自動(dòng)診斷技術(shù)在造紙機(jī)中的應(yīng)用研究

劉 玲 蔣旭華 文春生 康帥乾

（1. 湖南科技學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，湖南 永州 425100；2. 湖南永州湘江紙業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 永州 425000；3. 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 零陵卷煙廠，湖南 永州 425000）

自動(dòng)診斷技術(shù)在造紙機(jī)中的應(yīng)用研究

劉 玲1蔣旭華2文春生1康帥乾3

（1. 湖南科技學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，湖南 永州 425100；2. 湖南永州湘江紙業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 永州 425000；3. 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 零陵卷煙廠，湖南 永州 425000）

故障診斷是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，它一直是工程應(yīng)用領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文基于造紙機(jī)A llen-Bradley Rockwell Automation控制系統(tǒng)在運(yùn)行中過(guò)程出現(xiàn)的故障，通過(guò)對(duì)自動(dòng)診斷相關(guān)技術(shù)長(zhǎng)時(shí)間的研究，自主編制了一套較為實(shí)用的故障診斷程序軟件，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)茉诳刂葡到y(tǒng)中達(dá)到快速查找故障和提前預(yù)警故障的目的，在實(shí)際的造紙機(jī)維護(hù)工作中取得了良好的效果。

自動(dòng)診斷；故障診斷；DCS自診斷系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；造紙機(jī)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高新技術(shù)設(shè)備的集成度越來(lái)越高，也越來(lái)越復(fù)雜，特別是大型復(fù)雜電子設(shè)備的出現(xiàn)，使得人們更加迫切地希望能提高其整體可靠性與維修性，這就給故障診斷提出了更高的要求。故障診斷技術(shù)的出現(xiàn)，為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性開啟了新的途徑，因此對(duì)故障診斷技術(shù)的研究有著重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

永州湘江紙業(yè)有限責(zé)任公司十五噸包裝紙工程采用的是美國(guó)Allen-Bradley Rockwell Automation的控制系統(tǒng)。隨著它的投入使用造紙機(jī)的生產(chǎn)效率得到大幅提高，但與此同時(shí)也出現(xiàn)了許多新的急待解決的問(wèn)題。其中最主要的問(wèn)題是設(shè)備故障的檢測(cè)問(wèn)題。因?yàn)榭刂泣c(diǎn)多、連鎖多、故障原因綜合因素多且復(fù)雜等因素（現(xiàn)在的大多數(shù)故障診斷系統(tǒng)雖然能以很快的速度對(duì)被測(cè)對(duì)象自動(dòng)地進(jìn)行故障診斷，但是由于設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，再加上電路的非線性問(wèn)題，而檢測(cè)點(diǎn)和施加的測(cè)試信號(hào)是受到限制的，因此影響了故障的可控性和可測(cè)性），機(jī)器一旦在運(yùn)行中發(fā)生故障，技術(shù)維護(hù)人員查找起來(lái)就會(huì)相當(dāng)?shù)睦щy。導(dǎo)致這種情況發(fā)生大致有以下幾個(gè)原因：

1）知識(shí)更新快，設(shè)備控制點(diǎn)多，認(rèn)知負(fù)擔(dān)過(guò)重；

2）重復(fù)事故多，交互性不夠；

3）缺乏對(duì)造紙機(jī)全局控制系統(tǒng)信息的認(rèn)識(shí)；

4）不能提前防御、預(yù)測(cè)故障發(fā)生；

5）對(duì)于瞬間故障信號(hào)無(wú)能為力。

對(duì)于像造紙這樣連續(xù)生產(chǎn)的工業(yè)企業(yè)，時(shí)間就是效益，設(shè)備出現(xiàn)故障之后如不能及時(shí)解決，給企業(yè)帶來(lái)的損失是非常巨大的。把自動(dòng)診斷技術(shù)引入到造紙實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行時(shí)實(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)出現(xiàn)的故障及時(shí)、準(zhǔn)確的報(bào)警，就能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)常規(guī)小故障和一些軟故障及濾波干擾假信號(hào)，預(yù)防事故的發(fā)生，避免重復(fù)故障、重復(fù)勞動(dòng)，極大地提高工作效率。

