周 律,吳 德,查 亮,林 靈
(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,上海 200093)
隨著控制技術(shù)、計算機通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,基于這幾個技術(shù)融合建立的遠程故障診斷與維護系統(tǒng),以其獨有的特點成為了故障診斷行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。采用遠程故障診斷對于制造商和設(shè)備使用企業(yè)都有著明顯的好處,既可為設(shè)備制造商減少維護費用、降低職工的勞動強度、提高維修效率;又可為設(shè)備使用者減少誤工時間、利于控制生產(chǎn)計劃。
本文應(yīng)用的遠程故障診斷與維護技術(shù),是指將PLC作為遠程現(xiàn)場設(shè)備終端信息參數(shù)的采集工具,將PLC遠程通信模塊作為數(shù)據(jù)的傳輸工具,基于先進的3G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對該數(shù)據(jù)進行數(shù)字化、可視化的處理,然后運用數(shù)據(jù)解決設(shè)備故障診斷和維護的問題。實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵有兩部分:一部分是基于網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)通訊,要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議解析問題,是技術(shù)的基礎(chǔ);第二部分是故障診斷的分析方法或者說是解決方案是如何提出的[1],即在故障診斷時,對獲得的數(shù)據(jù)如何進行處理和分析,然后根據(jù)何種方法獲得合理的解決方案。
本文內(nèi)容即針對第二部分的技術(shù)關(guān)鍵,提出了基于三種故障分析方式——“專家診斷數(shù)據(jù)庫”、“PLC軟元件邏輯尋根法”和“虛擬樣機輔助診斷”的有機結(jié)合的遠程故障診斷法。這三種方式依次遞進、不相沖突,有效地解決了故障的分析診斷問題。
遠程故障診斷法是循序漸進的,診斷系統(tǒng)接收到遠程PLC數(shù)據(jù)后,經(jīng)過處理,首先與專家診斷數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的正常范圍或正常值進行比較。如果在正常范圍內(nèi),該路徑退出。如果不在正常值范圍內(nèi),先報警,然后查詢專家診斷數(shù)據(jù)庫中的維修記錄,找到相關(guān)的維修歷史記錄提供給維護人員。如果查詢不到相關(guān)記錄,就運用軟元件邏輯尋根法對故障進行查詢[2]。虛擬樣機輔助診斷是對軟元件邏輯尋根法的一個輔助,它可以使維護人員更直觀的參與到設(shè)備的故障診斷,大大有助于問題的解決。遠程故障診斷法的邏輯圖如圖1所示。
專家診斷數(shù)據(jù)庫是將以往成功的維修記錄采集起來,通過建立起“故障信息——故障原因、位置——維護方法”間的數(shù)據(jù)關(guān)系[3],進而實現(xiàn)對遠程數(shù)據(jù)的分析、診斷和處理,以達到遠程故障診斷與維護的目的。它匯聚了維護工程師的集體智慧,為順利進行設(shè)備故障的診斷提供了理論和經(jīng)驗上的依據(jù)。
圖1 遠程故障診斷法邏輯圖
在故障診斷中,將采集處理后的數(shù)據(jù)首先與數(shù)據(jù)庫中正常范圍的數(shù)據(jù)進行比較。例如,印刷項目中,“進紙正?!痹赑LC中對應(yīng)的軟元件編號是“M880”,假定“M880”的正常值是“1”。獲得“M880”的值是“0”,將該值與數(shù)據(jù)庫中“M880”的常態(tài)值比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)常態(tài)值“1”與實際值“0”不相等,此時報警的同時在數(shù)據(jù)庫中查找歷史診斷記錄,如果有故障記錄則呈現(xiàn)給維護人員,輔助其查找異常原因。
