累计非线性影响 在图的右侧 第80一113时间段 可以看到透气性降低时的相反情况 圆盘给料机变频调速 根据材料透气性和烧透点之间的关系 可以尽可能早地准确确定理想的烧结机速度 图4示意了这一模拟预测模型的数学基础 它计算燃烧界面的垂直移动 并同烧结带的水平运动相结合 据此可调整操作参数以保证烧透点处于烧结带上期望的区域内 有关模型的详细叙述见文献 1 的机速模型 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 B 质量控制模型 它包括 原料配比模型 它用于计算为达到目标烧结成分所需要的原料配比 该模型根据来自数据库的相应原料成分对烧结料成分进行预测 可以模拟不同的原料条件以确定最佳的原料配比 从而生产出满足要求的烧结产品 另外 模型还可以计算加料速度 以生产具有特定化学组成的烧结产品 相关的设定值可以下载L1级控制系统 返回料控制 需要认真控制向给料系统中加入的热返回料和冷返回料 因为它会对生料的湿度和透气性产生直接影响 返回碎焦控制 用于调节焦比以维持稳定的返回碎焦比率 焦炭配比影响到返回料占烧结产品的比率 本模型可根据返回料比率的设定值自动调整焦比 碱度控制模型 本模型连续控制烧结料碱度以保证需要的产品质量 如果与目标值产生偏差 就计算新的原料设定值 如石灰石 白云石等 并下载到L1级系统 除了上述的复杂工艺模型外 还进行许多辅助计算 例如 原料平均粒度计算 烧结料平均粒度和一致直径的计算 混合料透气性计算 烧透点位置计算 总共计算大约700个不同数值 烧结工程自动化控制系统 尽管烧结自动化已经获得很大的进展 但对于烧结生产 为适应激烈的市场竞争 降低成本 改善质量 提高产量与效率 节能降耗以及高炉的对成品烧结矿严格的要求 仍然要求烧结自动化更进一步 加以计算机硬件的进展 PC机可以处理速度很高 内存很大 且廉价 服务器 客户机的C S结构完全可代替过去昂贵的中小型过程计算方法 各类支持计算和人工智能的平台的系统软件出现 也为执行高精度复杂数学模型创造条件 烧结自动化的趋势仍然是采用信息管理系统 工艺模型 人工智能的应用为核心的多级计算机控制 但要进一步深化 并趋向使烧结厂达到无人化 其近期具体课题可展望如表2所示 2趋势与展望 烧结工程自动化控制系统 1 鹿岛厂的稳定成品烧结矿质量的控制系统 图5 其原理为 用磁铁矿检测仪迅速测出原料及成品中的FeO值 根据烧结机废气分析 得出废气中的CO CO2 N2 并测出废气量G kg min 原料装入重量M kg min 采用下式运算 从而推定整个原料中的碳含量 图6及图7 C G CO2 3CO 2 100 1 N2 79 22 4M用本方式推定碳舍量 作为操作指导 来改变焦炭配比 从而减少成品中FeO的波动 降低RDl值 使质量大大稳定 2 1质量直接检测闭环控制 炼铁厂炉区域工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 图6磁铁矿值和成品的FeO图7碳含量推定值和 FeO 烧结工程自动化控制系统 应用本系统后对稳定成品成份起了很大作用 其效果见图8及图9 图中示出了CaO Si02 CaO SiO2 MgO FeO的离散度 的演变情况 采用以上控制方法 离散度 大大降低了 从表3可看出离散度 约降值了16 39 此控制系统也实际应用在住友小仓钢铁厂 图8CaO Si02 CaO SiO2离散度 的演变图9MgO FeO离散度 的演变 把密闭机组或不可看到的内部变化过程变成直观的易懂 易看和易解释的画面 将有便于操作 这是当代数据显示的潮流 在连铸的结晶器钢水凝固过程 高炉内部过程均已实现可视化 它们都是利用传感器测量有关数据 连同数学模型作软测量或计算有关的数据 然后用图像处理计算把不可看到的内部变化过程变成可视化 例如直接以不同彩色表示不同温度最终形成连铸的结晶器钢水凝固过程画面 在烧结机沿台车长度物料烧结过程也可以利用测量的有关数据 