机器学习【工业高精度计算及其应用】

一、机器学习在工业高精度计算

机器学习在工业高精度计算中的应用主要体现在对复杂工业数据的处理、分析和优化上。随着工业4.0时代的到来，数据驱动成为工业发展的核心驱动力之一，而机器学习技术凭借其强大的数据分析和模式识别能力，在工业高精度计算中发挥着越来越重要的作用。

1）设备故障预测与维护

在工业生产中，设备故障往往会导致生产损失和计划外停机，给制造商带来巨大的经济损失。机器学习技术通过分析大量传感器数据，可以在故障发生之前预测设备故障，并提前进行维护，从而显著减少停机时间和维护成本。例如，通用电气和西门子等企业利用机器学习算法对其工业设备进行预测性维护，通过传感器收集设备的运行数据（如振动、温度、压力等），并结合历史故障数据，机器学习模型可以预测设备的故障时间，实现了设备的预测性维护。

2）产品质量控制

在工业生产线上，产品质量是制造商关注的焦点。机器学习技术可以通过摄像头和传感器实时监测生产过程中的每个步骤，识别出可能导致质量问题的因素，并及时进行调整，从而提高产品合格率。例如，西门子在其生产线上应用机器学习进行质量控制，通过高分辨率摄像头和其他传感器实时监控生产过程，利用卷积神经网络（CNN）进行图像分类和异常检测，实现了自动化的质量控制。

3）生产计划与调度优化

工业生产中的生产计划与调度是一个复杂的优化问题，涉及大量的工艺参数、设备状态、环境因素等复杂变量。机器学习技术可以通过对历史数据的分析，构建高精度的预测模型，优化生产计划与调度。例如，利用强化学习算法优化生产计划，可以根据市场需求、库存情况、设备能力等因素，动态调整生产计划，以实现生产效益的最大化。

4）工业数据分析与挖掘

工业数据是海量、多样的，并且经常充斥着错误或不相关的信息。机器学习技术可以通过数据清洗、特征提取、数据降维等手段，对工业数据进行预处理和分析，挖掘出隐藏在数据中的规律和洞见。这些规律和洞见可以为工业优化提供科学依据，如优化工艺流程、降低能耗、提高生产效率等。

5）高级分析解决方案

一些高级分析解决方案，如Seeq等，为工业高精度计算提供了整体解决方案。这些解决方案通过实时连接多种数据源，打破了常见的工业数据混乱局面，实现了数据的自动清洗和整理。同时，这些解决方案还提供了用户友好的界面和工具，使得领域专家和数据科学家能够协作开发机器学习模型，并将其应用于工业优化中。

综上所述，机器学习在工业高精度计算中的应用是多方面的，涵盖了设备故障预测与维护、产品质量控制、生产计划与调度优化、工业数据分析与挖掘以及高级分析解决方案等多个领域。随着技术的不断发展，机器学习将在工业高精度计算中发挥越来越重要的作用，为制造业的智能化转型提供新的解决方案。

二、西门子在工业高精度计算的案例

西门子S7-400 PLC高精度数据累加应用实践

在工业自动化控制领域，西门子可编程控制器（PLC）应用广泛。其中，S7-400 PLC因其强大的功能和可靠性，常被用于各种复杂的工业控制系统中。

1）背景与需求

某钢铁厂的连铸机由意大利达涅利公司设计，为四机四流10m半径连续矫直合金钢连铸机。该连铸机由西门子S7-400 PLC完成自动化控制，每流都有1台独立的拉矫机，每台拉矫机上有3台交流变频传动电机，由1台西门子6SE70矢量变频器进行精确速度控制驱动。拉矫机上安装的编码器用于送引锭杆和连铸机开浇时的引锭杆杆头位置的跟踪计算，以及控制拉矫机辊道压力在设定值之间的自动转换，并对连铸坯进行定尺控制。然而，由于编码器安装在恶劣的现场工作环境中（温度高、湿度大、灰尘多），经常发生编码器毁坏、电缆烤坏、短路以及刚性连接轴变形弯曲等问题，导致定尺控制误差较大，影响连铸坯的生产。

2）解决方案

为了解决这个问题，西门子提出了一种高精度数据累加方法，通过在PLC内部开发一套程序取代编码器的计数功能。该方法基于PLC的每个扫描周期对铸坯增加的长度进行实时累加，其精度完全可以满足生产要求。

1.参数获取：

• 拉矫机的实时拉速值：通过传感器获取并传送到PLC的指定数据块中。
• PLC的每个扫描周期的准确时间：通过调用PLC的系统功能SFC64“TIME_TCK”获取，其精度为1ms。

2.计算每个扫描周期内铸坯长度增加值：

• 将拉速值和扫描周期时间值转化成实数再进行运算。
• 使用STL指令计算程序，根据拉速和扫描周期时间计算每个扫描周期内铸坯长度增加值。

3.数值的累加处理：

• 将计算得到的一个扫描周期内铸坯长度增加值（位置增加值）进行取整。

• 将得到的整数部分累加到引锭杆头位置和铸坯实时长度值。

• 余下的小数部分在下一个扫描周期时与新扫描周期内铸坯长度增加值进行累加，得到新的铸坯长度增加值，然后再取整累加，不断循环。

4）应用效果

该方法设计的软编码器首先在该厂第三流连铸机上设计完成并成功投入使用，运行情况可靠、稳定。数据对比显示，使用实物编码器的第一、二、四流连铸坯最大长度与最小长度差分别为18mm、18mm和15mm，而使用PLC程序模拟计算功能设计的软编码器的第三流连铸坯最大长度与最小长度差为10mm，其精度超过使用实物编码器的其他流。

综上所述，西门子S7-400 PLC高精度数据累加方法在该钢铁厂的连铸机自动化控制系统中取得了显著的应用效果，不仅提高了生产精度，还降低了设备故障率和维护成本。这一案例充分展示了西门子在工业高精度计算方面的强大实力和创新能力。

三、机器学习工业中的应用

1）质量控制

机器学习能够从大量数据中提取有价值的信息，实现自动化监控和预警，减少人工干预和误差，提高生产效率和产品质量。例如，通过摄像头和传感器实时监测生产过程中的每个步骤，机器学习算法能够识别出可能导致质量问题的因素，并及时进行调整。

2）故障诊断与预测

利用机器学习算法对设备运行数据进行分析，可以预测设备故障并及时进行维修，提高设备运行效率和可靠性。例如，通过收集设备的振动、温度、压力等运行数据，并结合历史故障数据，机器学习模型可以预测设备的故障时间，从而提前进行维护。

3）生产优化

机器学习通过分析生产数据，可以优化生产流程，提高生产效率。它可以帮助企业更好地理解物料、零部件、员工操作、机器状态等变量之间的相互作用，从而制定更科学的制造流程和加工流程。

4）市场需求预测

机器学习算法可以根据大数据进行分析，从而预测潜在的客户需求和市场趋势。企业可以通过这些算法来预测销售额的波动，为市场营销策略做出更明确的规划。