發布日期：2022-04-18 點擊率：60
摘 要：為了提高軋鋼廠老式棒材連扎線的使用效率和可靠性，提出了一種基于PAC系統平臺的控制系統。該系統充分發揮工業PAC系統高集成性、低成本、高可靠性等優勢，利用機械上多種可以測取的信號，實現了對連扎線的自動控制、在線監測和故障診斷。詳細討論了系統的硬件構成和軟件結構，介紹了監測控制模塊和故障診斷模塊的組成結構。 關鍵詞：棒材連扎線; 可編程自動化控制器; 監測控制; 故障診斷 Abstract: In order to improve the efficiency and reliability of the continuous rod rolling line in rolling mill, a control system based on PAC platform is put forward. This system not only takes full advantages of the industrial PAC, but also uses a variety of mechanical signal to realize the auto-control, on-line monitoring and fault diagnosis of the rolling line. Then detailed discussion on the hardware and software of the system is presented, especially on the architectual of it. Key words: continuous rod rolling line ; PAC; Monitor and control; fault diagnose 引言 這幾年許多軋鋼廠棒材連扎線老化、結構復雜，易受到軌道溫度、速度等外界因素的影響，不易控制，經常出現故障影響生產效率。以往技術人員雖然在處理故障和問題時采用了半結構化方法，即一方面根據現場信息要現場收集大量數據，并對其作計算和估算，同時還要借助自己長期積累起來的經驗知識，才能對問題做出回答。這種人工方法速度很慢，如果對一些相關數據的發現、處理不及時就會導致系統運行不正常影響生產。鑒于上述情況，有必要創建統一的控制系統，來在線地對數據進行監測和處理，對連扎線做出最優控制，及時的給出故障原因和操作指導，從而使系統盡快恢復正常，保證生產的順利進行。 1 硬件結構： 控制系統有兩大主要任務：一是完成在線監測控制，包括采集傳感器的輸出信號和傳感器數據的預處理，系統根據這些信號發出相應的控制指令控制整條連扎線的運轉，并監測連扎線各個部分的運行情況，隨時提供預警信息;二是完成故障診斷任務。在此控制系統中，按結構分為兩部分：數據采集單元和中心處理單元。數據采集單元負責完成數據采集、信號處理的任務，然后將這些信號送到中心處理單元里;中心處理單元負責對數據進行分析和診斷，實現監測控制和故障診斷功能，并將數據通過以太網傳送到遠程數據中心的服務器中。系統硬件結構圖如圖1所示。 1.1數據采集單元 數據采集單元直接安裝固定在工程機械各主要部位上，完成傳感器標定和校準，工況參數采集、信號的特征提取。數據采集單元主要由傳感器、信號調理、AD 轉換組成。開發一個控制系統的首要任務就是選擇適當的工況參數，所謂適當，就是所測取的信號能夠迅速而準確地反映出系統工作狀態的變化，能反映工程機械運行狀態的特征信息多種多樣。選擇適當的測量參數非常重要。本系統是以棒材連扎線為控制對象，選取制動板、分離板、冷床電機的轉速、動作時間，連扎線軌道速度、溫度和扎件直徑等參數為檢測信號，通過對這些參數的自動監測和分析，進行連扎線的監測控制和故障診斷。 1.2 中心處理單元 最初考慮采用傳統的PLC+工控機方式，由PLC處理信號的采集、邏輯處理、輸出控制，由工控機進行算法的實現和人機對話，此方案主要面臨兩大問題：穩定性，通常PC的通用操作系統不能提供用于控制足夠的穩定性;可靠性，由于PC帶有旋轉的磁性硬盤和非工業性牢固的部件，如電源，這使得它更容易出現故障。考慮到現場的環境比較惡劣、操作臺空間有限，故選取PAC方式作為開發環境。