基于PLC在龍門吊故障檢測中的應用

1、基于plc在龍門吊故障檢測中的應用摘要分析plc對機電設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和計算機構成的診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了故障診斷的智能化。充分利用機電設備系統(tǒng)中plc的硬件資源，可簡化診斷系統(tǒng)的硬件設計。輪胎式集裝箱龍門起重機是集裝箱專業(yè)化碼頭堆場的主力設備，它具有可靈活轉場作業(yè)、工程投資少等特點，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用。關鍵字：plc 故障診斷 龍門吊1abstrasctthe principle of plc diagnosis in the faults of mechtronical equipment and the f

2、unction 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,

3、 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51 plc診斷機電設備故障的基本原理51.1基于開關量信號的診斷51.2基于模擬量信號的故障診斷51.3基于中斷方式的故障診斷62 plc在

4、故障診斷系統(tǒng)的作用63 利用plc和計算機實現(xiàn)智能化的診斷的方式74 吊具信號的采集75 plc硬件組態(tài)86無線通訊的實現(xiàn)97 吊具的plc程序故障診斷10結論12致謝13參考文獻14引言 集裝箱運輸是一種經(jīng)濟實用的運輸方式，同時他也是衡量國民經(jīng)濟的一個重要指標。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是集裝箱進行作業(yè)的主要機械。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，因此我們必須對龍門吊的故障進行準確的定位。本文主要介紹plc在龍門吊故障檢測中的應用。1 plc診斷機電設備故障的基本原理 機電設備的故障信號有開關量和模擬量之分，plc采用不同的方

5、法對這兩種信號對應的故障進行診斷。1.1 基于開關量信號的診斷plc對開關量信號的識別是通過其開光量輸進模塊完成的。plc控制機電設備時，設備中的壓力、溫度、液位、行程快關及操作按鈕等開關量傳感器與plc的輸進端子相連，每個輸進端子在plc的數(shù)據(jù)區(qū)中分配有一個“位”，每個“位”在內存中為一個地址。輸進“位”的工作原理，如圖1所示。圖中，in代表開關量輸進，com為信號公共端。in為on時，光敏二極管飽和導通，否則截止。故plc的內部電路可以“感知”開關信號的有無。讀取plc輸進位的狀態(tài)是可作為識別開關量故障信號的根據(jù)。診斷開關量故障的過程，實質就是將plc正常的輸進位狀態(tài)值與相應的輸進位的實際

6、狀態(tài)值相比較的過程。假如二者比較的結果是一致的，則表明機電設備處于正常工況，不一致則表明對應輸進位的設備部位處于故障工況。這就是plc基于開關量信號故障的基本原理。圖1 plc輸進位電路原理圖 這種診斷方法，故障定位準確，可進行實時在線診斷。通過plc的梯形圖編程，還可以將故障診斷融進過程控制，達到保護機電設備的目的。1.2 基于模擬量信號的故障診斷plc對模擬量信號的識別是通過plc的模擬量輸進輸出模塊來完成的。模擬量輸進輸出模塊采用a/d轉換原理，輸進端接收來自傳感器或信號發(fā)生器的模擬信號，輸出端輸出的模擬信號作用于plc的的控制對象。plc診斷模擬量故障的過程，實質就是將在相應a/d通道

7、讀到的監(jiān)測信號的模擬量的實際值與系統(tǒng)答應的極限值相比較的過程。假如比較的結果是實際值闊別極限值，則表明機電設備對應的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài)，假如實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態(tài)。判定故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實際系統(tǒng)相應的參數(shù)變化范圍確定，利用plc的模擬量設定開關可精確設置該極限值。當模擬量的實際值達到模擬量設定開關的設定值，plc還能按照一定的邏輯關系啟動開關量模塊上的輸出為，或者從plc的通訊口主動發(fā)起通訊，從而輸出故障診斷的結果，并據(jù)此實現(xiàn)對機電設備的控制。 1.3基于中斷方式的故障診斷 plc的中斷方式有：（1）輸進中斷。開關量模塊的輸進位ff變?yōu)閛n時，由plc的cpu執(zhí)行的中

8、斷。 （2）間隔定時器中斷。由一定精度的間隔定時器啟動執(zhí)行的中斷。 （3）高速計數(shù)器中斷。根據(jù)plc內裝的高速計數(shù)器確定當前執(zhí)行的中斷。 其中，輸進中斷特別適合于機電設備的故障診斷，它對應于產業(yè)計算機的硬件中斷，屬于外部中斷，但plc的輸進中斷可用plc的外部指令來屏蔽。 將機電設備的故障信號作為plc的輸進中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，cpu立即響應，停止正在執(zhí)行的程序輸進到中斷子程序中，即可方便地對故障進行處理。它與直接利用plc的內部邏輯完成故障診斷的不同之處在于：采用輸進中斷處理故障時，可停止plc主程序的執(zhí)行過程，而直接利用plc的輸進和內部邏輯處理故障時，plc的主程序仍處于運行狀態(tài)。

