自動診斷技術在造紙機中的應用研究

劉 玲 蔣旭華 文春生 康帥乾

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

自動診斷技術在造紙機中的應用研究

劉 玲1蔣旭華2文春生1康帥乾3

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

故障診斷是一項實用性很強的技術，它一直是工程應用領域的重點和難點。本文基于造紙機A llen-Bradley Rockwell Automation控制系統(tǒng)在運行中過程出現(xiàn)的故障，通過對自動診斷相關技術長時間的研究，自主編制了一套較為實用的故障診斷程序軟件，通過試驗能在控制系統(tǒng)中達到快速查找故障和提前預警故障的目的，在實際的造紙機維護工作中取得了良好的效果。

自動診斷；故障診斷；DCS自診斷系統(tǒng)；監(jiān)測系統(tǒng)；造紙機

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高新技術設備的集成度越來越高，也越來越復雜，特別是大型復雜電子設備的出現(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，因此對故障診斷技術的研究有著重要的理論與現(xiàn)實意義。

永州湘江紙業(yè)有限責任公司十五噸包裝紙工程采用的是美國Allen-Bradley Rockwell Automation的控制系統(tǒng)。隨著它的投入使用造紙機的生產效率得到大幅提高，但與此同時也出現(xiàn)了許多新的急待解決的問題。其中最主要的問題是設備故障的檢測問題。因為控制點多、連鎖多、故障原因綜合因素多且復雜等因素（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被測對象自動地進行故障診斷，但是由于設備越來越復雜，再加上電路的非線性問題，而檢測點和施加的測試信號是受到限制的，因此影響了故障的可控性和可測性），機器一旦在運行中發(fā)生故障，技術維護人員查找起來就會相當?shù)睦щy。導致這種情況發(fā)生大致有以下幾個原因：

1）知識更新快，設備控制點多，認知負擔過重；

2）重復事故多，交互性不夠；

3）缺乏對造紙機全局控制系統(tǒng)信息的認識；

4）不能提前防御、預測故障發(fā)生；

5）對于瞬間故障信號無能為力。

對于像造紙這樣連續(xù)生產的工業(yè)企業(yè)，時間就是效益，設備出現(xiàn)故障之后如不能及時解決，給企業(yè)帶來的損失是非常巨大的。把自動診斷技術引入到造紙實際生產應用中，對生產過程進行時實監(jiān)測并對出現(xiàn)的故障及時、準確的報警，就能自動發(fā)現(xiàn)并修復常規(guī)小故障和一些軟故障及濾波干擾假信號，預防事故的發(fā)生，避免重復故障、重復勞動，極大地提高工作效率。

1 故障診斷系統(tǒng)的一般結構

復雜設備故障診斷系統(tǒng)的一般結構主要由6個功能模塊組成，如圖1所示。人機接口模塊是整個系統(tǒng)的控制協(xié)調機構；知識庫和數(shù)據(jù)庫管理模塊的功能是對診斷必需的知識和數(shù)據(jù)進行建立、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，負責運用診斷信息和相關知識完成診斷任務；診斷信息獲取模塊通過主動、被動和交互等方式獲取有價值的診斷信息；解釋機構的任務是向用戶提供診斷咨詢及診斷推理過程的中間結果，幫助用戶了解診斷對象及診斷過程；機器學習模塊用于完善系統(tǒng)的知識庫，提高系統(tǒng)的診斷能力。

圖1：故障診斷系統(tǒng)的結構模塊

2 DCS自診斷系統(tǒng)功能介紹、實現(xiàn)及故障排查

2.1 DCS自診斷系統(tǒng)

DCS系統(tǒng)能對生產過程進行集中操作管理和分散控制。操作員可以通過監(jiān)控站CRT終端，對全部生產過程的工況進行實時監(jiān)視和操控。由于DCS系統(tǒng)連鎖控制點多，當設備發(fā)生故障時，這個故障就有可能是與這個設備相關聯(lián)的其它控制元件引起的。DCS自診斷程序通過數(shù)據(jù)采集和分析自動判斷是否是連鎖的問題，如果判斷是連鎖的原因。則：1）直接在上位機上顯示連鎖故障點。如圖2所示。

（圖2）

表示一壓緊停傳動側信號沒有。如果在開車情況下這個信號突然丟失就會導致停車。諸如此類信號故障DCS自診斷系統(tǒng)可以迅速判斷出故障原因。2）可以對故障點的信號進行軟干預。由于卷紙機的連鎖很多，有些時候設備是正常的，但是檢測元檢測位置不對或有其它問題，不能準備判斷具體是哪個部位有故障，這時我們就可以通過自動診斷系統(tǒng)迅速找出故障點。在確定故障點暫不會影響運行情況下，對其進行軟干預，如圖3所示。

