面向柔性制造環(huán)境的多模型

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:3840

引言 
         柔性制造設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、造價高,一旦發(fā)生故障而停產(chǎn)、停工,造成的經(jīng)濟損失和社會影響將是過去低生產(chǎn)水平時的幾十倍、幾百倍。為確保柔性制造設(shè)備安全有效地運行,提高其安全運轉(zhuǎn)率和無故障生產(chǎn)時間,必須加強設(shè)備運行管理,增強柔性制造設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。而第一代診斷專家系統(tǒng)解決問題的知識主要是維修專家個人的經(jīng)驗知識。這類診斷專家系統(tǒng)在運行中已顯露出若干共同存在的缺點,如知識獲取困難、知識的完備性和一致性難以維護、解釋能力差、缺乏柔性等。為了克服第一代專家系統(tǒng)的不足,知識工程領(lǐng)域引入了“深知識”的概念,所謂深知識就是關(guān)于對象行為、結(jié)構(gòu)、功能方面的知識;谏钪R的診斷推理,又稱為基于模型的診斷推理[1]。這類診斷系統(tǒng)具有如下優(yōu)點[2]:(1)即使當啟發(fā)式推理失敗時,模型也可以繼續(xù)進行滿意的診斷推理;(2)當啟發(fā)式知識太復雜或要求昂貴的、耗時的測試時,模型卻仍然可以保持較高的診斷效率;(3)基于模型的推理支持比啟發(fā)式推理更簡潔、更圓滿;(4)基于模型的診斷系統(tǒng)具有柔性,當對象的結(jié)構(gòu)調(diào)整或重構(gòu)時,以前的模型可以繼承下來;(5)基于模型的診斷系統(tǒng)可以獲得高度的完備性和魯棒性。同時,基于多模型的診斷系統(tǒng),可根據(jù)當前的推理情況,選取更合適的模型,從而改善推理效果,有效地提高故障診斷率和準確性,保證設(shè)備安全、可靠地運行。
1  基于多模型的診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
     
    基于模型的診斷方法的一般思路是首先建立診斷對象的結(jié)構(gòu)或功能模型,然后利用該模型對診斷對象的行為進行仿真,從而找出診斷對象發(fā)生故障的部件。故障診斷可劃分為兩個階段:故障隔離(failuresourcelocation)階段和故障原因識別(failure cause identification)階段,本文結(jié)合柔性制造設(shè)備,提出了一種針對柔性制造設(shè)備診斷問題的多模型診斷方法:在進行故障隔離和故障原因識別前,首先進行元知識的推理。元知識推理是根據(jù)設(shè)備控制器的狀態(tài)信號分布及其它故障征兆,確定發(fā)生故障的模塊。接著利用基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(state transition diagrams,簡STDs)的行為模型進行診斷,確定故障源的大致范圍;然后在故障原因識別階段,利用擴展故障樹模型,進行故障原因識別。這種多模型診斷方法,集元知識推理、行為知識推理和故障樹知識理于一體,提高了柔性制造設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的性能,有效地保證了系統(tǒng)診斷的準確性。
           在柔性制造設(shè)備故障診斷系統(tǒng)中,為了對柔性制造設(shè)備的各種可能故障進行隔離和原因識別,必須具備一個綜合知識庫和一個綜合推理機,其次,診斷信息的獲取模塊也是必不可少的。為了方便知識獲取和對診斷知識進行管理,系統(tǒng)中還包含有一個知識獲取與管理子系統(tǒng),以提供系統(tǒng)得出結(jié)論的依據(jù)、步驟,增加推理的透明性。此外,在高檔次數(shù)控系統(tǒng)中,含有一些NC和PLC自診斷信息。這些自診斷信息對NC系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的主要硬件故障及程序軟件故障作出報警,一般以報警號形式顯示出來,并在操作面板上給出一個非常簡單的提示信息。為方便用戶操作,系
統(tǒng)提供一個故障咨詢子系統(tǒng),此子系統(tǒng)既可在線運行,又可離線由用戶輸入報警號進行咨詢,向用戶提供中文環(huán)境且內(nèi)容更豐富的報警原因和維修提示等內(nèi)容:
            基于模型的診斷系統(tǒng)既可以在線實時獲取設(shè)備控制器信息,進行在線診斷,又可以根據(jù)設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)文件進行離線診斷。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由診斷信息獲取模塊、報警咨詢模塊、知識獲取與管理子系統(tǒng)、診斷推理模塊、診斷解釋模塊以及知識庫和任務(wù)管理模塊等組成。下面分別介紹系統(tǒng)的主要模塊。
1.1  任務(wù)管理模塊
       
