軋線智能診斷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

何 威

（河鋼集團(tuán)承鋼公司自動(dòng)化中心，河北 承德 067000）

在故障的智能診斷方面，原有簡(jiǎn)單且不全面的報(bào)警和故障信息已經(jīng)不能夠起到快速故障處理和預(yù)知維護(hù)的要求。智能診斷系統(tǒng)主要是依賴于原有設(shè)計(jì)方使用的畫面報(bào)警及故障進(jìn)行完善和處理，通過報(bào)警和故障信息去輔助處理故障。

1 總體思路

以智能設(shè)備（PLC及傳動(dòng)裝置）為手段，去完成設(shè)備運(yùn)行情況的記錄、分析和檢查。提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的異常并提前進(jìn)行維護(hù)。對(duì)于重要的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件，在改善其運(yùn)行環(huán)境、優(yōu)化檢測(cè)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采取智能替代的方式。在故障發(fā)生時(shí)啟動(dòng)替代程序，通過程序的運(yùn)算結(jié)果來替代檢測(cè)信號(hào)，并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息提示，在能夠正常生產(chǎn)的情況下對(duì)檢測(cè)元件進(jìn)行更換，修復(fù)后切換回正常狀態(tài)。通過理論知識(shí)研究電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模型，研發(fā)出全新的電機(jī)診斷信息，標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)有報(bào)警及故障信息。填補(bǔ)原有報(bào)警及故障信息的缺失，并增加邏輯判斷功能。

2 技術(shù)方案

2.1 直流主電機(jī)勵(lì)磁偏差智能診斷

在控制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的傳動(dòng)控制裝置中，一般采用速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制裝置提供的報(bào)警和故障診斷技術(shù)大多數(shù)是針對(duì)控制系統(tǒng)本身的，還沒有利用控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能的變化，進(jìn)一步開發(fā)針對(duì)電動(dòng)機(jī)的故障診斷和趨勢(shì)化管理的控制技術(shù)。

通過研究：電機(jī)勵(lì)磁電流控制來自電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器，電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器比較反電勢(shì)的給定值和實(shí)際值，產(chǎn)生勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器的給定值。從而進(jìn)行與反電勢(shì)有關(guān)的弱磁調(diào)節(jié)。正常情況下，在勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制系統(tǒng)，勵(lì)磁實(shí)際電流非常穩(wěn)定，僅在電機(jī)負(fù)載突變時(shí)有輕微和短時(shí)的波動(dòng)。如果他勵(lì)直流電機(jī)內(nèi)部的勵(lì)磁繞組，電樞回路的補(bǔ)償繞組、整流子和電樞繞組發(fā)生故障，將會(huì)引起電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)發(fā)生變化，破壞了電機(jī)的磁路平衡，引起勵(lì)磁繞組的參數(shù)特別是電感量的變化，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的改變會(huì)造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化，實(shí)際勵(lì)磁電流波動(dòng)，或者劇烈變化。

智能診斷技術(shù)方案是。

（1）從直流傳動(dòng)（6RA70）系統(tǒng)上采集勵(lì)磁電流給定值、勵(lì)磁電流實(shí)際值和勵(lì)磁電壓信號(hào)，并利用勵(lì)磁電流給定和實(shí)際值計(jì)算出勵(lì)磁電流的偏差信號(hào)。首先通過對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行波動(dòng)、過勵(lì)和欠勵(lì)判斷，然后針對(duì)勵(lì)磁電流波動(dòng)持續(xù)時(shí)間和幅值大小進(jìn)行電動(dòng)機(jī)預(yù)報(bào)和故障診斷。

（2）利用采集的勵(lì)磁電壓信號(hào)進(jìn)行記錄，抓取勵(lì)磁電壓信號(hào)的波動(dòng)值，從而通過勵(lì)磁電壓反推直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路電阻及溫升，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁部分的預(yù)報(bào)和故障診斷。

（3）通過服務(wù)器和人機(jī)界面里的趨勢(shì)曲線和事件記錄實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行情況記錄和及故障報(bào)警信息。

2.2 主電機(jī)速差智能診斷系統(tǒng)

