CN102676768A - 一种用于物料跟踪***的容错控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种用于物料跟踪***的容错控制方法及***,该控制方法通过对采集的光栅实时信号进行质量分析,减少因光栅误信号导致的炉内物料跟踪混乱问题,对采样周期变频器报警及故障数量实时监控并进行滑动时间窗加权平均差及阙值处理,实现炉内物料跟踪***的故障诊断,对实际钢板位置直接补偿,实现物料跟踪***的容错控制;故障诊断结果可以在人机界面上实时显示,紧急情况下可以越过所有环节直接对物料跟踪位置人工修改。本发明还对应提供了一种***来实现该方法。本发明解决了由于光栅或变频传动装置故障引起的不必要的物料跟踪信息混乱问题以及物料跟踪信息混乱后,只能人工调整无后续的自动补偿恢复机制的问题。
Description
技术领域
本发明属于故障诊断和容错技术领域,特别涉及提供一种用于辊底式热处理炉物料跟踪***的容错控制方法及***。
技术背景
辊底式热处理炉炉子长度较大,生产效率高,具有处理的钢材质量好、机械化、自动化程度高等特点,因此被广泛地应用于冶金及机械行业生产中。物料跟踪***是辊底式热处理炉正常运行的基础,它为辊底式热处理炉控制***中的其他子***(温度曲线控制***、二级模型控制***)提供基本的物料跟踪位置信息,在实际生产过程中位置跟踪计算非常重要,其精度及稳定性直接影响到设备的生产效率、产品质量及设备安全。
辊底式热处理炉多采用一个辊道一个变频器的单对单控制方式,钢板的装料、出料以及钢板在炉内的传送通过变频器驱动电机完成,每个辊道电机轴安装有脉冲编码器用以反馈辊道实际速度,沿炉长方向设有数个激光光栅光电设备,用来对炉内的钢板位置进行校正,由于钢板的长度、钢种不同,这就要求不同的钢板在炉内要以不同速度运行,因为炉子在正常生产时是密封的,而且没有针对每块钢实时的检测设备,炉内钢板情况只能根据物料跟踪***计算来判定,一旦物料跟踪信息与钢板实际位置不一致,就会导致炉内钢板控制混乱,只能切换到手动控制,效率大大下降,而且由于速度差,辊道旋转会划伤钢板下表面,并且对辊道表面也会有磨损,如果故障发现不及时,长时间延误,严重的还可能会出现撞钢事故,钢板之间的碰撞可能会使钢板塌头,极端情况下会导致钢板斜插进辊缝中的重大事故。
目前辊底式热处理炉正常自动运行的前提是PLC设备、所有传感器、执行机构无故障的基础上实现的,PLC控制的可靠性可以达到较高水平,随之而来的问题是执行器和传感器可靠性的不足。实际上,传感器和执行器的故障已成为导致控制***失效的主要原因,据统计,80%控制***失效,起因于传感器和执行器故障。
辊底式热处理炉物料跟踪***中重要的传感器及执行机构是光栅和变频传动装置,没有考虑光栅设备误信号及故障、变频传动装置信息、设备老化或性能退化等设备情况对物料跟踪***的影响,会导致本来不必要的炉内钢板控制混乱,并且混乱后没有一个自动恢复机制,只能人工手动操作干预调整,尤其是投产多年的***,效率及稳定性很难长时间得到保证。如何及时发现***中的故障并加以定位及处理,当***出现故障时仍然能安全可靠地工作且维持一定的性能,使***维持一定程度上的可靠性,是客观生产过程中的实际问题。
故障诊断与容错控制是指在一个处于工作状态的***中一个或多个部分发生故障时,能自动检测与诊断,并能采取相应措施保证***维持其规定功能或保持其功能在可接受的范围内的技术。既传感器、执行机构在出现故障时仍具有完成基本功能的能力,尽量保证动态***在发生故障时仍然可以稳定运行,并具有可以接受的性能指标。
发明内容
本文的目的是:提供一种用于物料跟踪***的容错控制方法及***,主要是判断光栅或变频传动装置是否有故障发生,并在故障发生的同时进行容错,解决由于光栅或变频传动装置故障引起的不必要的物料跟踪信息混乱问题以及物料跟踪信息混乱后,只能人工调整,无后续的自动补偿恢复机制的问题。
本文的技术方案为:一种用于物料跟踪***的容错控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)对所需参数进行设置;
2)对采集的光栅实时信号进行质量分析,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号;若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关,正常校正并延迟一段时间,延迟时间内若光栅信号一直存在,则根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置,用钢板实际位置直接对物料跟踪的位置进行补偿;其中光栅实时信号从物料跟踪***获得;
