（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络的工序能耗模型的研究.pdfVIP

ab s t r a c t abstract a s d e v e l o p m e n t o f t h e t e c h n o l o g y a n d p r o g r e s s o f t h e s o c i a l , t h e e n e r g y s a v i n g a n d t h e e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n b e c o m e m o r e i m p o r t a n t t o p i c n o w .t h e e n e r g y i s i m p o r t a n t s a f e g u a r d t o t h e c o m p a n y .t h e e ff e c t i v e u s e o f e n e r g y a n d t h e r e as o n a b l e s u p p l y b e c o m e o n e o f i m p o r ta n t w a y s r e a l i z i n g e n e r g y c o n s e r v a t i o n . t h i s p a p e r i s d iv i d e d i n t o t w o p a r t s . i n t h e f i r s t p a r t , a s e t o f m o d e m p o w e r e n e r g y m o n i t o r s y s t e m i s e s t a b l i s h e d . i n t h e s e c o n d p a r t , a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k m o d e l o f t h e u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n b ase d o n t h e m o n i t o r s y s t e m. i n t h e f i r s t p a rt , e s t a b l i s h m e n t o f t h e p o w e r e n e r g y c o m p u t e r m o n i t o r s y s t e m b as e d o n r s - 4 8 5 b u s i s i n t r o d u c e d . t h e i n s t r u m e n t a t i o n s c o m m u n i c a t e d a t a u t i l i z i n g m u l t i - a g r e e m e n t o n t h e b u s .b e t w e e n t h e p c a n d t h e i n t e l l i g e n t i n s t tu m e n t a t i o n s d a t a c o m m u n i c a t e b y m e a n s o f t h e b u s . o n t h e p c , t h e k i n g v i e w c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e f o r t h e s y s t e m i s u t i l i z e d . t h r e e l e v e l o f e n e r g y m e as u r e m e n t m o n i t o r m a n a g e m e n t s y s t e m i s c o n s t i t u t e d . t h i s s y s t e m h as b e e n u s e d i n t h e j mc e n e r g y m e as u r e m e n t m a n a g e m e n t s y s t e m .t h e s y s t e m r e a l i z e s m a n y f u n c t i o n s , s u c h as e n e r g y m e as u r e m e n t c e n t r a l i z a t i o n m a n a g e m e n t , a u t o m a t i c d a t a a c q u i s i t i o n , r e a l - t i m e d a t a m o n i t o r , c u m u l a t i v e i n q u i ry , h i s t o r i c a l i n q u i ry a n d p r i n t s t a t i s c a l r e p o rt