新型干法水泥生产过程中智能专家系统

所需积分/C币:32 2011-10-20 15:17:31 2.45MB PDF

新型干法水泥生产过程中智能专家系统,智能专家系统研究,详细论文
武汉理工大学硕士论文 摘要 专家系统是一个智能计算机程序,它利用知识和经验,通过推理来解决某领 域中只有人类专家才能解决的难题。专家系统的研究和应用己经成为全世界人 工智能研究的热点和焦点。智能燃烧专家系统(IBES)是针对新型干法水泥生 过程中的复杂且至关重要的中控操作而设计的。其中中控操作主要针对各关 键处测点的反馈值分析判断,进一步来控制喂料、控制喂煤、控制风速及风温 等来保证窑的正常生产。此系统的设计不仅使得中控操作不再需要非常有经验 的操作员进行实时监控,而是使用专家知识使其变的智能化,而且还对生产过 程中的异常现象进行预姦。同时对这些操作的变化进行存库,对以后对生产的 分析评估具有重要的参考价值。本系统的设计最终使得用料量,用煤量减少, 能源合理有效的利用,提高了水泥的质量和产量,节约劳动力,同时达到安全 生产的目的,从而大大提高生产力水平。 该模型采用面向对象程序设计语言开发,内部封装了知识库、推理机等专家 系统模块,可以提供产生式,面向对象等知识表示方法,以及交互式获得的知 识获取方法,能综合运用的基于知识表示方式的推理、不精确推理等推理控制 策略以及解释机制。 本文分析了在系统实现中使用到的数据库、决策支持、人工智能、专家系统 和软件工程等理论技术,进而详细阐述了系统开发过程的各个阶段。首先介绍 IBES的关于燃烧控制方面的理论知识,其次介绍了徵软新的开发平台NET 2005、 Miscroft SQL Server2005的一些新特性,并用它开发了此专家系统。最 后对本系统进行了UML建模并采用三层架构的组织结构,这样设计具有降低整 个系统开发的风险,适应用户需求的经常变动,控制整个系统的开发过程,维 护系统的完整性的优点。 该专家系统充分利用燃烧控制方面己有的知识、经验和教训,全面考虑各 种影响因素,借助计算机和专家系统技术,以专家系统代替专家为智能燃烧控 制提供可靠依据。而且通过实例证明了该专家系统的有效性。因此对于新型千 法水泥生产控制具有重要的理论和实践价值,是计算机在水泥工业应用的一次 创新。 关键词:专家系统,智能燃烧,面向对象,UML,NET框架 武汉理大学硕士论文 Abstract An expert system(Es)is a computer program that is designed to emulate the logic and reasoning processes that an expert would use to solve a problem in his/her field of expertise, using artificial intelligence technology. The research and application of expert system have become the researching focus of the artificial intelligence of the world. Intelligent Burning Expert System (IBES)design for complex and important center control during new style dry-process, The Center Control mainly aims at various key feedback value which measured at different important places to make analysis judgment, further that control the material, the coal the wind to guarantee the regular production of kiln. This system' s goal is that the center operation need not some operators' watching of rich experience moreover using rich experts' knowledge make it intelligent and the database will save changing of operation automatically, which is worthy of analyzing production Not only coaling deduced and the quality and output of cement improved, but also work force economized, meanwhile, safe production realized. Meanwhile It improves the