包裝機(jī)信號故障自動(dòng)判斷功能的實(shí)現(xiàn)

鄭 海 鄭 龍

(中國石油蘭州石化公司設(shè)備維修公司)

包裝機(jī)信號故障自動(dòng)判斷功能的實(shí)現(xiàn)

鄭 海 鄭 龍

(中國石油蘭州石化公司設(shè)備維修公司)

為了縮短某裝置包裝線的包裝機(jī)故障信號的判斷時(shí)間并降低維護(hù)工作量，在不改變原程序的基礎(chǔ)上，利用原OMRON CQM PLC的空閑寄存器資源進(jìn)行編程，同時(shí)將故障代碼通信至新增數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了包裝線包裝機(jī)故障信號的自動(dòng)判斷，使得故障處理過程標(biāo)準(zhǔn)化，并增強(qiáng)了維護(hù)工作的通用性。

故障判斷 包裝機(jī) 順控程序 標(biāo)準(zhǔn)化 通用性

某生產(chǎn)裝置的包裝機(jī)于1999年投用，已連續(xù)使用十五年，現(xiàn)場檢測和執(zhí)行元件多、動(dòng)作頻率高、控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯復(fù)雜且故障不易判斷。目前，主流包裝機(jī)的稱重和臺(tái)車送袋部分，均以伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而該包裝機(jī)的下料稱重部分采用氣缸實(shí)現(xiàn)粗流和精流調(diào)節(jié)，臺(tái)車送袋也由氣缸控制。長時(shí)間的使用和頻繁動(dòng)作使得氣缸和相應(yīng)的機(jī)械部件磨損嚴(yán)重，時(shí)常有機(jī)械位置不到位，而檢測元件卻無法檢測到信號的情況發(fā)生。信號線、控制柜電氣元件和現(xiàn)場檢測元件老化，硬件故障率逐年上升。

包裝機(jī)現(xiàn)場利用各類光電和接近開關(guān)作為檢測元件，通過OMRON CQM PLC內(nèi)部控制程序輸出信號至電磁閥，控制氣缸完成各類動(dòng)作的執(zhí)行。該套PLC無上位監(jiān)控設(shè)備，PLC程序的在線監(jiān)測功能需要安裝有CX-PROGRAMMER編程軟件的筆記本電腦，通過PLC自帶串口通信實(shí)現(xiàn)。PLC的輸入輸出卡件利用內(nèi)部固態(tài)繼電器進(jìn)行隔離，長時(shí)間使用造成輸入輸出通道工作不可靠，增加了故障處理難度。

1 包裝機(jī)維護(hù)工作現(xiàn)狀

OMRON CQM PLC系統(tǒng)的集成度高，操作工和維護(hù)人員對其內(nèi)部程序無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。操作人員對工藝條件不滿足造成的故障無法進(jìn)行快速判斷，只能通過儀表維護(hù)人員對故障進(jìn)行排除來確定引發(fā)故障的原因，如包裝機(jī)輸入風(fēng)壓波動(dòng)，造成運(yùn)行時(shí)不能正常夾袋；操作人員停電順序不當(dāng)使得真空泵管線進(jìn)水，真空度降低，開袋真空開關(guān)未檢測到正常真空，出現(xiàn)反復(fù)吹袋等現(xiàn)象。由于工藝和機(jī)電儀綜合故障的頻發(fā)，致使維護(hù)人員工作量增加。

若出現(xiàn)檢測元件自身原因或機(jī)械位置未到位而造成的故障，由于包裝機(jī)故障隱蔽性較強(qiáng)，判斷方法沒有明確的參考標(biāo)準(zhǔn)，維護(hù)人員通過簡單現(xiàn)象分析故障原因需要花費(fèi)較長時(shí)間。當(dāng)故障無法判斷時(shí)，只能通過編程軟件對PLC中的程序進(jìn)行在線測試來判斷輸入輸出信號是否到位。由于部分故障的判斷涉及到復(fù)雜的邏輯，因此日常維護(hù)經(jīng)驗(yàn)在故障分析中起到了決定性的作用。該類包裝機(jī)相比其他常規(guī)儀表的維護(hù)工作來說，通用性較低。

