基于数据驱动的系统监控与故障诊断.

以保证主要设备乃至生产全过程的安全为目标：避免生产 事故、减少财产损失； 为保证产品质量为目标：减少产品质量波动、实现优质高 效。
2018年8月5日星期日
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复杂工业系统
能
原
源
料 生产过程
付产品
产品 废物
（气、液、固）
市场
（离散、连续或间歇）
公用工程

最初是由于工业控制计算机系统缺乏足够的计算能力和统一的数据存 储格式； 缺乏有效的分析算法和可利用的商业软件包； 如何利用这些数据的目的性不够明确。
随着工业计算机技术、现场总线技术的发展，相关的数据分
析理论的研究也取得到了长足的进步。因此，工业界已意识 到并且也已具备了相应的能力，必须将海量的数据变为有用 的信息，服务于生产安全和产品质量控制，以起到降低成本、 提高企业竞争力的作用。
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百度文库
基于小波分析的监控方法
利用小波变换进行监控和故障检测的思路： 在进行故障检测时，同时对系统的输入和被检测信号（系统 的输出或可能的状态变量）进行小波变换。 然后分析不同尺度下的信号的变换结果。 在被检测的信号的小波分析中剔除由于输入信号变化引起的 奇异点，那么剩下的奇异点代表的就是系统发生的故障点。
基于数据驱动的系统监控与故障诊断
System Monitoring and Fault Diagnosis Based on Data-driven
宋执环 浙江大学控制科学与工程学系
背景介绍与系统构成
系统监控的意义
现代化工业正朝着大规模、复杂化的方向发展，通
常包含高温、高压、易燃、易爆的生产过程，系统一 旦发生事故就会造成人员和财产的巨大损失。 系统监控有2层含义：
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基于数据驱动的系统监控
通过对工业过程数据的采集、预处理（滤波、校正等）
和分析（特征提取、模式分类等），监督生产过程的 运行状态，检测系统的故障信息、诊断故障原因，分 析和预测生产过程的动态趋势，从而达到减小产品质 量波动、保障系统可靠运行的目标，使生产系统始终 处于最佳运行状态。
生产过程
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企业信息化系统三层结构
ERP
Enterprise Resource Planning
企业资源计划
MES
Manufacturing Execution System
制造执行系统
PCS
Process Control System
自动化设备 （仪表、PLC、DCS、FCS等）
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企业信息化系统结构
决策层 管理层 调度层 监控层 控制层 经营决策系统
产品策略
管理信息系统
生产计划
关系数据库
生产调度系统
调度指令
过程监控系统
系统优化
实时数据库
计算机控制系统
控制信息
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面向故障诊断的系统监控
基本情况
我们的研究工作始于1997年 先后受到4项国家自然科学基金项目（其中2项已完
成，2项在研）、和1项国家863项目和1项浙江省科 技计划项目的支持 主要研究领域：

小波多尺度分析 统计分析方法（PCA、PLS ） 支持向量机（SVM ）、Kernel学习等
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监控系统组成结构
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监控与故障诊断系统
传感器 自学习
数据库、知识库维护
数据采集
数据预处理
特征提取
集成监控系统 监控 显示 报警 诊断 记录
数 据 库
过程控制系统
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监控系统定位
ERP
Enterprise Resource Planning
企业资源计划
MES
Manufacturing Execution System
制造执行系统
系统监控与 故障诊断
PCS
Process Control System
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一个应用实例
利用改进的小波包分频算法进行挖掘机提升系统故障信号的
检测，并成功应用。 已知提升系统轴承因缺损而产生的振动频率为：84.6Hz（内 圈脱落）和58.10Hz（外圈脱落）。 从FFT频谱图可见主要频线为：213.91Hz、429.47Hz和 645.26Hz，它们分别是齿轮啮合频率及其2倍、3倍频率，是 齿轮正常运行时的典型频谱。这些频谱强烈淹没了轴承的故 障信息。
知 识 库
算 法 库
控制
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监控分析方法
统计分析
特征提取
时域特征 频域特征 时间序列图 控制图 标称概率图
时－频域特征
其它模型形式
相关分析
熵分析 信息增益分析
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过程控制系统
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数据处理的需求
随着计算机测量与控制系统和各种智能化仪表在工业过程中
的广泛应用，大量的过程数据被采集并存储下来。但是这些 包含过程运行状态信息的数据往往没有被有效地利用，以至 出现了所谓的“数据很多，信息很少”的现象。 造成这一现象的主要原因:
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主要数据驱动方法
数字信号处理方法 谱分析、小波分析等 统计分析方法 主元分析（Principal Component Analysis, PCA）、偏最 小二乘（Partial Least Squares, PLS ）、Fisher判别分析、 CVA等 统计学习方法 支持向量机（SVM ）、Kernel学习等 人工智能方法 神经网络、粗糙集、模糊推理、专家系统等