（圖3：紅色表示故障，綠色表示正常）

屏蔽此信號，使設備暫時能用。此時維修人員再根據(jù)提示去更換具體損壞元件。當維修完后再恢復其正常工作狀態(tài)。不必要停下機來，避免單獨逐個查找設備原因和檢測元件的問題，再加以處理（或刪除）。如果不是連鎖原因，是DCS柜內的硬件故障，也將精確的顯示在上位機上，可以具體到每一個繼電器和模塊。繼電器觸頭有雙路輸出，我們將一路接到現(xiàn)場的控制設備，一路接到檢測模塊，兩路同時輸出，如果檢測模塊不能接收到輸出信號，表明繼電器損壞，這時上位機上則可顯示故障繼電器的名稱和具體位置。同理還可檢測開關電源、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)庫將會根據(jù)專家數(shù)據(jù)庫的經(jīng)驗推斷是哪個部分出現(xiàn)了問題。故障數(shù)據(jù)庫是近幾年故障維護經(jīng)驗的集合。

2.2 紙機報警控制系統(tǒng)

報警控制系統(tǒng)是針對紙機控制點多，畫面多，操作人員無法顧及所有畫面，不能及時發(fā)現(xiàn)生產中隱藏的問題而開發(fā)的。報警控制系統(tǒng)把所有影響生產的控制點集中組態(tài)，放在一個報警畫面，如圖4所示。并把某些影響紙機開停機的重要連鎖進行可視化設計并提供歷史趨勢可供查詢，如圖5所示。同時配備聲光報警燈，一旦機器可能發(fā)生故障便能提前報警，操作人員則可根據(jù)報警畫面的提示進行預防性操作，減少事故的發(fā)生。

（圖4）

（圖5）

2.3 傳動信號輔助檢測系統(tǒng)

此系統(tǒng)同DCS自診斷系統(tǒng)中的連鎖故障檢測原理是一樣的。只是他針對的對象不同。前者是對儀表連鎖進行監(jiān)測，后者是對傳動信號進行監(jiān)測。紙機在正常工作時，當一臺傳動電機發(fā)生故障，可能會立即影響其它傳動電機。這時所有的傳動電機可能會同時全部停止工作，肉眼幾乎無法分辨是因哪臺電機的故障造成的。這時就很難找出故障點，但如果通過傳動信號輔助檢測系統(tǒng)監(jiān)測它們的運行信號，就可以迅速判斷出是哪臺設備最先出的故障，如圖6所示。

（圖6）

2.4 機械潤滑監(jiān)測系統(tǒng)

機械部分元件發(fā)生故障往往是有一個過程的，在這個過程中經(jīng)驗豐富的技術維護員能通過機械的外觀、聲音、震動、溫度等了解此設備的運行狀況、使用壽命以及存在的問題。但是一般的人很難判斷，這時我們可以在機械設備上安裝溫度傳感器和震動傳感器，把溫度信號、震動的位置信號轉化為4-20m A模擬信號傳輸?shù)紸 llen-Bra d ley Roc kw e ll Au tom a tion中的FELX/10中，根據(jù)上位機上顯示的各參數(shù)的趨勢判斷設備的現(xiàn)狀。針對可能出現(xiàn)的故障可提前做好檢修計劃或防范措施。

3 結束語

本文針對造紙機設備故障征兆和故障原因對應關系的復雜性和多樣性，開發(fā)了基于規(guī)則、實例和模型相結合的故障自診斷系統(tǒng)。實踐證明，由于此故障自診斷系統(tǒng)的針對性強和操作智能化，提高了故障診斷的可靠性和速度，降低了設備維修的難度和成本，有效地縮短了故障維修的停機時間，提高了企業(yè)的生產效益。

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1673-2219（2011）04-0089-02

2011－03－01

湖南科技學院2008年院級課題科研成果之一，項目編號:08XKYTC050。

劉玲（1982－），女，湖南永州人，實驗師;蔣旭華(1980－)，男，湖南永州人，高級工程師；文春生（1968－），男，湖南永州人，湖南科技學院副教授；康帥乾（1983－），湖南漣源人，助理工程師，研究方向為自動化應用。

（責任編校：周 欣）