料层表面温度 风箱抽力和压力温度 沿料层高度的各点温度 台车速度 机尾断面情况等 和运用模拟烧结过程的数学模型 日本住友的烧结综合模拟模型 新日铁的快速计算近似模拟模型 神户制钢的二维模拟模型 烧结过程水分传输模型 烧结过程物化现象模型 烧结过程一维非稳态模型等 2 6 以及人工智能模型等进行计算 再运用图像处理技术得出 图10 以不同颜色表示温度 以等温曲线来表示不同的带 烧结工程自动化控制系统 2 2烧结过程可视化 烧结工程自动化控制系统 1 原冶金部付部长建宝钢总经理黎明同志在宝钢中长远科技规划动员会上对参加该规划的宝钢内外专家们说 中国钢铁工业过去就是 引进 落后 再引进 再落后 的循环过程 宝钢花了300亿建成一期工程 不能再走这道路 因此必须要搞中长远科技规划 并切实地执行 我国烧结自动化的情况正是如此 从第2 1节中 我国烧结自动化在某些新建或改建的机组中 已和当代世界上先进水平相差无几 如武钢一烧结 唐钢三烧结等 但主要问题是并不普遍 很多机组还是只有基础自动化或基础自动化 功能不强的监控级 而且具有先进L2级的系统都是引进的 我国研究开发的烧结数学模型虽然也不少 1 而且完全由能力开发更有效和复杂的数学模型 但主要只是在个别工厂应用或者只是研究报告 更没有形成象芬兰罗德洛基厂或奥钢联的成套烧结自动化系统 我国钢铁工业的规模远比罗德洛基厂或奥钢联大得多 实验场地也多得多 无论企业或自动化研究机构 高等数学从事烧结自动化的中高级技术人员也多得多 而且并不涉及复杂的硬件 软件是我国技术人员强项 为什么对这并非很复杂或技术水平不能解决的烧结优化系统还依靠引进 这就是我们要解决的问题 3问题和对策 2 从武钢一烧结 唐钢三烧结等的经验了解 完善的L2级系统 可以获得巨大的经济效益 武钢一烧结使用从奥钢联引进的L2级烧结优化系统后 仅生产率平均提高就达10 远远高于奥钢联的3 5 保证值 此外 还改善了物料控制 烧结机速更加稳定 焦炭消耗降低2 投资很快收回 故L2级烧结优化系统效果显著 应该大力推广 3 我们经常说 科工贸一体化 芬兰罗德洛基厂或奥钢联的成套烧结自动化系统的开发正是这种模式 开发这种自动化系统 首先在本厂采用 并首先受益 然后又出口销售给其他国家 取得巨大的利润 这种良性循环 是我们值得学习的方法 也解决了研发的资金问题 我国需要L2级烧结优化系统的烧结厂还占大部分 因此商机无限 4 烧结生产并非某一项自动化就可解决 故开发成套系统而非单项才能立与不败之地 应该象罗德洛基厂或奥钢联那样 以工厂为主进行开发 按照国内情况 可能某些生产厂技术力量不足 可以实行以钢铁工厂为主的与研究单位或高效的联合体制 5 国家投资于烧结自动化也曾立项 但效果差 使人感觉白花钱 原因是多方面 但主要一点是目标不高 更主要是考核指标不成 考核指标应该不仅是按合同的技术指标 而且是社会效益 特别是应包括商品化和推广若干套的硬指标 因为能推广多套说明研发的系统的确工作深入 经济效益的确显著 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 二 成品烧结矿质量预测1化学成分预测 化学成分预测可由配料模型得出 再加上自适应或专家系统修正 配料计算是按已知的原料成份和规定的烧结矿成份而计算所需的原料配合比例 并得出烧结矿的化学成份 计算的原则是根据 质量守恒 原理 按不同成份的平衡 列出一系列方程 然后求解 按Fe平衡可列出下列方程 以单位重量烧结矿计 Fe烧 Fei i按碱度平衡可列出下列方程 Ro SiO2 i CaOi i按MgO平衡可列出下列方程 MgO烧 MgOi i式中 Fe烧和MgO烧烧结矿Fe及MgO含量 R0为一碱度 i一单位质量烧结矿的有关原料量 如矿粉 石灰石 白云石及燃料等 Fei SiO2i CaOi MgOi各原料中相应成份含量 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 