張濤 王立林

摘 要：設(shè)備故障智能診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)是診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)與人工智能的集成，主要功能是對設(shè)備故障進(jìn)行分析、診斷和預(yù)測。本文對IDPSS在PDP生產(chǎn)線邦定機(jī)上對故障智能診斷與故障預(yù)測的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并對IDPSS在生產(chǎn)設(shè)備上的推廣進(jìn)行了前景展望。

關(guān)鍵詞：智能診斷;故障預(yù)測;專家系統(tǒng);IDPSS;PDP生產(chǎn)線

1.概述

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，各種自動化生產(chǎn)系統(tǒng)日趨復(fù)雜，面對故障征兆多樣和故障原因復(fù)雜的問題，設(shè)備運行的安全性和可靠性也越來越受到人們的重視。通過幾十年的研究和發(fā)展，故障診斷已經(jīng)取得了大量的成果，將人工智能運用于故障診斷領(lǐng)域中形成了基于人類專家經(jīng)驗知識的故障診斷技術(shù)，進(jìn)一步實現(xiàn)了智能化診斷。通過了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生動態(tài)變化，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、找出故障原因并預(yù)報故障發(fā)展趨勢，對現(xiàn)代化生產(chǎn)的意義非常重大。

2.設(shè)備故障智能診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)簡述

設(shè)備故障智能診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)（Intelligential Diagnosis and Prognosis Support System，IDPSS）是在故障診斷預(yù)測支持的計算機(jī)系統(tǒng)（General Diagnosis and Prognosis Support System，GDPSS）基礎(chǔ)之上發(fā)展而來的，該系統(tǒng)因?qū)＜蚁到y(tǒng)的加入而具有了人工智能，在故障的處理方面具有解釋推理、原因分析等功能，既具有專家系統(tǒng)知識推理解決定性分析問題的長處，又具有傳統(tǒng)的故障診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)以算法為核心解決定量分析問題的優(yōu)點，充分做到定性分析與定量分析的有機(jī)結(jié)合，其解決問題的能力得到了很大的提高。

根據(jù)不同系統(tǒng)知識推理和GDPSS側(cè)重點不同，根據(jù)系統(tǒng)的需要，IDPSS分為三種不同的集成方式：

（1）GDPSS和知識系統(tǒng)同等重要，該結(jié)構(gòu)由交互控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制和調(diào)度，根據(jù)實際問題需要調(diào)度GDPSS和知識系統(tǒng)，各自獨立進(jìn)行診斷和預(yù)測;

（2）GDPSS為主的方式，該方式以定量分析為主，結(jié)合定性分析解決故障診斷和預(yù)測問題;

（3）以知識系統(tǒng)為主要構(gòu)成方式，以定性分析為主體，輔以定量分析解決故障診斷和預(yù)測問題，交互控制和推理系統(tǒng)合二為一，進(jìn)行故障診斷與預(yù)測。

本系統(tǒng)是選擇第三種方案，知識系統(tǒng)采用成熟的以知識庫和推理機(jī)為中心的專家系統(tǒng)對設(shè)備故障進(jìn)行分析和診斷，在故障預(yù)測方面，采用單獨的故障預(yù)測模塊進(jìn)行定量的分析。

3.設(shè)備故障智能診斷與預(yù)測支持系統(tǒng)在PDP綁定設(shè)備上的應(yīng)用

3.1 邦定機(jī)設(shè)備簡介及故障機(jī)理原因分析

等離子面板（Plasma Display Panel 簡稱PDP）生產(chǎn)線是由眾多復(fù)雜、專業(yè)、高精度工藝設(shè)備組成的全自動流水生產(chǎn)線，綁定機(jī)是該流水線關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，其功能是實現(xiàn)剛性的等離子玻璃面板通過TCP（Tape Carrier Package）與PWB（Printed Wiring Board）進(jìn)行機(jī)械和電氣的可靠連接。玻璃基板與TCP、TCP與PWB之間的連接是通過ACF（Anisotropic Conductive Film，各向異性導(dǎo)電樹脂）進(jìn)行熱壓膠結(jié)的。雖然各關(guān)鍵設(shè)備處設(shè)置有緩沖段，但在快節(jié)奏、全自動流水生產(chǎn)線中，任何一臺關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)較長時間故障停機(jī)，將導(dǎo)致整個流水線的停運，所造成的損失是十分巨大的，處理故障的時間長短和非計劃停產(chǎn)次數(shù)直接關(guān)系損失的多少，因此，對此類設(shè)備的故障進(jìn)行分析診斷和故障預(yù)測很有必要。

