關(guān)于PLC在機(jī)電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

胡濱?屠振蕊

摘 要：隨著PLC技術(shù)水平不斷提高，自動化的集成度也在不斷提高。利用PLC和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了故障系統(tǒng)的智能化，充分利用PLC硬件資源和外圍線路的鏈接，對設(shè)備進(jìn)行故障診斷，快捷方便。

關(guān)鍵詞：PLC；機(jī)電設(shè)備；故障診斷

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(yīng)的故障進(jìn)行診斷。

1.1 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、行程開關(guān)及操縱按鈕等開關(guān)量傳感器與PLC的輸進(jìn)端子相連，每個輸進(jìn)端子在PLC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。輸進(jìn)“位”的工作原理，如圖1示。圖中，IN代表開關(guān)量輸進(jìn)，COM為信號公共端。IN為ON時(shí)，光敏三級管飽和導(dǎo)通，否則截止。故PLC的內(nèi)部電路可以“感知”開關(guān)信號的有無。讀取PLC輸進(jìn)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(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，不一致則表明對應(yīng)輸進(jìn)位的設(shè)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，故障定位正確，可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷。通過PLC的梯形圖編程，還可將故障診斷融進(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(jìn)輸出模塊來完成的。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(shí)質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道讀到的監(jiān)測信號的模擬量的實(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上的模擬量設(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(shí)現(xiàn)對機(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)镺N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)器確當(dāng)前值執(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。它對應(yīng)于產(chǎn)業(yè)計(jì)算機(jī)的硬中斷，屬于外部中斷，但PLC的輸進(jìn)中斷可用PLC的外部指令來屏蔽。

將機(jī)電設(shè)備的故障信號作為PLC的輸進(jìn)中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，CPU立即響應(yīng)，停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)到中斷子程序中往，即可方便地對故障進(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)中的作用

故障診斷系統(tǒng)是典型的人機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息流向和功能劃分的結(jié)果，基于計(jì)算機(jī)智能化的故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸進(jìn)模塊要完成機(jī)電設(shè)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(shí)現(xiàn)特征參數(shù)提取、控制指令代碼轉(zhuǎn)換的功能。專家知識的整理和表達(dá)由領(lǐng)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(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流向，減少人在其中的干預(yù)作用，是機(jī)電設(shè)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(shí)現(xiàn)故障診斷過程的自動化。

PLC的開關(guān)量輸進(jìn)模塊可用作為開關(guān)量故障信號的輸進(jìn)裝置，模擬量輸進(jìn)模塊可用作為模擬量故障信號的輸進(jìn)裝置。這兩種模塊均能方便地實(shí)現(xiàn)對設(shè)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(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的通訊口即可用來接受控制指令，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，進(jìn)步診斷效率，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(jì)算推理功能，因此，單純采用PLC的故障診斷系統(tǒng)的智能程度是相當(dāng)有限的。為此，可利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通訊技術(shù)，將PLC和計(jì)算機(jī)聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)，互相取長補(bǔ)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(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)施對多臺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，存儲專家知識，其輸進(jìn)輸出設(shè)備可用作診斷過程的人機(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)上的開關(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)的故障信號多達(dá)兩個或兩個以上時(shí)，上位機(jī)要通過編碼進(jìn)行識別，而通過PLC輸出端子傳遞給上位機(jī)的故障信號，上位機(jī)要通過開關(guān)量板輸進(jìn)端子的地址來識別。PLC輸進(jìn)端子可接受來自上位機(jī)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(jìn)模塊。

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)量故障信號的檢測以及在嚴(yán)重故障狀態(tài)下對設(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)算和人機(jī)交互可在上位機(jī)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(jī)，然后調(diào)用上位機(jī)存儲的專家知識對其進(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PLC的規(guī)模。

4 結(jié)束語

綜上所述，PLC可為機(jī)電設(shè)備的故障診斷提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)診斷系統(tǒng)的功能要求，選用適當(dāng)?shù)腜LC，可豐富和完善診斷系統(tǒng)的功能。隨著PLC新產(chǎn)品的研制成功，它在故障診斷領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。

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