功能失效自診斷 智能制造之元

河南中煙工業(yè)有限公司黃金葉生產(chǎn)制造中心 張明琰，張江豪

功能失效自診斷 智能制造之元

河南中煙工業(yè)有限公司黃金葉生產(chǎn)制造中心 張明琰，張江豪

本文闡述了工控系統(tǒng)功能失效自診斷能力的定義、作用，從其典型應(yīng)用了解其發(fā)展過(guò)程和發(fā)展方向，它將是智能制造的基礎(chǔ)和不可或缺的一部分。

控制系統(tǒng)；功能；失效；自診斷；智能制造

近期，智能制造、工業(yè)4.0成為大家熱議的話題，更是自動(dòng)化控制領(lǐng)域人士趨之若鶩的方向。萬(wàn)丈高地平地起，筆者認(rèn)為，有個(gè)基礎(chǔ)功能不可小覷，那就是系統(tǒng)的功能失效自診斷能力。曾子曰：“吾日三省吾身”，那個(gè)時(shí)代他老人家就教導(dǎo)我們要時(shí)刻反省自己，類然，既然是智能化制造系統(tǒng)，那么系統(tǒng)本身就要具備診斷自身功能失效的能力，系統(tǒng)自身有問(wèn)題都不自知，何以稱為“智能系統(tǒng)”，所以功能失效自診斷功能是智能系統(tǒng)之元，這里的元有“源頭、基礎(chǔ)”之意，同時(shí)也包含著智能系統(tǒng)的“神經(jīng)元、單元”的含義。

1　定義

工控系統(tǒng)功能失效自診斷是指工業(yè)控制自動(dòng)化系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部控制環(huán)節(jié)一直進(jìn)行有效性監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)功能失效時(shí)立即停止運(yùn)行，顯示需要處理的功能失效部位，以確保系統(tǒng)自身的可靠性，進(jìn)而保證對(duì)所控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，避免質(zhì)量和安全事故的發(fā)生。隨著微處理機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，工控系統(tǒng)的智能性越來(lái)越完善，當(dāng)工控系統(tǒng)一旦發(fā)生功能失效，借助系統(tǒng)的自診斷功能，往往可以迅速、準(zhǔn)確地查明原因并確定功能失效部位，更重要的是它可以有效地避免質(zhì)量和安全事故的發(fā)生。而智能制造涉及內(nèi)容包括：智能產(chǎn)品、智能設(shè)計(jì)、智能裝備、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)、智能供應(yīng)鏈等相關(guān)資訊、技術(shù)、服務(wù)等，所以，功能失效自診斷是智能控制系統(tǒng)一重要組成部分，它的強(qiáng)弱是評(píng)價(jià)系統(tǒng)智能化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

展開(kāi)來(lái)講，既然是智能化系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，就要首先考慮自身具備自診斷功能，其應(yīng)包含完善的防止過(guò)程控制功能失效的防差錯(cuò)能力，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2　功能失效自診斷的設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 防護(hù)安全連鎖開(kāi)關(guān)功能失效自診斷

功能失效自診斷技術(shù)與系統(tǒng)的安全性息息相關(guān)，所以最早表現(xiàn)在安全連鎖回路上，在90年代初期，進(jìn)口包裝設(shè)備的安全防護(hù)連鎖開(kāi)關(guān)已開(kāi)始采用雙觸點(diǎn)（一套常開(kāi)點(diǎn)，一套常閉點(diǎn)）、雙回路方式，如圖1所示，一路為常閉點(diǎn)，當(dāng)所有防護(hù)閉合時(shí)接觸器得電吸合，提供設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)必要條件，當(dāng)任何一處防護(hù)門打開(kāi)時(shí)，接觸器失電使設(shè)備失去運(yùn)轉(zhuǎn)條件；一路為常開(kāi)點(diǎn)，當(dāng)防護(hù)門打開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的防護(hù)門常開(kāi)點(diǎn)閉合把信號(hào)輸入PLC相應(yīng)輸入點(diǎn)，系統(tǒng)就會(huì)在顯示屏上顯示相應(yīng)故障點(diǎn)。

