具体实施方式

钢卷小车是冷轧工艺的主要设备之一，主要是将钢卷送入开卷机进行轧制，然后将成品钢卷从卷筒上卸下来。钢卷小车在冷轧输送系统中起到重要作用，是维持整个冷轧系统正常运行的保障。整个机组中钢卷小车总共有4台，机组入口处有2台，主要为了将钢卷送到开卷机进行开卷；出口有2台，主要功能是将生产完成的钢卷成品从卷取机卸下，并运输到出口步进梁。无论是入口还是出口的钢卷小车，其基本动作时序和液压驱动系统都大致相同。钢卷小车的提升和下降动作由液压驱动，而平移和回退动作是由电机驱动的。钢卷小车的举升液压系统在高压和低压模式下，分别有高速和低速模式。

出口步进梁是冷轧工艺的另一个主要设备，主要承将出口钢卷小车输送的钢卷送出的工作，根据生产线工艺要求，步进梁步进需要快节奏、高产量运行，工作频率较高，因此出口步进梁的稳定性也很重要。出口步进梁主要功能是将钢卷小车运送来的钢卷运送到打捆机处进行打捆，最多承载7个钢卷，通过占位光栅信号可知当前步进梁承载的钢卷数量。步进梁的动作时序依次为前进、上升、回退和下降，这四个动作循环往复执行，相应行程终点位置设有限位开关。

钢卷小车举升过程中，如果液压缸出现泄漏问题，举升油缸不动作或者举升速度明显低于平常时的举升速度。下降过程中，如果液压缸出现泄漏问题，举升油缸不动作或者长时间无法下降到指定高度位置。步进梁举升过程中，如果出现液压缸泄漏问题，举升油缸不动作或者长时间达不到举升位置，花费远远超出正常时间到达特定高度位置。下降过程中，如果出现液压缸泄漏问题，举升油缸变慢或者长时间无法下降到指定高度位置，花费远远超出正常时间到达特定高度位置。平移过程中，举升油缸需要进行保压，如果发生内泄，钢卷的被举升的高度就会降低，严重时会导致钢卷与地面接触，造成翻卷。

液压设备的工作状态有多种表现形式，进给量、温度、油液微粒的变化等。而液压设备通过进给量和时间信号可以反映设备运行状况，是理想的设备状态监测信号。入口钢卷小车、出口钢卷小车、出口步进梁的液压系统常出现的液压问题为液压油泄漏、气穴爬行等体现可以由运行过程的运行指令信号和对应的实时位移来确定分析。

本发明监测方法的数据采集方案支持使用采集不低于1s采样频率的数据，通过采集运行指令信号进行分析和处理。可采集的设备数据和运行指令信号共55个。本发明中采集的冷轧运输设备的运行指令信号为入口钢卷小车、出口钢卷小车高速与低速的上升、高速与低速的下降、前进、后退、承载等信号与出口步进梁的上升、下降、前进、后退、上升限位、下降限位、前进限位、后退限位、承载钢卷数等信号，通过这些运行指令信号分析运输设备的运行状态，通过运行状态分析运行轨迹和运行规律，并通过总结规律，得到阈值范围，从而制定设计针对实时数据的判断分析的算法。

如图1所示，本发明的一种钢卷小车和步进梁工作状态监测方法，包括如下步骤：

步骤1：统计钢卷小车和步进梁的多种历史运行指令信号，并根据相应的运行指令信号计算钢卷小车和步进梁的运行物理量；

步骤2：每种运行物理量呈正太分布，分别计算每种运行物理量的均值和标准差，根据3西格玛原则，确定异常判断阈值上、下限；

步骤3：实时采集钢卷小车和步进梁的多种运行指令信号，并计算钢卷小车和步进梁的实时运行物理量；

步骤4：判断实时运行物理量是否落入正常范围，即异常判断阈值上、下限之间，若连续异常次数超过2次，则钢卷小车和步进梁发生泄漏故障；

步骤5：如果运行物理量出现连接减小或增大的次数超过2次，则判定钢卷小车和步进梁有故障的趋势。

具体实施时，钢卷小车上升或下降过程中，出现液压阀堵塞问题，钢卷小车的举升或者下降速度会出现明显降低，而上升和下降通常成对出现，并且分析原理相同，可以对其进行特征降维，于是通过监测钢卷小车单位时间内上升的位移量，即速度，来诊断液压缸的升降状态，并且在上升下降的过程中还分高速和低速，需要分开计算速度并判断是否正常才更加准确。

