基于PLC在龍門吊故障檢測(cè)中的應(yīng)用

基于 PLC在龍門吊故障檢測(cè)中的應(yīng)用 摘要 分析 PLC 對(duì)機(jī)電設(shè)備故障的診斷原理和它在故障診斷系統(tǒng)中的作用，利用PLC 和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障診斷的智能化。充分利用機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)中 PLC 的硬件資源，可簡(jiǎn)化診斷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)是集裝箱專業(yè)化碼頭堆場(chǎng)的主力設(shè)備，它具有可靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)、工程投資少等特點(diǎn)，受到廣大碼頭的歡迎。 PLC 尤其在龍門吊吊具故障診斷上得到了廣泛的應(yīng)用。 關(guān)鍵字 ： PLC 故障診斷 龍門吊 1 Abstrasct The principle of PLC diagnosis in the faults of mechtronical equipment and the function in fault diagnosis system are analyzed. Intelligence diagnosis is performed by the diagnosis system made up of PLC and computer. By full utilizing the PLC hardware diagnosis system can be simplified. Rubber-tyred container gantry crane is the main specialied container terminal yard equipment, it has a specical flexible operation and less investment ect,it was welcome by the masses of terminal. PLC especially on the gantry crane sling fault diagnosis has been widely used. Keywords： PLC fault diagnosis gantry crane 目錄 0 引言 5 1 PLC 診斷機(jī)電設(shè)備故障的基本原理 5 1.1 基于開 關(guān)量信號(hào)的診斷 5 1.2 基于模擬量信號(hào)的故障診斷 5 1.3 基于中斷方式的故障診斷 6 2 PLC 在故障診斷系統(tǒng)的作用 6 3 利用 PLC和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化的診斷的方式 7 4 吊具信號(hào)的采集 7 5 PLC 硬件組態(tài) 8 6 無(wú)線通訊的實(shí)現(xiàn) 9 7 吊具的 PLC 程序故障診斷 10 結(jié)論 12 致謝 13 參考文獻(xiàn) 14 引言 集裝箱運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的運(yùn)輸方式，同時(shí)他也是衡量國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。為了提高集裝箱的吞吐量，不得不提高集裝箱的作業(yè)效率。輪胎式集裝箱門式起重機(jī)是集裝箱進(jìn)行作業(yè)的主要機(jī) 械。這就要求我們提高龍門吊的效率減低龍門吊出現(xiàn)故障頻率，因此我們必須對(duì)龍門吊的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。本文主要介紹 PLC 在龍門吊故障檢測(cè)中的應(yīng)用。 1 PLC 診斷機(jī)電設(shè)備故障的基本原理 機(jī)電設(shè)備的故障信號(hào)有開關(guān)量和模擬量之分， PLC 采用不同的方法對(duì)這兩種信號(hào)對(duì)應(yīng)的故障進(jìn)行診斷。 1.1 基于開關(guān)量信號(hào)的診斷 PLC 對(duì)開關(guān)量信號(hào)的識(shí)別是通過其開光量輸進(jìn)模塊完成的。 PLC 控制機(jī)電設(shè)備時(shí)，設(shè)備中的壓力、溫度、液位、行程快關(guān)及操作按鈕等開關(guān)量傳感器與 PLC 的輸進(jìn)端子相連，每個(gè)輸進(jìn)端子在 PLC 的數(shù)據(jù)區(qū)中分配有一個(gè)“位”，每個(gè)“位”在內(nèi)存中為一個(gè)地址。輸進(jìn)“位”的工作原理，如圖 1 所示。