它的自診斷能力表現(xiàn)在：當(dāng)任何一個(gè)連鎖開(kāi)關(guān)損壞后，因連鎖開(kāi)關(guān)不能正確表示其工作狀態(tài)，所以繼電器回路和PLC輸入口之間必然出現(xiàn)矛盾，當(dāng)繼電器觸點(diǎn)和PLC讀入的信號(hào)出現(xiàn)不一致時(shí)，系統(tǒng)就判定為防護(hù)安全連鎖建立失敗，同時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)電源斷開(kāi)，設(shè)備失去驅(qū)動(dòng)能力，直到信號(hào)矛盾問(wèn)題得以處理。后來(lái)多種煙機(jī)設(shè)備采用專用的Pilz安全連鎖繼電器，以保證安全連鎖功能的有效性，到目前，高速設(shè)備普遍采用Pilz的安全專用PLC以提高防護(hù)連鎖的SIL等級(jí)。

圖1 防護(hù)安全連鎖工作原理圖

2.1.2 光電檢測(cè)器功能失效自診斷

光電檢測(cè)器自身?yè)p壞或靈敏度失效無(wú)法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致控制功能的失控，如果采用效率檢測(cè)的方式，將會(huì)在一個(gè)工藝周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)光電檢測(cè)的功能失效，其診斷原理是這樣的：系統(tǒng)根據(jù)工藝需求在固定角度檢測(cè)被檢測(cè)物的存在，隨著工藝流程的進(jìn)展，當(dāng)被檢測(cè)物離開(kāi)后，在另外一個(gè)角度再次讀取檢測(cè)器狀態(tài)，如果檢測(cè)器狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生變化，就說(shuō)明工藝流程失效或檢測(cè)器自身故障，通過(guò)該方式能夠有效診斷光電檢測(cè)器的功能失效或是控制功能失效，目前煙機(jī)設(shè)備光電檢測(cè)器多數(shù)采用這種方式診斷功能失效。

2.1.3 金屬接近開(kāi)關(guān)功能失效自診斷

采用金屬接近開(kāi)關(guān)判定被檢測(cè)金屬物是否存在是一種比較普遍的檢測(cè)模式，一旦接近開(kāi)關(guān)失效將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重事故，為了診斷金屬接近開(kāi)關(guān)功能失效，德國(guó)BALLUFF巴魯夫公司設(shè)計(jì)了具有自診斷功能的檢測(cè)器，其原理如圖2所示，在其檢測(cè)器輸出的信號(hào)中加入與輸出信號(hào)極性相反的0.2ms的窄脈沖，PLC運(yùn)用程序根據(jù)這個(gè)窄脈沖的有無(wú)來(lái)判定檢測(cè)器是否損壞，熟悉檢測(cè)器原理的技術(shù)人員都知道檢測(cè)器的損壞一般出現(xiàn)在其功率放大部分即輸出三極管上，如果三極管損壞檢測(cè)器就完不成窄脈沖的轉(zhuǎn)換過(guò)程，通過(guò)輸出信號(hào)極性的動(dòng)態(tài)變換即可有效判定該檢測(cè)器是否損壞，該方法極為有效但需要PLC程序配合使用，GD包裝機(jī)金屬接近開(kāi)關(guān)全部采用這種方式。對(duì)于系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測(cè)部位也可以同時(shí)采用兩個(gè)或多個(gè)金屬接近開(kāi)關(guān)信號(hào)并聯(lián)的方式預(yù)防檢測(cè)功能失效，提高系統(tǒng)SIL等級(jí)。

2.1.4 PLC輸出口功能失效自診斷

PLC輸出口輸出的信號(hào)是否被執(zhí)行，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)重要部位的執(zhí)行結(jié)果，一般采用再次檢測(cè)執(zhí)行結(jié)果的方式進(jìn)行驗(yàn)證，GD包裝機(jī)采用MICRO-II微機(jī)控制系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)對(duì)PLC所有輸出口采用電流環(huán)的方式進(jìn)行功能失效檢測(cè)，當(dāng)PLC輸出信號(hào)時(shí)，PLC通過(guò)程序檢測(cè)輸出的電流，如果在執(zhí)行角度范圍內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到輸出電流的存在，則PLC就判定輸出回路存在故障，這種方法在原理上看來(lái)很簡(jiǎn)單，但卻很有效，它能確保令有必行。