PAC 全稱 Programmable Automation Controller，自提出這個概念以來，作為近年來自動化產業最為重要的發展趨勢之一，PAC受到了自動化業界及終端用戶的廣泛關注。可編程自動化控制器（PAC）作為新一代的工業控制器，結合了PC的處理器、RAM和軟件的優勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性。作為一種多功能的控制平臺，用戶可以根據系統的需要，組合和搭配相關的技術和產品以實現功能的側重，因為基于同一發展平臺進行開發，所以采PAC系統保證了控制系統各功能模塊具有統一性，而不僅是一個完全無關的部件拼湊成的集合體。 本系統中心處理單元采用了BECKHOFF公司CX1000型PAC。BECKHOFF公司的CX1000 控制系統是為中等規模的控制任務而設計的。它集工業PC和硬件PLC之精華，是一種可以安裝在C型導軌上的模塊化控制系統，并可以根據用戶的需要將各種系統組件接插在一起，完成各種復雜的控制任務。該產品系列是為那些需要有工業PC的特性和計算能力，但由于工程預算方面的原因又不打算購買全套工業PC的客戶而設計的。CX1000系列系統模塊通過標準的 PC104 總線（16位）連接。其基本單元包括CPU模塊和電源模塊，系統可以選用Windows CE.NET操作系統或者嵌入式 Windows XP操作系統。在此單一系統中，可提供理想的可視化和實時連續控制。 2 系統的軟件結構 軟件系統的操作平臺選擇微軟的Windows CE操作系統，開發工具為Embedded VC++4.0。軟件采用模塊化設計，主要包括監測數據庫、監測控制模塊、故障診斷模塊。軟件系統的整體結構見圖。監測數據庫主要用來存放個信號采集單元的工況數據參數，通過數據庫管理截面可實現對檢測數據的選擇、導入和導出等功能。監測控制模塊根據監測數據判斷生產狀況，對扎線各部分發出適合的控制指令。故障診斷模塊根據檢測數據和用戶人工輸入進行故障診斷，給出診斷結論和操作、維修措施等。系統軟件結構如圖2所示。 2.1 監測控制模塊 監測控制模塊對進入CX1000系統的數據進行在線監控，針對各個器件的運轉情況隨時給出預警信息，并根據這些數據進行控制運算得出控制指令對整個扎線進行自動控制。此模塊主要分為三部分：電機時間檢測部分;倍尺鋼長度在線檢測部分;倍尺長度優化剪切指導部分。電機時間檢測部分通過對電機動作時間測量裝置，測量得到一系列電機高位落到低位的時間。根據這些時間數據，以中值濾波為基礎，采用具有自學習功能的加權均值濾波算法對時間檢測數據進行預測，得到電機的下一次動作的精確時間。此算法規定：數據序列中的每個數據均包含有一定的信息，最新數據所含有效信息越多，越老的數據所含有效信息越少，因此在預測下一次電機動作時間時，取最新一組的數據參與計算，同時賦予不同數據不同的權值。為了算法設計方便，采用等維新息的方法，即保持參與計算的數據數量不便，將每次新采集的數據補充進來，將最早的數據去掉。算法的公式描述為： 2.2 故障診斷模塊 故障診斷模塊的核心部分是故障診斷專家系統, 是指計算機在采集被診斷對象的信息后,綜合運用各種規則（專家經驗）, 進行一系列的推理, 必要時還可以隨時調用各種應用程序, 運行過程中向用戶索取必要的信息后, 就可快速地找到最終故障或最有可能的故障, 再由用戶來證實。專家系統的故障診斷方法由數據庫、知識庫、人機接口、推理機等組成。在此重點介紹知識庫和推理機的構成。 2.2.1 知識庫的構建 本系統采用的知識表示方式為產生式。系統采用了產生式規則的一般形式： IF A THEN B CF（B,A） 即 A→B , CF（B,A） 其中A為規則的前提、條件或證據，A可以是單獨命題形式的條件項，也可以是由簡單命題以邏輯組合起來而生成的符合命題的條件項，A可能不止支持一條規則;例如 A= 本系統中故障診斷一般都是由幾個故障現象推理出一個故障原因。在現實情況總，一條推理規則的前提中的各個子前提的“重要性”是各不相同的。所謂前提的重要程度，是指各事實在條件中的重要性，即各個事實的加權系數，即Ki。例如規則“如果上空陰云密布，有風，則多半天要下雨”中，顯然“上空陰云密布”是最重要的，而“有風”則不太重要。