其中光栅质量分析结果可通过以下公式进行计算:
其中钢板实际位置通过以下公式进行计算:
式(2)中,Gact为光栅实际位置,Vset为辊道的基本速度,Tg=max(最大延迟时间×(1-Hg),最小延迟时间),最大延迟时间和最小延迟时间为设定值;
以上步骤通过采集获取热处理炉内光栅实时信号,对其质量进行分析,还引入延迟校正概念,进一步减少了因光栅检修、损坏、信号闪动等情况导致的炉内物料跟踪混乱问题。
3)计算当前采样周期变频器报警及故障数量与设定值的差,根据差值计算滑动时间窗加权平均差;对滑动时间窗加权平均差进行阈值处理,当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,并直接用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行补偿;其中变频器报警及故障数量从物料跟踪***获得;
所述滑动时间窗加权平均差通过以下公式进行计算:
,
(3),
式(3)中,为板头区域滑动时间窗加权平均差,为板尾区域滑动时间窗加权平均差;其中,,为每个采样周期内都有钢板板头区域报警及故障数量与故障设定值做减法得到;为每个采样周期内钢板板尾区域报警及故障数量与故障设定值做减法得到,其中kj为设定的加权值,M为滑动时间窗个数。
(4),
式(4)中,如果钢板板头区域出现报警,则调整物料信息增加物料跟踪位置;如果钢坯后区域出现报警,则调整物料信息减少物料跟踪位置;Vset为辊道的基本速度,调整的幅度为补偿步距,为周期时间长度,为调整前物料跟踪位置。
进一步的,根据先验知识优化需设置的***参数,并可根据需要对物料跟踪的位置进行人工直接调整。
本发明还提供一种实现上述控制方法的控制***,具体如下:
一种用于物料跟踪***的容错控制***,其特征在于:包括:
参数设置模块,用于对***所需参数进行设置。
光栅质量分析补偿模块,包括光栅质量分析模块、校正开关模块、延迟校正模块和补偿模块,其中光栅质量分析模块,用于对采集的光栅实时信号进行质量分析;校正开关模块,用于控制光栅信号接收,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号,若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关;延迟校正模块,用于当延迟时间内光栅信号一直存在时,根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置;补偿模块,用于将钢板实际位置对物料跟踪的位置进行直接补偿;
故障诊断补偿模块,包括报警及故障数量计算模块、滑动时间窗加权平均差计算模块和补偿控制模块;其中报警及故障数量计算模块,用于根据对每个采样周期内采集的钢板板头区域报警及故障数量和钢板板尾区域报警及故障数量计算当前采样周期报警及故障数量与设定值的差;滑动时间窗加权平均差计算模块,用于根据当前采样周期报警及故障数量与设定值计算滑动时间窗加权平均差;补偿控制模块,用于当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行直接补偿。
进一步的,所述***还包括人机交互模块,用于显示故障诊断结果,根据专家意见优化需设置的***参数,并可对物料跟踪的位置直接调整。
本发明的有益效果是:(1)通过使用故障诊断和容错技术,判断光栅或变频传动装置是否有故障发生,减少了因光栅检修、损坏、信号闪动等情况导致的炉内物料跟踪混乱问题,并在故障发生的同时进行容错,解决了由于光栅或变频传动装置故障引起的不必要的物料跟踪信息混乱问题以及物料跟踪信息混乱后,只能人工调整无后续的自动补偿恢复机制的问题,加强了物料跟踪***的故障诊断及故障承受能力。
(2)能协助维护人员快速定位并自动切除故障点,具有一定程度的自动恢复能力,保证一定程度下生产可以接受的精度,减轻维护人员维护工作,显著延长了辊底式热处理炉高效率生产时间,尤其应用在投产多年的***中,可靠性,可维护性和容错性具有良好的表现。
(3)使用此方法不需要额外添加硬件,仅利用软件进行故障诊断和容错控制,具有较好的可移植性,有较高的实用价值。
附图说明