“印刷”項目中為實現(xiàn)遠程設(shè)備運行安全和維護這一需求,以專家診斷數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),結(jié)合用戶權(quán)限管理、設(shè)備信息管理和維修報告管理這另外三個數(shù)據(jù)管理服務(wù),構(gòu)建了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。選用 Microsoft SQL server作為管理工具,使用Microsoft visual studio作為系統(tǒng)程序的開發(fā)平臺,選擇c#.NET作為程序開發(fā)語言所構(gòu)建的,具體實現(xiàn)了人員信息管理、設(shè)備信息管理、專家診斷經(jīng)驗匯聚、設(shè)備維護經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累這四項功能。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫登錄界面將所有能夠登錄的用戶分為四類:總工程師、銷售工程師、技術(shù)工程師和系統(tǒng)管理員。
在網(wǎng)絡(luò)連接區(qū)域內(nèi),選定“用戶名稱”、“設(shè)備型號”、“設(shè)備編號”之后,點擊“連接”,就可以建立同該設(shè)備PLC的通訊。
在操作PLC區(qū)域可以選擇操作的類別,如圖2,系統(tǒng)提供了“查看參數(shù)”和“修改參數(shù)”兩種選擇?!安榭磪?shù)”是讀印刷機PLC數(shù)據(jù)的過程,“修改參數(shù)”是設(shè)置PLC數(shù)據(jù)的過程。在操作PLC區(qū)域,還可以選擇操作指令,選擇操作指令是選擇讀取相應(yīng)單元對應(yīng)的部件狀態(tài),如圖3,通過點擊下拉按鈕,可以選擇對印刷設(shè)備不同部件狀態(tài)進行讀取。
圖2 數(shù)據(jù)庫登錄操作界面一
圖3 數(shù)據(jù)庫登錄操作界面二
建立了同遠程終端設(shè)備——印刷機PLC之間的通訊連接后,點擊“印速”標(biāo)簽就進入設(shè)備監(jiān)控界面,其中,各個項目的內(nèi)容均是實時的,遠程PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)即遠程設(shè)備的實時運行狀態(tài)參數(shù),點擊“故障”標(biāo)簽,就進入實時故障界面[8]。
將采集到的實際數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)比較后,報警軟元件的代號會與數(shù)據(jù)庫中的歷史維修記錄比對,若有匹配的記錄,則可以直接查詢維修記錄,即使用專家診斷數(shù)據(jù)庫。對于沒有匹配記錄的情況就需要用到軟元件邏輯尋根法[6]。
基于這種關(guān)聯(lián)性,提出軟元件邏輯尋根法。即在對遠程機械設(shè)備進行故障診斷時,實時讀取寄存器的數(shù)據(jù)是最直接有效的方法??v向上看,從假設(shè)故障點開始選定三個與該軟元件設(shè)備有直接關(guān)系的軟元件設(shè)備,然后訪問這三個軟元件設(shè)備的值,并判斷該值是否正常。若正常尋找別的假設(shè)點,若三個相關(guān)聯(lián)的點有不正常的點,查詢專家診斷數(shù)據(jù)庫,看是否有解決方案,如果這個不正常點不足以提供更多的數(shù)據(jù)信息,那么再在這個不正常點的基礎(chǔ)上再找出三個相關(guān)的軟元件設(shè)備,依次循環(huán)下去,但最多不超過三個級別。圖4在結(jié)構(gòu)上描述了應(yīng)該注意的事項,為查找與出錯軟件設(shè)備相關(guān)的軟元件設(shè)備,每一個軟元件設(shè)備的相關(guān)軟元件設(shè)備不超過五個。首先,要在PLC程序中,找出各個關(guān)鍵點或監(jiān)控點的與其有直接關(guān)系的軟元件設(shè)備。再次,將找到的關(guān)系放入數(shù)據(jù)庫中,并建立一定的聯(lián)系,使維護人員容易查找。最后,對于出錯的軟元件設(shè)備逐次逐個去查找與其有關(guān)系的軟元件設(shè)備的值,有異常值就去追究原因,改正或者提出可行的解決方案,提供給遠程設(shè)備用戶。
圖4 邏輯尋根法結(jié)構(gòu)圖
利用前兩種方法可以基本實現(xiàn)遠程故障診斷,但由于維護人員不能夠真實的看到設(shè)備的工作環(huán)境,不知道現(xiàn)場設(shè)備的內(nèi)部運行狀況,所以在進行設(shè)備檢修時容易忽略掉某些關(guān)鍵的機構(gòu)關(guān)系,特別是對經(jīng)驗較少的維護人員。因此,提出虛擬樣機輔助法來解決這個難題[4]。利用虛擬樣機輔助法可以實施驅(qū)動虛擬樣機設(shè)備,使遠程維護人員直觀的看到設(shè)備的內(nèi)部運行狀況、理清機械設(shè)備內(nèi)部的機構(gòu)關(guān)系、而且能夠大大節(jié)省工作人員的勞動強度,提高工作效率。