2物理性能预测 烧结矿物理性能预测可使用烧结矿的冶金指标神经元网络模型 对于烧结矿的冶金指标 如转鼓指标和筛分指标传统的方法是用回归法组成数学模型的 但影响这两个指标的参数很多 包括料种 精矿粉 石灰石等 一 二次混合加水量 混合料水份 配炭量 台车速度 最敏感值 点火温度 层厚 废气温度以及风箱负压等 采用多元回归法对如此多参数是很困难的 故只能予以简化 例如把配料配比变化 原料水份变化 加水量等归结为透气性变化 某些数值可以认为不变如点火温度等 以把回归的多元减少至最低限度 但简化以后 准确性就大大降低 故用BP神经元网络建立模型 它可方便地把众多参数输入 而比之回归法准确性要大大提高 烧结工程自动化控制系统 烧结矿性能指标预测神经网络模型简介 本烧结矿性能指标预测的神经网络模型为7 22 2的三层误差反向传播 BackErrorPropagation BEP 神经网络 该网络为神经元全连接网络 网络的七个输入分别为料层高度 mm 烧结机速 m min 点火温度 烧结负压 Pa 混合料温度 混合料水分 和燃料配比 二个输出为烧结矿FeO含量 和烧结矿转鼓强度 该模型的每个隐含层的神经元都有一个附加输入 因此每个隐含层具有8个权值 该附加输入的值全部设成0 5 其权值在反向传播过程中进行学习 模型的每个神经元具有一个简单的非线性方程 输入神经元含有一个简单的隶属度处理函数 将自变量的范围从实际值转变成神经方程的最线性部分 即在0 2 0 8之间 该神经网络模型能很好实现对烧结过程的分析 进而实现优化操作和对烧结矿性能指标的预测 神经网络模型可以任意精度迫近任何非线性连续函数 因而 可很好地实现烧结过程的建模 分析和预测 避免了建立复杂的烧结理论模型 烧结工程自动化控制系统 三 专家系统的构成 关键问题和实现方法与演示 决定目标及系统结构 购买专家系统开发平台 编接口软件 编制规则 书本 规程 现场了解 请教专家 现场运转专家系统 修改规则 长期运行 不断改善规则 验收 鉴定 1 专家系统的开发步骤专家系统的开发步骤大致如下 第1步 调查研究构筑专家系统的必要性和可能性 第2步 收集有关专家系统的知识 包括书本 文章 经验汇编 特别是向熟练专家请教和交谈 最好是合作 并整理 第3步 选择专家系统开发工具 第4步 设计专家系统总体机构 包括功能及界面等 第5步 编制程序 最好套用 稍加修改而成 及构成系统 第6步 试验室调试及发运 第7步 工厂安装和调试及试用与修改 烧结工程自动化控制系统 2专家系统的构成及开发工具的选择专家系统的构成 包括知识库 推理机等 由于冯诺尔曼计算机主要是进行运算而专家系统则主要是逻辑推理 故要在计算机实现专家系统时必须先构筑包括知识库 推理机的框架 或称壳 Shell 国外开发专家系统大都不自行构筑框架 因为这要花费许多时间 而且若未经长期耗时的试验 很难可靠 故都购买专家系统开发工具 然后进行应用开发 1 由于专家系统开发工具规模功能不同 价格差别很大 故必须妥为选择 选择原则大致如下 1 不必追求大而全 因为许多功能未必用得上 要按自己需要选择 2 必须是可靠的 最好是实际应用过的 3 必须有输入和输出接口 以便和在线数据采集系统相连 才能在工业控制中使用 4 具有专家系统的较完备的功能和一定的规模 如正向 反向和联合推理方式 各种不同类型的可信度综合方式 可多个知识库 每个知识库应可容纳不少于5000条规则 100个以上的结论 200种以上的前提条件等 5 除了能进行逻辑推理以外 最好还能进行数学运算 必要时能调用外部程序 6 价格可以承受 7 使用容易 增添容易 修改容易 8 编程工作量最少 最好是面向用户的 可组态的和中文化的 烧结工程自动化控制系统 Gensym公司的G2 Brokat公司的BlazeExpert等专家系统开发工具虽然功能很强 但价格太昂贵 4 8万美元 且这些开发工具都带监控器 看门狗 一个这样的开发工具只能用于一个专家系统 至少要用运行版 