思維五步法在自動化生產線調試中的應用

馬續創，曹 用，孫亞波，靳恩輝，馮 沙

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

自動化生產線在調試過程中經常發生各種各樣的設備故障和產品質量問題，它們涉及多專業、多單位。涉及專業有工藝、機械、電氣、液壓、基礎自動化、計算機二級、土建、安裝等；涉及單位有建設單位、最終用戶、勘察單位、總設計單位、專業生產線設計單位、設備成套供應商、配套件供應商、土建施工單位、安裝施工單位、監理公司等等單位。故障可能是任一專業、任一單位的問題導致的，也可能是專業之間、單位之間溝通不暢導致的。面對多專業、多單位的復雜情況，快速判斷設備故障和產品質量問題的原因，提出并執行解決方案，是調試工程師必備的職業素養。

面對調試中的各種設備故障和產品質量問題，調試工程師采用的方法各有不同。不過大都源自方法論、現代工程管理理念、傳統故障診斷技術、現代故障診斷技術四個方面。常見的方法論如國內孫慕天等的《實用方法辭典》中提出的哲學、一般科學、思維科學、橫斷科學、現代管理等等方面的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。現代工程管理方法參見全國一級建造師執業資格考試用書編寫委員會編寫的《建設工程項目管理》，如分層法、因果分析圖法、排列圖法和直方圖法[2]，它指導工程師用數理統計方法分析質量問題。傳統故障診斷技術包括替換比較法、簡單儀器診斷技術、振動診斷技術、溫度診斷技術、油樣分析技術、無損探傷診斷技術和故障樹診斷法等，它是技術人員診斷問題的基本方法；現代故障診斷技術包括狀態監視技術、精密診斷技術、便攜和遙控點檢技術、過渡狀態監視技術、質量及性能監視技術、控制裝置監視技術等[3-6]，它們應用了近代數學和各種先進的檢測手段，是正處于研究和開發階段的技術。

然而現存方法均以教授方法為主，并未幫助調試工程師建立完善的思維流程。本文旨在填補此項空白。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，可作為調試工程師診斷自動化生產線的設備故障和產品質量問題的思維流程工具。

1 思維五步法及其演化

面對19世紀末、20世紀初科學猛進、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是培養靈敏、縝密而透徹的思維習慣。思維五步法就是體現他這一教學思想的重要方法[7]。思維五步法一般有五個步驟[8]：(1)聯想(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(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，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。

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)對聯想進行推理；(5)通過進一步觀察和實驗肯定或否定自己的結論，即樹立或放棄信念。

教育界又稍加調整和優化：(1)澄清問題，主要通過與人的充分溝通和故障現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，針對分析出的很多小問題，通過假設找到最關鍵的那一個或那幾個問題；(4)驗證假設，驗證上一步的假設是否正確，并且確定這個假設是不是問題的關鍵；(5)提出解決方案，根據找到的關鍵問題來確定解決方案。

2 思維五步法的應用價值

思維五步法是思維活動的框架，可以摒棄形式教條的理論，從而科學地、自覺地進行探索分析，不斷認識真理、接近真理，獲得新的認知。對于科學發現，問題是關鍵和核心，思維五步法可以指導發現問題、明確問題、提出假設并適當推理、通過檢驗假設驗證真知，形成系統的科學認知模式。作為科學發現方法論的研究[9]。思維五步法在自動化生產線調試中有很高的實用價值。本文以工程應用為例，介紹思維五步法的詳細應用。

3 應用案例

在包鋼冷軋廠連退2#重卷檢查線機組聯合試生產中期，建設方反應糾偏CPC系統故障。

糾偏CPC系統屬于帶材連續生產線中必不可缺的輔助系統——工業糾偏系統。工業糾偏系統主要應用于起重[10]、造紙[11-12]、輸送帶生產[13]、膠片涂布、塑料薄膜生產、磁帶生產[14]、帶鋼處理[15-16]等自動化生產行業。糾偏系統一般由開卷CPC、糾偏CPC、卷取EPC三部分組成，每部分由檢測裝置、控制系統、執行機構三部分組成。從包鋼2#重卷檢查機組圖中剖離出糾偏系統及影響糾偏的設備布置，如圖1所示。

