王 旭,徐 寧,王慶凱,彭秀云

(1.北京礦冶研究總院,北京市100260；2.礦冶過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市100260)

破碎流程故障診斷系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王 旭1,2,徐 寧1,2,王慶凱1,2,彭秀云1,2

(1.北京礦冶研究總院,北京市100260；2.礦冶過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市100260)

破碎流程故障診斷系統(tǒng)以破碎生產(chǎn)流程在線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)為支撐,將因果推理和主元分析等技術(shù)相融合,實(shí)現(xiàn)了從底層設(shè)備到中間工序,再到上層生產(chǎn)流程的3層架構(gòu)破碎全流程生產(chǎn)過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。該系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的生產(chǎn)異常或者故障,通過(guò)報(bào)警、調(diào)整操作參數(shù)、甚至停機(jī)等方式處理異常或者故障,保障生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

破碎過(guò)程;故障診斷;因果推理;在線(xiàn)檢測(cè);三層架構(gòu)

1 故障診斷技術(shù)概況

碎礦作為選礦工藝的頭道生產(chǎn)工序,為后續(xù)磨浮、脫水等工藝環(huán)節(jié)輸送合格粒度的礦石,碎礦產(chǎn)量的高低往往成為整個(gè)選礦廠(chǎng)產(chǎn)量提升的瓶頸。中國(guó)大部分礦山采用三段一閉路的礦石破碎生產(chǎn)流程,部分含泥量高的礦山增加了洗礦或者預(yù)先篩分工藝。由于破碎流程工藝生產(chǎn)設(shè)備多、分布廣、礦石轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)、礦石性質(zhì)多變,僅憑人工操作監(jiān)控?zé)o法及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的異常,堵礦、漏礦、冒礦等故障發(fā)生率居高不下,由此而造成的非正常停車(chē)嚴(yán)重影響了破碎的生產(chǎn)效率。如果可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的生產(chǎn)異常或者故障,就可以通過(guò)報(bào)警、調(diào)整操作參數(shù)，甚至停機(jī)進(jìn)行維修等方式消除異常或者故障,從而避免了故障發(fā)生后所需要的長(zhǎng)時(shí)間停車(chē)、高強(qiáng)度的人力維護(hù)。

故障監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)近年來(lái)成為了自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。故障診斷的方法大致可劃分為3類(lèi)[1-3]：1)基于數(shù)學(xué)模型的方法,包括狀態(tài)估計(jì)法、參數(shù)估計(jì)法和等價(jià)空間法。這類(lèi)方法往往由于無(wú)法獲得精確的工業(yè)對(duì)象模型或者獲得模型的資金投入巨大而影響使用。2)基于知識(shí)的方法,包括專(zhuān)家系統(tǒng)法、因果分析法、模式識(shí)別法和故障樹(shù)法等。這類(lèi)方法結(jié)合了大量人工的操作經(jīng)驗(yàn),同時(shí)具備邏輯推理等特點(diǎn),在工業(yè)過(guò)程中得到了推廣應(yīng)用。3）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法[4-5],包括偏最小二乘(PLS)、主元分析法(PCA)和獨(dú)立成分分析法(ICA)等。這類(lèi)方法主要是利用在線(xiàn)檢測(cè)儀表等獲得的大量數(shù)據(jù)信息建立離線(xiàn)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程或?qū)ο蟮墓收媳O(jiān)測(cè)與診斷,其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋航空航天、大型電網(wǎng)和輸油管線(xiàn)等。而破碎過(guò)程的礦石特性具有時(shí)變性和不確定性,對(duì)離線(xiàn)模型的適用性提出了挑戰(zhàn)。

在國(guó)外,針對(duì)破碎過(guò)程的特點(diǎn),美國(guó)的SPLITEN GEINEERING公司應(yīng)用礦石圖像分析技術(shù),開(kāi)發(fā)了Split-OnlineR Rock Fragmentation Analysis system系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)了礦石塊度在線(xiàn)分析的同時(shí),兼具了“皮帶空料運(yùn)行”、“皮帶上存在木棒、鐵片等異物”監(jiān)測(cè)報(bào)警功能；在有篩分環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工藝中,它也可以被用作為篩網(wǎng)破碎的探測(cè)器,為操作人員提供故障報(bào)警。澳大利亞JKMRC推出的JKSimMet軟件產(chǎn)品,包括破碎機(jī)、高壓對(duì)輥磨機(jī)和震動(dòng)篩等單元的作業(yè)模型,主要用于對(duì)碎磨回路進(jìn)行建模和數(shù)值模擬,通過(guò)軟件分析實(shí)際工業(yè)回路的運(yùn)行數(shù)據(jù),找出薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)[6]。