圖中， IN 代表開關(guān)量輸進(jìn)， COM 為信號(hào)公共端。 IN 為 ON 時(shí)，光敏二極管飽和導(dǎo)通，否則截止。故 PLC 的內(nèi)部電路可以“感知”開關(guān)信號(hào)的有無(wú)。讀取 PLC輸進(jìn)位的狀態(tài)是可作為識(shí)別開關(guān)量故障信號(hào)的根據(jù)。診斷開關(guān)量故障的過程，實(shí)質(zhì)就是將 PLC 正常的輸進(jìn)位狀態(tài)值與相應(yīng)的輸進(jìn)位的實(shí)際狀態(tài)值相比較的過程。假如二者比較的結(jié)果是一致的，則表明機(jī)電設(shè)備處于正常工況，不一致則表明對(duì)應(yīng)輸進(jìn)位的設(shè)備部位處于 故障工況。這就是 PLC 基于開關(guān)量信號(hào)故障的基本原理。 圖 1 PLC 輸進(jìn)位電路原理圖 這種診斷方法，故障定位準(zhǔn)確，可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷。通過 PLC 的梯形圖編程，還可以將故障診斷融進(jìn)過程控制，達(dá)到保護(hù)機(jī)電設(shè)備的目的。 1.2 基于模擬量信號(hào)的故障診斷 PLC 對(duì)模擬量信號(hào)的識(shí)別是通過 PLC 的模擬量輸進(jìn)輸出模塊來(lái)完成的。模擬量輸進(jìn)輸出模塊采用 A/D 轉(zhuǎn)換原理，輸進(jìn)端接收來(lái)自傳感器或信號(hào)發(fā)生器的模擬信號(hào)，輸出端輸出的模擬信號(hào)作用于 PLC 的的控制對(duì)象。 PLC 診斷模擬量故障的過程，實(shí)質(zhì)就是將在相應(yīng) A/D 通道讀到的監(jiān)測(cè) 信號(hào)的模擬量的實(shí)際值與系統(tǒng)答應(yīng)的極限值相比較的過程。假如比較的結(jié)果是實(shí)際值闊別極限值，則表明機(jī)電設(shè)備對(duì)應(yīng)的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài)，假如實(shí)際值接近或達(dá)到極限值，則為不正常狀態(tài)。判定故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定，利用 PLC 的模擬量設(shè)定開關(guān)可精確設(shè)置該極限值。 當(dāng)模擬量的實(shí)際值達(dá)到模擬量設(shè)定開關(guān)的設(shè)定值， PLC 還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動(dòng)開關(guān)量模塊上的輸出為，或者從 PLC 的通訊口主動(dòng)發(fā)起通訊，從而輸出故障診斷的結(jié)果，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的控制。 1.3 基于中斷方式的故障診斷 PLC 的中斷方式有： （ 1）輸進(jìn)中斷。開關(guān)量模塊的輸進(jìn)位 FF 變?yōu)?ON 時(shí)，由 PLC 的 CPU執(zhí)行的中斷。 （ 2）間隔定時(shí)器中斷。由一定精度的間隔定時(shí)器啟動(dòng)執(zhí)行的中斷。 （ 3）高速計(jì)數(shù)器中斷。根據(jù) PLC 內(nèi)裝的高速計(jì)數(shù)器確定當(dāng)前執(zhí)行的 中斷。 其中，輸進(jìn)中斷特別適合于機(jī)電設(shè)備的故障診斷，它對(duì)應(yīng)于產(chǎn)業(yè)計(jì)算機(jī)的硬件中斷，屬于外部中斷，但 PLC 的輸進(jìn)中斷可用 PLC 的外部指令來(lái)屏蔽。 將機(jī)電設(shè)備的故障信號(hào)作為 PLC 的輸進(jìn)中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號(hào)， CPU立即響應(yīng)，停止正在執(zhí)行的程序輸進(jìn)到中斷子程序中，即可方便地對(duì)故障進(jìn)行處理。它與直接利用 PLC 的內(nèi)部邏輯完成故障診斷的不同之處在于：采用輸進(jìn)中斷處理故障時(shí)，可停止 PLC 主程序的執(zhí)行過程，而直接利用 PLC 的輸進(jìn)和內(nèi)部邏輯處理故障時(shí)， PLC 的主程序仍處于運(yùn)行狀態(tài)。因此，要根據(jù)故障對(duì)機(jī)電設(shè)備的影響程度選擇合適的故障診斷方式。 PLC 的輸進(jìn)中斷方式對(duì)后果嚴(yán)重的突發(fā)故障的處理特別有用。 