a n d s o o n . t h e s y s t e m e n h a n c e s l e v e l a n d i n t e n s i t y o f t h e m e as u r e m e n t m a n a g e m e n t , b r i n g s g r e a t c o n v n i e n c e t o t h e p r o d u c t i o n s c h e d u l i n g a n d m e as u r e m e n t m a n a g e m e n t , i m p r o v e s l a b o r p r o d u c t i v i t y e ff e c t i v e l y a n d i m p r o v e s t h e l e v e l s c a l e o f t h e e n e r g y m e as u r e m e n t m a n a g e m e n t a n d c o n t r i b u t e s e n e r g y s a v i n g t o t h e c o m p a n y . i n t h e s e c o n d p a r t , t h e e s t a b l i s h m e n t o f a rt i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k m o d e l o f t h e u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n i s i n t r o d u c e d . t h e r e a r e m a n y f a c t o r s i n i n fl u e n c e o f u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n . b e c a u s e t h e p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s h as l a r g e a b i l i t y i n c h o o s i n g m a i n i n fl u e n c e f a c t o r s f r o m r e l a t i v e m a n y f a c t o r s , p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s i s u t i l i z e d t o c h o o s e m a j o r f a c t o r s . t h e u n i t p r o c e s s h a s t i m e - v a r i a b l e , t h e n o n l i n e a r s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c . r b f n e t w o r k i s a f e e d - f o r w a r d n e t o f g o o d m e r i t , h a v e n a t u r e o f f u n c t i o n a l a p p r o x i m a t i o n . r b f n e t w o r k n o t o n l y 1 1 ab s t r a c t h a s t h e n a t ur e o f l o c a l a p p r o x i m a t i o n a n d u n i v e r s a l o p t i m i z e , b u t a l s o h a s t h e n a t u r e o f s t r o n g a b i l i ty i n s t u d y , n o n l in e a r , g e n e r a l i z a t i o n a b i l i ty a n d f a r - s p e e d i n g . r b f n e u r a l n e t w o r k i s s u i t a b le f o r r e s e a r c h i n g e n e r g y c o n s u m p t i o n m o d e l , s o t h e r b f n e u r a l n e t wo r k i s u t i l i z e d t o e s t a b l i s h e d a r t i f i c i a l n e u r a l n e t wo r k mo d e l o f t h e u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n t h e p r o d u c t i o n o f t h e p a p e r f o l l o w s : f i