馬續(xù)創(chuàng)，曹 用，孫亞波，靳恩輝，馮 沙

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

自動化生產(chǎn)線在調(diào)試過程中經(jīng)常發(fā)生各種各樣的設(shè)備故障和產(chǎn)品質(zhì)量問題，它們涉及多專業(yè)、多單位。涉及專業(yè)有工藝、機(jī)械、電氣、液壓、基礎(chǔ)自動化、計算機(jī)二級、土建、安裝等；涉及單位有建設(shè)單位、最終用戶、勘察單位、總設(shè)計單位、專業(yè)生產(chǎn)線設(shè)計單位、設(shè)備成套供應(yīng)商、配套件供應(yīng)商、土建施工單位、安裝施工單位、監(jiān)理公司等等單位。故障可能是任一專業(yè)、任一單位的問題導(dǎo)致的，也可能是專業(yè)之間、單位之間溝通不暢導(dǎo)致的。面對多專業(yè)、多單位的復(fù)雜情況，快速判斷設(shè)備故障和產(chǎn)品質(zhì)量問題的原因，提出并執(zhí)行解決方案，是調(diào)試工程師必備的職業(yè)素養(yǎng)。

面對調(diào)試中的各種設(shè)備故障和產(chǎn)品質(zhì)量問題，調(diào)試工程師采用的方法各有不同。不過大都源自方法論、現(xiàn)代工程管理理念、傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)、現(xiàn)代故障診斷技術(shù)四個方面。常見的方法論如國內(nèi)孫慕天等的《實用方法辭典》中提出的哲學(xué)、一般科學(xué)、思維科學(xué)、橫斷科學(xué)、現(xiàn)代管理等等方面的1447種方法[1]，它為工程師提供了豐富的方法工具來分析問題。現(xiàn)代工程管理方法參見全國一級建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書編寫委員會編寫的《建設(shè)工程項目管理》，如分層法、因果分析圖法、排列圖法和直方圖法[2]，它指導(dǎo)工程師用數(shù)理統(tǒng)計方法分析質(zhì)量問題。傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)包括替換比較法、簡單儀器診斷技術(shù)、振動診斷技術(shù)、溫度診斷技術(shù)、油樣分析技術(shù)、無損探傷診斷技術(shù)和故障樹診斷法等，它是技術(shù)人員診斷問題的基本方法；現(xiàn)代故障診斷技術(shù)包括狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)、精密診斷技術(shù)、便攜和遙控點檢技術(shù)、過渡狀態(tài)監(jiān)視技術(shù)、質(zhì)量及性能監(jiān)視技術(shù)、控制裝置監(jiān)視技術(shù)等[3-6]，它們應(yīng)用了近代數(shù)學(xué)和各種先進(jìn)的檢測手段，是正處于研究和開發(fā)階段的技術(shù)。

然而現(xiàn)存方法均以教授方法為主，并未幫助調(diào)試工程師建立完善的思維流程。本文旨在填補(bǔ)此項空白。杜威思維五步法提出了清晰的思維流程，適用于工程問題的診斷，可作為調(diào)試工程師診斷自動化生產(chǎn)線的設(shè)備故障和產(chǎn)品質(zhì)量問題的思維流程工具。

1 思維五步法及其演化

面對19世紀(jì)末、20世紀(jì)初科學(xué)猛進(jìn)、知識倍增的局勢，美國教育革新家杜威反對專以積累知識為教育目的，提倡教育的首要任務(wù)是培養(yǎng)靈敏、縝密而透徹的思維習(xí)慣。思維五步法就是體現(xiàn)他這一教學(xué)思想的重要方法[7]。思維五步法一般有五個步驟[8]：(1)聯(lián)想(或譯為“暗示”、“建議”)，即心靈趨向一種可能的解決；(2)問題，將所曾察覺到的困難或疑慮理論化為一個需要解決的問題，即必須得出答案的問題；(3)假設(shè)(或譯為“臆說”)，使用一個又一個建議，作為解決問題的觀念或假設(shè)，并通過觀察與其他工作，搜集解決此問題的事實材料；(4)推理，對作為觀念或假設(shè)的心理操作(推理乃推論之一部分，而非全部)；(5)以外表或想象的活動試驗此假設(shè)。

