大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統的設計方法

郝鈺

摘 要：為了滿足大型水泥廠生產線中故障診斷的實時性和準確性要求，結合對大型水泥廠生產線故障類型的特點，提出一種基于貝葉斯模型的大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統設計方法。該系統充分利用了貝葉斯易于調整的特點和較強的學習推理能力，并結合專業人員的經驗知識，因而能夠對大型水泥廠生產線中的故障進行實時和準確的診斷。

關鍵詞：大型水泥廠；生產線；故障診斷

1 概述

隨著我國基礎建設的不斷推進，對水泥的產量和質量的要求也越來越高。因此，水泥廠的生產水平越來越高，水泥廠的規模也越來越大。隨著制造業水平的不斷提高，大型水泥生產線開始向智能化、模塊化發展[1]，與此同時，大型水泥廠生產線的故障也越來越復雜，若水泥廠生產線出現故障，輕則造成水泥質量降低，重則引起嚴重的安全事故。在大型水泥廠生產線中，對故障進行實時準確的診斷，對于維護水泥生產線的安全運行、提高水泥生產效率、提高水泥生產質量、延長水泥生產線的壽命具有重要的意義[2]。因此，大型水泥廠生產線的故障診斷系統的設計方法，已經成為當前水泥行業的一個熱點研究課題，受到了越來越多人們的關注[3]。

近些年，針對大型水泥廠生產線的故障診斷系統設計的問題，國內外的很多學者都提出了一些設計方法，并得到了廣泛的應用。當前階段，主要的大型水泥廠生產線故障診斷系統的設計方法主要有基于小波變換算法的故障診斷系統設計方法、基于神經網絡的故障診斷系統設計方法和基于模擬淬火算法的故障診斷系統設計方法，其中最常用的是基于小波變換算法的故障診斷系統設計方法。由于大型水泥廠生產線的故障診斷系統的設計方法在提高水泥生產質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展前景，并成為很多學者研究的重點課題。

但是傳統的設計方法沒有充分考慮大型水泥廠生產線故障發生的復雜性，從而降低了故障診斷的準確性。為此，提出一種基于貝葉斯模型的大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統的設計方法。

2 水泥廠生產線故障類型分析

在大型水泥廠生產線中發生的故障，按照時間的長短可分為臨時性故障和持續性故障。臨時性故障的特點是，在較短的時間內突然出現，很難發現故障的規律性，臨時性的故障容易引起局部功能失調，如電機突然溫度過高、轉速過快、或者變頻器發生偷停等，可能重新復位就能消除故障現象；持久性故障的特點是，故障持續的時間較長，如電機異響、接觸器粘連等，只有徹底解決故障才能消除故障現象；根據引起故障發生的原因可分為人為故障和非人為故障。人為故障發生的原因主要是由于人的不規范操作，或者保養不到位引起的，如磨機長時間過負載運行引起的軸瓦燒壞故障，立窯長時間不維護引起的耐火磚燒壞故障等；非人為故障發生的原因主要是設備元器件老化、超過設計壽命引起的，如磨損、金屬疲勞、高溫等都可以引起非人為故障。這些故障形成的時間較為緩慢，由量變到質變往往需要持續很長的過程。

大型水泥廠生產線中出現的故障原因比較復雜，往往是幾種因素共同作用下的結果。為了保障大型水泥廠生產線的安全運行，需要對故障進行及時準確的診斷。通過故障自動診斷系統的合理設計，能夠幫助我們及時發現故障發生的根源，消除水泥廠生產線中的潛在故障。

3 水泥廠生產線故障自動診斷系統的設計方法

3.1 建立水泥廠生產線故障自動診斷模型

大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統主要實現的功能是：故障數據的采集、故障檢測和故障專家診斷。利用貝葉斯算法能夠對大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統進行設計，具體的設計方法如下所述：

