一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān)控診斷系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空壓機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān) 控診斷系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空壓機(jī)是煤礦重要的大型設(shè)備，也是高耗能設(shè)備。隨著煤礦新工藝、動力設(shè)備及新 技術(shù)的應(yīng)用，不僅需要更多的風(fēng)量，而且要求空壓機(jī)能夠隨著負(fù)荷的變化而自適應(yīng)地調(diào)節(jié)。 而現(xiàn)有的老式空壓機(jī)存在控制品質(zhì)差、可靠性低以及難以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)等問題， 造成了巨大的能源浪費(fèi)，也給操作人員帶來了巨大負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用就地分散式 人工操作。空壓機(jī)工作時(shí)噪音很大，長時(shí)間工作在這種環(huán)境給工人的健康帶來很大的危害， 不夠人性化。空壓機(jī)每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行需值班人員連續(xù)值守，控制水平的低下造成人 力資源嚴(yán)重浪費(fèi)，并且空壓機(jī)需要連續(xù)運(yùn)行，維護(hù)周期較長，空壓機(jī)工作性能不穩(wěn)定，易出 現(xiàn)報(bào)警、停機(jī)等的誤操作。
[0003] 對煤礦空壓機(jī)來說，目前人們還只停留在故障發(fā)生后的定性分析上，而對空壓機(jī) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷還比較少。絕大部分空壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)只是對工藝變量進(jìn)行上下限檢 查，以此判斷空壓機(jī)的工作狀態(tài)。實(shí)際采集的數(shù)據(jù)含有大量噪聲，這些噪聲難以使用現(xiàn)有的 數(shù)學(xué)模型描述，這類方法難以確定合適的閾值。閾值過大會導(dǎo)致難以準(zhǔn)確監(jiān)測輕微的故障， 閾值太小會導(dǎo)致誤報(bào)率過高，其次，由于空壓機(jī)工作過程變量之間的很強(qiáng)的相關(guān)性，且變量 之間的相關(guān)性隨著工況的變化而變化，個(gè)別變量超出閾值并一定發(fā)生故障。再次，個(gè)別變量 在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)并一定表明系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，如傳感器故障失效。近年來，作為基于 知識的多變量統(tǒng)計(jì)控制（MSPC)得到了較為廣泛的發(fā)展，而在MSPC中PCA方法是一種處理 工業(yè)過程控制監(jiān)測變量間的非自相關(guān)性的有效方法。但是PCA方法不能監(jiān)測到輸入數(shù)據(jù)的 非線性結(jié)構(gòu)。針對空壓機(jī)傳統(tǒng)的監(jiān)測方法監(jiān)測準(zhǔn)確率低，誤報(bào)率高等缺點(diǎn)，提出一種自適應(yīng) 核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān)控診斷系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一種一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓 機(jī)監(jiān)控診斷系統(tǒng)及方法，提高空壓機(jī)控制系統(tǒng)的自動化程度，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的遠(yuǎn)、近程監(jiān)控和 全自動監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守，以及實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障在線監(jiān)測和診斷。
[0005] 本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān)控診斷 系統(tǒng)，包括現(xiàn)場設(shè)備層、設(shè)備控制層和管理監(jiān)控層，
[0006] 所述的現(xiàn)場設(shè)備層采用PLC200作為分站，PLC200連接有用于采集水泵電機(jī)的 電壓、電流、運(yùn)行時(shí)間，拖動電機(jī)的電壓、電流、定子軸溫、轉(zhuǎn)子前軸溫、轉(zhuǎn)子后軸溫、運(yùn)行時(shí) 間，風(fēng)包內(nèi)的壓力、溫度以及空壓機(jī)的進(jìn)水壓力、出水壓力、進(jìn)水溫度、出水溫度的傳感器， PLC20連接有用于控制空壓機(jī)和水泵啟和\或閉執(zhí)行器；
[0007] 所述的設(shè)備控制層采用PLC300作為主站，PLC300連接有上位機(jī)；主站和分站之間 選用PROFIBUS-DP主從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，組成分布式I/O系統(tǒng)；主站采用PLC300為中心控制 單元，基于支持向量機(jī)的變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)PID控制器對整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，上位機(jī)通 過PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主站的通訊，將每個(gè)分站的信息送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)空壓 機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控；
[0008] 所述的管理監(jiān)控層過工業(yè)以太網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故 障診斷。
[0009] 其進(jìn)一步是：所述的基于支持向量機(jī)的變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)PID控制器的具體算法如 下：
[0010] ⑴使用SVM對非線性控制對象逼近，并瞬時(shí)線性化非線性控制對象逼近模型；