1 故障診斷系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

復(fù)雜設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)主要由6個(gè)功能模塊組成，如圖1所示。人機(jī)接口模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)；知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的功能是對(duì)診斷必需的知識(shí)和數(shù)據(jù)進(jìn)行建立、增加、刪除、修改、檢查等操作；診斷推理模塊是診斷系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)用診斷信息和相關(guān)知識(shí)完成診斷任務(wù)；診斷信息獲取模塊通過(guò)主動(dòng)、被動(dòng)和交互等方式獲取有價(jià)值的診斷信息；解釋機(jī)構(gòu)的任務(wù)是向用戶提供診斷咨詢及診斷推理過(guò)程的中間結(jié)果，幫助用戶了解診斷對(duì)象及診斷過(guò)程；機(jī)器學(xué)習(xí)模塊用于完善系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)，提高系統(tǒng)的診斷能力。

圖1：故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊

2 DCS自診斷系統(tǒng)功能介紹、實(shí)現(xiàn)及故障排查

2.1 DCS自診斷系統(tǒng)

DCS系統(tǒng)能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中操作管理和分散控制。操作員可以通過(guò)監(jiān)控站CRT終端，對(duì)全部生產(chǎn)過(guò)程的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和操控。由于DCS系統(tǒng)連鎖控制點(diǎn)多，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，這個(gè)故障就有可能是與這個(gè)設(shè)備相關(guān)聯(lián)的其它控制元件引起的。DCS自診斷程序通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析自動(dòng)判斷是否是連鎖的問(wèn)題，如果判斷是連鎖的原因。則：1）直接在上位機(jī)上顯示連鎖故障點(diǎn)。如圖2所示。

（圖2）

表示一壓緊停傳動(dòng)側(cè)信號(hào)沒(méi)有。如果在開車情況下這個(gè)信號(hào)突然丟失就會(huì)導(dǎo)致停車。諸如此類信號(hào)故障DCS自診斷系統(tǒng)可以迅速判斷出故障原因。2）可以對(duì)故障點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行軟干預(yù)。由于卷紙機(jī)的連鎖很多，有些時(shí)候設(shè)備是正常的，但是檢測(cè)元檢測(cè)位置不對(duì)或有其它問(wèn)題，不能準(zhǔn)備判斷具體是哪個(gè)部位有故障，這時(shí)我們就可以通過(guò)自動(dòng)診斷系統(tǒng)迅速找出故障點(diǎn)。在確定故障點(diǎn)暫不會(huì)影響運(yùn)行情況下，對(duì)其進(jìn)行軟干預(yù)，如圖3所示。

（圖3：紅色表示故障，綠色表示正常）

屏蔽此信號(hào)，使設(shè)備暫時(shí)能用。此時(shí)維修人員再根據(jù)提示去更換具體損壞元件。當(dāng)維修完后再恢復(fù)其正常工作狀態(tài)。不必要停下機(jī)來(lái)，避免單獨(dú)逐個(gè)查找設(shè)備原因和檢測(cè)元件的問(wèn)題，再加以處理（或刪除）。如果不是連鎖原因，是DCS柜內(nèi)的硬件故障，也將精確的顯示在上位機(jī)上，可以具體到每一個(gè)繼電器和模塊。繼電器觸頭有雙路輸出，我們將一路接到現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備，一路接到檢測(cè)模塊，兩路同時(shí)輸出，如果檢測(cè)模塊不能接收到輸出信號(hào)，表明繼電器損壞，這時(shí)上位機(jī)上則可顯示故障繼電器的名稱和具體位置。同理還可檢測(cè)開關(guān)電源、控制I/O模塊等故障。如果是柜外的硬件故障，自診斷程序里面的故障數(shù)據(jù)庫(kù)將會(huì)根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)推斷是哪個(gè)部分出現(xiàn)了問(wèn)題。故障數(shù)據(jù)庫(kù)是近幾年故障維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的集合。

2.2 紙機(jī)報(bào)警控制系統(tǒng)