这就导致很难负担得起 而且大部分功能用不上 故甚至在国外 如日本钢铁公司 韩国浦项钢铁公司等开始使用过G2 以后也不用了 也很少使用这样昂贵的开发工具了 据此 我们选择了美国的EXSYS和ACQUIRE等专家系统开发工具 这些工具都能满足一般专家系统的要求 而且低成本 2 3千美元 烧结工程自动化控制系统 3专家系统的知识获取及规则编制这部分是至关重要的 即建立知识库和编写规则 在实际操作中应解决下列3个问题 首先是工作方法 其次是知识来源 第三是如何把知识变成专家系统可用的规则 并使之能有效推理和获得高的命中率 3 1知识的获取由于领域专家往往不了解工艺的要求 而很难一下子提出满足知识专家构成专家系统所需的知识 此外 有些很熟练的操作员对处理操作问题及故障问题很有经验 但往往难以提出一整套完整的知识因此最好是双方 领域专家和知识专家 向对方的知识靠拢 最好是知识专家深入工艺和操作实际 提出初步知识框架 然后向领域专家请教 提出问题 讨论 删改与增添 这是最成功的方法 知识的来源有书本和杂志有关文章 规程和手册 有经验的操作员和专家的知识以及现场实践等 2020 3 16 36 可编辑 烧结工程自动化控制系统 3 2规则的编制规则编写方法可先把上述知识列成矩阵或表 如高炉炉况诊断用的表1 然后写成规则 例如If征兆是3 Then结论是A 可信度为20 结论是D 可信度为25 但关键问题是可信度决定 如果确定不好 则会得出错误结论 表1的 边缘煤气过分 发展时有13种征兆 当然这13种征兆中某些征兆还表征 炉温向热 和 崩料 如果这13种征兆写成13条规则时 若其可信度定得很低 就会出现已经出现多种征兆 其综合可信度仍然很低 例如76 来决定各个征兆的可信度 而且各个征兆的重要性不同而可信度也要乘不同的加权系数或编制附加的支持规则 烧结工程自动化控制系统 上述方式可以解决多数专家系统问题 但某些类型的专家系统说 仍然未能解决 例如直流电机故障诊断 它要诊断的故障有几十种 而每种故障原因有4 20个 且很少有相同的 难以用常规推理方法 如果20个原因都列出 一一去检查处理 那太费时了 故开发了一套模拟专家诊断电机故障的方法 并推广和应用到这类型的专家系统中去 即 分类剔除法 常发故障排队法 相关征兆支持法 3种方法混用方式 以及重合加权支持法 5 经过上述方法后 一般故障原因只有几个而且有不同的可信度 而很容易准确地找出原因 并加以排除 烧结工程自动化控制系统 4专家系统的测试和运行与修改4 1运行测试在知识库初步建立后 就必须进行系统测试 专家系统测试是开发过程一个十分重要环节 是一个技术上难度较大又需要探索的难题 目前还没有一个公认准则 测试目的是检查诊断系统提出问题是否恰当 诊断结论是太多还是不够 推理规则是成立 完备还是矛盾 知识规则和诊断结论排列是否恰当 用以确定知识库中知识是否正确 适用 是否能反映领域专家的经验知识 知识表示是否合适 推理的精确性与效率如何 诊断结论和建议是否合符实际 系统使用是否方便和易于掌握 专家系统测试通常有以下几种 1 程序测试 2 知识测试 3 综合测试 在专家系统开发过程中 着重于知识测试和综合测试 它是通过大量模拟故障例子来进行验证 通过不断修改知识表达方式和知识规则等来提高诊断结论的可信度和命中率 烧结工程自动化控制系统 4 2知识库的修改在专家系统运行中 通过测试不断修改 包括所设计的界面 程序 知识库的相关文件 知识规则和判断方法 通常知识库的建立与修改大致如图1所示 图1专家系统知识库建立和修改 烧结工程自动化控制系统 5专家系统开发工具的使用及其作用 烧结工程自动化控制系统 表2列出了作者开发专家系统所需的时间 从表2可以看出 构成专家系统并投入现场所需时间越来越短 序号1是使用C语言编制专家系统骨架 知识库 推理机等 不仅耗费时间 且增添 修改不方便 可靠性也差 以后使用专家系统开发工具 而大大节省时间 且增添 修改也容易 可靠性也好 序号2就是一例 规则千余条 