選煤廠設(shè)備智能故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 龍

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司官地選煤廠，山西 太原030022）

選煤廠的核心作用是將原煤進(jìn)行篩分、破碎后轉(zhuǎn)運(yùn)至指定加工車間進(jìn)行后續(xù)處理，如排矸、重介質(zhì)分選、粗煤泥分選、浮選、濃縮、壓濾以及裝車等流程。隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略實(shí)施，選煤廠逐漸向自動(dòng)化、信息化、智能化方向發(fā)展，其內(nèi)涵為以選煤工藝為基礎(chǔ)，以先進(jìn)控制技術(shù)、信息技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人工智能為手段，實(shí)現(xiàn)選煤廠設(shè)備智能管理，最終達(dá)到減員增效、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。選煤廠設(shè)備較多、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率較高，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，亟需研究選煤廠設(shè)備智能故障診斷方案，降低設(shè)備故障發(fā)生率，提升選煤廠設(shè)備的生產(chǎn)效率。

1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種由三層神經(jīng)元組成的前向多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練過程采用back prppagation BP 算法，是進(jìn)行設(shè)備故障診斷的有效網(wǎng)絡(luò)之一。標(biāo)準(zhǔn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層以及輸出層三層結(jié)構(gòu)組成，相鄰層之間采用全連接模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1[1-2]。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用BP 算法將節(jié)點(diǎn)輸出誤差逐層逆向傳播，獲取各層參考誤差并調(diào)整每個(gè)神經(jīng)元的對(duì)應(yīng)權(quán)值，使得輸出加權(quán)值滿足系統(tǒng)誤差要求。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 智能故障診斷方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

選煤廠智能故障診斷方案硬件設(shè)計(jì)框圖見圖2，由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、故障遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心兩部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站即采集安裝在設(shè)備上的各傳感器信息以及數(shù)據(jù)采集卡信息；核心傳感器有加速度傳感器，用于檢測(cè)設(shè)備的高頻振動(dòng)；選用的型號(hào)為608A11 接觸式傳感器，緊貼振動(dòng)設(shè)備外殼，具有靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。核心傳感器還包括位移傳感器，用于檢測(cè)低頻設(shè)備以及設(shè)備的低頻故障，選用的型號(hào)為JX70-M10-30K 電渦流傳感器，具有測(cè)量范圍寬、可靠性強(qiáng)，分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集卡選用的是NI92344 通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，可對(duì)IEPE信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，具有防混疊濾波器并兼容TEDS傳感器功能，能夠滿足選煤廠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集功能需求。

圖2 選煤廠智能故障診斷硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)選煤廠設(shè)備的故障的種類、現(xiàn)象、原因、維修及建議、歷史趨勢(shì)等設(shè)計(jì)故障診斷知識(shí)庫(kù)。設(shè)計(jì)時(shí)需遵循可控、可用、合理的分類原則；方便對(duì)知識(shí)庫(kù)的知識(shí)進(jìn)行檢索、添加和刪除；方便分離知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。

根據(jù)選煤廠設(shè)備故障特點(diǎn)，將知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)分為事實(shí)知識(shí)、規(guī)則知識(shí)兩類，可作為智能故障診斷系統(tǒng)的輸入。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如設(shè)備運(yùn)行正常、設(shè)備故障、設(shè)備警告等描述性語(yǔ)言，可作為智能故障診斷系統(tǒng)的輸出；設(shè)備故障類型，如電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常、電動(dòng)機(jī)過壓故障、變頻器故障等[3-5]。維修建議，即針對(duì)發(fā)生設(shè)備的不同故障，給出針對(duì)性的解決方案，達(dá)到解決故障的目的，并使設(shè)備恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。選煤廠智能故障診斷知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)流程見圖3。

圖3 選煤廠智能故障診斷知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)流程

（2）BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理機(jī)設(shè)計(jì)

選煤廠智能故障診斷推理機(jī)設(shè)計(jì)采用基于規(guī)則的推理和基于實(shí)例的推理兩種設(shè)計(jì)方案，達(dá)到對(duì)發(fā)生的設(shè)備故障診斷清晰、準(zhǔn)確、智能的目的。

a、基于規(guī)則的推理

基于規(guī)則的推理是指根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的事實(shí)知識(shí)、規(guī)則知識(shí)對(duì)設(shè)備特征參數(shù)進(jìn)行智能故障診斷，主要分為規(guī)則匹配、規(guī)則選擇以及執(zhí)行三個(gè)步驟，見圖4。

圖4 選煤廠智能故障診斷推理機(jī)設(shè)計(jì)流程-基于規(guī)則的推理

b、基于實(shí)例的推理

基于實(shí)例的推理是指從知識(shí)庫(kù)中尋找該故障的類似解決方案，通過之前的解決實(shí)例來指導(dǎo)并解決當(dāng)前故障問題。將解決的故障實(shí)例擴(kuò)充至知識(shí)庫(kù)，使得知識(shí)庫(kù)的實(shí)例不斷增多并進(jìn)一步得到完善?；趯?shí)例的推理設(shè)計(jì)流程見圖5。

圖5 選煤廠智能故障診斷推理機(jī)設(shè)計(jì)流程-基于實(shí)例的推理

3 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的選煤廠智能故障診斷系統(tǒng)的有效性和正確性，以雙齒輥破碎機(jī)為故障診斷對(duì)象，在多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中人為制造典型旋轉(zhuǎn)故障，對(duì)故障發(fā)生時(shí)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、處理、對(duì)比。根據(jù)公式（1）確定BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)L：

式中：M 為設(shè)計(jì)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)；N為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)；X 為隨即數(shù)且滿足X∈[1，10]。經(jīng)過計(jì)算可知，隱層層節(jié)點(diǎn)L取10 時(shí)，輸出誤差、訓(xùn)練速度最優(yōu)。隱含層傳遞函數(shù)采用S 型正切函數(shù)，訓(xùn)練函數(shù)為traingd，誤差要求為小于等于0.05。基于仿真平臺(tái)，對(duì)獲取的特征數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，設(shè)定最大訓(xùn)練次數(shù)epochs 為1000，學(xué)習(xí)速率lr 為0.05，訓(xùn)練目標(biāo)為0.05，仿真見圖6。當(dāng)仿真程序運(yùn)行至361 次時(shí)，輸出誤差滿足要求。

圖6 選煤廠智能故障診斷系統(tǒng)訓(xùn)練次數(shù)誤差仿真

4 結(jié)論

為提升選煤廠設(shè)備的智能化、信息化水平，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理，設(shè)計(jì)選煤廠設(shè)備智能故障診斷系統(tǒng)，從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行闡述并完成系統(tǒng)仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：

1）該故障智能診斷系統(tǒng)能夠全面、準(zhǔn)確地對(duì)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行故障診斷，實(shí)時(shí)采集各傳感器、數(shù)據(jù)采集卡信息并進(jìn)行智能化處理。

2）可對(duì)設(shè)備異常振動(dòng)、異常位移等情況進(jìn)行故障預(yù)警，增強(qiáng)選煤廠運(yùn)行的安全性。

3）提升了選煤廠設(shè)備的運(yùn)行效率。