以1号入口钢卷小车的上升信号为例，当液压阀1号运行指令信号存在时为高速模式，表示钢卷小车正高速上升，定义该信号为高速上升信号，其持续时间就是高速上升时间，信号出现的起始时间点和消失时间点，是高速上升的起点和终点，可计算出高速上升持续的时间。读取起点和终点时间对应的上升高度值，两个高度之差除以持续时间即为高速上升速度。当只有液压阀2号指令存在的时候是低速模式，表示小车处于低速上升状态。定义该信号指令为低速上升信号，其持续时间就是低速上升时间，信号出现的起始时间点和消失时间点，是低速上升的起点和终点，可计算出低速上升持续的时间。读取起点和终点时间对应的上升高度值，两个高度之差除以持续时间即为低速上升速度。在钢卷小车平移过程中，如果发生油缸泄漏，必然会引起钢卷的举升高度下降，钢卷小车上有位移传感器，可以实时获取钢卷小车的高度数据，因此，只需针对钢卷小车在平移过程中高度是否下降进行监测即可。在该时间内，前移水平距离和高度变化量的变化量，计算平均每米下降多少毫米。

通过以上分析可知，针对钢卷小车的状态监测，需要采集的运行指令信号包括：高速上升信号、低速上升信号、高速下降信号、低速下降信号、高度位置信号、前进信号、后退信号、水平位置信号。

步进梁的工作行程为前进、上升、后退、下降四个部分。因为步进梁的各阶段信号是数字量信号，运行逻辑分析如下：后退过程中持续输出高电平，直到钢卷达到预设后退位置，触发限位开关使得后退停止，之后后退信号转为低电平一段时间后，与后退限位信号持续维持高电平信号，确保步进梁能够持续在最后位置；上升过程中持续输出高电平，直到钢卷达到预设高度，触发限位开关，之后上升信号转为低电平；平移动作过程中也是持续输出高电平，直到到达指定的前进位置出发前进限位开关，之后前进信号转化为低电平信号；下降动作过程中也是持续输出高电平，直到到达指定的最低位置触发下降限位开关，之后前进信号转化为低电平信号，为了保持持续最低位置，会持续有下降限位高电平信号。通过分析发现，初始状态是步进梁处于最后最低位置，所以下降限位信号与后退限位信号一直处于激发状态，然后前进信号触发，步进梁前进工作，达到指定位置后前进限位开关开启，结束前进过程，并开启上升指令，步进梁开始慢慢上升，当达到上升指定位置的时候，触发上升限位开关，停止上升，之后开始后退信号的开启，步进梁开始后退，后退到指定位置后，后退限位信号开始，后退过程结束，然后下降信号触发，步进梁进行下降，下降到指定位置，下降限位触发，并与后退限位信号一直触发为了确保小车一直位于指定起始位置不变，以上就是一个完整的步进梁运动过程。在此过程中，如果某一过程中液压缸出现泄漏，钢卷到达预设位置所花费的时间远远大于液压缸正常状态下所花费的时间。

通过上述分析针对出口步进梁的状态监测需采集的运行指令信号包括：前进信号、后退信号、水平位置信号、上升限位信号、上升信号、平移限位信号和平移信号。

通过PLC系统进行上述运行信号的采集，并将采集的数据传输到上位机，通过上位机技算相应的运行物理量。通过TCP/IP进行数据传输并存储到数据库中。在历史运行信号采集过程中，计算的运行物理量精确至小数点后2位，异常判断阈值上、下限精确至小数点后3位。有利于对提高数据范围的精度。

