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研究生: 林祐增
Lin, Yu-Tzeng
論文名稱: 應用類神經網路於皮帶輪軸承異常溫升預測之研究-以C鋼鐵公司為例
Applying the Artificial Neural Network Approach for Predicting the Abnormal Temperature Rising of Conveyor Pulley - A Case Study of C - Company
指導教授: 陳澤生
Chen, Tse-Sheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程管理碩士在職專班
Engineering Management Graduate Program(on-the-job class)
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 原料輸送系統輸送機皮帶輪軸承類神經網路決策樹軸承異常溫升預測
外文關鍵詞: Raw Material Handling System, Pulley of Belt Conveyor, Artificial Neural Network, Decision Tree, Predicting the Abnormal Temperature Rising of Pulley
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  • 個案公司為一貫作業煉鋼廠生產鋼鐵所需的主要原料包括煤炭、鐵礦砂及石灰石及廢鋼,大部分原料需仰賴船運進口,再透過輸送設備送至原料堆置場及高爐料倉,故原料輸送系統的送料效率性及供料穩定性也是直接影響生產環節的重要部分。輸送系統的設備數量中約九成以上是輸送機設備,基本上是由馬達、減速機、輸送帶、皮帶輪、滾輪等組件所組成,其中皮帶輪使用的穩定性與可靠度對於輸送機運轉順暢與否,扮演相當重要的角色。 輸送機設備的故障,施工不當、環境惡劣、疏於保養、超載使用、輸送過程中落料情形等常因,而設備故障前的重要徵兆之一便是設備的異常溫升,透過皮帶輪軸承偵測便可測得異常溫升。
    個案公司皮帶輪軸承目前已裝設溫度感測器熱電偶的數量共147條輸送帶。本研究旨在如何做輸送機皮帶輪軸承溫升異常測點之預測,故以個案公司既有輸送系統及皮帶軸承偵溫系統資料,應用類神經網路與決策樹於軸承溫升異常測點之預測研究,研究方法運用R Studio程式設計,以產線類別、設備狀態資訊、保護開關感測訊號、磅秤資訊、流程操作資訊五項變數做為類經網路分析,每項變數皆以0至10分作為評分標準,再乘以各項變數權重,最後變數分數相加為總分,做為變數,得知最高分之軸承測點代號,以做為日後參考之模型。其中以軸承測點之各五項評選標準因子共20筆做為類神經網路之輸入層X1, X2,…,X20,資料集共為456筆資料,其中訓練資料80%與測試資料20%樣本,模型預測之正確率平均約為83%~85%,顯示模型已具有適度的預測能力。
    因此本研究發現,個案公司輸送機皮帶輪軸承溫升異常測點之預測時,決策樹依照三個主要評選因素影響預測。第一個是P16軸承測點的保護開關感測器資訊分數,第二個是P01軸承測點的流程操作資訊分數,第三個是P02軸承測點的設備狀態資訊分數。本案例研究結果發現決策樹有助於個案公司的輸送機皮帶輪軸承溫升異常測點之預測。
    本研究應用類神經網路及決策樹,有助於個案公司預測輸送機皮帶輪軸承溫升異常之測點位置,輔助人員及早診斷故障位置,縮短維修時間,以降低輸送設備損壞及火災等工安事件發生,避免公司人員傷亡及財務重大損失。