    任務(wù)管理模塊是整個系統(tǒng)的管理與控制核心,它由菜單驅(qū)動的一系列過程所組成,用來管理、調(diào)度、協(xié)調(diào)各個功能子系統(tǒng)或模塊的工作,調(diào)用有關(guān)的功能子系統(tǒng)和為用戶提供良好的人機交互環(huán)境。它本身不參與實現(xiàn)系統(tǒng)的具體功能,它與各功能子系統(tǒng)或功能模塊間不存在數(shù)據(jù)流,只有控制或狀態(tài)流,因此,也可將其稱之為元系統(tǒng)。
1.2  診斷信息獲取模塊及動態(tài)數(shù)據(jù)庫
        
    診斷信息獲取模塊的功能是獲取診斷對象的有關(guān)診斷信息。對于一個診斷來說,獲取的診斷信息越豐富,診斷的效果也就越好。柔性制造設(shè)備故障診斷問題有三大診斷信息來源: PLC的輸入/輸出及標志信息(在西門子系列PLC中一般稱之為E信號、 A信號、 M信號)、 NC和PLC自診斷信息,以及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)綜合評判給出的決策結(jié)果信息。這些診斷信號獲取后被送往計算機中一個稱之為“動態(tài)數(shù)據(jù)庫”的內(nèi)存區(qū)中組織起來。這些數(shù)據(jù)或信號可表示為:
            Em.n——設(shè)備PLC輸入信號,m為信號的地址,Em為一個字節(jié),n為這個信號字節(jié)的位數(shù),Em. n即表示字Em的第n位(以下同)。 m的范圍為0—127, n為0—7。     Am.n——設(shè)備PLC輸出信號, m、 n的范圍同E信號。     Mm.n——設(shè)備功能控制產(chǎn)生的中間信號, m為0—255, n同E信號。     Sm——狀態(tài)監(jiān)測的模糊綜合決策結(jié)果信號,m的范圍根據(jù)決策結(jié)果信號的多少而定,S1對應(yīng)第一個信號, S2對應(yīng)第二個信號,依此類推。
這些信號或數(shù)據(jù)的狀態(tài)非0即1,用二值函數(shù)s(xi)描述為:    s(xi)=O   當信號xi所表示的動作或事件不發(fā)生時,  s(xi)= l  當信號xi所表示的動作或事件發(fā)生時, 具體地說,對于設(shè)備PLC內(nèi)部的E和A,狀態(tài)為0或1儀表示設(shè)備當前運行的狀態(tài)或位置等;對于M信號,其中部分是控制程序運行的中間、標志信號,部分是設(shè)備自診斷的結(jié)果信號(0表示無故障,1表示設(shè)備有異常);對于狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果信號,狀態(tài)為0表示該信號所表示的區(qū)域無故障或狀態(tài)正常,狀態(tài)為1則表示有故障或狀態(tài)異常。
           柔性制造設(shè)備的基于模型的故障診斷系統(tǒng)主要用到兩種推理機制:基于設(shè)備行為知識的推理和基于擴展故障樹的推理。一般來說,柔性制造設(shè)備運行處于異常時,設(shè)備內(nèi)部控制器所具有基本監(jiān)控模塊會采取保護性措施:強迫設(shè)備停機或發(fā)出自診斷報警信息。當然這種自診斷報警信息(通常以報警號形式出現(xiàn)在操作、面板上)非常粗略,有的設(shè)備控制器(如FFS—1500—2FMS中的加工中心、柔性制造單元中的控制器)甚至只能給出紅燈報警(數(shù)控報警)和黃燈報警(PLC報警)信息。這時啟動故障診斷系統(tǒng),先進行基于設(shè)備行為知識的推理,進行故障源定位;然后進行基于擴展故障樹的推理,確定發(fā)生故障的根本原因,最后給出診斷結(jié)論、維修提示,形成診斷報告。具體的推理流程由綜合推理機的控制策略加以引導。
          圖2是綜合推理機的結(jié)構(gòu)示意圖,動態(tài)數(shù)據(jù)庫中除了組織有診斷信息外,還用來記錄與控制和診斷相關(guān)的中間結(jié)果、最后結(jié)論、推理軌跡等綜合數(shù)據(jù)。由于元知識主要用來確定發(fā)生故障的子系統(tǒng)或模塊,所以在圖2中未列出元推理機。
1.3  知識獲取與管理子系統(tǒng)
       
