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电工技术专业论文

PLC在机电设备故障诊断中的应用

姓名：杨洲

单位：华润双鹤药业股份有限公司

报考专业：维修电工

报考等级：技师

日期：2014年6月20日

摘 要： 在机电控制方面，PLC 是应用较为普遍的自动化控制系统，具有多方面的优点，PLC 已经成为工业控制系统的标准设备。本文在对机电设备PLC 控制系统的研究基础上，介绍了PLC 控制系统故障检测的基本原理，结合实践对PLC 控制系统的常见故障类型进行了分类，详细探讨了PLC系统故障的常规处理原则和细则，对PLC 系统的故障处理具有一定的指导意义。

关键词： PLC；机电设备；故障诊断；应用

目前，PLC技术的应用极为广泛和普遍，从机械臂、到轧钢生产线，这些都会用到PLC技术，只是在实际应用中，根据不用的控制类型或者控制系统的规模，会有相应的差别。因此，对PLC在机电设备故障诊断中的应用的探讨有其必要性。

1、PLC控制系统介绍

1.1 PLC的产生

PLC 首先出现于1969 年，是由美国数据设备公司研制而成的。它的全称是Programmable Logic Controller，即可编程逻辑控制器。它是一种运用数字运算技术进行操作的电子装置，主要应用于工业环境中，是工业控制系统的核心内容。它的工作原理是采用具有编程功能的存储器执行逻辑上的运算、顺序控制、定时、计数和其他基本操作等指令，在此基础上，通过输入/输出系统或数字信号等对各类机械实行控制。从1969 年初次出现到现在，PLC 的研发应用已经在很大程度上得到了改进，目前在美国、德国、日本等工业强国投入运行的PLC 系统功能强大，运行安全可靠，对工业发展影响重大。PLC 控制系统的运行环境受实际需求限制，在机电设备控制系统中，其工作环境通常具有电磁干扰大、噪声强等特点，对系统的平稳运行有一定的影响。但是通过调整系统安装位置，如将控制系统装置安放在具有防尘、防水、防高温、防雷电的控制室内就可以有效避免系统故障的出现。

1.2 机电设备PLC系统功能自检

由于PLC 的运行环境状况往往比较差，电磁干扰度高再加上其他安装或操作方面的不当会引起PLC 不能正常工作。通常情况下，导致机电设备PLC 出现故障的原因可能是系统检测或控制元件的故障，另外PLC 控制系统内部的逻辑运算错误也是一大原因。对这些故障的检测首先是控制系统的自检，然后是动态性检测，在对检测结果分析的基础上，进行有针对性的处理。

机电设备PLC 控制系统的功能自检一般包含五个步骤，即指示灯测试、控制开关测试、信号通路测试（包括反馈信号通路的测试和控制信号通路的测试）和控制程序测试。在进行控制系统自检时，首先对指示灯进行检测，将PLC 软件试运行，检查能否正常工作。如果不能正常工作，则对各类指示灯进行有效排查；然后是第二阶段，即控制开关的检测。在这一环节，检测人员需要对系统控制面板上的控制开关逐个测试，检查输入通路能否正常运行；在进行完控制开关的检测之后，就要及时检测输入输出等效器，启动自检程序直至完成反馈信号通路的测试；在进行控制信号通路检测时要对输出端口进行模拟信号输出，以确定信号发射和回馈机制能否有效完成，全面掌握控制信号的工作状态，保证信号通路的安全稳定；在前几步的基础上，启动自检程序全面检查实际控制程序的运行情况，对控制程序是否正常进行验证。

2、PLC 控制系统常见的故障类型

2.1 外部设备故障

外部设备主要是指与实际过程直接联系的各种开关、传感器、执行机构、负载等，一旦发生故障，会直接影响系统的控制功能。由于外部设备大多暴露在外，极易受到人为或者客观原因的机械损害，因此，外部设备故障属于PLC 控制系统故障中比较常见的类型。外部设备长期处于低保护甚至零保护的状态，在机电设备的复杂工作环境中容易出现设备接触点氧化或接触不良的情况。2.2 软件故障

软件故障指的是PLC 控制系统的软件出现问题，可能是由编程错误、病毒攻击、人为毁坏等多种原因造成。在PLC 控制系统中软件系统承担着“发号施令”的作用，一般出现软件故障后系统基本上不能正常运转。由于实际工作环境的限制，软件面临工作复杂、工作量大等一系列难以解决的问题，因而软件故障几乎难以避免。2.3 硬件故障

