石灰炉炉况诊断专家系统的开发与应用

　　石灰炉炉况诊断专家系统的开发与应用易金萍，文敦伟，邓胜祥，周乃君，周孑民（中南大学应用物理与热能工程系，长沙410083）时检测和离线检测的各种参数及炉内过程数值仿真的结果，针对某厂Y4mX21m石灰竖炉开发了实时炉况诊断专家系统，为实现石灰炉生产操作的自动化及优化控制创造了条件。

　　1刖目石灰竖炉是现阶段石灰生产和同时获取二氧化碳气体的主要设备，其常用的生产工艺是：石灰石和焦炭破碎后以一定的配比（称“焦化”）混合后自炉顶加入炉内，与由炉底鼓入的空气以固定床方式在炉内进行流动、传热而发生燃烧、分解反应。经过十多个小时的锻烧后，主产品石灰从炉底卸出，副产品CO2从炉顶排出。对于机械化石灰竖炉，这一生产过程是连续进行的。石灰生产工艺虽然较为简力系统计算机控制与设计。

　　单，但炉内化学反应、流动、传热过程强烈耦合，所以石灰炉是一个典型的复杂控制对象，具有大滞后、多变量、非线性、不确定性因素显著等特点，常规的控制策略难以达到控制目标。而实现对炉子的自动控制可以稳定石灰石的分解率和CO2浓度，提高产量，降低能耗。本研究以某氧化铝厂一台*4.0mX（直径X高）石灰炉为对象，利用现场可测信息，在建立数学模型对炉内过程进行仿真的基础上，通过收集和分析石灰生产过程中的故障类型和相应的处理对策，应用产生式专家系统理论开发了炉况在线诊断专家系统，为下一步建立模糊智能控制系统，从而保证石灰炉的操作优化、实现生产的自动化打下了基础。

　　2炉内过程在线检测与计算机仿真分析2.1基础性工作为了*终实现石灰炉的自动化操作，首先开发了原料、燃料与风量的自动计量与计算机远程操作系统，并实现了尾气温度（顶温）灰温、CO2浓度及多点炉内壁温度等的连续自动检测。这些可测数据，加上离线检测得到的原料及燃料的成分等数据，为炉内反应与传热过程的仿真计算创造了条件。为了使监测过程更加可靠，又设了氧气浓度、风温与环境温度等检测装置，构成更为完善的检测系统。

　　2.2炉内过程的仿真分析炉内过程的仿真分析结果是炉况诊断和控制决策的重要依据，本项研究重点针对对生产有重要指导意义的炉内石灰石分解率及原料预热带、锻烧反应带和产物冷却带等“三带”位置，运用有关热工理果，也可以记录和显示仿真结果的历史曲线。

　　1石灰石锻烧分解率在线监测在传统的生产中，石灰石锻烧分解率往往由离线取样分析化验数据计算得到，滞后大，难以及时、准确地反映锻烧状况，因而操作人员无法及时采取积极有效的措施调整操作。根据热平衡及物料测算导出了炉内石灰石分解率在线分析模型，即在原料及燃料的成分一定，下料量、焦比与风量己知（在线检测）的前提下，利用在线检测得到的顶温、灰温及二氧化物浓度等数据，通过程度计算得到“实时”

　　分解率。

　　2炉内温度分布与“三带”高度在线数值仿真将料层总高度分成若干段，任取一段作为控制体由质量守恒及成分平衡方程，根据能量守衡导出每一控制体出料侧的料温和气体温度计算方程组，并设定：预热带在出口料温达900 *C时结束，反应带（锻烧带和燃烧带）计算至分解率和机械不完全燃烧率达到设定值为止。运用计算机对得到的方程组进行解析，便可计算并在线显示“三带”位置（即高度）和炉内温度分布。

　　3炉况诊断专家系统该专家系统采用扩充产生式结构，由二个库和三个子系统组成，如。

　　图i炉况诊断专家系统结构简图动态数据库用于存放石灰炉运行工艺参数（如炉顶排气温度、出灰温度、多点炉壁温度、鼓风量与鼓风压力、C2浓度、下料量与焦比、料层高度、氧气浓度、风温与环境温度等），炉内过程仿真计算结果（如石灰石的分解率、预热带、锻烧带和冷却带“三带”的高度，炉内温度分布等）和专家系统推理出的结论（炉况的实时诊断结果）也存放在数据库中。

