輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的故障預警及診斷技術研究

張兆隆 孫志平 楊立云

摘? 要：H型鋼現(xiàn)已廣泛應用于大型橋梁機械裝備制造、造船、水利等國民經(jīng)濟建設的各個方面。H型鋼的需求量越來越大，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)設備自動化程度越來越高，但如何預測、預警故障，大幅降低自動生產(chǎn)線的故障發(fā)生率，提高故障診斷及維護的快速性和準確性，是目前亟待解決的問題。該項目以河北創(chuàng)力機電科技有限公司輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線為研究對象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點開展H型鋼自動生產(chǎn)線的現(xiàn)場檢測儀和基于現(xiàn)場總線的遠程監(jiān)測平臺研究，包括生產(chǎn)線關鍵部件運行性能狀態(tài)信息提取，設備部件信息特性與參數(shù)采集方法研究，故障特征分析方法。自動生產(chǎn)線主要故障狀態(tài)預警與診斷的方法，從而確保自動生產(chǎn)線的可靠運行，提高H型鋼自動生產(chǎn)裝備的技術和服務水平。

關鍵詞：H型鋼? 自動焊接生產(chǎn)線? 遠程監(jiān)測平臺? 故障狀態(tài)預警? 故障特征分析

中圖分類號：TH11 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0063-03

1? 背景及意義

H型鋼也稱寬平行邊工字鋼，被廣泛應用于大型橋梁、機械裝備制造、高層建筑、造船、化工企業(yè)等國民經(jīng)濟建設的各個方面。作為綠色建材，H型鋼的生產(chǎn)得到國家政策支持，根據(jù)國家十三五規(guī)劃，到2025年，我國城鎮(zhèn)綠色建筑占新建建筑比重要從2012年的2%提升至50%。替代傳統(tǒng)的型鋼，發(fā)展前景可觀。目前，我國建筑鋼結構、橋梁鋼結構快速發(fā)展，H型鋼的需求量日益增加，H型鋼生產(chǎn)效率和設備自動化程度也在不斷提高，但如何有效預測、預警故障，降低自動生產(chǎn)線的故障率，延長生產(chǎn)線使用壽命，提高故障診斷及維護的快速性和準確性，是目前亟待解決的問題。利用現(xiàn)場總線技術將生產(chǎn)線遠程監(jiān)測系統(tǒng)作為H型鋼自動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的一部分，越來越展現(xiàn)出其重要性和必要性。該項目由河北河北機電職業(yè)技術學院牽頭，依托河北創(chuàng)力機電科技有限公司的輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線為研究對象，根據(jù)H型鋼工藝及控制要求，重點開展H型鋼自動生產(chǎn)線的現(xiàn)場檢測儀和網(wǎng)絡化遠程監(jiān)測平臺研究，提出這類裝備主要故障狀態(tài)預警與診斷的方法，從而保證H型鋼自動生產(chǎn)線的可靠運行，提高H型鋼自動生產(chǎn)裝備的技術和服務水平。通過“產(chǎn)、學、研”聯(lián)合攻關，最后成功在河北創(chuàng)力機電科技有限公司進行應用驗證及推廣。

2? 研究的主要內容

2.1 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關鍵部件性能狀態(tài)信息獲取

項目在分析輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線CAN總線控制系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測信息特性的基礎上，針對大量特性各異狀態(tài)信息，對其遠程采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠程設置等方法做了深入研究，并且闡述了基于高性能信號處理器（DSP）與嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS的H型鋼自動焊接生產(chǎn)線遠程狀態(tài)數(shù)據(jù)采集控制器軟硬件設計，最后在河北創(chuàng)力機電科技有限公司生產(chǎn)的輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線遠程監(jiān)控系統(tǒng)中成功應用。輕型H型鋼焊接生產(chǎn)線機組如圖1所示。

為實現(xiàn)安全參數(shù)及運行參數(shù)監(jiān)控，實現(xiàn)故障預測與診斷，分析需要采集的信息，分為以下幾類：（1）工作狀態(tài)信息，如流量、壓力、溫度、振動、液位、轉速、力矩等;（2）工況信息：如長度、工作半徑、額定負載等;（3）控制命令：如主控制器對變頻器、伺服驅動器、執(zhí)行器等器件輸出的控制指令;（4）故障診斷信息：如主控制器的故障信息、各執(zhí)行設備的故障代碼等;（5）工作狀態(tài)信息：如液壓泵累計工作時間、總產(chǎn)量等;（6）環(huán)境信息：如工作環(huán)境濕度、溫度等。

2.2 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線故障特征分析

通過對自動化生產(chǎn)線上的結構特征相關的重要監(jiān)測點及關鍵點的故障特點分析，總結故障產(chǎn)生的規(guī)律，改進并優(yōu)化控制策略，既能抓住重點，又那能做到較為全面、深入的分析，為輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的壽命預測及維護、控制系統(tǒng)優(yōu)化研究打下基礎。項目結合實際研究情況，采用根據(jù)故障特征逆向分析的方法來剖析焊接自動化生產(chǎn)線的故障模式及故障特征。