PLC 控制系统是一个构成复杂的庞大系统，内含许多硬件设备，除了各种外部设备以外，还存在许多隐藏在系统内部的硬件设备，这类设备通常是指PLC 控制系统的模板。由于这些硬件隐藏较深，容易被维修人员忽略，而且这类硬件故障给整个PLC 控制系统带来的多数是局部影响，不会引起特别恶劣的后果，因此根据工作经验一般很难发现其故障问题。一般需在多次确诊、排除其他故障以后，工作人员才会在二次检修中发现此种问题并进行处理。

3、PLC诊断机电设备故障的基本原理

机电设备的故障信号有开关量和模拟量之分，PLC采用不同的方法对这两种信号对应的故障进行诊断。

3.1 开关量信号的故障诊断

PLC对开关量信号的识别是通过其开关量输入模块完成的。

PLC控制机电设备时，设备中的压力、温度、液位、行程开关及操作按钮等开关量传感器与PLC的输入端子相连，每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”，每个“位”在内存中为一个地址。输入“位”的工作原理IN代表开关量输入，COM为信号公共端。IN为ON时，光敏三级管饱和导通，否则截止。故PLC的内部电路可以“感知”开关信号的有无。读取PLC输入位的状态值可作为识别开关量故障信号的根据。诊断开关量故障的过程，实质就是将PLC正常的输入位状态值与相应的输入位的实际状态值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的，则表明机电设备处于正常工况，不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。这就是PLC诊断基于开关量信号故障的基本原理。

这种诊断方法，故障定位准确，可进行实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程，还可将故障诊断融入过程控制，达到保护机电设备的目的。

图1 PLC输入位电路原理

3.2 模拟量信号的故障诊断PLC对模拟量信号的识别是通过PLC的模拟量输入输出模块来完成的。模拟量输入输出模块采用A/D转换原理，输入端接收来自传感器或信号发生器的模拟信号，输出端输出的模拟信号作用于PLC的控制对象。

PLC诊断模拟量故障的过程，实质就是将在相应A/D通道读到的监测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较的过程。如果比较的结果是实际值远离极限值，则表明机电设备对应的受监控部位处于正常状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定，利用PLC上的模拟量设定开关可精确设置该极限值。

当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值，PLC还能按照一定的逻辑关系启动开关量模块上的输出位，或者从PLC的通讯口主动发起通讯，从而输出故障诊断的结果，并据此实现对机电设备的控制。

3.3 中断方式的故障诊断

PLC的中断方式有：

（1）输入中断。开关量模块的输入位IN变为ON时，由PLC的CPU执行的中断。

（2）间隔定时器中断。由一定精度的间隔定时器启动执行的中断。

（3）高速计数器中断。根据PLC内装的高速计数器的当前值执行的中断。

其中，输入中断特别适合于机电设备的故障诊断。它对应于工业计算机的硬中断，属于外部中断，但PLC的输入中断可用PLC的外部指令来屏蔽。将机电设备的故障信号作为PLC的输入中断源，一旦出现故障信号，CPU立即响应，停止正在执行的程序，转到中断子程序中去，即可方便地对故障进行处理。它与直接利用PLC的内部逻辑完成故障诊断的不同之处在于：采用输入中断处理故障时，可停止PLC主程序的执行过程，而直接利用PLC的输入和内部逻辑处理故障时，PLC的主程序仍处于运行状态。因此，要根据故障对机电设备的影响程度选择合适的故障诊断方式。PLC的输入中断方式对后果严重的突发故障的处理特别有用。3.4 PLC在故障诊断系统中的作用

故障诊断系统是典型的人机系统，根据系统中的信息流向和功能划分的结果，基于计算机智能化的故障诊断系统，如图2所示。

图2 故障诊断系统框图

系统的输入模块要完成机电设备故障检测信号、控制指令和专家知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。专家知识的整理和表达由领域专家和系统专家协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心，它根据控制指令，利用专家知识，完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善，故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报警装置和人机界面，给出故障定位、预报和解释的结果。其中，人机界面还能提供排除故障的技术路线。

实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向，减少人在其中的干预作用，是机电设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统，有助于实现故障诊断过程的自动化。

PLC的开关量输入模块可用作为开关量故障信号的输入装置，模拟量输入模块可用作为模拟量故障信号的输入装置。这两种模块均能方便地实现对设备的在线监测。PLC的内部逻辑可完成控制模块中的逻辑推理功能。PLC的输出模块可直接驱动故障诊断系统的输出模块。其中，输出端子可用来控制声光报警装置和受控机电设备的运行过程，显示屏可作为人机界面使用。3.5 智能化故障诊断的实现

实现机电设备故障诊断的智能化，可充分利用专家知识，提高诊断效率，是故障诊断技术发展的一个重要方向。

由于目前的PLC产品不具备自动获取和存储专家知识的功能，所采用的编程语言无法完成控制层中的计算推理功能，因此，单纯采用PLC的故障诊断系统的智能程度是相当有限的。为此，可利用网络技术和通讯技术，将PLC和计算机联接成网络，互相取长补短，共同构成如图3所示的故障诊断的硬件系统。