level of productivit Developed by OOPL, It encapsulates several components of expert system, such as knowledge base and Inference Engine. It provides multiple knowledge representations including Production Rule and Object Oriented, and knowledge acquisition. Multiple inference methods and inference strategies and explanation mechanism are properly organized under the model This paper introduces the database, decision support, artificial intelligence technique expert system and software engineering etc. It introduces theories then detailed the system develop the each stage of the process. Firstly, it introduces theories of controlling important fire parameters in relation to IBES. then introduces SQL Server 2005 and Microsoft NEt platform provides a very good basic system platform for expert system development. At last, this system make user of UML model and three layer structures, it will make model process more straight and clear, besides it will lower the system development risk and suit the users' demand The expert system is most likely to utilize the existing knowledge, experience d lessons in fire controlling, takes into full consideration various factors, providing a reliable basis for the supporting design with the help of the expert system rather than the experts. What's more, the expert system has been proved efficient through h the practical usage. So, the expert system is of theoretical and practical value in controlling important parameters during new style dry-process rotary kiln. It is a an innovation of computerapplication in during new style dry-process rotary kiln Key Word: expert system, intelligent controlling, object-oriented, UML,.NET framework 武汉理工大学硕士论文 第1章绪论 11论文研究背景、目的及意义 本课题《新型干法水泥生产过程中智能燃烧专家系统的研究》来源于“863 项目“低环境负荷型水泥及胶凝材料关键制备技术”(编号2002AA335050)的第 三子项目。本系统是对燃烧系统的工作状态进行实时控制,实现智能化,消除 或避免手工操作的复杂性和不准确性,并且对历史操作进行记录和科学的分析, 提高燃烧系统的燃烧效率和智能化,节约了劳动力,提高生产率,是专家系统 在水泥工业应用的尝试 应用与实施专家系统的人工智能进行实时过程控制的新技术对水泥工业特 别有效。当今的一些现代化大型水泥厂往往都装备有计算机的数据采集和控制 系统,并且对于开发与实施自动过程控制的专家系统的普及率和置信度在日益 增长。资料表明:专家系统对窑设备的控制效果是非常好的:可提高熟料产量4~ 5%,能降低热耗1.8~5%,能降低电耗0~30%,节约耐火材料0~30%,能提 高熟料质量,每年停窑时间减1%,专家系统投资回收时间低3年。专家系统在 窑设备中的应用可在2年内收回投资。