設置采集到的故障數據為變量集合U={x1，...，xn}，該對應的貝葉斯網絡能夠描述為一個二元組B={G，？專}，其中，G={V，E}是一個有向無環圖（即DAG），V是故障出現的節點，其與故障數據集合U是影射關系，E為有向五環圖中連接各個檢測節點的邊。？專={？專i，i=1，...，n}用來描述故障發生的條件概率分布，其與G中上一級節點xi的條件概率呈對應關系。因此，大型水泥廠生產線故障診斷模型能夠用結構為G的貝葉

對大型水泥廠生產線的故障進行自動診斷，其實質就是通過一定的故障征兆，對故障發生的原因進行推理。基于貝葉斯的故障自動診斷系統通常采用連接樹法（JT）進行故障的自動診斷。首先，將建立的貝葉斯模型G轉換為連接樹T=（C，S）（C為故障數據簇的集合，S為分隔集）。然后在T上進行故障數據的分析和處理。故障概率的計算主要分為故障發生的條件概率計算和故障邊緣化的計算。對于前者，即在故障發生的節點中檢測故障發生的概率，其計算公

在T中求解出故障發生的征兆和故障發生的原因的數據簇或者分割。因此，基于貝葉斯的大型水泥廠生產線故障自動診斷系統設計的基本原理是，通過采集故障數據，以故障發生的檢測節點為起始節點，利用故障知識庫或者故障數據診斷庫，利用上述公式計算故障概率最大時的節點，通過已知的故障發生的因果關系和故障概率分布情況，推斷出不同的故障原因發生的概率，從而實現了故障的診斷，得到故障發生原因的結論。

3.2 大型水泥廠生產線故障診斷系統的設計方法

在大型水泥廠生產線故障自動診斷的過程中，專業人員的經驗知識特別重要。將專業人員的知識經驗與實時檢測到的水泥生產線的實時數據相結合，能夠為故障的診斷提供更可靠的依據。文章設計的大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統主要包括5個功能模塊，分別為故障數據的采集模塊、故障學習和推理模塊、故障知識模塊、故障診斷結果輸出模塊和人機交互模塊。

（1）故障數據的采集模塊：利用水泥生產線中部署的各種傳感器檢測故障發生時的運行數據，如電流、電壓的波形，震動的頻率等，采集到的數據經過處理模塊的處理后形成故障特征信號，這些故障特征信號被儲存在數據庫中，供故障自動診斷系統進行識別和處理。

（2）故障學習和推理模塊：該模塊是故障自動診斷系統的核心。其中故障診斷模塊能夠利用知識庫中已建立的貝葉斯模型，不斷調整進行故障推理的參數，從而滿足故障診斷實時性和不確定性的要求。

（3）故障知識模塊：該模塊中的知識包括兩類，其一是規則，如重新構建貝葉斯故障檢測模型的函數和經驗知識等，其二是推理知識，這些知識主要來源于專業人員的經驗知識和調整后的貝葉斯檢測模型等。

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

（5）人機交互模塊：該模塊的主要功能是展現故障診斷結果；操作人員對故障診斷系統進行相關參數的查詢、調整和維護。

基于貝葉斯的大型水泥廠生產線的故障自動診斷系統，能夠充分發揮貝葉斯網絡的構造能力， 并對模型的結構進行實時調整，若在某一時刻，已經構建好的貝葉斯診斷模型難以對采集到的故障數據進行診斷時，則可以及時啟動故障學習和推理模塊，通過模型的訓練和學習獲得更準確的故障診斷模型，這就提高了系統的自適應性和泛化能力。

4 結束語

大型水泥廠生產線的故障診斷系統的設計方法，是水泥行業的一個重點研究課題。文章針對傳統設計方法在大型水泥廠生產線的故障診斷系統設計方面的不足，提出了一種基于貝葉斯的故障自動診斷系統設計方法。只有通過科學合理的故障診斷設計方法，才能設計出高效的故障診斷系統，從而為大型水泥廠生產線的安全運行提供保障。

參考文獻

[1]李曉，李慧慧.水泥生產線關鍵部件在線監測與故障診斷系統研究[J].電工文摘，2014（1）：62-67.

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

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