用于化工过程的SDG故障分析方法的研究

主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用192用于化工过程的SDG故障分析方法的研究石宇，邱彤，陈丙珍（清华大学化学工程系，北京100084）摘要：基于符号有向图（SignedDirectedGraph，SDG）的化工过程模型可以表征过程故障与故障源之间的因果关系，SDG故障分析方法通过有向图定性推理技术实现故障诊断。本文简要介绍了SDG故障分析的基本概念，并对Iri算法【1】中故障源的搜索步骤提出了部分改进，并进行了实例验证。在本文最后，利用SDG故障诊断方法对某化工厂的氯气泄漏事故的故障传播进行了分析研究。关键词：符号有向图，故障诊断，诊断，过程AStudyonFaultAnalysisUsingtheProcessSignedDirectedGraphModelShiYu,QiuTong,ChenBingzhenChemicalEngineeringDepartment,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,ChinaAbstract:Theprocesssigneddirectedgraph(SDG)modelrepresentsthecauseandeffectlinkagestoconnectthefaultorigintotheobservedsymptomsofthefault.FaultanalysisusingtheprocessSDG-basedmodelisbasedondigraphqualitativereasoningstrategy.Inthispaper,theelementaryconceptionandimprovedarithmeticofSDG-basedfaultanalysisareintroduced.Finally,acasestudyofachlorinereleaseaccidentoccurredinavinylchlorideplantisgiven.Keywords:SignedDirectedGraph(SDG),FaultAnalysis,Diagnosis,Process0、引言1979年由Iri等[1]提出将符号有向图(SignedDirectedGraph，SDG)用于化工过程的故障分析，其在过程控制领域有着很广阔的发展前景。国外对于此问题的研究已经有20多年，相关文献也很多。Tsuge等[2]和Shiozaki等[3]在Iri工作的基础上改进了算法，麻省理工的Oyeleye[4]发表了利用定性图论模型开发实际系统的论文并扩展了SDG的概念，德州大学Austin分校的Wilcok[5]则在SDG的基础上提出类似的PCEG（PossibleCauseandEffectGraph，可能因果图）概念，近几年Vedam[6],[7]在SDG方面有较多的研究，并提出SDG与主元分析相结合的思想，为SDG诊断方法赋予了新的生命。国内对此问题研究较多的是北京化工大学的吴重光等[8],[9]教授，并在系统仿真学报上发表多篇文章。本文就SDG方法在化工过程故障分析中的应用做了初步的研究和模拟验证，并用这一方法对某氯乙烯厂氯气泄漏事故进行了分析。主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用1931、基本概念[1]每条边上都有一个符号的有向图称为符号有向图(SDG)。符号有向图用于表示一个系统的因果关系非常有效。有向图中的节点对应所描述系统的状态变量，边表示节点间的直接影响关系，正影响和负影响（如促进和抑制）分别由赋给边上的“＋”和“一”加以区分。系统中节点表示的状态变量相对于其正常状态的值有三种可能的情况：高、不变、低，分别用“＋”、“0”、“－”来描述。那么，此时系统的状态相对于基准的正常状态的变化可以由一个有向图的节点符号组合来表示。我们将这些节点符号组合称为模式（Pattern）。如果任何一个节点出现非零状态，可以认为系统是偏离正常状态的，即出现故障。在实际应用中，由于技术和一些经济上的原因，一些节点是无法观测到的，所以符号有向图的节点集就分成两个子集：一个由可观测到的符号己知的节点组成，另一个由符号未知的无法观测的节点组成。可观测节点的符号集合称为部分模式（PartialPattern）。人为假定未知节点的符号，可以观测部分模式的扩展模式（ExpandedPattern），扩展模式的因果图的最大强连通支就是故障源的候选节点。在故障诊断中，假设故障不通过符号为0的节点进行传播，只能沿着有效节点和一致边进行传播。如果()0≠Ψjn，称节点jn为有效的；如果()()()+=ΨΦΨ-+kkkbbbdd，称边kb为一致的；其中()jnΨ是节点jn的符号，()kbΦ是边kb的符号，()kb+Ψd和()kb-Ψd表示kb的起始节点和终止节点的符号。有效节点表明其对应的状态变量出现异常，一致边则反映出该边参与了故障的传播。符号有向图中所有的有效节点和一致边组成的图称为因果图（Cause-EffectGraph），简称CEG。CEG是一种将故障传播模式可视化的有效方法：故障诊断问题可以描述为搜索CEG最大强连通支的问题。2、基于SDG的单故障分析由于同时出现多个独立故障的概率非常小，研究中一般假设系统仅有一个故障源。在此假设下，一个扩展模式的CEG只能有一个最大强连通支，称这个CEG为有根图（RootedGraph）。单故障源假设下的故障诊断问题可以描述成：给定一个符号有向图和一个部分故障模式，列举所有扩展故障模式，使其对应的CEG成为有根图。本人在仔细研究了Iri原算法框架[1]后，针对原算法框架的不足提出了两点改进来提高诊断算法的效率：1、在给未假定节点添加符号之前删除无效节点以减少DFS算法遍历的节点数；2、在将部分CEG分解前，利用图论基本知识：“如CEG为有根图，则SDG的边数大于等于节点数－1”，对部分CEG是否可能成为有根图进行预判断，以减少DFS算法调用次数。