楊世鳳 ，章對磊 ，楊 燁 ，馬 良

（1.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222；2.佛羅里達州立大學 電子與計算機學院，塔拉哈西 32310；3.天津賽象科技股份有限公司，天津 300384）

輪胎簾布裁斷機是輪胎生產(chǎn)制造中重要的機械設(shè)備，輪胎簾布經(jīng)該設(shè)備按設(shè)定規(guī)格經(jīng)過導開、修邊、裁切、拼接、包邊和卷取等工序后，生產(chǎn)的簾布為后續(xù)輪胎成型加工提供帶束層原料[1]。監(jiān)控系統(tǒng)對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時在線監(jiān)控、記錄生產(chǎn)信息，反映設(shè)備實時狀態(tài)，通過監(jiān)控系統(tǒng)能有效提高設(shè)備易用性和可靠性[2]。簾布裁斷機設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，故障發(fā)生時檢修難度大，檢修效率與設(shè)備維護人員的經(jīng)驗息息相關(guān)。加強監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷與決策對于減少檢修時間和提高設(shè)備利用率具有重要意義。以往基于組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(jiān)控軟件，雖有構(gòu)建迅速、可靠性高等特點，但組態(tài)軟件功能有限，形式單一，開發(fā)的產(chǎn)品缺乏市場競爭力[3-4]。

系統(tǒng)的集成化、智能化和網(wǎng)絡化是當今監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[5]。為了實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的高智能化程度，提出在開放式的硬件體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，綜合計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)，開發(fā)一套具備設(shè)備參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測和智能故障診斷的集成監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件部分采用IPC+PLC結(jié)構(gòu)。工控機（IPC）作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷分析、運行控制、生產(chǎn)信息統(tǒng)計存儲的平臺。PLC作為數(shù)據(jù)采集和控制實施的主控模塊，采集與傳輸伺服、變頻系統(tǒng)以及與設(shè)備狀態(tài)相關(guān)傳感器的數(shù)據(jù)，并響應來自IPC的控制命令，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)控制的輸出。

簾布裁斷機是大型的橡膠機械設(shè)備，設(shè)備工作流程復雜，結(jié)構(gòu)龐大，監(jiān)控參數(shù)較多，控制精度高，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換需有快速的傳輸速率、苛刻的實時性以及較高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用實時EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)IPC與PLC，PLC與控制設(shè)備（變頻系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、遠程I/0等）自上而下同一平臺通信。采用“星型+環(huán)型”的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，PLC系統(tǒng)終端設(shè)備間采用以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，IPC、PLC、遠程計算機間采用以太網(wǎng)星型網(wǎng)絡。環(huán)型網(wǎng)絡是一種冗余網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)備級采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)可有效解決單點故障造成的通信中斷的問題。星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)以工業(yè)以太網(wǎng)交換機為中心節(jié)點，結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡延時小，數(shù)據(jù)交換效率高，適用于IPC、PLC、遠程計算機間大量數(shù)據(jù)的交互[2]。

采用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)上位機監(jiān)控軟件。通過動態(tài)鏈接庫的調(diào)用，開發(fā)EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的程序通信接口，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)上下位機間的通信。監(jiān)控軟件具備設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測與控制、參數(shù)顯示設(shè)定、故障診斷分析以及產(chǎn)量統(tǒng)計等功能。采用IPC+PLC結(jié)構(gòu)和實時EtherNet/IP以太網(wǎng)通信的簾布裁斷機實時監(jiān)控與故障診斷專家系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

