廖倫彪，張 寶（四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽分廠，四川 綿陽 621000）

自動(dòng)化物流系統(tǒng)在煙草行業(yè)中的廣泛應(yīng)用顯著地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，使得“無人工廠”和“管控一體化工廠”成為可能。但是這些自動(dòng)化物流系統(tǒng)在運(yùn)行中不可避免地會(huì)發(fā)生各種故障，導(dǎo)致物流系統(tǒng)停止運(yùn)行，中斷生產(chǎn)。如何能在故障產(chǎn)生后及時(shí)有效地排除故障恢復(fù)生產(chǎn)是提高企業(yè)生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。隨著自動(dòng)控制技術(shù)與Internet通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于工業(yè)以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控與實(shí)時(shí)在線故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。例如美國通用電器公司研究的用于內(nèi)燃電力機(jī)車故障排除的專家系統(tǒng)DELTA、日本三菱重工研制的“機(jī)械保健系統(tǒng)”，云南昆船集團(tuán)研制的“煙草切絲機(jī)的PROFIBUS_DP總線自診斷系統(tǒng)”均取得了可喜的成果。

煙草行業(yè)故障診斷系統(tǒng)以人工智能和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為支持，在煙草物流自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起一個(gè)完善的設(shè)備故障知識(shí)庫和一套有效的故障推理機(jī)，保證了設(shè)備在發(fā)生故障之后維修人員能夠迅速做出反應(yīng)，從而最大限度減少停機(jī)維修時(shí)間。本文以綿陽卷煙廠成品庫物流系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)該庫的物流工藝流程和電氣控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了成品庫故障診斷專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)成品庫電氣設(shè)備故障進(jìn)行診斷并給出故障處理意見。

1 系統(tǒng)概述

成品庫故障診斷專家系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，該系統(tǒng)從技術(shù)架構(gòu)上來看，可分為三層：數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用層[2]。數(shù)據(jù)采集層主要由具備設(shè)備控制功能與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)采集功能的PLC構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)成品庫中所有電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集與感知。第二層為數(shù)據(jù)傳輸層，作用是把PLC采集的工況信息通過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上傳給上位計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度人員與設(shè)備維護(hù)人員對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的共享。第三層為應(yīng)用層，裝有故障診斷專家系統(tǒng)，該診斷系統(tǒng)通過獲取PLC上傳的電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，運(yùn)用構(gòu)建的推理機(jī)，推斷出故障原因，并給出合理的處理意見。與此同時(shí)，該處理意見還將發(fā)布到故障設(shè)備旁邊的觸摸屏上，以便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員對(duì)故障處理意見的查詢，從而準(zhǔn)確快速地處理故障。

2 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種智能的計(jì)算機(jī)程序，它能夠以人類專家的水平完成某一專業(yè)領(lǐng)域特別困難的任務(wù)[3]。近年來，專家系統(tǒng)在工程領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用日益廣泛，并且獲得不少成功的案例。一個(gè)完整的專家系統(tǒng)是由人機(jī)接口、黑板、知識(shí)庫、解釋系統(tǒng)和推理機(jī)這五部分構(gòu)成。由于每個(gè)專家系統(tǒng)所需要完成的任務(wù)和特點(diǎn)不同，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不完全相同，但無論哪種專家系統(tǒng)都必須包含知識(shí)庫和推理機(jī)這兩個(gè)基本內(nèi)容。

該故障診斷專家系統(tǒng)由知識(shí)管理模塊、知識(shí)庫模塊、故障推理模塊、故障仿真模塊、參數(shù)采集模塊、故障解釋模塊等幾個(gè)主要部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 故障診斷專家系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中知識(shí)管理模塊用于收集整理專家知識(shí)，并采用適當(dāng)?shù)男问絹肀磉_(dá)知識(shí)。知識(shí)庫模塊中存放著該專家系統(tǒng)的專門知識(shí)，包括事實(shí)、可行操作與規(guī)則。故障仿真模塊能進(jìn)行復(fù)雜故障模擬仿真，能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的故障分析與處理，該模塊仿真結(jié)果可充實(shí)故障知識(shí)庫。參數(shù)采集模塊用于電氣設(shè)備在運(yùn)行時(shí)特征參數(shù)的檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集，形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。故障推理模塊根據(jù)采集到的現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)選擇一個(gè)有效的推理方法，進(jìn)行故障推理，并給出合理的處理意見。該模塊還包含了設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)分析，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的設(shè)備將給出維護(hù)建議，防止設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)故障，該模塊是故障診斷的核心部分。故障解釋模塊的主要功能是對(duì)故障推理模塊給出的推理結(jié)果進(jìn)行解釋并顯示給用戶。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

