基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備故障診斷技術(shù)*

張?jiān)迄i，劉本剛，劉 剛，劉卉羽，劉 琨，潘高揚(yáng)

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110850)

0 引言

設(shè)備完好率和加工性能都直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備數(shù)據(jù)作為制造過程底層的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，是企業(yè)寶貴的財(cái)富，沒有自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，沒有實(shí)效的數(shù)據(jù)分析工具，沒有形象的展示系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)就白白丟掉了，設(shè)備維護(hù)永遠(yuǎn)處于憑經(jīng)驗(yàn)、拍腦袋的粗放型設(shè)備管理和維修狀態(tài)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備的可靠性和維護(hù)效果保證了其正常運(yùn)行，是企業(yè)生存的必要條件。隨著開放性通信協(xié)議不斷完善和微型智能嵌入式芯片及傳感器技術(shù)蓬勃發(fā)展，已有多種途徑支持用戶在車間設(shè)備層及傳感層創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)管理和過程監(jiān)控的可靠透明的數(shù)據(jù)鏈路，支持車間底層網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)設(shè)備、部件、環(huán)境、過程與監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、處理，并對(duì)車間數(shù)控設(shè)備進(jìn)行有效的基礎(chǔ)管理。設(shè)備管理是基礎(chǔ)管理重要的環(huán)節(jié)[1]，設(shè)備狀態(tài)管理及故障快速診斷在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的作用和地位日益突出，是企業(yè)降低生產(chǎn)成本和保證生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)。

1 設(shè)備維護(hù)與故障診斷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著先進(jìn)飛機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)引進(jìn)的先進(jìn)加工設(shè)備變得更加復(fù)雜，對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求也越來越高[2]。長期以來，在設(shè)備運(yùn)維方面，相較國外，國內(nèi)企業(yè)更注重短期效益，實(shí)際中仍以事后維修為主、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)為輔，雖然國內(nèi)院校在設(shè)備故障預(yù)測(cè)與診斷方面做了大量研究工作，但實(shí)際應(yīng)用較少，與國外差距較大。目前，國內(nèi)部分大型企業(yè)已意識(shí)到設(shè)備故障智能預(yù)測(cè)與快速診斷及健康評(píng)估等人工智能技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)信息化在設(shè)備維護(hù)中的重要性。實(shí)際上，近年來隨著自動(dòng)化與信息化技術(shù)深度融合，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能領(lǐng)域高速發(fā)展并在實(shí)際應(yīng)用中已取得了一系列矚目的成就，尤其是在重大裝備領(lǐng)域，隨著裝備集成化、綜合化和智能化水平的提高[3]，為實(shí)現(xiàn)裝備故障的預(yù)防維修和預(yù)測(cè)維修，適應(yīng)裝備技術(shù)的發(fā)展和系列化產(chǎn)品研發(fā)，開展了大量故障預(yù)測(cè)與快速診斷、設(shè)備健康評(píng)估技術(shù)及設(shè)備狀態(tài)維修決策技術(shù)等研發(fā)和應(yīng)用工作，并取得了一定效果[4，5]。由于上述功能實(shí)現(xiàn)一方面需要結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)和業(yè)務(wù)場景，通常需要定制開發(fā)；另一方面需要大量數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，生成有效算法和模型，該部分工作量較大，適合于生產(chǎn)線設(shè)備或有批量同類設(shè)備維護(hù)場景。而對(duì)于不同功能的設(shè)備或缺乏足夠歷史數(shù)據(jù)的情況，就需要結(jié)合實(shí)際使用情況，利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷技術(shù)，通過采集設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合邏輯診斷模型和可視化技術(shù)進(jìn)行故障快速診斷。

2 設(shè)備快速診斷技術(shù)及設(shè)備管理功能模塊開發(fā)

2.1 數(shù)控系統(tǒng)變量與接口

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備故障診斷和維護(hù)系統(tǒng)需要能夠直接或間接反映設(shè)備功能、性能和狀態(tài)的系統(tǒng)變量及數(shù)據(jù)。系統(tǒng)變量按照功能可以分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、通道狀態(tài)數(shù)據(jù)、軸狀態(tài)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、刀具和刀庫數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、機(jī)床數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、HMI狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等[6]，每一類數(shù)據(jù)有具體的物理意義和用途，如監(jiān)控當(dāng)前軸電機(jī)負(fù)載或跟蹤誤差時(shí)需要選擇“通道狀態(tài)數(shù)據(jù)”，因此在軟件開發(fā)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求甄選，切忌不是越多越好。因?yàn)樵谧x取變量時(shí)需要寶貴的系統(tǒng)資源開銷，工控系統(tǒng)不同于PC，資源相當(dāng)有限，所以建議根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求定制系統(tǒng)變量訂閱，變量夠用即可。本項(xiàng)目基于設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)開展變量存取時(shí)，支持同時(shí)最大200個(gè)變量訂閱，但考慮到針對(duì)不同維修故障或狀態(tài)診斷不可能一次涵蓋所有數(shù)據(jù)，以及本身維修的復(fù)雜性決定了不可能預(yù)料故障分析時(shí)所有具體變量，因此本項(xiàng)目提供了SINUMERIK 840Dsl所支持的所有變量列表(路徑)，支持用戶自選監(jiān)控變量功能，但不能一次超過最大200個(gè)限制，同時(shí)受SIMENS系統(tǒng)本身限制，保證不至于影響系統(tǒng)控制性能，最小采樣周期不小于100 ms。具體變量功能及物理意義需要結(jié)合系統(tǒng)版本和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)確定，可參照數(shù)控系統(tǒng)“變量和接口信號(hào)”手冊(cè)。

