高频焊螺旋翅片管焊接过程实时专家控制_牛晓明
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高频焊螺旋翅片管焊接过程实时专家控制＊A Real_Time Expert System for High Frequency Welding Process For Spiral Fintubes哈尔滨工业大学 牛晓明 孙立宁黑龙江省科学院自动化研究所 陈 刚 曹小燕Niu Xiaoming Sun Lining Chen Gang Cao Xiaoyan摘要:本文介绍了高频焊螺旋翅片管焊过程实时专家控制的设计思想及实现技术,着重阐述了其工作原理,知识库的建立及推理方法。
提出了应用高级语言Visual Basic和数据库知识进行系统实现,得到相关参数并通过PC机与PLC控制器之间的数据通讯,从而实现对高频焊接过程的实时控制。
关键词:高频焊螺旋翅片管 专家控制器 实时控制 焊接过程Abstract:This thes is intro du ces design thought and realizatio n technology of real_time expert control of welding p rocess for high frequency welded spiral fintub e pr ocess,and emphasizes on explaining pr ocess principl e,foundation of knowledge_bas e and method of reas oning.M or eover,it brings fo r-wa rd s ystem realizatio n with V isual Bas ic and data_bas e,and finds co rrelative parameters which co mmunicate between PC and PLC,so it can fulfil real_time control of high frequency welding pr ocess.Kewords:high frequency welding sp ir al fin thbe Expert controller Real_time control W elding中图分类号: TP182 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2002)06-0043-041 引言目前,国内大部分高频焊接螺旋翅片管厂家使用的生产线在自动化程度上水平较低,远不能达到高速度、高精度、高强度的自动化生产的需要。
焊合率是通过翅片的颜色或简单的检测方法测得,焊接质量在很大程度上取决于工人经验程度。
控制上基本是以手动为主。
为此,我们很有必要在高频焊螺旋翅片管生产中加强自动化和智能化控制功能,提高控制精度。
高频焊螺旋翅片管生产原理主要是高频电流通过馈电系统在钢管和钢带很小的范围内流过,由于高频电流的集肤效应和邻近效应,在极短的时间内,把电流经过区域的钢管和钢带加热到呈塑性流状态。
两个待结合的金属表面在顶锻力的作用下形成牢固的焊缝。
两个待结合的金属表面在顶锻力的作用下形成牢固的焊缝。
随着钢管连续不断地旋转和轴向移动,以及钢带的同步输入,钢带就形成绕焊在钢管上的翅片。
如图1所示。
1.基管2.钢带3.带电极4.压紧缸5.压带轮6.管电极图1 高频焊接螺旋翅片管焊接过程我们利用实时专家控制的模式,结合焊接工艺基本参数如:＊黑龙江省自然科学基金(GC02A129,33)资助项目43u es of Aut oma tio n&Ap plicatio ns翅片螺距,钢管(直径、管厚、材质),钢带(带高、带厚、材质),高频高源焊极的电流、电压,焊接速度,顶锻力等参数,得到最佳的焊合率。
由于钢管(直径、管厚、材质),钢带(带高、带厚、材质),是由其本身的特性所决定,翅片螺距是根据用户要求而定,所以我们需要的变参只是焊接速度、顶锻力与焊合率的最佳匹配。
由于时接过程的复杂性难以量化,更多的需要专家知识来作出判断,所以应用实时专家控制来实现。
2 专家控制原理专家控制(Expet control )是智能控制的一个重要分支。
专家控制的实质是基于控制对象和控制规律各种知识,并以智能方式利用这些知识使控制系统尽可能优化。
专家控制的基本思想是:自动控制理论+专家系统技术。
自动控制系统中存在大量的启发式逻辑,这是因为工业控制对象及其环境的变化呈出现多样性、非线性和不确定性,这些启发式逻辑实际上是实现最优控制目标的各种经验知识,难以用一般的数值形式描述,而适于用符号形式来表达,人工智能中的专家系统技术恰恰为这类经验知识提供了有效的表示和处理方法。
知识库和推理机为专家系统的两大要素,知识库存储某一专门领域的专家知识、条目,推理机制按照专家水平的问题求解方法调用知识库中的知识条目进行推理、判断和决策。
专家系统与传统自动控制理论的结合,形成了专家控制系统,这类系统以模仿人类智能为基础,弥补了以数学模型为基础的控制系统的不足。
专家控制是以知识模型为基础的控制方法,总结和利用人的知识和操作经验,其对数学模型的依赖性小,因而较适用于难以建模、具有一定不确定性的场合。
因此,设计一个性能良好的实时专家控制器,根据专家控制系统的设计原则,所设计的基于知识的专家控制基本结构如图2所示。
系统由三个部分组成:(1)被控对象;(2)检测机构;(3)专家控制器(EC )。
图2 专家控制系统基本结构E C 包括特征信息处理单元、知识库、推理机构、控制机构。
其模型可表示为: U =f (E ,K ,I )(1)式中 E ={e 1,e 2,…,e m }是特征信息处理单元的输出集。
K ={k 1,k 2,…,k n }是系统的知识库项集。
I ={i 1,i 2,…,i p }是推理机构的输出集。
U ={u 1,u 2,…,u q }是EC 的输出集。
f 为一种智能算子,其基本形式为: IF E AND K THEN <IF I THE N U >(2)即根据输入信息E 和知识K 进行推理,然后根据推理结果I 输出相应的控制行为U 。
