基于PLC的電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)系統(tǒng)

李春光

（重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司，重慶 400707）

電氣自動(dòng)化儀器儀表領(lǐng)域當(dāng)中有大量不同的設(shè)備型號(hào)，綜合市場(chǎng)發(fā)展所呈現(xiàn)的多方面因素，致使絕大多數(shù)儀器儀表制造商難以取得相對(duì)完善的儀器儀表結(jié)構(gòu)圖，對(duì)應(yīng)的核心技術(shù)也因此處于相對(duì)封閉狀態(tài)，最終導(dǎo)致工作人員難以做好對(duì)儀器儀表零部件及電路元件等的故障檢測(cè)。為此，本文提出基于PLC 技術(shù)的電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)系統(tǒng)。

1 基于PLC的技術(shù)原理

PLC 技術(shù)在功能運(yùn)用上主要是依托內(nèi)容存儲(chǔ)的功能特性來(lái)全面協(xié)調(diào)相應(yīng)數(shù)據(jù)、程序等內(nèi)容，根據(jù)相關(guān)指令完成邏輯運(yùn)算，高效執(zhí)行命令以實(shí)現(xiàn)相關(guān)任務(wù)。合理應(yīng)用PLC 技術(shù)，對(duì)相關(guān)內(nèi)部指令進(jìn)行綜合分析，分析完成后，將控制信號(hào)有效地通過(guò)CPU 周期性地傳送到執(zhí)行端，以保證其運(yùn)行的效率水平。

1.1 數(shù)據(jù)收集及輸入采樣

PLC 技術(shù)的應(yīng)用，關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要圍繞數(shù)據(jù)采集和輸入采樣來(lái)展開(kāi)，這些也是整個(gè)系統(tǒng)最重要和最基本的過(guò)程。PLC 可以對(duì)輸入接口進(jìn)行全面掃描分析，記錄和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并放置在圖像上。然后對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行綜合處置分析，由此來(lái)切實(shí)保障數(shù)據(jù)本身的完整、獨(dú)立及準(zhǔn)確性，免受其他相關(guān)因素的直接影響?？梢?jiàn)，PLC 技術(shù)本身屬于相對(duì)高效的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。針對(duì)所獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，需科學(xué)合理地記錄和存儲(chǔ)基本信息，具有準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，PLC 技術(shù)還將依托綜合分析設(shè)備的信息應(yīng)用過(guò)程，來(lái)切實(shí)保障數(shù)字信息的有效應(yīng)用，這對(duì)于改進(jìn)和有效運(yùn)行與用戶(hù)相關(guān)的程序至關(guān)重要。此外，數(shù)據(jù)綜合分析功能是在應(yīng)用PLC 技術(shù)前提下實(shí)現(xiàn)的信息存儲(chǔ)格式來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面優(yōu)化，具備極好的穩(wěn)定性。

1.2 對(duì)執(zhí)行程序進(jìn)行有效分析

采用PLC 技術(shù)實(shí)施程序掃描的環(huán)節(jié)中，具體操作方式主要遵循從上到下順序，充分結(jié)合固化的梯形圖像通過(guò)左行進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕鞒?。具體而言，掃描工作從左到右，從上到下，可以有效地更新數(shù)據(jù)和程序操作。在這個(gè)環(huán)節(jié)，PLC 執(zhí)行程序只收集和分析因改變邏輯運(yùn)行方式而改變的數(shù)據(jù)，為執(zhí)行程序的執(zhí)行和優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持，有效更新相關(guān)的數(shù)字采集信息[1]。在實(shí)際過(guò)程中，電氣設(shè)備的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行將充分展現(xiàn)出執(zhí)行程序與數(shù)據(jù)采集的全面優(yōu)化，由此促使設(shè)備狀態(tài)的梯形圖隨之產(chǎn)生明顯的變化。主要因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行的特點(diǎn)屬于循環(huán)運(yùn)行，為此就要求應(yīng)當(dāng)切實(shí)保證每次循環(huán)運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，這樣才能切實(shí)有效地避免由于信息錯(cuò)誤而導(dǎo)致的系統(tǒng)故障問(wèn)題。

2 基于PLC技術(shù)的電氣自動(dòng)化儀器儀表運(yùn)行控制方法

2.1 預(yù)先設(shè)定儀器儀表參數(shù)

運(yùn)用PLC 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化控制的方式，本身具有能夠監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境并完成數(shù)據(jù)采集的重要功能。許多公司在制造產(chǎn)品之前需要測(cè)量相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)施的檢測(cè)方式具體是借助信號(hào)燈來(lái)面向監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)，但這種檢測(cè)方式難以對(duì)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析。因此，提出設(shè)置相應(yīng)的電氣設(shè)備參數(shù)值，據(jù)此全面提升自動(dòng)化設(shè)備的功能特性。并且由此明確采用PLC 技術(shù)采集相應(yīng)的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，所需采集的模擬數(shù)據(jù)在內(nèi)容上主要涵蓋壓力、溫度等多種參數(shù)值。實(shí)際檢測(cè)值按比例換算公式換算為實(shí)際物理量。轉(zhuǎn)換公式為：

