基于PAC系統(tǒng)的棒材連扎線控制系統(tǒng)

汪曙峰，方康玲，劉宇

引言
　　
這幾年許多軋鋼廠棒材連扎線老化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受到軌道溫度、速度等外界因素的影響，不易控制，經(jīng)常出現(xiàn)故障影響生產(chǎn)效率。以往技術(shù)人員雖然在處理故障和問(wèn)題時(shí)采用了半結(jié)構(gòu)化方法，即一方面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信息要現(xiàn)場(chǎng)收集大量數(shù)據(jù)，并對(duì)其作計(jì)算和估算，同時(shí)還要借助自己長(zhǎng)期積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，才能對(duì)問(wèn)題做出回答。這種人工方法速度很慢，如果對(duì)一些相關(guān)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、處理不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不正常影響生產(chǎn)。鑒于上述情況，有必要?jiǎng)?chuàng)建統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，來(lái)在線地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和處理，對(duì)連扎線做出最優(yōu)控制，及時(shí)的給出故障原因和操作指導(dǎo)，從而使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1 硬件結(jié)構(gòu)：
　　
控制系統(tǒng)有兩大主要任務(wù)：一是完成在線監(jiān)測(cè)控制，包括采集傳感器的輸出信號(hào)和傳感器數(shù)據(jù)的預(yù)處理，系統(tǒng)根據(jù)這些信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的控制指令控制整條連扎線的運(yùn)轉(zhuǎn)，并監(jiān)測(cè)連扎線各個(gè)部分的運(yùn)行情況，隨時(shí)提供預(yù)警信息;二是完成故障診斷任務(wù)。在此控制系統(tǒng)中，按結(jié)構(gòu)分為兩部分：數(shù)據(jù)采集單元和中心處理單元。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理的任務(wù)，然后將這些信號(hào)送到中心處理單元里;中心處理單元負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和診斷，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制和故障診斷功能，并將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器中。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



圖1：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
　　
1.1數(shù)據(jù)采集單元
　　
數(shù)據(jù)采集單元直接安裝固定在工程機(jī)械各主要部位上，完成傳感器標(biāo)定和校準(zhǔn)，工況參數(shù)采集、信號(hào)的特征提取。數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換組成。開發(fā)一個(gè)控制系統(tǒng)的首要任務(wù)就是選擇適當(dāng)?shù)墓r參數(shù)，所謂適當(dāng)，就是所測(cè)取的信號(hào)能夠迅速而準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化，能反映工程機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的特征信息多種多樣。選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量參數(shù)非常重要。本系統(tǒng)是以棒材連扎線為控制對(duì)象，選取制動(dòng)板、分離板、冷床電機(jī)的轉(zhuǎn)速、動(dòng)作時(shí)間，連扎線軌道速度、溫度和扎件直徑等參數(shù)為檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)行連扎線的監(jiān)測(cè)控制和故障診斷。
　　
1.2 中心處理單元
　　
最初考慮采用傳統(tǒng)的PLC+工控機(jī)方式，由PLC處理信號(hào)的采集、邏輯處理、輸出控制，由工控機(jī)進(jìn)行算法的實(shí)現(xiàn)和人機(jī)對(duì)話，此方案主要面臨兩大問(wèn)題：穩(wěn)定性，通常PC的通用操作系統(tǒng)不能提供用于控制足夠的穩(wěn)定性;可靠性，由于PC帶有旋轉(zhuǎn)的磁性硬盤和非工業(yè)性牢固的部件，如電源，這使得它更容易出現(xiàn)故障。考慮到現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣、操作臺(tái)空間有限，故選取PAC方式作為開發(fā)環(huán)境。PAC 全稱Programmable Automation Controller，自提出這個(gè)概念以來(lái)，作為近年來(lái)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)最為重要的發(fā)展趨勢(shì)之一，PAC受到了自動(dòng)化業(yè)界及終端用戶的廣泛關(guān)注?？删幊套詣?dòng)化控制器（PAC）作為新一代的工業(yè)控制器，結(jié)合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢(shì)，以及PLC固有的可靠性、堅(jiān)固性和分布特性。作為一種多功能的控制平臺(tái)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，組合和搭配相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)功能的側(cè)重，因?yàn)榛谕话l(fā)展平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，所以采PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性，而不僅是一個(gè)完全無(wú)關(guān)的部件拼湊成的集合體。
　　
本系統(tǒng)中心處理單元采用了BECKHOFF公司CX1000型PAC。BECKHOFF公司的CX1000 控制系統(tǒng)是為中等規(guī)模的控制任務(wù)而設(shè)計(jì)的。它集工業(yè)PC和硬件PLC之精華，是一種可以安裝在C型導(dǎo)軌上的模塊化控制系統(tǒng)，并可以根據(jù)用戶的需要將各種系統(tǒng)組件接插在一起，完成各種復(fù)雜的控制任務(wù)。該產(chǎn)品系列是為那些需要有工業(yè)PC的特性和計(jì)算能力，但由于工程預(yù)算方面的原因又不打算購(gòu)買全套工業(yè)PC的客戶而設(shè)計(jì)的。CX1000系列系統(tǒng)模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)可以選用Windows CE.NET操作系統(tǒng)或者嵌入式 Windows XP操作系統(tǒng)。在此單一系統(tǒng)中，可提供理想的可視化和實(shí)時(shí)連續(xù)控制。

