基于数字化生产模型的在线故障诊断技术研究.pdf

第 卷第 期计算机集成制造系统 年 月 文章编号 收稿日期 修订日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目 国家 计划资助项目 作者简介 杜劲松 男 湖北武汉人 中国科学院沈阳自动化研究所自动化装备研究室研究员 中国科学院研究生院博士研究生 主要 从事计算机测量与控制 自动化系统集成技术的研究 基于数字化生产模型的在线故障诊断技术研究 杜劲松 尚文利 史海波 彭 慧 中国科学院 沈阳自动化研究所 辽宁 沈阳 中国科学院 研究生院 北京 摘 要 提出了一种基于数字化的生产模型 使用控制图 故障树分析和专家知识 能够进行制造过程实时监 控的诊断 该模型提高了故障诊断系统的可靠性 并提供了可实际操作的可视化建模工具 所开发的在线统计过 程控制系统能够根据生产事件的监测 动态响应制造过程变化 该系统运用可视化建模工具 根据专家经验进行 故障树建模 通过故障树自动生成专家系统诊断规则库 实现诊断知识的自动获取 将该系统应用于汽车变速箱 装配过程的检测与故障诊断 验证了方法的有效性 关键词 数字化生产模型 统计过程控制 故障诊断 故障树分析 知识库 汽车变速箱 中图分类号 文献标识码 引言 近年来 制造过程在线统计过程控制系统 的设计得到 了广泛的关注 自动化在线监控技术已有三十多年 的研究工作 在此期间 故障监测 诊断和管理的多 种不同方法得到了应用 这些方法大多源于专家系 统或基于模型的故障诊断方法 多年来 研究人员提出了多种模型和相关的算 法 包 括 各 种 形 式 的 故 障 树 模 型 决 策 树 模 型 泛函网络模型 系统图模型 和仿真模 型 这些模型在不同的工业领域得到了成功的 计算机集成制造系统第 卷 应用 故障树分析 方 法是一种实用的分析工具 用于进行故障识别与分 类 对制造过程进行在线监控 该方法首先定义一 个顶事件 如一个故障 然后建立与此顶事件相关 联的故障序列 方法应用自上而下的逻辑构 建其模型 每条故障路径的终节点即为基本故障 事件 尽管基于模型的系统开发取得了很大的进步 但仍有许多尚未解决的问题 如集成性不强 即模型 不完善 可靠性差等问题 其中一个重要的方面 是缺少描述复杂动态系统行为或结构变化所带来影 响的机制 而这些影响正是模型中引起错误的原因 这些变化会导致实际的监控系统产生扰动 从而引 起错误的或误导性的报警信息 本文在制造执 行系统建模中 运用基于业务规则的事件驱动建模 方法 通过建立事件与事件之间 事件和状态之间的 相互作用关系 反映系统的动态行为 为制造执行系 统的集成化建模 分析和评价提供了基础 本文介绍了一个基于数字化生产模型的制造过程 在线监控和故障诊断系统 模型中基于生产事件进行 故障树建模分析 对故障状态独立描述 能够监测制造 过程的生产异常 保证建立正确的 可靠的监控模型 基于生产模型的系统基础平台 沈阳自动化研究所制造执行系统平台体系结构 目前 笔者正在开发制造执行系统 基础运行平台 即 沈阳自动化研究所制造执行系统 通过将生产过程数字化 呈现了一个清晰详尽的产品生产过程 它不但利用实时 历史数据库所收集的数据 而且提 供该信息深入的分析和报表 通过从工厂生产设备 中收集信息 建成一个可随时随地访问的 虚拟工 厂 并根据一些关键性的指标 实现对每个生产工 序的跟踪 对整个生产流程的把握和对生产效率的 实时评估与监测 运行平台的主要目标是通 过建立产品谱系 生产线的建模和线旁料架的描述 等 建立生产车间的数字化管理 通过对生产事件 生产状态的描述和控制 实现生产活动的序列转换 利用辅助的生产计划 物料配送 生产追踪 质量分 析等功能完成生产车间的数字化管理 整个系统基础平台由基础服务 系统模型 由工 厂 产品 事件 执行模型组成 可视化建模工具 实 时消息总线 异构数据采集适配器及面向行业的应 