2 基于故障樹的故障模型

2.1 簾布裁斷機故障樹的建立

當裁斷機生產(chǎn)運行出現(xiàn)異常時，就要對其進行故障診斷，以便準確定位故障原因，給出維修策略快速恢復生產(chǎn)。故障樹分析法建立在設(shè)備故障經(jīng)驗庫的基礎(chǔ)上，將設(shè)備的故障現(xiàn)象（頂事件）和最基本的故障原因（底事件）之間的邏輯關(guān)系通過樹形的網(wǎng)絡圖表示?？紤]裁斷機故障主要出現(xiàn)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將生產(chǎn)簾布不合格設(shè)為頂事件。簾布次品分為拼接錯邊、接頭露絲和接頭劈縫等質(zhì)量問題。通過對簾布生產(chǎn)的故障分析和整理，建立裁斷機故障樹模型如圖2所示。

2.2 故障模型分析

故障樹分析的主要目的是找到故障樹的全部最小割集，并求解各最小割集重要度。從故障角度看，由于底事件為系統(tǒng)的最低分析單元，是造成系統(tǒng)故障的基本原因。因此，最小割集就是這些能夠?qū)е孪到y(tǒng)故障發(fā)生的基本原因的最小組合。最小割集包含了分析系統(tǒng)的全部故障原因，是故障發(fā)生的具體環(huán)節(jié)，因而分析故障樹的最小割集是故障診斷需要把握的重點和關(guān)鍵。最小割集的求解采用下行法（Fussell法）求解[6]。

最小割集的重要度表示底事件對頂事件影響的大小。設(shè)系統(tǒng)故障樹模型的底事件為X，有k個最小割集，只要有一個最小割集 Ki（i=1，2，…k）中的全部底事件均發(fā)生，故障必定發(fā)生，Ki可表示為

式中，mi為最小割集Ki的底事件數(shù)，xj代表某個底事件。在k個最小割集中，只要有一個割集情況發(fā)生，就會引起頂事件，因此系統(tǒng)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可表示為

圖2 裁斷機故障樹模型Fig.2 Fault tree model of cutting machine

裁斷機故障樹模型中各最小割集間是可以相容的，故采用相容事件的概率公式[7]，可得頂事件的發(fā)生概率 P（T）為

由于簾布裁斷機設(shè)備實際運行中各部件穩(wěn)定性較高，因此在故障樹模型最小割集的不可靠度很小的情況下，頂事件發(fā)生概率可以近似為

任一最小割集Ki的重要度Ii可表示為

3 簾布裁斷機故障診斷專家系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)將實際專家解決問題的思路和策略通過計算機技術(shù)模擬實現(xiàn)。專家系統(tǒng)由知識庫、推理機、解釋機制和人機交互系統(tǒng)組成[8]。維修專家將故障推理規(guī)則和解決策略通過人機交互接口錄入知識庫，故障診斷專家系統(tǒng)則根據(jù)知識庫內(nèi)容和相關(guān)推理，解析某故障征兆對應的故障原因和解決策略。

3.1 知識庫及知識表示

基于故障樹分析的故障診斷專家系統(tǒng)可以清晰表示專家解決問題的思路，故障樹用于故障診斷專家系統(tǒng)知識的建立，解決了專家系統(tǒng)知識獲取難的問題。簾布裁斷機故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫采用Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。知識庫內(nèi)包含系統(tǒng)故障原因、特征和后果，以及故障發(fā)生后的解決策略等專家知識。

專家系統(tǒng)知識庫采用邏輯規(guī)則描述編制[9]，范例樣式為IF（條件）THEN（操作或結(jié)論）。以簾布裁斷機修邊故障為例，相關(guān)規(guī)則描述為

IF（刀片磨損）THEN（修邊故障）；

IF（刀片不正）THEN（修邊故障）；

IF（力矩電機故障）THEN（修邊故障）。

3.2 基于最小割集重要度的推理機設(shè)計

在設(shè)備故障診斷中，故障樹頂事件對應著專家系統(tǒng)要解決的任務，底事件組成的最小割集對應專家系統(tǒng)的推理結(jié)果。按照最小割集重要度由大到小的原則搜索故障原因，采用這種故障搜索策略可以大大減少專家系統(tǒng)搜索時間，是一種簡便可靠的方法[10]。各底事件的重要度P（xj）以設(shè)備部件故障率（即部件平均無故障時間MTBF的倒數(shù)）表示。基于故障樹分析的故障診斷專家系統(tǒng)診斷推理過程如圖3所示。

