功能失效自診斷 智能制造之元

河南中煙工業有限公司黃金葉生產制造中心 張明琰，張江豪

功能失效自診斷 智能制造之元

河南中煙工業有限公司黃金葉生產制造中心 張明琰，張江豪

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

控制系統；功能；失效；自診斷；智能制造

近期，智能制造、工業4.0成為大家熱議的話題，更是自動化控制領域人士趨之若鶩的方向。萬丈高地平地起，筆者認為，有個基礎功能不可小覷，那就是系統的功能失效自診斷能力。曾子曰：“吾日三省吾身”，那個時代他老人家就教導我們要時刻反省自己，類然，既然是智能化制造系統，那么系統本身就要具備診斷自身功能失效的能力，系統自身有問題都不自知，何以稱為“智能系統”，所以功能失效自診斷功能是智能系統之元，這里的元有“源頭、基礎”之意，同時也包含著智能系統的“神經元、單元”的含義。

1　定義

工控系統功能失效自診斷是指工業控制自動化系統在系統運行時，對系統的內部控制環節一直進行有效性監控，當出現功能失效時立即停止運行，顯示需要處理的功能失效部位，以確保系統自身的可靠性，進而保證對所控制系統的準確性，避免質量和安全事故的發生。隨著微處理機技術的快速發展，工控系統的智能性越來越完善，當工控系統一旦發生功能失效，借助系統的自診斷功能，往往可以迅速、準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量和安全事故的發生。而智能制造涉及內容包括：智能產品、智能設計、智能裝備、智能生產、智能服務、智能供應鏈等相關資訊、技術、服務等，所以，功能失效自診斷是智能控制系統一重要組成部分，它的強弱是評價系統智能化的一項重要指標。

展開來講，既然是智能化系統，在設計系統時，就要首先考慮自身具備自診斷功能，其應包含完善的防止過程控制功能失效的防差錯能力，具體體現在以下幾個方面。

2　功能失效自診斷的設計

2.1硬件設計

2.1.1 防護安全連鎖開關功能失效自診斷

功能失效自診斷技術與系統的安全性息息相關，所以最早表現在安全連鎖回路上，在90年代初期，進口包裝設備的安全防護連鎖開關已開始采用雙觸點（一套常開點，一套常閉點）、雙回路方式，如圖1所示，一路為常閉點，當所有防護閉合時接觸器得電吸合，提供設備運轉必要條件，當任何一處防護門打開時，接觸器失電使設備失去運轉條件；一路為常開點，當防護門打開時，對應的防護門常開點閉合把信號輸入PLC相應輸入點，系統就會在顯示屏上顯示相應故障點。

它的自診斷能力表現在：當任何一個連鎖開關損壞后，因連鎖開關不能正確表示其工作狀態，所以繼電器回路和PLC輸入口之間必然出現矛盾，當繼電器觸點和PLC讀入的信號出現不一致時，系統就判定為防護安全連鎖建立失敗，同時，設備驅動電源斷開，設備失去驅動能力，直到信號矛盾問題得以處理。后來多種煙機設備采用專用的Pilz安全連鎖繼電器，以保證安全連鎖功能的有效性，到目前，高速設備普遍采用Pilz的安全專用PLC以提高防護連鎖的SIL等級。

圖1 防護安全連鎖工作原理圖

2.1.2 光電檢測器功能失效自診斷

光電檢測器自身損壞或靈敏度失效無法被及時發現時，將會導致控制功能的失控，如果采用效率檢測的方式，將會在一個工藝周期內發現光電檢測的功能失效，其診斷原理是這樣的：系統根據工藝需求在固定角度檢測被檢測物的存在，隨著工藝流程的進展，當被檢測物離開后，在另外一個角度再次讀取檢測器狀態，如果檢測器狀態沒有發生變化，就說明工藝流程失效或檢測器自身故障，通過該方式能夠有效診斷光電檢測器的功能失效或是控制功能失效，目前煙機設備光電檢測器多數采用這種方式診斷功能失效。

2.1.3 金屬接近開關功能失效自診斷

采用金屬接近開關判定被檢測金屬物是否存在是一種比較普遍的檢測模式，一旦接近開關失效將會產生嚴重事故，為了診斷金屬接近開關功能失效，德國BALLUFF巴魯夫公司設計了具有自診斷功能的檢測器，其原理如圖2所示，在其檢測器輸出的信號中加入與輸出信號極性相反的0.2ms的窄脈沖，PLC運用程序根據這個窄脈沖的有無來判定檢測器是否損壞，熟悉檢測器原理的技術人員都知道檢測器的損壞一般出現在其功率放大部分即輸出三極管上，如果三極管損壞檢測器就完不成窄脈沖的轉換過程，通過輸出信號極性的動態變換即可有效判定該檢測器是否損壞，該方法極為有效但需要PLC程序配合使用，GD包裝機金屬接近開關全部采用這種方式。對于系統的關鍵檢測部位也可以同時采用兩個或多個金屬接近開關信號并聯的方式預防檢測功能失效，提高系統SIL等級。

