趙中敏 文西芹 張海濤

(淮海工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，江蘇連云港 222005)

1 FMS診斷系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想

FMS的故障通常包括結(jié)構(gòu)故障、運(yùn)動故障、加工過程(即工況)故障或狀態(tài)異常，以及NC故障等。如何識別與診斷這些故障是FMS故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。由于結(jié)構(gòu)上的故障已由機(jī)床廠家給予充分考慮，這種故障相對來說是比較少的，因此在診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中只需考慮較為常見的后幾種故障。

FMS是由若干個(gè)相互聯(lián)系又相對獨(dú)立的模塊組成的，通過由模塊執(zhí)行具體的動作來支持整個(gè)系統(tǒng)的功能。設(shè)備運(yùn)動故障的表現(xiàn)形式是某一模塊的某一動作沒有完成。具體地說，是某一NC命令沒有執(zhí)行完。這類故障可以用設(shè)備內(nèi)部的一些運(yùn)動狀態(tài)信號定位到一個(gè)大致的位置。進(jìn)一步的診斷還要借助加工過程狀態(tài)等其它可用的診斷信息。

設(shè)備加工過程故障或狀態(tài)異常的診斷只需用監(jiān)控到的加工狀態(tài)信息即可完成。這些異常的加工過程信息不僅可以用來預(yù)測早期故障，以便及時(shí)采取措施，避免將來重大事故的發(fā)生，而且往往是導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)動故障的直接原因，可為進(jìn)一步確診運(yùn)動故障提供參考依據(jù)。

此外，由于FMS的工況變化頻繁，對設(shè)備加工過程狀態(tài)的分析、判斷在很大程度上依賴于工況的變化情況，而工況的變化情況又可通過對設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)的分析得到。因此，加工過程狀態(tài)的監(jiān)控與運(yùn)動故障的診斷二者不能分開考慮，必須緊密地結(jié)合在一起，使之成為一個(gè)有機(jī)的整體。

FMS的NC故障即NC系統(tǒng)的主要硬件故障及程序軟件故障，其診斷一般已由設(shè)備內(nèi)部的自診斷監(jiān)控程序完成。這類故障一旦發(fā)生，設(shè)備則停止工作，將故障原因存入存儲器，報(bào)警并顯示報(bào)警號，然后由用戶根據(jù)報(bào)警提示查閱有關(guān)資料，找到對應(yīng)的故障原因及修復(fù)方法。對于這類故障，只需提供一個(gè)快速、方便的查詢手段，即可滿足診斷的要求。

通常，為了實(shí)現(xiàn)FMS的故障診斷，除了要用監(jiān)控的狀態(tài)信息，還必須結(jié)合有關(guān)的診斷知識。由于FMS自動化程度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其可用的診斷知識繁多，知識量也大，因此，對這些診斷知識的管理就顯得尤其重要。為了便于知識的擴(kuò)充和修改，有必要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)知識庫管理系統(tǒng)，使其擴(kuò)充與修改等能自動化或半自動化，形成知識獲取部分。

CIMS是未來自動化發(fā)展的方向，也是FMS進(jìn)一步發(fā)展的最高形式。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，使所設(shè)計(jì)的診斷系統(tǒng)具有在CIMS環(huán)境下與其它功能子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息集成的能力，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)外部擴(kuò)展接口，來實(shí)現(xiàn)本診斷系統(tǒng)與其它外部功能子系統(tǒng)的信息集成。

最后，在各個(gè)功能子系統(tǒng)或模塊之上，設(shè)計(jì)了一個(gè)對它們進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)與控制的系統(tǒng)，稱之為元系統(tǒng)，以便用它來執(zhí)行對各功能子系統(tǒng)或模塊的管理、控制等工作，調(diào)用有關(guān)的功能子系統(tǒng)完成相應(yīng)的任務(wù)和為人機(jī)交互提供良好的環(huán)境。

基于以上思想，基于質(zhì)量控制的FMS故障診斷系統(tǒng)總體模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示的形式。