3.3 解釋機制

專家系統(tǒng)與用戶交互過程中需要解釋機制將系統(tǒng)內(nèi)部處理的規(guī)則指令解析為能被用戶理解的說明。采用預制文本法實現(xiàn)解釋功能。當專家系統(tǒng)得出診斷結(jié)果時，自動匹配搜索數(shù)據(jù)庫中預制的故障說明文本，通過人機界面輸出顯示。預制的故障說明文本根據(jù)輸入的故障征兆，引導用戶對故障進行進一步診斷并給出相應的解決策略。

圖3 故障診斷專家系統(tǒng)診斷推理流程Fig.3 Reasoning process of fault diagnosis expert system

3.4 人機交互系統(tǒng)

故障診斷專家系統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)采用LabVIEW平臺編寫，包含人機交互界面和其他后臺處理程序，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人機交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of human-machine interface

圖5 故障診斷界面Fig.5 Interface of fault diagnosis

系統(tǒng)故障診斷界面如圖5所示。用戶根據(jù)設(shè)備故障現(xiàn)象，在故障診斷界面中查找和選取對應的故障征兆，專家系統(tǒng)通過診斷推理流程判斷出故障可能的原因，并根據(jù)故障樹的分析，計算出最小割集重要度，返回各故障原因發(fā)生的概率和相關(guān)說明及解決策略。在測試中，觀察到簾布裁斷機拼接簾布時發(fā)生接頭露絲的故障現(xiàn)象，根據(jù)故障診斷專家系統(tǒng)的判斷，得到“刀片不正”、“刀片磨損”、“接頭輪錯位”、“軸承磨損”、“力矩電機故障”5個診斷結(jié)果，且計算出故障發(fā)生概率分別為38.07%、30.46%、15.23%、10.15%、6.09%。根據(jù)專家系統(tǒng)的指導，出現(xiàn)該故障現(xiàn)象時，用戶可參照故障發(fā)生概率由大到小的測試流程，查找和解決故障。

通過人機交互系統(tǒng)中知識獲取接口對Access數(shù)據(jù)庫形式存儲的知識庫進行增加、刪除和修改等維護操作。通過LabVIEW編程，將相關(guān)維護內(nèi)容編譯成知識庫對應的語法規(guī)則，通過開發(fā)數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù) ODBC（open database connectivity）連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)專家系統(tǒng)知識庫的更新。知識庫維護界面如圖6所示。通過LabVIEW的Web Server技術(shù)，實現(xiàn)知識庫維護界面的遠程發(fā)布，從而滿足專家對系統(tǒng)知識庫的遠程維護操作。

圖6 知識庫維護界面Fig.6 Interface of knowledge base

4 結(jié)語

設(shè)計的簾布裁斷機實時監(jiān)控與故障診斷專家系統(tǒng)是集成化、智能化、網(wǎng)絡化的新型監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具備設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和運行控制功能外，集成了故障診斷專家系統(tǒng)。采用實時EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)通信，在滿足設(shè)備間數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)能無縫連接到企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控和工廠信息化。采用故障樹分析的故障診斷專家系統(tǒng)，能便捷地建立專家系統(tǒng)知識庫?；诠收蠘渥钚「罴耐评頇C，以簡便易用的推理策略，能迅速得出故障征兆的對應診斷結(jié)果。經(jīng)過在廠測試和實際運行，系統(tǒng)針對幾類易發(fā)故障都能給出合適的診斷結(jié)果和解決策略，能有效避免因人工經(jīng)驗不足導致的設(shè)備檢修時間長的問題，具有良好的設(shè)備檢修現(xiàn)實意義。

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