r s t l y , a l a r g e e n e r g y m o n i t o r s y s t e m i s e a t a b l i s h e d i n j mc l i m i t e d c o m p a n y .a c c o r d i n g t o t h e s h o w o f d a t a r e p o rt o p e r a t i n g m o r e t h a n o n e y e a r , t h e p u r p o s e o f e n e r g y s a v i n g i s a c h i e v e d a n d g o o d e c o n o m i c b e n e f i t i s o b t a i n e d . s e c o n d l y , t h e m o d e l o f u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n i s e s t a b l i s h e d i n a u t o m o b i l e e n te r p r is e , i t i s a u s e f u l a tt e m p t t o s o l v e p r a c t i c a l p r o b l e m s o n t h e p r o d u c t i o n u s i n g a d v a n c e d a l g o r i t h m k e y wo r d s : e n e r g y m o n it o r , u n i t p r o c e s s e n e r g y c o n s u m p t i o n , r b f , p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s i i i 学位论 文独 创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得 南昌大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 写 )4 ), 签 字 日 期 : 70, 年 月 了夕 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关 保留、 使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 )碑4 签 字 日 躲呵年 ” 月 日 ” 师 签 “ (手 写 ，:w 辛 签 字 日 期 : -1-0 0夕 年 月 ) 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 电话: 邮编: 第 1 章 引言 第 1 章 引言 1 . 1课题研究的背景及意义 能源问 题是当 今社会的一个重要问 题，己 经受到世界各国的普遍重视。节 约能源已经得到人们的普遍认可。节能规划的目 标不是少用能源，而是提高主 要耗能产品的能源利用率和提高单位能源消耗所创造的经济效益。 江西五十铃汽车有限公司在没有建立能 源监测管理系统之前，能源管理存 在问题如下: 公司能源缺乏三级计量是造成能管工作缺陷的首要因素，完善能源实时计 量是是公司能管工作的当务之急。 能源计量是企业节能降耗最根本的基础工作。 能源投入产出情况不明 根据经验分割能耗定额 4 单位产品定额严重失 准 能源定额考核无说服力 专业厂主要生产工序和 耗能设备无能源计量 将经验估计值作为各 主要能耗环节的考核值 能源管理工作留于形式 能源消耗在各主要 生产环节无原始统计 图1 . 1能源管理无三级计量致命缺陷示意图 合资公司每年都向 股份公司采购生产所用的能源:水、电、气、汽。股份 公司向合资公司输送能源的多少主要靠一级计量一各动力站房的出口计量表计 数和二级计量一合资各专业厂的进口计量表计数来确实合资公司各个生产周期 第 1 章 引言 所消耗的能源，并按照能源计算单价乘以各生产周期所消耗的能源，加上能源 输送损耗 ( 即:一级计量和二级计量的差值，分配原则为:多用多摊，少用少 摊的原则，按比 例分配)来对公司各专业厂结算能源费用，并根据历年的能源 消耗和产量下达一个宏观的能耗定额指标，而对能源输入各专业厂后，能源在 生产各环节和主要耗能设备上的具体消耗不计量、不控制、不管理、不考核， 由于这种粗放的能源管理模式，造成了公司能源管理如图1 . 1 所示的现状。 传统的计量无法检测系列化、多品种混线生产能源消耗计量，实时计量 是公司当前能源管理的需要。 公司各专业厂主要耗能设备和生产线， 都是系列化多品种的混合生产模式， 为此，要制定各个不同的单位产品能耗定额，就必须实时的对能源消耗进行计 量，用统筹法算出不同产品的生产节拍，每个节拍的单位能耗，经过统计分析 制定单耗定额，并对能源的投入产出情况进行全面的分析，找出浪费能源的环 节，制定合理的能源消耗计划，完成企业的实时能源平衡，使之达到节能降耗 的目的。混线生产实时能源计量工作图如图1 . 