磨機(jī)報(bào)警在線幫助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓高翔，吳永強(qiáng)，高海燕，毋華麗

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

磨 機(jī)作為大型選礦設(shè)備，在整個(gè)選礦生活線中起著舉足輕重的作用，磨機(jī)的最大化和最優(yōu)化利用是提高整個(gè)選廠的重要因素之一。而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地報(bào)警對(duì)提高磨機(jī)使用效率和快速及時(shí)處理設(shè)備故障有著極其重要的意義。磨機(jī)在實(shí)際使用中及時(shí)推斷出其異常情況，找出故障點(diǎn)及時(shí)檢修變得尤為重要[1]。

報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控的目的就是識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，并采取糾正措施解決問(wèn)題[2]。國(guó)內(nèi)各礦山設(shè)備制造廠家的控制系統(tǒng)對(duì)于報(bào)警和故障的處理仍停留在單純的提示或者停機(jī)層面。故障和報(bào)警被觸發(fā)后，往往需要操作員憑據(jù)經(jīng)驗(yàn)、參看說(shuō)明書、詢問(wèn)廠家等方式來(lái)解決問(wèn)題，間接導(dǎo)致了設(shè)備故障和報(bào)警處理耗時(shí)增加從而延誤生產(chǎn)。

通過(guò)理論分析、資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及運(yùn)行反饋等方式收集整理一套完整的磨機(jī)報(bào)警幫助專家資料庫(kù)，該資料庫(kù)包含報(bào)警描述、報(bào)警編號(hào)、原因分析和處理措施等內(nèi)容，將該專家?guī)熳鳛閿?shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入到 HMI(Human Machine Interface，人機(jī)交互接口)，對(duì) HMI和 PLC 進(jìn)行腳本開發(fā)，從而研發(fā)出一套磨機(jī)故障報(bào)警在線幫助系統(tǒng)。當(dāng)磨機(jī)發(fā)生故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)可在第一時(shí)間提供針對(duì)性幫助，操作員可依據(jù)幫助信息并結(jié)合實(shí)際情況快速解決問(wèn)題，恢復(fù)生產(chǎn)或避免工況繼續(xù)惡化，從而縮短設(shè)備的維修時(shí)間，提高設(shè)備利用率。同時(shí)在很大程度上也減少了由于操作工缺乏經(jīng)驗(yàn)而產(chǎn)生的擱置報(bào)警，而擱置報(bào)警率過(guò)高則會(huì)對(duì)報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生很大的負(fù)面作用[3]。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

1.1 專家?guī)斓慕?/h3>

研究磨機(jī)本體、小齒輪、電控系統(tǒng)、主電動(dòng)機(jī)、減速器、離合器、潤(rùn)滑系統(tǒng)、慢驅(qū)控制系統(tǒng)和其他輔機(jī)等磨機(jī)主要組成部分中常見故障和報(bào)警的原因，從設(shè)備初期安裝、異常運(yùn)行、非法操作和預(yù)期響應(yīng)失敗等多個(gè)方面進(jìn)行全面分析，列出每個(gè)報(bào)警對(duì)應(yīng)的處理措施，最終形成一套包含報(bào)警描述、原因分析和處理措施的專家資料庫(kù)。專家?guī)熘心C(jī)的報(bào)警主要分為以下幾類。

(1)模擬量超閾值報(bào)警 過(guò)程變量超過(guò)設(shè)定的報(bào)警閾值后觸發(fā)的報(bào)警。

(2)開關(guān)量?jī)x表動(dòng)作報(bào)警 開關(guān)量?jī)x表動(dòng)作觸發(fā)的報(bào)警，如潤(rùn)滑站油箱液位低報(bào)警。

(3)非法操作報(bào)警 未按設(shè)備說(shuō)明書或控制要求進(jìn)行的不合理操作后觸發(fā)的報(bào)警，例如磨機(jī)運(yùn)行時(shí)撥動(dòng)“就地/遠(yuǎn)程”選擇開關(guān)。