虛擬設(shè)備樣機是實現(xiàn)虛擬設(shè)備運行的基礎(chǔ),該方法中所需要的虛擬樣機不同于傳統(tǒng)的虛擬樣機,傳統(tǒng)的虛擬樣機由于多用于設(shè)計階段或制造仿真,對模型的細節(jié)等各方面要求較高,且模型屬于靜態(tài)模型,不能夠通過外部數(shù)據(jù)進行驅(qū)動實現(xiàn)相應(yīng)的動作。本方法中需要的虛擬設(shè)備樣機建模過程如圖5。
同時,在虛擬設(shè)備建模時應(yīng)該注意這幾個問題:
(1)構(gòu)建虛擬幾何模型時,要注意模型的命名。虛擬設(shè)備最終運動的實現(xiàn),是通過高級語音或者虛擬交互語言編程控制的,為了便于程序語言的編寫,需要對模型的命名進行規(guī)范,一般采用有層次的命名方式,并對模型的相關(guān)信息進行管理。例如圖6:YSJ_YSZZ_YSguntong01(印刷滾筒)
(2)對模型簡化處理時,要注意簡化得當(dāng)。
(3)為了增加模型的真實感,需要對零件進行貼圖處理。
(4)模型的定位與裝配,應(yīng)遵循實際零部件的相對位置關(guān)系。
在進行虛擬設(shè)備的動作控制時,同現(xiàn)實中一樣,也是通過對虛擬設(shè)備的若干個運動單元的控制來實現(xiàn)的。因此要實現(xiàn)虛擬設(shè)備的動作控制時就要先討論虛擬設(shè)備動作單元的動作控制。
圖5 虛擬設(shè)備樣機的建模流程
圖6 模型命名方式
(1)虛擬設(shè)備的動作單元
對于一臺現(xiàn)實世界里的機械設(shè)備來說,組成設(shè)備的基本單元是設(shè)備的零部件,整個設(shè)備的運行,是各零部件協(xié)調(diào)運動的結(jié)果。對于一臺虛擬的運行設(shè)備而言也是一樣的,虛擬設(shè)備各零部件的協(xié)調(diào)動作,構(gòu)成了虛擬設(shè)備的動作單元。
(2)動作單元在VRML中的描述
不同運動單元的協(xié)調(diào)運動構(gòu)成了設(shè)備的運行,那么要將實際的設(shè)備搬到虛擬空間VRML(Virtual Reality Modeling Language)中,這些運動單元應(yīng)該如何被描述:在VRML中描述一個動作單元的控制需要涉及到屬性節(jié)點、動作描述節(jié)點和事件路由三個要素。
a.屬性節(jié)點。屬性節(jié)點主要是指虛擬場景中對象外觀、形狀、位置等參數(shù)的描述。通過改變這些參數(shù),可以實現(xiàn)對象的動作描述,以膠印機滾刀屬性節(jié)點的描述舉例如下:
b.動作控制描述節(jié)點。動作單元設(shè)計中動作控制的描述通過以下兩種方法實現(xiàn):一種是通過VRML提供的內(nèi)部感應(yīng)器與內(nèi)插器,定義簡單動作的控制描述;另一種是通過Script腳本節(jié)點編寫程序腳本,定義復(fù)雜動作控制的描述,語法結(jié)構(gòu)如下:
利用程序腳本和Script節(jié)點,編寫與動作單元相適應(yīng)的感應(yīng)器和內(nèi)插器,就可以創(chuàng)建動作節(jié)點,用于虛擬場景中復(fù)雜動作的描述。
c.事件路由
一個虛擬對象即使構(gòu)建了屬性節(jié)點和動作控制描述節(jié)點,其在虛擬空間仍然是靜止的,要讓虛擬對象按照虛擬動作的設(shè)定來進行動作,就需要構(gòu)造VRML的綁定指令,通過事件路由來控制其動作。VRML綁定包括:綁定在一起的一對節(jié)點,以及兩個節(jié)點間的綁定路由。路由ROUTE的語言結(jié)構(gòu)如下:
ROUTE mouseclick.touchTime TO changecol-or.clicked
ROUTE hangecolor.color TO xx.diffuseColor
以上ROUTE語句表示用鼠標(biāo)點擊事件發(fā)出“changecolor”的點擊事件,然后“changecolor”顏色的改變值傳給xx節(jié)點中diffuseColor的屬性值,最終使得xx節(jié)點的顏色改變。對于一個虛擬設(shè)備的事件路由控制如圖7。