2 PLC 在故障診斷系統(tǒng)的作用 故障診斷系統(tǒng)是典型的人機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息和功能劃分的結(jié)果，基于計(jì)算機(jī)的故障診斷系統(tǒng)，如圖 2 所示： 圖 2 故障診斷系統(tǒng)的信息流向和功能模塊 系統(tǒng)的輸進(jìn)模塊要完成機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)信號(hào)、控制指令和專家知識(shí)的接收工作。處理模塊要求能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)提取、控制指令代碼轉(zhuǎn)換的功能。專家知識(shí)的整理和表達(dá)由領(lǐng)域?qū)＜液拖到y(tǒng)專家協(xié)作完成。控制模塊是故障診斷系統(tǒng)的核心，它根據(jù)控制指令，利用專家知識(shí)，完成從故障特征到故障原因的識(shí)別工作?？刂颇K的功能越完善，故障診斷系統(tǒng)的智能化程度越高。輸出模塊通過聲光報(bào)警裝置和人機(jī)界面，給出故障定位、預(yù)告和解釋的結(jié)果。其中，人機(jī)界面還 能提供排除故障的技術(shù)路線。 實(shí)現(xiàn)信息源從輸進(jìn)模塊到輸出模塊的全自動(dòng)流向，減少人在其中的干預(yù)作用，是機(jī)電設(shè)備對(duì)其故障診斷系統(tǒng)的要求。采用 PLC 的故障診斷系統(tǒng)，有助于實(shí) 現(xiàn)故障診斷過程的自動(dòng)化。 PLC 的開關(guān)量輸進(jìn)模塊可用作為開關(guān)量故障信號(hào)的輸進(jìn)裝置，模擬量輸進(jìn)模塊可用作為模擬量信號(hào)的輸進(jìn)裝置。這兩種模塊均能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線檢測(cè)。 PLC 的內(nèi)部邏輯可完成控制模塊中的邏輯推理功能。 PLC 的輸出模塊可直接驅(qū)動(dòng)診斷系統(tǒng)的輸出模塊。其中，輸出端子可用來(lái)控 制聲光報(bào)警裝置和受控機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行過程，顯示屏可作為人機(jī)界 面使用。 PLC 的通訊即可用來(lái)接受控制指令，又可輸出 PLC。 3 利用 PLC 和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化診斷的方式 實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備故障診斷的智能化，可充分利用專家知識(shí)，進(jìn)步診斷效率，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 由于目前的 PLC 產(chǎn)品不具備自動(dòng)獲取和存儲(chǔ)專家知識(shí)的功能 ，所采用的編程語(yǔ)言無(wú)法完成控制層的計(jì)算推理功能 ，因此，單純采用 PLC 的故障診斷的智能化程度是相當(dāng)有限的。為此，可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)，將 PLC 計(jì)算機(jī)聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同構(gòu)成如圖 3 所示的故障診斷的硬件系統(tǒng) 2。 圖中的 PLC 采 用并行分布式結(jié)構(gòu)，作下位機(jī)使用，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，可完成 PLC 的程序下裝，實(shí)施對(duì)多臺(tái) PLC 的 治理，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)專家知識(shí)，其輸進(jìn)輸出設(shè)備可用做診斷過程的人機(jī)交互。 PLC 與計(jì)算機(jī)通過兩種方式聯(lián)接成一個(gè)整體，一是通過 PLC 的通訊口和計(jì)算機(jī)的通訊口進(jìn)行聯(lián)接，二是通過 PLC 的輸進(jìn)輸出端子與計(jì)算機(jī)的開關(guān)量板和 A/D 板進(jìn)行聯(lián)接。其中， PLC通過通訊口傳遞給上位機(jī)的故障信號(hào)多達(dá)兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，上位機(jī)要通過編碼進(jìn)行識(shí)別，而通過 PLC 輸出端子傳遞給上位機(jī)的故障信號(hào)，上位機(jī)要通過開關(guān)量板端子的地址來(lái)識(shí)別。 