因此，本系統在進行判斷時，各個條件也有不同的重要性。在對每條規則的條件進行權值設定時，可以根據實際的經驗，對其重要程度進行賦值，賦值原則是保證 ∑Ki= 1。除了靠經驗進行權值估計外，還可以按照其重要程度進行劃分：最重要、很重要、一般重要、可有可無，分別對應為1、2、3、4。 例如： IF A1 （最重要=4） A2 （一般總要=2） A3 （可有可無=1） THEN B1 A1的權值為4/（4+2+1）=0.57;A2的權值為2/（4+2+1）=0.29;A3的權值為1/（4+2+1）=0.14。三者權值相加等于1。 2.2.2 推理機的構建 建立一個推理機最重要的就是確立該推理機的控制策略和推理算法。本系統所運用的推理策略是正向推理控制策略和沖突消除策略相結合的控制策略。根據用戶輸入的故障現象集或傳感器監測的現場數據，在知識庫進行前提匹配，通過沖突消除策略好選擇知識，這里的沖突消除策略是根據扎線控制技術工人多年的經驗歸納出來的規則，規則匹配按照該順序進行，匹配成功則得到該故障現象集對應的故障，進而得到其解決方案。 不精確推理有四種推理算法：確定理論方法、主觀Bayes方法、可能性理論方法、證據理論方法，本系統采用了確定理論方法。確定理論方法是根據前提的可信度、權值、規則的可信度類求出結論的可信度。考慮權值的知識表示形式為： IF 在上式中 例如 ： IF A1 權值k1 A2 權值k2 A3 權值k3 THEN B 則 CF（B） = MIN[CF（B,A）、CF（A1） ×K1+ CF（A2） ×K2+ CF（A3） ×K3）] 根據預測得到的結論的可信度，可以給出預警信息以及故障原因。 3 運行情況 我們通過大量的調研確定了軟硬件支撐平臺，對此方案在實際挖掘機故障診斷領域中應用的可行性進行了試驗探討，已于2006年3月在貴州某軋鋼廠投入運行。運行結果表明，該控制系統運行情況良好、性能穩定、結論正確，響應時間快，給技術人員提供了極大的方便。 4 結束語 本文提出的控制系統是針對軋鋼廠老式棒材扎線所設計的，此系統采用PAC系統作為運行平臺，能夠滿足在線監測、自動控制與診斷所要求的高處理能力以及高數據容量，并且適合于扎鋼廠特殊的工作環境，根據老式棒材連扎線故障的特點，提出了專家系統診斷方案，對老式棒材連扎線起到了很好的完善作用,使其能夠發揮最大的作用，提高生產效率。 參考文獻 [1] 王冬梅等, 鐵路機車故障診斷專家系統的設計,微計算機信息,2006年第22卷第10-1期 [2] 郭墊、陳欠根等，基于嵌入式系統的工程機械在線狀態監測與故障診斷，工程機械，2006年第一期 [3] 葉函 ，燃煤電廠袋式除塵專家系統的研究，武漢安全環保研究院，2003級工學碩士學位論文
圖1：系統硬件結構圖
圖2 ：系統軟件結構圖 ; 其中 為預測值，為參與計算的前2k個測量時間。倍尺鋼長度在線檢測部分采用編碼器和高數計數器的方式，結合現場飛剪剪刃閉合信號，計算得到倍尺鋼的在線長度。倍尺長度優化剪切指導部分根據現場采集到的扎件長度數據，運用不定方程的矩陣變換法求出最適合的剪切方案，送到飛剪控制器，指導飛剪進行最優剪切，提高生產效率。就是一個復合條件，B為證據A引出結論。在推理中，由于每個條件的不精確性給診斷帶來了一定的困難，為了解決這個問題，對每個前提都設定一個發生程度，也就是可信度的問題，即CF值。例如：某個前提的可信度很強，對應的CF值為1.00;可信度一般，對應的CF值為0.5。CF（B,A）為規則的強度或可信度，表示規則的不確定性的程度，通常由專家給出，0≤CF（B,A）<1。系統除了對所有規則按照以上形式進行描述外，還對所有的知識，包括A、 B，即前提和結論都規定了可信度。前提A的可信度表示為CF（A），表示問題求解狀態下條件A的可信度值，0 THEN B CF（B,A），加權因子的值由領域專家給出，組合條件的可信度由公式計算：CF（A） =∑Ki× CF（Ai） ; 結論的可信度有下式計算： CF（B） = CF（B,A）& CF（A） ; 其中&可以是相乘運算，也可以是取極小值或其他合適的運算。
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