(4)預(yù)期響應(yīng)失敗 控制命令發(fā)出后未收到預(yù)期反饋后發(fā)出的報(bào)警，如油泵切換失敗報(bào)警、潤(rùn)滑系統(tǒng)啟動(dòng)失敗報(bào)警等。

1.2 報(bào)警編號(hào)規(guī)則的制定

在專家?guī)鞂?dǎo)入 HMI 之前，將專家?guī)熘兴泄收虾蛨?bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃、分級(jí)、分類、分組和排序，制定報(bào)警標(biāo)號(hào)機(jī)制，為每個(gè)報(bào)警分配報(bào)警編號(hào)和分組編號(hào)，以便于腳本對(duì)報(bào)警及其幫助信息進(jìn)行識(shí)別和摘取。

每個(gè)報(bào)警都有其各自的報(bào)警編號(hào)，同時(shí)若干同類報(bào)警公用同一個(gè)分組編號(hào)。報(bào)警編號(hào)是軟件識(shí)別單個(gè)報(bào)警的唯一依據(jù)，主要用于實(shí)時(shí)報(bào)警的彈出和顯示。對(duì)于同類報(bào)警的原因分析和處理措施是一致的，為了減小系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)和避免重復(fù)性編程，報(bào)警幫助信息的彈出、報(bào)警的檢索都是通過(guò)分組編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

為了讓用戶更好地了解報(bào)警編號(hào)每位字母或數(shù)字的具體含義和更熟練地檢索報(bào)警信息，在 HMI 中開發(fā)了報(bào)警編號(hào)的定義規(guī)則，如圖 1 所示。

2 軟件開發(fā)

系統(tǒng)是基于 HMI 和 PLC 開發(fā)完成的，分別在HMI 和 PLC 上編寫代碼以實(shí)現(xiàn)其各自的功能。HMI導(dǎo)入了專家資料庫(kù)的所有信息，顯示實(shí)時(shí)報(bào)警，彈出幫助信息，實(shí)現(xiàn)信息的可視化和提供檢索入口。PLC主要完成磨機(jī)報(bào)警監(jiān)測(cè)和觸發(fā)以及幫助信息檢索算法的實(shí)現(xiàn)。HMI 和 PLC 的代碼用分別用 VB 語(yǔ)言和SCL (結(jié)構(gòu)化文本)語(yǔ)言編寫。

系統(tǒng)主要包括了實(shí)時(shí)報(bào)警幫助和報(bào)警幫助信息檢索兩大功能，分別用于在線報(bào)警和離線報(bào)警，幫助信息的獲取和查詢。幫助信息最終都以彈出窗口的形式體現(xiàn)。

2.1 實(shí)時(shí)報(bào)警幫助

組態(tài)了一個(gè)專門用于顯示磨機(jī)實(shí)時(shí)報(bào)警的窗口，用于記錄和顯示實(shí)時(shí)的報(bào)警信息。當(dāng)磨機(jī)發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)，該窗口都會(huì)以條狀信息顯示出來(lái)。為了便于快速區(qū)分停機(jī)故障和普通報(bào)警，二者采用了不同的背景色；同時(shí)，統(tǒng)一規(guī)定了報(bào)警在到達(dá)、到達(dá)并確認(rèn)、離開、確認(rèn)并離開等不同狀態(tài)下的背景顏色和字母縮寫標(biāo)示，來(lái)幫助操作工快速甄別和選取需要及時(shí)處理的報(bào)警。