2 增加信號故障自動(dòng)判斷功能的目的

為了使包裝機(jī)的故障判斷與處理過程實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，降低工作人員的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)在故障判斷過程中的作用比重，降低包裝線的整體維護(hù)工作量，需要使包裝機(jī)信號故障判斷過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，讓操作人員和無該類設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的工作人員能夠通過故障代碼快速對故障進(jìn)行判斷和處理。

3 包裝機(jī)信號故障自動(dòng)判斷功能的實(shí)現(xiàn)

由于該包裝機(jī)由PLC進(jìn)行邏輯控制，所以筆者采用PLC內(nèi)部豐富的空閑寄存器資源，在不變更原程序和增加過多外部設(shè)備的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)信號故障自動(dòng)判斷的功能。根據(jù)包裝機(jī)的動(dòng)作過程具有周期性的特點(diǎn)，以全部程序執(zhí)行一次作為一個(gè)程序周期。在一個(gè)程序周期內(nèi)所有動(dòng)作的執(zhí)行都環(huán)環(huán)緊扣，某個(gè)動(dòng)作不到位會(huì)使下一個(gè)或下幾個(gè)動(dòng)作都無法正常執(zhí)行。依據(jù)這一特點(diǎn)，對信號的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行鎖定。每實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)作便對標(biāo)志位進(jìn)行累加，將前一步的判斷標(biāo)志作為下一步的判斷條件，使所有判斷程序?qū)崿F(xiàn)順控功能，已鎖定的信號便可以按照動(dòng)作順序?qū)崿F(xiàn)同步累加。

首先按照實(shí)際動(dòng)作順序合理劃分程序段，并且提取每個(gè)動(dòng)作的判斷條件。然后將每個(gè)判斷條件對應(yīng)一個(gè)鎖存位，按照順序依次定義判斷程序，最后增加復(fù)位和通信功能。通過對原程序的觀察可以判斷，在包裝機(jī)正常工作時(shí)所有的檢測元件在一個(gè)程序周期內(nèi)至少會(huì)翻轉(zhuǎn)一次。當(dāng)某個(gè)信號發(fā)生故障時(shí)，包裝機(jī)會(huì)保持當(dāng)前狀態(tài)不再繼續(xù)動(dòng)作，后續(xù)動(dòng)作的檢測信號在該程序周期內(nèi)便不可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)。在包裝程序正常執(zhí)行時(shí)，累加值會(huì)隨動(dòng)作的傳遞自動(dòng)累加，在不發(fā)生故障的情況下，每當(dāng)包裝機(jī)執(zhí)行完一個(gè)程序周期后，借助包裝機(jī)最后一個(gè)動(dòng)作的標(biāo)志位，對累加值和鎖存標(biāo)志位進(jìn)行自動(dòng)清零和復(fù)位，即可實(shí)現(xiàn)判斷程序的自動(dòng)循環(huán)。

3.1 實(shí)現(xiàn)步驟

3.1.1 程序段的劃分

圖1為原包裝機(jī)程序樹形圖，以原程序的編程順序?yàn)榛A(chǔ)，按照不同動(dòng)作的執(zhí)行順序劃分。圖2為增加動(dòng)作判斷程序段后的樹形圖，該樹形圖在包裝機(jī)原程序段不變的基礎(chǔ)上，按照包裝機(jī)執(zhí)行順序分為30段，加一個(gè)復(fù)位段，共新增31個(gè)程序段。30個(gè)程序段代表一個(gè)程序周期內(nèi)包裝機(jī)正常運(yùn)行必須執(zhí)行的30個(gè)動(dòng)作。