9、因此，要根據(jù)故障對機電設備的影響程度選擇合適的故障診斷方式。plc的輸進中斷方式對后果嚴重的突發(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)是典型的人機系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息和功能劃分的結果，基于計算機的故障診斷系統(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)的輸進模塊要完成機電設備故障檢測信號、控制指令和專家知識的接收工作。處理模塊要求能自動實現(xiàn)特征參數(shù)提取、控制指令代碼轉換的功能。專家知識的整理和表達由領域專家和系統(tǒng)專家協(xié)作完成?？刂颇K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，完成從故障特征到故障原因的識別工作?？刂颇K的功能越完善，故障診斷系統(tǒng)

10、的智能化程度越高。輸出模塊通過聲光報警裝置和人機界面，給出故障定位、預告和解釋的結果。其中，人機界面還能提供排除故障的技術路線。實現(xiàn)信息源從輸進模塊到輸出模塊的全自動流向，減少人在其中的干預作用，是機電設備對其故障診斷系統(tǒng)的要求。采用plc的故障診斷系統(tǒng)，有助于實現(xiàn)故障診斷過程的自動化。plc的開關量輸進模塊可用作為開關量故障信號的輸進裝置，模擬量輸進模塊可用作為模擬量信號的輸進裝置。這兩種模塊均能方便地實現(xiàn)對設備的在線檢測。plc的內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動診斷系統(tǒng)的輸出模塊。其中，輸出端子可用來控制聲光報警裝置和受控機電設備的運行過程，顯示屏可作為人

11、機界面使用。 plc的通訊即可用來接受控制指令，又可輸出plc。3 利用plc和計算機實現(xiàn)智能化診斷的方式實現(xiàn)機電設備故障診斷的智能化，可充分利用專家知識，進步診斷效率，是故障診斷技術發(fā)展的一個重要方向。由于目前的plc產品不具備自動獲取和存儲專家知識的功能 ，所采用的編程語言無法完成控制層的計算推理功能 ，因此，單純采用plc的故障診斷的智能化程度是相當有限的。為此，可利用網(wǎng)絡技術和通訊技術，將plc計算機聯(lián)接成網(wǎng)絡，互相取長補短，共同構成如圖3所示的故障診斷的硬件系統(tǒng)2。圖中的plc采用并行分布式結構，作下位機使用，計算機作為上位機，可完成plc的程序下裝，實施對多臺plc的治理，進行復雜

12、的數(shù)據(jù)運算，建立數(shù)據(jù)庫，存儲專家知識，其輸進輸出設備可用做診斷過程的人機交互。plc與計算機通過兩種方式聯(lián)接成一個整體，一是通過plc的通訊口和計算機的通訊口進行聯(lián)接，二是通過plc的輸進輸出端子與計算機的開關量板和a/d板進行聯(lián)接。其中，plc通過通訊口傳遞給上位機的故障信號多達兩個或兩個以上時，上位機要通過編碼進行識別，而通過plc輸出端子傳遞給上位機的故障信號，上位機要通過開關量板端子的地址來識別。plc輸進端子可接受來自上位機的控制信號或故障信號 上述兩種聯(lián)接方式把故障診斷系統(tǒng)的輸進模塊。圖3 plc與計算機構成的診斷網(wǎng)絡 圖3網(wǎng)絡中的plc和計算機在故障診斷系統(tǒng)中各自扮演著不同的角色

13、。通常情況下，故障診斷過程中復雜的邏輯判定、開關量故障信號的檢測以及在嚴重故障狀態(tài)下對設備進行的保護可交給plc完成，以充分發(fā)揮plc的技術上風，而復雜的數(shù)值計算機和人機交互可在上位機上完成。plc檢測到的故障信號可通過通訊口或輸進端子傳給上位機，然后調用上位機存儲的專家知識對其進行分析、判定、決策，并作出公道的解釋。上位機作出決策之后，又可通過通訊口或開關量的輸出端口傳遞控制信號，并將控制權交給plc。充分利用通訊口的功能，有利于減少plc的規(guī)模。下面重點介plc在集裝箱吊具無線信號傳輸與故障診斷系統(tǒng)中的應用4吊具信號的采集集裝箱單箱吊具中輸入信號有:4個吊具著床限位，4個已開鎖限位，4個已