成品庫故障診斷專家系統(tǒng)從軟件結(jié)構(gòu)上劃分主要由數(shù)據(jù)庫模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、故障診斷模塊、故障仿真模塊和人機(jī)界面這五部分構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 故障診斷專家系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫模塊由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫三部分組成。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中存放著現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各種特征參數(shù)。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容保存下來將形成歷史數(shù)據(jù)，而且歷史數(shù)據(jù)庫中還將保存故障診斷模塊診斷流程與結(jié)果，以便于用戶查詢歷史數(shù)據(jù)和歷史故障。規(guī)則庫中存放著推理的規(guī)則，是故障問題求解的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于知識(shí)庫編輯和規(guī)則庫編輯兩部分組成。知識(shí)庫和規(guī)則庫編輯模塊主要功能是完成知識(shí)和規(guī)則的錄入、刪除、編輯和合法性檢查功能。

故障診斷模塊由故障診斷界面、正向推理兩部分組成。正向推理從故障的特征出發(fā)，根據(jù)知識(shí)庫中的已知知識(shí)，按照某種沖突消解策略進(jìn)行推理，并將此次推出的新知識(shí)作為下一步推理的已知知識(shí)。如此重復(fù)這一過程，最終獲得推理結(jié)果實(shí)現(xiàn)故障診斷。

故障仿真模塊由故障點(diǎn)參數(shù)設(shè)置和故障診斷反饋兩部分組成。該模塊能仿真設(shè)備運(yùn)行中不易發(fā)生的故障和比較復(fù)雜的故障。通過故障診斷反饋還能充實(shí)和完善知識(shí)庫。

人機(jī)界面模塊是領(lǐng)域?qū)＜摇⒅R(shí)工程師、用戶與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交互的界面，能實(shí)現(xiàn)不同用戶的對(duì)該故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)行基本的管理與操作。

4 知識(shí)庫與推理機(jī)設(shè)計(jì)

在成品庫物流輸送系統(tǒng)中，需要進(jìn)行故障診斷的設(shè)備有輸送機(jī)、穿梭車、托盤碼分機(jī)、碼垛機(jī)器人、現(xiàn)場(chǎng)控制站、條碼閱讀器、巷道堆垛機(jī)等。要對(duì)以上電氣設(shè)備建立一個(gè)比較完整的知識(shí)庫和有效的推理規(guī)則可采用故障樹分析法進(jìn)行構(gòu)造[4]?，F(xiàn)以巷道堆垛機(jī)故障為例來說明。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電氣工程師與維修電工提供的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合巷道堆垛機(jī)工作原理能夠建立如圖4所示的巷道堆垛機(jī)故障樹主結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能得到該主故障樹下各個(gè)分支故障樹[5]，其中圖5為貨叉機(jī)構(gòu)分支故障樹。

圖4 巷道堆垛機(jī)故障樹主結(jié)構(gòu)

圖5 貨叉機(jī)構(gòu)分支故障樹

上述故障樹能直接轉(zhuǎn)換為推理規(guī)則，例如：IF（離合器故障）OR（貨叉受堵），THEN（貨叉不能伸縮）；IF（齒輪齒條故障）OR（鏈輪鏈條故障）OR（貨叉伸縮受堵），THEN（貨叉受堵）。采用故障樹分析方法可以建立成品庫中需要進(jìn)行故障診斷設(shè)備的所有知識(shí)庫與規(guī)則庫，限于篇幅，這里不逐一列舉。

推理機(jī)是故障診斷專家系統(tǒng)的核心，推理的過程就是不斷地從規(guī)則庫中選取合適的規(guī)則與數(shù)據(jù)庫中的已知事實(shí)進(jìn)行匹配的過程[6]。該設(shè)計(jì)中采用的正向推理過程可用圖6的算法流程來描述，圖中的DB是數(shù)據(jù)庫，KB是知識(shí)庫，KS知識(shí)集。

5 結(jié) 論

故障診斷專家系統(tǒng)采用故障樹分析方法建立了知識(shí)庫和規(guī)則庫，并應(yīng)用正向推理的方法有效地對(duì)成品庫物流輸送系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電氣故障進(jìn)行推理并給出處理意見，有利于現(xiàn)場(chǎng)電氣維修人員快速地排除故障，避免了物流輸送線路因故障長(zhǎng)時(shí)間停車，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，具有一定的實(shí)用性和推廣性。

圖6 正向堆理算法流程

[1]Felser M.Rea-l time Ethernet-industry prospective[J].Computing&Control Engineering Journal,2005,96(6):18-29.

[2]王仲生.智能故障診斷與容錯(cuò)控制[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]蔡自興，徐光佑.人工智能及其應(yīng)用[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[4]李德英，倪維斗.電站鍋爐故障診斷的廣義故障樹知識(shí)表示方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998(7):74-77.

[5]李小平，于康康.堆垛機(jī)遠(yuǎn)程故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):15-19.

[6]王萬良.現(xiàn)代控制工程[M].北京：高等教育出版社，2011.