数据驱动的卷烟制丝过程制叶丝段在线监测和故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卷烟制丝过程制叶丝段在线监测和故障诊断，尤其涉及Sirox增温增 湿和KLD薄板烘丝设备的在线监测和故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 烟草是国家的重要经济力量和税收来源，我国烟草税收占政府财政收入的8%~ 10%。由于烟草行业全球化、新的法律法规以及外部环境的重大变化，卷烟工业企业面临愈 来愈严峻的竞争压力和社会压力，逐步提升卷烟产品质量控制和设备预知性维修水平，是 实现卷烟工业企业"设备状态可控及高效运行"目标的有效途径和必然趋势。
[0003] 卷烟生产过程属于典型的流程制造批次过程，根据生产计划所预定的产品牌号和 批次号进行烟丝和烟支的生产。卷烟生产包含制丝和卷包两大主要过程，其中制丝过程根 据烟叶原料的特性，依次经过烟片预处理、制叶丝、掺配加香等工艺流程，将片烟制成合格 烟丝的过程。
[0004] 目前，针对卷烟制丝过程在线监测和故障诊断的研宄主要以连续过程单变量统计 过程控制方法为基础，面向生产过程监控需求，利用彩虹图和过程能力指数对处于高温高 湿条件的制丝过程关键工序进行分析和诊断。文献"Mishra B, Dangayach G S. Performance improvement through statistical process control:a longitudinal study[J]. International Journal of Globalisation and Small Business,2009, 3(I):55-72. "介 绍了统计过程控制方法在尼泊尔卷烟厂的应用实施，有效提高了设备的过程能力指数。为 了提高制丝质量监控精度，上海卷烟厂（张敏，童亿刚，戴志渊，等.SPC技术在制丝质量 管理中的初步应用[J].烟草科技，2004,（9):10-11.)首次尝试应用统计过程控制技术， 建立了一套过程加工能力评价系统，解决了实际过程能力指数偏低的问题。为了推动企业 精细化制造，长沙卷烟厂（黄胜，李建辉，张永川.长沙卷烟厂SPC系统的应用实践[J]. 中国烟草学报，2008, 14 (SI) : 14-17.)提出了卷烟企业应用统计过程控制的原则，并介绍 了统计过程控制系统在制丝过程的应用情况及成效。为了确保制丝过程工艺参数的稳定， 山西昆明烟草有限公司（李文泉，赵文田，李文斌.统计过程控制技术SPC在烟草制丝生 产中的应用[J].机械工程与自动化，2009,（5):116-118.)应用统计过程控制技术建立了 制丝质量监控系统，保证了烟丝质量的一致性和稳定性。为了提高企业质量管理水平，郴 州卷烟厂（罗江，刘强斌.SPC系统在卷烟工业企业质量管理中的应用实践[J].产业经 济，2011，（3) :67-72.)从应用流程、主要功能、数据有效性等方法对统计过程控制系统进 行了详细设计，利用彩虹图和过程能力指数对制丝过程进行监控和分析。为了保证卷烟同 质化生产和持续提升产品质量，南昌卷烟厂（李铁军，杨得强，李强.SPC系统在卷烟制丝 工艺质量控制的应用[J].中国质量，2013,（4):87-88.)构建了集数据采集、过程监控、过 程分析、异常处理、质量考评等于一体的统计过程控制系统，实现制丝过程关键工序和重点 参数的监测和诊断。针对卷烟生产企业加工过程缺乏统一的质量过程水平参数评价系统的 问题，基于统计过程控制技术，青岛卷烟厂（朱敏，王培琛，张学礼，等.基于统计过程控 制的卷烟品控系统[J].PLC&FA，2014,（3):58-62.)提出了从车间现场实时质量控制、质量 部门数据分析到企业质量决策的三层生产过程质量控制系统，实现了制丝和卷包全过程质 量管理。为了实现卷烟生产过程的全过程监控和追溯，杭州卷烟厂（钱杰，徐进，季琦， 等.制造执行系统在烟草企业中的应用[J].机械制造与自动化，2014, 43(2) :147-149.) 建立了制造执行系统，通过对制丝管控系统、卷包数字化管理系统和质量检测分析系统数 据的有效集成和分析，采用彩虹图和过程能力指数对制丝过程进行监控和分析。此外，文献 "纪盛强，程晶晶，李郡.基于SPC和神经网络的卷烟制丝生产质量监控方法研宄[J].工 业控制计算机，2011，24(12) :65-68. "针对卷烟制丝过程现有统计过程控制系统监控方法 存在的问题，提出适合在线监控的移动窗口式控制图，并分别建立了用于控制图模式识别 和质量缺陷原因诊断的两个BP神经网络模型，有效提高了控制图的识别效率、增加了质量 监控的有效性。
[0005] 卷烟制丝过程已积累的海量运行数据尚未充分利用，普遍存在"数据丰富、信息缺 乏"的问题，上述研宄更多的是关注某一牌号同一批次内的过程特性变化，仅仅局限于单一 时间轴的研宄，没有考虑卷烟制丝过程属于连续制造批次过程的本质特性，缺乏对批次轴 上动态信息的有效分析，不能准确揭示不同产品牌号以及不同生产批次间各种过程变量的 动态性，无法监测和诊断过程变量之间的复杂关联关系变化，使得单变量统计过程控制方 法监测和诊断结果的可靠性和准确性有待提高。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种数据驱动的卷烟制丝过程制叶丝段在线监 测和故障诊断方法，该方法将面向批次过程的三维数据分析方法引入卷烟制丝过程制叶丝 段在线监测和故障诊断中，通过T 2、SPE两个多元统计量在线监测故障，通过贡献图方法确 定引起故障的主要过程变量，较好地解决了多批次、慢时变、操作时间不确定以及产品多样 性导致的监测和诊断结果可靠性、准确性不高的问题。
[0007] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0008] 一种数据驱动的卷烟制丝过程制叶丝段在线监测和故障诊断方法，包括步骤：
[0009] (1)获得不同产品牌号不同生产批次的过程运行数据，设针对某一产品牌号的叶 丝，具有I个生产批次、J个测量变量和K个采样点，得到的数据可以表述为一个三维矩阵；
[0010] (2)三维矩阵按照属性展开的方式得到二维数据矩阵，对二维数据矩阵进行均值 中心化和方差归一化处理，获得监测模型建模数据X(IKXJ);
[0011] (3)对不同产品牌号的建模数据X(IKXJ)进行PCA分解，建立多模型结构的PCA 监测模型；计算对应不同产品牌号监测模型的T2、SPE离线统计量，根据相同产品牌号不同 生产批次的T 2值服从F分布、SPE值服从X 2分布，确定一定置信度下每个监测模型的T2和 SPE控制限；
[0012] (4)在线监测时，根据当前叶丝产品牌号调用对应的PCA监测模型，根据采集的过 程数据X MW(1 XJ)在线实时计算T2、SPE统计量指标，其中T2统计量指标刻画了每个主成分 在变化趋势和幅值上偏离模型的程度，SPE统计量指标刻画了输入变量的测量值对主元模 型的的偏离程度；实时比较两个统计量指标与其各自的控制限；如果这两个统计量指标都 位于控制限之内，表明过程运行正常；如果至少其中一个统计量指标将超出控