    基于模型診斷系統(tǒng)的診斷知識主要分為兩大類:基于設(shè)備行為的深知識和基于擴展故障樹的深知識。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖模型用來組織設(shè)備的行為知識,擴展故障樹模型用來組織故障原因識別方面的知識。這兩種模型都是處于知識源和知識內(nèi)部編碼中間的知識組織與表示形式。對于擴展故障樹模型,知識獲取與管理子系統(tǒng)提供了一個故障樹編輯繪制軟件。用戶根據(jù)數(shù)據(jù)錄入模板輸入相關(guān)數(shù)據(jù),該軟件自動繪制故障樹。對于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖模型,知識獲取與管理于系統(tǒng)提供了一個知識錄入模板。用戶根據(jù)模板的提示和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖模型的結(jié)構(gòu),輸入相關(guān)數(shù)據(jù),該子系統(tǒng)即可完成這種從知識外部模型到知識內(nèi)部編碼的轉(zhuǎn)換。對于制造設(shè)備診斷問題中常用到的產(chǎn)生式規(guī)則形式的知識,該子系統(tǒng)提供了一些包括對產(chǎn)生式的規(guī)則知識編輯、檢索、檢驗等在內(nèi)的操作。知識的編輯采用分塊編輯的方法,即每個知識模塊作為一個知識庫,它包括知識填充、插入、修改和刪除等功能;知識的檢索也是分塊進行的,必須事先裝載要檢索的知識所在的知識庫,然后根據(jù)輸入的知識編號或按順序檢索。知識的校驗包括格式校驗、一致性校驗和冗余校驗。
            該子系統(tǒng)還提供知識庫文件操作功能,包括庫文件的建立、文件裝載、文件存儲、打印等操作。
l.4  診斷解釋模塊
        
    診斷解釋模塊提供兩方面的功能:診斷報告生成和診斷過程解釋。診斷報告中包括診斷時間、故障現(xiàn)象、故障部位、故障原因以及維修提示。診斷過程解釋為聞戶(專家)提供關(guān)于推理過程的解釋以及求解問題的推理軌跡。因此,這一功能也可以幫助知識工程師檢驗系統(tǒng)求解方法的合理性。
1.5  報警咨詢模塊
        
    機床面板上提示的報警提示有兩種:一是英文提示,操作、維修工人不易看懂;二是中文提示。內(nèi)容非常簡單,有的系統(tǒng)甚至只顯示報警號,沒有給出提示內(nèi)容。因此在本系統(tǒng)中,結(jié)合NC、PlC自診斷報警內(nèi)容,在大量閱讀PLC程序代碼的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一個功能強的咨詢模塊、它既可以在線通訊獲取PLC標志信號,進行在線故障咨詢,也可以離線由用戶輸入報警號分別咨詢NC、和PLC報警。在NC報警提示中,不僅給了故障原因、維修提示,還顯示出消除NC報警的清除鍵。
2  基于多模型的診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)
2.1  診斷知識庫
        