圖1 原包裝機(jī)程序樹形圖

圖2 增加動(dòng)作判斷程序段后的樹形圖

3.1.2 判斷條件的提取

圖3為原程序預(yù)啟動(dòng)邏輯，是包裝機(jī)原程序中第1個(gè)必須執(zhí)行的動(dòng)作。以該動(dòng)作為例來說明判斷條件的提取方法，線圈116.00為預(yù)啟動(dòng)中間變量的線圈，可以看出，影響116.00線圈得電的條件有0.09(包裝系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕)、0.08(包裝系統(tǒng)停止按鈕)和0.06(手動(dòng)抱夾選擇開關(guān))。使原程序中常開和常閉點(diǎn)的狀態(tài)保持不變，在預(yù)啟動(dòng)判斷程序段中編程，如圖4所示，分別將每個(gè)條件對應(yīng)一個(gè)鎖存位。0.09常開點(diǎn)對應(yīng)輸出4.01，0.08常開點(diǎn)對應(yīng)輸出4.02，0.06常閉點(diǎn)對應(yīng)輸出4.03。4.01、4.02、4.03均為空閑寄存器?！癝ET”指令表示只要輸入條件滿足，便會(huì)對相應(yīng)位進(jìn)行置位，即使信號丟失，不會(huì)影響鎖存位的狀態(tài)，達(dá)到了鎖存效果。

圖3 原程序中預(yù)啟動(dòng)邏輯

圖4 預(yù)啟動(dòng)判斷鎖存邏輯

由于部分判斷條件參與了不同動(dòng)作的判斷，就造成部分故障代碼可能重復(fù)出現(xiàn)。如果將重復(fù)條件刪除，對判斷條件進(jìn)行重新排序，則會(huì)出現(xiàn)一部分動(dòng)作無可用判斷條件的情況。因此，為了簡化判斷條件的提取過程，同時(shí)使判斷條件與包裝機(jī)的實(shí)際動(dòng)作同步，判斷條件完全按照原程序的結(jié)構(gòu)和順序進(jìn)行提取。一個(gè)故障可能有多個(gè)不同的故障代碼，但并不影響實(shí)際故障判斷效果。

3.1.3 標(biāo)志位的累加與轉(zhuǎn)換

結(jié)合圖4的預(yù)啟動(dòng)判斷鎖存邏輯與圖5的啟動(dòng)條件判斷邏輯，當(dāng)包裝系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕0.09輸入信號未到位，即包裝機(jī)還未啟動(dòng)之前，4.01常閉點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，中間變量34.01線圈得電，其常開點(diǎn)閉合，使帶有下降沿微分判斷功能的34.02線圈得電。34.02下降沿微分常開點(diǎn)不滿足條件不閉合，聯(lián)鎖邏輯段未得電，不執(zhí)行其邏輯段內(nèi)程序。聯(lián)鎖邏輯段IL和ILC之間的程序包括一個(gè)BCD碼累加功能塊和一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換塊。

圖5 啟動(dòng)條件判斷邏輯

當(dāng)包裝系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕0.09輸入信號到位后，4.01置位1，同時(shí)4.01位的常閉點(diǎn)斷開，34.01線圈失電。34.01常開點(diǎn)斷開，34.02線圈失電。當(dāng)34.02下降沿微分常開點(diǎn)檢測到失電信號后，其狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，互鎖程序段滿足條件后執(zhí)行，累加標(biāo)志加1，同時(shí)將累加值轉(zhuǎn)換為ASCII碼，存于地址D200中。

3.1.4 判斷條件之間順控功能的實(shí)現(xiàn)

由于包裝機(jī)PLC系統(tǒng)上電后，所有檢測信號的初始狀態(tài)不可能完全一致，部分檢測信號在PLC上電后就處于得電狀態(tài)。說明PLC在上電瞬間，部分檢測信號便實(shí)現(xiàn)了鎖存位的置位，若只對置位的判斷條件進(jìn)行簡單累加，則累計(jì)標(biāo)志無法和實(shí)際動(dòng)作同步。因此，只有在信號判斷鎖存的基礎(chǔ)上按照包裝機(jī)正常的動(dòng)作順序，在各個(gè)判斷信號之間加入順控條件，才能實(shí)現(xiàn)判斷功能與實(shí)際動(dòng)作的同步。

