轻型H型钢自动焊接生产线的故障预警及诊断技术研究

张兆隆 孙志平 杨立云

摘  要：H型钢现已广泛应用于大型桥梁机械装备制造、造船、水利等国民经济建设的各个方面。H型钢的需求量越来越大，生产效率和生产设备自动化程度越来越高，但如何预测、预警故障，大幅降低自动生产线的故障发生率，提高故障诊断及维护的快速性和准确性，是目前亟待解决的问题。该项目以河北创力机电科技有限公司轻型H型钢自动焊接生产线为研究对象，根据H型钢工艺及控制要求，重点开展H型钢自动生产线的现场检测仪和基于现场总线的远程监测平台研究，包括生产线关键部件运行性能状态信息提取，设备部件信息特性与参数采集方法研究，故障特征分析方法。自动生产线主要故障状态预警与诊断的方法，从而确保自动生产线的可靠运行，提高H型钢自动生产装备的技术和服务水平。

关键词：H型钢  自动焊接生产线  远程监测平台  故障状态预警  故障特征分析

中图分类号：TH11    文献标识码：A             文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0063-03

1  背景及意义

H型钢也称宽平行边工字钢，被广泛应用于大型桥梁、机械装备制造、高层建筑、造船、化工企业等国民经济建设的各个方面。作为绿色建材，H型钢的生产得到国家政策支持，根据国家十三五规划，到2025年，我国城镇绿色建筑占新建建筑比重要从2012年的2%提升至50%。替代传统的型钢，发展前景可观。目前，我国建筑钢结构、桥梁钢结构快速发展，H型钢的需求量日益增加，H型钢生产效率和设备自动化程度也在不断提高，但如何有效预测、预警故障，降低自动生产线的故障率，延长生产线使用寿命，提高故障诊断及维护的快速性和准确性，是目前亟待解决的问题。利用现场总线技术将生产线远程监测系统作为H型钢自动生产线控制系统的一部分，越来越展现出其重要性和必要性。该项目由河北河北机电职业技术学院牵头，依托河北创力机电科技有限公司的轻型H型钢自动焊接生产线为研究对象，根据H型钢工艺及控制要求，重点开展H型钢自动生产线的现场检测仪和网络化远程监测平台研究，提出这类装备主要故障状态预警与诊断的方法，从而保证H型钢自动生产线的可靠运行，提高H型钢自动生产装备的技术和服务水平。通过“产、学、研”联合攻关，最后成功在河北创力机电科技有限公司进行应用验证及推广。

2  研究的主要内容

2.1 轻型H型钢自动焊接生产线关键部件性能状态信息获取

项目在分析轻型H型钢自动焊接生产线CAN总线控制系统与现场监测信息特性的基础上，针对大量特性各异状态信息，对其远程采集、数据传输、远程设置等方法做了深入研究，并且阐述了基于高性能信号处理器（DSP）与嵌入式操作系统DSP/BIOS的H型钢自动焊接生产线远程状态数据采集控制器软硬件设计，最后在河北创力机电科技有限公司生产的轻型H型钢自动焊接生产线远程监控系统中成功应用。轻型H型钢焊接生产线机组如图1所示。

为实现安全参数及运行参数监控，实现故障预测与诊断，分析需要采集的信息，分为以下几类：（1）工作状态信息，如流量、压力、温度、振动、液位、转速、力矩等;（2）工况信息：如长度、工作半径、额定负载等;（3）控制命令：如主控制器对变频器、伺服驱动器、执行器等器件输出的控制指令;（4）故障诊断信息：如主控制器的故障信息、各执行设备的故障代码等;（5）工作状态信息：如液压泵累计工作时间、总产量等;（6）环境信息：如工作环境湿度、温度等。

2.2 轻型H型钢自动焊接生产线故障特征分析

通过对自动化生产线上的结构特征相关的重要监测点及关键点的故障特点分析，总结故障产生的规律，改进并优化控制策略，既能抓住重點，又那能做到较为全面、深入的分析，为轻型H型钢自动焊接生产线的寿命预测及维护、控制系统优化研究打下基础。项目结合实际研究情况，采用根据故障特征逆向分析的方法来剖析焊接自动化生产线的故障模式及故障特征。

