選煤廠設備智能故障診斷系統設計

韓 龍

（西山煤電（集團）有限責任公司官地選煤廠，山西 太原030022）

選煤廠的核心作用是將原煤進行篩分、破碎后轉運至指定加工車間進行后續處理，如排矸、重介質分選、粗煤泥分選、浮選、濃縮、壓濾以及裝車等流程。隨著“中國制造2025”戰略實施，選煤廠逐漸向自動化、信息化、智能化方向發展，其內涵為以選煤工藝為基礎，以先進控制技術、信息技術、神經網絡技術以及人工智能為手段，實現選煤廠設備智能管理，最終達到減員增效、提高產品質量的目的。選煤廠設備較多、生產環境惡劣，設備故障率較高，嚴重影響產品質量和生產效率，亟需研究選煤廠設備智能故障診斷方案，降低設備故障發生率，提升選煤廠設備的生產效率。

1 BP 神經網絡原理

BP 神經網絡是一種由三層神經元組成的前向多層神經網絡，訓練過程采用back prppagation BP 算法，是進行設備故障診斷的有效網絡之一。標準BP 神經網絡由輸入層、隱含層以及輸出層三層結構組成，相鄰層之間采用全連接模式，結構簡圖見圖1[1-2]。BP 神經網絡采用BP 算法將節點輸出誤差逐層逆向傳播，獲取各層參考誤差并調整每個神經元的對應權值，使得輸出加權值滿足系統誤差要求。

圖1 BP 神經網絡結構簡圖

2 智能故障診斷方案

2.1 硬件設計

選煤廠智能故障診斷方案硬件設計框圖見圖2，由現場監測站、故障遠程監測中心兩部分組成。現場監測站即采集安裝在設備上的各傳感器信息以及數據采集卡信息；核心傳感器有加速度傳感器，用于檢測設備的高頻振動；選用的型號為608A11 接觸式傳感器，緊貼振動設備外殼，具有靈活方便、抗干擾能力強的優點。核心傳感器還包括位移傳感器，用于檢測低頻設備以及設備的低頻故障，選用的型號為JX70-M10-30K 電渦流傳感器，具有測量范圍寬、可靠性強，分辨率高、抗干擾能力強的優點。數據采集卡選用的是NI92344 通道動態信號采集卡，可對IEPE信號進行調理，具有防混疊濾波器并兼容TEDS傳感器功能，能夠滿足選煤廠現場監測站數據采集功能需求。

圖2 選煤廠智能故障診斷硬件設計框圖

2.2 軟件設計

（1）BP 神經網絡知識庫設計

根據選煤廠設備的故障的種類、現象、原因、維修及建議、歷史趨勢等設計故障診斷知識庫。設計時需遵循可控、可用、合理的分類原則；方便對知識庫的知識進行檢索、添加和刪除；方便分離知識庫和推理機。

根據選煤廠設備故障特點，將知識庫中的知識分為事實知識、規則知識兩類，可作為智能故障診斷系統的輸入。設備運行狀態，如設備運行正常、設備故障、設備警告等描述性語言，可作為智能故障診斷系統的輸出；設備故障類型，如電動機振動異常、電動機過壓故障、變頻器故障等[3-5]。維修建議，即針對發生設備的不同故障，給出針對性的解決方案，達到解決故障的目的，并使設備恢復至正常運行狀態。選煤廠智能故障診斷知識庫設計流程見圖3。

圖3 選煤廠智能故障診斷知識庫設計流程

（2）BP 神經網絡推理機設計

選煤廠智能故障診斷推理機設計采用基于規則的推理和基于實例的推理兩種設計方案，達到對發生的設備故障診斷清晰、準確、智能的目的。

a、基于規則的推理

基于規則的推理是指根據知識庫中的事實知識、規則知識對設備特征參數進行智能故障診斷，主要分為規則匹配、規則選擇以及執行三個步驟，見圖4。

圖4 選煤廠智能故障診斷推理機設計流程-基于規則的推理

b、基于實例的推理

基于實例的推理是指從知識庫中尋找該故障的類似解決方案，通過之前的解決實例來指導并解決當前故障問題。將解決的故障實例擴充至知識庫，使得知識庫的實例不斷增多并進一步得到完善。基于實例的推理設計流程見圖5。

圖5 選煤廠智能故障診斷推理機設計流程-基于實例的推理

3 系統仿真

為驗證設計并實現的選煤廠智能故障診斷系統的有效性和正確性，以雙齒輥破碎機為故障診斷對象，在多功能轉子試驗平臺進行試驗。試驗時，在轉子系統中人為制造典型旋轉故障，對故障發生時的特征數據進行統計、分析、處理、對比。根據公式（1）確定BP 神經網絡隱含層節點個數L：

式中：M 為設計的BP 神經網絡輸入層節點數；N為輸出層節點數；X 為隨即數且滿足X∈[1，10]。經過計算可知，隱層層節點L取10 時，輸出誤差、訓練速度最優。隱含層傳遞函數采用S 型正切函數，訓練函數為traingd，誤差要求為小于等于0.05。基于仿真平臺，對獲取的特征數據樣本進行BP 神經網絡學習，設定最大訓練次數epochs 為1000，學習速率lr 為0.05，訓練目標為0.05，仿真見圖6。當仿真程序運行至361 次時，輸出誤差滿足要求。

圖6 選煤廠智能故障診斷系統訓練次數誤差仿真

4 結論

為提升選煤廠設備的智能化、信息化水平，基于BP 神經網絡控制原理，設計選煤廠設備智能故障診斷系統，從硬件設計、軟件設計兩方面進行闡述并完成系統仿真測試，測試結果表明：

1）該故障智能診斷系統能夠全面、準確地對運行的設備進行故障診斷，實時采集各傳感器、數據采集卡信息并進行智能化處理。

2）可對設備異常振動、異常位移等情況進行故障預警，增強選煤廠運行的安全性。

3）提升了選煤廠設備的運行效率。