結(jié)合圖4的預(yù)啟動(dòng)判斷鎖存邏輯和圖6的停止條件判斷邏輯，當(dāng)包裝系統(tǒng)停止按鈕0.08信號到位后，4.02置位1，4.02位的常閉點(diǎn)斷開。從程序中可以看出，啟動(dòng)按鈕的中間變量34.01與4.02的常閉點(diǎn)并聯(lián)后輸出控制34.04位，兩者為“或”的關(guān)系。要使34.04線圈失電，4.02的常閉接點(diǎn)和34.01的常開接點(diǎn)要同時(shí)斷開，說明該程序段中停止按鈕信號的判斷條件受到上一步的影響。如果前一步啟動(dòng)按鈕判斷條件未滿足，使34.01線圈處于得電狀態(tài)，即使當(dāng)前步的判斷條件4.02到位，其常閉接點(diǎn)斷開，34.04線圈也不會(huì)失電，當(dāng)前判斷程序的標(biāo)志位便不會(huì)實(shí)現(xiàn)累加。因此，在每個(gè)判斷條件的程序段中，加入前一個(gè)動(dòng)作判斷條件的中間變量，是觸發(fā)當(dāng)前判斷程序段的必要條件。前一個(gè)動(dòng)作判斷條件的翻轉(zhuǎn)使當(dāng)前程序段成為活動(dòng)程序段，實(shí)現(xiàn)了與順控程序相同的功能。

圖6 停止條件判斷邏輯

為了增強(qiáng)累加標(biāo)志判斷的可靠性，在每一個(gè)累加標(biāo)志位的輸入條件中加入上一步的鎖存位，即當(dāng)前步的中間變量34.05和前一步的鎖存位4.01共同滿足，才能使當(dāng)前步累加標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)累加。

表1是截取的部分連續(xù)判斷條件鎖存位，以此為例，假設(shè)了包裝機(jī)某個(gè)動(dòng)作瞬間判斷條件的狀態(tài)。當(dāng)包裝機(jī)由于4.03信號故障停止后，它之后的判斷條件無論是否為1，均不會(huì)累加進(jìn)標(biāo)志位，也就是說標(biāo)志位累加到4.03便停止了。同時(shí)，也說明4.03之前所有的判斷條件必定為1。當(dāng)前累加標(biāo)志位的值為2，是4.01和4.02之和，2作為4.03信號故障代碼，與實(shí)際故障信號同步。較為特殊的是首個(gè)信號的故障代碼，當(dāng)?shù)?個(gè)信號發(fā)生故障時(shí)，故障代碼便是累加的最大值，說明第1個(gè)判斷信號故障。

表1 鎖存位累加判斷示例

3.1.5 累加值的清零和鎖存標(biāo)志復(fù)位

當(dāng)包裝機(jī)由于某個(gè)信號故障而停止動(dòng)作后，標(biāo)志位的累加值便是當(dāng)前故障信號的代碼。當(dāng)故障消除后，重新啟動(dòng)包裝機(jī)時(shí)PLC內(nèi)部程序會(huì)從頭執(zhí)行，在此之前，必須通過手動(dòng)輸入按鈕對當(dāng)前累加值進(jìn)行清零并將動(dòng)作鎖存標(biāo)志復(fù)位，才能使包裝機(jī)動(dòng)作和判斷程序都回到起始位置，實(shí)現(xiàn)判斷功能與實(shí)際動(dòng)作的同步。

當(dāng)包裝機(jī)正常工作時(shí)，在未出現(xiàn)信號故障的情況下，所有鎖存位均會(huì)置位1，累加值是個(gè)動(dòng)態(tài)累積過程。一個(gè)程序周期結(jié)束標(biāo)志著一次判斷過程也同時(shí)結(jié)束，這時(shí)需要對該判斷過程的鎖存位進(jìn)行復(fù)位，并對累加值清零，以便在下一個(gè)程序周期內(nèi)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)累加和鎖存功能。如圖7所示，當(dāng)一個(gè)程序周期執(zhí)行完畢后，以最后一個(gè)動(dòng)作輸出線圈101.4和最后一個(gè)信號鎖存位33.5共同作為累加值清零和鎖存位復(fù)位的條件。