主電機(jī)多種故障可以引發(fā)速度差，如堵轉(zhuǎn)、脈沖編碼器損壞（缺波頭）、直流主電機(jī)環(huán)火等，按照傳動(dòng)裝置自身診斷只有過電流故障、堵轉(zhuǎn)、編碼器故障，按照傳動(dòng)裝置自身診斷故障報(bào)出并不準(zhǔn)確，例如編碼器故障就可能報(bào)出電流故障、堵轉(zhuǎn)、編碼器故障任意一種，并且故障沒有提前診斷，出現(xiàn)故障直接跳車廢鋼。

通過對(duì)以往故障進(jìn)行分析，確定此類故障均有顯著特征，即速度差（給定速度和實(shí)際速度反饋直接差值過大），按照以往經(jīng)驗(yàn)，編碼器損壞或波形不好、直流主電機(jī)整流子打火等故障均存在一定惡化過過程。

經(jīng)研究通過在傳動(dòng)裝置內(nèi)部的計(jì)算，將單位時(shí)間內(nèi)速度差值計(jì)入報(bào)警系統(tǒng)，通過軋機(jī)跟蹤計(jì)算忽略咬鋼和拋鋼時(shí)的瞬間升速和降速，并通過反復(fù)試驗(yàn)設(shè)定相應(yīng)的報(bào)警閾值。通過此智能診斷方法，可提前抓取編碼器故障和直流電機(jī)整流子打火問題的初期表現(xiàn)，通過及時(shí)檢查分析和處理，避免事故擴(kuò)大化。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件優(yōu)化及智能診斷系統(tǒng)

熱金屬檢測(cè)器和接近開關(guān)是現(xiàn)場(chǎng)必備的重要定位用檢測(cè)元件。相對(duì)于其他檢測(cè)元件來說損壞率較高。主要原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素（水、蒸汽、塵土）。

（1）熱金屬檢測(cè)器和活套掃描器防護(hù)升級(jí)：該類設(shè)備都是通過鏡頭采光來檢測(cè)現(xiàn)熱金屬位置，檢測(cè)元件要求的使用環(huán)境較高。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件制作防護(hù)罩的同時(shí)，每個(gè)檢測(cè)元件上線前都要將外殼拆下，用密封膠對(duì)于螺絲孔，外殼能能夠進(jìn)水進(jìn)塵土的地方進(jìn)行密封，杜絕檢測(cè)元件內(nèi)部被水、整齊和塵土污染，大大提高使用壽命，降低該類維護(hù)成本70%左右。

（2）接近開關(guān)防護(hù)和安裝方式優(yōu)化：對(duì)于接近開關(guān)，除了優(yōu)化安裝位置，和密封外，再一些環(huán)境惡劣的地方還采用鋼絲繩小辮方式對(duì)接近開關(guān)進(jìn)行替代，該項(xiàng)目已經(jīng)在公司TPM評(píng)為優(yōu)秀創(chuàng)意。

（3）熱金屬檢測(cè)器的智能診斷：熱金屬檢測(cè)主要被用作軋制過程中的軋件定位。廣泛用于軋線跟蹤定位和飛剪跟蹤定位上，如果熱金屬檢測(cè)器出現(xiàn)問題，直接導(dǎo)致軋制調(diào)節(jié)失控或飛剪剪切不準(zhǔn)或不剪切而亂鋼。通過研究，按照軋機(jī)速度計(jì)算模型，來模擬替換熱檢的亮滅。測(cè)量熱金屬檢測(cè)器與上游機(jī)架之間的距離，通過熱檢上游機(jī)架咬鋼信號(hào)作為門檻，利用上游機(jī)架速度來定位軋件頭部，具體計(jì)算公式為：

熱金屬檢測(cè)器與上游機(jī)架間距為L(zhǎng)2

通過從而保證軋件能夠順利通過而不造成亂鋼。當(dāng)替換程序起作用時(shí)同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息提示維護(hù)人員熱金屬檢測(cè)器損壞，并及時(shí)進(jìn)行更換。

2.4 太網(wǎng)環(huán)、PROFIBUS-DP網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)智能診斷系統(tǒng)

