自動(dòng)化故障診斷信息集成模式在軋鋼萬(wàn)能線的研究及應(yīng)用

謝小燕

摘要：本文針對(duì)SIEMENS S7-400PLC構(gòu)成的萬(wàn)能軋機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的故障診斷信息集成模式的研究，模式構(gòu)建了信息采集層，故障診斷層、數(shù)據(jù)管理層、人機(jī)對(duì)話層，建立現(xiàn)場(chǎng)故障智能診斷系統(tǒng)，將分散的故障信息集中在中控室故障診斷信息集成客戶端。所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面友好具有良好的可編程性和擴(kuò)展性，貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，該項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)成功使用以來(lái)，大大降低了設(shè)備故障分析處理時(shí)間，有力保障保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，保證了企業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行，從而保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)自動(dòng)化；工控機(jī)；人機(jī)界面；故障智能診斷系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）04-0241-03

Research and Application of Automatic Fault Diagnosis Information Integration Model in Universal Line

XIE Xiao-yan

（Liangshan Vocational and Technical School，Liangshan 615022， China）

Abstract： Research on fault diagnosis model of information integration based on SIEMENS S7-400PLC of universal mill basic automation system， the model of information collection layer， fault diagnosis layer， data management layer， man-machine dialogue layer， establishing the field of intelligent fault diagnosis system， fault information will be focused on the decentralized control room fault diagnosis information in integrated client. The man-machine interface design has good programmability and scalability， fit the actual project， since the success of research and development， greatly reduces the processing time of equipment failure， a powerful guarantee to ensure normal production， to ensure the smooth production， so as to ensure the economic and social benefits of enterprise.

Key words： basic automation； industrial computer； man-machine interface； intelligent fault diagnosis system.

1 引言

某廠2005年從德國(guó)西門子公司引進(jìn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝建成萬(wàn)能軋機(jī)生產(chǎn)線并投產(chǎn)，軋機(jī)采用SMS萬(wàn)能軋機(jī)和邊軋機(jī)，采用先進(jìn)成熟的七機(jī)架工藝布置，軋制系統(tǒng)壓下系統(tǒng)采用全液壓壓下，軋制系統(tǒng)系統(tǒng)還采用了液壓位置控制系統(tǒng)、輥縫自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有下能動(dòng)態(tài)調(diào)整水平輥動(dòng)態(tài)軸，系統(tǒng)能快速更換軋輥和導(dǎo)衛(wèi)，系統(tǒng)控制精度高等特點(diǎn)。

采用德國(guó)西門子公司的PCS7系統(tǒng)構(gòu)建成軋制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該軋制系統(tǒng)的7個(gè)機(jī)架的軋機(jī)采用一個(gè)接一個(gè)串列方式連接。該控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，現(xiàn)場(chǎng)傳感器及檢測(cè)元件和控制設(shè)備多，現(xiàn)場(chǎng)傳感器、檢測(cè)元件和設(shè)備發(fā)生故障率較高，并且故障沒(méi)有規(guī)律可循，一旦出現(xiàn)故障難以判斷，更難以排除，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。我們提出：控制系統(tǒng)能進(jìn)行智能診斷故障并將故障信息進(jìn)行集成、通過(guò)HMI把故障信息顯示在計(jì)算機(jī)上，這大大縮短生產(chǎn)出現(xiàn)故障的判斷時(shí)間和生產(chǎn)維護(hù)人員的處理故障時(shí)間，極大提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

由該控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)部分可能出現(xiàn)的主要故障有：傳感器檢測(cè)元件故障、PLC硬件系統(tǒng)故障、自動(dòng)化控制系的網(wǎng)絡(luò)部分故障。本文是在原有基礎(chǔ)自動(dòng)化、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP通信控制基礎(chǔ)上，自主研發(fā)故障自診斷，并在客戶端顯示故障綜合信息，將故障信息傳送到中控室故障顯示和報(bào)警，通知維修人員及時(shí)維修。