圖2 具有自診斷功能檢測(cè)器的工作原理

圖3 PLC輸出口功能失效自診斷工作原理

2.2軟件應(yīng)用

2.2.1 單片機(jī)系統(tǒng)故障碼

像變頻器、伺服器、家電、汽車等采用單片機(jī)芯片的自動(dòng)化控制系統(tǒng)或器件，其功能失效后為了方便故障處理，一般會(huì)將診斷結(jié)果以故障碼或指示燈的方式來(lái)表示。故障碼內(nèi)容包括：故障描述、故障可能原因、故障處理方法、故障發(fā)生時(shí)采取的保護(hù)措施等。故障碼分為終端使用用戶處理故障提示的明碼和供專業(yè)維修人員故障處理用的內(nèi)碼。

如GD包裝機(jī)的功率放大元件全部采用固態(tài)繼電器，該固態(tài)繼電器具有過(guò)流、斷路和短路的功能失效診斷功能，其工作原理如圖4所示，固態(tài)繼電器自身診斷輸出口電流，過(guò)流標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)其輸出出現(xiàn)短路、斷路或過(guò)流故障時(shí)，固態(tài)繼電器對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮并且斷開(kāi)其控制輸入的使能信號(hào)+EN電流通路，這個(gè)使能信號(hào)對(duì)PLC來(lái)說(shuō)就是輸出信號(hào)，根據(jù)上面講到的PLC輸出口自診斷原理，系統(tǒng)就會(huì)提示對(duì)應(yīng)的固態(tài)繼電器出現(xiàn)故障。

圖4 GD包裝機(jī)固態(tài)繼電器功能失效診斷原理圖

2.2.2 設(shè)備故障原因分析

ZJ17卷煙機(jī)、FX2包裝機(jī)等多種設(shè)備，當(dāng)其功能失效后，設(shè)備在提示紅色故障信息的同時(shí)，一般會(huì)根據(jù)其程序流程將判定紅色故障產(chǎn)生的所有原因進(jìn)行列表提示，幫助操作、維修人員處理故障現(xiàn)象，這也是系統(tǒng)通過(guò)軟件方式進(jìn)行的智能化自診斷體現(xiàn)。

2.3信號(hào)功能失效診斷

系統(tǒng)采集的信號(hào)不都是真實(shí)的、有效的、真實(shí)反映系統(tǒng)狀態(tài)的，總存在一些失真的、遭到干擾的噪音信號(hào)，這些信號(hào)是不能參與過(guò)程控制的假信號(hào)，做為智能化的控制系統(tǒng)不管這些信號(hào)是否存在，均要有診斷處理這些無(wú)關(guān)信號(hào)的能力。信號(hào)處理又分為開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理和模擬量信號(hào)處理。

2.3.1 開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理

開(kāi)關(guān)量信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用濾波方式，只需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理，時(shí)序長(zhǎng)度只有達(dá)到系統(tǒng)控制輸入周期的輸入信號(hào)才診斷為真信號(hào)，低于設(shè)定延時(shí)周期的信號(hào)全部判定為干擾信號(hào)，要注意的是，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)要低于控制系統(tǒng)最短輸入周期。

2.3.2 模擬量信號(hào)處理

在實(shí)際的PLC控制系統(tǒng)中，來(lái)自控制現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)，如傳感器輸出的信號(hào)電壓值、電流值等，常常會(huì)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的瞬時(shí)干擾而產(chǎn)生較大的波動(dòng)，使得PLC所采集到的信號(hào)出現(xiàn)不真實(shí)性。如果僅僅用瞬時(shí)采樣值來(lái)進(jìn)行控制計(jì)算，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，來(lái)獲得一個(gè)較為準(zhǔn)確的輸入值。

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，主要是在用戶程序設(shè)計(jì)中利用軟件的方法來(lái)消除干擾所帶來(lái)的隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差混雜在有用信號(hào)之中，或累加于有用信號(hào)之上，使PLC輸入信號(hào)的信噪比減小，甚至將有用信號(hào)淹沒(méi)。對(duì)于PLC的模擬量輸入信號(hào)，可以采用數(shù)字濾波方法來(lái)消除采樣過(guò)程中的隨機(jī)誤差。常用的數(shù)字濾波方法有慣性濾波法、平均值濾波法、中間值濾波法等。