在總體模型結(jié)構(gòu)中，監(jiān)控與診斷系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，也是關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵所在。監(jiān)控的目的就是選擇最能充分反映FMS特征的幾個(gè)靈敏信號(如功率、振動、溫度和壓力信號等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號變換及處理；診斷的目的則是集成了監(jiān)控的結(jié)果和設(shè)備的多發(fā)性故障信息進(jìn)行綜合分析、推理、判斷設(shè)備運(yùn)行的好壞，做到定位故障點(diǎn)，指出故障發(fā)生的原因，并給出維修決策。

其它子系統(tǒng)或模塊的功能可簡單地概述如下：

(1)NC故障咨詢子系統(tǒng)：通過輸入NC故障報(bào)警號，提供故障描述及處理方法的咨詢。

(2)知識庫管理子系統(tǒng)：對知識進(jìn)行編輯、存儲、檢索、編排、添加、刪除以及檢驗(yàn)等。

(3)外部擴(kuò)展接口：通過計(jì)算機(jī)，隨時(shí)向外界發(fā)送診斷報(bào)告或接受信息等。

2 FMS監(jiān)控與診斷子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

從現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行情況看，F(xiàn)MS出現(xiàn)故障或異常情況以及對這些故障的處理可分為三種情況：

(1)設(shè)備運(yùn)動過程出現(xiàn)故障，引起設(shè)備自動停機(jī)，而設(shè)備加工過程沒有發(fā)生任何故障或異常，此時(shí)，診斷僅依賴于設(shè)備內(nèi)部關(guān)于運(yùn)動狀態(tài)的故障數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)備的運(yùn)動過程正常，而加工過程出現(xiàn)故障或異常，此時(shí)發(fā)出報(bào)警，診斷將賴于監(jiān)控到的異常加工過程狀態(tài)信息。

(3)設(shè)備運(yùn)動過程出現(xiàn)故障，引起設(shè)備自動停機(jī)，同時(shí)，加工過程也異常。此時(shí)在應(yīng)用設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動狀態(tài)信號進(jìn)行診斷的基礎(chǔ)上，結(jié)合異常加工過程狀態(tài)信息，進(jìn)一步診斷推理，將故障定位到具體的機(jī)、電、液零部件。

在高度自動化的FMS中，與運(yùn)動故障聯(lián)系最密切的是設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)，由它控制設(shè)備各功能模塊間的數(shù)據(jù)交換和具體動作的執(zhí)行。一般說來，為獲取設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)信息和位置狀況，傳動部件上均有反饋傳感器，用來監(jiān)控設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)或位置信息。因此，設(shè)備控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)就包含有各種指示運(yùn)動狀態(tài)的狀態(tài)信號、控制器I/O信號、設(shè)備功能控制產(chǎn)生的中間信號以及位置信息等。故障一旦發(fā)生，根據(jù)控制器內(nèi)的各類信息及信號之間的邏輯關(guān)系一般可找到發(fā)生故障的大致位置或部件。這部分信號的采集及處理已在設(shè)備控制器內(nèi)部作了相當(dāng)周密的考慮，不需另行設(shè)計(jì)，只需通過設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)以實(shí)時(shí)通信的方式直接獲取。另一方面，為監(jiān)控設(shè)備加工過程狀態(tài)，在設(shè)備的一些主要功能執(zhí)行部件的相關(guān)部位安裝傳感器，來監(jiān)控功率、振動、溫度和壓力等反映設(shè)備加工過程狀態(tài)的信息，為此必須單獨(dú)設(shè)計(jì)信號采集、處理及通信模塊。這就是說，F(xiàn)MS有關(guān)故障的數(shù)據(jù)主要來源于兩個(gè)方面：一是設(shè)備控制器內(nèi)部，包括I/O信號，設(shè)備功能控制產(chǎn)生的中間信號，以及設(shè)備內(nèi)部以自保護(hù)為目的的監(jiān)控報(bào)警信號等；二是加工過程狀態(tài)監(jiān)控的結(jié)果。此外，現(xiàn)場人工觀察到的現(xiàn)象，對定位故障及判斷故障原因也有很大的幫助作用。

