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    劉紀(jì)新（1979－）
男，青島黃海職業(yè)學(xué)院，學(xué)士。現(xiàn)從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)智能控制及橡膠行業(yè)機(jī)電一體化設(shè)備的開發(fā)與研制。

摘要：利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和對(duì)非線性系統(tǒng)超強(qiáng)的分析能力等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到橡膠配料系統(tǒng)中，有效的實(shí)現(xiàn)了配料系統(tǒng)的故障診斷，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在配料系統(tǒng)故障診斷應(yīng)用上的空白，對(duì)其他行業(yè)也有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：配料系統(tǒng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；故障診斷

Abstract: BP neural network has the abilities of self-adaption, self-learning and good analysis of nonlinear systems, etc.. Applying BP neural network in dosing system can realize the fault diagnosis, filling in the gaps in fault diagnosis of dosing system of China. The strategy proposed in this paper also can serve as a guide and reference to dosing system in other industries.

Key words: dosing system；BP neural network；fault diagnosis

1 研究背景

    在橡膠、印鈔、油墨等行業(yè)的生產(chǎn)中，按固定的配方準(zhǔn)確配料是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一[1]。配料系統(tǒng)是這些行業(yè)生產(chǎn)中常用的機(jī)電設(shè)備，其功能和可靠性決定了產(chǎn)品的均一穩(wěn)定性，因此倍受重視。在配料系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些可預(yù)見和不可預(yù)見的故障，如何有效地探測(cè)故障并使系統(tǒng)運(yùn)行良好是目前研究的熱點(diǎn)。

    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新方法，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的分類能力，進(jìn)行故障模式的分類與學(xué)習(xí)，診斷出故障。本文采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)配料系統(tǒng)各種故障的快速定位，為系統(tǒng)維修維護(hù)提供了可靠指導(dǎo)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用改變了橡膠、印鈔、油墨生產(chǎn)裝備的水平，創(chuàng)造了民族工業(yè)的品牌，為橡膠、印鈔、油墨行業(yè)做出了突出的貢獻(xiàn)。

2  配料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    配料系統(tǒng)單料秤結(jié)構(gòu)如圖1所示，由給料機(jī)構(gòu)、料斗、卸料機(jī)構(gòu)、稱和配料控制器組成，采用多工位、環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)配方設(shè)定，多種物料單獨(dú)、分別同時(shí)稱量，混合配比，全自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行方式。

3 配料系統(tǒng)故障描述

    配料系統(tǒng)的故障表現(xiàn)為多種類型，為了便于進(jìn)行故障診斷，下面將從不同的角度進(jìn)行配料系統(tǒng)的故障分類。

    （1）從故障的時(shí)間歷程上來(lái)分，配料系統(tǒng)故障可分為突發(fā)性故障和漸進(jìn)性故障。突發(fā)性故障發(fā)生時(shí)間上是突然的，故障前沒有明顯的征兆表現(xiàn)，這類故障不能提前預(yù)測(cè)及測(cè)試。如控制器反饋丟失、下位機(jī)程序運(yùn)行異常等。漸進(jìn)性故障發(fā)生時(shí)間是一個(gè)漸變的過程，故障發(fā)生前已經(jīng)有相應(yīng)的征兆表現(xiàn)，根據(jù)這些征兆在一定程度上可以進(jìn)行這類故障的早期預(yù)測(cè)。如控制回路參數(shù)變化、驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)回路異常等。

    （2）從故障的危害程度上來(lái)分，配料系統(tǒng)故障可分為嚴(yán)重故障和一般故障。嚴(yán)重故障是指故障危害程度巨大，危及到人身安全、環(huán)境安全或者配料系統(tǒng)本身安全的故障，這些故障必須采取緊急措施加以處理。如一般故障是指不引起安全問題，但對(duì)配料精度有一定影響的故障。

    （3）從故障的學(xué)科領(lǐng)域上來(lái)分，配料系統(tǒng)故障可分為電子、電氣和機(jī)械類型的故障。如各種器件或邏輯故障屬電子類故障，涉及控制調(diào)節(jié)的故障屬電氣類故障，而涉及系統(tǒng)機(jī)械力學(xué)的故障屬機(jī)械類故障。