在國(guó)內(nèi),北京科技大學(xué)王潤(rùn)芹將虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分布技術(shù)結(jié)合在一起,建立了基于虛擬儀器技術(shù)的破碎設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、診斷、預(yù)警及管理的綜合應(yīng)用。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行時(shí)域、頻域和小波分析,準(zhǔn)確反應(yīng)設(shè)備的主要部件工作情況,減少了現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢頻次[7]。但這些研究多側(cè)重于單元作業(yè)模型本身,對(duì)流程整體的故障監(jiān)測(cè)研究沒(méi)有涉及。東北大學(xué)譚帥、王福利等常年致力于多模態(tài)復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)及故障診斷方法的研究,并將基于差分分段PCA的多模態(tài)過(guò)程故障監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用到寶鋼連續(xù)退火機(jī)組生產(chǎn)線(xiàn),取得了不錯(cuò)的效果[8]。

本文針對(duì)破碎流程的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了破碎全流程三層架構(gòu)故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以破碎生產(chǎn)流程在線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)為支撐,將因果推理和主元分析等技術(shù)相融合,實(shí)現(xiàn)了從底層設(shè)備到中間工序,再到上層生產(chǎn)流程的三層架構(gòu)破碎全流程生產(chǎn)過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。

2 破碎流程故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的維護(hù)性、擴(kuò)展性和復(fù)用性,破碎流程故障診斷系統(tǒng)軟件采取“抽象工廠(chǎng)”的設(shè)計(jì)模式,將整個(gè)軟件劃分為數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶(hù)界面層,開(kāi)發(fā)人員將應(yīng)用的故障診斷邏輯與模型算法等放在中間層應(yīng)用服務(wù)器上,把應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯與用戶(hù)界面分開(kāi),為用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)潔的客戶(hù)端界面。當(dāng)需要修改應(yīng)用程序代碼時(shí),只需對(duì)中間層應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行修改,而不用修改多個(gè)客戶(hù)端應(yīng)用程序,從而使開(kāi)發(fā)人員可以更專(zhuān)注于核心故障診斷邏輯和數(shù)據(jù)的分析,簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的升級(jí)工作。同時(shí),考慮到系統(tǒng)的可移植性,無(wú)論是采用SQL Server還是Oracle等其他數(shù)據(jù)庫(kù),開(kāi)發(fā)人員只需要修改少量的底層數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)代碼,即可實(shí)現(xiàn)工程化移植的目的,大大縮短了開(kāi)發(fā)工期。

經(jīng)調(diào)查與分析,破碎過(guò)程故障診斷系統(tǒng)的軟件功能需求如下：1)建模人員的功能需求,即能夠通過(guò)盡量少的人工參與,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及模型的訓(xùn)練及更新,完成過(guò)程監(jiān)測(cè)模型的建立；2)操作人員的功能需求,即能夠直觀(guān)地監(jiān)測(cè)當(dāng)前設(shè)備或流程的運(yùn)行狀態(tài),及時(shí)提供故障報(bào)警,準(zhǔn)確地確定故障源,并給出合理的解決方案。

根據(jù)以上的功能需求,本破碎過(guò)程故障診斷系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、模型訓(xùn)練模塊、模型參數(shù)配置模塊、ADO.NET接口模塊、DLL接口模塊、實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)模塊、故障查詢(xún)模塊及故障診斷模塊8個(gè)部分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 破碎過(guò)程故障診斷系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

故障診斷軟件開(kāi)發(fā)將采用MATLAB和C#.net混合編程的思路,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能軟件MATLAB軟件作為開(kāi)發(fā)故障診斷算法的后臺(tái)軟件, C#.net則負(fù)責(zé)完成畫(huà)面開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)處理等工作。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