馬林瑞[9]描述杜威的思維五步法的步驟：(1)感受到的困難，難題；(2)它的定位和定義；(3)想到可能的答案或解決辦法；(4)對聯(lián)想進(jìn)行推理；(5)通過進(jìn)一步觀察和實驗肯定或否定自己的結(jié)論，即樹立或放棄信念。

教育界又稍加調(diào)整和優(yōu)化：(1)澄清問題，主要通過與人的充分溝通和故障現(xiàn)場的深入考查來脫離理解偏差和描述偏差，還原出真實而完整的問題；(2)分析問題，把一個大而復(fù)雜的問題拆解成一個個的小問題，確定影響這個問題的因素；(3)提出假設(shè)，針對分析出的很多小問題，通過假設(shè)找到最關(guān)鍵的那一個或那幾個問題；(4)驗證假設(shè)，驗證上一步的假設(shè)是否正確，并且確定這個假設(shè)是不是問題的關(guān)鍵；(5)提出解決方案，根據(jù)找到的關(guān)鍵問題來確定解決方案。

2 思維五步法的應(yīng)用價值

思維五步法是思維活動的框架，可以摒棄形式教條的理論，從而科學(xué)地、自覺地進(jìn)行探索分析，不斷認(rèn)識真理、接近真理，獲得新的認(rèn)知。對于科學(xué)發(fā)現(xiàn)，問題是關(guān)鍵和核心，思維五步法可以指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)問題、明確問題、提出假設(shè)并適當(dāng)推理、通過檢驗假設(shè)驗證真知，形成系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知模式。作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)方法論的研究[9]。思維五步法在自動化生產(chǎn)線調(diào)試中有很高的實用價值。本文以工程應(yīng)用為例，介紹思維五步法的詳細(xì)應(yīng)用。

3 應(yīng)用案例

在包鋼冷軋廠連退2#重卷檢查線機(jī)組聯(lián)合試生產(chǎn)中期，建設(shè)方反應(yīng)糾偏CPC系統(tǒng)故障。

糾偏CPC系統(tǒng)屬于帶材連續(xù)生產(chǎn)線中必不可缺的輔助系統(tǒng)——工業(yè)糾偏系統(tǒng)。工業(yè)糾偏系統(tǒng)主要應(yīng)用于起重[10]、造紙[11-12]、輸送帶生產(chǎn)[13]、膠片涂布、塑料薄膜生產(chǎn)、磁帶生產(chǎn)[14]、帶鋼處理[15-16]等自動化生產(chǎn)行業(yè)。糾偏系統(tǒng)一般由開卷CPC、糾偏CPC、卷取EPC三部分組成，每部分由檢測裝置、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。從包鋼2#重卷檢查機(jī)組圖中剖離出糾偏系統(tǒng)及影響糾偏的設(shè)備布置，如圖1所示。

圖1 機(jī)組糾偏系統(tǒng)與圓盤剪布置示意圖

3.1 澄清問題

首先與建設(shè)方充分溝通得知，該重卷機(jī)組聯(lián)合試生產(chǎn)初期投入切邊功能，未發(fā)生脫剪故障。聯(lián)合試生產(chǎn)中期，但當(dāng)剪切合同約定的最小寬度4 mm時，出現(xiàn)脫剪故障，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行和帶鋼質(zhì)量。建設(shè)方初步判斷為糾偏CPC系統(tǒng)運(yùn)行故障，故組織接受EMG培訓(xùn)的儀表專業(yè)人員進(jìn)行排查。經(jīng)儀表專業(yè)人員排查，未發(fā)現(xiàn)糾偏CPC系統(tǒng)儀表異常，無法診斷真實的故障原因。