2 所示: 图1 .2混线生产实时能源计量工作图 只有这种实时的能源计量，才能完成目 前公司在每个生产环节中系列化、 多品种生产单位产品的能耗定额计算工作，只有这种实时的能源计量，才能在 第 i 章 引言 不停产和生产代表日不确定的情况下，以及在新产品的投产、试产中较准确的 计量出单位产品能耗定额，只有这种实时的能源计量才能满足目前能耗定额分 解的考核工作。 完善能源计量是解决目 前公司能管工作中存在最大不足的必要条件，是 公司j p s 和i s 0 1 4 0 0 0 管理的需要。 这几年，股份公司向合资公司下发的各项能源定额指标，均是以五十铃双 排标准车型作为单位产品，而其他车型则按一个折标系数折算成双标车，最后 确定每种车型的能源消耗数。其折标系数的确定采用三种方法:一是，根据生 产定额工时来确定。二是，根据当年8 月份生产能源消耗的总量，对照上年度 的能源消耗来确定下年度的能源消耗定额。三是，根据各专业厂对新产品生产 工艺和和生产工序的介绍，来确定能源定额的调增或调减。 针对公司存在的问题主要从两个方面来解决。 1 、建立现代化能源监测系统 针对江铃五十铃汽车有限公司能源消耗管理的要求与情况，该公司决定建 能源监测管理系统。整个系统分三期建成，2 0 0 4 年完成第一期，项目 投入资金 9 6 万;2 0 0 5 年完成第二期，项目 投入资金6 5 万;2 0 0 6 年完成第三期，项目 投入 资金3 6 万。 2 、工序能耗模型 在能源监测系统基础上， 利用神经网络r b f 原理， 对冲压厂冲孔工序能耗模 型进行研究，找出影响工序能耗的主要因素。 随着江铃五十铃汽车有限公司的飞速发展，生产规模不断扩大，企业对能 源供应的要求越来越高， 而企业的全面现代化管理也包含能源的现代化管理， 能源监测一方面将为企业的发展奠定坚实的基础，另一方面将提高企业的能源 管理水平。能源监测系统的开发与能源模型的研究对于江铃五十铃汽车有限公 司的发展将具有重要意义: 1 、促进节能降耗。节能降耗和环境保护是世界也是国家的既定政策，采用 现代化的电子信息技术对能源的消耗进行监测管理，减少企业常引起的无谓能 源消耗，达到科学管理、节能降耗、降低生产成本提高企业效益的目的。 2 、实现企业能源的现代化管理。能源在企业的生产中占有重要的地位，企 业的自 动化管理包含能源的现代化管理。 通过能源数据监测的实施，可以实现 从现场能源过程信息到企业内部信息系统，提供能源统计查询和报表功能，形 第 1 章 引言 成管理决策、计量和设备管理的可靠依据。实现企业能源的自动化管理。 3 、影响工序能耗的因素相互作用，非常复杂。只有掌握科学、有效的能耗 分析手段，对能耗指标进行系统的全面的定量分解剖析，才能明确企业节能降 耗的方向。因此，研究工序能耗模型对于企业节能有着很重大意义。 1 . 2企业能源监测系统的发展现状 近2 0 年来，由于微电子技术和计算机技术的飞速发展以及对工业自 动化程 度要求的逐步提高，监测系统己经成为生产自 动化不可缺少的部分。监测系统 经历了 几个阶段的发展，结构越来越完善，技术更加成熟。 2 0 世纪9 0 年代以 来， 监测系统硬件方面广泛采用技术指标先进的工业p c 机， 有的甚至采用了 r i s c ( 精 简指令集计算机) 工作站，软件方面向引入通用的商业化软件包发展， 系统互连 方面采用国际标准的通用网络，逐步向 信息集成的方向 发展， 我国 大多数企业 生 产的 实际 过程当中 采用了 各种各样的能 源监测系统， 集散 控制系统 ( d c s ) 在目 前运行的能源监测系统中占 大多数， 在实际应用当中发挥了 重要的 作用。 但d c s 多为模数混合系统，满足不了数据通信中的全数据通信和全数字化的要求。又 由于国内生产的各种能源监测系统的网络结构和通信模式多样化、极不规范， 且在计算机通信协议的基础上，无法延伸到现场智能设备，同时又采用独家封 闭式的通信协议，为一些开发商专有，给用户系统集成和应用带来许多问题。 又因为各种d c s 系统一般分散在各个相关职能部门， 形成了多个信息孤岛， 使各 级生产、指挥决策部门无法全面及时地掌握生产现场的实际 情况，造成决策指 挥不灵，制约了系统综合能力的发挥，严重影响了企业能源管理水平的提高， 阻碍企业能源信息化进程发展，所以迫切需要建立起集多种信息的综合性、计 算机的 交互 性、 通信的分布性和监测的 实时 性等技术于一体的 综合 监测系 统w 能源监测系统的发展最早受生产规模及自 动化水平的限制，测量是靠人的 五官感觉直接计量的;后来随着生产规模的扩大，集散式的监测系统形成;再 后来随着计算机微型化的发展，微处理器的终端设备出现， 及数字化的网络通 信技术， 构成了现场总线监测技术。 根据现代监测系统的要求， 单变量监测变 为多变量监测，这要求对瞬息万变的每一个现场设备状态进行实时同步的采集， 综合分析、推理判断，发出最佳能源管理决策。 能源监测系统经历了 如下的发展过程 1 , 第 1 章 引言 1 . 早期的监测方式由于受生产规模和电子技术发展的限制，主要采用人工 抄表，然后统计、分析及上报。由于是靠人工获得信息，各级能源调度人员不 能及时获得可靠信息，存在各种能源时常供需不平衡的问题。 2 . 集散监控系统2 0 世纪7 0 年代初随着单片机的出现和发展，出现了集散监 控系统d c s ， 这种监测监控系统在当时具有一定的先进性， 但是还存在很多问题: ( 1 )接线复杂、可维护性差。