胥 軍，尹家亮，翁啟孟，李剛炎

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

彩砂具有色彩豐富、色澤均勻、著色穩(wěn)固等特點(diǎn)，被廣泛用于建筑裝修。由于我國(guó)天然彩砂資源已瀕臨枯竭、以礦物顆粒為原料、混合加入特殊涂層和無(wú)機(jī)顏料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備的人造彩砂得到了大力發(fā)展[1-3]。目前，用于人造彩砂制備的彩砂生成線規(guī)模大、工藝復(fù)雜、設(shè)備規(guī)格與控制要求各不相同，在連續(xù)大批量生產(chǎn)過(guò)程中，若線體設(shè)備未能得到有效管理、故障未能及時(shí)偵測(cè)并排除，將會(huì)導(dǎo)致線體停機(jī)，甚至引發(fā)重大安全事故。為此，亟需一種集控制與設(shè)備管理于一體的彩砂生成線管控系統(tǒng)，以提升線體的運(yùn)維效率。筆者結(jié)合自動(dòng)控制、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)了一種彩砂生成線管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端模塊與現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并基于所提出的滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)法和超時(shí)限故障診斷法判定故障、定位故障源，經(jīng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端向移動(dòng)終端發(fā)布故障短消息，由設(shè)備維管人員競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)答并及時(shí)處理線體設(shè)備故障，以保障線體安全可靠運(yùn)行。

1 彩砂生成線總體結(jié)構(gòu)

1.1 彩砂生成線結(jié)構(gòu)分析

所涉及的彩砂生成線結(jié)構(gòu)如圖1所示，線體總長(zhǎng)達(dá)125 m。彩砂生成工藝流程包括：原砂由原砂儲(chǔ)存料倉(cāng)經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)與皮帶輸送機(jī)輸送至原砂計(jì)量斗計(jì)量稱(chēng)重；配料結(jié)束后，定量原砂被皮帶輸送機(jī)輸送至混料燒成冷卻子系統(tǒng)，由犁刀式混合機(jī)、烘干機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)等設(shè)備依次完成彩砂的混合、干燥、煅燒、冷卻工序，生成人工彩砂；彩砂生成后通過(guò)目標(biāo)儲(chǔ)存?zhèn)}位選擇，經(jīng)進(jìn)料輸送系統(tǒng)將其輸送至成品料儲(chǔ)存料倉(cāng)等待出庫(kù)，出料輸送線將成品彩砂輸出并稱(chēng)重計(jì)量、包裝。

圖1 彩砂生成線結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 彩砂生成線管控系統(tǒng)構(gòu)架

為平衡線體的控制與管理任務(wù)，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和監(jiān)控模塊的基礎(chǔ)上，添加遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于“PLC(programmable logic controller)-RTU(remote terminal unit)-Mobile Internet”模式的彩砂生成線管控系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2所示，集成線體設(shè)備故障信息遠(yuǎn)程發(fā)布功能，將本地監(jiān)控拓展為本地監(jiān)控/遠(yuǎn)程監(jiān)管雙模式。

圖2 彩砂生成線管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本管控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)料位、稱(chēng)重、溫度等傳感器及智能電表獲取線體設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，將其存入PLC內(nèi)部?jī)?chǔ)存寄存器供邏輯判斷。本地監(jiān)控模塊將PLC地址與組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)應(yīng)，將采集的數(shù)據(jù)以圖形動(dòng)畫(huà)的形式直接呈現(xiàn)在本地監(jiān)控界面上；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)持續(xù)地以時(shí)間或事件觸發(fā)的方式存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)[4]；在線體能耗監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與順序控制模式的基礎(chǔ)上，遴選故障訓(xùn)練樣本，綜合應(yīng)用滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)法和超時(shí)限故障診斷法，定位故障源、判定故障等級(jí)，并將故障信息以指令形式反饋至PLC。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端經(jīng)RS485總線與PLC實(shí)時(shí)通信，接收故障信號(hào)，并通過(guò)GSM(global system for mobile communication)的SMS(short message service)服務(wù)平臺(tái)[5-7]發(fā)送/接收預(yù)設(shè)內(nèi)容的短消息，實(shí)現(xiàn)故障信息的遠(yuǎn)程發(fā)布。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

彩砂生成線管控系統(tǒng)采用“主-從”式控制模式，選用三菱Q02H PLC作為主站，負(fù)責(zé)線體數(shù)據(jù)處理與邏輯運(yùn)算；基于CC-Link總線構(gòu)建主站與從站的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸入/輸出模塊、遠(yuǎn)程智能電表采集站與主站的數(shù)據(jù)傳輸；分別選用智能電表、三菱遠(yuǎn)程數(shù)字I/O模塊、遠(yuǎn)程模擬量輸入模塊作為從站，負(fù)責(zé)分布式數(shù)據(jù)采集與節(jié)點(diǎn)控制。