2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
　　
軟件系統(tǒng)的操作平臺(tái)選擇微軟的Windows CE操作系統(tǒng)，開發(fā)工具為Embedded VC++4.0。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)控制模塊、故障診斷模塊。軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存放個(gè)信號(hào)采集單元的工況數(shù)據(jù)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理截面可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的選擇、導(dǎo)入和導(dǎo)出等功能。監(jiān)測(cè)控制模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷生產(chǎn)狀況，對(duì)扎線各部分發(fā)出適合的控制指令。故障診斷模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和用戶人工輸入進(jìn)行故障診斷，給出診斷結(jié)論和操作、維修措施等。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。



圖2 ：系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
　　
2.1 監(jiān)測(cè)控制模塊
　　
監(jiān)測(cè)控制模塊對(duì)進(jìn)入CX1000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控，針對(duì)各個(gè)器件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況隨時(shí)給出預(yù)警信息，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算得出控制指令對(duì)整個(gè)扎線進(jìn)行自動(dòng)控制。此模塊主要分為三部分：電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分;倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分;倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分。電機(jī)時(shí)間檢測(cè)部分通過(guò)對(duì)電機(jī)動(dòng)作時(shí)間測(cè)量裝置，測(cè)量得到一系列電機(jī)高位落到低位的時(shí)間。根據(jù)這些時(shí)間數(shù)據(jù)，以中值濾波為基礎(chǔ)，采用具有自學(xué)習(xí)功能的加權(quán)均值濾波算法對(duì)時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到電機(jī)的下一次動(dòng)作的精確時(shí)間。此算法規(guī)定：數(shù)據(jù)序列中的每個(gè)數(shù)據(jù)均包含有一定的信息，最新數(shù)據(jù)所含有效信息越多，越老的數(shù)據(jù)所含有效信息越少，因此在預(yù)測(cè)下一次電機(jī)動(dòng)作時(shí)間時(shí)，取最新一組的數(shù)據(jù)參與計(jì)算，同時(shí)賦予不同數(shù)據(jù)不同的權(quán)值。為了算法設(shè)計(jì)方便，采用等維新息的方法，即保持參與計(jì)算的數(shù)據(jù)數(shù)量不便，將每次新采集的數(shù)據(jù)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，將最早的數(shù)據(jù)去掉。算法的公式描述為： ;其中為預(yù)測(cè)值，為參與計(jì)算的前2k個(gè)測(cè)量時(shí)間。倍尺鋼長(zhǎng)度在線檢測(cè)部分采用編碼器和高數(shù)計(jì)數(shù)器的方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)飛剪剪刃閉合信號(hào)，計(jì)算得到倍尺鋼的在線長(zhǎng)度。倍尺長(zhǎng)度優(yōu)化剪切指導(dǎo)部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的扎件長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，運(yùn)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(dǎo)飛剪進(jìn)行最優(yōu)剪切，提高生產(chǎn)效率。
　　
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(tǒng), 是指計(jì)算機(jī)在采集被診斷對(duì)象的信息后,綜合運(yùn)用各種規(guī)則（專家經(jīng)驗(yàn)）, 進(jìn)行一系列的推理, 必要時(shí)還可以隨時(shí)調(diào)用各種應(yīng)用程序, 運(yùn)行過(guò)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(lái)證實(shí)。專家系統(tǒng)的故障診斷方法由數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、人機(jī)接口、推理機(jī)等組成。在此重點(diǎn)介紹知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)的構(gòu)成。
　　
2.2.1 知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建
　　
本系統(tǒng)采用的知識(shí)表示方式為產(chǎn)生式。系統(tǒng)采用了產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式：
　　
IF A THEN B CF（B,A） 即 A→B , CF（B,A）
　　
其中A為規(guī)則的前提、條件或證據(jù)，A可以是單獨(dú)命題形式的條件項(xiàng)，也可以是由簡(jiǎn)單命題以邏輯組合起來(lái)而生成的符合命題的條件項(xiàng)，A可能不止支持一條規(guī)則;例如 A=就是一個(gè)復(fù)合條件，B為證據(jù)A引出結(jié)論。在推理中，由于每個(gè)條件的不精確性給診斷帶來(lái)了一定的困難，為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)每個(gè)前提都設(shè)定一個(gè)發(fā)生程度，也就是可信度的問(wèn)題，即CF值。例如：某個(gè)前提的可信度很強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的CF值為1.00;可信度一般，對(duì)應(yīng)的CF值為0.5。CF（B,A）為規(guī)則的強(qiáng)度或可信度，表示規(guī)則的不確定性的程度，通常由專家給出，0≤CF（B,A）<1。系統(tǒng)除了對(duì)所有規(guī)則按照以上形式進(jìn)行描述外，還對(duì)所有的知識(shí)，包括A、B，即前提和結(jié)論都規(guī)定了可信度。前提A的可信度表示為CF（A），表示問(wèn)題求解狀態(tài)下條件A的可信度值，0
　　
本系統(tǒng)中故障診斷一般都是由幾個(gè)故障現(xiàn)象推理出一個(gè)故障原因。在現(xiàn)實(shí)情況總，一條推理規(guī)則的前提中的各個(gè)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(shí)在條件中的重要性，即各個(gè)事實(shí)的加權(quán)系數(shù)，即Ki。例如規(guī)則“如果上空陰云密布，有風(fēng)，則多半天要下雨”中，顯然“上空陰云密布”是最重要的，而“有風(fēng)”則不太重要。因此，本系統(tǒng)在進(jìn)行判斷時(shí)，各個(gè)條件也有不同的重要性。在對(duì)每條規(guī)則的條件進(jìn)行權(quán)值設(shè)定時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其重要程度進(jìn)行賦值，賦值原則是保證 ∑Ki= 1。除了靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行權(quán)值估計(jì)外，還可以按照其重要程度進(jìn)行劃分：最重要、很重要、一般重要、可有可無(wú)，分別對(duì)應(yīng)為1、2、3、4。
　　
例如： IF A1 （最重要=4）
　　A2 （一般總要=2）
　　A3 （可有可無(wú)=1）
　　THEN B1

