自动诊断技术在造纸机中的应用研究

刘 玲 蒋旭华 文春生 康帅乾

（1. 湖南科技学院 现代教育技术中心，湖南 永州 425100；2. 湖南永州湘江纸业有限责任公司，湖南 永州 425000；3. 湖南中烟工业有限责任公司 零陵卷烟厂，湖南 永州 425000）

自动诊断技术在造纸机中的应用研究

刘 玲1蒋旭华2文春生1康帅乾3

（1. 湖南科技学院 现代教育技术中心，湖南 永州 425100；2. 湖南永州湘江纸业有限责任公司，湖南 永州 425000；3. 湖南中烟工业有限责任公司 零陵卷烟厂，湖南 永州 425000）

故障诊断是一项实用性很强的技术，它一直是工程应用领域的重点和难点。本文基于造纸机A llen-Bradley Rockwell Automation控制系统在运行中过程出现的故障，通过对自动诊断相关技术长时间的研究，自主编制了一套较为实用的故障诊断程序软件，通过试验能在控制系统中达到快速查找故障和提前预警故障的目的，在实际的造纸机维护工作中取得了良好的效果。

自动诊断；故障诊断；DCS自诊断系统；监测系统；造纸机

0 引 言

随着现代科技的发展，高新技术设备的集成度越来越高，也越来越复杂，特别是大型复杂电子设备的出现，使得人们更加迫切地希望能提高其整体可靠性与维修性，这就给故障诊断提出了更高的要求。故障诊断技术的出现，为提高系统的可靠性和安全性开启了新的途径，因此对故障诊断技术的研究有着重要的理论与现实意义。

永州湘江纸业有限责任公司十五吨包装纸工程采用的是美国Allen-Bradley Rockwell Automation的控制系统。随着它的投入使用造纸机的生产效率得到大幅提高，但与此同时也出现了许多新的急待解决的问题。其中最主要的问题是设备故障的检测问题。因为控制点多、连锁多、故障原因综合因素多且复杂等因素（现在的大多数故障诊断系统虽然能以很快的速度对被测对象自动地进行故障诊断，但是由于设备越来越复杂，再加上电路的非线性问题，而检测点和施加的测试信号是受到限制的，因此影响了故障的可控性和可测性），机器一旦在运行中发生故障，技术维护人员查找起来就会相当的困难。导致这种情况发生大致有以下几个原因：

1）知识更新快，设备控制点多，认知负担过重；

2）重复事故多，交互性不够；

3）缺乏对造纸机全局控制系统信息的认识；

4）不能提前防御、预测故障发生；

5）对于瞬间故障信号无能为力。

对于像造纸这样连续生产的工业企业，时间就是效益，设备出现故障之后如不能及时解决，给企业带来的损失是非常巨大的。把自动诊断技术引入到造纸实际生产应用中，对生产过程进行时实监测并对出现的故障及时、准确的报警，就能自动发现并修复常规小故障和一些软故障及滤波干扰假信号，预防事故的发生，避免重复故障、重复劳动，极大地提高工作效率。

1 故障诊断系统的一般结构

复杂设备故障诊断系统的一般结构主要由6个功能模块组成，如图1所示。人机接口模块是整个系统的控制协调机构；知识库和数据库管理模块的功能是对诊断必需的知识和数据进行建立、增加、删除、修改、检查等操作；诊断推理模块是诊断系统的核心，负责运用诊断信息和相关知识完成诊断任务；诊断信息获取模块通过主动、被动和交互等方式获取有价值的诊断信息；解释机构的任务是向用户提供诊断咨询及诊断推理过程的中间结果，帮助用户了解诊断对象及诊断过程；机器学习模块用于完善系统的知识库，提高系统的诊断能力。

图1：故障诊断系统的结构模块

2 DCS自诊断系统功能介绍、实现及故障排查

2.1 DCS自诊断系统

DCS系统能对生产过程进行集中操作管理和分散控制。操作员可以通过监控站CRT终端，对全部生产过程的工况进行实时监视和操控。由于DCS系统连锁控制点多，当设备发生故障时，这个故障就有可能是与这个设备相关联的其它控制元件引起的。DCS自诊断程序通过数据采集和分析自动判断是否是连锁的问题，如果判断是连锁的原因。则：1）直接在上位机上显示连锁故障点。如图2所示。

