面向工業(yè)爐管離心鑄造的智能化大數(shù)據(jù)采集與分析研究

嚴(yán)新華

(商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000)

隨著現(xiàn)代化工迅速更新發(fā)展，當(dāng)前化工行業(yè)最為關(guān)注的便是流程復(fù)雜化、自動(dòng)化水平高、大規(guī)模流程工業(yè)穩(wěn)定安全運(yùn)行等等，由此衍生了過(guò)程監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)。近年來(lái)此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，得以在機(jī)械制造與石油化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。復(fù)雜的現(xiàn)代化流程工業(yè)，涉獵變量繁多，變量之間息息相關(guān)，相互作用，相互影響，因此采集變量十分關(guān)鍵，傳統(tǒng)人工采集數(shù)據(jù)的方式效率低，數(shù)據(jù)誤差大，且人力物力消耗過(guò)多，從而直接影響著后續(xù)變量信息提取與分析，統(tǒng)計(jì)模型準(zhǔn)確性無(wú)法得到有效保障，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)條件[1]。為采集全方位且精確的數(shù)據(jù)，本文面向工業(yè)爐管離心鑄造過(guò)程設(shè)計(jì)了智能化大數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。

1 智能化大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)

于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，并監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)流程。系統(tǒng)基于信號(hào)采集，還需加以傳輸、呈現(xiàn)、處理分析。

工業(yè)爐管離心鑄造工段智能化大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)[2]具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

其中，多功能測(cè)溫儀負(fù)責(zé)鋼水溫度測(cè)定；溫度變送器負(fù)責(zé)筒前端、中端、后端溫度測(cè)定；轉(zhuǎn)速變送器負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速測(cè)定；電渦流變送器負(fù)責(zé)筒軸端與中端振幅測(cè)定。

智能化大數(shù)據(jù)采集功能結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.1 傳感器

智能化大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)分別面向鋼水澆鑄溫度、型筒外壁溫度、離心機(jī)運(yùn)行過(guò)程中型筒振幅、旋轉(zhuǎn)速度等相關(guān)變量實(shí)時(shí)采集具體參數(shù)，因此需以各種不同類型傳感器為基礎(chǔ)，即光纖傳感測(cè)溫儀、紅外線溫度傳感器、光電傳感器、無(wú)線數(shù)傳稱重儀、電渦流變送器。型筒傳感器[3]具體分布如圖3所示。

圖3 型筒傳感器分布示意圖

1.2 轉(zhuǎn)換器

通信檢測(cè)與現(xiàn)代化控制領(lǐng)域中，為提升系統(tǒng)性能指標(biāo)，通常都會(huì)在信號(hào)處理中引進(jìn)數(shù)字通訊技術(shù)。智能化大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則基于傳感器采集工業(yè)爐管離心澆鑄信號(hào)著手，其中涉獵溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)信號(hào)，都屬于模擬量，需將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才可以計(jì)算機(jī)與控制器為載體加以識(shí)別處理，所以信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)需以模數(shù)轉(zhuǎn)換器為輔助。本文傳感器所采集模擬量，主要以A/D轉(zhuǎn)換器作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器功能結(jié)構(gòu)[4]具體如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換器功能

如圖4所示，A/D轉(zhuǎn)換器工作原理具體即輸入模擬信號(hào)，以集成芯片電路轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)化模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)D0-D7通道傳輸信號(hào)于控制器。

1.3 組態(tài)軟件

通常工控組態(tài)軟件都是應(yīng)用于Windows系統(tǒng)中，以開(kāi)發(fā)中控室監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。而工業(yè)爐管離心鑄造智能化大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)Divew組態(tài)軟件構(gòu)建了采集系統(tǒng)平臺(tái)，負(fù)責(zé)采集并處理數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)揮著舉足輕重的關(guān)鍵所用。Divew組態(tài)軟件局部功能結(jié)構(gòu)[5]具體如圖5所示。

圖5 Divew功能

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)