由于现场设备相对分散，并且所有的信号都 要连到工控机上，这必将导致施工不便、及故障发生后不易查找与排除等缺点。 在复杂或大规模的应用中( 如工业现场或生产自 动化领域) 其安装成本和介质造 价都将非常高昂。 ( 2 )精度差。由于线路上长距离传输的是4 - 2 0 m a 的模拟信号，容易受到工 业现场的干扰，造成精度损失。 ( 3 )可靠性不好。集散监控系统所有测量功能与采集功能均依靠工控机， 工控机的任务繁重，一旦工控机发生故障，整个系统将失去控制。 ( 4 )系统不易扩展。 3 . 现场总线系统2 0 世纪8 0 年代后期， 人们在d c s 的基础上开发出一种适用于 工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现 场总线。现场总线将通信线( 总线电缆) 延伸到工业现场( 制造或过程区域) ，其 造价低廉而又能经受工业现场环境。现场总线技术从根本上解决了网络测控系 统的自 身可靠性问 题，因此在监测系统中的应用越来越广泛2 在工业的不断发展以及企业基础设施建设的同时，企业用电系统要求测量 控制设备能进行远程测量、累计、计算、存储各个时段负荷，同时满足不同单 位的各项要求而不至于相互影响。被誉为自 动化领域的计算机局域网的现场总 线 ( f i e l d - b u s ) 技术， 具 有: 一 对n 结构， 双向 传输多 个信号， 可 靠性高， 精 度高: 互换性和互操作性好;开放性等优点。克服了传统的布线方法难以实现智能化 电 器之间的信息交换， 智能化电器能处理多个信息和复杂计算难以充分发挥等 缺点。它把单个分散的测量设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连 接成可以 相互沟通信息、共同完成自 控任务的网 络系统与控制系统(j 随着计算机控制系统的发展，工业监测系统软件的开发就显得相对落后， 这使得大多数用户和项目 承包商还需自 行开发相应的应用软件， 这既延长了开 发周期，又由于开发水平参差不齐，使得应用软件水平不高，质量不好，造成 了大量低水平的不必要的重复。人们认识到，得力的工业控制系统软件开发工 第 1 章 引言 具在工业控制系统软件的开发过程中是必不可少的。从而出现了一种新型的系 统软件开发工具一工业控制组态软件。用户可以通过工业控制组态软件，自 行 经过组态过程构成其所需要的工业控制系统软件 。组态源于英文 c o n f i g u r a t i o n ， 含义是使用软件工具对计算机及软件的 各种资源进行配置， 达 到使计算机按照预先设置，自 动执行特定任务，满足使用者要求的目的。随着 技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。这就使得开发一种灵活、 高效、丰富、便捷的监控系统的周期大为缩短，使用起来也会很方便。在使用 过程中，该软件将通过人机界面与最终用户( 生产操作人员) 进行实时交互，通 过工 / 0 设备对工业对象进行实时监控。因此， 工业控制组态软件实际上是一种能 由用户根据自己的需要进行二次开发的软件开发平台。智能化电器、现场总线 和工业控制组态软件三者的紧密结合为具备通信功能的、传输信号全数字化的 智能化监控系统的出现提供了强大的推动力。智能化电器的功能实现是通过软 件对设备的控制而完成的，软件系统的特性直接决定整个系统的性能。为了适 应智能电 器发展的要求， 方便用户的控制和检修， 软件系统应具备以下的特征【4 , 多任务实时系统，它可以保证满足不同功能对实时性、可靠性的要求，也 有利于实现软件的组态。 用户的可编程支持，程序开发人员不可能完全了解用户的实际需要，也不 可能对各种情况完全考虑的周到，提供给用户简单可行的编程支持十分必要， 实际上，通过多任务内核和相应的编程支持完全可以实现。 系统的自 检和监视，它是提高智能化电器可靠性的重要保障，对于一般设 备、器件的软件算法比较成熟，多处理器系统才能真正实现完全的自 检和诊断。 网络通讯的多协议支持，为保证不同系统的兼容，支持多种协议是软件系 统的重要特性。 目前，国内外许多电子公司都推出了自己的监控组态软件，其中国外较著 名的有wb n d we 公司的h i t o u c h 、西门子公司wi n c c 、澳大利亚c i t 公司的c i t e c t 等，国内 有北京赛诺义公司的s y n a l 系统、 北京亚控公司的组态王等。 监控组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具，具有丰富的设置项 目，使用方法灵活，功能强大。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软 件，它们是在自 动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样 的组态方式( 而不是编程方式) 提供良 好的用户开发界面和简捷的使用方法，其 预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能 第 i 章 引言 同时支持各种硬件厂家的计算机和v 0 产品，与高可靠的工控计算机和网络系统 结合， 可向 控制层和管理层提供软、硬件的全部接口 ， 进行系统集成4 1 1 . 