    （4）從故障發(fā)生的原因上來(lái)分，配料系統(tǒng)故障可以分為內(nèi)在故障和環(huán)境故障。內(nèi)在故障是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)或結(jié)構(gòu)劣化引起的，如由于元器件的老化引起的控制參數(shù)的變化；環(huán)境故障是由于輸入異常引起的，如氣源氣壓降低，使系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行等等。

    綜觀配料系統(tǒng)的故障，可以總結(jié)出以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

    層次性  由于配料系統(tǒng)是一個(gè)具有多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，而故障的產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的不同層次，表現(xiàn)為層次性，下一層次的故障一般能在上一層次得以顯現(xiàn)。

    相關(guān)性  配料系統(tǒng)這類復(fù)雜系統(tǒng)是由若干個(gè)相互聯(lián)系的子系統(tǒng)組成的整體，某些子系統(tǒng)的故障常常是由于與之相關(guān)子系統(tǒng)或下級(jí)子系統(tǒng)故障傳播所致，從而表現(xiàn)為相關(guān)性。

    模糊性  配料系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中的模糊性，以及人們?cè)跔顟B(tài)監(jiān)測(cè)和技術(shù)診斷中存在許多模糊的概念和方法。

    多樣性  從配料系統(tǒng)常見故障中可以看出，既有硬件方面的故障，也有軟件方面的故障，故障產(chǎn)生的機(jī)理不盡相同，表現(xiàn)為多樣性。

    多領(lǐng)域性  由于配料系統(tǒng)的系統(tǒng)組成涉及電控、物料稱量、氣力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)幾個(gè)部分，而這些部分又屬于不同的領(lǐng)域，由此配料系統(tǒng)的故障涉及電子、電氣和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，表現(xiàn)為多領(lǐng)域性。

4 BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    三層BP網(wǎng)絡(luò)可以很好的解決一般的模式識(shí)別問題，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2   BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

6 仿真結(jié)果分析

    使用MatLab進(jìn)行仿真，訓(xùn)練次數(shù)為1000次，訓(xùn)練目標(biāo)0.01，學(xué)習(xí)速率0.1，仿真結(jié)果如圖3所示。可見，大約經(jīng)過30次訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)的性能就達(dá)到了要求。收斂速度快的一個(gè)重要原因在于學(xué)習(xí)速率的設(shè)定值比較大。

圖3   訓(xùn)練結(jié)果

    下面需要對(duì)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。抽取3組新的數(shù)據(jù)作為網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試輸入數(shù)據(jù)，如表2所示。

    表2   測(cè)試輸入數(shù)據(jù)

    表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

　　測(cè)試結(jié)果為：

　　Y=
　　　　0.9728    0.0023    0.0190
　　　　0.0000    0.8951    0.0000
　　　　0.0001    0.0000    0.9982

    按照歐式范數(shù)理論，這三次測(cè)試的誤差分別為0.0272、0.1049和0.0018，可以看出這些誤差是非常小的。因此，可以判定，經(jīng)過訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)是完全可以滿足配料系統(tǒng)故障診斷要求的，對(duì)故障的診斷正確率在90%以上。

7 結(jié)論

    利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和對(duì)非線性系統(tǒng)超強(qiáng)的分析能力等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到橡膠配料系統(tǒng)中，有效的實(shí)現(xiàn)配料系統(tǒng)的故障診斷。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對(duì)故障的診斷正確率在90%以上，可以滿足各種配料生產(chǎn)的要求，已在“十五”國(guó)家重大技術(shù)裝備載重子午胎成套設(shè)備研制“小料自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)”和“印鈔油墨配料系統(tǒng)”中得到應(yīng)用，并通過國(guó)家驗(yàn)收。

其它作者：

    胡鳳菊（1979- ），女，青島黃海職業(yè)學(xué)院，學(xué)士。

    賈曉芬（1979- ），女，安徽碭山人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，碩士。

    趙佰亭（1981- ），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，博士。

參考文獻(xiàn)

    [1] 趙佰亭，杭柏林，申洪雷.配料系統(tǒng)三級(jí)計(jì)算機(jī)管理控制與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化博覽，2004，09增刊：86-87.

    [2] 杭柏林，袁仲雪，高彥臣.配料系統(tǒng)給料速度的自動(dòng)控制［J］.世界橡膠工業(yè)，2001，27（2）：55-56.

    [3] 袁仲雪，杭柏林，張文軍.小料自動(dòng)配料稱量系統(tǒng)的研制［J］.世界橡膠工業(yè)，2000，27（4）：20-21.