觀察現(xiàn)場整個脫剪故障發(fā)生的過程，中國重型院現(xiàn)場服務(wù)人員發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生速度的升高。機(jī)組速度為30 m/min時，剪切正常，但在機(jī)組速度逐步升高至最高速度230 m/min的過程中，跑偏逐步加劇，便發(fā)生了脫剪。此時停機(jī)與儀表專業(yè)人員測量開卷CPC、糾偏CPC、卷取EPC處跑偏量，發(fā)現(xiàn)卷取EPC處跑偏量在1 mm以內(nèi)、糾偏CPC處跑偏量在10 mm左右、開卷CPC處跑偏量竟然高達(dá)50 mm左右。

至此，成功還原完整問題不是糾偏CPC系統(tǒng)故障，而是圓盤剪高速剪切4 mm窄邊時脫剪。

3.2 分析問題

參考賈小亮[17]對圓盤剪切邊寬度不一致故障的分析、查德根[18]對重卷機(jī)組跑偏的研究和王海峰[19]對鍍鋅線帶鋼跑偏的研究，中國重型院現(xiàn)場服務(wù)人員將關(guān)注點從糾偏CPC系統(tǒng)擴(kuò)大為來料鋼卷、圓盤剪、張力、在線輥和整個機(jī)組的糾偏系統(tǒng)。

在擴(kuò)大的范圍內(nèi)，重新分析發(fā)生脫剪的可能原因。按對象劃分，來料卷問題、圓盤剪問題、張力問題、在線輥問題和糾偏系統(tǒng)問題。

來料卷問題有來料寬度偏差、來料板形偏差、廢邊剛度較差等。假設(shè)輸入控制系統(tǒng)的寬度與比實際寬度的偏差較大，當(dāng)單側(cè)廢邊寬度小于3 mm，圓盤剪易發(fā)生脫剪故障；當(dāng)來料板形過差時，會導(dǎo)致剪切狀態(tài)不佳，有可能導(dǎo)致脫剪；當(dāng)廢邊剛度過差時，廢邊易打卷，易造成剪切故障。這些問題是來料的固有屬性，受速度變化影響較小，與現(xiàn)場高低速脫剪的差異情況不符。故可能性較小。

圓盤剪問題有圓盤剪開口度偏差、刀刃缺陷、剪刃側(cè)間隙不恰當(dāng)、剪刃重疊量不恰當(dāng)；假設(shè)開口度偏差較大，可能導(dǎo)致脫剪問題；刀刃缺陷、側(cè)間隙不當(dāng)和重疊量不當(dāng)會導(dǎo)致剪切狀態(tài)不佳，可能導(dǎo)致剪切故障。假設(shè)這些問題存在，則低速下剪切同樣應(yīng)出現(xiàn)故障。這與現(xiàn)場30 m/min下剪切正常的情況不符,故排除。

張力問題有張力大小不當(dāng)、張力波動較大、張力梯度不當(dāng)?shù)?。張力大小及張力梯度與其他機(jī)組相同，其他機(jī)組未見跑偏，故可排除該問題。假如張力波動較大，則帶鋼一般會出現(xiàn)明顯的抖動。現(xiàn)場觀察未見該現(xiàn)象，故可排除該問題。

在線輥問題有安裝水平度偏差較大、安裝垂直度偏差較大、輥面磨損不一致造成的錐度過大、輥面粗糙度不均勻等。該問題會在一定程度上影響糾偏精度，但對開卷CPC的影響大小不會達(dá)到50 mm。故可排除該問題。

開卷CPC系統(tǒng)問題主要有調(diào)整方向設(shè)定錯誤、浮動油缸爬行[20]、響應(yīng)參數(shù)不當(dāng)、電氣參數(shù)調(diào)整不當(dāng)、高頻燈管集塵、控制器參數(shù)設(shè)定不當(dāng)、控制器輸入?yún)?shù)不當(dāng)、控制器輸出參數(shù)不當(dāng)、控制模型不當(dāng)?shù)?；糾偏CPC系統(tǒng)問題類似與開卷CPC問題，但其電感框架與圓盤剪的對中精度直接影響兩側(cè)廢邊寬度的一致性；卷取CPC系統(tǒng)問題類似于開卷CPC系統(tǒng)問題。