图3 PLC与计算机诊断网络框图

图3网络中的PLC采用并行分布式结构，作下位机使用，计算机作为上位机，可完成PLC的程序下装，实施对多台PLC的管理，进行复杂的数据运算，建立数据库，存储专家知识，其输入输出设备可用作诊断过程的人机交互。PLC与计算机通过两种方式联接成一个整体：一是通过PLC的通讯口和计算机的通讯口进行联接，二是通过PLC的输入输出端子与计算机上的开关量板和A/D板进行联接。其中，PLC通过通讯口传递给上位机的故障信号多达两个或两个以上时，上位机要通过编码进行识别，而通过PLC输出端子传递给上位机的故障信号，上位机要通过开关量板输入端子的地址来识别。PLC输入端子可接受来自上位机的控制信号或故障信号。

上述两种联接方式把故障诊断系统的输入模块、处理模块、控制模块和输出模块组成了一个有机的整体,并构成整个机电设备控制系统中的一个子系统。图3网络中的PLC和计算机在故障诊断系统中各自扮演着不同的角色。通常情况下,故障诊断过程中复杂的逻辑判断、开关量故障信号的检测以及在严重故障状态下对设备进行的保护可交给PLC完成,以充分发挥PLC的技术优势,而复杂的数值计算和人机交互可在上位机上完成。PLC检测到的故障信号可通过通讯口或输出端子传给上位机,然后调用上位机存储的专家知识对其进行分析、判断、决策,并作出合理的解释。上位机作出决策之后,又可通过通讯口或开关量板的输出端口传递控制信号,并将控制权交给PLC。充分利用通讯口的功能,有利于减小PLC的规模。

4、应用实例

根据上述原理和方法，在液压AGC伺服油缸测控系统上设计故障诊断系统。该系统的工业控制机为IPC610，通讯口为RS-232C，开关量板为PCL-725，A/D板为PCL-812PG，机电设备为AGC伺服油缸试验台及其液压泵站，PLC选用OMRON公司生产的CQM1产品。其中，1#PLC的开关量输入模块4块（含CPU），开关量输出模块3块，2#PLC的开关量输入模块2块（含CPU），开关量输出模块2块，模拟量输入输出模块2块。有21路开关量故障信号需要检测（过滤器堵塞10，液位信号4，油温信号4，行程开关信号3）；模拟量故障信号有4路需要检测，其中，压力信号2路，位移信号2路。

液压AGC伺服油缸是实现板带高精度轧制的关键元件，在检测过程中，其动静态性能出现不合格的情况时，需要方便准确地判断是油缸本身的问题还是检测系统的问题。所设计的故障诊断系统能完成以下功能：

（1）测试过程开始前，运行故障诊断系统，检查AGC伺服油缸测控系统是否处于良好状态。对于开关量，这个过程是上位机通过通讯口读取PLC输入位的状态值并与其正常状态值相比较的过程；对于模拟量，这个过程可用读取模拟量阈值起动的开关位的状态值作为判断的根据，也可将从PCL-812PG读取的模拟量与其相应的极限值相比较的结果作为判断的根据。若发现测控系统有故障，应及时处理（上位机显示屏给出具体故障的部位及排出故障的技术路线）。只有当诊断结果为良好状态时，才能进行油缸的性能测试。

（2）如果测试结果发现不合格的伺服油缸，应重新运行故障诊断系统。这 9 时，除了对泵站进行常规探测外，主要是调用安装在上位机上的基于BP网络的伺服油缸故障诊断系统，以准确判明故障原因。否则,若伺服阀出现故障，则通过通讯口控制PLC的输出位，以切断伺服阀油源。

（3）如果测试过程当中，测控系统出现严重故障，则PLC通过通讯口或上位机输入输出板传递故障信号，使测控系统退出测试过程，屏幕给出故障诊断的结果和排除故障的建议。PLC通过声光报警并切断电机电源。

5、结论

PLC可为机电设备的故障诊断提供强有力的技术支持。在进行故障诊断系统的设计时，根据诊断系统的功能要求，选用适当的PLC，可丰富和完善诊断系统的功能。随着PLC新产品的研制成功，它在故障诊断领域将有更广阔的应用前景。

在实际工作中由于PLC 系统内部设置有编程程序，它可以自我检测出一些常规故障问题，工作人员在处理故障之时大可不必手忙脚乱、不知所措，往往只需要1 把螺丝刀和1 个万用表就可以解决一些故障。不过，在故障的实际处理阶段，工作人员必须注重经验的积累，从而有助于处理一些基本的故障问题。

参考文献

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