由于網(wǎng)絡(luò)故障具有虛擬化的信號(hào)傳輸和故障定位難等特點(diǎn)。

（1）網(wǎng)絡(luò)故障影響范圍大，經(jīng)常由于一個(gè)點(diǎn)的原因影響全局，尤其軋鋼區(qū)域，一個(gè)小故障將會(huì)造成整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的停滯。網(wǎng)絡(luò)故障經(jīng)常表現(xiàn)為閃斷，又瞬間恢復(fù)，造成了較大規(guī)模的事故卻無法做到故障點(diǎn)的有效監(jiān)控。

（2）對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由于網(wǎng)絡(luò)中一點(diǎn)斷開后，可以瞬間產(chǎn)生回送(loop-back)，不易引起注意，造成故障積累。

（3）信號(hào)質(zhì)量無法量化，光靠平時(shí)外觀性的點(diǎn)檢手段根本無法實(shí)現(xiàn)預(yù)維護(hù)，故障點(diǎn)不好判斷，只能依照表面現(xiàn)象憑借經(jīng)驗(yàn)處理，造成故障處理經(jīng)常走彎路，延長(zhǎng)故障處理時(shí)間。

（4）引發(fā)故障的原因多種多樣，網(wǎng)絡(luò)電纜接頭的氧化，接地系統(tǒng)是否完善，多方面的信號(hào)干擾等原因，造成故障發(fā)生比較頻繁。

技術(shù)方案。

（1）工業(yè)以太網(wǎng)的可視化系統(tǒng)，使虛擬的網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境通過可視化的界面來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，信號(hào)報(bào)警，網(wǎng)絡(luò)配置，并能夠監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維護(hù)。

（2）通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀完成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可視化，能夠直觀的讀取網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，通過研究和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信號(hào)低的原因，通過周期性的測(cè)試完成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的改造。

2.5 主傳動(dòng)系統(tǒng)絕緣及漏水診斷

主傳動(dòng)接地故障時(shí)有發(fā)生，不管是電纜或電機(jī)自身絕緣下降、背包冷卻器漏水、還是外界有水源噴淋，都有可能造成裝置本身報(bào)出接地故障導(dǎo)致停機(jī)、全線廢鋼。通過對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)增加絕緣監(jiān)察儀，監(jiān)控每臺(tái)電機(jī)的絕緣情況，在電機(jī)絕緣下降、漏水被水噴淋的初期就可提前檢測(cè)并在畫面中形成報(bào)警信息，提示操作人員及時(shí)停車通知維護(hù)人員進(jìn)行檢查。

2.6 重點(diǎn)設(shè)備趨勢(shì)記錄完善和標(biāo)準(zhǔn)化

原有的自動(dòng)化系統(tǒng)采集的報(bào)警及故障信息、過程趨勢(shì)記錄過于簡(jiǎn)單，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的需要或故障的分析。通過對(duì)系統(tǒng)報(bào)警及故障信息的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合以往故障情況，將報(bào)警及故障信息進(jìn)行完善和補(bǔ)充，并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化報(bào)警和故障信息，取消以往五花八門的報(bào)警程序及報(bào)警值；對(duì)過程趨勢(shì)記錄的統(tǒng)計(jì)和分析，補(bǔ)全趨勢(shì)記錄的同時(shí)，將趨勢(shì)記錄按照采集等級(jí)要求分為高分辨率和低分辨率兩種，高分辨率的趨勢(shì)利用PDA（高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，固定點(diǎn)授權(quán)）采集，低分辨率的趨勢(shì)采用WINCC趨勢(shì)系統(tǒng)采集，這樣減少了PDA的無用的采集點(diǎn)數(shù)，相應(yīng)的增加故障判斷和預(yù)警的高速采集數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

智能診斷從以往重點(diǎn)故障入手，研發(fā)、實(shí)驗(yàn)、推廣同步進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)不斷的進(jìn)行功能的完善。在各軋鋼系統(tǒng)生產(chǎn)線廣泛使用，使用面積大，使用效果良好 。在沒有任何的新增設(shè)備投入的前提下，打破原有診斷模式，通過技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)自主研發(fā)智能診斷模型，挖掘和拓展原有的設(shè)備不具備的診斷功能，提高的設(shè)備的穩(wěn)定性和故障處理效率。