控制系統(tǒng)的故障自診斷及PID技術(shù)應(yīng)用

于魯南

（山東冶金機(jī)械廠，山東 淄博 255064）

控制系統(tǒng)的故障自診斷及PID技術(shù)應(yīng)用

于魯南

（山東冶金機(jī)械廠，山東 淄博 255064）

將原有燒結(jié)控制系統(tǒng)劃整為2個(gè)大的系統(tǒng)循環(huán)，進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)改造，運(yùn)用S7－GRPAH編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)系統(tǒng)故障自診斷程序，提高設(shè)備的使用效率，減少停機(jī)滯工時(shí)間，減輕相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；運(yùn)用STEP-7 PID功能軟件包，結(jié)合工控組態(tài)軟件人機(jī)界面，形成自動(dòng)調(diào)諧輔助面板，為PID控制技術(shù)應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供方便平臺(tái)。

故障自診斷；S7－GRAPH編程；PID控制系統(tǒng)；軟件包

1 前言

為了提高產(chǎn)品附加值的競(jìng)爭(zhēng)能力，滿(mǎn)足部分客戶(hù)企業(yè)的更高、更新的技術(shù)要求，對(duì)以S7-200 PLC為控制主體的平面循環(huán)燒結(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，其中原系統(tǒng)數(shù)字開(kāi)關(guān)量構(gòu)成了其基礎(chǔ)自動(dòng)控制級(jí)的主體，往往由于某一DI/DO數(shù)字開(kāi)關(guān)量的錯(cuò)誤故障，導(dǎo)致所屬驅(qū)動(dòng)設(shè)備的停滯運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)在線生產(chǎn)環(huán)節(jié)的有序進(jìn)行，這樣控制系統(tǒng)的故障錯(cuò)誤能否得到快速診斷，便成為影響企業(yè)生產(chǎn)是否正常的瓶頸和重點(diǎn)。

而對(duì)于所有表征AI/AO等形式物理模擬量，它從屬主控室和風(fēng)機(jī)房2個(gè)區(qū)域管轄范圍，原系統(tǒng)只包括燒結(jié)廢氣總管溫度、壓力等在內(nèi)的12項(xiàng)主控室儀表數(shù)據(jù)進(jìn)入工控組態(tài)畫(huà)面；其他則主要依靠通過(guò)配置現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)施具體數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、報(bào)警。新系統(tǒng)則將燒結(jié)和冷卻兩段在內(nèi)的風(fēng)箱溫度和壓力等數(shù)據(jù)以及風(fēng)機(jī)房所屬的全部模擬量數(shù)據(jù)，都通過(guò)主、從站分布形式，以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)的信息傳輸方式，一并進(jìn)入系統(tǒng)控制組態(tài)畫(huà)面，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的信息共享。對(duì)于點(diǎn)火燃燒控制，在人機(jī)交互界面中增設(shè)具有PID自動(dòng)調(diào)諧控制面板形式的窗口輔助，促使PID調(diào)節(jié)過(guò)程的參數(shù)確定和調(diào)試速度得到質(zhì)的加快。

2 故障自診斷技術(shù)

針對(duì)客戶(hù)企業(yè)對(duì)平面步進(jìn)式循環(huán)燒結(jié)控制系統(tǒng)升級(jí)提高要求，將原有控制系統(tǒng)的3個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)、4個(gè)變頻控制環(huán)節(jié)的控制運(yùn)行過(guò)程（推車(chē)行走、卸料翻車(chē)、上下回翻、混合布料、翻車(chē)行進(jìn)、回車(chē)往返、遷車(chē)驅(qū)使）劃分位以遷車(chē)驅(qū)使和翻車(chē)行進(jìn)為主的前后2個(gè)大的系統(tǒng)循環(huán)，形成具有各自獨(dú)立運(yùn)行控制，又彼此相互關(guān)聯(lián)，兼?zhèn)鋰?yán)格準(zhǔn)則邏輯時(shí)序的系統(tǒng)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)電氣故障都與開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)有關(guān)，諸如電磁閥、繼電器、限位、開(kāi)關(guān)、按鈕等，如果僅從故障的現(xiàn)象上分析，又和機(jī)械部分有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。電氣故障修理容易判斷難，為有效提高電氣故障的診斷效率，減少在線設(shè)備停機(jī)滯工時(shí)間，確定實(shí)施以S7-GRATH為編程模式，以故障自我診斷為目的，進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造。因S7-GRATH軟件隸屬于STEP-7編程軟件的一個(gè)選項(xiàng)包，以圖形界面為編程方式，可同時(shí)開(kāi)展若干個(gè)順控器流程，以FB塊的形式實(shí)施程序調(diào)用，以DB庫(kù)的形式附屬背景數(shù)據(jù)。程序可依照S7-GRATH順序功能圖的要求規(guī)則，根據(jù)生產(chǎn)工藝順序的前后連貫特征，逐一分解成相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行步序，再對(duì)每一步序賦予不同輸出功能的相關(guān)命令，使其完成和達(dá)到相應(yīng)控制的輸出結(jié)果。程序的關(guān)鍵是須將每一故障出現(xiàn)可能所代表的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，以與（或并）的形式作為其相應(yīng)步序轉(zhuǎn)換的條件依據(jù)，編寫(xiě)相應(yīng)分支、跳轉(zhuǎn)、合并等功能的邏輯轉(zhuǎn)向，再逐一對(duì)所有故障可能的步序時(shí)間設(shè)置監(jiān)控。