2.2 在線維護(hù)功能開發(fā)與集成

2.2.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

車間現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)對(duì)數(shù)據(jù)特性的基本要求包括高實(shí)時(shí)性、泛型(多樣性)、可讀寫(如置位/復(fù)位繼電器)、透明傳輸以及可視化分析等。因此，現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控信息化平臺(tái)難以滿足先進(jìn)設(shè)備維護(hù)的要求，迫切需要定制開發(fā)面向維修業(yè)務(wù)需求的設(shè)備管理系統(tǒng)。本文所提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備管理功能模塊開發(fā)技術(shù)方案如圖1所示。本方案中，遠(yuǎn)程客戶端基于OPC UA通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)100 ms內(nèi)設(shè)備狀態(tài)或運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 設(shè)備管理功能模塊開發(fā)技術(shù)方案

在系統(tǒng)功能開發(fā)時(shí)，首先需要明確所采集的設(shè)備系統(tǒng)變量涵義及路徑，如針對(duì)安裝SINUMERIK 840D系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，首先要明確MMC(Man Machine Communication)格式下變量路徑，包括路徑、變量名、變量類型、行數(shù)等。以監(jiān)控電主軸電流為例，伺服軸電流的系統(tǒng)變量位于通道區(qū)域C的數(shù)據(jù)塊SEMA中，該變量MMC格式路徑為：/Channel/MachineAxis/aaCurr[u,]。其中，參數(shù)u是通道號(hào)，參數(shù)是軸驅(qū)動(dòng)號(hào)。本系統(tǒng)中電主軸電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 電主軸電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)界面

2.2.2 基于組態(tài)的可視化功能

組態(tài)軟件由于編程簡單、畫面美觀、通用性強(qiáng)，在工控領(lǐng)域一直備受青睞。圍繞數(shù)控系統(tǒng)維護(hù)業(yè)務(wù)重點(diǎn)難點(diǎn)問題，針對(duì)典型復(fù)雜邏輯功能故障，按功能邏輯進(jìn)行組態(tài)，以期實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的直觀在線診斷，獲得復(fù)雜系統(tǒng)原理最簡單的可視化效果，提高維護(hù)效率和準(zhǔn)確率、減小維護(hù)人員現(xiàn)場檢測(cè)和診斷勞動(dòng)強(qiáng)度。本文通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了面向數(shù)控機(jī)床典型功能及系統(tǒng)的可視化故障診斷界面，具體包括潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。通信子系統(tǒng)故障診斷可視化界面如圖3所示。

圖3 通信系統(tǒng)狀態(tài)故障診斷界面

結(jié)合嵌入式傳感器，還可以實(shí)時(shí)對(duì)液位、油位、溫濕度、壓力等條件在線監(jiān)控，提高設(shè)備日常維護(hù)的信息化水平，可以為維護(hù)提供優(yōu)化的交互接口，避免耗費(fèi)大量人力管理成本及不必要的加班等，使維護(hù)人員下班前及時(shí)了解機(jī)床條件實(shí)時(shí)情況和剩余可供使用情況。組態(tài)實(shí)現(xiàn)的液壓系統(tǒng)條件實(shí)時(shí)管理功能如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)條件實(shí)時(shí)管理功能

3 總結(jié)

利用現(xiàn)場總線與通信技術(shù)、嵌入式與傳感器應(yīng)用技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)變量與接口技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)編程與OPC UA等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備故障快速診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化效果。它支持設(shè)備狀態(tài)及故障快速準(zhǔn)確診斷功能，完成了設(shè)備條件變量參數(shù)化及透明傳輸和在線管理技術(shù)驗(yàn)證，有助于把設(shè)備維護(hù)人員從重復(fù)、繁雜的功能性故障修復(fù)中解放出來，把寶貴的精力更多地放在提升設(shè)備性能、解決精度下降等關(guān)鍵問題上，本文對(duì)提升復(fù)雜設(shè)備運(yùn)維效率和水平具有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義。