3 企业系统节能研究的方法 随着生产过程和设备以及原料、产品、工艺等结构的变化，企业能源消耗 也发生了变化。为了 适应这种变化， 研究工作也应不断赋予新的内容和方法. 特别是二十世纪九十年代以后，生产的新技术、新工艺和新的生产结构得到广 泛应用，不断开拓新的节能内 容和方法更为重要叫.同时， 近些年来企业系统 节能工作的力度减弱， 说明企业系统节能研究内容和方法还急需发展。 研究节能 问题可以采用的方法很多，针对不同层面不同类别的节能问题选择不同的方法， 国内外企业系统节能研究的方法大致可以归纳为两:一是分析方法，二是模型 化方法， ， 。 1分析方法 节能研究的分析方法是用来对节能( 或能耗) 进行比较、分析和评价的方法。 在分析方法中具有代表性的方法有: 比较分析法和统计分析法、审计分析法、因 素分析法、层次分析法。 在比较分析方法中， 代表性的研究就是模型工厂对比 方法。统计分析法是 基于统计 学的 分 析方法。 瑞典隆德大学 l a r s j .n i l s s o n (12 ， 收集了 3 1 个不同 工业 化国 家和发展中国家1 9 5 0 - 1 9 8 8 年间的能耗数据，用统计分析方法概括分析不同经济 结构的国家人均能耗及能耗结构，找出了大多数发展中国家经济增长率滞后于 能耗增长率的关系。这种方法真实可靠， 但统计工作量较大。 因素分析法是能耗研究的重要方法。奥地利维也纳国际中心的s e .h a r k p a r k 等人在分析各国工业生产的能耗中将影响能耗变化的因素分为三类，即产品变 化、 单位产品能耗变化和结构变化，高度概括了影响工业生产能耗因素的本质 和特征。 这种方法系统性较强， 分析过程清晰明 确13 ( 14 1 层次分析法由 美国著名运筹学家t .l . s a a t y 提出， 并被应用于能源系统的决策 中，取得了较好的效果。层次分析法是一种定性与定量相结合、将人的主观判 断用数量形式表达和处理的方法，它的整个过程体现了人类决策的基本特征一 一分解、判断和综合，大大提高了决策的有效性、可靠性和科学性。当然，人 为因素的干扰有时 也会产生偏颇(16 1 第 i 章 引言 2模型化方法 模型化方法就是用数学模型的方法来描述所要研究的问 题。国内 外采用模 型化方法对企业系统进行节能研究的较多17 1 18 .比 较典型的模型主要是优化模 型、投入产出模型、平衡模型、灰色模型和神经网络模型。 优化模型是利用运筹学中的优化方法而建立的模型。优化模型分为动态优 化模型和静态优化模型，线性优化模型和非线性优化模型。由于大规模动态优 化模型和非线性优化模型的求解较复杂，甚至对有的问题难以求解，因而目前 所建立的模型大都是静态线性优化模型1 5 平衡模型是节能中常用的模型，一般来说它是由具有一定物理意义的平衡 方程式组成1 19 。 它可以 分为三类: ( 1 ) 物料平衡模型: ( 2 ) 能 源供需平衡模型; ( 3 ) 能量平衡模型。平衡模型可以单独使用，也可以嵌入优化模型中去。灰色模型 ( g m ) 是根据灰色系统理论建立的数学模型，用来描述各因素之间以 及因素本身 的变化规律。利用灰色模型进行能源预测研究较为常见。例如，利用一阶线性 动态灰色模型分别对我国能源消费总量和电厂发电量进行了预测。灰色模型特 别适合用于原始数据累加后呈现出指数规律的单自 变量问题，对于其它问题不 太适用。 神经网 络模型是根据人工神经元网络理论而建立的 模型29 。 较为著名的神 经网 络模型有1 3 种，比 较常 用的 是 b p 模型、 r b f 模型 和 h o p f e l d 模型。 b p 模型具 有多元回归的功能， 有较好的泛化能力。 r b f 模型有较好的平滑能力和点对应能 力， 但在使用时只能 选择其中一种能力。 h o p f e l d 模型主要应用于n - p 问 题求解。 近几年来，随着人工神经元网络理论和技术的迅猛发展， 神经网络技术己得到 广泛应用。在节能研究中也引入了神经网络模型。利用b p 模型分别研究了烧结 工序、炼铁工序和焦化工序的工序能耗，分析了各工序的生产因素对工序能耗 的影响。 a b d a l l a h 利用b p 模型研究了民用耗电量问题， 预测了 耗电量随时间变化 的 周期规律12 8 。 王中 杰和柴天佑 等利用r b f 模型建 立了 加 热炉 钢的 温 度预测模型 ia 9 。 神经网 络模型以 建模方便，简单实 用等特点而引 人注目 。 汽车零件生产工序构成比较复杂，设备性能各异、设备之间、工序之间在 能源和非能源之间存在十分复杂的联系。在这种对能耗影响因素众多、关系复 杂的实际生产中，除了个别情况外，多数情况下很难发现各生产因素对工序能 耗的影响机理，难以建立反映机理的数学模型。汽车零件的生产工序都具有时 变非线性系统特征，即使个别情况能够建立反映机理的数学模型，也难以求解。 第 1 章 引言 神经网络技术是解决这类问 题的有效方法。神经网络方法的主要优点是它 能够从环境中学习知识和储存记忆信息。其特点如下: ( 1 ) 能以任意精度逼近任意连续非线性函数。 ( 2 ) 对复杂不确定问题具有自 适应和自 学习能力。 ( 3 ) 并行机制中的冗余性可以使控制系统具有很强的容错能力。 ( 4 ) 具有很强的信息综合能力，能同时处理定量和定性的信息。 由于神经网络具有上述优点，该技术已 应用于自 动控制领域的各个方面， 如系统辨识、系统控制、优化计算以 及控制系统的故障诊断与容错控制等. 传统 的辨识方法，对于一般非线性系统的辨识是很困难的，而神经网络却为此提供 了一个强有力的工具。由于神经网络对非线性函数具有任意逼近和自 学习能力， 所以神经网络为非线性系统的辨识和过程控制提供了一种新的、有效的通用方 法。与一般统计方法相( 例如回归分析) ，神经网络方法简单快捷，实用方便， 并有较高的精度。尤其是在进行多输入多输出非线性的统计分析时，用一般的 统计方法计算工作量很大，解算过程复杂。采用神经网络法研究与分析生产过 程复杂的工序能耗，具有优越性及可行性。 目 前对能耗研究所采用的神经网络大都是多层b p ( 习惯上也称b p 网络) 网 络。其特点是建模简单，映射点对应能力和泛化能力较强。但在算法等方面还 存在这一些缺陷， 有时难以 符合能耗研究的要求。 径向基函数( r b f ) 网络也是重 要的前馈网络之一，其特点是柔化功能较强，收敛速度快，能在一定程度上克 服多层b p 网络的不足，有些条件下更能符合能耗研究的要求。本章采用了神经 网络方法对这种情况进行了研究，并以江西五十铃汽车有限公司的冲压厂为例 建立了该厂of 神经网 络工序能耗模型。 r b f 神经网络的可行性 相对于b p网络r b f 网络用于工序能耗建模具有如下优势3 7 ( 1 ) r b f 网络是一种性能良 好的前向网络， 在函数逼近问题中 有其独特的 优点， 它不仅具有逼近和全局最优的性能， 而且还具有非常强的学习能力， r b f 网络以其优良的性能，正在成为替代b p网络的另一种网络，越来越广泛的应 用于各个领域。 ( 2 ) r b f网络具有自 适应性， 能解决一大类常规方法不能解决的问题， 能 有效地学习膺本数据之间的内在联系。 ( 3 ) r b f 网络是非线性的， 具有容错性。 工序能耗模型是一个典型的非线 第 1 章 引言 性系统，时间证明r b f网络能以任意精度逼近任意非线性函数。 ( 4 ) r b f网络具有极强的泛化能力，网络一旦训练成功，它就可以正确处 理与训练集数据相似的数据， 在一定的误差范围内， 还可以处理非相似的数据。 ( 5 ) r b f网络建立模型， 它不需要很多的先验知识， 而是根据输入输出数 据直接建模，与其他前向网络相比，r b f 网络不但具有良 好的逼近能力，而且 在训练过程中由算法确定隐含层单元的数目，不需要人为地选择隐含层单元数 目，因此，在建模的灵活性方面占有优势。 1 . 4课题的主要研究内容与方法 根据江铃五十铃汽车有限公司能源管理和节能降耗需要，建立能源监测系 统以及对工序能耗模型的研究，达到节能降耗的目的，提高公司的经济效益。 1 、 设计一套大型的现代化动能微机监测系统， 实现能源的科学管理。 主要 包括:硬件设备的选型、系统软件平台的选择、能源监测网的设计等。 2 、根据能源管理的需求，基于组态软件一组态王6 . 5 1 平台开发设计出一 套满足用户需求的能源监测系统软件。 3 、完成监测系统的联机调试并对用户进行必要的现场培训，保证系统 在现场的正确使用。 4 、 在能源监测系统的基础上， 利用神经网 络原理对汽车厂一道工序建立r b f 工序能耗模型。 本文内容的具体安排 本文主要是从两个方面内容介绍，前半部分主要是介绍动力能源监测系统 的建立，后半部分是在前半部分的基础上研究江铃汽车有限公司的工序能耗模 型。 第一章 绪论 主要介绍了本课题的研究背景以及意义，当前国内外监测系统的概况，建 立企业能耗模型方法的研究发展概况，神经网络的发展背景以及应用以及本文 的主要研究内容与方法。 第二章 能源监测系统的方案设计 主要介绍了能源监测系统的方案的设计，系统的要求、功能。 第三章 能源监测系统硬件的设计 第 i 章 引言 介绍了系统硬件和网络的配置以及构成.系统硬件由上位机、智能仪表组 成。介绍了以太网与工业总线结合，总线上多协议仪表通讯的实现。 第四章 能源监测系统软件的设计 对软件的设计和实现进行了完整的描述。 介绍了软件的设计思想以及结构， 详细地介绍了软件的功能。 第五章 神经网络算法的概述 介绍了神经网络算法的原理，重点介绍了r b f 的原理以及算法。 第六章 工序能耗模型的建立 建立了冲压厂工序能耗 r b f神经网络模型。影响工序能耗因素很多，本 文利用主成分分析法从多个影响因素中提取主要的影响因素，利用主要影响因 素为输入、电能和蒸汽为输出的r b f 工序能耗模型。 第七章总结与展望 对本文工作内容进行了总结，指出了将来的发展方向。 第z 章 能源管理监测系统方案设计 第2 章 能源管理监测系统方案设计 1 能源管理监测系统设计方案 企业要在激烈的市场竞争中脱颖而出，除了 要做好开源外，还必须做好节 。作为企业成本的重要组成部分，对各种能源的管理要求也越来越高，无论 2.流 从人类资源保护还是企业成本管理、企业经营效益的提高等角度考虑，能源管 理都是至关重要的。 