通过对钢卷小车和步进梁一个月的运行数据的采集分析，针对高速上升阶段、低速上升阶段、水平运动和各个阶段时间分析，得到钢卷小车需要监测的运行物理量包括：钢卷小车的高速速度、低速速度、水平倾斜率和步进梁的运行时间。其中，高速速度包括高速上升速度和高速下降速度，两者相等；低速速度包括低速上升速度和低速下降速度，两者相等。步进梁需要监测的运行物理量包括举升时间、下降时间、平移时间和回退时间，举升时间和下降时间相等，平移时间和回退时间相等。

具体实施时，通过以下公式计算上述需要监测的运行物理量：

(1)根据下式计算钢卷小车的高速上升速度：

其中，V为高速上升速度，H₁为高速上升终点位置，h₁为高速上升起点位置，T为高速上升信号持续时间。高速上升信号持续时间就是高速上升的时间。读取高速信号起始时间点和消失时间点对应的位置，即高速上升起点位置和高速上升终点位置，两个位置的高度差除以高速上升时间即为高速上升速度。

(2)根据下式计算钢卷小车的低速上升速度：

其中，v为低速上升速度，H₂为低速上升终点位置，h₂为低速上升起点位置，t为低速上升信号持续时间。低速上升信号持续时间就是低速上升的时间。读取低速信号起始时间点和消失时间点对应的位置，即低速上升起点位置和低速上升终点位置，两个位置的高度差除以低速上升时间即为低速上升速度。

(3)根据下式计算钢卷小车的水平倾斜率：

其中，w为水平倾斜率，H₃为终点高度位置，h₃为起点高度位置，L₂为水平运行终点位置，L₁为水平运行起点位置；

只分析小车上有钢卷的情况，钢卷小车前进信号发出时，表示小车前进，持续时间即表示前进多长时间。在该时间内，高度变化量和前进水平距离的比值即为水平倾斜率。计算平均每米高度变化多少毫米。

(4)根据下式计算步进梁的举升时间：

T₁＝T₁₁-T₁₂

其中，T₁为进梁的举升时间，T₁₁为上升限位信号触发时间，T₁₂为上升信号触发时间；

(5)根据下式计算步进梁的平移时间：

T₂＝T₂₁-T₂₂

其中，T₂为进梁的平移时间，T₂₁为平移限位信号触发时间，T₂₂为平移信号触发时间。

具体实施时，本发明采用统计过程控制方法，计算运行物理量的异常判断阈值上、下限。平均值和标准偏差是数理统计中的两个最基本的参数。通过对比控制限，判断是否出现问题，并做到及时调整。控制上下限是通过统计规则和系统性能计算出来的参数，和人工根据经验确定的参数不同。当工作处于稳定状态时，工作质量指标服从正态分布，设正态分布平均值为μ，标准差为σ，通常选用μ±3σ作为统计分析的控制限，该原则认为在此范围中合理的概率为99.73％。通过对分布的状态的观察可以判断生产状态是否稳定。

因此，本发明运行物理量的异常判断阈值上、下限分别设置为：

其中，Z_上为运行物理量Z的异常判断阈值上限，Z_下为运行物理量Z的异常判断阈值下限，为运行物理量Z的均值，σ为运行物理量Z的标准差。当时为正常。

具体实施时，由于，统计过程控制方法算法符合正态分布原则，所以有95％到97％的概率将正确的数据识别为异常数据，从而错误报错，因此结合实际运行情况，如果冷轧输送设备出现液压泄漏的故障，会使得测得数据连续低于速度阈值，因此为了防止错误预警，单次采集计算的运行物理量超出正常范围，不能诊断为设备异常并报警，有可能是数据传输错误等偶发因素导致的。如果连续异常超过M次，则反映钢卷小车和步进梁可能发生泄漏故障，才会进行故障预警，如果仅出现一次的情况，将只进行异常预警作为提醒作用，从而提升其故障预警的准确率。