2 集成模式的構(gòu)成

2.1 集成模式總體構(gòu)成

故障診斷信息集成模式，信息采集層：利用系統(tǒng)原有的現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集與命令執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成；故障智能診斷層：由西門子S7 PLC和工程師站構(gòu)成；故障數(shù)據(jù)管理層：由WINCC6.0組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)構(gòu)成人機(jī)界面，將故障集中顯示到客戶端，由WINCC中SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)將故障信息進(jìn)行分類和記錄；其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

（1）工程師站：在工程師端計(jì)算機(jī)上安裝西門子PCS7 ES軟件，利用該軟件對(duì)S7PLC進(jìn)行等進(jìn)行編程，編程時(shí)需要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中常見(jiàn)故障及常見(jiàn)故障處理方法和該領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)編寫，組成軋鋼控制系統(tǒng)的故障智能診斷系統(tǒng)。

（2）知識(shí)獲?。篜LC控制系統(tǒng)與工程師站連接后，將故障診斷方式及信息輸入PLC系統(tǒng)，對(duì)所記錄信息進(jìn)行擴(kuò)充、效驗(yàn)管理。

（3）故障推理機(jī)：數(shù)據(jù)采集層通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障信息進(jìn)行分析判斷，得出故障原因。

（4）故障評(píng)價(jià)：對(duì)故障原因的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，對(duì)故障信息進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，按照故障的原因的及故障級(jí)別高低排序，讓設(shè)備維修人員采取適當(dāng)措施對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修；

（5）黑板：它用來(lái)存放故障原因信息，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使故障信息與WINCC系統(tǒng)之間完成通信；

（6）故障診斷信息集成人機(jī)界面：人機(jī)界面可以方便設(shè)備維修人員及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題或故障可以通過(guò)人機(jī)界面觀察到，使設(shè)備維修人員及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)維修。

2.2 硬件配置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，系統(tǒng)通信方式采用利用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線方式，完成軋鋼現(xiàn)場(chǎng)各種軋制信息收集和數(shù)據(jù)傳輸，本文研究的系統(tǒng)中增加故障診斷信息集成客戶端，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置如圖2所示：

2.3 軟件配置

編程軟件采用STEP7 V5.2版本，人機(jī)界面軟件采用WINCC V6.0版本，現(xiàn)場(chǎng)傳感器等檢測(cè)元件檢測(cè)到的故障信息通過(guò)SETP7智能從站對(duì)故障進(jìn)行編程，由WINCC對(duì)PLC系統(tǒng)中的硬件故障和系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)故障信息進(jìn)行分析判斷，WINCC中SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)故障信息進(jìn)行管理。

3 故障診斷智能判斷系統(tǒng)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件故障

在現(xiàn)代控制系統(tǒng)技術(shù)中檢測(cè)儀表或檢測(cè)系統(tǒng)的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)是檢測(cè)元件（包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件），其作用是直接感受被測(cè)量，并把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成另一種信息的物理量，或把敏感元件的輸出量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成其他形式的物理量，以便于信號(hào)的傳輸、處理和顯示。在控制系統(tǒng)中檢測(cè)元件的狀態(tài)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)構(gòu)成一定的邏輯關(guān)系，通過(guò)人機(jī)界面觀察檢測(cè)元件的邏輯狀態(tài)就可以斷定軋鋼生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的故障狀態(tài)。

3.2 傳感器故障

本軋鋼生產(chǎn)控制系統(tǒng)中使用的傳感器有位移、壓力、溫度等傳感器，其檢測(cè)信號(hào)可以是模擬量也可以是數(shù)字量直接輸入PLC作為控制信號(hào)，若PLC中出現(xiàn)傳感器讀值超限，便可以判斷傳感器檢測(cè)的位置處于何故障狀態(tài)；

3.3 智能從站故障

智能從站主要由整流器、逆變器和ET200站構(gòu)成，智能從站帶有CPU可以進(jìn)行一些控制任務(wù)的處理，智能從站可以主動(dòng)的向主站發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)配置通信接口區(qū)，主站可以選擇性地接收智能從站的數(shù)據(jù)，智能從站可以選擇性地接受主站的數(shù)據(jù)，智能從站之間可以通過(guò)DX的方式完成相互之間的通信。