彩砂生成線管控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，通過(guò)在其上安裝SIM(subscriber identity module)卡并進(jìn)行相應(yīng)的功能配置以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)故障短消息的發(fā)送與維修應(yīng)答接收。本地監(jiān)控主機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接Q02H PLC的通信模塊，監(jiān)控程序采用FameView組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，以實(shí)時(shí)獲取線體設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令。

彩砂生成線管控系統(tǒng)主要硬件如表1所示。

表1 主要硬件選型

3 管控系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

彩砂生成線管控系統(tǒng)應(yīng)用軟件包括線體控制程序、故障診斷程序和監(jiān)控程序。線體控制程序是線體設(shè)備數(shù)據(jù)采集與邏輯控制的基礎(chǔ)；故障診斷程序以超時(shí)限故障診斷法和滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)法為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)線體故障診斷；本地監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)線體設(shè)備作業(yè)信息的可視化表達(dá)。

3.1 線體控制程序開(kāi)發(fā)

線體控制程序是整個(gè)管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主控制器實(shí)時(shí)接收、處理各設(shè)備信號(hào)，保障線體按照工藝流程自動(dòng)化生產(chǎn)。程序的主函數(shù)包括：主時(shí)序程序、初始化程序、原料入料運(yùn)行子程序、混料燒成冷卻運(yùn)行子程序、成品料儲(chǔ)存存庫(kù)運(yùn)行子程序5個(gè)部分，各個(gè)子程序分段依次連接組成程序本體，程序總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制程序結(jié)構(gòu)

3.2 故障診斷程序開(kāi)發(fā)

3.2.1 滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)算法

在彩砂生成線投入運(yùn)行后，依據(jù)線體的開(kāi)機(jī)時(shí)數(shù)和智能電表統(tǒng)計(jì)的能耗值，可得到每天單位時(shí)間內(nèi)的能耗值，以此構(gòu)造能耗數(shù)據(jù)集。正常情況下各設(shè)備的平均能耗值會(huì)在一定范圍內(nèi)正常波動(dòng)，若某日統(tǒng)計(jì)的單位時(shí)間能耗值超過(guò)能耗波動(dòng)域值的次數(shù)大于設(shè)定的次數(shù)時(shí)，則逸出當(dāng)日數(shù)據(jù)。初始化數(shù)據(jù)處理完畢后，從新生成的數(shù)據(jù)庫(kù)里篩選出最新限制時(shí)間段的合理獨(dú)立實(shí)體，并以冒泡法進(jìn)行單位時(shí)間的能耗值排序，得出限定日期內(nèi)單位時(shí)間的最小與最大能耗值。將目標(biāo)日內(nèi)實(shí)時(shí)采集的單位時(shí)間能耗值與最大/最小能耗值進(jìn)行比較，若目標(biāo)日統(tǒng)計(jì)的單位時(shí)間能耗值超過(guò)更新的能耗波動(dòng)閾值的次數(shù)大于設(shè)定的次數(shù)時(shí)，則逸出當(dāng)日數(shù)據(jù)并觸發(fā)故障報(bào)警信號(hào)；反之，則判定設(shè)備正常運(yùn)行。

以10日滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)法為例，具體算法流程如圖4所示。

圖4 滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)算法流程圖

3.2.2 超時(shí)限故障診斷法

線體各工序在自動(dòng)工作循環(huán)中的單次工時(shí)皆有一定時(shí)限，若超出限定時(shí)長(zhǎng)且未觸發(fā)下一工序的動(dòng)作執(zhí)行信號(hào)，則判定線體運(yùn)行出現(xiàn)故障。在彩砂生成的主流程控制程序結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)工序動(dòng)作定時(shí)器，建立基于順序控制模式的超時(shí)限故障診斷模塊，其程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 超時(shí)限故障診斷模塊程序結(jié)構(gòu)

圖5為彩砂生成線控制程序的重要組成部分，其被依次劃分為P(n-2)～P(n+3)6個(gè)工序，分別實(shí)現(xiàn)彩砂生成的入料、混合、干燥、回轉(zhuǎn)煅燒、冷卻、存儲(chǔ)工藝過(guò)程。T(n-2)～T(n+3)分別為對(duì)應(yīng)工序的動(dòng)作超時(shí)定時(shí)器，用于線體設(shè)備運(yùn)行的故障檢測(cè)。對(duì)應(yīng)工序的轉(zhuǎn)換條件K(n-2)～K(n+3)為外部輸入信號(hào)與可編程控制器內(nèi)部軟元件信號(hào)的邏輯組合。

在彩砂生成工藝流程中，若某一道工序出現(xiàn)故障，則在該工序的限定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，轉(zhuǎn)換條件的邏輯信號(hào)狀態(tài)未被改變，連續(xù)生產(chǎn)的工藝過(guò)程出現(xiàn)停滯狀態(tài)。此時(shí)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的線體作業(yè)數(shù)據(jù)執(zhí)行故障診斷算法，準(zhǔn)確地定位線體設(shè)備故障源，并觸發(fā)特定故障狀態(tài)的報(bào)警信號(hào)。