工業(yè)爐管離心鑄造智能化大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)選用了SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL語(yǔ)言是操作人員和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)彼此交互溝通的重要載體，作為規(guī)范化語(yǔ)言，其具備數(shù)據(jù)查詢、插入、下載、修改與刪除等多項(xiàng)功能。離心鑄造過(guò)程智能化大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)域名連接數(shù)據(jù)庫(kù)，全面儲(chǔ)存系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行前臺(tái)操作，并調(diào)取、下載、查詢歷史數(shù)據(jù)。

1.5 控制器

作為銜接載體，控制器是有效鏈接上位機(jī)與工作現(xiàn)場(chǎng)采集硬件的橋梁，在工業(yè)爐管離心鑄造大數(shù)據(jù)采集分析中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用[6]。本文選用了PLC控制器，以調(diào)節(jié)振動(dòng)傳感器。PLC控制器只需要10 ms便可采集并運(yùn)算全部模擬量，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)結(jié)果，在1 s內(nèi)結(jié)束運(yùn)算之后，還可快速存儲(chǔ)其中最大值與最小值，進(jìn)行差值計(jì)算，同時(shí)存儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)，并傳輸計(jì)算結(jié)果于組態(tài)軟件加以識(shí)別，從而驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)揮作用完成存儲(chǔ)工作。振動(dòng)傳感器所采集變量為模擬信號(hào)，經(jīng)有線傳輸于PLC控制器，以其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后基于屏蔽雙絞線與總線USB轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識(shí)別銜接的變量形式，最終傳送于PLC軟件內(nèi)。

1.6 人機(jī)操作界面

人機(jī)操作界面友好有助于進(jìn)行集中化操作與現(xiàn)代化監(jiān)控。工業(yè)爐管離心鑄造智能化大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用戶界面主要負(fù)責(zé)操作人員與現(xiàn)場(chǎng)型筒振幅、轉(zhuǎn)速、澆鑄溫度、前中后溫度等傳感器之間的數(shù)據(jù)信息交互，并實(shí)時(shí)展示通過(guò)控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化之后的采集數(shù)據(jù)，以方便操作人員實(shí)時(shí)獲取[7]。工業(yè)爐管離心澆筑時(shí)，大數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)將所采集澆鑄數(shù)據(jù)傳送于UI界面加以展示，同時(shí)儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)以作為歷史數(shù)據(jù)，便于調(diào)取查詢和下載。UI界面具備數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)取功能，還可于系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)注所有澆鑄爐管數(shù)據(jù)，并與實(shí)際澆鑄爐管一一對(duì)應(yīng)。

2 工業(yè)爐管離心鑄造過(guò)程大數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

以MPCA-PCA法進(jìn)行工業(yè)爐管離心鑄造過(guò)程大數(shù)據(jù)采集分析監(jiān)測(cè)[8]。基于MPCA(多向主元分析法)建模分析，需選擇離心鑄造的型筒前中后端溫度、轉(zhuǎn)速作為變量；基于PCA(主元分析法)建模分析，需選擇爐管熔煉的C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Nb、Cu、Ti、Fe等元素，與離心鑄造的溫度、型筒前中后端溫度、轉(zhuǎn)速作為變量。由變量中提取特征，以發(fā)現(xiàn)影響爐管質(zhì)量的根源。

本文所選用爐管參數(shù)具體為：66.9 mm×7.4 mm，w(Cr)/w(Ni)比為25/35。一共選擇150組數(shù)據(jù)，142組合格。在MPCA建模時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行，126組作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)全部合格；12組作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，8組合格，4組不合格；12組作為檢測(cè)數(shù)據(jù)，8組合格，4組不合格。

2.1 MPCA建模分析

以126組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)為依據(jù)明確主元數(shù)量，驗(yàn)證合格數(shù)據(jù)，即正常爐管離心鑄造數(shù)據(jù)與故障爐管離心鑄造數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)驗(yàn)證的模型正確率與誤報(bào)率結(jié)果具體如表1所示。