FMS監(jiān)控與診斷子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中數(shù)據(jù)獲取模塊首先對來自狀態(tài)監(jiān)控傳感器的振動信號、壓力信號、溫度信號以及各電動機(jī)的電流、電壓、功率等信號進(jìn)行放大、濾波、陷波、平滑等處理，然后對這些信號進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集；狀態(tài)分類決策模塊根據(jù)來自數(shù)據(jù)獲取模塊的狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和設(shè)備控制器信息，完成工況及狀態(tài)變化辨識與運(yùn)行狀態(tài)分類決策、自適應(yīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練、初始狀態(tài)校驗(yàn)、全局狀態(tài)綜合決策及設(shè)備故障決策定位等；緊急情況模塊負(fù)責(zé)識別狀態(tài)分類決策模塊給出的異常狀態(tài)是否屬于緊急異常情況，分析其對設(shè)備運(yùn)行或產(chǎn)品質(zhì)量的危害程度，然后發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶罱o執(zhí)行機(jī)構(gòu)或設(shè)備控制器；故障診斷模塊引入專家系統(tǒng)技術(shù)，借助于專家的經(jīng)驗(yàn)知識和對設(shè)備的物理知識，運(yùn)用適當(dāng)?shù)目刂撇呗院屯评聿呗裕鶕?jù)狀態(tài)監(jiān)控信號和設(shè)備控制器信息實(shí)現(xiàn)對設(shè)備故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位；信息管理模塊對狀態(tài)分類決策模塊、故障診斷模塊的輸出數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分類、組織、排序，并負(fù)責(zé)向上級系統(tǒng)報(bào)告當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 FMS監(jiān)控與診斷系統(tǒng)的組成部分

FMS系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)可大致分為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)和設(shè)備故障診斷子系統(tǒng)兩部分。

3.1 狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

由于系統(tǒng)的復(fù)雜多變性與監(jiān)控的實(shí)時(shí)在線的快速性，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)(圖3)必須具備的核心功能模塊有快速信號處理單元、自適應(yīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練單元、過程改變判別與辨識模塊和全局狀態(tài)綜合評判模塊等。同時(shí)，必須依加工系統(tǒng)的功能模塊、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、信息表現(xiàn)和傳遞過程對監(jiān)控對象、監(jiān)控信號分類、分區(qū)、分層地進(jìn)行監(jiān)控管理決策。

該子系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，快速運(yùn)行為宗旨，監(jiān)控的任何時(shí)刻、任何過程均可用鍵盤中斷和進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整，因而具備較好的可靠性、容錯(cuò)性與靈活性。

3.2 故障診斷子系統(tǒng)

設(shè)備故障診斷子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4。其中，綜合知識庫、公共數(shù)據(jù)庫和綜合推理機(jī)是該系統(tǒng)的3個(gè)重要組成部分。綜合知識庫包含有關(guān)系統(tǒng)故障的物理知識、經(jīng)驗(yàn)知識、設(shè)備運(yùn)行過程狀態(tài)知識、狀態(tài)監(jiān)控信息所反映的異常狀態(tài)的知識以及它們彼此之間聯(lián)系的知識等；公共數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控信息、設(shè)備控制器信息和推理過程中產(chǎn)生的中間結(jié)果數(shù)據(jù)共同生成的動態(tài)數(shù)據(jù)庫；綜合推理機(jī)利用公共數(shù)據(jù)庫的信息和綜合知識庫的知識進(jìn)行多種推理，得到診斷結(jié)果，并做出診斷決策。