14、閉鎖限位，4個導板抬起限位，2個20限位，2個40限位，1個油泵壓力開關;輸出信號控制的有:4個開鎖電磁閥，4個閉鎖電磁閥，4個導板控制電磁閥，2個20電磁閥，2個40電磁閥，1個油泵起?？刂菩盘枴Ｔ蹙咄ㄟ^吊具電纜送給主控站的信號是: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為:開鎖，閉鎖，20，40，這些信號均為綜合信號。 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)場后還需要根據(jù)主站plc故障信號來進一步判斷故障部位，這樣一個來回，維修時間就較長，從而生產效率會受到很大的影響。集裝箱吊具

15、運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確，本文提出采用在吊具電控箱內增加plc輸入輸出和通訊模塊，并采用無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的所有信息并能方便地判斷故障位置。吊具內增加的plc與吊具內的信號關系如圖1所示。圖1中，plc采用versamax的以太網(wǎng)模塊ic200ebi001，由此模塊與無線modem ap-1002通訊，實現(xiàn)與上位plc的信號聯(lián)系，其帶有的開關量輸入采用ic200mdl640模塊，開關量輸出模塊采用ic200mdl742模塊。外圍的每個輸入輸出與該從站的輸入輸出一一對應，即共有21個開關量

16、輸入，17個開關量輸出。一個plc模塊mdl640有32個輸入，一個mdl742有32個輸出，滿足使用需要，除上述輸出外，還設有綜合信號指示燈:著床，已開鎖，已閉鎖，20到位，40到位;另10個輸出用于表示具體故障:四個開鎖故障，四個閉鎖故障，1個20故障，1個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)全局數(shù)據(jù)結構定義，在ethernet globe date設置對話框內，“produced exchanged”中的“ip address”設置為吊具以太網(wǎng)模塊的ip地址，表示該p

17、lc站后續(xù)“add exch”的“refereance”地址的存儲器內容將發(fā)送到吊具以太網(wǎng)模塊中的對應存儲器去，同樣在該plc配置的“consumed exchange”中的“ip address”設置為吊具以太網(wǎng)模塊的ip地址，表示該plc站后續(xù)“add exch”的“refereance”地址的存儲器內容是從吊具以太網(wǎng)模塊中的對應存儲器傳送來而得到。對應ebi001中的配置，也應將“produced exchanged”和“consumed exchange”中的“ip address”設置為主站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

18、保證傳輸中兩邊定義的數(shù)據(jù)能一一對應，2個站采用同樣的存儲地址。2個通訊模塊中“produced exchanged”和“consumed exchange”中還需要各定義2個寄存器用于存放通訊狀態(tài)，需要時，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，在分站中輸入信號變化，在主站中立即可以看到，同樣，主站cpu運行控制吊具的輸出送到該plc通訊的存儲區(qū)，在分站中立即可以看到輸出的變化，兩者形成一一對應的鏡像關系。6 無線通訊的實現(xiàn)通常通過吊具電纜傳遞吊具信號，該電纜為要求具備很高的柔性和韌性，電纜內芯數(shù)有限，如果上述吊具所有輸入

19、輸出也通過該吊具電纜，則會因信號線太多而無法實現(xiàn)。隨著現(xiàn)代通訊技術的發(fā)展，無線工業(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到十兆以上。本方案中采取無限工業(yè)以太網(wǎng)絡通訊的方式來實現(xiàn)信號傳遞，采用點對點聯(lián)系方式，中間不需要服務器，選用的產品為rfnet公司的ap-1002型號，網(wǎng)絡結構如圖2所示。無線網(wǎng)絡僅采用網(wǎng)橋實現(xiàn)主從站的聯(lián)系，即簡單的點對點方式。其性能簡述如附表。在使用無線通訊模塊前，要對該模塊進行設置，先用pc機與該模塊相聯(lián)，設定pc機的ip地址前3位與該模塊地址的一致，直接用internet explorer 可進入模塊的設定網(wǎng)頁，將模塊的ip

20、地址改成所需要的地址并確定后退出，將pc機的ip地址也改成所需要的地址，再用internet explorer 進入模塊的新地址，并將要與模塊相聯(lián)的plc地址輸入到“host ip”中，兩個模塊均設好后，在該兩個無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 吊具信號輸入采集后，plc根據(jù)其輸出信號與相應輸入信號比較，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l(wèi)kls1、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lkco與實際狀態(tài)lk