圖1 機組糾偏系統與圓盤剪布置示意圖

3.1 澄清問題

首先與建設方充分溝通得知，該重卷機組聯合試生產初期投入切邊功能，未發生脫剪故障。聯合試生產中期，但當剪切合同約定的最小寬度4 mm時，出現脫剪故障，嚴重影響機組運行和帶鋼質量。建設方初步判斷為糾偏CPC系統運行故障，故組織接受EMG培訓的儀表專業人員進行排查。經儀表專業人員排查，未發現糾偏CPC系統儀表異常，無法診斷真實的故障原因。

觀察現場整個脫剪故障發生的過程，中國重型院現場服務人員發現故障發生速度的升高。機組速度為30 m/min時，剪切正常，但在機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，便發生了脫剪。此時停機與儀表專業人員測量開卷CPC、糾偏CPC、卷取EPC處跑偏量，發現卷取EPC處跑偏量在1 mm以內、糾偏CPC處跑偏量在10 mm左右、開卷CPC處跑偏量竟然高達50 mm左右。

至此，成功還原完整問題不是糾偏CPC系統故障，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，中國重型院現場服務人員將關注點從糾偏CPC系統擴大為來料鋼卷、圓盤剪、張力、在線輥和整個機組的糾偏系統。

在擴大的范圍內，重新分析發生脫剪的可能原因。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。假設輸入控制系統的寬度與比實際寬度的偏差較大，當單側廢邊寬度小于3 mm，圓盤剪易發生脫剪故障；當來料板形過差時，會導致剪切狀態不佳，有可能導致脫剪；當廢邊剛度過差時，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、剪刃側間隙不恰當、剪刃重疊量不恰當；假設開口度偏差較大，可能導致脫剪問題；刀刃缺陷、側間隙不當和重疊量不當會導致剪切狀態不佳，可能導致剪切故障。假設這些問題存在，則低速下剪切同樣應出現故障。這與現場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、張力波動較大、張力梯度不當等。張力大小及張力梯度與其他機組相同，其他機組未見跑偏，故可排除該問題。假如張力波動較大，則帶鋼一般會出現明顯的抖動。現場觀察未見該現象，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的影響大小不會達到50 mm。故可排除該問題。

開卷CPC系統問題主要有調整方向設定錯誤、浮動油缸爬行[20]、響應參數不當、電氣參數調整不當、高頻燈管集塵、控制器參數設定不當、控制器輸入參數不當、控制器輸出參數不當、控制模型不當等；糾偏CPC系統問題類似與開卷CPC問題，但其電感框架與圓盤剪的對中精度直接影響兩側廢邊寬度的一致性；卷取CPC系統問題類似于開卷CPC系統問題。

糾偏CPC的運行狀態已通過儀表專業校核，故其出現故障的可能性較小。卷取EPC被檢查站隔離，不會影響到糾偏CPC。

經分析，開卷CPC出現故障的可能性最大。與現場開卷CPC高速跑偏量達50 mm的情況符合。

3.3 提出假設

根據本文分析，縮小了檢查范圍。中國重型院現場服務人員與經EMG培訓的儀表專業人員共同檢查開卷CPC的基本狀態，發現：(1)高頻燈管未集塵；(2)各電氣參數調整正確；(3)控制參數設置正確。觀察現場運行狀態，未見開卷機爬行。該機組與其他機組的響應參數相同，出現相同問題，故排除響應參數不當的問題。中國重型院現場服務人員提出假設:(1)開卷CPC糾偏方向設置相反；(2)開卷CPC的糾偏控制模型對速度的影響系數有誤；(3)速度變量傳輸有誤。

3.4 驗證假設

關于本文提出的三個假設，分別進行驗證。

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，觀察開卷機浮動油缸方向，結果浮動方向與跑偏方向相反。這說明糾偏方向設置正確，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學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，繼續跑卷剪切，觀察跑偏量，結果機組速度升至最高速，圓盤剪依然可以正常剪切4 mm的窄邊。停機測量兩側切邊寬度，結果兩側偏差在2 mm以內。這說明跑偏量在1 mm以內，達到合同約定的糾偏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，這說明開卷CPC的糾偏精度也達到了合同約定的1 mm以內。

至此推斷故障應該是后面兩個假設導致的。

3.5 提出解決方案

根據已驗證的假設，提出解決方案：檢查開卷CPC與機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。

執行解決方案，發現機組與開卷CPC經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，繼續跑卷剪切4 mm窄邊，各機組速度下剪切正常，跑偏量在允許范圍內。

4 結束語

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