    C- company has always operated the steelmaking plant to produce the main raw materials required for steel production including coal, iron ore, limestone, and scrap steel. Most of the raw materials need to be imported by shipping and then sent to the raw material storage yard and blast furnace silo through conveying equipment. The feeding efficiency and stability of the conveyor system are the important parts that directly affect the production process. Normally, a conveyor transport system is equipped with 90% of its relative equipment devices, such as motors, reducers, conveyor belts, pulleys, rollers and other components with highly connected operation. Especially, the stability and reliability of the use of the conveyor pulleys for keeping a smooth operation would play an important role. Since the machine malfunction of the conveyor equipment failures are often due to improper construction, harsh environment, negligent maintenance, overloaded use, or material dropping during the conveyance operation. It may cause abnormal temperature rising of conveyor pulley. Therefore, many temperature thermocouple sensors are designed to monitor the temperature change state to assist the working site operator signs before equipment failure. One is the abnormal temperature rising of the equipment.
    C-company's pulley bearings currently have a total of 147 conveyor belts with temperature sensor thermocouples. In this study predicts the abnormal temperature rising measurement point of the conveyor pulley, so the C-company's existing conveyor system and belt bearing temperature measurement system data are used to apply neural network and decision tree to the abnormal temperature rising of bearing predictive research of measuring points, research method using R Studio programming, with five variables of production line type, equipment status information, protection switch sensing signal, scale information, process operation information as network analysis, each variable is judged by 0 to 10 points, as well as multiplied by various variable weight.
    And finally the variable score as the total score as the dependent variable, and get the code of the bearing test point with the highest score, which will be used as a model for future reference. Among them, a total of 20 pieces of the five selection criteria factors of bearing measuring points are used as the input layer X1, X2, ..., X20 of the neural network-like, the data set is a total of 456 pieces of data, of which 80% of training data and 20% of test data sample, the prediction accuracy of the model is about 83%~85%, which shows that the model has a fairly good prediction ability.
    In this study we found that when predicting the abnormal temperature rising point of the conveyor pulley bearing of the case company, the decision tree influences the prediction according to three main selection factors. The first is the information score of the protection switch sensor of the P16 bearing measuring point, the second is the process operation information score of the P01 bearing measuring point, and the third is the equipment status information score of the P02 bearing measuring point. The results of this case study found that the decision tree helped the case company to predict the abnormal temperature rising of the conveyor pulley.
    In this study, we use artificial neural networks and decision trees to help C-companies for predicting the location of measurement points for abnormal temperature rising of conveyor pulley, assist personnel to diagnose fault locations early, shorten maintenance time, and reduce work safety such as damage to conveyor equipment and fire incident occurred to avoid company casualties and major financial losses.

    摘要 I 誌謝 XI 目錄 XII 表目錄 XV 圖目錄 XVI 中英文縮寫對照表 XVIII 第1章 緒論 1 1-1 研究背景與動機 1 1-2 研究目的 2 1-3 研究範圍與限制 2 1-4 研究流程 7 第2章 文獻探討 8 2-1 原料輸送系統 8 2-1-1 原料輸送系統流程簡介 8 2-1-2 原料輸送系統架構 10 2-2 輸送機皮帶輪軸承溫度監診 12 2-2-1 輸送機各皮帶輪位置及功用 12 2-2-2 皮帶輪軸承溫度偵測元件安裝位置 18 2-2-3 皮帶輪軸承溫度監診系統架構 20 2-3 類神經網路 22 2-3-1 類神經網路定義 22 2-3-2 類神經網路的架構與流程 23 2-3-3 類神經網路應用 29 2-4 決策樹 31 2-4-1 決策樹定義 31 2-4-2 決策樹架構與流程 32 2-4-3 決策樹應用 33 2-5 本章小結 35 第3章 研究方法 36 3-1 研究架構 36 3-1-1 資料預處理 37 3-1-2 敘述統計 38 3-1-3 資料分析 38 3-1-4 決策樹CART資料探勘 38 3-1-5 類神經網路資料探勘 38 3-2 資料來源與前置處理 39 3-2-1 資料來源選擇-原料輸送系統/溫度監診系統 39 3-2-2 前置處理 39 3-2-3 資料轉換 40 3-3 分析工具與方法 41 3-3-1 R程式軟體工具 41 3-3-2 倒傳遞類神經網路 43 3-3-3 決策樹 45 3-4 本章小結 49 第4章 研究分析與結果 50 4-1 資料預處理 50 4-1-1 原料輸送系統/溫度監診系統-基本資料說明 51 4-1-2 評選單預處理說明 53 4-2 敘述統計分析 55 4-3 類神經網路 60 4-3-1 倒傳遞類神經網路分析 60 4-3-2 多層次倒傳遞類神經網路分析 62 4-4 決策樹 66 4-4-1 決策樹分析 66 4-4-2 決策樹以R程式呈現 67 第5章 結論與建議 72 5-1 研究結論 72 5-2 未來研究建議 74 參考文獻 75

    參考文獻
    中文部份
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