思维五步法在自动化生产线调试中的应用

马续创，曹 用，孙亚波，靳恩辉，冯 沙

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

自动化生产线在调试过程中经常发生各种各样的设备故障和产品质量问题，它们涉及多专业、多单位。涉及专业有工艺、机械、电气、液压、基础自动化、计算机二级、土建、安装等；涉及单位有建设单位、最终用户、勘察单位、总设计单位、专业生产线设计单位、设备成套供应商、配套件供应商、土建施工单位、安装施工单位、监理公司等等单位。故障可能是任一专业、任一单位的问题导致的，也可能是专业之间、单位之间沟通不畅导致的。面对多专业、多单位的复杂情况，快速判断设备故障和产品质量问题的原因，提出并执行解决方案，是调试工程师必备的职业素养。

面对调试中的各种设备故障和产品质量问题，调试工程师采用的方法各有不同。不过大都源自方法论、现代工程管理理念、传统故障诊断技术、现代故障诊断技术四个方面。常见的方法论如国内孙慕天等的《实用方法辞典》中提出的哲学、一般科学、思维科学、横断科学、现代管理等等方面的1447种方法[1]，它为工程师提供了丰富的方法工具来分析问题。现代工程管理方法参见全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会编写的《建设工程项目管理》，如分层法、因果分析图法、排列图法和直方图法[2]，它指导工程师用数理统计方法分析质量问题。传统故障诊断技术包括替换比较法、简单仪器诊断技术、振动诊断技术、温度诊断技术、油样分析技术、无损探伤诊断技术和故障树诊断法等，它是技术人员诊断问题的基本方法；现代故障诊断技术包括状态监视技术、精密诊断技术、便携和遥控点检技术、过渡状态监视技术、质量及性能监视技术、控制装置监视技术等[3-6]，它们应用了近代数学和各种先进的检测手段，是正处于研究和开发阶段的技术。

然而现存方法均以教授方法为主，并未帮助调试工程师建立完善的思维流程。本文旨在填补此项空白。杜威思维五步法提出了清晰的思维流程，适用于工程问题的诊断，可作为调试工程师诊断自动化生产线的设备故障和产品质量问题的思维流程工具。

1 思维五步法及其演化

面对19世纪末、20世纪初科学猛进、知识倍增的局势，美国教育革新家杜威反对专以积累知识为教育目的，提倡教育的首要任务是培养灵敏、缜密而透彻的思维习惯。思维五步法就是体现他这一教学思想的重要方法[7]。思维五步法一般有五个步骤[8]：(1)联想(或译为“暗示”、“建议”)，即心灵趋向一种可能的解决；(2)问题，将所曾察觉到的困难或疑虑理论化为一个需要解决的问题，即必须得出答案的问题；(3)假设(或译为“臆说”)，使用一个又一个建议，作为解决问题的观念或假设，并通过观察与其他工作，搜集解决此问题的事实材料；(4)推理，对作为观念或假设的心理操作(推理乃推论之一部分，而非全部)；(5)以外表或想象的活动试验此假设。

马林瑞[9]描述杜威的思维五步法的步骤：(1)感受到的困难，难题；(2)它的定位和定义；(3)想到可能的答案或解决办法；(4)对联想进行推理；(5)通过进一步观察和实验肯定或否定自己的结论，即树立或放弃信念。

教育界又稍加调整和优化：(1)澄清问题，主要通过与人的充分沟通和故障现场的深入考查来脱离理解偏差和描述偏差，还原出真实而完整的问题；(2)分析问题，把一个大而复杂的问题拆解成一个个的小问题，确定影响这个问题的因素；(3)提出假设，针对分析出的很多小问题，通过假设找到最关键的那一个或那几个问题；(4)验证假设，验证上一步的假设是否正确，并且确定这个假设是不是问题的关键；(5)提出解决方案，根据找到的关键问题来确定解决方案。

2 思维五步法的应用价值

思维五步法是思维活动的框架，可以摒弃形式教条的理论，从而科学地、自觉地进行探索分析，不断认识真理、接近真理，获得新的认知。对于科学发现，问题是关键和核心，思维五步法可以指导发现问题、明确问题、提出假设并适当推理、通过检验假设验证真知，形成系统的科学认知模式。作为科学发现方法论的研究[9]。思维五步法在自动化生产线调试中有很高的实用价值。本文以工程应用为例，介绍思维五步法的详细应用。

3 应用案例

在包钢冷轧厂连退2#重卷检查线机组联合试生产中期，建设方反应纠偏CPC系统故障。

纠偏CPC系统属于带材连续生产线中必不可缺的辅助系统——工业纠偏系统。工业纠偏系统主要应用于起重[10]、造纸[11-12]、输送带生产[13]、胶片涂布、塑料薄膜生产、磁带生产[14]、带钢处理[15-16]等自动化生产行业。纠偏系统一般由开卷CPC、纠偏CPC、卷取EPC三部分组成，每部分由检测装置、控制系统、执行机构三部分组成。从包钢2#重卷检查机组图中剖离出纠偏系统及影响纠偏的设备布置，如图1所示。

图1 机组纠偏系统与圆盘剪布置示意图

3.1 澄清问题

首先与建设方充分沟通得知，该重卷机组联合试生产初期投入切边功能，未发生脱剪故障。联合试生产中期，但当剪切合同约定的最小宽度4 mm时，出现脱剪故障，严重影响机组运行和带钢质量。建设方初步判断为纠偏CPC系统运行故障，故组织接受EMG培训的仪表专业人员进行排查。经仪表专业人员排查，未发现纠偏CPC系统仪表异常，无法诊断真实的故障原因。