随着全球能源的日渐枯竭，各种能源费用都是呈上升趋势，能源在今后企 业的发展和生存中成为一个决定性因素，只有通过对能源的合理管理，不断的 降低能源成本，才能获得更高的利益，因此建立能源管理监控系统，对企业的 成本核算、产品质量提高等方面都起到决定性作用。 随着国外先进技术和成套设备的大量引进，江西五十铃汽车有限公司从过 去的低速手工生产发展到高速全自 动生产，对能源的需求越来越大。江西五十 铃汽车有限公司根据能源管理需要， 为了对能源在生产各环节和主要耗能设备 上的具体消耗进行计量、控制、管理、考核，在江西五十铃汽车有限公司 ( 合 资公司)建立了以合资制造部为主，包括现有四个分厂 ( 冲压、车身、总装、 轻客) 和股份公司设备动力部在内的一套电、 汽、气能源监测系统，对冲压厂、 轻客厂、总装厂和车身厂内各生产线、主要耗能设备的电、汽、气能源消耗进 行监测，为制定合理的能源消耗计划，实现企业的实时能源平衡，达到节能降 耗的目的。 能源监测系统由设备动力部二级监测计量系统与制造部三级监测计量系统 组成，设监控中心两处，即股份公司设备动力部和合资制造部。合资制造部监 控中心下设冲压、车身、总装和轻客分厂4 个管理工作站。 根据远程监控需要、监控软件特点和江铃实地特点 ( 厂区大，各分厂之间 距离较远) ，开发了集检测、控制、调度、管理和决策等功能于一身的具有高 适应性、 高可靠性和高稳定性的新一代现场总线监控系统。 主要包括装置优化、 实时监控、生产管理、优化调度、应用软件等集成为一体化的软件系统和信息 集成软件平台，采用工业以太网与工业现场总线相结合的技术 ( 含实时通讯技 第 z 章 能源管理监测系统方案设计 术、总线供电技术、远距离传输技术、互可操作技术、网络安全技术和可靠性 技术)有效地解决了计算机之间、以及计算机与仪表的无缝集成问题，实现了 远程电、汽、气的监测，做到了成本结算、远程监控和管理监控一体化。 2 . 1 . 1 能源监测系统的特点 本系统是一个综合现代化通信、计算机和现场总线技术的全厂分布式计算 机监控系统，设置和设计遵循实用性、集成性、可扩展性、先进性、专业性、 开放性、安全性、和经济性的原则。 1 、良 好的系统开放性 开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个 开放系统， 是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。 由于本系统所采用的通讯协议、主要设备、平台软件都是工业控制的主流产品 和开放式通讯协议，因此用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由 选择 不同厂商所提供的设备来集成系统。 避免因选择了某一品牌的产品而被“ 框死” 了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。 使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中，也方便今后维护。 2 、 二、三级分布式工业现场总线与工业以 太网 相结合的体系结构 本系统采用分布式工业现场总线与局域网相结合的体系结构，充分整合了 工业现场总线和工业以太网各自的优势，将工业现场总线的强实时性与工业以 太网的高度数据共享性紧密地结合在一起。 检测装置直接安装在工业现场，具 有高度的可靠性和灵活性，容易重组，易于维护，便于管理。 3 、经济实用的系统设计 本系统中二、三级计量系统有多处检测数据重叠，为此系统设计时采取仪 表只购一套， 就近连接的原则， 然后通过局域网由二、 三级计量系统数据共享， 节省了大量的设备投资。 4 、高可靠性 本系统所选用的软、硬件产品都由国内控制界知名厂商生产，产品质量精 良，售后服务体系完善，为系统稳定可靠地长期运行提供了很好的保证。 5 、高速可靠的通信网络 系统的数据采集级采用 r s -4 8 5 通信网络，应用工业现场总线技术，仅用 第2 章 能源管理监测系统方案设计 一根双绞线实现多点通信，通信网络高速可靠。 基于监控中心和工作站之间距离较远的因素，采用当前先进的光纤连网技 术，组成工业以太网，既提高了系统的可靠性，又保证了数据的实时性。 6 、易维护 系统采用工业现场总线结构形式， 单个装置的损坏不会对整个系统造成损 装置的维护采用直接替换方式，快捷方便。 2 能源监测系统的要求 2.1. 1 、能实时监测各回路汽 ( 气)压力和流量、电压、电流、有功及无功功 率、功率因数等参数。 2 、能实现电量的峰、平、谷分时计量 ( 有功、无功) ，累计有功、无功电 量及平均功率因数 ( 可自行修改时间段) 。 3 、 能实现各进线电流、 有功功率、 无功功率、 有功电量、 无功电量等的汇 总或叠加。 ( 可自 行根据不同要求、 不同进线柜之间及各时间段， 更改设置汇总 条件) 。 4 、能实现各回路汽 ( 气)流量的汇总或叠加。 5 、 能按用户要求显示各回路负荷曲线( 年、 月、 日、 最大、 平均负荷曲线) 。 6 、能定时、召唤打印各类图表、事故记录等。 7 、能提示 ( 报警)参数越限、事故等不正常状况，并提示事故类别。 8 、 各管道控制点均能实现远方控制和就地启闭操作， 并在能源监控工作站 主流程图上反馈阀门启闭状态信息， 并保存运行记