特征信息处理单元从实时数据库和人机接口装置获取生产过程的全部信息,并对获取的信息包括翅片螺距,钢管(直径、管厚、材质),钢带(带高、带厚、材质),高频电源焊极的电流、电压,焊接速度,顶锻力等进行加工处理,实现特征模式的抽取与识别。
知识库是EC 的基础,由数据库和控制规则集组成。
数据库包括焊接过程中工艺参数、专家经验值、参数关系对照表,各生产条件下的每组参数以表格形式存储下来,利用参数关系对照表,可快速方便地寻找到某一生产条件下使得焊接速度、顶锻力与焊合率的最佳匹配。
控制规则集是对焊接过程控制模式和经验的归纳和总结,以产生式规则表达,其中典型的规则有:Rule 1:IF V S >R S +K 1THE N V I =n 1×V o ;(3)Rule 2:IF F Z >R Z +K 2THEN F D =n 2×F o ;(4)控制规则中,V S ,R S 分别为焊接速度的当前值和正常值(m /s );V o 为原来的新速度值(m /s );F Z ,R Z 分别为顶锻力的当前值和正常值(Kg /cm 2);V I 为需要增大或减少的速度值(m /s );F D 为需要增大或减少的压强值(Kg /cm 2);K 1,K 2为焊接速度或顶锻力的偏高值;n 1,n 2等参数值来源于经验数据,经验数据和参数关系对照表可在线修改,按这样的原则“如果新的参数所对应的性能指标优于参数表中那组参数关系,则以新的参数关系值替代原来的那组,否则不修改知识库”来进行在线修改,因此知识库具有自学习和自适应功能。
推理机构根据特征信息处理单元提供的特征信息在知识库中进行匹配,推断出各个参数可能所处的工作状态,再运用正向推理方法,从知识库中提取不同的控制规则,求得当前生产条件下可能允许的最优焊接速度和顶锻力。
44Tech niq ue so3 系统实现在上位机上利用VB6.0可视化系统对事件过程进行编程(Event Driven Program ming)。
软件设计步骤如图3所示。
由于VB6.0提供了多种数据库强有力的支持,我们利用其数据库技术进行对专家控制系统的知识库的建立。
知识库开发模块具有知识库管理和知识库创建维护和学习功能。
推理机模块是思维过程的动态体现,只有通过推理,智能系统才能根据其自身的知识去解决问题。
根据用户提出的问题和输入有关的数据式信息,按专家的意图选择利用知识库的知识,得到问题的解答,按照一定的控制策略去完成。
本专家控制系统采用正向推理机制。
事实采集是推理的必要条件,系统根据采集的事实,进行推理设计。
总控制模块是一个主界面模块,负责实现系统菜单显示和用户各功能模块的调用。
系统服务模块是本专家系统必不可少的辅助功能模块,为用户提供了一系列方便灵活的服务功能,包括联机帮助、工艺过程报表,以及与数据库的通讯等。
图3 系统软件实现步骤系统的硬件组成如图4所示。
我们采用工业PC,人机界面,PLC等控制单元构成该系统的控制核心。
该控制系统可分为三个层面:管理层、控制层、现场层。
管理层由工业PC的上位机开发软件为主,也是专家控制系统的核心部分。
应用VB6.0与数据库开发的专家控制系统,输入相应的焊接参数,如:翅片螺距,钢管(直径、管厚、材质),钢带(带高、带厚、材质)等参数,通过推理机的产生式规则逻辑推理,得到相应的焊接速度和顶锻力。
利用串行通讯电缆RS232的通讯协议,通过VB6.0在工业PC和PLC之间建立实时通讯。
控制层的PLC接收PC的参数,在相应的数据区与控制硬件建立关联,通过D/A模权,从而能实时控制现场层的设备。
现场层的传感器不断地检测和发送信号,由PLC控制单元进行A/D转换,通过串口RS232通讯协议采集到PC机中,实现了该专家控制系统的实时控制。
图4 系统硬件构成图4 结束语利用实时专家控制系统,解决了高频焊接过程复杂,实时性较强,参数众多,数学模型难以建立的困难,同时也加强了高频焊螺旋翅片管的生产智能化控制功能,提高控制精度。
达到精确控制焊接速度,提高工效,降低废品率,保证产品质量,更好地满足客户的要求。
5 参考文献[1] Musa J,Bahill A T.Interactive verification of knowledge based systems.IEEE Expert[J].1993,8(1)[2] B.R.Gaines&M.L.G.Shaw.From Fuzzy Logic to Expert Systems[J].In formation Sciences,1985[3] Richard L.Mullikin.A Framework for Real-Time Distribut-ed Expert Systems:On-Orbit Spaceceaft Fault Diagn osis,Monitoring and Control[J].N88-16440[4] RSLogix500Software Procedures Guide(USA,Rock well In-ternational Corporation[M].May2001)[5] International Standard for Dimensions,Tolerances and Tests45u es of Aut oma tio n&Ap plicatio nsof Hi gh Frenquenc y R es is tance Welded Fins[S].(Effective,J une,1990)[6] 冯博琴.实用专家系统[M].北京:电子工业出版社,1992[7] 傅京孙,蔡自兴,徐光佑.人工智能及应用[M].北京:清华大学出版社,1988,9-29[8] 张钟俊,蔡自兴.智能控制与智能控制系统[J].信息与控制, 1989,18(5):24-28[9] 陈丙森.计算机辅助焊接技术[M].北京:机械工业出版社, 1999[10] 肖德刚,等.新一代焊接工艺设计专家系统[J].焊接,2001, (9):11-15[11] 杨运强,等.焊接工艺系统的Windo ws95可视化编程[J].焊接,2001(1):17-20作者简介:牛晓明(1973-),男,硕士研究生,主要从事机电智能控制系统的研究与开发。
