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1、 PLC在機電設備故障診斷中的應用研究【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(gòu)成的診斷系統(tǒng)實現(xiàn)了故障診斷的智能化。充分利用機電設備控制系統(tǒng)中PLC的硬件資源，可簡化診斷系統(tǒng)的硬件設計。 關(guān)鍵詞：PLC；故障診斷 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(guān)量和模擬量之分，PLC采用不同的方法對這兩種信號對應的故障進行診斷。 11基于開關(guān)量信號的故障診斷 PLC對開關(guān)量信號的識別是通過其開關(guān)量輸入模塊完成的.。PLC控制機電設備時，設備中的壓力、溫度、液位、行程開關(guān)及操作按鈕等開關(guān)量傳感器與PLC的輸入端子相連，每個輸入端子在PLC

2、的數(shù)據(jù)區(qū)中分配有一個“位”，每個“位”在內(nèi)存中為一個地址。輸入“位”的工作原理，。 IN代表開關(guān)量輸入，COM為信號公共端。IN為ON時，光敏三級管飽和導通，否則截止。故PLC的內(nèi)部電路可以“感知”開關(guān)信號的有無。讀取PLC輸入位的狀態(tài)值可作為識別開關(guān)量故障信號的根據(jù)。診斷開關(guān)量故障的過程，實質(zhì)就是將PLC正常的輸入位狀態(tài)值與相應的輸入位的實際狀態(tài)值相比較的過程。如果二者比較的結(jié)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入位的設備部位處于故障工況。這就是PLC診斷基于開關(guān)量信號故障的基本原理。 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，還可將故障診

3、斷融入過程控制，達到保護機電設備的目的。12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的模擬量輸入輸出模塊來完成的。模擬量輸入輸出模塊采用A/D轉(zhuǎn)換原理，輸入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的控制對象。PLC診斷模擬量故障的過程，實質(zhì)就是將在相應A/D通道讀到的監(jiān)測信號的模擬量的實際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較的過程。如果比較的結(jié)果是實際值遠離極限值，則表明機電設備對應的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài)，如果實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(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上的模擬量設定開關(guān)可精確設置該

4、極限值。 當模擬量的實際值達到模擬量設定開關(guān)的設定值，PLC還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動開關(guān)量模塊上的輸出位，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(jié)果，并據(jù)此實現(xiàn)對機電設備的控制。13基于中斷方式的故障診斷 PLC的中斷方式有： （1）輸入中斷。開關(guān)量模塊的輸入位? 蒓FF變?yōu)镺N時，由PLC的CPU執(zhí)行的中斷。 （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(nèi)裝的高速計數(shù)器的當前值執(zhí)行的中斷。 其中，輸入中斷特別適合于機電設備的故障診斷。它對應于工業(yè)計算機的硬中斷，屬于外部中斷，但PLC的輸入中斷可用PLC的外部指令來屏蔽。 將機

5、電設備的故障信號作為PLC的輸入中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，CPU立即響應，停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)到中斷子程序中去，即可方便地對故障進行處理。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：采用輸入中斷處理故障時，可停止PLC主程序的執(zhí)行過程，而直接利用PLC的輸入和內(nèi)部邏輯處理故障時，PLC的主程序仍處于運行狀態(tài)。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的輸入中斷方式對后果嚴重的突發(fā)故障的處理特別有用。2PLC在故障診斷系統(tǒng)中的作用 故障診斷系統(tǒng)是典型的人機系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息流向和功能劃分的結(jié)果，基于計算機智能化的故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入模塊要完成機電設備

6、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(zhuǎn)換的功能。專家知識的整理和表達由領域?qū)＜液拖到y(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)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、預報和解釋的結(jié)果。其中，人機界面還能提供排除故障的技術(shù)路線。 實現(xiàn)信息源從輸入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(guān)量輸入模塊可用

7、作為開關(guān)量故障信號的輸入裝置，模擬量輸入模塊可用作為模擬量故障信號的輸入裝置。這兩種模塊均能方便地實現(xiàn)對設備的在線監(jiān)測。 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)動故障診斷系統(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，顯示屏可作為人機界面使用。 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，提高診斷效率，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。 由于目前的PLC產(chǎn)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中的計算推理功能，因此，單純采用PLC的故障診斷系統(tǒng)的智能程

8、度是相當有限的。為此，可利用網(wǎng)絡技術(shù)和通訊技術(shù)，將PLC和計算機聯(lián)接成網(wǎng)絡，互相取長補短，共同構(gòu)成故障診斷的硬件系統(tǒng)。PLC采用并行分布式結(jié)構(gòu)，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的管理，進行復雜的數(shù)據(jù)運算，建立數(shù)據(jù)庫，存儲專家知識，其輸入輸出設備可用作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的輸入輸出端子與計算機上的開關(guān)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

9、號，上位機要通過開關(guān)量板輸入端子的地址來識別。PLC輸入端子可接受來自上位機的控制信號或故障信號。 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。通常情況下，故障診斷過程中復雜的邏輯判斷、開關(guān)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(shù)優(yōu)勢，而復雜的數(shù)值計算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出端子傳給上位機，然后調(diào)用上位機存儲的專家知識對其進行分析、判斷、決策，并作出合理的解釋。上位機作出決策之后，又可通過通訊口或開關(guān)量板的輸出端口傳遞控制信號，并將控制權(quán)交給PLC。充分利用通訊口的功能，有利于減小P

10、LC的規(guī)模。4應用實例 根據(jù)上述原理和方法，筆者在液壓AGC伺服油缸測控系統(tǒng)上設計了如圖3所示的故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工業(yè)控制機為IPC610，通訊口為RS-232C，開關(guān)量板為PCL-725，A/D板為PCL-812PG，機電設備為AGC伺服油缸試驗臺及其液壓泵站，PLC選用OMRON公司生產(chǎn)的CQM1產(chǎn)品。其中，1#PLC的開關(guān)量輸入模塊4塊（含CPU），開關(guān)量輸出模塊3塊，2# PLC的開關(guān)量輸入模塊2塊（含CPU），開關(guān)量輸出模塊2塊，模擬量輸入輸出模塊2塊。有21路開關(guān)量故障信號需要檢測（過濾器堵塞10，液位信號4，油溫信號4，行程開關(guān)信號3）；模擬量故障信號有4路需要檢測，其中，壓

11、力信號2路，位移信號2路。 液壓AGC伺服油缸是實現(xiàn)板帶高精度軋制的關(guān)鍵元件，在檢測過程中，其動靜態(tài)性能出現(xiàn)不合格的情況時，需要方便準確地判斷是油缸本身的問題還是檢測系統(tǒng)的問題。所設計的故障診斷系統(tǒng)能完成以下功能： （1）測試過程開始前，運行故障診斷系統(tǒng)，檢查AGC伺服油缸測控系統(tǒng)是否處于良好狀態(tài)。對于開關(guān)量，這個過程是上位機通過通訊口讀取PLC輸入位的狀態(tài)值并與其正常狀態(tài)值相比較的過程；對于模擬量，這個過程可用讀取模擬量閾值起動的開關(guān)位的狀態(tài)值作為判斷的根據(jù)，也可將從PCL-812PG讀取的模擬量與其相應的極限值相比較的結(jié)果作為判斷的根據(jù)。若發(fā)現(xiàn)測控系統(tǒng)有故障，應及時處理（上位機顯示屏給出具體故障的部位及排出故障的技術(shù)路線）。只有當診斷結(jié)果為良好狀態(tài)