3.4 PLC硬件系統(tǒng)故障診斷

組態(tài)軟件WINCC V6.0版本，能夠直接調(diào)用PLC硬件狀態(tài)信息，并且?guī)в杏布收显\斷功能，本文在設(shè)計(jì)人機(jī)監(jiān)控畫面時(shí)，直接采取調(diào)用此功能方式。這樣就可以直接對(duì)PLC硬件系統(tǒng)、PLC從站硬件進(jìn)行診斷。

3.5 網(wǎng)絡(luò)故障

本控制系統(tǒng)有兩種網(wǎng)絡(luò)，一是工業(yè)以太網(wǎng)，主要是 PLC之間的通訊采用。二是Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，主要是PLC與現(xiàn)從站之間網(wǎng)絡(luò)通訊采用。本文在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，分析數(shù)據(jù)丟失及數(shù)據(jù)丟失頻率，就可診斷網(wǎng)絡(luò)故障及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行趨勢(shì)。

4 故障診斷信息集成模式的研究

4.1 建立數(shù)據(jù)管理層

本軋鋼控制生產(chǎn)線有個(gè)機(jī)架，這7個(gè)機(jī)架分別由7套PLC控制， 每套PLC檢測(cè)到數(shù)據(jù)信息通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸給服務(wù)器，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的狀況進(jìn)行監(jiān)控。7個(gè)機(jī)架7套PLC設(shè)置7個(gè)故障診斷層，用二進(jìn)制變量表示診斷結(jié)果，將故障信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后與WINCC服務(wù)器通訊；傳動(dòng)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)故障趨勢(shì)所需變量連接到WINCC變量表中，其連接結(jié)構(gòu)如圖3所示：

以1號(hào)機(jī)架為例說(shuō)明WINCC變量表中數(shù)據(jù)交換模塊的定義方式，1號(hào)機(jī)架換輥小車故障信息匯總用“UR1_stand_1”中的 “W_WORK_IN1” 字表示；1號(hào)機(jī)架主軸支撐架故障信息匯總用“W_WORK_IN2” 字表示；1號(hào)主傳動(dòng)速度給定用“R_REAL_IN1” 字表示；1號(hào)主傳動(dòng)速度反饋用 “R_REAL_IN2”字表示。以此類推，其他機(jī)架的故障信息集的一樣定義。在PLC系統(tǒng)中建立數(shù)據(jù)與WINCC數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，趨勢(shì)分析變量送到WINCC數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存并用于趨勢(shì)分析。

4.2 故障診斷信息人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用WINCC圖象化編輯，7套機(jī)架所對(duì)應(yīng)的控制器PLC將故障信息傳送到WINCC，通過(guò)人機(jī)界面顯示故障信息，WINCC調(diào)用數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行趨勢(shì)分析，畫面布局，最下一排圖標(biāo)表示機(jī)架號(hào)，中左部畫面為設(shè)備布局表，右畫面為故障診斷畫面，點(diǎn)擊報(bào)警的指示燈按鈕，調(diào)出相應(yīng)故障詳細(xì)信息子畫面，然后進(jìn)行相應(yīng)查詢與操作。設(shè)備維護(hù)維修人員可以通過(guò)人機(jī)界面調(diào)出傳動(dòng)各參數(shù)趨勢(shì)圖，對(duì)傳動(dòng)各參數(shù)最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差值進(jìn)行分析及判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，以及對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判斷，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)檢，保障設(shè)備的正常運(yùn)行，保障企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本生產(chǎn)線自動(dòng)化故障診斷信息集成模式的設(shè)計(jì)、研究與項(xiàng)目的實(shí)施，該生產(chǎn)線設(shè)備的安全性、設(shè)備運(yùn)行的可靠性都有較大提高，從而大大減少了故障后人工判斷故障處理故障的時(shí)間，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化故障診斷信息集成模式能夠滿足某軋鋼廠的實(shí)際需求，所設(shè)計(jì)人機(jī)界面友好，具有良好的可編程性和擴(kuò)展性，保證了企業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行，從而保證了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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