用套件组成 如图 其中采用关系数据库 进行持久存储 对于底层设备的历史实 时数据 有存储要求的可采用商品化的历史数据库 进行存储 系统通过相关的数据采集适配器与其通 信 在整个基础平台中 基础服务的设计是整个平 台得以稳定运行的基础 系统模型是对工厂的资源 企业生产活动及车 间业务进行抽象和分类 并抽象为一系列具有一定 特性的基本语义元对象 最终将相关模型抽象为由 若干语义元对象组成的复合对象 在此基础上开发 出可视化建模工具 给出领域相关的本体完备描述 最终将工厂资源建模为工厂模型 将生产活动建模 为事件模型 将业务建模为执行模型 基于事件的响应机制 生产模型包括产品模型 工厂模型 事件模型和 执行模型 产品模型用于定义产品 材料 规范 配方 和工艺过程 主要完成装配物料清单 的建立 工厂模型完成工厂 生产线设备和相 应的组织模式定义 在该模块完成工厂 生产线及线 上设备的定义 生产线的模型定义完成后可在模型 的基础上定义生产过程中的生产事件 生产事件是控 制生产活动的基础单元 通过生产事件的建立 系统 可以控制生产过程 生产执行模型定义生产运作规 则 以此控制及跟踪生产过程的物流和信息流 事件是对装配过程中生产活动的一种抽象描 述 有多种表现形式 如将物料配送到现场料架时产 生的物料配送事件 也可以表示抽象实体 如装配过 程中计划更改产生的计划变更事件 基于事件模型 可以实现对产品的生产过程进行跟踪 在现实中 第 期杜劲松 等 基于数字化生产模型的在线故障诊断技术研究 事件的发生以某一个或某一系列的数据标签的变化 为触发条件 执行模型以事件模型为基础 是对事件 响应业务逻辑的封装 当系统侦测到事件发生后 系统服务会调用执行模型 对产生的事件进行处理 其相互关系如图 所示 事件模型配置在生产单元 中 并可根据实际需要配置不同的事件 如计划变更 事件 报警事件 停机事件等 并将事件同触发标签 相关联 执行模型是针对在生产单元配置好的事件 编写业务流程处理脚本 并同事件模型相关联 系 统建模中 通过建立事件与事件之间 事件和状态之 间的相互作用关系 使系统能够基于生产事件的监 测 动态响应过程变化 在线监测与故障分析 数字化生产模型中的产品模型 工厂模型 事件模 型和执行模型是用由特定的语义元对象构成的复杂对 象进行描述 而元对象可以映射为采集的数据元素 使 运行于生产模型基础之上的监控系统能够实时监测 诊断和管理生产过程 基于提出的数字化生产模 型 开发了在线 其系统架构如图 所示 该系统架构的核心是生产模型 产品模型 工厂 模型 事件模型和执行模型 和基础服务 在建立的 生产模型基础上 制造过程管理是通过后台事件驱 动的业务过程模型实现的 图 中事件检测器包括 事件模型和相应的数据标签 事件处理器主要是与 事件模型相关联的执行模型的封装 图示的制造过 程质量管理实现过程中 首先使用可视化建模工具 建立生产模型 包括产品模型 工厂模型 事件模型 和执行模型 运行平台的基本功能包括 基础服务功能 生产模型创建功能 生产管理功能 质量与效率分析功能等 其中生产模型创建功能提 供可视化的建模工具 可以完成产品模型 工厂模 型 事件模型和执行模型的创建 然后开发统计过 程控制 组件模块 包括故障原因树配置模块和 报警模板配置模块 并根据特定行业的专家知识 配 置原因故障树和报警模板信息 最后 在线监测与 故障分析中 首先使用分析用控制图管理和改进生 产过程 提高生产过程能力指数 再使用控制用控制 图在线监控生产过程 基于故障树分析的故障诊断方法 在线监测与故障分析 主要包括后台的原 因故障树配置 报警模板配置和前台的控制图分析与 实时监控 其中故障原因树配置及报警模板配置两个 模块在 服务平台端实现 实时质量控制模 块以客户端形式实现 用户可在故障原因树配置模块 进行原因树的构建和编辑 基于已构建的故障原因 树 用户可进行报警模板配置 具体内容包括报警触 发规则 