一種擠壓機(jī)能耗監(jiān)測及預(yù)測系統(tǒng)研究

陀樹青，梁 鵬

(1.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東佛山 528061;2.廣東技術(shù)師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510665)

鋁型材生產(chǎn)企業(yè)屬于高能耗、高排放制造企業(yè)，控制擠壓生產(chǎn)成本是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。為保證擠壓生產(chǎn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，對擠壓機(jī)能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及能耗異常檢測，是實(shí)現(xiàn)制造自動化和清潔生產(chǎn)的發(fā)展趨勢［1－2］。此外，以擠壓機(jī)組、車間為單位對生產(chǎn)節(jié)能情況進(jìn)行評估，可有效減少能源泄露、待機(jī)時(shí)間過長、擠壓參數(shù)不恰當(dāng)?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象［3－5］。

目前鋁型材生產(chǎn)能源計(jì)量多采用人工計(jì)量方式，需要工作人員走遍各個(gè)擠壓機(jī)組記錄儀表數(shù)據(jù)，但由于廠房面積過大不能及時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還無法對生產(chǎn)現(xiàn)場中的能耗異常問題進(jìn)行及時(shí)處理。實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測系統(tǒng)通過串口服務(wù)器讀取各個(gè)數(shù)字儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，集中顯示擠壓生產(chǎn)的用電量、電壓、電流、用量、溫度、壓力及流量等數(shù)據(jù)，通過對擠壓生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到正常生產(chǎn)能耗置信區(qū)間，面對擠壓生產(chǎn)中的能耗異?，F(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)的處理［6］。此外，目前采用的節(jié)能評估手段是將未采用節(jié)能措施單位產(chǎn)品能耗與采用節(jié)能措施后的單位產(chǎn)品的能耗進(jìn)行對比。但這一方法存在滯后性，隨著生產(chǎn)時(shí)間、機(jī)組工作人員、生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，該評估方法會產(chǎn)生較大的誤差。文獻(xiàn)［7］利用回歸型支持向量機(jī)根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行能耗預(yù)測，并與實(shí)際能耗值進(jìn)行比較的節(jié)能評估方法，可有效避免數(shù)據(jù)的滯后性。

本文提出一種鋁型材擠壓機(jī)實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測及能耗異常檢測系統(tǒng)，其不僅可實(shí)時(shí)地監(jiān)測擠壓生產(chǎn)中的能耗數(shù)據(jù)，還可根據(jù)能耗預(yù)測發(fā)現(xiàn)擠壓生產(chǎn)中的能耗異?，F(xiàn)象。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測及能耗異常檢測兩部分。實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測部分由硬件部分和數(shù)據(jù)采集部分組成;能耗異常檢測部分由訓(xùn)練回歸支持向量機(jī)模塊，預(yù)測能耗區(qū)間模塊和評估節(jié)能效果模塊3部分組成。

實(shí)時(shí)能耗檢測硬件部分如圖1所示。硬件部分由數(shù)字儀表、串口服務(wù)器、交換機(jī)和監(jiān)控服務(wù)器組成。底層數(shù)字儀表與串口交換機(jī)通過RS－485接口相連，使用MODBUS－RTU通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，串口服務(wù)器與交換機(jī)相連，使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，各交換機(jī)通過局域網(wǎng)與監(jiān)控服務(wù)器相連。

圖1 實(shí)時(shí)能耗檢測硬件部分

數(shù)字儀表包括智能電表和智能天然氣表，智能電表安裝于擠壓機(jī)用電線路上，用于采集用電量、電壓、電流、視在功率、有功功率、無功功率、功率因數(shù)和頻率等參數(shù)，該參數(shù)又分為A、B、C三相和匯總;智能天然氣表安裝于輔助加熱爐供熱管道上，主要采集用量、溫度、壓力、流量等參數(shù)。

串口服務(wù)器:安裝于車間，連接智能電表、智能天然氣表和交換機(jī)之間，主要用于串口和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)RS－485串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。