前后修改3 4次 一次投运成功 达到预定目标 以后对开发方法更为掌握 工艺知识更了解 接口 汉化等编程越来越熟悉 甚至标准化了 使用更先进的专家系统开发工具 如面向用户无需编程的专家系统开发工具 附有标准原程序 当自行设计专用界面时 可用此剪贴 故速度越来越快 总之开发一个专家系统 如果采用专家系统开发工具 可以大大缩短开发时间 且易于修改和维护 特别是采用无需编程的专家系统开发工具 更使领域专家也可自行加减规则 而更加快速度 深化和命中率更高 烧结工程自动化控制系统 6无须编程直接使用式专家系统开发工具为了解决上述的供领域专家直接使用的无须编程的专家系统开发工具 作者开发了 通用专家系统MAES 2 MAES不用编程 只须在给出的界面用中文并填入征兆 图2 和结论名称以及填入规则 即构成专家系统 由于MAES的界面形式是固定的 因此又开发了 通用专家系统MAES JT 3 MAES JT除MAES功能外 还带有原程序例子 这样就可自行设计界面 按例子套入接口程序即成转家系统 上述 通用专家系统MAES 及 通用专家系统MAES JT 均已商品化了 已在多个项目中应用 效果良好 目前还在开发 在线通用专家系统 等 烧结工程自动化控制系统 7多次推断式专家系统开发工具MAES DT多次推断式专家系统是近年来提出的系统 它适用于故障诊断 工业生产的操作指导等场合 能使没有经验的人员借助这专家系统也能达到专家水平 为此作者开发了无须编程可直接使用的多次推断式专家系统开发平台MAES DT 它可进行多次推断 每次推断如果未能得出结论 会提出要观察的征兆以便再次推断 最后逐次迫近而得出原因或结论 图3示出了电弧炉 炉外精炼生产的操作指导 在炼钢操作员输入了钢水的磷含量 专家系统推断为 看其它参数再定 于是操作员输入了碳含量 然后由专家系统进行第2次推断 专家系统示出要 看钢水温度再定 操作员输入了当时的钢水温度 1650 专家系统进行第3次推断 示出要 提高电压和电流再看钢水温度再定 操作员按指示操作 过了一会 钢水温度已提高到 1670 专家系统进行第4次推断 示出 合格出钢 另外的例子是设备故障诊断 也是可经几次推断和提示以后 就可得出故障原因了 本开发工具也是无须编程 工艺人员可直接使用的 而且输入的征兆和推断结论均在同一个界面 增加了所输入征兆的条数和内容 而更方便使用 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 8在线专家系统开发上述专家系统是离线的 亦即前提条件是否选中是人工输入的 如果要在线 那就要自动输入 亦即全自动运行 那就得加数据采集 与阈值比较 然后自动决定是否选中某前提 规则 然后自动进入推理 最后显示结果 这还得使它自动动作 通常是定时启动 如高炉炉况诊断专家系统 通常是10 30分钟诊断一次 炉况异常时 则自动转为每5分钟诊断一次 有关在线专家系统的结构见图4 现在也出现供在线专家系统用的开发平台 烧结工程自动化控制系统 配料成本为最低的优化模型 1 确定决策变量 取第i种原料的配入量为决策变量Xi i 1 2 3 m m为原料种类数 2 确定目标函数 一般以烧结矿配料成本最低为目标 构成目标函数为 minZ 原料成本 烧成量 3 确定约束条件 成份约束 根据技术规范建立约束方程 下限 烧结矿某成份 上限 碱度约束 下限 配成料碱度 上限 许用量约束 下限 某种原料用量 上限 配成量约束 配成料总量 G由此写成优化配料数学模型为 目标 minz约束 s t X Em式中 可行配料域 Xi 优化配料方案 i 1 2 3 m 四 目标函数优化的构成和实现方法简介与演示 烧结工程自动化控制系统 用平台实现 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 例2 烧结工程自动化控制系统 烧结机机速控制模型 烧结工程自动化控制系统 烧结工程自动化控制系统 决定目标及系统结构 购买专家系统开发平台 