通過長時間的人工觀測和統(tǒng)計，加熱電纜、拖鏈電纜磨損、壓頭變形故障處理時間占到整個設(shè)備故障處理時間的33%以上，故障次數(shù)占整個設(shè)備故障次數(shù)23%以上。而壓頭變形往往又是因加熱電纜磨損發(fā)展為線間短路、加熱器回路跳閘和壓頭溫度急劇下降造成。所以邦定機(jī)設(shè)備故障預(yù)測的主要措施是對線纜磨損情況進(jìn)行預(yù)測。加熱電纜和拖鏈電纜數(shù)量繁多，并且互相距離很近，因往復(fù)運動線纜之間存在頻繁的相互摩擦，其磨損情況與往復(fù)運動次數(shù)、線纜之間的松緊程度相關(guān)，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，不能夠直接對其磨損情況進(jìn)行檢測，只能進(jìn)行間接測量。針對這種情況，迫切需要開發(fā)一種在線的智能故障診斷系統(tǒng)來解決這一隱患。

3.2 邦定機(jī)設(shè)備的故障智能診斷與故障預(yù)測方案

3.2.1 智能診斷系統(tǒng)硬件方案框圖

在溫度和使用環(huán)境穩(wěn)定的情況下，線纜絕緣材料電阻率相對穩(wěn)定，因此，線纜的磨損情況可以通過線纜對地絕緣電阻來間接反應(yīng)，本系統(tǒng)采用了在加熱器線纜和拖鏈電纜回路加入絕緣電阻在線監(jiān)測儀對線路絕緣電阻進(jìn)行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS485通信接口接入工業(yè)以太網(wǎng)，最終到達(dá)上位機(jī)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，系統(tǒng)方案框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)方案框圖

以上系統(tǒng)實現(xiàn)了對現(xiàn)場主要數(shù)據(jù)的實時采集，為智能診斷和故障預(yù)測打下了基礎(chǔ)。

3.2.2 故障智能診斷與預(yù)測系統(tǒng)

為了加快專家系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，采用了EMYCIN骨架工具系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于細(xì)菌感染疾病診斷系統(tǒng) MYCIN，特別適用于演繹推理。其知識表示采用產(chǎn)生式規(guī)則，推理機(jī)制為逆向推理方式，系統(tǒng)的最終目標(biāo)是確定頂層目標(biāo)屬性值。在線纜磨損壽命預(yù)測采用了基于回歸模型的預(yù)測方法，系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架框圖

（1）交互控制系統(tǒng)：提供本地專家及知識工程師對知識庫的更新和管理，同時提供遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)用戶對IDPSS的訪問，知識庫還可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程更新。位于現(xiàn)場的觸摸屏等交互設(shè)備也可以實現(xiàn)對IDPSS的訪問和控制。

（2）知識獲取管理模塊：知識獲取方式為傳授式知識獲取機(jī)制，知識工程師把專家及現(xiàn)場運行維修人員的專業(yè)知識，利用產(chǎn)生式規(guī)則編輯并存儲在方法知識庫中。有了以太網(wǎng)的協(xié)助，更加方便了知識庫的添加和更新。

對于電纜磨損情況檢查，通過數(shù)據(jù)庫中采集的對地絕緣電阻數(shù)據(jù)，可以做出比較準(zhǔn)確的判斷，實施對線纜健康狀況做出診斷，當(dāng)線路絕緣狀況劣化時及時做出預(yù)警。

在知識庫中還可以添加其他知識：吸盤真空度的監(jiān)控，該真空度可以直接從PLC的監(jiān)控數(shù)據(jù)中取得，通過工業(yè)以太網(wǎng)落實現(xiàn)服務(wù)器與PLC的通信對該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。通過對歷史數(shù)據(jù)的積累和對比，判斷真空系統(tǒng)的老化情況，及時對真空系統(tǒng)的故障情況作出分析和預(yù)測。對于真空度異常報警，結(jié)合設(shè)備所處的操作階段，可以對TCP脫離定位針不暢，F(xiàn)PC（Flexible Print Circuit）來料翹曲，真空吸附不良，ACF來料粘性差異，影響ACF剝離不暢等各種真空報警作出故障診斷。