交換機(jī)用于傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到監(jiān)控服務(wù)器;監(jiān)控服務(wù)器用于接收和記錄交換機(jī)傳輸?shù)呢?fù)載能耗數(shù)據(jù)以及運(yùn)行回歸型支持向量機(jī)方法;以回歸型支持向量機(jī)算法計(jì)算單位產(chǎn)品能耗的預(yù)測值Xp。

軟件部分有數(shù)據(jù)采集模塊和服務(wù)器控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行于串口服務(wù)器，其工作內(nèi)容是從監(jiān)控服務(wù)器收到配置參數(shù)后，生成標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS數(shù)據(jù)命令幀，并發(fā)送給智能數(shù)字儀表，收到智能數(shù)字儀表返還的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀中的內(nèi)容打包為TCP/IP所用的數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)到交換機(jī)網(wǎng)關(guān)中。服務(wù)器控制模塊運(yùn)行于監(jiān)控服務(wù)器，采用微軟公司開發(fā)的軟件開發(fā)平臺VC++6.0進(jìn)行開發(fā)，使用封裝的Mscomm控件進(jìn)行串口傳輸，并將硬件采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面中實(shí)時(shí)顯示及存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中。

2 擠壓生產(chǎn)能耗異常檢測

基于回歸型支持向量機(jī)的擠壓異常能耗檢測由訓(xùn)練模型、預(yù)測能耗區(qū)間和評估節(jié)能效果共3個(gè)模塊組成。

訓(xùn)練模型模塊用于訓(xùn)練基于回歸型支持向量機(jī)的節(jié)能評估模型，如圖2所示。以某鋁型材制造企業(yè)擠壓車間為例，原始能耗時(shí)間序列數(shù)據(jù)，包括日、月和年等不同時(shí)間維度的能耗數(shù)據(jù)已經(jīng)由能耗監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)先存儲于監(jiān)控服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫中。從監(jiān)控服務(wù)器的SQL數(shù)據(jù)庫中讀取某一擠壓機(jī)組于2013年4月～2013年8月每擠壓1噸鋁型材的耗電量和燃?xì)饬孔鳛橛?xùn)練數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)x有擠壓質(zhì)量、環(huán)境溫度、擠壓溫度、擠壓時(shí)間、工人工齡、鋁材型號和機(jī)器型號等，如表1所示。

表1 檢測系統(tǒng)樣本的輸入?yún)?shù)

使用Matlab訓(xùn)練基于回歸型支持向量機(jī)對擠壓能耗進(jìn)行處理，具體過程如下:

(1)選擇樣本數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和去噪處理，樣本數(shù)據(jù)的輸入?yún)?shù)x1，x2，…，xn從數(shù)據(jù)庫中讀取，樣本輸出參數(shù)y1，y2，…，yn為某擠壓機(jī)組于2011年1月～2012年8月所每擠壓1噸鋁型材的耗電量，如表2所示。

(3)將輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)作為回歸型支持向量機(jī)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，求解

得到a*

i，ai，其中，ε為誤差指數(shù)，C為懲罰因子。

根據(jù)求解結(jié)果構(gòu)建決策函數(shù)，可以預(yù)測能耗結(jié)果

預(yù)測能耗區(qū)間模塊，其特征在于使用統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算單位產(chǎn)品能耗的置信區(qū)間。設(shè)單位擠壓鋁型材的預(yù)測耗電量為 X1，X2，…，Xn服從樣本分布(μ，σ2)，X和S2分別表示預(yù)測耗電量的樣本均值和樣本方差，則隨機(jī)變對于給定的置信度1－α，，則預(yù)測耗電量的均值μ的置信區(qū)間為以某鋁型材制造企業(yè)擠壓車間為例，2013年7月中5天的耗電量分別為345.24度/噸(1 度/噸 =1 W·h·kg－1)、343.82 度/噸、354.05 度/噸、346.44 度/噸、353.26 度/噸，則置信度為0.99的耗電量置信區(qū)間為X=348.56，S2=22.55，=t0.005(4)=4.60，則預(yù)測耗電量的置信區(qū)間為［348.56 －9.77，348.56+9.77］。