A1的權(quán)值為4/（4+2+1）=0.57;A2的權(quán)值為2/（4+2+1）=0.29;A3的權(quán)值為1/（4+2+1）=0.14。三者權(quán)值相加等于1。
　　
2.2.2 推理機(jī)的構(gòu)建
　　
建立一個(gè)推理機(jī)最重要的就是確立該推理機(jī)的控制策略和推理算法。本系統(tǒng)所運(yùn)用的推理策略是正向推理控制策略和沖突消除策略相結(jié)合的控制策略。根據(jù)用戶輸入的故障現(xiàn)象集或傳感器監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在知識(shí)庫(kù)進(jìn)行前提匹配，通過(guò)沖突消除策略好選擇知識(shí)，這里的沖突消除策略是根據(jù)扎線控制技術(shù)工人多年的經(jīng)驗(yàn)歸納出來(lái)的規(guī)則，規(guī)則匹配按照該順序進(jìn)行，匹配成功則得到該故障現(xiàn)象集對(duì)應(yīng)的故障，進(jìn)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(jù)理論方法，本系統(tǒng)采用了確定理論方法。確定理論方法是根據(jù)前提的可信度、權(quán)值、規(guī)則的可信度類求出結(jié)論的可信度?？紤]權(quán)值的知識(shí)表示形式為：

IFTHEN B CF（B,A）
　　
在上式中 ，加權(quán)因子的值由領(lǐng)域?qū)＜医o出，組合條件的可信度由公式計(jì)算：CF（A） =∑Ki× CF（Ai） ; 結(jié)論的可信度有下式計(jì)算： CF（B） = CF（B,A）& CF（A） ; 其中&可以是相乘運(yùn)算，也可以是取極小值或其他合適的運(yùn)算。
　　
例如 ： IF A1 權(quán)值k1
　　
A2 權(quán)值k2

A3 權(quán)值k3

THEN B

則 CF（B） = MIN[CF（B,A）、CF（A1） ×K1+ CF（A2） ×K2+ CF（A3） ×K3）]
　　
根據(jù)預(yù)測(cè)得到的結(jié)論的可信度，可以給出預(yù)警信息以及故障原因。

3 運(yùn)行情況
　　
我們通過(guò)大量的調(diào)研確定了軟硬件支撐平臺(tái)，對(duì)此方案在實(shí)際挖掘機(jī)故障診斷領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性進(jìn)行了試驗(yàn)探討，已于2006年3月在貴州某軋鋼廠投入運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行情況良好、性能穩(wěn)定、結(jié)論正確，響應(yīng)時(shí)間快，給技術(shù)人員提供了極大的方便。

4 結(jié)束語(yǔ)
　　
本文提出的控制系統(tǒng)是針對(duì)軋鋼廠老式棒材扎線所設(shè)計(jì)的，此系統(tǒng)采用PAC系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺(tái)，能夠滿足在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制與診斷所要求的高處理能力以及高數(shù)據(jù)容量，并且適合于扎鋼廠特殊的工作環(huán)境，根據(jù)老式棒材連扎線故障的特點(diǎn)，提出了專家系統(tǒng)診斷方案，對(duì)老式棒材連扎線起到了很好的完善作用,使其能夠發(fā)揮最大的作用，提高生產(chǎn)效率。

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