M值需要依不同的设备基于数据进行合理定义，防止过报警和欠报警。具体调整依据是：根据正常工况下一段时间内的历史数据，连续超过阈值范围的次数的最大值为M，当数据连续异常次数大于M时，则提示设备故障。本实施例中取M＝2。

具体实施时，历史趋势异常判断。根据新采集的钢卷小车的上升速度、水平倾斜率和步进梁的举升、平移时间的计算值和异常判断阈值上、下限比较。如果相应的运行物理量出现连续增大或减小K次，则判定钢卷小车和步进梁有故障的趋势。本实施例中取K＝2。

实施例：

1、历史数据分析步骤，分析获取运行信号与钢卷小车的低速上升速度、高速上升速度、平移倾斜率和步进梁举升时间、后退所需时间等之间的关系，通过各个运行阶段分析计算得到钢卷小车高速上升速度Z₁、低速上升速度Z₂、水平倾斜率Z₃、步进梁举升时间Z₄、平移时间Z₅。根据Z₁、Z₂、Z₃、Z₄、Z₅数据为正态分布，分别获取均值和标准差σ₁、σ₂、σ₃、σ₄、σ₅，认定Z₁低于上界限且高于下界限为正常值，认定Z₂低于上界限且高于下界限为正常值，认定Z₃低于上界限且高于下界限为正常值，认定Z₄低于上界限且高于下界限为正常值，认定Z₅低于上界限且高于下界限为正常值。

2、实时数据采集步骤，实时采集钢卷小车和步进梁工作状态的运行信号，每1秒获取一次对应信号。

3、数据判断步骤，根据新采集的钢卷小车和步进梁的运行信号计算的运行物理量，对其判断是否在上步骤中的上界限与下界限之间，由此判断数据是否正常。如果连续2次数据异常，则反映钢卷小车或步进梁发生液压泄漏。

4、趋势判断步骤，根据新采集计算的钢卷小车和步进梁运行物理量，如果对应数据出现连续减小2次，则判定钢卷小车或步进梁有液压泄漏趋势。

本实施例的监测方法的工作原理如图2所示，详述如下。

先通过监测钢卷小车和步进梁各部分运动状态信号计算速度、倾斜度、所需时间，并每隔1秒获取一次数据。

累计一段时长的正常工作状态下的上升速度、水平倾斜率和步进梁移动时间的历史数据，确定钢卷小车和步进梁各部分运行物理量的上下界限。

进而，对实时采集计算的新的运行物理量进行判断，计算钢卷小车和步进梁对应阶段运行物理量大小，根据运行物理量的数值大小是否在异常判断阈值上、下限内，从而判断感应钢卷小车和步进梁是否存在泄漏问题。

同时，根据钢卷小车和步进梁各部分运行物理量数据的连续趋势，判断钢卷小车和步进梁各部分运行趋势，对状态提前预警并能够及时维护。

通过PLC进行数据的采集和传输，方便管理和分析。

在一些实施例中，可以使在所述数据判断步骤中M＝2。

将M设定为2能够有效地避免数据偶然异常而对锌锅漏锌误判断。

可以使在所述趋势判断步骤中K＝2。选取K＝2能够很好地根据数据连续下降次数认定数据有下降趋势。

本发明的一种钢卷小车和步进梁工作状态监测方法，可对冷轧输送设备状态的监测，实时掌握其工作状态，实现透明化生产是钢铁厂追求的目标，国外一些先进单位已经在关键设备上开展了此类工作，设备状态稳定是生产出高质量产品的保证，本发明目旨在通过关键设备状态的实时监控，掌握设备健康状态，趋势分析与故障预警，以降低事故概率。

通过对监测设备的信号采集提取，结合装备的功能作用、结构组成和工作特点，分析装备数据信号，进行价值挖掘、信息提取进而实现装备的状态监测、异常预警、故障诊断等工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。