若程序在正常的監(jiān)控時(shí)段內(nèi)，能夠完成并通過(guò)的步序，就說(shuō)明其相應(yīng)開(kāi)關(guān)量信號(hào)沒(méi)有錯(cuò)誤故障發(fā)生，否則程序停滯不前，這樣可能便是系統(tǒng)故障問(wèn)題的所在。再通過(guò)運(yùn)用工控組態(tài)軟件的畫(huà)面組態(tài)，屏幕出現(xiàn)故障信息類(lèi)碼的提示，以輔助的形式幫助操作者和維修人員達(dá)到故障的快速診斷目的。

另外，對(duì)于硬件中斷、機(jī)架故障、電源故障、尋址故障、診斷中斷、熱插拔、異/同步程序訪問(wèn)等可能的通訊和硬件配置故障，編程人員對(duì)所編寫(xiě)的應(yīng)用程序，應(yīng)附著添加編寫(xiě)諸如OB82、OB86、OB121、OB122等相應(yīng)組織塊中斷程序，避免系統(tǒng)一旦出現(xiàn)類(lèi)似故障，便可能導(dǎo)致CPU產(chǎn)生直接停機(jī)而使整個(gè)在線設(shè)備陸續(xù)停運(yùn)的異常狀況。

3 PID技術(shù)

PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是過(guò)程控制環(huán)節(jié)所采用和實(shí)施閉環(huán)調(diào)節(jié)的有效手段，其中PID控制最為常用。PID調(diào)節(jié)控制就是根據(jù)過(guò)程環(huán)節(jié)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出閉環(huán)回路控制量的輸出成分。其執(zhí)行的過(guò)程是用給定值sp（n）與反饋量pv（n）比較產(chǎn)生誤差量ev（n），經(jīng)PID控制器的運(yùn)算處理后輸出mv（n）數(shù)字量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而影響被控對(duì)象變量，再經(jīng)測(cè)量元件，產(chǎn)生新的反饋?zhàn)兞縫v（n）。通過(guò)由采樣參數(shù)所決定的間隔時(shí)間周期，周而復(fù)始的執(zhí)行比較、計(jì)算（PID）、輸出、反饋等一系列過(guò)程，達(dá)到穩(wěn)定被控對(duì)象的變量變化。

S7-300 PLC控制系統(tǒng)有PID專(zhuān)用調(diào)節(jié)模塊和特殊功能軟件包兩者不同形式，而控制技術(shù)類(lèi)型也分連續(xù)（FB41）、步進(jìn)（FB42）、脈沖（FB43）等不同的輸出模式。為減少節(jié)省調(diào)試時(shí)間，結(jié)合工控組態(tài)軟件的畫(huà)面功能，利用友好人機(jī)界面交互方式，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了PID曲線參數(shù)自動(dòng)調(diào)諧組態(tài)畫(huà)面。通過(guò)不同棒狀填充顏色顯示控制設(shè)定和反饋?zhàn)兞看笮。脛?dòng)態(tài)曲線與時(shí)間坐標(biāo)來(lái)控制輸出變量的變化軌跡，給予控制參數(shù)修改窗口，不斷比較反饋控制效果，來(lái)回滑動(dòng)表尺坐標(biāo)，定位變量波動(dòng)幅度高低，瀏覽數(shù)據(jù)文本信息，獲取狀態(tài)變化實(shí)時(shí)反響。總之借助該面板窗口的使用，可使整個(gè)PID閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程直觀、形象、方便、快捷。

除了在控制程序中正確添寫(xiě)PID軟件控制包控制參數(shù)外，在OB100組織塊程序中設(shè)置階躍跳變信號(hào)COM_RST，以便實(shí)施PID應(yīng)用程序的系統(tǒng)重啟；利用OB35組織塊實(shí)施程序循環(huán)掃描，便于PID控制程序的周期執(zhí)行，運(yùn)用整型數(shù)據(jù)作為其時(shí)間參數(shù)字符的格式輸入。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用S7－GRPAH順序功能圖語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)系統(tǒng)故障自診斷程序，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)和特色，通過(guò)人機(jī)界面中相關(guān)類(lèi)碼的錯(cuò)誤提示，很多故障在沒(méi)有專(zhuān)業(yè)維修人員的幫助下就可自己解決，提高設(shè)備的使用效率，減少停機(jī)滯工時(shí)間，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

PID控制技術(shù)也已成為衡量控制系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用水平高低的重要標(biāo)志，通過(guò)運(yùn)用STEP-7 PID功能軟件包，結(jié)合工控組態(tài)軟件人機(jī)界面，形成參數(shù)自動(dòng)調(diào)諧輔助控制面板，為PID控制技術(shù)應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供便利。

TP27

B

1004-4620（2011）04-0077-02

2011-04-15

于魯南，男，1958年生，山東冶金機(jī)械廠自動(dòng)化工程公司工程師，從事電氣技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。