陀樹青，梁 鵬

(1.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東佛山 528061;2.廣東技術師范學院計算機科學學院，廣東廣州 510665)

鋁型材生產企業(yè)屬于高能耗、高排放制造企業(yè)，控制擠壓生產成本是企業(yè)關注的重點。為保證擠壓生產穩(wěn)定、經濟地運行，對擠壓機能耗進行實時監(jiān)測以及能耗異常檢測，是實現(xiàn)制造自動化和清潔生產的發(fā)展趨勢［1－2］。此外，以擠壓機組、車間為單位對生產節(jié)能情況進行評估，可有效減少能源泄露、待機時間過長、擠壓參數(shù)不恰當?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象［3－5］。

目前鋁型材生產能源計量多采用人工計量方式，需要工作人員走遍各個擠壓機組記錄儀表數(shù)據(jù)，但由于廠房面積過大不能及時采集生產數(shù)據(jù)，還無法對生產現(xiàn)場中的能耗異常問題進行及時處理。實時能耗監(jiān)測系統(tǒng)通過串口服務器讀取各個數(shù)字儀表的實時數(shù)據(jù)，集中顯示擠壓生產的用電量、電壓、電流、用量、溫度、壓力及流量等數(shù)據(jù)，通過對擠壓生產歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到正常生產能耗置信區(qū)間，面對擠壓生產中的能耗異?，F(xiàn)象及時發(fā)現(xiàn)并做出相應的處理［6］。此外，目前采用的節(jié)能評估手段是將未采用節(jié)能措施單位產品能耗與采用節(jié)能措施后的單位產品的能耗進行對比。但這一方法存在滯后性，隨著生產時間、機組工作人員、生產產品的不同，該評估方法會產生較大的誤差。文獻［7］利用回歸型支持向量機根據(jù)當前生產參數(shù)進行能耗預測，并與實際能耗值進行比較的節(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實時能耗監(jiān)測及能耗異常檢測系統(tǒng)，其不僅可實時地監(jiān)測擠壓生產中的能耗數(shù)據(jù)，還可根據(jù)能耗預測發(fā)現(xiàn)擠壓生產中的能耗異?，F(xiàn)象。

1 系統(tǒng)結構組成

系統(tǒng)分為實時能耗監(jiān)測及能耗異常檢測兩部分。實時能耗監(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練回歸支持向量機模塊，預測能耗區(qū)間模塊和評估節(jié)能效果模塊3部分組成。

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

圖1 實時能耗檢測硬件部分

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)。

串口服務器:安裝于車間，連接智能電表、智能天然氣表和交換機之間，主要用于串口和網絡設備中傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)RS－485串口到TCP/IP網絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。

交換機用于傳輸網絡數(shù)據(jù)到監(jiān)控服務器;監(jiān)控服務器用于接收和記錄交換機傳輸?shù)呢撦d能耗數(shù)據(jù)以及運行回歸型支持向量機方法;以回歸型支持向量機算法計算單位產品能耗的預測值Xp。

軟件部分有數(shù)據(jù)采集模塊和服務器控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊運行于串口服務器，其工作內容是從監(jiān)控服務器收到配置參數(shù)后，生成標準的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)字儀表返還的應答數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀中的內容打包為TCP/IP所用的數(shù)據(jù)包，并通過網絡接口轉發(fā)到交換機網關中。服務器控制模塊運行于監(jiān)控服務器，采用微軟公司開發(fā)的軟件開發(fā)平臺VC++6.0進行開發(fā)，使用封裝的Mscomm控件進行串口傳輸，并將硬件采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C界面中實時顯示及存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中。

2 擠壓生產能耗異常檢測

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

訓練模型模塊用于訓練基于回歸型支持向量機的節(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，原始能耗時間序列數(shù)據(jù)，包括日、月和年等不同時間維度的能耗數(shù)據(jù)已經由能耗監(jiān)測系統(tǒng)預先存儲于監(jiān)控服務器的SQL數(shù)據(jù)庫中。從監(jiān)控服務器的SQL數(shù)據(jù)庫中讀取某一擠壓機組于2013年4月～2013年8月每擠壓1噸鋁型材的耗電量和燃氣量作為訓練數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)x有擠壓質量、環(huán)境溫度、擠壓溫度、擠壓時間、工人工齡、鋁材型號和機器型號等，如表1所示。

表1 檢測系統(tǒng)樣本的輸入參數(shù)

使用Matlab訓練基于回歸型支持向量機對擠壓能耗進行處理，具體過程如下:

(1)選擇樣本數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行歸一化和去噪處理，樣本數(shù)據(jù)的輸入參數(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)將輸入參數(shù)和輸出參數(shù)作為回歸型支持向量機的訓練數(shù)據(jù)進行輸入，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)求解結果構建決策函數(shù)，可以預測能耗結果

預測能耗區(qū)間模塊，其特征在于使用統(tǒng)計分析方法計算單位產品能耗的置信區(qū)間。設單位擠壓鋁型材的預測耗電量為 X1，X2，…，Xn服從樣本分布(μ，σ2)，X和S2分別表示預測耗電量的樣本均值和樣本方差，則隨機變對于給定的置信度1－α，，則預測耗電量的均值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

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

3 系統(tǒng)測試及討論

為更好地檢驗檢測結果，采用漏檢率和誤檢率作為異常判斷指標，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1噸鋁型材的耗電量為訓練數(shù)據(jù)，結合軟件Matlab，訓練基于回歸型支持向量機的節(jié)能評估模型，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 擠壓車間每生產1噸鋁型材的耗電量

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

圖3 回歸支持向量機預測結果

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

圖4 回歸支持向量機能耗異常檢測結果

表3是在不同置信度下的擠壓能耗異常檢測結果，從統(tǒng)計結果中可看出，在不同的置信度下檢測結果有所不同，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 結束語

針對鋁型材擠壓機能源使用較多，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、串口服務器、交換機以及監(jiān)控服務器，智能電表和智能天然氣表等構成的擠壓能耗監(jiān)測和能耗異常檢測系統(tǒng)。負載通過RS－485總線與串口服務器相連接，串口服務器將RS485串口轉換為TCP/IP網絡接口，實現(xiàn)了RS－485串口到TCP/IP網絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，監(jiān)控服務器實時監(jiān)測負載能耗數(shù)據(jù)并對不同的數(shù)據(jù)進行記錄，再利用歷史能耗數(shù)據(jù)以回歸型支持向量機方法計算單位鋁型材能耗的正常檢測區(qū)間。此外，還可根據(jù)預測能耗數(shù)據(jù)與實際記錄能耗數(shù)據(jù)進行比較，對擠壓生產進行節(jié)能評估。經實驗證明，該系統(tǒng)不僅可實時采集車間內擠壓機組的能耗數(shù)據(jù)，還可通過對歷史能耗數(shù)據(jù)的分析，檢測生產中的能源泄露、待機時間過長、擠壓參數(shù)不恰當?shù)饶芎漠惓，F(xiàn)象。

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