針對動作單元的動作,使用VRML提供的內(nèi)部感知器與插補器進行動作描述,與時間傳感器相結(jié)合,通過腳本節(jié)點的定義接收事件控制信號,將事件控制信號的參數(shù)變量,經(jīng)路由到時間感知器的事件,再經(jīng)過插補器的動作描述,最終經(jīng)路由到屬性節(jié)點,控制屬性節(jié)點屬性的變化,進而實現(xiàn)動作單元的動作。
圖7 事件路由控制過程
這里所說的虛擬設(shè)備實時驅(qū)動包括兩種驅(qū)動:
第一種是監(jiān)控中心接收到遠程設(shè)備的數(shù)據(jù),然后通過數(shù)據(jù)的解析,獲取能夠反映設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù),例如電動機的轉(zhuǎn)速等,以驅(qū)動虛擬設(shè)備的運動。第二種是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障,通過遠程故障診斷能夠快速鎖定故障發(fā)生的位置,并能夠?qū)崟r驅(qū)動顯示虛擬設(shè)備的故障位置,實現(xiàn)故障定位[9]。
(1)虛擬設(shè)備運行控制
對于以PLC為控制核心的機械設(shè)備來說,能夠反映其運行狀況的參數(shù)為關(guān)鍵控制部位的參數(shù),如電機的轉(zhuǎn)速、編碼器的值等,都能直接或間接地反映設(shè)備的實際運行情況[5]。但需要了解的是,從遠程設(shè)備不可能得到虛擬設(shè)備所有運動單元所需的數(shù)據(jù),實際上得到的實時數(shù)據(jù)是有限的。為準(zhǔn)確的反映設(shè)備的運行情況,這就需要研究設(shè)備的客觀規(guī)律,即實時驅(qū)動數(shù)據(jù)到虛擬設(shè)備運行間的映射關(guān)系。以一臺PLC控制的印刷機為例,能反映該印刷機水輥運行情況的參數(shù)有:水輥的轉(zhuǎn)速,在X、Y上的進給速度。從PLC上直接獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)有水輥的轉(zhuǎn)速,X、Y方向伺服電機的轉(zhuǎn)速。這里面存在著映射關(guān)系:
a.機床的轉(zhuǎn)速=水輥電機的轉(zhuǎn)速×傳動比
b.X方向的進給速度=X方向電機轉(zhuǎn)速×傳動比×系數(shù)
c.Y方向的進給速度=Y(jié)方向電機轉(zhuǎn)速×傳動比×系數(shù)
通過以上三個關(guān)系,只要獲取了PLC內(nèi)部的相關(guān)參數(shù),就能夠反映出該設(shè)備當(dāng)前的運行狀況。在VRML虛擬環(huán)境下,通過事件路由的思想,將參數(shù)信息傳遞給虛擬設(shè)備單元,控制單元節(jié)點的屬性變化,從而實現(xiàn)虛擬設(shè)備的運動。
(2)虛擬設(shè)備故障位置的定位
在虛擬遠程故障診斷與維護中,對于一臺發(fā)生故障的機械設(shè)備,要求在進行故障分析的同時,也能夠快速定位到故障發(fā)生的位置,并能在虛擬設(shè)備上顯示出來,并用不同的顏色區(qū)別出來[7]。由于通過結(jié)合專家診斷數(shù)據(jù)庫和軟元件邏輯尋根法,可以知道故障位置虛擬設(shè)備節(jié)點的名稱,根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系,設(shè)置一個新的路由,通過路由改變節(jié)點的顏色屬性值就可以了。圖8即為“印刷”項目中故障點的定位。
圖8 故障節(jié)點顯示
以下的程序定義了ColorInterpolator插補器,還定義了TimeSensor時間傳感器,并設(shè)置了有效的路由路徑,該段程序代碼的功能是實現(xiàn)設(shè)備顏色的閃爍。在進行故障位置定位時,只需經(jīng)鎖定故障位置節(jié)點名稱后,執(zhí)行該段代碼。其中“guadao”是假設(shè)故障位置節(jié)點的名稱,可以換掉。通過以上步驟即可為遠程故障診斷系統(tǒng)搭建一個虛擬運行平臺,在故障診斷的同時利用虛擬設(shè)備反映遠程終端設(shè)備當(dāng)前的運行狀況,并且在系統(tǒng)檢測到故障點時,實時在虛擬設(shè)備上顯示[10]。
通過對遠程設(shè)備故障診斷方法的研究,列舉遠程故障診斷方法在實際項目中的應(yīng)用實例,對提出的三種故障診斷方法進行了詳細的論述,并給出三種方法結(jié)合使用的邏輯結(jié)構(gòu),最終證明其正確性和可行性,可以應(yīng)用于相關(guān)的工程項目。
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