其中，P表示檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際物理量，IN表示檢測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)變化數(shù)值。經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后，可將預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值整體上傳至PLC 控制站進(jìn)行處理，然后再結(jié)合電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行趨勢(shì)圖的繪制，并由此來(lái)判定設(shè)備本身的實(shí)際運(yùn)行狀況。

2.2 基于PLC的電氣自動(dòng)化儀器儀表控制的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)修正電氣設(shè)備的參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)保存在計(jì)算機(jī)上。同時(shí)，系統(tǒng)將相關(guān)信息發(fā)送到相應(yīng)的工作站，最后通過(guò)方便用戶(hù)查看的Web 服務(wù)器將電氣設(shè)備信息發(fā)送到局域網(wǎng)?；赑LC 技術(shù)的電氣儀表自動(dòng)控制方法是由很多部分組成的，其中電子部分是非常重要的部分。自動(dòng)化元件的選擇直接影響電氣設(shè)備自動(dòng)化控制的性能。只有選擇合適的自動(dòng)化組件，才能保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制過(guò)程需要對(duì)部件的耐久性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備的所有檢測(cè)參數(shù)和各種運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3 基于PLC技術(shù)的電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件單元設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要選取傳感器探頭來(lái)獲取電氣自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。而傳感器探頭本身是一種半封閉的線圈，其在硬件操作狀況下，一旦傳感器探頭確定之后，則所能檢測(cè)取得的電壓差與故障電流大小相關(guān)性呈正比，因此可由此得到更為準(zhǔn)確的電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時(shí)，傳感器探頭所收集的儀器儀表電壓數(shù)據(jù)源于泵電流。主要設(shè)計(jì)面向電壓處理的系統(tǒng)，由此才能切實(shí)保障所采集數(shù)據(jù)的有效、準(zhǔn)確性，從而為以后自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)工作穩(wěn)定發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.1.2 PLC芯片選取單元設(shè)計(jì)

PLC 是一種可編程的邏輯控制器，其核心零件在于中央處理器（CPU），可結(jié)合所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際需求，在此基礎(chǔ)上采取APM Cortex-M3作為中央處理APM Cortex-M3芯片，因此其具備性能高、成本低、高速運(yùn)行等諸多特點(diǎn)。同時(shí)，其還涵蓋了多種指令，例如可實(shí)際用在遠(yuǎn)程監(jiān)控和電氣測(cè)量等多樣化場(chǎng)景下的Thumb2指令。最主要的APM Cortex-M3芯片本身引腳數(shù)量達(dá)100多個(gè)，這些都共同集合出功能相對(duì)完善的比較器與8個(gè)接口。此外，APM Cortex-M3芯片還具備電源數(shù)量達(dá)8組的接口，能夠抵御多種不同形式的干擾。

3.1.3 通訊單元設(shè)計(jì)

根據(jù)功能因素，以太網(wǎng)控制器可細(xì)分為PHY 和Mac 兩個(gè)分層。其中，系統(tǒng)所用LM3S8962 芯片的PHY 層本身具備解擾器、時(shí)鐘恢復(fù)、自動(dòng)支持等諸多功能特性。并且PHY 層的驅(qū)動(dòng)振蕩器處于XTALN PHY 和XTAL PPHY 之間。該層的LED 指示燈也可由此充分反映芯片內(nèi)的LEDO/LED1引腳，由此可直接對(duì)應(yīng)以太網(wǎng)控制器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。然而，需注意PHY層只可借助軟件編程處理才可驅(qū)動(dòng)以上所述引腳并由此將LM3S8962 芯片經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與變壓器的鏈接。

此外，LM3S8962芯片中Mac 層執(zhí)行傳輸和收取以太網(wǎng)幀工作內(nèi)容。這本身需要借助MII 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)MII 的內(nèi)部管理接口來(lái)鏈接至MDIO信號(hào)和電源間的上拉電阻來(lái)最終達(dá)成。最主要的是，LM3S8962芯片可直接與隔離變壓器連接使用，無(wú)需同步運(yùn)行其他設(shè)備。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 上位機(jī)程序模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上位機(jī)程序模塊主要是為了充分啟用以太網(wǎng)通信，在此基礎(chǔ)上收取傳感器探頭來(lái)進(jìn)行電氣自動(dòng)化儀器儀表運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集工作，并同步將最終所采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過(guò)波形圖樣式來(lái)呈現(xiàn)。此外，上位機(jī)可以自由放大和縮小波形圖，據(jù)此可以清楚地看到設(shè)備的故障位置和故障等級(jí)方面的詳細(xì)信息。