報(bào)警控制系統(tǒng)是針對(duì)紙機(jī)控制點(diǎn)多，畫面多，操作人員無(wú)法顧及所有畫面，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中隱藏的問(wèn)題而開發(fā)的。報(bào)警控制系統(tǒng)把所有影響生產(chǎn)的控制點(diǎn)集中組態(tài)，放在一個(gè)報(bào)警畫面，如圖4所示。并把某些影響紙機(jī)開停機(jī)的重要連鎖進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)并提供歷史趨勢(shì)可供查詢，如圖5所示。同時(shí)配備聲光報(bào)警燈，一旦機(jī)器可能發(fā)生故障便能提前報(bào)警，操作人員則可根據(jù)報(bào)警畫面的提示進(jìn)行預(yù)防性操作，減少事故的發(fā)生。

（圖4）

（圖5）

2.3 傳動(dòng)信號(hào)輔助檢測(cè)系統(tǒng)

此系統(tǒng)同DCS自診斷系統(tǒng)中的連鎖故障檢測(cè)原理是一樣的。只是他針對(duì)的對(duì)象不同。前者是對(duì)儀表連鎖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后者是對(duì)傳動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。紙機(jī)在正常工作時(shí)，當(dāng)一臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)發(fā)生故障，可能會(huì)立即影響其它傳動(dòng)電機(jī)。這時(shí)所有的傳動(dòng)電機(jī)可能會(huì)同時(shí)全部停止工作，肉眼幾乎無(wú)法分辨是因哪臺(tái)電機(jī)的故障造成的。這時(shí)就很難找出故障點(diǎn)，但如果通過(guò)傳動(dòng)信號(hào)輔助檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)它們的運(yùn)行信號(hào)，就可以迅速判斷出是哪臺(tái)設(shè)備最先出的故障，如圖6所示。

（圖6）

2.4 機(jī)械潤(rùn)滑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

機(jī)械部分元件發(fā)生故障往往是有一個(gè)過(guò)程的，在這個(gè)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)維護(hù)員能通過(guò)機(jī)械的外觀、聲音、震動(dòng)、溫度等了解此設(shè)備的運(yùn)行狀況、使用壽命以及存在的問(wèn)題。但是一般的人很難判斷，這時(shí)我們可以在機(jī)械設(shè)備上安裝溫度傳感器和震動(dòng)傳感器，把溫度信號(hào)、震動(dòng)的位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為4-20m A模擬信號(hào)傳輸?shù)紸 llen-Bra d ley Roc kw e ll Au tom a tion中的FELX/10中，根據(jù)上位機(jī)上顯示的各參數(shù)的趨勢(shì)判斷設(shè)備的現(xiàn)狀。針對(duì)可能出現(xiàn)的故障可提前做好檢修計(jì)劃或防范措施。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)造紙機(jī)設(shè)備故障征兆和故障原因?qū)?yīng)關(guān)系的復(fù)雜性和多樣性，開發(fā)了基于規(guī)則、實(shí)例和模型相結(jié)合的故障自診斷系統(tǒng)。實(shí)踐證明，由于此故障自診斷系統(tǒng)的針對(duì)性強(qiáng)和操作智能化，提高了故障診斷的可靠性和速度，降低了設(shè)備維修的難度和成本，有效地縮短了故障維修的停機(jī)時(shí)間，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益。

[1]王秋彥等. 故障診斷技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2009,32 (4) :528.

[2]李曉陽(yáng),郭萬(wàn)海,王作超.艦船電子裝備故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ),2010(07)

[3]朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[4]王永銘,張勝發(fā).高爐爐況自動(dòng)診斷系統(tǒng)模塊的開發(fā)及應(yīng)用[J].鞍鋼技術(shù), 2009,(03)

[5]DUAN G R , PATTON R J . Robust fault detectionusing Luenberger2type unknown input observers aparamet ric approach[J].Int J of Sys Sic , 2001 , 32(4) :5332540.2008,(7).

G445

A

1673-2219（2011）04-0089-02

2011－03－01

湖南科技學(xué)院2008年院級(jí)課題科研成果之一，項(xiàng)目編號(hào):08XKYTC050。

劉玲（1982－），女，湖南永州人，實(shí)驗(yàn)師;蔣旭華(1980－)，男，湖南永州人，高級(jí)工程師；文春生（1968－），男，湖南永州人，湖南科技學(xué)院副教授；康帥乾（1983－），湖南漣源人，助理工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化應(yīng)用。

（責(zé)任編校：周 欣）