图1是本发明一个实施例的炉内物料跟踪示意图。
图2是本发明一个实施例的物料跟踪***的控制***结构示意图。
具体实施方式
如图1所示的炉内物料跟踪结构。
热处理炉沿生产线工艺方向设有4个光栅,共有30个辊道,每个辊道由一台变频器驱动,以1#辊道为原点,辊间距为600mm,就可以得到所有光栅及辊道对1#辊道的具***置。
本实施方式提供一种用于物料跟踪***的容错控制方法,其步骤为:
1.首先对所需参数进行设置;
需要设置的参数包括:光栅采样周期、光栅健康权值、光栅健康权值、闪动误信号阙值 最大值、闪动误信号阙值 最小值、长时间误信号阙值 最大值、长时间误信号阙值 最小值、光栅健康警戒线、最小延迟时间、最大延迟时间、钢板板头区域、钢板板尾区域、没有钢板覆盖区域辊道的基本速度、报警及故障采样周期、滑动时间窗个数、加权值、阙值、补偿步距。
具体设置过程如下:
为每个光栅设一个校正开关,根据先验知识,设定1#光栅采样周期为5分钟,每5分钟采集更新一次频繁闪动误信号(记录次数),及长时间误信号(记录时间),长时间观察1#光栅工作情况后得出频繁闪动误信号发生的频率要远远高于长时间误信号发生的频率,而且频繁闪动误信号与长时间误信号基本上不会同时发生,因此设定光栅健康权值为0.8,光栅健康权值为0.2,根据先验知识设定 最大值为50, 最小值为5, 最大值为1分钟, 最小值为5秒,光栅健康警戒线为85%,根据先验知识设定最小延迟时间为0秒,最大延迟时间为10秒;
定义两个变频器报警及故障检测区域(钢板板头区域、钢板板尾区域),这两个区域随着钢板在炉内运行也不断在移动,根据先验知识,设定钢板板头区域为从板头位置,板头位置+1800的一段范围,钢板板尾区域为从板尾位置,板尾位置-1800的一段范围,设定没有钢板覆盖区域辊道的基本速度为80mm/s, 钢板设定工艺速度为25mm/s,报警及故障采样周期为3s,滑动时间窗个数为5,加权值k为(0.05,0.05,0.6,0.1,0.2),阙值为0.5,补偿步距设定为辊间距的三分之一50mm。
2.对采集的光栅实时信号进行质量分析,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号;若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关,正常校正并延迟一段时间,延迟时间内光栅信号一直存在则根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置,用钢板实际位置直接对物料跟踪的位置进行补偿;其中光栅实时信号从物料跟踪***获得;
其中钢板实际位置通过以下公式进行计算:
(2),
式(2)中,Gact为光栅实际位置,Vset为辊道的基本速度,Tg=max(最大延迟时间×(1-Hg),最小延迟时间),最大延迟时间和最小延迟时间为设定值;其中
在1#光栅设备工作正常的情况下(),根据上述公式可得到计算结果:1#光栅健康度为100%,然后计算得到为50,为1分钟;假设1#光栅发生误信号(),可得到计算结果:1#光栅健康度=1-0.8*18/50,结果为71.2%,然后计算得到为35,为42秒,由结果可知,1#光栅质量分析对故障的敏感程度加强,健康度低于光栅健康警戒线,自动关闭校正开关,隔离1#光栅误信号,在人机界面上显示1#光栅健康度,并声光报警提示维护人员检查1#光栅设备,在设备维护正常后, 1#光栅健康度重新计算为100%,自动打开校正开关,恢复1#光栅校正功能。人机界面显示光栅的质量分析结果(即光栅健康度),可以方便维护人员定位、更换或检修,做到从信号源头防止物料混乱。
同时引入延迟校正,针对每个光栅设备,当信号触发时,并不马上校正计算物料跟踪位置Pcal与光栅实际位置Gact一致,而是延迟一段时间Tg(随着Hg变化),如果延迟时间内光栅信号消失,则延迟校正失败,如果延迟时间内光栅信号存在,则延迟校正成功,更新直接补偿计算物料跟踪的位置。
已知1#光栅实际位置为900mm,接触1#光栅的钢板设定工艺速度为25mm/s,在步骤1中根据先验知识设定最小延迟时间为0秒,最大延迟时间为10秒,在1#光栅的校正开关打开的前提下,如图1中的(1)(2)两种情况,当钢板头部触发光栅或钢板尾部离开光栅时,如果此时1#光栅正常工作,健康度为100%,则根据公式(2)可得到计算结果:为0秒表示没有延迟校正作用,为900mm,如为钢板头部触发光栅,则更新钢板头部位置为900mm,尾部位置为900mm减去钢板长度,如为钢板尾部离开光栅,则更新钢板尾部位置为900mm,头部位置为900mm加上钢板长度;如果此时1#光栅出现故障,健康度为90%,则根据公式(2)可得到计算结果:为1秒有延迟校正作用,为925mm,延迟校正成功状况下,如为钢板头部触发光栅,则更新钢板头部位置为925mm,尾部位置为925mm减去钢板长度,如为钢板尾部离开光栅,则更新钢板尾部位置为925mm,头部位置为925mm加上钢板长度。