圖2 支持回歸向量機(jī)

評估節(jié)能效果模塊，其特征在于根據(jù)每擠壓1噸鋁型材的能耗預(yù)測值Xp和每擠壓1噸鋁型材能耗的實(shí)際值Xt，根據(jù)公式計(jì)算所述單位產(chǎn)品的節(jié)能效果η。

3 系統(tǒng)測試及討論

為更好地檢驗(yàn)檢測結(jié)果，采用漏檢率和誤檢率作為異常判斷指標(biāo)，漏檢率和誤檢率之和為錯誤率

以某鋁型材制造企業(yè)擠壓車間為例，從數(shù)據(jù)庫中選取其2011年1月～2012年9月每擠壓生產(chǎn)1噸鋁型材的耗電量為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，結(jié)合軟件Matlab，訓(xùn)練基于回歸型支持向量機(jī)的節(jié)能評估模型，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 擠壓車間每生產(chǎn)1噸鋁型材的耗電量

根據(jù)訓(xùn)練好的回歸型支持向量機(jī)模型獲取單位鋁型材耗電量預(yù)測值。如圖3所示，該企業(yè)2012年9月～2012年12月中每月每生產(chǎn)1噸鋁型材的耗電量預(yù)測值分別為1 100 kW·h、1 083 kW·h、1 055 kW·h和1 092 kW·h。

圖3 回歸支持向量機(jī)預(yù)測結(jié)果

根據(jù)每擠壓1噸鋁型材的能耗預(yù)測值Xp和每擠壓1噸鋁型材能耗的實(shí)際值Xt，根據(jù)公式100%計(jì)算所述單位產(chǎn)品的節(jié)能效果η。圖4所示是置信度為99%的某擠壓機(jī)組日節(jié)能能效圖，圖中可看出多個(gè)能耗異常情況。

圖4 回歸支持向量機(jī)能耗異常檢測結(jié)果

表3是在不同置信度下的擠壓能耗異常檢測結(jié)果，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可看出，在不同的置信度下檢測結(jié)果有所不同，越高的置信度錯誤率越低，在90%以上的置信度均能保持在20%以下的錯誤率;此外，所有置信度的漏檢率均為0，這表示該方法可將樣本中的所有異常情況檢出，并可較好地抑制漏檢。

表3 擠壓能耗異常檢測表

4 結(jié)束語

針對鋁型材擠壓機(jī)能源使用較多，傳統(tǒng)人工采集能耗數(shù)據(jù)頻率低，采集速度慢等問題，提出了一種包括智能電表、智能天然氣表、串口服務(wù)器、交換機(jī)以及監(jiān)控服務(wù)器，智能電表和智能天然氣表等構(gòu)成的擠壓能耗監(jiān)測和能耗異常檢測系統(tǒng)。負(fù)載通過RS－485總線與串口服務(wù)器相連接，串口服務(wù)器將RS485串口轉(zhuǎn)換為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)了RS－485串口到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，監(jiān)控服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載能耗數(shù)據(jù)并對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，再利用歷史能耗數(shù)據(jù)以回歸型支持向量機(jī)方法計(jì)算單位鋁型材能耗的正常檢測區(qū)間。此外，還可根據(jù)預(yù)測能耗數(shù)據(jù)與實(shí)際記錄能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對擠壓生產(chǎn)進(jìn)行節(jié)能評估。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)不僅可實(shí)時(shí)采集車間內(nèi)擠壓機(jī)組的能耗數(shù)據(jù)，還可通過對歷史能耗數(shù)據(jù)的分析，檢測生產(chǎn)中的能源泄露、待機(jī)時(shí)間過長、擠壓參數(shù)不恰當(dāng)?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象。

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