报警消息内容 可能的异常原因 相应的异常 处理措施 将报警模板与实际控制变量相关联等 客 户端 针对每个具体控制变量 依据已配置的报 警模板信息进行实时质量控制 当报警规则被触发 时 实时报告质量异常情况 提醒现场生产管理人员 可能的异常原因并采取相应的异常处理措施 本文以汽车变速箱装配过程故障诊断为例 采用 方法进行质量控制与管理 系统建模过程中通 过研究 分析变速箱故障及产生的原因 编制相应的 故障树 然后采用产生式的知识表达方式将故障树演 绎为若干规则 由这些规则再组成专家系统的知识 库 图 以汽车变速箱齿轮 润滑失效 为顶节点事 件 下面有温度过高 油质不合格和润滑剂凝冻三个 分节点 构成变速箱齿轮的二级节点故障树 再分别 以这三个分节点为根节点往下深入分析 形成故障 计算机集成制造系统第 卷 树 针对齿轮润滑失效故障树 可以演绎出相应的故 障树知识库规则 为了便于知识存储和管理 将图 中带有 的规则分解成如下规则 式中每个 和 后均为规则元素 这些规 则元素构成故障知识表的内容 该故障树对应的知 识表结构如表 所示 其中 为知识代码标 识 为知识内容 为注释说明 表 知识表 润滑失效 温度过高 油质不合格 润滑剂凝冻 冷却装置失效 无冷却装置 标牌错 夹杂 变质 无预热装置 故障知识库及规则表的表结构如表 所示 其 中 为规则标识 为故障名称 为导致故障的原因 为 针对故障的处理措施 为注释说明 表 知识库及规则表 按照上述的 分析方法 所有汽车变速箱 的故障诊断都可以用知识库和规则表来表达 运用 可视化的建模工具 通过故障树 自动生成专家系统 诊断规则库 实现诊断知识的自动获取 系统应用验证 在线 是一个基于生产模型实现的实时质 量管理系统 通过后台的报警模板配置来实现制造 过程的质量管理 工厂模型建模可从生产部门 生 产线 生产单元到变量元素 其中变量元素是与过程 控制相关的检测参数 控制参数等 以汽车变速箱 齿轮故障诊断为例 建立的工厂模型如图 所示 选择工厂模型中的齿轮箱环境温度变量进行在 线质量监控 该变量通过报警模板配置 与建立的故 障树 如图 进行关联 当环境温度出现异常时 系统根据监控的环境温度变量值自动进行关联分 析 并给出报警信息 故障原因和改进措施 第 期杜劲松 等 基于数字化生产模型的在线故障诊断技术研究 质量监测系统包括控制图配置 故障原因树配 置 报警模板配置和实时监控等功能模块 对生产变 量进行监控的步骤如图 所示 步骤 选择监控的生产变量 用户可以选择 基于工厂模型自动加载的生产变量进行在线监控 生产变量可 以通过 工厂模 型 中 的 变 量 路 径 进 行 选择 步骤 在后台配置报警模板 用户通过控制 图配置模块 为生产变量选择一个报警模板 该报警 模板与某一故障原因树进行关联 报警模块包括触 发内容 触发规则 报警文本 报警原因和改进措施 等功能 步骤 针对选择的生产变量 用 分析用控制 图 改进生产过程 控制方法是当变差异常的 可查明原因出现时发出统计信号 通过持续的努力 系统地消除引起变差异常的可查明原因 最终使过 程进入统计控制状态 步骤 用 控制用控制图 实时监控 当过程 处于可控状态时 使用固定的控制图参数进行在线 质量监控 在线质量监控过程中 当故障发生时 报 警信息 包括报警描述 故障原因和改正措施 会自 动显示 结束语 本文提出一种基于数字化生产模型 使用控制 图和 进行故障实时监控和诊断的方法 并在 实践中得到了验证 为提高故障诊断系统的可靠性 提供了实际可操作的工具 系统设计中根据工厂专 家经验进行故障树建模 开发的基于故障树和专家 知识库的在线 通过连续的监控事件信号实 现对制造过程状态变化的识别和动态反应 该系统 已通过对汽车变速箱装配过程的质量监控得到了应 用验证 下一步的研究工作是提高系统自动故障识 别能力 前期工作可参见文献 参考文献 孙 宇 彭 强 张晓阳 等 基于混合结构树的 故