3. 计算当前采样周期变频器报警及故障数量与设定值的差,根据差值计算滑动时间窗加权平均差;对滑动时间窗加权平均差进行阈值处理,当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,并直接用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行补偿;其中变频器报警及故障数量从物料跟踪***获得。
由于物料跟踪***是根据钢板计算位置来更新钢板覆盖区域内的变频器速度,变频器带动辊道转动,没有钢板覆盖的辊道是以一个预先设定好的基本速度来运行的,所以当炉内钢板实际位置与计算位置有偏差,并且偏差大于辊间距时,钢板实物覆盖下的辊道会有速度不一致现象,会导致某一台或几台变频器产生过流报警或故障。针对每块钢板在每个采样周期内都有钢板板头区域报警及故障数量、钢板板尾区域报警及故障数量。
所述滑动时间窗加权平均差通过以下公式进行计算:
式(3)中,为板头区域滑动时间窗加权平均差,为板尾区域滑动时间窗加权平均差;其中,,为每个采样周期内都有钢板板头区域报警及故障数量与故障设定值做减法得到;为每个采样周期内钢板板尾区域报警及故障数量与故障设定值做减法得到。
(4),
式(4)中,如果钢板板头区域出现报警,则调整物料信息增加物料跟踪位置;如果钢坯后区域出现报警,则调整物料信息减少物料跟踪位置;Vset为辊道的基本速度,调整的幅度为补偿步距,为周期时间长度,为调整前物料跟踪位置。
具体针对一块钢板,步骤1中的参数设定为:定义两个变频器报警及故障检测区域(钢板板头区域、钢板板尾区域,这两个区域随着钢板在炉内运行也不断在移动,根据先验知识,设定钢板板头区域为从板头位置,板头位置+1800的一段范围,钢板板尾区域为从板尾位置,板尾位置-1800的一段范围,由此可以得到变频器的最大报警及故障检测数量为3,设定没有钢板覆盖区域辊道的基本速度为80mm/s, 钢板设定工艺速度为25mm/s,报警及故障采样周期为3s,滑动时间窗个数为5,加权值k为(0.05,0.05,0.6,0.1,0.2),阙值为0.5,补偿步距设定为辊间距的三分之一50mm,故障设定值、为0,如果此时***工作正常,采集信息为(0,0,0,0,0),则根据公式(3)计算可得到滑动时间窗加权平均差、为0,物料跟踪位置保持原有值,如果钢板实际位置滞后于物料跟踪计算位置、钢板实际位置超前于物料跟踪计算位置两种情况,如图1中的(3)和(4),这里假设遇到情况(4),已知钢板计算位置为为15200mm,一个采样周期采集信息为(0,0,2,2,2),差为(0,0,2,2,2),连续个周期内差之和为6大于2,则根据加权平均差公式可得到为1.8,大于阙值,根据公式(4)计算得到结果P为15365mm,然后直接补偿给钢板计算位置,更新物料跟踪位置。下一个采样周期后,采集信息为(0,2,2,2,1),差为(0,2,2,2,1),连续个周期内差之和为5大于2,则根据加权平均差公式可得到为1.7,大于阙值,根据公式(4)计算得到结果P=15365+75+85=15525mm,之后每个周期都对钢板计算位置进行直接补偿,更新物料跟踪位置。直到差为(2,1, 1,0,0),连续3个周期内差之和为1小于2,停止直接补偿,恢复正常运行。
上述由先验知识确定的***参数集参数,可以在人机界面上修改,根据不同工况,设定合适的参数值。直接补偿容错控制有效性是在实物与物料跟踪计算位置差在钢板长度范围以内的前提下,如果不满足这个前提,说明物料跟踪已经偏离太大,属于紧急情况,这时可以通过人机界面越过所有环节直接对物料跟踪计算位置人工修改,以达到与实物一致的目的。
如图2所示,本实施方式还提供一种实现上述控制方法的控制***,具体如下:
一种用于物料跟踪***的容错控制***,包括:
参数设置模块,用于对***所需参数进行设置;