2.4數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)是骯臟的（不完整、含噪聲、不一致），沒(méi)有高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，就沒(méi)有高質(zhì)量的挖掘，要處理海量的大數(shù)據(jù)，智能化系統(tǒng)要具備對(duì)骯臟的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷清洗功能，要剔除不必要的冗余數(shù)據(jù)，提高分析效率和采樣準(zhǔn)確性。

2.4.1 數(shù)據(jù)清洗的定義

數(shù)據(jù)清洗從名字上也看得出就是把“臟”的“洗掉”，指發(fā)現(xiàn)并糾正數(shù)據(jù)文件中可識(shí)別的錯(cuò)誤的最后一道程序，包括檢查數(shù)據(jù)一致性，處理無(wú)效值和缺失值等。因?yàn)閿?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是面向某一主題的數(shù)據(jù)的集合，這些數(shù)據(jù)從多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中抽取而來(lái)而且包含歷史數(shù)據(jù)，這樣就避免不了有的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、有的數(shù)據(jù)相互之間有沖突，這些錯(cuò)誤的或有沖突的數(shù)據(jù)顯然是我們不想要的，稱為“臟數(shù)據(jù)”。要按照一定的規(guī)則把“臟數(shù)據(jù)”“洗掉”，這就是數(shù)據(jù)清洗。而數(shù)據(jù)清洗的任務(wù)是過(guò)濾那些不符合要求的數(shù)據(jù)，將過(guò)濾的結(jié)果交給智能分析系統(tǒng)處理。

2.4.2 數(shù)據(jù)清洗的方法

（1）一致性檢查

一致性檢查是根據(jù)每個(gè)變量的合理取值范圍和相互關(guān)系，檢查數(shù)據(jù)是否合乎要求，發(fā)現(xiàn)超出正常范圍、邏輯上不合理或者相互矛盾的數(shù)據(jù)。例如，用4～20mA、或0～5V讀取模擬量輸入值，當(dāng)出現(xiàn)超出此范圍的變量，都應(yīng)視為超出正常值域范圍。

（2）無(wú)效值和缺失值的處理

由于數(shù)據(jù)傳送、編碼和干擾，數(shù)據(jù)中可能存在一些無(wú)效值和缺失值，需要給予適當(dāng)?shù)奶幚?。常用的處理方法有：估算、整例刪除、變量刪除和成對(duì)刪除。

估算（estimation）。最簡(jiǎn)單的辦法就是用某個(gè)變量的樣本均值、中位數(shù)或眾數(shù)代替無(wú)效值和缺失值。這種辦法簡(jiǎn)單，但沒(méi)有充分考慮數(shù)據(jù)中已有的信息，誤差可能較大。另一種辦法就是突變替代法，根據(jù)數(shù)據(jù)在瞬時(shí)不會(huì)產(chǎn)生突變，前一個(gè)或后一個(gè)值代替無(wú)效值和缺失值。

整例刪除（casewise deletion）是剔除含有缺失值的樣本。由于采集樣本可能存在缺失值，這種做法的結(jié)果可能導(dǎo)致有效樣本量大大減少，無(wú)法充分利用已經(jīng)收集到的數(shù)據(jù)。因此，只適合關(guān)鍵變量缺失，或者含有無(wú)效值或缺失值的樣本比重很小的情況。

變量刪除（variable deletion）。如果某一變量的無(wú)效值和缺失值很多，而且該變量對(duì)于所研究的問(wèn)題不是特別重要，則可以考慮將該變量刪除。這種做法減少了供分析用的變量數(shù)目，但沒(méi)有改變樣本量。

成對(duì)刪除（pairwise deletion）是用一個(gè)特殊碼（通常是9、99、999等）代表無(wú)效值和缺失值，同時(shí)保留數(shù)據(jù)集中的全部變量和樣本。但是，在具體計(jì)算時(shí)只采用有完整答案的樣本，因而不同的分析因涉及的變量不同，其有效樣本量也會(huì)有所不同。這是一種保守的處理方法，最大限度地保留了數(shù)據(jù)集中的可用信息。