    由于柔性制造設(shè)備的功能模塊多,診斷知識庫中的知識量也大,診斷時,如不加選擇地對所有存在的知識庫進行搜索,勢必花費大量時間,滿足不了診斷的實時性要求。因此還必須有一個借助一種元知識在設(shè)備發(fā)生故障后找到發(fā)生故障的功能模塊,從而找到相關(guān)的知識庫。元知識的運用,既降低了微機內(nèi)存的要求,又提高了推理效率。元知識表示為
             IF[條件]Λ[條件2]Λ…
              THEN[故障模塊][行為知識庫名]
          根據(jù)功能分析方法,我們可以將柔性制造設(shè)備劃分為不同的功能子系統(tǒng)或功能模塊,如主部模塊、各進給軸模塊、刀具交換模塊、運輸于系統(tǒng)等等。這些功能子系統(tǒng)或模塊的功能具有相對的獨立性,其運動循環(huán)具有一定的周期性,雖然其運動周期不一定恒定。這種劃分為我們分析柔性制造設(shè)備的行為特性提供了便利:某一功能模塊的運動(由 PLC程序代碼控制)可以看成是一個離散的動作序列,每一個動作被定義為從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在柔性制造設(shè)備中,每一個動作被執(zhí)行前必須滿足一定的條件。有的設(shè)備有檢測裝置,若沒有,則會設(shè)置一定的標志信號。據(jù)此,我們可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖模型來組織設(shè)備功能模塊的行為知識。行為知識在計算機內(nèi)部用框架表示形式來表示,每一功能模塊的行為知識用一個框架知識庫來組織。在這種框架表示法中框架名是一個框架的標識符;步序名槽可以是一個有意義的描述本步序起始狀態(tài)的字符串;步序邏輯條件槽是一個布爾表達式,描述本步序狀態(tài)轉(zhuǎn)移所必須滿足的邏輯條件;狀態(tài)檢測槽也是一個布爾表達式,描述本步序正確結(jié)束時的信號狀態(tài)所滿足的約束條件;動作時間槽指該步序執(zhí)行所需要的最大時間,若
超過該值,檢測信號表達式仍未滿足,則說明該步序已出現(xiàn)故障;下一步序名槽用來表示緊接著的下一步序塊的編號,因為在順控器中動作并不總是按順序執(zhí)行。顯然,這種知識表示可以圓滿地表示每一步序執(zhí)行所需的邏輯條件、步序正確執(zhí)行后的標識信號以及動作執(zhí)行的順序。
         設(shè)備行為知識的推理可以進行故障隔離。故障隔離可以將發(fā)生故障或失效的部件或元件找出來。但部件或元件的失效往往不是導致故障發(fā)生的根本原因,而是由其它相關(guān)部件、元件的失效所造成。例如。主軸驅(qū)動電動機過流,保險絲融斷,是導致主軸不轉(zhuǎn)的故障源,但它卻不是導致主軸不轉(zhuǎn)的真正原因。因此,不找到真正的故障原因,就糾正故障源是不會有什么效果的。正因為如此,我們必須進行故障診斷的第二階段:故障原因識別。在故障原因識別階段,所聞的知識是擴展故障樹知識。
          在我們定義的擴展故障樹知識表示法中,故障樹的每一個結(jié)點破表示為一個框架,其槽值有: 父槽、子槽、類型槽、事件槽、事件貢獻因子槽、事件重要度槽等等。其中,父槽值等于該框架所代表節(jié)點的父節(jié)點框架名:子槽值是該框架所代表節(jié)點的所有子節(jié)點框架名的集合,子節(jié)點框架名之間用逗號隔開;類型槽是指該框架所代表節(jié)點與其子節(jié)點之間的連接關(guān)系,如OR門、AND門,如果該框架所代表節(jié)點的是葉節(jié)點(即底事件),則其類型槽值為“葉節(jié)點”;事件槽描述該框架節(jié)點所代表的故障事件;事件貢獻因子槽值、事件重要度槽值分別等于該框架節(jié)點事件的貢獻因子大小和重要度值。圖4給出了基于多模型診斷系統(tǒng)中的一個擴展故障樹中一些結(jié)點的框架知識表示。將擴展故障樹模型用框架知識形式表示為一系列框架,填進知識庫。在這種知識表示中,每個框架的槽個數(shù)是一定的,而且槽值的含義一定,框架的父槽值與子槽值能較好地描述故障知識的層次性,所以這種知識表示具有簡明、清晰、結(jié)構(gòu)性好等特點。
2.2  診斷推理技術(shù)
            當柔性制造設(shè)備發(fā)生故障時,設(shè)備控制器一定發(fā)出相應(yīng)的報警信號。這時啟動基于模型的診斷系統(tǒng),首先通過一個通信程序,讀取PLC輸入/輸出信號、標志信息及自診斷信息,將其送入診斷系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫中,接著進行元知識推理。元知識推理是根據(jù)動態(tài)數(shù)據(jù)庫中的初始數(shù)據(jù)和元知識來搜索發(fā)生故障的設(shè)備功能模塊;搜索成功后,就將相應(yīng)的功能模塊行為知識庫裝進計算機內(nèi)存,并釋放元知識鏈所占內(nèi)存。緊接著進行基于設(shè)備行為知識的推理,設(shè)備行為知識在計算機內(nèi)部用框架形式表示:基于行為知識的推理,可以將故障確定到某一故障事件(即是故障原因識別階段的故障樹的頂事件)。然后,進行基于擴展故障樹的推理,尋找發(fā)生故障的基本原因,并給出維修提示。基于擴展故障樹的推理,是一種從樹頂事件搜索至樹葉節(jié)點的推理方式,在這個過程中,可以利用擴展故障樹的事件重要度、事件發(fā)生的相關(guān)貢獻因子等有用參數(shù),優(yōu)化搜索路徑。基于擴展故障樹知識的推理采用了一種不精確知識管理算法E31。
    由于采用了元知識控制策略,可以提高復雜診斷問題的診斷效率。這里采用的是一種混合推理方式:先進行元知識推理,接著進行行為知識推理,然后進行擴展故障樹樹形知識推理。
4  結(jié)束語
              面向柔性制造環(huán)境的多模型故障診斷系統(tǒng)是以鄭州紡織機械廠從德國引進的 FFS—1500—2FMS和SATURN鏜銑加工中心為研究對象和實驗驗證對象,并考慮其它柔性制造設(shè)備的共同特性而研究開發(fā)的。系統(tǒng)中包括知識庫管理子系統(tǒng)以及基于故障樹的輔助知識獲取工具,因此,系統(tǒng)可以作為一個基于模型的診斷系統(tǒng)開發(fā)工具來使用,應(yīng)用于柔性制造設(shè)備故障診斷領(lǐng)域。目前,基于多模型的故障診斷系統(tǒng)已在鄭州紡織機械廠FFS-1500-2FMS和SATURN加工中心上運行,大大提高了診斷故障的效率和準確度,有效地縮短了診斷故障的周期。

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