4 FMS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多級信息融合故障診斷的監(jiān)控系統(tǒng)

圖5是基于多傳感器信息融合的FMS加工設(shè)備及過程狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)分布式多傳感器、多對參數(shù)集中控制與處理的綜合決策系統(tǒng)。圖6是其軟件模型。其信息融合主要在特征層與決策層。多傳感器布點(diǎn)基于加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、加工動力傳動鏈、加工控制系統(tǒng)信息傳遞鏈的各關(guān)鍵部位、關(guān)鍵信息輸出口來選取。主要拾取系統(tǒng)的機(jī)械振動、電動功率、電流、轉(zhuǎn)速、溫度、傳動壓力以及加工控制信息等。

硬件以控制柜形式集中控制與處理，其處理策略是將各個(gè)傳感器拾取的信號分成不同的類別，如電荷、電流、電壓型和緩變、瞬變型，相同信息種類由相同硬件模式來拾取，這樣即使擴(kuò)充更多的信息融合范圍，只需接入相應(yīng)類別的信號通道即可。將大的加工系統(tǒng)分為若干個(gè)相對對立的子系統(tǒng)，每一子系統(tǒng)對應(yīng)由一獨(dú)立的、集中的控制處理板處理，以便獲得實(shí)時(shí)的且完全并行的子系統(tǒng)的各類狀態(tài)信息。傳感器選取及布點(diǎn)按時(shí)對稱原則，功能相同或相近的各子系統(tǒng)的各部位傳感器盡量匹配或相同。各控制板以總線結(jié)構(gòu)相連，形成一個(gè)總的控制管理系統(tǒng)，以便在集中管理模式與優(yōu)化組合的基礎(chǔ)上進(jìn)行信息擴(kuò)充與監(jiān)控對象的擴(kuò)充。

為保證數(shù)據(jù)的匹配和特征的關(guān)聯(lián)性，高速并行的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)同步地獲取大量數(shù)字信號，它們被送入監(jiān)控的核心——微機(jī)進(jìn)行處理變換，提取特征進(jìn)行數(shù)據(jù)、特征及決策層的信息融合。

4.2 基于層次結(jié)構(gòu)的故障樹診斷模型

柔性制造設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動作繁多，但層次分明且邏輯關(guān)系嚴(yán)密，其結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是層次性和模塊性強(qiáng)?；诮Y(jié)構(gòu)與功能的分析，按照系統(tǒng)分級原理，將設(shè)備(系統(tǒng))劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又可分為多個(gè)模塊。以各模塊中最不希望發(fā)生的事件(故障)為頂事件，并按照設(shè)備的動作流程建立模塊的故障樹。所建立的診斷模型如圖7所示。

在故障樹中，每一結(jié)點(diǎn)事件一般都有判斷其發(fā)生故障與否的設(shè)備控制器信息、狀態(tài)監(jiān)控信息或?qū)＜揖S修經(jīng)驗(yàn)等作為前提條件，對故障樹進(jìn)行知識編碼，存入各自的知識庫。這樣，知識庫以模塊為單位，每一知識庫就對應(yīng)于一模塊故障樹的知識描述。知識的表示采用以規(guī)則為主的方法，便于知識的管理與推理。

這樣建立的知識庫，知識模塊多，知識量大，診斷推理時(shí)如不加選擇地對所有知識庫進(jìn)行搜索，勢必花費(fèi)大量時(shí)間，診斷效率不高，滿足不了實(shí)時(shí)診斷的要求。為此，可以利用元知識來幫助診斷推理，迅速找到故障發(fā)生模塊，以提高推理的速度與有效性。元知識用框架表示，它以整個(gè)診斷設(shè)備為對象，記錄了設(shè)備的結(jié)構(gòu)與功能(子系統(tǒng)與模塊的功能)的信息。

這一診斷模型能夠充分利用和集成多種形式的知識(物理知識、狀態(tài)知識、經(jīng)驗(yàn)知識等)進(jìn)行綜合診斷，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控與診斷的一體化，提高了智能診斷與決策水平和診斷的自動化程度。

［1］胡文彬.柔性制造環(huán)境下基于質(zhì)量控制的故障診斷系統(tǒng)的研究［D］.武漢：華中理工大學(xué)，1995.

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