编接口软件 编制规则 书本 规程 现场了解 请教专家 现场运转专家系统 修改规则 长期运行 不断改善规则 验收 鉴定 如何设计专家系统 烧结工程自动化控制系统 1 EXSYS开发工具简介EXSYS开发工具是美国EXSYS公司在上世纪80年代中推出的专家系统开发工具 VER 3 2 11 能用于诊断 计划 设计 投标 市场预测及工业控制等领域 主要功能为 l可选的推理方式 正向 反向或混合推理 l可选的概率值 独立概率 平均概率或只有 是 与 否 等 独立概率 100 100 的计算公式为 1 1 概率值1 1 概率值2 最终概率值l包括30多种命令 l采用产生式规则 即If Then 或If Then Else 方式 可多达五千条规则 前提 If 用Q1is 表示 可多达30个前提 不够时可用Q2 Q3 Qn以扩充 l可进行数学运算 l可调用外部程序 l面向用户的编制知识库方法 回答12个问题即自动形成知识库 l文件输入 输出方式 因而可方便组成离线或在线系统 在DOS环境下工作 如要在WINDOWS环境下工作 用户自行连接 2 EXSYS开发工具的应用我们已成功地用于直流大电机故障诊断专家系统 高炉炉况诊断及操作指导专家系统 连铸故障及铸坯质量诊断专家系统和热风炉燃烧优化设定专家系统 在线 等 3 EXSYS开发工具应用步骤3 1编制知识库和规则 1 利用EXSYS开发工具的Editxs应用程序 双点击即可打开 出现Editxs界面 按文献 1 描述的回答12个问题即自动形成知识库 2 编制专家系统规则 可采用If Then 或If Then Else 方式 用简单的符号代表即可 例如对电机绝缘故障诊断来说 原因一般有空气湿度大 间歇运行停电时间长 停机时加热器未通电 绝缘结构防潮性能差 冷却空气不洁 绝缘不清扫等等共20个 而要检查的故障的表现 征兆 有绝缘外观检查 又分为绕组表面有灰尘和碳粉 绕组表面有油污或侵蚀 绕组表面有爬电痕迹等11种 绝缘宏观状态 分为绝缘电阻波动但干燥后能恢复 绝缘电阻波动并逐渐降低等4种 电机运行环境 分为最近长期雨湿天气 电机停止运行时间较长常间歇运行 轴承漏油现象等7种 和直流漏电试验结果 分为漏泄电流上升不成比例超过20 等3种 等4类 由于专家系统要中文输入和输出 反正要翻译 故知识库和规则是用简单符号和数码表示 且与接口界面顺序对应即可 程序也按此而编制的 输出按此翻译成文 这样 按上述的电机绝缘故障诊断推断专家系统来说 征兆有Q1 Q4共4类 每类Q1下排为1 11项 Q2下排为1 4项 Q3下排为1 7项 Q1下排为1 3项 结论可为20个 这样绝缘故障的20种原因可排号为1 20 这样就可容易地编制规则 例如领域专家认为如果绕组表面灰尘和碳粉附着 则冷却空气不洁可能性是20 绝缘不清扫可能性为20 过滤器失效可能性为10 则规则可写之如下 IfQ1is1Then5 probability20 and6 probability20 and9 probability10 依此 写完全部规则 3 2编制输入界面及形成输入及诊断软件由于EXSYS开发工具是在DOS环境下工作 如要在WINDOWS环境下工作 用户自行连接 故我们使用如图1所示的软件结构 1 编制输入界面 按上述的电机绝缘故障诊断推断专家系统 征兆有Q1 Q4共4类 每类Q1下排为1 11项 Q2下排为1 4项 Q3下排为1 7项 Q1下排为1 3项 我们设计了如图2的输入界面 这样 点击相应的复选框就可输入相应的征兆 如要在线自动输入时 则应设置数据采集和预处理系统 把采集的数据和设定值比较以决定选中相应的复选框 2 编制输出界面 我们设计了如图3的输入界面 这样 电机绝缘故障诊断推断专家系统便可按输入的故障征兆 经专家系统推断后输出中文的结果了 按图1的流程 3 形成输入文件 并放在某一输入文件内 然后让专家系统开发工具Esshell 开发工具为EXSYS 取此输入数据进行诊断 形成方法为 