2.3 故障樹的建立方法

焊接自動化生產(chǎn)線主要由夾具、控制裝置、焊接設備、機器人、自動輸送裝置及其他輔助設備構成。由于焊接自動化生產(chǎn)線上各系統(tǒng)間的故障事件相互是獨立的，不會互相影響，因此在進行設備的故障樹建立和分析時，可單獨對各系統(tǒng)進行FTA研究。該課題的研究對象主要針對正常和故障兩種狀態(tài)的設備，且該設備的故障狀態(tài)是相互獨立的，因此可采用靜態(tài)邏輯門來建立結構函數(shù)。

3? 總拼生產(chǎn)線的故障樹建立及分析

河北創(chuàng)力機電科技有限公司的總拼生產(chǎn)線采用智能化技術，其主要功能是自動生產(chǎn)H型鋼焊接件，生產(chǎn)流程為：直條（數(shù)控/直條）火焰切割機下料→H型鋼組立機進行對中定位拼裝點焊成型→懸臂式龍門H型鋼焊接機焊接→H型鋼在翼緣正機矯正翼板焊接變形→拋丸除銹→完成。以上分析可以看出，對生產(chǎn)線進行預測性維護規(guī)劃的前提，是要充分剖析工位上的各設備的物理結構關系，了解它們的生產(chǎn)運作流程，從而進一步研究其故障情況及維護策略。由于總拼生產(chǎn)線上各設備間的故障事件都是獨立的，且不會互相影響，因此在研究總拼生產(chǎn)線的故障樹時，可單獨對各個設備進行分析。結合北方地區(qū)冬季氣溫寒冷的狀況，設備的液壓系統(tǒng)增加了液壓油自動加熱裝置，極大便利了用戶的使用，提高了生產(chǎn)效率，解決了寒冷氣候機組啟動時間過長問題;設有自動點焊系統(tǒng)，可自動組立、點焊，效率高，點焊導弧機構，采用輕型液壓油缸驅動，運動平穩(wěn)、可靠，無需增加氣源，方便使用。

項目結合通用部件在其他設備上各工況下常見故障模式，給出了組立機的主要失效模式，可以推廣應用到相似的其他設備上。

4? 輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線壽命預測與維護優(yōu)化

該文以焊接自動化生產(chǎn)線這類復雜大型系統(tǒng)為主要研究對象，利用壽命預測信息進行設備系統(tǒng)維護規(guī)劃的相關預測性研究。

（1）焊接自動化生產(chǎn)線預測性維護優(yōu)化模型。

通過對設備故障特征的研究分析，建立了壽命預測方法，主要用于預測系統(tǒng)當前時刻至失效時刻的時間剩余值，而維護優(yōu)化則是根據(jù)特征參數(shù)的衰退信號變化規(guī)律決策設備維護的最優(yōu)時序，從而建立取得設備最優(yōu)、可靠性最好為目標的函數(shù)。根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，結合焊接自動化生產(chǎn)線上各設備的壽命預測方法和維護時序規(guī)劃模型，建立了焊接自動化生產(chǎn)線預測性維護優(yōu)化模型。

圖2和圖3分別展示的是PHM1和PHM2的100組參照樣本在實際壽命ARUL=△t時的預測壽命PRUL值（這里定義△t=1h）。

由該項目研究優(yōu)化后的維護策略為優(yōu)化策略，并對兩種策略的流程進行了詳細描述。基于以上兩種策略分別對總拼生產(chǎn)線進行壽命預測和最優(yōu)維護時序的求解并通過應用，證明了所提優(yōu)化模型的先進性，最終對比得出所研究的多設備混聯(lián)系統(tǒng)預測性維護優(yōu)化模型的表現(xiàn)較優(yōu)，以此證明了該課題的積極意義和價值。

5? 課題研究的結論與創(chuàng)新點

5.1 結論

本項目的實施解決了三個方面的技術難點。

（1）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關鍵部件性能狀態(tài)信息獲取;（2）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識庫建立;（3）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評估、性能預測預警及故障診斷模型開發(fā)。

提出了輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線的性能預測與故障診斷方法，并構建了故障可診斷，性能可預測的優(yōu)化模型，實現(xiàn)對H型鋼自動組立機、液壓矯正機等關鍵狀態(tài)信息的監(jiān)測。

5.2 項目創(chuàng)新點

（1）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線關鍵部件性能狀態(tài)信息獲取技術;（2）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線性能狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和故障知識庫建立;（3）輕型H型鋼自動焊接生產(chǎn)線健康狀態(tài)評估、性能預測預警及故障診斷模型開發(fā)。

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