大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

郝鈺

摘 要：為了滿足大型水泥廠生產(chǎn)線中故障診斷的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，結(jié)合對(duì)大型水泥廠生產(chǎn)線故障類型的特點(diǎn)，提出一種基于貝葉斯模型的大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)充分利用了貝葉斯易于調(diào)整的特點(diǎn)和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)推理能力，并結(jié)合專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，因而能夠?qū)Υ笮退鄰S生產(chǎn)線中的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的診斷。

關(guān)鍵詞：大型水泥廠；生產(chǎn)線；故障診斷

1 概述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)水泥的產(chǎn)量和質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。因此，水泥廠的生產(chǎn)水平越來(lái)越高，水泥廠的規(guī)模也越來(lái)越大。隨著制造業(yè)水平的不斷提高，大型水泥生產(chǎn)線開(kāi)始向智能化、模塊化發(fā)展[1]，與此同時(shí)，大型水泥廠生產(chǎn)線的故障也越來(lái)越復(fù)雜，若水泥廠生產(chǎn)線出現(xiàn)故障，輕則造成水泥質(zhì)量降低，重則引起嚴(yán)重的安全事故。在大型水泥廠生產(chǎn)線中，對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的診斷，對(duì)于維護(hù)水泥生產(chǎn)線的安全運(yùn)行、提高水泥生產(chǎn)效率、提高水泥生產(chǎn)質(zhì)量、延長(zhǎng)水泥生產(chǎn)線的壽命具有重要的意義[2]。因此，大型水泥廠生產(chǎn)線的故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)成為當(dāng)前水泥行業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題，受到了越來(lái)越多人們的關(guān)注[3]。

近些年，針對(duì)大型水泥廠生產(chǎn)線的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者都提出了一些設(shè)計(jì)方法，并得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前階段，主要的大型水泥廠生產(chǎn)線故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有基于小波變換算法的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和基于模擬淬火算法的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其中最常用的是基于小波變換算法的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。由于大型水泥廠生產(chǎn)線的故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在提高水泥生產(chǎn)質(zhì)量和效率方法具有不可替代的作用，因此，該課題擁有廣闊的發(fā)展前景，并成為很多學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

但是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法沒(méi)有充分考慮大型水泥廠生產(chǎn)線故障發(fā)生的復(fù)雜性，從而降低了故障診斷的準(zhǔn)確性。為此，提出一種基于貝葉斯模型的大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 水泥廠生產(chǎn)線故障類型分析

在大型水泥廠生產(chǎn)線中發(fā)生的故障，按照時(shí)間的長(zhǎng)短可分為臨時(shí)性故障和持續(xù)性故障。臨時(shí)性故障的特點(diǎn)是，在較短的時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)，很難發(fā)現(xiàn)故障的規(guī)律性，臨時(shí)性的故障容易引起局部功能失調(diào)，如電機(jī)突然溫度過(guò)高、轉(zhuǎn)速過(guò)快、或者變頻器發(fā)生偷停等，可能重新復(fù)位就能消除故障現(xiàn)象；持久性故障的特點(diǎn)是，故障持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，如電機(jī)異響、接觸器粘連等，只有徹底解決故障才能消除故障現(xiàn)象；根據(jù)引起故障發(fā)生的原因可分為人為故障和非人為故障。人為故障發(fā)生的原因主要是由于人的不規(guī)范操作，或者保養(yǎng)不到位引起的，如磨機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過(guò)負(fù)載運(yùn)行引起的軸瓦燒壞故障，立窯長(zhǎng)時(shí)間不維護(hù)引起的耐火磚燒壞故障等；非人為故障發(fā)生的原因主要是設(shè)備元器件老化、超過(guò)設(shè)計(jì)壽命引起的，如磨損、金屬疲勞、高溫等都可以引起非人為故障。這些故障形成的時(shí)間較為緩慢，由量變到質(zhì)變往往需要持續(xù)很長(zhǎng)的過(guò)程。

大型水泥廠生產(chǎn)線中出現(xiàn)的故障原因比較復(fù)雜，往往是幾種因素共同作用下的結(jié)果。為了保障大型水泥廠生產(chǎn)線的安全運(yùn)行，需要對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的診斷。通過(guò)故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，能夠幫助我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生的根源，消除水泥廠生產(chǎn)線中的潛在故障。

3 水泥廠生產(chǎn)線故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

3.1 建立水泥廠生產(chǎn)線故障自動(dòng)診斷模型

大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：故障數(shù)據(jù)的采集、故障檢測(cè)和故障專家診斷。利用貝葉斯算法能夠?qū)Υ笮退鄰S生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方法如下所述：

設(shè)置采集到的故障數(shù)據(jù)為變量集合U={x1，...，xn}，該對(duì)應(yīng)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)能夠描述為一個(gè)二元組B={G，？專}，其中，G={V，E}是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖（即DAG），V是故障出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)，其與故障數(shù)據(jù)集合U是影射關(guān)系，E為有向五環(huán)圖中連接各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的邊。？專={？專i，i=1，...，n}用來(lái)描述故障發(fā)生的條件概率分布，其與G中上一級(jí)節(jié)點(diǎn)xi的條件概率呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，大型水泥廠生產(chǎn)線故障診斷模型能夠用結(jié)構(gòu)為G的貝葉