采用不同的處理方法可能對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響，尤其是當(dāng)缺失值的出現(xiàn)并非隨機(jī)且變量之間明顯相關(guān)時(shí)。因此，在采樣中應(yīng)當(dāng)盡量避免出現(xiàn)無(wú)效值和缺失值，保證數(shù)據(jù)的完整性。

（3）無(wú)效值和缺失值的處理過(guò)程

無(wú)效值和缺失值的處理過(guò)程大致都由三個(gè)階段組成： ①數(shù)據(jù)分析、定義錯(cuò)誤類型； ②搜索、識(shí)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；③修正錯(cuò)誤。

絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)清理方案提供接口用于編制清理程序。它們一般來(lái)說(shuō)包括很多耗時(shí)的排序、比較、匹配過(guò)程，且這些過(guò)程多次重復(fù)，用戶必須等待較長(zhǎng)時(shí)間。在一個(gè)交互式的數(shù)據(jù)清理方案，系統(tǒng)將錯(cuò)誤檢測(cè)與清理緊密結(jié)合起來(lái)，用戶能通過(guò)直觀的圖形化界面一步步地指定清理操作，且能立即看到此時(shí)的清理結(jié)果僅僅在所見(jiàn)的數(shù)據(jù)上進(jìn)行清理，所以速度很快，不滿意清理效果時(shí)還能撤銷上一步的操作，最后將所有清理操作編譯執(zhí)行。這種方案對(duì)清理循環(huán)錯(cuò)誤非常有效。

許多數(shù)據(jù)清理工具提供了描述性語(yǔ)言解決用戶友好性，降低用戶編程復(fù)雜度。如ARKTOS方案提供了XADL語(yǔ)言（一種基于預(yù)定義的DTD的XML語(yǔ)言）、SADL語(yǔ)言，在ATDX提供了一套宏操作（來(lái)自于SQL語(yǔ)句及外部函數(shù)），一種SQL2Like命令語(yǔ)言,這些描述性語(yǔ)言都在一定程度上減輕了用戶的編程難度，但各系統(tǒng)一般不具有互操作性，不能通用。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理的合規(guī)性

系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，也要進(jìn)行計(jì)算結(jié)果實(shí)效性驗(yàn)證，需要確定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)定義范圍和全工況的計(jì)算模型，并充分考慮其影響因素在計(jì)算中的合規(guī)性、合理性，否則將出現(xiàn)失效的分析結(jié)果，出現(xiàn)不合規(guī)計(jì)算值，如圖5所示，F(xiàn)X2包裝機(jī)在計(jì)算設(shè)備運(yùn)行效率時(shí)，將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的各種運(yùn)行狀況進(jìn)行分類處理，用完善的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和細(xì)化的過(guò)程計(jì)算，避免設(shè)備在的任何運(yùn)行狀況下統(tǒng)計(jì)出的設(shè)備運(yùn)行效率都不會(huì)出現(xiàn)不合理值。

圖5 FX2包裝機(jī)設(shè)備運(yùn)行效率計(jì)算數(shù)據(jù)分類

3　結(jié)語(yǔ)

以完善的功能失效自診斷、防差錯(cuò)能力為保障，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析結(jié)果參與過(guò)程控制，引入計(jì)算機(jī)智能演繹推理功能進(jìn)行系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，智能化制造之路才會(huì)越走越遠(yuǎn)。

[1] 上海煙草機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司. ZB45卷煙包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)[z].

[2] 許翔, 毛婕. 數(shù)據(jù)清理技術(shù)在軟件開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)時(shí)代, 2004, (8): 25 - 26.

Self-Diagnostic of Function Failure: the Basis of Intelligent Manufacturing

This thesis mainly describes the definition and function of selfdiagnostic technique concerning in industrial electric automatic control systems. One can know its developing process and direction by its typical application cases. Self-diagnostic of function failure technique is the basis of intelligent manufacturing. It will become an indispensable part of intelligent manufacturing. Key words: Control system; Function; Failure; Self-diagnostic technique; Intelligent manufacturing

張明琰（1972-），男，漢族，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于河南中煙工業(yè)有限公司黃金葉生產(chǎn)制造中心卷接包車間，主要研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用。