[0011] ⑵根據(jù)控制誤差自適應(yīng)調(diào)整PID控制器結(jié)構(gòu)；
[0012] (3)使用多步預(yù)測思想自適應(yīng)整定PID參數(shù)；
[0013] (4)根據(jù)反饋的實(shí)際壓力信號與設(shè)定壓力信號的誤差，按照自適應(yīng)PID控制算法 計(jì)算控制量，實(shí)現(xiàn)對空壓機(jī)系統(tǒng)的控制。
[0014] 所述的空壓機(jī)系統(tǒng)包括四臺空壓機(jī)，四臺空壓機(jī)采用主-輔-備-檢修的組合方 式運(yùn)行，主機(jī)設(shè)備始終處于閉環(huán)控制狀態(tài)。
[0015] 一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān)控診斷方法，采用上述任一監(jiān)控診斷系 統(tǒng)，具體步驟如下：
[0016] (1)確定故障診斷所用的關(guān)鍵變量，采集空壓機(jī)樣本數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本；
[0017] 所用的監(jiān)測參數(shù)包括：水泵電機(jī)的電壓、電流、運(yùn)行時(shí)間；拖動電機(jī)的電壓、電流、 定子軸溫、轉(zhuǎn)子前軸溫、轉(zhuǎn)子后軸溫、運(yùn)行時(shí)間；風(fēng)包內(nèi)的壓力、溫度；空壓機(jī)的進(jìn)水壓力、 出水壓力、進(jìn)水溫度、出水溫度；
[0018] (2)對采集到采集空壓機(jī)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)去掉量綱的影響；
[0019] (3)在低維子空間內(nèi)使用GMM對數(shù)據(jù)集聚類揭示數(shù)據(jù)多模態(tài)；
[0020] (4)然后根據(jù)數(shù)據(jù)多模態(tài)信息，在原始數(shù)據(jù)空間利用基于熵的核函數(shù)參數(shù)估計(jì)算 法尋找局部最優(yōu)核函數(shù)參數(shù)；
[0021] (5)利用局部最優(yōu)核函數(shù)參數(shù)使用KPCA把非線性高維多模態(tài)數(shù)據(jù)集變換低維鑒 別子空間，如果算法沒有達(dá)到終止條件，則轉(zhuǎn)到第一步繼續(xù)迭代執(zhí)行，通過自適應(yīng)核高斯混 合豐吳型完成對空壓機(jī)系統(tǒng)的故障診斷。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是：提高空壓機(jī)控制系統(tǒng)的自動化程度，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的遠(yuǎn)、近程 監(jiān)控和全自動監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無人值守，以及實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)故障在線監(jiān)測和診斷。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的基于PLC的集控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的基于SVM的變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明壓風(fēng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的重要特征參數(shù)來源示意圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明的一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)故障診斷方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1和圖2所示，一種自適應(yīng)核高斯混合模型的空壓機(jī)監(jiān)控診斷系統(tǒng)，包括現(xiàn)場 設(shè)備層、設(shè)備控制層和管理監(jiān)控層，所述的現(xiàn)場設(shè)備層由PLC200,傳感器，空壓機(jī)，執(zhí)行器和 水泵構(gòu)成，以PLC200作為分站，完成對現(xiàn)場設(shè)備層的控制；所述的設(shè)備控制層包括上位機(jī) 和PLC300,以PLC300作為主站，主站和5個(gè)從站之間選用PROFIBUS-DP主從網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊， 組成分布式I/O系統(tǒng)，從站的輸入信號能快速地傳送至主站，主站發(fā)出的指令和輸出結(jié)果 也能及時(shí)地送達(dá)從站執(zhí)行輸出，采用PLC為中心控制單元，基于支持向量機(jī)（SVM)的變結(jié)構(gòu) 自適應(yīng)PID控制器對整個(gè)空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，上位機(jī)采用西門子WinCC軟件，該軟件通過 PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主站的通訊，將每個(gè)分站的信息送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)空壓機(jī)系 統(tǒng)的監(jiān)控；設(shè)備控制層和管理監(jiān)控層通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)3的遠(yuǎn)程 監(jiān)控和故障診斷，而系統(tǒng)故障診斷的方法采用自適應(yīng)核高斯混合模型。
[0028] 空壓機(jī)系統(tǒng)以PLC300為中心控制單元，使用SVM在線辨識控制模型，自適應(yīng)調(diào)節(jié) PID參數(shù)，保證PID控制算法工作于最佳狀態(tài)，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)空壓機(jī)工作負(fù)荷，達(dá)到恒壓供 氣的目的，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；空壓機(jī)通過變頻軟啟動實(shí)現(xiàn)啟動、停止、加載與卸 荷狀態(tài)轉(zhuǎn)換；四臺空壓機(jī)采用主-輔-備_檢修的組合方式運(yùn)行，主機(jī)設(shè)備始終處于閉環(huán)控 制狀態(tài)，根據(jù)反饋的實(shí)際壓力信號與設(shè)定壓力信號的誤差，按照自適應(yīng)PID控制算法計(jì)算 控制量，根據(jù)監(jiān)測到的壓縮空氣管路壓力值，自主決策控制現(xiàn)場空壓機(jī)的開停，控制系統(tǒng)能 夠自動實(shí)現(xiàn)對主管路的壓力控制，實(shí)