专家系统平均使用寿命约为8年,因此 其经济效益是非常明显的吗 燃烧系统在新型于法预分解窑烧成系统中占有极其重要的位置,其技术性能 指标直接影响整个熟料锻烧系统的节能利废、熟料产质量、耐火砖使用寿命和 系统运转率,并附带影晌系统工艺事故和环境质量。本专家系统的软件设计是 基于这样的工业需求而进行设计的。能够提高水泥生产的质量,提高燃烧速度, 提高系统热效率。满足安全生产的要求,最后节约了人力物力,具有重要的现 实意义。 12国内外研究现状 回转窑锻烧是水泥生产中最重要的工艺环节,其中包含了复杂的热工和化 工过程。回转窑的热工制度直接影响着水泥熟料的产量、质量和能耗。由于影 响热工制度的因素很多,对象复杂,对它的控制问题,国内外同行进行了大量 研究工作,也提出了一些有效的控制方案,如模糊控制、专家控制等,但都因 过分依赖具体对象,难以推广应用。目前国内水泥回转窑总体上仍处于人工或 武汉理丁大学硕」:论文 半自动控制状态,即靠人工观察火焰,结合相关测量仪表,综合判断回转窑运 行状态,手动调节各控制量。显然,这种控制方式,受人为因素影响大、控制 不及时,即使有经验的操作工,也很难做到使回转窑长时间保持在最佳工作状 态 影响回转窑热工制度的因素很多,主要有煤粉喂入量、生料喂料量、窑筒 体转速、窑系统压力、二次风温度、烟气成分、生料的易烧性、煤粉质量等等 并且各因素之间还存在着强耦合作用。对这样一个多因素、慢时变、分布参数 非线性、大时滞、强耦合的控制对象,难以建立精确的数学模型,采用基于数 学模型的常规控制是难以奏效的。因此,迫切需要寻求一种令人满意的普遍适 用的控制方法吗 但是国内目前的将计算机的知识应用到新型干法水泥工业的燃烧系统还处 于不完善阶段,当原料和燃料变化的时候都是手动调节风量的值,这样不仅浪 费了人力,更重要的是人调节的不够准确,都是凭着经验值调节,并且调节的 时机把握不好,通过手工不能够做出最实时的响应。智能燃烧专家系统(IBES) 的设计很好的不仅解决了这个难题,最重要的是使用计算机控制不仅实现工业 生产的自动化,还简化了整个燃烧系统的装置。设计此系统与其说是尝试,倒 不如说是一种创新,蕴藏着很大的经济效益。 13本系统的主要工作 该系统以 WINDOWS为运行坏境,基于面向对象的数据库开发而成。该系 统把面向对象的程序设计方法 OOP (Object Oriented Programming)和专家系统, 数据库理论有机地结合起来,根据操作目的的不同类型把操作任务分为几大类, 以操作目的为不同对象而开发的智能燃烧专家系统。 本系统采用的编程语言 Microsoft visual o#2005NBT,它是一门面向对象的 语言,继承了C++和Java语言的优良特性,并且简单易用。采用的数据库是SQL Server2005,数据库中保存一些设备的参数,环境变量,燃料和原料的状态值。 存放原始工艺参数、工作范围、报警阀值等先验数据,生产过程实时获得的数 据,人工送入的干预数据以及推理过程的中间结果等。 本专家系统的总体思路是:利用传感器将工作参数反馈至计算机控制模块, 将高温热电偶布置在数个能反映水泥烧成状况的关键点上,如窑尾下料口附近 五级筒出口、二次、三次高温峰、回转窑筒体等,将采集到的热电信号反馈到 武汉理工大学硕士论文 计算机控制模块上利用丰富的专家知识进行处理,并自动做出判断,将信号传 递给可调装置。当然,为了更加严格的安全生产,系统将允许进行有丰富操作 经验的工程师进行手工调节,并将这些手工调节和智能调节保存到知识库,用 于以后对于生产的状况进行分析。根据以上思路将智能燃烧专家系统设计以下 几个子模块: (1)査询子模块 可化分为文献查询和操作历史记录查询等功能,文献查询提供查询一些国内 外最新的与水泥工业燃烧系统相关的期刊杂志论文。以便让用户了解最新的科 技成果或发展方向,相当于一个知识库的功能。它能够保存、删除、添加、修 改文章。能以关键字、作者等查到你需要的文章。操作历史记录查询在智能操 作和手工操作,包括一些异常处理信息,可以总结以前的操作经验和教训,以 满足以后更加可靠的生产 (2)管理子模块 可分为对用户的管理和知识库的管理,以及软件使用权限的管理。可以添加, 修改,删除用户的使用权限。这样增强了此系统的安全性。再者,因为IBES不 同的时间段具有不同的工作状况。将此数据保存到数据库中,工作人员可以将 导出到数据文件并打印出来作为工业分析的依据。包括对知识库管理系统、对 事实知识和规则知识进行管理,并且对知识厍中出现的不一致现象和冗余现象 进行检测和校验。从而达到知认库的准确和完善,将正确的规则知识和事实知 识提供给各个子系统 (3)分析子模块 通过分析提取出一系列对生产操作有用的特征值,如烧成带的最高温度、 烧成带的最低温度和平均温度、物料的平均温度、五级筒的温度与压力、窑电 流值、二次风温、三次风温等,对通过传感器传来的温度进行分析得到各个设 备状态的运行情况,并以图形的形式反腴个特征值的变化趋势。通过这些分析 决定用煤量,用料量,窑速等的大小,并成为控制系统的重要依据。 (4)实时数据采集和诊断子模块 实时数据采集系统将实时数据中的开关量和模拟量分别送至开关量规范处 理模块和模拟量处理模块,在那里经数据还原、统计处理、标度变换等处理后 送至故障诊断模块,在故障诊断模块中的规范化数据与知识信息库中的数据进 行比较、推理,从而给出当时生产运行系统的运行状态。当运行系统正常时给 出正常标志的显示,当出错时,就诊断推理出故障的类型,最后经报警处理模 武汉理工大学硕士论文 块后在总监视屏上准确地实时地显示出故障发生的具体位置、故障的类型及建 议采取的措施。 〔5)控制子模块 这是本系统的核心部分,首先能够实时显示各个关键分布点的温度情况 从数据库知识规则调取进行判断,对窑电流值、五级筒的温度与压力、二次风 温、三次风温、送煤量等进行科学的界定,不仅可以知道加煤加料的多少和时 机,如果处于不好的状态,计算机将自动做出相应,正确调整值后以“命令” 的方式发到各个相应的硬件设备。硬件设备能够马上做出响应。随着软件不断 改进和水泥工业化的不断进步,还接收工业电视来的视频图像信号及窑体红外 扫描仪的信号,这样控制系统会包括更多的功能 8 武汉理工大学硕士论文 第2章智能燃烧专家系统设计的理论知识 现代化水泥厂中,窑操作员是在中央控制室靠计算机显示各参数来了解 判断和控制窑系统的。传统上所说的“看火”在这种现代化水泥厂的操作中有 了新的内涵9 21工艺参数 在新型于法窑的操作中,关键是控制风、煤、料的平衡。原则上以料定煤 煤定风,使窑炉“稳定”在最佳状态。具体参数关系见左图2-1。分解炉温度与 五级筒温度相互照应,表现分解炉中料子的分解程度。三次风温与二次风温可 以间接表示出料的温度,即熟 分五 解|级 炉|筒 Q浓度 料的烧成情况,其中三次风温 次次对分解炉温度有一定的影响 温温 温温CO浓度可间接反映用煤的多 度度 预热 煤尾 少,它与系统的压力一起可反 分解炉 器压力 质|压 窑映系统中通风情况,从而反映 力 窑况的好坏。而一切的参数调 节,只为得到较为平稳的窑电 窑电流 流曲线。但由于煤质、料子 窑况的变化,窑电流曲线一般 图2-1工艺参数分析 有一定波动,故应分析各种参 数变化,提前做出判断,使其 达到理想值 2.1.1关键温度点 窑外分解炉是新型于法水泥生产的一大特征之一,分解炉的温度是一个重 要的参数,在料、风不变的情况下,它的温度直接反映分解炉中料子的分解率 只有保证高分解率的料子,才能尽量减轻窑的负担,保证高质量熟料的烧成 但实际生产中煤、气等资源的紧张,煤质较差,分解炉内煤粉燃烧率低,一部 分未燃的煤粉到五级筒内继续燃烧,常常造成五级筒的温度与分解炉温度不相 对应,而此时还保持同样的喂煤量,会造成五级筒温度剧升,烧垮结皮。故操 9 武汉理工大学倾士论文 作中五级筒、分解炉温度应结合在一起分析参照 当预热分解好的料子从窑尾进入窑内,依次经过预热带、过渡带、烧成带、 冷却带后,进入冷却机,从蓖板下吹入的冷风与熟料进行充分的热交换,一部 分的热风通过三次风管进入分解炉,即三次风,它主要为分解炉中燃烧提供绝 大部分的热空气,另一部分风进入窑内,即二次风,为窑内烧成提供足够的空 。三次风与二次风都来源于冷却机,但其比例及所处烧成环境不同,故两者 有一定的温度差。由于三次风供分解炉中燃烧,三次风温对分解炉、五级筒温 度有很大的影响。在操作中,当三次风温上升时,在其他情况不变下,应适当 减少分解炉用煤。 212关键压力点 窑尾负压是反应窑内通风状况和窑内物料运动状况的参数。当窑尾负压上 升时,则窑内很可能长厚窑皮甚至结圈或结大蛋,使窑内通风阻力增大。此时, 应从料子的化学成分和操作人手,消除结圈和大蛋使窑恢复正常。当窑尾负压 较低时,表明窑内通风良好。但窑尾负压下降较多时,应分析高温风机拉风是 否足够或窑头、窑尾密封是否完好等正常生产时高温风机进口阀全开,用转速 调节风量)。窑尾负压也是判断窑尾斜坡、烟室、缩口是否结皮积料的主要参数。 预热器压力是反应预热器内通风状况和旋风筒内及下料管道、斜坡、上升 烟道处物料运动参数,当预热器压力整体上升时,说明上述处可能结皮严重 影响下料及通风,此时可采取人工清堵。反之,预热器压力整体下降时,表示 预热器通风良好,在其他条件均正常的情况下,可考虑加产。但预热器某处压 力先升高后突然降为零时,说明该处已堵塞,应立即止喂停窑处理。预热器压 力与窑尾压力结合一起分析,是判断窑况好坏的重要参数。 213关键气体分析点 CO浓度反映的是系统中风、煤搭配的关系问题。从节能降耗考虑,C筒出 口废气温度越低越好。但过于追求节能,会导致系统中供氧量不足,CO浓度长 期偏高,煤粉易产生后燃现象,给操作带来不便。 般说来,CO的测点有两处,分别在五级筒、窑尾电除尘器处。电除尘器 进口CO浓度过高,说明窑、预热器中燃料燃烧不完全,热耗增大,电除尘器在 长时间高浓度CO下工作极易引起燃烧爆炸。当CO超标时,要及时对风、煤、 料 二次风的配合,分解炉煤粉着火情况,喂煤波动及喂料波动等进行判

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