破碎流程故障診斷系統(tǒng)軟件所涉及的算法是基于破碎生產(chǎn)中的大量過(guò)程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的,同時(shí)本系統(tǒng)提供一個(gè)開(kāi)放性的接口,允許用戶(hù)根據(jù)需要對(duì)不同算法進(jìn)行擴(kuò)展和補(bǔ)充,這就要求軟件對(duì)各種模型和算法信息進(jìn)行一定的管理。正是基于以上考慮,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),具體數(shù)據(jù)表信息及用途如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)表組成及用途

其中,模型輸入?yún)?shù)配置表作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分,主要為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)模型輸入?yún)?shù)的在線(xiàn)配置及修改功能,具體信息如圖2所示。

圖2 模型輸入?yún)?shù)配置信息實(shí)體E-R

2.3 破碎流程故障診斷方法

由于破碎流程是由多個(gè)彼此密切關(guān)聯(lián)的子過(guò)程構(gòu)成的整體,因此本故障診斷系統(tǒng)在對(duì)各個(gè)子過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)之上,通過(guò)充分提取各子過(guò)程間的內(nèi)在及外在聯(lián)系,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)各子過(guò)程協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制的監(jiān)控,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)破碎流程的故障監(jiān)測(cè)與診斷。破碎全流程故障監(jiān)測(cè)包括一級(jí)安全報(bào)警、常規(guī)安全監(jiān)測(cè)和3層結(jié)構(gòu)的全局監(jiān)測(cè)3個(gè)部分。

1)一級(jí)安全報(bào)警,用于監(jiān)測(cè)那些嚴(yán)重危害現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)安全和操作人員人身安全的過(guò)程變量。這些過(guò)程變量對(duì)實(shí)際生產(chǎn)并不會(huì)產(chǎn)生較大影響,然而一旦出現(xiàn)異常就很有可能造成危害人身安全的生產(chǎn)事故。

2)常規(guī)安全監(jiān)測(cè)。常規(guī)安全監(jiān)測(cè)過(guò)程變量是否接近或超過(guò)工藝要求上下限。

3)3層結(jié)構(gòu)的全局監(jiān)測(cè)。3層架構(gòu)的全局監(jiān)測(cè)方法作為本系統(tǒng)研究的核心,采用基于遞階多模塊的破碎過(guò)程單元及整體監(jiān)控算法結(jié)構(gòu),目的是從不同的視角,從底層到上層,從局部到整體,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)破碎過(guò)程各個(gè)層面的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)及故障診斷的功能。具體包括以下3個(gè)層次:

(1)底層設(shè)備級(jí)。以各工序中主要設(shè)備及儀表為分析對(duì)象,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的功能。根據(jù)對(duì)象的各自特點(diǎn),通過(guò)對(duì)影響設(shè)備運(yùn)行的具體因素的分析,分別選擇合適的過(guò)程監(jiān)測(cè)方法(PCA和PLS),實(shí)現(xiàn)對(duì)各對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,具體診斷過(guò)程如圖3所示。

圖3 底層設(shè)備級(jí)故障診斷流程

(2)中層工序級(jí)。將每個(gè)工序看作一個(gè)整體,從整體的角度分析每個(gè)過(guò)程中各個(gè)設(shè)備、變量之間的相關(guān)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)工序的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、質(zhì)量預(yù)測(cè)和故障診斷的功能。當(dāng)中層(主要工序)報(bào)警,但底層沒(méi)有報(bào)警時(shí),提示：該主要工序?qū)?yīng)的子過(guò)程或主要設(shè)備之間運(yùn)行狀態(tài)不一致(協(xié)調(diào)性或匹配程度或運(yùn)行狀態(tài)異常）。

(3)上層流程級(jí)。把破碎流程看成一個(gè)整體,從全流程的角度,分析整個(gè)破碎過(guò)程中各個(gè)子工序之間的相關(guān)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)全流程運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)和故障診斷等功能。當(dāng)全流程報(bào)警,但中層和底層都沒(méi)報(bào)警時(shí),提示：全流程運(yùn)行狀態(tài)異常或某幾個(gè)工序運(yùn)行狀態(tài)不一致。