　　知识库存放以产生式规则表示的专家知识，包括3条炉况诊断用判断标准和15条故障判断及操作对策规则等二类知识，现场技术人员可随时删或修改这些判断规则；咨询子系统（即推理机）的功能是：调用动态数据库中的数据和知识库中的知识按一定的推理策略推断石灰炉运行状况并选用合适的操作对策；解释子系统输出推理结论并回答操作人员的询问等；知识获取子系统是系统与专家的界面，完成向专家学习及机器学习的任务。

　　3.1动态数据库检测系统在线检测得到的石灰炉运行工艺参数、炉内过程数值仿真结果及本系统推出的数据知识等三类数据都用0（即对象一属性一值）三元组模式来描述。如：（炉顶温度160系统含有8种不同类型的对象，即：①料层高度，②烟气成分，③石灰质量，④炉顶参数，⑤锻烧状况，⑥故障报警，⑦配料状况，⑧操作对策。每个对象又由若干个属性来描述它的各种特征，每个属性的值都设有一个可信度因子CF（CF的取值范围是一1~+1），用来指明系统对该属性取值的信任程度。

　　每个对象与描述它的所有属性及值存储在一起，构成对该对象的完整描述。数据库中的各个对象之间是有序的且相互关联，按它们之间的关系可组织成树形结构，树上有三类结点，描述某对象的所有数据都存储在值节点上。

　　32知识的获取及表示本系统的专家知识由车间技术人员根据现场经验总结后提供，并由系统开发人员收集后整理，结合石灰炉生产工艺分析整理得到操作经验、炉子故障及处理方法等形成15条故障判断规则和3种炉况判断标准（分别对应于三种炉况：好、较好、较差）主要以产生式规则表示，每条规则均有一个“Rule的名称，并以*IF…THEN…”的形式表示。现场技术人员可对规则进行修改和扩充。

　　规则的行为部分由专门表示动作的行为函数表示。本系统采用了三个行为函数：CONCLUDE，CONLIST和TRANLIST.其中，CONCLUDE函数的一种形式为：CONCLUDECPVTALLYCF，C、P、V分别代表上下文、参数和值，TALLY存放对规则前提信任程度的变量，CF是规则的可信度因子。当TALLY之值大于0.2时，CONCLUDE若炉况不良，利用故障判断规则找出原因；确定排除炉子运行故障的对策；选择一种合适的运行方式。

　　前二步即炉况诊断的过程，后二步则为寻找炉子运行对策的过程。

　　IF存在一种运行故障且己经考虑了其它可能的潜在故障，既使尚未报警；THEN根据敏感性数据编制能有效排除故障的对象，或从己编制的清单中选择*佳对策；ELSE指示运行正常并自动操作炉子运行。

　　一旦确定可能的故障，便形成排除故障的*佳对策，即目标规则是激发一个动作一生成一个可能的故障排除清单并从中选出一个*佳对策，指导操作人员选择合理的下料量与焦比及鼓风量大小，适时加料及出灰等。

　　4炉况诊断系统的构成及应用函数即被调用。

　　33控制策略知识的推理采用反向推理和深度优先搜索法，其推理步骤如下：①读取动态数据库中的数据，根据知识库中存放的判断规则判断炉况正常与否；4.1系统集成及模型间的调用石灰炉炉况诊断专家系统与炉子运行参数在线检测与显示、仿真计算与结果显示等模型集成在一起，但与自动检测系统软件相对独立，互留调用接口，具有较强的灵活性，便于安全运行和方便地维护。是系统构成图。

　　石灰炉在线仿真及炉况诊断系统构成图C.尽量减小小火量，保证能够保住温度，使炉膛不超温。为保证点火及小火的可靠稳定，把小火煤气电磁阀及点火电磁阀联锁，保证点火安全可靠，且火点燃后不易被大风及大煤气吹灭。

　　采取上述措施后，炉子点火生产一次成功，其温度均匀度达*2*C，比以前有大幅度提高，并且能耗也大量降低，工人工作环境得到显著改善，厂方极为满意，并且帮助我院把此种燃烧控温方式在有色行业推广。

　　3结论到目前，该炉己连续运行一年半，生产基本良好，并且能够适应其天然气管网压力波动的要求。

　　发现的问题主要是烧嘴底部温度过高，炉顶温度过高，容易引起电器元件损坏，在与厂方探讨后，通过改善烧嘴内部结构，修补炉顶热短路，己使问题得到解决。

　　总之，高速调温烧嘴及控温系统除在热处理高温炉上应用安全可靠外，在有色行业的中、低温炉上应用效果也非常好，值得大力推广。