光栅质量分析补偿模块,包括光栅质量分析模块、校正开关模块、延迟校正模块和补偿模块,其中光栅质量分析模块,用于对采集的光栅实时信号进行质量分析;校正开关模块,用于控制光栅信号接收,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号,若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关;延迟校正模块,用于当延迟时间内光栅信号一直存在时,根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置;补偿模块,用于将钢板实际位置对物料跟踪的位置进行直接补偿;
故障诊断补偿模块,包括报警及故障数量计算模块、滑动时间窗加权平均差计算模块和补偿控制模块;其中报警及故障数量计算模块,用于根据对每个采样周期内采集的钢板板头区域报警及故障数量和钢板板尾区域报警及故障数量计算当前采样周期报警及故障数量与设定值的差;滑动时间窗加权平均差计算模块,用于根据当前采样周期报警及故障数量与设定值计算滑动时间窗加权平均差;补偿控制模块,用于当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行直接补偿;
人机交互模块,用于显示故障诊断结果,根据专家意见优化***参数设置,并可对物料跟踪的位置直接调整。
Claims (9)
1.一种用于物料跟踪***的容错控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)对所需参数进行设置;
2)对采集的光栅实时信号进行质量分析,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号;若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关,正常校正并延迟一段时间,延迟时间内若光栅信号一直存在,则根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置,用钢板实际位置直接对物料跟踪的位置进行补偿;其中光栅实时信号从物料跟踪***获得;
3)计算当前采样周期变频器报警及故障数量与设定值的差,根据差值计算滑动时间窗加权平均差;对滑动时间窗加权平均差进行阈值处理,当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,并直接用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行补偿;其中变频器报警及故障数量从物料跟踪***获得。
2.根据权利要求1所述的用于物料跟踪***的容错控制方法,其特征在于:还包括步骤4),根据需要优化需设置的***参数,并根据需要对物料跟踪的位置进行人工直接调整。
8.一种用于物料跟踪***的容错控制***,其特征在于:包括:
参数设置模块,用于对***所需参数进行设置;
光栅质量分析补偿模块,包括光栅质量分析模块、校正开关模块、延迟校正模块和补偿模块,其中光栅质量分析模块,用于对采集的光栅实时信号进行质量分析;校正开关模块,用于控制光栅信号接收,若光栅质量分析结果小于设定值,关闭校正开关,隔离光栅误信号,若光栅质量分析结果大于或等于设定值并保持了几个光栅采样周期时,自动打开校正开关;延迟校正模块,用于当延迟时间内光栅信号一直存在时,根据光栅质量分析结果确定延迟时间,并计算钢板实际位置;补偿模块,用于将钢板实际位置对物料跟踪的位置进行直接补偿;
故障诊断补偿模块,包括报警及故障数量计算模块、滑动时间窗加权平均差计算模块和补偿控制模块;其中报警及故障数量计算模块,用于根据对每个采样周期内采集的钢板板头区域报警及故障数量和钢板板尾区域报警及故障数量计算当前采样周期报警及故障数量与设定值的差;滑动时间窗加权平均差计算模块,用于根据当前采样周期报警及故障数量与设定值计算滑动时间窗加权平均差;补偿控制模块,用于当滑动时间窗加权平均差大于或等于设定阈值时,根据滑动时间窗加权平均差计算钢板预测位置,用钢板预测位置对物料跟踪的位置进行直接补偿。
9.如权利要求8所述的用于物料跟踪***的容错控制***,其特征在于:所述***还包括人机交互模块,用于显示故障诊断结果,根据专家意见优化需设置的***参数,并根据需要对物料跟踪的位置进行人工直接调整。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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