該3層架構(gòu)全局故障監(jiān)測(cè)方法針對(duì)圓錐破碎機(jī)產(chǎn)量偏低的故障診斷流程,如下圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型控制限監(jiān)測(cè)到圓錐破碎機(jī)排料皮帶負(fù)荷偏低時(shí),根據(jù)因果推理關(guān)系與優(yōu)先級(jí)排序?qū)λ饕?guī)則篩選判斷,如果由確定條件判定圓錐給礦負(fù)荷偏小,則跳轉(zhuǎn)進(jìn)入下一階段通過(guò)rule04和rule05對(duì)料倉(cāng)的情況進(jìn)行診斷；如果由確定條件判定圓錐給礦正常,則返回優(yōu)先級(jí)為2的框架,通過(guò)rule02對(duì)圓錐的排礦口尺寸進(jìn)行診斷,以此類(lèi)推。

圖4 3層結(jié)構(gòu)全局監(jiān)測(cè)下圓錐破碎機(jī)故障診斷過(guò)程

3 工業(yè)應(yīng)用

破碎流程故障診斷系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某大型選廠(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用,系統(tǒng)通過(guò)獲取實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù),為生產(chǎn)一線(xiàn)操作人員提供在線(xiàn)的故障監(jiān)測(cè)和診斷功能,其操作界面如圖5所示。

圖5 故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、歷史查詢(xún)和報(bào)表統(tǒng)計(jì)界面

操作人員通過(guò)語(yǔ)音和圖像的方式獲知報(bào)警信息后,第一時(shí)間通過(guò)控制系統(tǒng)改變操作條件,預(yù)防事故發(fā)生或擴(kuò)大化。與此同時(shí),該系統(tǒng)還提供故障歷史查詢(xún)及報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析功能,可以靈活地查看任意時(shí)間段內(nèi)的報(bào)警和故障信息,方便管理人員做出工程技術(shù)分析與決斷。該破碎流程故障診斷系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用過(guò)程中,多次成功診斷出諸如由于液力耦合器故障造成的皮帶運(yùn)輸機(jī)空轉(zhuǎn)和振動(dòng)篩堵塞等異常生產(chǎn)工況(詳見(jiàn)表2)。該系統(tǒng)在連續(xù)60 d的統(tǒng)計(jì)時(shí)間里累計(jì)成功預(yù)報(bào)故障次數(shù)達(dá)到36次,縮短了故障停車(chē)時(shí)間,降低了操作人員巡檢頻率,并為制定合理的設(shè)備和儀表的維護(hù)計(jì)劃提供了依據(jù)。

表2 故障診斷系統(tǒng)故障預(yù)報(bào)情況統(tǒng)計(jì)(60 d)

4 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的破碎流程故障診斷系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、模型訓(xùn)練、故障在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與診斷等功能,同時(shí)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的理論知識(shí),以及現(xiàn)場(chǎng)操作人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)融合到推理與分析模型中,提出了基于因果推理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的3層架構(gòu)全局監(jiān)測(cè)與故障診斷方法,提高了系統(tǒng)的普適性。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某大型選廠(chǎng)破碎流程應(yīng)用過(guò)程中取得了不錯(cuò)的階段性成果,向?qū)崿F(xiàn)國(guó)內(nèi)選礦廠(chǎng)的智能操作與無(wú)人值守這一目標(biāo)逐步推進(jìn)。

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Development and Application of Failure Diagnosis System for Crushing Process

WANG Xu1,2,XU Ning1,2,WANG Qingkai1,2,PENG Xiuyun1,2
(1.Beijing General Research Institute of Mining&Metallurgy,Beijing 100260,China;2.Beijing Key Laboratory of Automation of Mining and Metallurgy Process,Beijing 100260,China)

Failure diagnosis system for crushing process is based on on-line inspection data of crushing production process, combination of causal reasoning and principal component analysis achieves functions of on-line monitoring and failure diagnosis in three-layer framework (from bottom-layer equipment to intermediate process and then to top-layer production flow)crushing wholeflow production process.The system can find out potential production abnormity or failure,which can be resolved by warning, adjustment of operation parameters and shutdown to ensure sustainable and stable operation of production.

crushing process;failure diagnosis;causal reasoning;on-line inspection;three-layer framework

TP277

B

1004-4345(2014)04-0028-04

2014-04-30

王 旭(1985—),男,工程師,主要從事選礦工業(yè)過(guò)程故障診斷、建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。