對于TCP/FPC對位異常故障知識，可以根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)給出的各種故障代碼進(jìn)行解釋和診斷，該故障代碼和相應(yīng)的故障內(nèi)容通過PLC進(jìn)行讀取并傳遞至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄和儲存。在機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)出報警時，上位機(jī)讀取故障代碼，然后從數(shù)據(jù)庫中查找具體故障內(nèi)容進(jìn)行診斷。

（3）故障預(yù)測子模塊：線纜磨損情況，在使用環(huán)境相對穩(wěn)定的情況下，線纜絕緣的厚度為對地絕緣電阻的主要因素，也是影響線纜使用壽命的關(guān)鍵因素，因此可以采用一元回歸模型的預(yù)測方法對故障現(xiàn)象未來的發(fā)展?fàn)顩r和水平進(jìn)行預(yù)測，該子模塊作為獨立的程序受到專家系統(tǒng)交互控制系統(tǒng)的調(diào)度。

此種IDPSS系統(tǒng)是以專家系統(tǒng)為主，故障預(yù)測子模塊作為定量分析部分受到專家系統(tǒng)的調(diào)度和控制，若定性和定量分析能夠做到有機(jī)結(jié)合，則彌補(bǔ)了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)不能定量分析和預(yù)測的缺點。如果根據(jù)不同的故障原因，編輯各種不同的故障診斷和預(yù)測子模塊，系統(tǒng)將會具有很大的靈活性和適應(yīng)性。

4.智能故障診斷與預(yù)測支持技術(shù)應(yīng)用展望

本系統(tǒng)把IDPSS系統(tǒng)引入PDP生產(chǎn)線，對重要關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行故障診斷和預(yù)測，是一次提高設(shè)備稼動率的有效嘗試，根據(jù)影響設(shè)備正常運行的主要故障類型和因素，通過故障診斷與預(yù)測的引入，及時安排例行檢修，能夠盡量減少故障隨機(jī)偶然出現(xiàn)對生產(chǎn)活動的影響。在選擇知識系統(tǒng)時，選擇了技術(shù)相對成熟的專家系統(tǒng)，為了彌補(bǔ)專家系統(tǒng)定量分析不足的缺點，引入了以知識系統(tǒng)為主兼有定量分析的IDPSS的系統(tǒng)，提高了專家系統(tǒng)診斷和預(yù)測的能力。在構(gòu)建專家系統(tǒng)時，充分考慮了已經(jīng)建成的MES（manufacturing execution system，簡稱MES）系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)資源，基于現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)，節(jié)省了硬件開發(fā)成本。如果此次引入IDPSS系統(tǒng)成功，可以直接推廣到對其他關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行故障診斷和預(yù)測，此數(shù)據(jù)服務(wù)器、計算機(jī)等資源可以通過工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享，更加體現(xiàn)成本優(yōu)勢。同時，也要看到此系統(tǒng)的不足，在知識獲取方面還沒有實現(xiàn)機(jī)器自動學(xué)習(xí)功能，添加規(guī)則、調(diào)整規(guī)則以及維護(hù)和修改系統(tǒng)的任務(wù)仍然需要知識工程師來完成，針對不同的故障類型，還需要更多的故障診斷與預(yù)測子模塊值得研究。

實踐證明，將人工智能領(lǐng)域中的各種方法有機(jī)結(jié)合，可以大大提高故障診斷的水平和效率，基于知識的故障智能診斷技術(shù)是該領(lǐng)域中最為引人注目且最有發(fā)展前途的研究方向之一，是今后故障診斷領(lǐng)域中的研究熱點。

參考文獻(xiàn)：

[1]張金玉，張煒.裝備智能故障診斷與預(yù)測[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2013

[2]敖志剛.人工智能及專家系統(tǒng) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]呂琛，欒家輝，王立梅，劉紅梅.故障診斷與預(yù)測-原理、技術(shù)及應(yīng)用 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012

作者簡介：

張濤，女，46歲，高級工程師，綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

王立林，男，32歲，工程師，四川長虹電器股份有限公司。