（图2）

表示一压紧停传动侧信号没有。如果在开车情况下这个信号突然丢失就会导致停车。诸如此类信号故障DCS自诊断系统可以迅速判断出故障原因。2）可以对故障点的信号进行软干预。由于卷纸机的连锁很多，有些时候设备是正常的，但是检测元检测位置不对或有其它问题，不能准备判断具体是哪个部位有故障，这时我们就可以通过自动诊断系统迅速找出故障点。在确定故障点暂不会影响运行情况下，对其进行软干预，如图3所示。

（图3：红色表示故障，绿色表示正常）

屏蔽此信号，使设备暂时能用。此时维修人员再根据提示去更换具体损坏元件。当维修完后再恢复其正常工作状态。不必要停下机来，避免单独逐个查找设备原因和检测元件的问题，再加以处理（或删除）。如果不是连锁原因，是DCS柜内的硬件故障，也将精确的显示在上位机上，可以具体到每一个继电器和模块。继电器触头有双路输出，我们将一路接到现场的控制设备，一路接到检测模块，两路同时输出，如果检测模块不能接收到输出信号，表明继电器损坏，这时上位机上则可显示故障继电器的名称和具体位置。同理还可检测开关电源、控制I/O模块等故障。如果是柜外的硬件故障，自诊断程序里面的故障数据库将会根据专家数据库的经验推断是哪个部分出现了问题。故障数据库是近几年故障维护经验的集合。

2.2 纸机报警控制系统

报警控制系统是针对纸机控制点多，画面多，操作人员无法顾及所有画面，不能及时发现生产中隐藏的问题而开发的。报警控制系统把所有影响生产的控制点集中组态，放在一个报警画面，如图4所示。并把某些影响纸机开停机的重要连锁进行可视化设计并提供历史趋势可供查询，如图5所示。同时配备声光报警灯，一旦机器可能发生故障便能提前报警，操作人员则可根据报警画面的提示进行预防性操作，减少事故的发生。

（图4）

（图5）

2.3 传动信号辅助检测系统

此系统同DCS自诊断系统中的连锁故障检测原理是一样的。只是他针对的对象不同。前者是对仪表连锁进行监测，后者是对传动信号进行监测。纸机在正常工作时，当一台传动电机发生故障，可能会立即影响其它传动电机。这时所有的传动电机可能会同时全部停止工作，肉眼几乎无法分辨是因哪台电机的故障造成的。这时就很难找出故障点，但如果通过传动信号辅助检测系统监测它们的运行信号，就可以迅速判断出是哪台设备最先出的故障，如图6所示。

（图6）

2.4 机械润滑监测系统

机械部分元件发生故障往往是有一个过程的，在这个过程中经验丰富的技术维护员能通过机械的外观、声音、震动、温度等了解此设备的运行状况、使用寿命以及存在的问题。但是一般的人很难判断，这时我们可以在机械设备上安装温度传感器和震动传感器，把温度信号、震动的位置信号转化为4-20m A模拟信号传输到A llen-Bra d ley Roc kw e ll Au tom a tion中的FELX/10中，根据上位机上显示的各参数的趋势判断设备的现状。针对可能出现的故障可提前做好检修计划或防范措施。

3 结束语

本文针对造纸机设备故障征兆和故障原因对应关系的复杂性和多样性，开发了基于规则、实例和模型相结合的故障自诊断系统。实践证明，由于此故障自诊断系统的针对性强和操作智能化，提高了故障诊断的可靠性和速度，降低了设备维修的难度和成本，有效地缩短了故障维修的停机时间，提高了企业的生产效益。

[1]王秋彦等. 故障诊断技术研究现状及发展趋势[J].电子测量技术,2009,32 (4) :528.

[2]李晓阳,郭万海,王作超.舰船电子装备故障自动诊断系统设计[J].国防技术基础,2010(07)

[3]朱大奇.电子设备故障诊断原理与实践[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[4]王永铭,张胜发.高炉炉况自动诊断系统模块的开发及应用[J].鞍钢技术, 2009,(03)

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G445

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1673-2219（2011）04-0089-02

2011－03－01

湖南科技学院2008年院级课题科研成果之一，项目编号:08XKYTC050。

刘玲（1982－），女，湖南永州人，实验师;蒋旭华(1980－)，男，湖南永州人，高级工程师；文春生（1968－），男，湖南永州人，湖南科技学院副教授；康帅乾（1983－），湖南涟源人，助理工程师，研究方向为自动化应用。

（责任编校：周 欣）