2.3 故障树的建立方法

焊接自动化生产线主要由夹具、控制装置、焊接设备、机器人、自动输送装置及其他辅助设备构成。由于焊接自动化生产线上各系统间的故障事件相互是独立的，不会互相影响，因此在进行设备的故障树建立和分析时，可单独对各系统进行FTA研究。该课题的研究对象主要针对正常和故障两种状态的设备，且该设备的故障状态是相互独立的，因此可采用静态逻辑门来建立结构函数。

3  总拼生产线的故障树建立及分析

河北创力机电科技有限公司的总拼生产线采用智能化技术，其主要功能是自动生产H型钢焊接件，生产流程为：直条（数控/直条）火焰切割机下料→H型钢组立机进行对中定位拼装点焊成型→悬臂式龙门H型钢焊接机焊接→H型钢在翼缘正机矫正翼板焊接变形→抛丸除锈→完成。以上分析可以看出，对生产线进行预测性维护规划的前提，是要充分剖析工位上的各设备的物理结构关系，了解它们的生产运作流程，从而进一步研究其故障情况及维护策略。由于总拼生产线上各设备间的故障事件都是独立的，且不会互相影响，因此在研究总拼生产线的故障树时，可单独对各个设备进行分析。结合北方地区冬季气温寒冷的状况，设备的液压系统增加了液压油自动加热装置，极大便利了用户的使用，提高了生产效率，解决了寒冷气候机组启动时间过长问题;设有自动点焊系统，可自动组立、点焊，效率高，点焊导弧机构，采用轻型液压油缸驱动，运动平稳、可靠，无需增加气源，方便使用。

项目结合通用部件在其他设备上各工况下常见故障模式，给出了组立机的主要失效模式，可以推广应用到相似的其他设备上。

4  轻型H型钢自动焊接生产线寿命预测与维护优化

该文以焊接自动化生产线这类复杂大型系统为主要研究对象，利用寿命预测信息进行设备系统维护规划的相关预测性研究。

（1）焊接自动化生产线预测性维护优化模型。

通过对设备故障特征的研究分析，建立了寿命预测方法，主要用于预测系统当前时刻至失效时刻的时间剩余值，而维护优化则是根据特征参数的衰退信号变化规律决策设备维护的最优时序，从而建立取得设备最优、可靠性最好为目标的函数。根据检测的数据，结合焊接自动化生产线上各设备的寿命预测方法和维护时序规划模型，建立了焊接自动化生产线预测性维护优化模型。

图2和图3分别展示的是PHM1和PHM2的100组参照样本在实际寿命ARUL=△t时的预测寿命PRUL值（这里定义△t=1h）。

由该项目研究优化后的维护策略为优化策略，并对两种策略的流程进行了详细描述。基于以上两种策略分别对总拼生产线进行寿命预测和最优维护时序的求解并通过应用，证明了所提优化模型的先进性，最终对比得出所研究的多设备混联系统预测性维护优化模型的表现较优，以此证明了该课题的积极意义和价值。

5  课题研究的结论与创新点

5.1 结论

本项目的实施解决了三个方面的技术难点。

（1）轻型H型钢自动焊接生产线关键部件性能状态信息获取;（2）轻型H型钢自动焊接生产线性能状态数据库和故障知识库建立;（3）轻型H型钢自动焊接生产线健康状态评估、性能预测预警及故障诊断模型开发。

提出了轻型H型钢自动焊接生产线的性能预测与故障诊断方法，并构建了故障可诊断，性能可预测的优化模型，实现对H型钢自动组立机、液压矫正机等关键状态信息的监测。

5.2 项目创新点

（1）轻型H型钢自动焊接生产线关键部件性能状态信息获取技术;（2）轻型H型钢自动焊接生产线性能状态数据库和故障知識库建立;（3）轻型H型钢自动焊接生产线健康状态评估、性能预测预警及故障诊断模型开发。

参考文献

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