PLC 輸進(jìn)端子可接受來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)或故障信號(hào) 上述兩種聯(lián)接方式把故障診斷 系統(tǒng)的輸進(jìn)模塊。 圖 3 PLC 與計(jì)算機(jī)構(gòu)成的診斷網(wǎng)絡(luò) 圖 3 網(wǎng)絡(luò)中的 PLC 和計(jì)算機(jī)在故障診斷系統(tǒng)中各自扮演著不同的角色。通常情況下，故障診斷過程中復(fù)雜的邏輯判定、開關(guān)量故障信號(hào)的檢測(cè)以及在嚴(yán)重故障狀態(tài)下對(duì)設(shè)備進(jìn)行的保護(hù)可交給 PLC 完成，以充分發(fā)揮 PLC 的技術(shù)上風(fēng)，而復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算機(jī)和人機(jī)交互可在上位機(jī)上完成。 PLC 檢測(cè)到的故障信號(hào)可通過通訊口或輸進(jìn)端子傳給上位機(jī)，然后調(diào)用上位機(jī)存儲(chǔ)的專家知識(shí)對(duì)其進(jìn)行分析、判定、決策，并作出公道的解釋。上位機(jī)作出決策之后，又可通過通訊口或開關(guān)量的輸出端口傳遞控制信號(hào)， 并將控制權(quán)交給 PLC。充分利用通訊口的功能，有利于減 少 PLC 的規(guī)模。 下面重點(diǎn)介 PLC 在集裝箱吊具無(wú)線信號(hào)傳輸與故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用 4 吊具信號(hào)的采集 集裝箱單箱吊具中輸入信號(hào)有 :4 個(gè)吊具著床限位， 4 個(gè)已開鎖限位， 4 個(gè)已閉鎖限位，4 個(gè)導(dǎo)板抬起限位， 2 個(gè) 20限位， 2 個(gè) 40限位， 1 個(gè)油泵壓力開關(guān) ；輸出信號(hào)控制的有 :4 個(gè)開鎖電磁閥， 4 個(gè)閉鎖電磁閥， 4 個(gè)導(dǎo)板控制電磁閥， 2 個(gè) 20電磁閥， 2 個(gè) 40電磁閥， 1 個(gè)油泵起?？刂菩盘?hào)。原吊具通過吊具電纜送給主控站的信號(hào)是 :著床，已開鎖，已閉鎖， 20到位， 40到位 ；從 主控站傳到吊具上的信號(hào)為 :開鎖，閉鎖， 20， 40，這些信號(hào)均為綜合信號(hào)。 如果發(fā)生某電磁閥故障，操作人員只知道該回路有故障，而不了解具體是吊具的哪個(gè)角發(fā)生故障，吊具上沒有具體故障指示，維修人員到現(xiàn)場(chǎng)后還需要根據(jù)主站 PLC 故障信號(hào)來(lái)進(jìn)一步判斷故障部位，這樣一個(gè)來(lái)回，維修時(shí)間就較長(zhǎng)，從而生產(chǎn)效率會(huì)受到很大的影響。 集裝箱吊具運(yùn)行的工況是非常惡劣的，其故障發(fā)生的概率占系統(tǒng)總故障的 30%以上，為使故障判斷更加快速準(zhǔn)確，本文提出采用在吊具電控箱內(nèi)增加 PLC 輸入輸出和通訊模塊，并采用無(wú)線通訊的方式代替原昂貴的 吊具電纜， PLC 主站能夠得到吊具內(nèi)的所有信息并能方便地判斷故障位置。吊具內(nèi)增加的 PLC 與吊具內(nèi)的信號(hào)關(guān)系如圖 1 所示。圖 1 中， PLC 采用 VERSAMAX 的以太網(wǎng)模塊 IC200EBI001，由此模塊與無(wú)線 MODEM AP-1002 通訊，實(shí)現(xiàn)與上位 PLC 的信號(hào)聯(lián)系，其帶有的開關(guān)量輸入采用 IC200MDL640 模塊，開關(guān)量輸出模塊采用 IC200MDL742 模塊。外圍的每個(gè)輸入輸出與該從站的輸入輸出一一對(duì)應(yīng)，即共有 21 個(gè)開關(guān)量輸入， 17 個(gè)開關(guān)量輸出。一個(gè) PLC 模塊 MDL640 有 32 個(gè)輸入，一個(gè) MDL742 有32 個(gè)輸出 ，滿足使用需要，除上述輸出外，還設(shè)有綜合信號(hào)指示燈 :著床，已開鎖，已閉鎖，20到位， 40到位 ；另 10 個(gè)輸出用于表示具體故障 :四個(gè)開鎖故障，四個(gè)閉鎖故障， 1 個(gè) 20故障， 1 個(gè) 40故障。 