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基于重构和贡献图的竖炉焙烧过程故障诊断方法及仿真实验研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 竖炉焙烧过程的故障诊断方法研究现状

1.2.1 故障诊断方法的研究现状

1.2.2 竖炉焙烧过程故障诊断研究现状

1.3 存在的问题及本文的主要工作

第2章 竖炉焙烧过程故障诊断问题描述

2.1 竖炉焙烧过程工艺及故障描述

2.1.1 竖炉焙烧过程工艺描述

2.1.2 竖炉焙烧过程故障描述

2.2 竖炉焙烧过程的故障诊断问题

2.2.1 故障诊断目标

2.2.2 故障诊断难点分析

2.3 本章小结

第3章 基于重构和贡献图的竖炉焙烧过程故障诊断方法

3.1 竖炉焙烧过程故障诊断策略

3.2 竖炉焙烧过程故障诊断算法

3.2.1 基于主元分析的竖炉焙烧过程故障检测

3.2.2 基于重构的竖炉焙烧过程故障原因诊断

3.2.3 基于贡献图的竖炉焙烧过程故障变量诊断

3.3 本章小结

第4章 竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验系统的设计与开发

4.1 故障诊断仿真实验系统软硬件平台简介

4.2 竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验系统的设计与开发

4.2.1 竖炉焙烧过程故障仿真的设计与开发

4.2.2 算法模块设计与开发

4.2.3 变量管理功能设计

4.2.4 运行控制系统故障诊断界面设计与开发

4.2.5 基于RSView32的竖炉焙烧过程监控界面的设计与开发

4.2.6 数据通讯的设计与开发

4.2.7 竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验系统介绍

4.3 本章小结

第5章 竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验研究

5.1 竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验设计

5.1.1 正常工况与故障工况实验条件描述

5.1.2 正常工况与故障工况数据产生

5.2 竖炉焙烧过程故障诊断实验

5.2.1 正常工况下的故障诊断实验与结果分析

5.2.2 故障工况下的故障诊断实验与结果分析

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研情况

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摘要

我国大量分布的赤铁矿石品位普遍较低,选别难度大,直接利用常规的磁选方法难以获得合格品位的铁精矿。竖炉焙烧过程是将赤铁矿石进行高温还原磁化焙烧,从而将弱磁性矿物转化成强磁性矿物,获得磁选选别原料的关键工序。
  竖炉焙烧过程具有流程工业过程的综合复杂性,包括:多变量、强耦合、强非线性、关键工艺参数不能连续测量、运行工况变化频繁。在操作员不能应对复杂条件变化进行合理操作时,竖炉焙烧过程容易出现上火、冒火、炼炉、欠还原和过还原等故障工况。如果不能及时检测、诊断并处理这些故障,不仅竖炉焙烧过程的磁选管回收率会下降,整个系统还可能瘫痪。竖炉焙烧过程的故障诊断是保证过程安全与稳定的重要途径。因此,针对竖炉焙烧过程故障诊断的研究具有重要的实际研究价值。
  本文依托国家973计划项目“具有安全性、协同性、易用性的一体化控制系统的若干技术基础与半实物仿真实验平台的研究”,针对现有竖炉焙烧过程故障诊断方法存在的依赖过程先验知识、故障原因诊断能力不强的问题,研究了基于重构和贡献图的竖炉焙烧过程故障诊断方法。本文的主要工作有:
  (1)在现有一体化对象仿真平台的竖炉焙烧过程动态机理模型的基础上设计并开发了竖炉焙烧过程故障仿真实验系统,并模拟了竖炉焙烧过程的故障工况。首先本文分析了竖炉焙烧过程中的物理化学反应过程,包括燃烧过程、换热过程、还原反应,结合物理化学反应过程分析故障工况的特征。之后,本文按照已有的炉体空间分布,在燃烧室、预热带、加热带、还原带和搬出四个关键生产环节,根据竖炉焙烧过程四种典型故障工况下的竖炉特征,修改了动态机理模型,引入模拟故障触发标签,进行了竖炉焙烧过程正常工况和典型故障工况的仿真。
  (2)为了检测与诊断竖炉故障工况,本文提出了一种基于重构和贡献图的竖炉焙烧过程故障诊断方法,由基于主元分析的故障检测、基于重构的故障原因诊断和基于贡献图的故障变量诊断三部分组成。1)由竖炉焙烧过程正常工况历史数据采用主元分析方法建立变量关系模型,在此基础上,实现基于主元分析的竖炉焙烧过程故障检测;2)由竖炉焙烧过程故障工况历史数据采用重构方法建立故障方向库,以此为基础,提出基于重构的故障类型诊断方法;3)对于尚未发生过的故障,提出基于贡献图的故障变量诊断方法。
  (3)在国家重点实验室自主开发的竖炉焙烧过程运行控制实验平台搭建了由竖炉虚拟对象、虚拟执行机构与检测装置、PLC控制器、竖炉焙烧过程监控系统和竖炉焙烧过程故障诊断系统组成的竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验系统。本文在一体化对象仿真平台上开发竖炉虚拟对象、在RSView32上开发竖炉焙烧过程监控系统、在运行控制平台上开发竖炉焙烧过程故障诊断系统。本文开发的故障诊断仿真实验系统具有开放的算法结构,便于算法的验证与维护。
  (4)在开发的竖炉焙烧过程故障诊断仿真实验系统上进行实验,验证本文提出的故障诊断方法的可行性和有效性。使用竖炉正常工况和上火、冒火、过还原、欠还原四种典型故障工况数据进行诊断实验,实验结果表明本文提出的方法可以在故障工况出现时诊断出故障原因、识别出故障变量,正常工况下的误报率为7.5‰,故障工况下的诊断准确率为100%。

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