圖1 報(bào)警編號(hào)定義規(guī)則界面Fig.1 Interface of alarm numbering laws

在到達(dá)的報(bào)警中，單擊某一條報(bào)警即可彈出相應(yīng)幫助信息窗口。彈出的幫助信息包括編號(hào)、描述、原因分析和解決辦法等 4 項(xiàng)內(nèi)容。“編號(hào)”為某一類報(bào)警的編號(hào)；“描述”是對(duì)報(bào)警內(nèi)容的陳述；“原因分析”描述了導(dǎo)致當(dāng)下報(bào)警的可能原因；“解決辦法”提出針對(duì)性的解決方案和處理措施。操作員根據(jù)幫助窗口的原因分析與實(shí)際情況，判斷出報(bào)警的具體原因后，即可依據(jù)幫助信息提出的解決辦法來(lái)處理實(shí)際問(wèn)題。實(shí)時(shí)報(bào)警畫面及其幫助信息如圖 2 所示。

2.2 報(bào)警幫助信息檢索

為了便于操作員在磨機(jī)無(wú)實(shí)時(shí)報(bào)警時(shí)獲取某些報(bào)警的幫助信息或幫助其獲取非當(dāng)前實(shí)時(shí)報(bào)警的幫助信息，開發(fā)了報(bào)警檢索的功能。在報(bào)警檢索頁(yè)面的輸入框內(nèi)輸入報(bào)警編號(hào)，即可進(jìn)行信息查找。檢索包含精準(zhǔn)檢索和模糊檢索 2 種方式，二者組態(tài)于同一 HMI頁(yè)面，共用同一個(gè)輸入框，分別用“精準(zhǔn)檢索”和“模糊檢索”2 個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。

分組編號(hào)是一組由 9 個(gè)字母或數(shù)字組成的字符串，是檢索程序中唯一可識(shí)別的報(bào)警代號(hào)。報(bào)警檢索的運(yùn)算是在 PLC 內(nèi)通過(guò) SCL 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，PLC 將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給 HMI，HMI 再將檢索結(jié)果顯示出來(lái)。

2.2.1 精準(zhǔn)檢索

精準(zhǔn)檢索是依據(jù)準(zhǔn)確的報(bào)警編號(hào)精確定位到某一報(bào)警信息，操作員可不拘于當(dāng)下的報(bào)警狀態(tài)和實(shí)時(shí)報(bào)警而獲取想要查看的報(bào)警幫助信息。在檢索頁(yè)面內(nèi)輸入準(zhǔn)確的報(bào)警編號(hào)，點(diǎn)擊“精準(zhǔn)檢索”按鈕，“檢索結(jié)果”框就會(huì)顯示出查找結(jié)果，點(diǎn)擊檢索到的報(bào)警信息即可彈出其幫助窗口。所彈出的幫助窗口顯示的內(nèi)容與實(shí)時(shí)報(bào)警完全一致，具體示例如圖 3 所示。

圖2 實(shí)時(shí)報(bào)警畫面及彈出的幫助信息Fig.2 Real-time alarm interface and pop-up help information

圖3 精準(zhǔn)檢索畫面及彈出的幫助信息Fig.3 Accurate searching interface and pop-up help information

檢索前需要先將上次檢索結(jié)果清除，然后再執(zhí)行查找功能。為了減輕運(yùn)算負(fù)擔(dān)和提高檢索速度，采用三級(jí) IF 語(yǔ)句嵌套的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確查找。

第 1 級(jí)的 IF 語(yǔ)句對(duì)作為字符串輸入的編號(hào)進(jìn)行大的分類判斷，判定其分別屬于以“1、2、3”開頭的 3 個(gè)大類報(bào)警中的哪一種類；第 2 級(jí) IF 語(yǔ)句對(duì)以相同首字符 (例如“2”)開頭的報(bào)警進(jìn)行二次分類判斷，為第 3 極 IF 嵌套語(yǔ)句提供上級(jí)判定范疇。例如報(bào)警編號(hào)“2MM3055BL”屬于首位為“2”、第 2、3 位為 MM 一類的報(bào)警；最后一級(jí)的 IF 語(yǔ)句采用了IF-EISEIF 多重判斷的形式，實(shí)現(xiàn)輸入分組編號(hào)和數(shù)據(jù)庫(kù)某一編號(hào)的最終匹配，得出最終的運(yùn)算結(jié)果。如果輸入的編號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)所有分組編號(hào)都不匹配，則輸出未找到檢索結(jié)果的提示信息，第 1 級(jí)和第 3 極 IF嵌套中都需要輸出這樣的結(jié)果。