筆者選用單隱含層的BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)故障診斷算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)函數(shù)采用Sigmoid函數(shù)[8]。若以F(n-1)表示在P(n-1)工序的設(shè)備狀態(tài)，則F(n-1)與K(n-1)、P(n-1)、T(n-1)之間的關(guān)系可表示為：

(1)

3.3 監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)

本地監(jiān)控程序采用FameView組態(tài)軟件、SQLSever2016數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)。綜合考慮人機(jī)界面設(shè)計(jì)規(guī)范與監(jiān)控界面需實(shí)現(xiàn)對(duì)彩砂生成線運(yùn)行設(shè)備監(jiān)控的需求，在組態(tài)軟件上執(zhí)行畫(huà)面制作、數(shù)據(jù)庫(kù)連接、用戶(hù)編程等操作，將監(jiān)控界面分為主監(jiān)控界面與子監(jiān)控界面，對(duì)線體生產(chǎn)管理的基本信息和監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行可視化表達(dá)[9]。主監(jiān)控界面顯示的主要信息包括各設(shè)備工作狀態(tài)指示、儲(chǔ)存料倉(cāng)的料位、原砂與彩砂計(jì)量斗的質(zhì)量、系統(tǒng)登錄信息、系統(tǒng)報(bào)警信息及歷史數(shù)據(jù)信息，并可切換至局部監(jiān)控界面查看設(shè)備運(yùn)行的仿真動(dòng)畫(huà)。局部監(jiān)控界面涵蓋原砂計(jì)量斗、混合機(jī)、干燥機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)、儲(chǔ)存料倉(cāng)、供熱排煙機(jī)、輸送電機(jī)等線體的核心設(shè)備。

本地監(jiān)控主機(jī)采用FameView組態(tài)軟件自帶的Web服務(wù)器對(duì)彩砂生成線自動(dòng)控制系統(tǒng)的作業(yè)信息進(jìn)行發(fā)布[10]，局域網(wǎng)內(nèi)擁有權(quán)限的人員可通過(guò)連接WIFI(wireless fidelity)訪問(wèn)系統(tǒng)的監(jiān)控界面，查看各設(shè)備的運(yùn)行狀況。彩砂生成線本地監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 彩砂生成線本地監(jiān)控系統(tǒng)框架

3.4 故障短消息報(bào)警與競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)答服務(wù)

彩砂生成線一旦發(fā)生故障，立即通過(guò)系統(tǒng)的診斷功能定位故障源，依據(jù)故障的等級(jí)劃分，選擇立即停車(chē)、聲光報(bào)警，或是帶故障運(yùn)行等應(yīng)急措施，并將故障信號(hào)通過(guò)RS485總線傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端，由其以預(yù)設(shè)的短消息內(nèi)容發(fā)送給授權(quán)維管人員請(qǐng)求故障維修。故障等級(jí)劃分及相應(yīng)的故障處理方法如表2所示。

表2 故障分類(lèi)及處理方法

故障短消息發(fā)送后，各授權(quán)維管人員可通過(guò)短消息回復(fù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端將最先回復(fù)的維管人員視為本次故障的維修人員，并通知其他維管人員不必前來(lái)維護(hù)。因此可減輕線體巡檢作業(yè)強(qiáng)度、減少線體的維管人員配比，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管。

4 功能驗(yàn)證

為驗(yàn)證彩砂生成線管控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，以Q02H PLC為核心搭建彩砂生成線管控系統(tǒng)硬件平臺(tái)，利用FameView組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)本地監(jiān)控程序，管控系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 本地監(jiān)控界面

采用故障源模擬注入的方式，測(cè)試系統(tǒng)短消息報(bào)警功能。結(jié)合線體實(shí)際工況，分別模擬回轉(zhuǎn)窯故障、混合機(jī)故障、線體運(yùn)行誤操作、能耗異常等工況，系統(tǒng)測(cè)試記錄如表3所示。

從表3可知，移動(dòng)終端接收故障短消息時(shí)間存在一定的延遲，但其最大延遲未超過(guò)20 s，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求；同時(shí)也驗(yàn)證了所提出的故障診斷算法能夠準(zhǔn)確定位故障源，大幅縮短了故障查找時(shí)間，提高了線體運(yùn)維效率。

表3 故障報(bào)警結(jié)果

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種集線體控制與設(shè)備管理功能于一體的彩砂生成線管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線體控制與設(shè)備管理功能的集成，可保障線體連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的安全可靠。通過(guò)將該管控系統(tǒng)應(yīng)用于某彩砂生成線的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，得到如下結(jié)論：

(1)彩砂生成線管控系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備作業(yè)的可視化監(jiān)控，還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障自動(dòng)診斷、并將故障信息遠(yuǎn)程發(fā)布，指導(dǎo)維管人員快速排除故障。

(2)所提出的超時(shí)限故障診斷法和滑動(dòng)均值統(tǒng)計(jì)法與采用的控制器型號(hào)無(wú)關(guān)，兼容性較高，可推廣到各類(lèi)礦業(yè)自動(dòng)化加工設(shè)備和生產(chǎn)加工線中。