5 PLC 硬件組態(tài) PLC 主站采用 GE9030 系列 PLC， CPU 為帶有以太網(wǎng)口的 CPU364，在該 CPU 的硬件組態(tài)中，選擇通訊模式為 EGD，即以太網(wǎng)全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，在 Ethernet Globe Date 設(shè)置對(duì)話框內(nèi)， “produced exchanged”中的 “IP Address”設(shè)置為吊具以太網(wǎng)模塊的 IP 地址，表示該 PLC站后續(xù) “Add exch”的 “refereance”地址的存儲(chǔ)器內(nèi)容將發(fā)送到吊具以太網(wǎng)模塊中的對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器去，同樣在該 PLC 配置的 “consumed exchange”中的 “IP Address”設(shè)置為吊具以太網(wǎng)模塊的IP 地址，表示該 PLC 站后續(xù) “Add exch”的 “refereance”地址的存儲(chǔ)器內(nèi)容是從吊具以太網(wǎng)模塊中的對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器傳送來(lái)而得到。對(duì)應(yīng) EBI001 中的配置，也應(yīng)將 “produced exchanged”和“consumed exchange”中的 “IP Address”設(shè) 置為主站 PLC 的 IP 地址，即主站 PLC 發(fā)送的數(shù)據(jù)是到吊具分站的，而分站發(fā)送的數(shù)據(jù)是送給主站 PLC 的。為保證傳輸中兩邊定義的數(shù)據(jù)能一一對(duì)應(yīng)， 2 個(gè)站采用同樣的存儲(chǔ)地址。 2 個(gè)通訊模塊中 “produced exchanged”和 “consumed exchange”中還需要各定義 2 個(gè)寄存器用于存放通訊狀態(tài)，需要時(shí)， PLC 可讀取該狀態(tài)字了解 PLC 的 CPU364 與 VERSAMAX 通訊模塊 EBI001 之間的通訊故障原因。配置好后，在分站中輸入信號(hào)變化，在主站中立即可以看到，同樣，主站 CPU 運(yùn)行控制吊具的輸出送到該P(yáng)LC 通 訊的存儲(chǔ)區(qū)，在分站中立即可以看到輸出的變化，兩者形成一一對(duì)應(yīng)的鏡像關(guān)系。 6 無(wú)線通訊的實(shí)現(xiàn) 通常通過吊具電纜傳遞吊具信號(hào)，該電纜為要求具備很高的柔性和韌性，電纜內(nèi)芯數(shù)有限，如果上述吊具所有輸入輸出也通過該吊具電纜，則會(huì)因信號(hào)線太多而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)已在工業(yè)控制網(wǎng)中逐漸被接受，要求的可靠性和穩(wěn)定性已得到滿足，而且其通訊速度也達(dá)到十兆以上。本方案中采取無(wú)限工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通訊的方式 來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)聯(lián)系方式，中間不需要服務(wù)器，選用的產(chǎn)品為 RFNET 公司的AP-1002 型號(hào)， 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅采用網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)主從站的聯(lián)系，即簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。其性能簡(jiǎn)述如附表。 在使用無(wú)線通訊模塊前，要對(duì)該模塊進(jìn)行設(shè)置，先用 PC 機(jī)與該模塊相聯(lián)，設(shè)定 PC 機(jī)的 IP 地址前 3 位與該模塊地址的一致，直接用 Internet Explorer 可進(jìn)入模塊的設(shè)定網(wǎng)頁(yè)，將模塊的 IP 地址改成所需要的地址并確定后退出，將 PC 機(jī)的 IP 地址也改成所需要的地址，再用 Internet Explorer 進(jìn)入模塊的新地址，并將要與模塊相聯(lián)的 PLC 地址輸入到 “Host IP”中，兩個(gè)模塊均設(shè)好后，在該兩個(gè)無(wú)線模塊 之間即建立的網(wǎng)橋通訊，即主站與從站的聯(lián)系就像用網(wǎng)線連通一樣。 7 吊具的 PLC 程序故障診斷 吊具信號(hào)輸入采集后， PLC 根據(jù)其輸出信號(hào)與相應(yīng)輸入信號(hào)比較，可以診斷出具體故障部位，以旋鎖控制閉合鎖為例，其程序如圖 3 所示，圖 3 中 LKLS1、 2、 3、 4 分別表示旋鎖閉合限位， LKLS 表示吊具旋鎖已全鎖 ；同樣， UNLKLS 表示旋鎖已全開， BEDLS 表示四個(gè)角已全部著床。從程序中可以看出在旋鎖回路正常情況下，即命令 LKC