精準(zhǔn)檢索的程序流程如圖 4 所示，為簡(jiǎn)化圖形，分組編號(hào)用“Code”代替。

2.2.2 模糊檢索

精準(zhǔn)檢索需要輸入的報(bào)警編號(hào)必須完全正確，否則會(huì)導(dǎo)致檢索失敗。但通常情況下，記住準(zhǔn)確的報(bào)警編號(hào)會(huì)比較困難，所以開發(fā)了模糊檢索功能，使操作員在未記住完整報(bào)警編號(hào)的前提下仍可以進(jìn)行報(bào)警幫助信息的檢索。使用模糊檢索時(shí)，只需輸入報(bào)警編號(hào)的前 3 位或者部件字母代號(hào)即可進(jìn)行信息檢索。

模糊檢索的結(jié)果往往不止一條信息，需要操作員在檢索結(jié)果中選擇想要查找的信息。例如想要檢索“主電動(dòng)機(jī)振動(dòng)大報(bào)警”的相關(guān)幫助，輸入“2MM”后，進(jìn)行模糊檢索會(huì)顯示所有分組編號(hào)以“2 MM”開頭的報(bào)警信息，在檢索結(jié)果中找到想要的報(bào)警后點(diǎn)擊即可獲取其幫助信息，如圖 5 所示。

因?yàn)槟：龣z索時(shí)所輸入編號(hào)的首位和位數(shù)具有不確定性，只采用了一級(jí) IF-ELSEIF 語(yǔ)句。首先對(duì)專家?guī)焖袌?bào)警按分組編號(hào)進(jìn)行規(guī)劃，將其劃分為 23 個(gè)區(qū)域，識(shí)別輸入編號(hào)的前 3 位或者前 2 位，判斷其所屬區(qū)域，然后將其所屬區(qū)域的報(bào)警信息全部顯示出來(lái)。模糊檢索允許輸入編號(hào)第 3 位字符后多位字母和數(shù)字的非準(zhǔn)確輸入，其程序流程如圖 6 所示。為簡(jiǎn)化圖形，分組編號(hào)用“Code”代替。

3 結(jié)語(yǔ)

專家?guī)斓慕⑹情_發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對(duì)磨機(jī)所有的報(bào)警進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和整理后，分配了報(bào)警編號(hào)和分組編號(hào)。報(bào)警編號(hào)和分組編號(hào)分別用于實(shí)時(shí)報(bào)警和報(bào)警檢索功能的實(shí)現(xiàn)。基于 PLC 和 HMI 開發(fā)了幫助系統(tǒng)，利用 PLC 完成復(fù)雜的運(yùn)算，不僅加快了檢索速度，同時(shí)也減輕了 HMI 負(fù)擔(dān)。HMI 收納了專家?guī)斓乃袃?nèi)容并將其顯示出來(lái)。實(shí)時(shí)報(bào)警的幫助信息可幫助用戶快速處理當(dāng)前故障從而提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益。報(bào)警的精準(zhǔn)檢索和模糊檢索，可使磨機(jī)操作員在擁有完整分組編號(hào)和未準(zhǔn)確記住分組編號(hào)的情況下獲取幫助信息。

圖4 精準(zhǔn)檢索程序流程Fig.4 Flow chart of accurate searching program

圖5 模糊檢索畫面及彈出的幫助信息Fig.5 Fuzzy searching interface and pop-up help information

圖6 模糊檢索程序流程Fig.6 Flow chart of fuzzy searching program

報(bào)警的幫助信息羅列了若干可能原因，但未能確切地指出具體是其中的哪一個(gè)。分析若干報(bào)警和過(guò)程變量的內(nèi)在聯(lián)系，得出其中的最初始誘因并提出解決辦法，是未來(lái)的一個(gè)研究和發(fā)展方向。