表1 模型正確率與誤報(bào)率結(jié)果

由表1可知，在主元數(shù)量增加趨勢(shì)下，正確率與誤報(bào)率一直都控制在75.5%與12.0%上，以此選擇主元數(shù)量為1。

在主元數(shù)量為1的條件下，帶入檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，則正常與故障爐管檢測(cè)結(jié)果具體表現(xiàn)為：正常爐管均未超過(guò)99%SPE貢獻(xiàn)控制極限值，而故障爐管則都超過(guò)了99%SPE貢獻(xiàn)控制極限值，與PT檢測(cè)結(jié)果相一致。基于模型正確率與誤報(bào)率內(nèi)涵，可知MPCA模型構(gòu)建正確率與誤報(bào)率為100%與0。

選擇某故障工業(yè)爐管進(jìn)行貢獻(xiàn)SPE統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果具體如表2所示。

表2 故障爐管貢獻(xiàn)

由表2可知，型筒前、中、后端溫度是造成工業(yè)爐管故障，影響離心鑄造的關(guān)鍵要素，這主要是由于溫度過(guò)高導(dǎo)致粘砂，加大了拔管難度。

2.2 PCA建模分析

以126組數(shù)據(jù)開(kāi)展PCA建模分析，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)為依據(jù)明確主元數(shù)量，驗(yàn)證工業(yè)爐管離心鑄造過(guò)程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)驗(yàn)證的模型正確率與誤報(bào)率結(jié)果具體如表3所示。

表3 主元個(gè)數(shù)選擇

由表3可知，在主元數(shù)量為5～7時(shí)，正確率與誤報(bào)率一直保持100%與0，效果最佳，因此本文選擇主元數(shù)量為5。

在主元數(shù)量為5時(shí)，帶入檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，則正常與故障爐管檢測(cè)結(jié)果具體如表4所示。

表4 PCA檢測(cè)結(jié)果

由表4可知，1～8根正常爐管都未超出99%SPE貢獻(xiàn)控制極限值，而9～12根故障爐管都超出了99%SPE貢獻(xiàn)控制極限值，與PT檢測(cè)結(jié)果相一致。基于模型正確率與誤報(bào)率內(nèi)涵，可知PCA模型構(gòu)建正確率與誤報(bào)率為100%與0。

選擇最后一根故障工業(yè)爐管進(jìn)行貢獻(xiàn)SPE統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果具體如表5所示。

表5 故障爐管貢獻(xiàn)

由表5可知，型筒前、中、后端溫度是造成工業(yè)爐管故障，影響離心鑄造的關(guān)鍵要素，這主要是由于溫度過(guò)高導(dǎo)致粘砂，加大了拔管難度。

總之，MPCA與PCA模型構(gòu)建檢測(cè)正確率與誤報(bào)率為100%與0，所以MPCA-PCA聯(lián)合建模檢測(cè)正確率與誤報(bào)率為100%與0。

3 結(jié) 論

綜上所述，本文以工業(yè)爐管離心鑄造過(guò)程數(shù)據(jù)加以分析，其中包含建模，帶入驗(yàn)證數(shù)據(jù)選擇最佳主元數(shù)量引進(jìn)檢測(cè)數(shù)據(jù)以評(píng)估模型。通過(guò)MPCA-PCA聯(lián)合建模分析之前，需預(yù)處理數(shù)據(jù)。選用某型號(hào)工業(yè)爐管生產(chǎn)數(shù)據(jù)開(kāi)展建模分析，結(jié)果表明，MPCA與PCA模型構(gòu)建檢測(cè)正確率與誤報(bào)率為100%與0，所以MPCA-PCA聯(lián)合建模檢測(cè)正確率與誤報(bào)率為100%與0；基于故障爐管貢獻(xiàn)分析，查找發(fā)現(xiàn)了故障成因，以此及時(shí)調(diào)整離心鑄造過(guò)程參數(shù)，防止由于同樣原因造成故障。