對(duì)大型水泥廠生產(chǎn)線的故障進(jìn)行自動(dòng)診斷，其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)一定的故障征兆，對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行推理?；谪惾~斯的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)通常采用連接樹(shù)法（JT）進(jìn)行故障的自動(dòng)診斷。首先，將建立的貝葉斯模型G轉(zhuǎn)換為連接樹(shù)T=（C，S）（C為故障數(shù)據(jù)簇的集合，S為分隔集）。然后在T上進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的分析和處理。故障概率的計(jì)算主要分為故障發(fā)生的條件概率計(jì)算和故障邊緣化的計(jì)算。對(duì)于前者，即在故障發(fā)生的節(jié)點(diǎn)中檢測(cè)故障發(fā)生的概率，其計(jì)算公

在T中求解出故障發(fā)生的征兆和故障發(fā)生的原因的數(shù)據(jù)簇或者分割。因此，基于貝葉斯的大型水泥廠生產(chǎn)線故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理是，通過(guò)采集故障數(shù)據(jù)，以故障發(fā)生的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)為起始節(jié)點(diǎn)，利用故障知識(shí)庫(kù)或者故障數(shù)據(jù)診斷庫(kù)，利用上述公式計(jì)算故障概率最大時(shí)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)已知的故障發(fā)生的因果關(guān)系和故障概率分布情況，推斷出不同的故障原因發(fā)生的概率，從而實(shí)現(xiàn)了故障的診斷，得到故障發(fā)生原因的結(jié)論。

3.2 大型水泥廠生產(chǎn)線故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

在大型水泥廠生產(chǎn)線故障自動(dòng)診斷的過(guò)程中，專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)特別重要。將專業(yè)人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)時(shí)檢測(cè)到的水泥生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠?yàn)楣收系脑\斷提供更可靠的依據(jù)。文章設(shè)計(jì)的大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)主要包括5個(gè)功能模塊，分別為故障數(shù)據(jù)的采集模塊、故障學(xué)習(xí)和推理模塊、故障知識(shí)模塊、故障診斷結(jié)果輸出模塊和人機(jī)交互模塊。

（1）故障數(shù)據(jù)的采集模塊：利用水泥生產(chǎn)線中部署的各種傳感器檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電流、電壓的波形，震動(dòng)的頻率等，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理模塊的處理后形成故障特征信號(hào)，這些故障特征信號(hào)被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別和處理。

（2）故障學(xué)習(xí)和推理模塊：該模塊是故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的核心。其中故障診斷模塊能夠利用知識(shí)庫(kù)中已建立的貝葉斯模型，不斷調(diào)整進(jìn)行故障推理的參數(shù)，從而滿足故障診斷實(shí)時(shí)性和不確定性的要求。

（3）故障知識(shí)模塊：該模塊中的知識(shí)包括兩類，其一是規(guī)則，如重新構(gòu)建貝葉斯故障檢測(cè)模型的函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等，其二是推理知識(shí)，這些知識(shí)主要來(lái)源于專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和調(diào)整后的貝葉斯檢測(cè)模型等。

（4） 故障診斷結(jié)果輸出模塊：其主要功能是，輸出故障診斷結(jié)果，并在人機(jī)交互界面中展示。

（5）人機(jī)交互模塊：該模塊的主要功能是展現(xiàn)故障診斷結(jié)果；操作人員對(duì)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的查詢、調(diào)整和維護(hù)。

基于貝葉斯的大型水泥廠生產(chǎn)線的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造能力， 并對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，若在某一時(shí)刻，已經(jīng)構(gòu)建好的貝葉斯診斷模型難以對(duì)采集到的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷時(shí)，則可以及時(shí)啟動(dòng)故障學(xué)習(xí)和推理模塊，通過(guò)模型的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)獲得更準(zhǔn)確的故障診斷模型，這就提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性和泛化能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

大型水泥廠生產(chǎn)線的故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，是水泥行業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。文章針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在大型水泥廠生產(chǎn)線的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的不足，提出了一種基于貝葉斯的故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。只有通過(guò)科學(xué)合理的故障診斷設(shè)計(jì)方法，才能設(shè)計(jì)出高效的故障診斷系統(tǒng)，從而為大型水泥廠生產(chǎn)線的安全運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李曉，李慧慧.水泥生產(chǎn)線關(guān)鍵部件在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究[J].電工文摘，2014（1）：62-67.

[2]魏立，毛麗娟.水泥工廠遠(yuǎn)程專家診斷與維護(hù)系統(tǒng)[J].中國(guó)水泥，2013（6）：101-103.

[3]孫吉云.水泥生產(chǎn)線電氣控制類故障的分析與處理方法[J].中國(guó)科技縱橫，2014（4）：72-73.