在所建造的界面中写入语句 现以图2为例 形成Q1输入文件 Q1string Fori 0To10Ifchk1 i Value 1ThenQ1string Q1string Str i 1 SelectCasei Case0Portent k 绕组表面有灰尘 碳粉 Case1Portent k 绕组表面有油污或侵蚀 Case2Portent k 绕组表面有爬电痕迹 Case10Portent k EndSelectk k 1EndIfNext 按上述方法写Q2 Q4的程序 然后放入某一文件内 EXSYS是放在pass dat文件中 命令为 Open C EXSYS pass dat ForoutputAs 1Print 1 Q1 Str 11 Q1string 4 加入保护 由于EXSYS各qualifier值 输入参数Q1 Q4 不能开路 否则过载溢出而不能工作 解决方法之一是把形成输入文件中各Q值附加一项 例如 print 1 Q1 str Q1string该str 是Q1各征兆分项加1的值 在编规则时 可使其结论为0 而不影响诊断输出结果 5 执行图1中的Windows转换到Dos并执行EXSYS 使推理机工作 这是由于EXSYS专家系统开发工具是运行在Dos境下的 而本系统是运行在Windows和VisualBasic环境下 为使非Windows的程序能在Windows环境下运行 故使用pif编辑器编制扩展名为 pif的文件 建立ex pif使之执行EXSYSj专家系统开发工具某一知识 即利用EXSYS exe来运行某一知识库 其程序为 DimX 声名变量 Curpath CurDir 返回指定驱动器的当前路径 ChDir C EXSYS 改变指定驱动器的当前缺省目录 x shell ex pifjueyuan 7 运行一个可执行程序 Chdircurpath 返回 上述程序的jueyuan是电机绝缘故障诊断专家系统的知识库名称 这样 专家系统推理机构工作并进行电机绝缘故障诊断 6 编制扩展名为 cfg文件及 out文件 EXSYS专家系统开发工具是文件输入和输出的 每个知识库有四个同名称但不同扩展名的文件 例如EXSYS的知识库jueyuan就包括jueyuan txt jueyuan rul jueyuan cfg jueyuan out四个扩展名不同的文件 扩展名为txt rul的文件在编知识库时自动形成 而 cfg是供EXSYS运行时取输入数据之用 故需编制命令 使之向某个文件取输入数据而 out文件则为EXSYS的输出 以使之送到VB文件中去 EXSYS的jueyuan cfg的程序如下 datalist pass dat 从pass dat读推理用的数据 noquestions 推理时不要提问题 datalist及noquestions是的命令 下面将叙述如何建立 out文件 jueyuan out程序可写成如下形式 filec Maeskfgj return dat 输出文件设置为Maeskfgj return dat c 1 只采取choices 1的结论 fileexit 退出 这样VisualBasic的输出界面只要打开return dat文件就可显示结果 上述 cfg和 out文件可利用Dos的edit命令进行编辑和书写 7 编制输出界面及形成输出软件 首先 参看图3按你的专家系统所需而安排及形成你的界面 其次 形成输出软件 它是把return dat文件的输出数据 专家系统推理结果 显示在输出界面的相应位置 它包括翻译程序 显示推理结果及输入数据 如征兆等 程序等等 下面首先叙述把return dat文件的输出数据 专家系统推理结果 显示在输出界面的相应位置的程序 如图1 进行诊断 并显示如图3的输出界面 文中未写出该程序 由于EXSYS开发工具进行诊断需要时间 故设一个延时器timer1 然后在timer1写程序如下 PrivateSubTimer1 Timer Dimfilele