改进后的算法框架如下：1)输入一个由观测节点组成的部分模式；2)删除无效节点；主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用1943)假定一个未假定节点的符号并通过添加这个符号扩展该部分模式；4)如果SDG的边数小于节点数－1，转第(3)步；5)将部分模式的部分CEG分解成强连通支，并决定他们的顺序，分为两种情况：A.如果部分CEG有一个以上的基本支(m≥2)，停止扩展部分模式，改变假定节点符号的可能分配；B.如果部分CEG至多有一个基本支(m≤1)，进一步分成两种情况：B1.如果有多于一个的未假定节点，转第(3)步；B2.如果己不存在未假定节点，输出当前的模式和对应的CEG，代表了一种可能的故障传播路径，然后改变假定节点符号的可能分配。重复上述过程，直至找到所有可能。3、实例分析Fig1环氧丙烷水合生成丙二醇流程图Fig.1是环氧丙烷水合生成丙二醇的流程图。在氮气的氛围下，水和1,2-环氧丙烷（12C3Oxide）反应生成丙二醇（12－C3diol），同时放出大量热。反应方程式为：2436238CHO+HOCHO+910/NkJkgmol──→×←──反应在一个全混釜反应器中进行，共有3股输入物流：混有少量甲醇的1,2-环氧丙烷（F1）、工业纯水（F2）和氮气（F3）；反应器有2股输出物流：反应废气（F5）、产品物流（F4）。系统中还有1股冷却物流（H），用于调节反应温度。依据上述流程图给出SDG，如Fig2所示。由于反应废气F5的量极小，在此分析中被忽略。主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用195Fig2环氧丙烷水合生成丙二醇的SDGFig3Table1对应的CEG假设输入故障的部分模式如Table1所示，表明产品物流中丙二醇浓度G出现下降。其对应的部分CEG如Fig3。Table1部分模式V1V2V3V4VHF1F2F3F4HLTG0000－依据算法框图删掉无效节点，对剩余节点进行故障搜索，得到Table2所示的推理结果。Table2故障搜索结果序号V1V4F1LG1－－－－－2＋－－－－3＋＋＋＋－Fig4单故障有根图3种扩展模式对应的有根图如Fig4。该故障的故障源有3种可能：浓度控制器失灵，由于F1物流管路堵塞，或反应不充分造成产物质量下降。主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用1964、氯气泄漏事故的故障原因分析下面将上述SDG故障诊断的方法应用于某化工厂氯气泄漏事故的分析。这是一个氯化氢、氯乙烯合成系统，从实际过程抽象出的SDG如Fig7所示。图中实线表示“＋”正影响，虚线表示“－”负影响；方框表示各物流阀门开度变量，空心圆表示各物流流量，实心圆表示控制变量。XPX2X3X11X12YPY1Y2Y3Z1Z2ZPK1K2MN氯气Cl2氢气H2液氯次氯酸钠氢气＋氯气—氯化氢乙炔氯化氢盐酸放空CX2CX3CX11CX12CY2CY1CY3CK1CK2CMCZ1CZ2YX氯化氢＋乙炔—氯乙烯Fig7氯乙烯合成系统的SDG根据事故描述，将各已知操作（减小氯化氢、乙炔进料阀门CK2、CM开度；增大氯化氢吸收制盐酸的阀门CK1开度；关闭一台氯化氢合成炉Z1；加大氢气放空阀CY3开度；加大氯气去次氯酸钠支路的阀门CX2开度；电解工段产物氢气、氯气流量不变）作为部分模式输入，并删除无效节点。给出Fig8所示的系统的简化部分CEG。图中空心节点表示未知变量，黄色（浅）节点表示变量增加，紫色（深）节点表示变量减少。主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用197XPX2X12YPY2Y3Z2ZPK1K2MN氯气Cl2氢气H2次氯酸钠氢气＋氯气—氯化氢乙炔氯化氢盐酸放空CX2CX12CY2CY3CK1CK2CMCZ2氯化氢＋乙炔—氯乙烯Fig8氯气泄漏系统部分CEG根据SDG故障传递的推理算法规则，可以推导出如Fig9的系统有根图：XPX2X12YPY2Y3Z2ZPK1K2MN氯气Cl2氢气H2次氯酸钠氢气＋氯气—氯化氢乙炔氯化氢盐酸放空CX2CX12CY2CY3CK1CK2CMCZ2氯化氢＋乙炔—氯乙烯Fig9氯气泄漏系统有根图这一氯气泄漏系统的有根图指出：氯化氢进料阀门CX2减小（关闭）是产生氯气泄漏的故障源。这一原因导致短时间内去次氯酸钠工段的氯气流量X2大量增加，从而产生氯气泄漏。这个结果与该故障调查发现的实际情况相符。5、小结本文主要讨论了基于SDG的故障分析方法，介绍其基本概念和单故障诊断原理，并对Iri提出的算法提出改进意见和实例计算。利用这一SDG故障诊断方法，分析了某化工厂氯气泄漏事故案例，所给出的故障源与实际吻合。目前国内在SDG方法应用于化工过程故障分析这一领域的研究尚处于起步阶段，本文的工作仅仅是初步的探索性研究，进一步的研究主题六：PSE和环境、能源、安全技术研究及应用198还有待于未来的深入工作。参考文献：[1]M.Iri,K.Aoki,E.O'Shima,H.Matsuyama．Analgorithmfordiagnosisofsystemfailuresinthechemicalprocess．Computers&ChemicalEngineering，1979，3(1-4)、489~493[2]Y.Tsuge,J.Shiozaki,H.MasuyamaandE.O’Shima．FaultDiagnosisAlgorithmsbased.ontheSignedDirectedGraphanditsModifications．Int.Chem.Eng，1985，Symp.Ser.92、133~144[3]J.Shiozaki,H.Matsuyama,E.O'ShimaandM.Ira．AnImprovedAlgorithmforDiagnosisofSystemFailuresintheChemicalProcess．Comp.Chem.Eng.，1985，9(3)、285~293[4]OOOyeleye,FEFinch,MAKramer．Qualitativemodelingandfaultdiagnos