观察现场整个脱剪故障发生的过程，中国重型院现场服务人员发现故障发生速度的升高。机组速度为30 m/min时，剪切正常，但在机组速度逐步升高至最高速度230 m/min的过程中，跑偏逐步加剧，便发生了脱剪。此时停机与仪表专业人员测量开卷CPC、纠偏CPC、卷取EPC处跑偏量，发现卷取EPC处跑偏量在1 mm以内、纠偏CPC处跑偏量在10 mm左右、开卷CPC处跑偏量竟然高达50 mm左右。

至此，成功还原完整问题不是纠偏CPC系统故障，而是圆盘剪高速剪切4 mm窄边时脱剪。

3.2 分析问题

参考贾小亮[17]对圆盘剪切边宽度不一致故障的分析、查德根[18]对重卷机组跑偏的研究和王海峰[19]对镀锌线带钢跑偏的研究，中国重型院现场服务人员将关注点从纠偏CPC系统扩大为来料钢卷、圆盘剪、张力、在线辊和整个机组的纠偏系统。

在扩大的范围内，重新分析发生脱剪的可能原因。按对象划分，来料卷问题、圆盘剪问题、张力问题、在线辊问题和纠偏系统问题。

来料卷问题有来料宽度偏差、来料板形偏差、废边刚度较差等。假设输入控制系统的宽度与比实际宽度的偏差较大，当单侧废边宽度小于3 mm，圆盘剪易发生脱剪故障；当来料板形过差时，会导致剪切状态不佳，有可能导致脱剪；当废边刚度过差时，废边易打卷，易造成剪切故障。这些问题是来料的固有属性，受速度变化影响较小，与现场高低速脱剪的差异情况不符。故可能性较小。

圆盘剪问题有圆盘剪开口度偏差、刀刃缺陷、剪刃侧间隙不恰当、剪刃重叠量不恰当；假设开口度偏差较大，可能导致脱剪问题；刀刃缺陷、侧间隙不当和重叠量不当会导致剪切状态不佳，可能导致剪切故障。假设这些问题存在，则低速下剪切同样应出现故障。这与现场30 m/min下剪切正常的情况不符,故排除。

张力问题有张力大小不当、张力波动较大、张力梯度不当等。张力大小及张力梯度与其他机组相同，其他机组未见跑偏，故可排除该问题。假如张力波动较大，则带钢一般会出现明显的抖动。现场观察未见该现象，故可排除该问题。

在线辊问题有安装水平度偏差较大、安装垂直度偏差较大、辊面磨损不一致造成的锥度过大、辊面粗糙度不均匀等。该问题会在一定程度上影响纠偏精度，但对开卷CPC的影响大小不会达到50 mm。故可排除该问题。

开卷CPC系统问题主要有调整方向设定错误、浮动油缸爬行[20]、响应参数不当、电气参数调整不当、高频灯管集尘、控制器参数设定不当、控制器输入参数不当、控制器输出参数不当、控制模型不当等；纠偏CPC系统问题类似与开卷CPC问题，但其电感框架与圆盘剪的对中精度直接影响两侧废边宽度的一致性；卷取CPC系统问题类似于开卷CPC系统问题。

纠偏CPC的运行状态已通过仪表专业校核，故其出现故障的可能性较小。卷取EPC被检查站隔离，不会影响到纠偏CPC。

经分析，开卷CPC出现故障的可能性最大。与现场开卷CPC高速跑偏量达50 mm的情况符合。

3.3 提出假设

根据本文分析，缩小了检查范围。中国重型院现场服务人员与经EMG培训的仪表专业人员共同检查开卷CPC的基本状态，发现：(1)高频灯管未集尘；(2)各电气参数调整正确；(3)控制参数设置正确。观察现场运行状态，未见开卷机爬行。该机组与其他机组的响应参数相同，出现相同问题，故排除响应参数不当的问题。中国重型院现场服务人员提出假设:(1)开卷CPC纠偏方向设置相反；(2)开卷CPC的纠偏控制模型对速度的影响系数有误；(3)速度变量传输有误。

3.4 验证假设

关于本文提出的三个假设，分别进行验证。

在开卷CPC控制箱上切换控制模式为自动模式。用样板偏移测试，观察开卷机浮动油缸方向，结果浮动方向与跑偏方向相反。这说明纠偏方向设置正确，可排除该问题。

采用抑制变量法抑制速度变量，重新观察跑偏量。具体方法是将纠偏的模式从比例积分模式切换为纯比例模式。这是因为比例积分模式下的数学模型对不同速度大小考虑了不同程度的纠偏量，而纯比例模式下，则未考虑速度大小的影响。

把纠偏模式从比例积分模式切换到纯比例模式下，继续跑卷剪切，观察跑偏量，结果机组速度升至最高速，圆盘剪依然可以正常剪切4 mm的窄边。停机测量两侧切边宽度，结果两侧偏差在2 mm以内。这说明跑偏量在1 mm以内，达到合同约定的纠偏CPC精度要求。测量开卷CPC处跑偏量，带材距离辊边缘偏差在2 mm以内，这说明开卷CPC的纠偏精度也达到了合同约定的1 mm以内。

至此推断故障应该是后面两个假设导致的。

3.5 提出解决方案

根据已验证的假设，提出解决方案：检查开卷CPC与机组的速度变量的传输，若有误将其更正，若无误，则检查程序中比例积分控制模型里的速度影响系数。

执行解决方案，发现机组与开卷CPC经通讯接口交换速度变量的单位错误。更正该变量的单位，并将纠偏模式切换回比例积分模式，继续跑卷剪切4 mm窄边，各机组速度下剪切正常，跑偏量在允许范围内。

4 结束语

通过本文分析和案例，可以看出杜威思维五步法可帮助调试工程师理清思路，避免陷入混乱的思维中，有助于指导故障诊断与质量分析，值得推广。