3.2.2 數(shù)據(jù)融合模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)融合模塊運(yùn)行的原理主要是把時(shí)間、空間層面的冗余信息數(shù)據(jù)，嚴(yán)格遵循預(yù)先設(shè)定的規(guī)則來(lái)實(shí)施有機(jī)結(jié)合，并由此來(lái)形成一致性的描述效果。數(shù)據(jù)融合模塊運(yùn)行的根本目的是為了依托數(shù)據(jù)組合來(lái)深入發(fā)掘出更多信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而據(jù)此不斷提升電氣設(shè)備的故障檢測(cè)準(zhǔn)確、有效性。一些傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，所設(shè)計(jì)的模塊當(dāng)中主要采用了大量的傳感器探針來(lái)促使數(shù)據(jù)內(nèi)容融合，但融合的效果并不理想。因此，提出采用分層融合的形式來(lái)針對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容實(shí)施融合處理。

具體數(shù)據(jù)融合過(guò)程如下：

（1）數(shù)據(jù)級(jí)融合。針對(duì)數(shù)據(jù)級(jí)融合主要是將相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)層實(shí)施融合處理。過(guò)程中，被處理的各項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容屬性不會(huì)遭受明顯的改變，在此基礎(chǔ)上合并處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)融合的方式能夠極大地保留一些相對(duì)敏感的信息，但本身存在明顯的局限性。

（2）功能層面的融合。提取原始數(shù)據(jù)的特征，對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、處理和融合。此類(lèi)數(shù)據(jù)融合的方式不但極大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的效率水平，而且最大限度地保留了決策分析所需的特征數(shù)據(jù)集。

（3）決策層的融合。主要從相應(yīng)決策問(wèn)題方面展開(kāi)，最大限度地利用功能級(jí)融合提取發(fā)現(xiàn)對(duì)象的信息，可以為最終的自動(dòng)化控制和決策制定提供基礎(chǔ)支撐。

3.2.3 儀表故障檢測(cè)模塊

以電氣自動(dòng)化的儀器儀表設(shè)備可能存在的故障問(wèn)題類(lèi)型和相應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上建立其內(nèi)容完善的故障樹(shù)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)每一類(lèi)的故障類(lèi)型實(shí)施有效的分類(lèi)和編碼處理?；诠收蠘?shù)的結(jié)構(gòu)，載入前一模塊的內(nèi)容輸出數(shù)據(jù)，并由此覆蓋整個(gè)故障樹(shù)，這樣可有效、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電氣自動(dòng)化儀器儀表設(shè)備是否產(chǎn)生了相應(yīng)的故障問(wèn)題。具體操作的流程包括：輸入數(shù)據(jù)融合結(jié)果，依托故障表現(xiàn)確定下層故障節(jié)點(diǎn)，最后循環(huán)這一操作過(guò)程，找出設(shè)備故障原因，最終由此生成設(shè)備故障信息。

電氣自動(dòng)化儀器儀表的故障檢測(cè)公式原理為：

在這個(gè)方程中，Kij表示電氣自動(dòng)化儀器儀表設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，Si表示各類(lèi)故障問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因。以上所呈現(xiàn)的硬件單元和軟件模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為電氣自動(dòng)化儀表設(shè)備的故障檢測(cè)工作提供了穩(wěn)定支撐，真正為電氣自動(dòng)化優(yōu)化與發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 基于PLC的電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)分析

使用MATLAB 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，主要是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測(cè)之間存在的性能性差異。實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作的全過(guò)程：為保障整個(gè)實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)步進(jìn)行，選取一臺(tái)測(cè)溫儀器展開(kāi)實(shí)驗(yàn)分析，由此來(lái)檢測(cè)電氣自動(dòng)化儀器儀表設(shè)備的故障情況。表1和表2為選取的10種不同故障類(lèi)型匯集整理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如表1所示，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在故障檢測(cè)中消耗的時(shí)間為8.24～10.40 ns，所檢測(cè)的結(jié)果精度為70.24%～85.13%；傳統(tǒng)故障檢測(cè)時(shí)間為14.66～30.14 ns，故障檢測(cè)結(jié)果的精度為52.35%～62.13%。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障檢測(cè)時(shí)間更短，故障檢測(cè)精度高于常規(guī)檢測(cè)，由此可知該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性得到了充分的證實(shí)。

表1 故障檢測(cè)消耗的時(shí)間對(duì)比

表2 故障檢測(cè)消耗的時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

電氣自動(dòng)化儀器儀表運(yùn)用PLC 技術(shù)能夠有效地解決傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化儀器儀表的問(wèn)題，尤其是儀器儀表故障檢測(cè)方面，運(yùn)用PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)出全新的電氣自動(dòng)化儀器儀表故障檢測(cè)系統(tǒng)，全面縮短故障檢測(cè)的時(shí)間，極大提升了故障檢測(cè)的準(zhǔn)確率，確保儀器儀表的穩(wěn)定、有效運(yùn)行。