2.1.4 PLC輸出口功能失效自診斷

PLC輸出口輸出的信號是否被執行，檢測系統對重要部位的執行結果，一般采用再次檢測執行結果的方式進行驗證，GD包裝機采用MICRO-II微機控制系統，如圖3所示，該系統對PLC所有輸出口采用電流環的方式進行功能失效檢測，當PLC輸出信號時，PLC通過程序檢測輸出的電流，如果在執行角度范圍內沒有檢測到輸出電流的存在，則PLC就判定輸出回路存在故障，這種方法在原理上看來很簡單，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軟件應用

2.2.1 單片機系統故障碼

像變頻器、伺服器、家電、汽車等采用單片機芯片的自動化控制系統或器件，其功能失效后為了方便故障處理，一般會將診斷結果以故障碼或指示燈的方式來表示。故障碼內容包括：故障描述、故障可能原因、故障處理方法、故障發生時采取的保護措施等。故障碼分為終端使用用戶處理故障提示的明碼和供專業維修人員故障處理用的內碼。

如GD包裝機的功率放大元件全部采用固態繼電器，該固態繼電器具有過流、斷路和短路的功能失效診斷功能，其工作原理如圖4所示，固態繼電器自身診斷輸出口電流，過流標準可根據需要進行調節，當其輸出出現短路、斷路或過流故障時，固態繼電器對應的指示燈點亮并且斷開其控制輸入的使能信號+EN電流通路，這個使能信號對PLC來說就是輸出信號，根據上面講到的PLC輸出口自診斷原理，系統就會提示對應的固態繼電器出現故障。

圖4 GD包裝機固態繼電器功能失效診斷原理圖

2.2.2 設備故障原因分析

ZJ17卷煙機、FX2包裝機等多種設備，當其功能失效后，設備在提示紅色故障信息的同時，一般會根據其程序流程將判定紅色故障產生的所有原因進行列表提示，幫助操作、維修人員處理故障現象，這也是系統通過軟件方式進行的智能化自診斷體現。

2.3信號功能失效診斷

系統采集的信號不都是真實的、有效的、真實反映系統狀態的，總存在一些失真的、遭到干擾的噪音信號，這些信號是不能參與過程控制的假信號，做為智能化的控制系統不管這些信號是否存在，均要有診斷處理這些無關信號的能力。信號處理又分為開關量信號處理和模擬量信號處理。

2.3.1 開關量信號處理

開關量信號比較簡單，一般采用濾波方式，只需對輸入信號進行延時處理，時序長度只有達到系統控制輸入周期的輸入信號才診斷為真信號，低于設定延時周期的信號全部判定為干擾信號，要注意的是，延時時長要低于控制系統最短輸入周期。

2.3.2 模擬量信號處理

在實際的PLC控制系統中，來自控制現場的模擬量信號，如傳感器輸出的信號電壓值、電流值等，常常會因為現場的瞬時干擾而產生較大的波動，使得PLC所采集到的信號出現不真實性。如果僅僅用瞬時采樣值來進行控制計算，就會產生較大的誤差，因此需要對輸入信號進行數字濾波，來獲得一個較為準確的輸入值。

對輸入信號進行數字濾波，主要是在用戶程序設計中利用軟件的方法來消除干擾所帶來的隨機誤差。隨機誤差混雜在有用信號之中，或累加于有用信號之上，使PLC輸入信號的信噪比減小，甚至將有用信號淹沒。對于PLC的模擬量輸入信號，可以采用數字濾波方法來消除采樣過程中的隨機誤差。常用的數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數據處理

現實世界的數據是骯臟的（不完整、含噪聲、不一致），沒有高質量的數據，就沒有高質量的挖掘，要處理海量的大數據，智能化系統要具備對骯臟的數據進行診斷清洗功能，要剔除不必要的冗余數據，提高分析效率和采樣準確性。