3.1.6 通信輸出和顯示

通信輸出利用該P(yáng)LC CPU自帶的RS232串口實(shí)現(xiàn)，外接數(shù)碼管顯示器，屬第三方設(shè)備，因此采用無協(xié)議通信方式，通過PLC的TXD指令直接輸出至顯示設(shè)備。顯示設(shè)備為LED_COM-01-RS232型串口數(shù)碼管電子看板LED數(shù)碼顯示器，由于顯示設(shè)備只接收ASCII代碼，因此需要每個(gè)判斷程序段將當(dāng)前累加值轉(zhuǎn)換為ASCII格式。通信程序段的累加值轉(zhuǎn)換和通信邏輯如圖8所示。

圖7 判斷條件復(fù)位邏輯

圖8 累加值轉(zhuǎn)換和通信邏輯

3.2 故障信號查詢和故障處理方法

將每個(gè)判斷條件對應(yīng)的故障代碼進(jìn)行整理，制作表格并張貼在包裝機(jī)操作臺(tái)附近。若包裝機(jī)在正常運(yùn)行過程中突然停止，操作人員應(yīng)當(dāng)首先確定包裝機(jī)控制柜上數(shù)碼管所顯示的故障代碼，然后根據(jù)故障代碼查找出對應(yīng)信號的地址和名稱，并根據(jù)實(shí)際情況，判斷該信號故障的原因是否由于工藝條件未滿足造成，如某個(gè)真空開關(guān)接點(diǎn)未翻轉(zhuǎn)，可以先判斷真空系統(tǒng)是否存在故障，若存在故障，對故障進(jìn)行排除后，按下數(shù)碼管顯示器旁的復(fù)位按鈕，對故障代碼進(jìn)行復(fù)位，然后重新開機(jī)。若包裝機(jī)仍然出現(xiàn)相同的故障代碼，則聯(lián)系儀表維護(hù)人員對故障進(jìn)行進(jìn)一步查詢。

儀表維護(hù)人員根據(jù)故障代碼檢查相應(yīng)判斷信號條件是否滿足，即前一步動(dòng)作是否執(zhí)行到位。若不到位，檢查并測試前一步動(dòng)作相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正常工作，包括電磁閥信號是否到位、電磁閥是否正常切換及氣缸是否正常動(dòng)作等。若前一步動(dòng)作到位，則檢查該故障信號通道是否正常，包括信號檢測元件供電、接線是否完好、PLC通道指示燈是否正常等。

4 結(jié)束語

信號故障自動(dòng)判斷功能的增加可以促進(jìn)實(shí)際操作更加規(guī)范。當(dāng)出現(xiàn)由于操作疏忽造成的故障時(shí)，操作人員可以通過故障信號的指示快速判斷。儀表維護(hù)人員處理包裝機(jī)故障的過程也更為標(biāo)準(zhǔn)，使檢修標(biāo)準(zhǔn)化程度提高，包裝機(jī)檢修方法的通用性也隨之增強(qiáng)。

利用PLC系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算功能，按照實(shí)際使用要求靈活編程，可以使故障處理過程標(biāo)準(zhǔn)化，并增強(qiáng)維護(hù)工作的通用性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。由于PLC型號和編程者水平的限制，部分功能的程序編寫較為繁瑣，如，該型號PLC中的復(fù)位指令只能對每一位進(jìn)行，造成編程工作量增加。實(shí)現(xiàn)信號故障自動(dòng)判斷功能的編程方法并非僅此一種，根據(jù)不同機(jī)型，可以用更先進(jìn)的指令和更加簡潔的方法簡化程序，這里只是重點(diǎn)對編程思路進(jìn)行介紹。信號故障自動(dòng)判斷功能并不局限于某一類控制系統(tǒng)，可以基于軟件層面，利用各類控制系統(tǒng)強(qiáng)大的軟件資源對輸入信號進(jìn)行快速準(zhǔn)確的判斷，來滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，使控制程序更為智能化，優(yōu)化復(fù)雜邏輯的判斷方法，提高生產(chǎn)設(shè)備整體可靠性。立足于不同控制系統(tǒng)，將信號故障判斷程序模塊化應(yīng)用是今后的發(fā)展方向。

鄭海(1987-)，技術(shù)員，從事石化設(shè)備儀表維護(hù)工作，zhenghyb@petrochina.com.cn。

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1000-3932(2017)01-0103-05

2016-01-14，

2016-10-21)