糾偏CPC的運(yùn)行狀態(tài)已通過儀表專業(yè)校核，故其出現(xiàn)故障的可能性較小。卷取EPC被檢查站隔離，不會影響到糾偏CPC。

經(jīng)分析，開卷CPC出現(xiàn)故障的可能性最大。與現(xiàn)場開卷CPC高速跑偏量達(dá)50 mm的情況符合。

3.3 提出假設(shè)

根據(jù)本文分析，縮小了檢查范圍。中國重型院現(xiàn)場服務(wù)人員與經(jīng)EMG培訓(xùn)的儀表專業(yè)人員共同檢查開卷CPC的基本狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)：(1)高頻燈管未集塵；(2)各電氣參數(shù)調(diào)整正確；(3)控制參數(shù)設(shè)置正確。觀察現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)，未見開卷機(jī)爬行。該機(jī)組與其他機(jī)組的響應(yīng)參數(shù)相同，出現(xiàn)相同問題，故排除響應(yīng)參數(shù)不當(dāng)?shù)膯栴}。中國重型院現(xiàn)場服務(wù)人員提出假設(shè):(1)開卷CPC糾偏方向設(shè)置相反；(2)開卷CPC的糾偏控制模型對速度的影響系數(shù)有誤；(3)速度變量傳輸有誤。

3.4 驗證假設(shè)

關(guān)于本文提出的三個假設(shè)，分別進(jìn)行驗證。

在開卷CPC控制箱上切換控制模式為自動模式。用樣板偏移測試，觀察開卷機(jī)浮動油缸方向，結(jié)果浮動方向與跑偏方向相反。這說明糾偏方向設(shè)置正確，可排除該問題。

采用抑制變量法抑制速度變量，重新觀察跑偏量。具體方法是將糾偏的模式從比例積分模式切換為純比例模式。這是因為比例積分模式下的數(shù)學(xué)模型對不同速度大小考慮了不同程度的糾偏量，而純比例模式下，則未考慮速度大小的影響。

把糾偏模式從比例積分模式切換到純比例模式下，繼續(xù)跑卷剪切，觀察跑偏量，結(jié)果機(jī)組速度升至最高速，圓盤剪依然可以正常剪切4 mm的窄邊。停機(jī)測量兩側(cè)切邊寬度，結(jié)果兩側(cè)偏差在2 mm以內(nèi)。這說明跑偏量在1 mm以內(nèi)，達(dá)到合同約定的糾偏CPC精度要求。測量開卷CPC處跑偏量，帶材距離輥邊緣偏差在2 mm以內(nèi)，這說明開卷CPC的糾偏精度也達(dá)到了合同約定的1 mm以內(nèi)。

至此推斷故障應(yīng)該是后面兩個假設(shè)導(dǎo)致的。

3.5 提出解決方案

根據(jù)已驗證的假設(shè)，提出解決方案：檢查開卷CPC與機(jī)組的速度變量的傳輸，若有誤將其更正，若無誤，則檢查程序中比例積分控制模型里的速度影響系數(shù)。

執(zhí)行解決方案，發(fā)現(xiàn)機(jī)組與開卷CPC經(jīng)通訊接口交換速度變量的單位錯誤。更正該變量的單位，并將糾偏模式切換回比例積分模式，繼續(xù)跑卷剪切4 mm窄邊，各機(jī)組速度下剪切正常，跑偏量在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

通過本文分析和案例，可以看出杜威思維五步法可幫助調(diào)試工程師理清思路，避免陷入混亂的思維中，有助于指導(dǎo)故障診斷與質(zhì)量分析，值得推廣。