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基于比例控制图的港口配煤过程监控研究.pdf
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1、11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8基于比例控制图的港口配煤过程监控研究 俞佳宝1 周思阳2 肖勇1 张攀攀2 魏传键1 聂梓威1 1.福建华电储运有限公司;2.交通运输部水运科学研究所 通讯作者:周思阳 摘 要:为提高港口配煤质量,提出以配煤作业中皮带机的瞬时流量之比作为关键质量特性,并采用比例控制图对其进行监控。从数据采集、分析用控制图实施、控制用控制图实施等多个阶段说明了比例控制图的实施流程,并用一个实例说明了比例控制图能及时发现过程偏移,为配煤质量提供保障。关键词:比例控制图;港口配煤;在线监控1.引言我国“富煤贫油少气”的能源禀
2、赋以及多年发展形成的经济特点,决定了现阶段煤炭仍是我国重要的基础能源和原料,是我国现阶段经济性、稳定性以及自主保障性最高的能源1。配煤作业是将2种及以上煤质指标不同的煤按一定的比例配成混合煤以满足各类客户需求的生产方式2,其对降低成本、稳定煤质和减少污染物的排放有重要意义,具有较好的经济、社会和环境效益。煤炭码头装卸设备齐全,交通便利,是各种煤炭的集散地,同时堆场容量大、垛位多,在开展配煤业务上具有先天优势。在港口配煤作业中控制和保证配煤比例的准确度和配煤的均匀度是优质准确完成配煤的关键,也是配煤业务的落脚点。如何在港口配煤过程中对其关键参数进行在线监控,确保生产作业过程的稳定可靠,从而提高煤
3、炭配比精度、降低偏差率、保证稳定性是港口配煤作业过程中需要解决的关键问题之一。统计 过程 控制(Stat ist ica l Process Control,SPC)应用统计方法对过程中的各个阶段进行监控并保证过程处于正常且稳定的水平,从而达到监管与提高质量的目的。控制图作为一种重要的SPC工具,被广泛应用于监控过程中关键质量特性的波动,判断过程是否稳定,即过程是否在一个仅有随机原因影响的系统内运行,以保证产品质量特性的一致性和稳定性。针对监控两个变量间比例关系的问题,Celano 等3首先在样本容量n=1的情况下,提出了对两个正态变量之比进行监控的Shewhart-RZ 控制图,并对其统计性
4、能进行了研究。随后,这项研究由Celano和Castagliola4扩展到了样本容量n1的情形。一些研究考虑了比例控制图在港口配煤过程中应用5-7,但是这些研究的重点在于比例控制图的设计,缺 乏 对比例控制图实 施流 程的研究。本文提出采用比例控制图对港口配煤过程进行监控,并从数据采集、分析用控制图实施、控制用控制图实施等多个阶段对比例控制图的实施流程进行了研究。2.港口配煤作业流程为将比例控制图应用于港口配煤过程的在线监控中,需要分析港口配煤工艺,确定作业流程中能反映过程状态且影响混煤质量的关键过程特性。取装配煤和筒仓配煤是港口配煤中常见的两种形式。取装配煤是指不同品类的进港煤炭在露天堆场单
5、独堆存,在混煤作业时,多台取料设备按设定好的比例同时取料,汇到统一路皮带机上,再实现装车装船。筒仓配煤是指利用现有取料设备,将不同种类的煤提前运至筒仓,然后通过卸料设备,按目标配煤比卸料,再通过多台带式输送机进行充分混合。取装配煤和筒仓配煤的流程中皆需要将不同种类的煤卸在皮带机上,通过皮带机运输,并汇入一路皮带机进行混合,运输不同原煤皮带机的瞬时流量之比决定了混合煤中不同种类原煤的比例,是影响配煤比例准确度和配煤均匀度的关键特性。在取装配煤和筒仓配煤作业流程中由电子皮带秤对皮带机的瞬时流量进行测量,数据易获取。因此可选择配煤作业中不同皮带机的瞬时流量之比作为比例控制图监控的过程特性。3.比例控
6、制图的实施3.1单边Shewhart-RZ控制图假设W=(X,Y)T为二元正态随机向量,WN(W,W),其中W为均值向量,W为协方差矩阵,具体公式如下,其中为变量X,Y之间的相关性系数。此时变量的变异系数可定义为X=X/X,Y=Y/Y,同时记X,Y的标准差之比为=X/Y。(1)(2)令X,Y的比值为Z,Z=X/Y,由文94学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8的上控制限为UCL-=+。类似的Shewhart-RZ+控制图的上控制限也可由0计算得到,(14)在这两个控制图的应用过程中,当在Shewhart-RZ-控制图中Z
7、LCL,过程被认为处于失控状态,需要检查过程中造成异常的原因并解决,使过程恢复稳定。否则认为过程处于受控状态。3.2数据采集以两种原煤的配煤作业为例说明采用比例控制图的应用,为确保两类煤炭的比例保持稳定,对运输这两类原煤的两条皮带机的瞬时流量进行监控,将两类煤炭的瞬时流量用变量(X,Y)表示。在系统稳定运行后,通过电子皮带秤分别采集两台皮带机的瞬时流量数据,连续n个数据作为一个样本(Xi,1,Yi,1),(Xi,2,Yi,2),.,(Xi,n,Yi,n),共采集m个样本,其中n的取值通常大于5,m的取值通常大于25。在采用控制图前需要先对数据进行正态性检验,若变量(X,Y)不服从正态分布则需要
8、通过正态变换方法,如Box变换等,将数据转换为正态分布,或增大样本容量直至样本均值服从正态分布,以满足比例控制图的使用要求。3.3分析用控制图比例控制图的实施过程可分为分析用控制图和控制用控制图两个阶段。分析用控制图是指当刚开始使用控制图对配煤过程进行监控时,无法确定生产过程是否处于统计受控状态,需要积累足够的数据后,用控制图判断生产过程是否处于统计受控状态。对 于 分 析用 控 制 图 需 要 在 积累25批数据以上后,对(Z0,X,Y,)等过程参 数 进行估 计并计算控制图的控制限。记每个样本的变量X,Y的均值和方差为,协方差为SX,Y,i,将以上统计量对m献3可得比例Z的累积分布函数及累
9、积分布函数的反函数为:(3)(4)其中(-)是标准正态分布的累积分布函数,A、B、C1、C2和C3是参数Z,P,X,Y,的函数:(5)(6)(7)(8)(9)为了在生产过程中监控比例Z,在时刻i(i=1,2,.)抽取样本容量为n的样本Wi,1,Wi,2,.,Wi,n,此时观测统计量为:(10)其累积分布函数及其反函数为:(11)(12)由于比例Z的分布是不对称的,因此分别需要一个上单边控制图(记为Shewhart-RZ+控制图)以监控比例向上的偏移和一个下单边控制图(记为Shewhart-RZ-控制图)监控向下的偏移。对于给定的受控状态下的平均运行长度ARL0,虚发报警的概率0=1/ARL0,
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