2.4.1 數據清洗的定義

數據清洗從名字上也看得出就是把“臟”的“洗掉”，指發現并糾正數據文件中可識別的錯誤的最后一道程序，包括檢查數據一致性，處理無效值和缺失值等。因為數據倉庫中的數據是面向某一主題的數據的集合，這些數據從多個業務系統中抽取而來而且包含歷史數據，這樣就避免不了有的數據是錯誤數據、有的數據相互之間有沖突，這些錯誤的或有沖突的數據顯然是我們不想要的，稱為“臟數據”。要按照一定的規則把“臟數據”“洗掉”，這就是數據清洗。而數據清洗的任務是過濾那些不符合要求的數據，將過濾的結果交給智能分析系統處理。

2.4.2 數據清洗的方法

（1）一致性檢查

一致性檢查是根據每個變量的合理取值范圍和相互關系，檢查數據是否合乎要求，發現超出正常范圍、邏輯上不合理或者相互矛盾的數據。例如，用4～20mA、或0～5V讀取模擬量輸入值，當出現超出此范圍的變量，都應視為超出正常值域范圍。

（2）無效值和缺失值的處理

由于數據傳送、編碼和干擾，數據中可能存在一些無效值和缺失值，需要給予適當的處理。常用的處理方法有：估算、整例刪除、變量刪除和成對刪除。

估算（estimation）。最簡單的辦法就是用某個變量的樣本均值、中位數或眾數代替無效值和缺失值。這種辦法簡單，但沒有充分考慮數據中已有的信息，誤差可能較大。另一種辦法就是突變替代法，根據數據在瞬時不會產生突變，前一個或后一個值代替無效值和缺失值。

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，這種做法的結果可能導致有效樣本量大大減少，無法充分利用已經收集到的數據。因此，只適合關鍵變量缺失，或者含有無效值或缺失值的樣本比重很小的情況。

變量刪除（variable deletion）。如果某一變量的無效值和缺失值很多，而且該變量對于所研究的問題不是特別重要，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目，但沒有改變樣本量。

成對刪除（pairwise deletion）是用一個特殊碼（通常是9、99、999等）代表無效值和缺失值，同時保留數據集中的全部變量和樣本。但是，在具體計算時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，其有效樣本量也會有所不同。這是一種保守的處理方法，最大限度地保留了數據集中的可用信息。

采用不同的處理方法可能對分析結果產生影響，尤其是當缺失值的出現并非隨機且變量之間明顯相關時。因此，在采樣中應當盡量避免出現無效值和缺失值，保證數據的完整性。

（3）無效值和缺失值的處理過程

無效值和缺失值的處理過程大致都由三個階段組成： ①數據分析、定義錯誤類型； ②搜索、識別錯誤數據；③修正錯誤。

絕大部分數據清理方案提供接口用于編制清理程序。它們一般來說包括很多耗時的排序、比較、匹配過程，且這些過程多次重復，用戶必須等待較長時間。在一個交互式的數據清理方案，系統將錯誤檢測與清理緊密結合起來，用戶能通過直觀的圖形化界面一步步地指定清理操作，且能立即看到此時的清理結果僅僅在所見的數據上進行清理，所以速度很快，不滿意清理效果時還能撤銷上一步的操作，最后將所有清理操作編譯執行。這種方案對清理循環錯誤非常有效。

許多數據清理工具提供了描述性語言解決用戶友好性，降低用戶編程復雜度。如ARKTOS方案提供了XADL語言（一種基于預定義的DTD的XML語言）、SADL語言，在ATDX提供了一套宏操作（來自于SQL語句及外部函數），一種SQL2Like命令語言,這些描述性語言都在一定程度上減輕了用戶的編程難度，但各系統一般不具有互操作性，不能通用。

2.4.3 數據處理的合規性

系統在處理數據過程中，也要進行計算結果實效性驗證，需要確定準確的數據定義范圍和全工況的計算模型，并充分考慮其影響因素在計算中的合規性、合理性，否則將出現失效的分析結果，出現不合規計算值，如圖5所示，FX2包裝機在計算設備運行效率時，將設備運行過程中的各種運行狀況進行分類處理，用完善的統計數據和細化的過程計算，避免設備在的任何運行狀況下統計出的設備運行效率都不會出現不合理值。

圖5 FX2包裝機設備運行效率計算數據分類

3　結語

以完善的功能失效自診斷、防差錯能力為保障，應用大數據分析結果參與過程控制，引入計算機智能演繹推理功能進行系統的頂層設計，智能化制造之路才會越走越遠。

[1] 上海煙草機械集團有限責任公司. ZB45卷煙包裝機電氣控制系統說明書[z].

[2] 許翔, 毛婕. 數據清理技術在軟件開發中的應用研究[J]. 計算機時代, 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，高級工程師，現就職于河南中煙工業有限公司黃金葉生產制造中心卷接包車間，主要研究方向為工業自動化及計算機科學技術及應用。