【摘要】分析了PLC对机电设备故障的诊断原理及其在故障诊断系统中的作用，利用PLC和计算机组成的诊断系统实现了故障诊断的智能化。充分利用机电设备控制系统中PLC的硬件资源，可以简化诊断系统的硬件设计。关键词：PLC；故障诊断研究PLC在机械设备故障诊断中的应用许一鸣公司：分析了PLC在机电设备故障诊断中的原理及在故障诊断系统中的作用。由PLC和计算机组成的诊断系统进行智能诊断。充分利用机电设备控制系统中的PLC硬件资源，可以简化诊断系统的硬件设计。关键词：PLC故障诊断的基本原理1 PLC在诊断机电设备故障中机电设备的故障信号可分为开关信号和模拟信号。PLC采用不同的方法对这两种信号对应的故障进行诊断。1.1基于开关信号的故障诊断PLC通过其开关输入模块识别开关信号。PLC控制机电设备时，设备中的压力、温度、液位、行程开关、操作按钮等开关传感器连接到PLC的输入端，每个输入端在PLC的数据区被分配一个“位”，每个“位”就是内存中的一个地址。输入“bit”的工作原理如图1所示。图中，IN代表开关输入，COM是信号公共端。当IN导通时，光电晶体管饱和并导通，否则关断。因此，PLC的内部电路可以“感知”开关信号的存在或不存在。读取PLC输入位的状态值可用作识别开关故障信号的基础。诊断开关故障的过程实质上是将PLC的正常输入位状态值与相应输入位的实际状态值进行比较的过程。如果比较结果一致，则表明机电设备处于正常工作状态；如果不是，则表示输入位对应的设备部分处于故障工作状态。这是基于开关信号故障的PLC诊断的基本原理。图1 PLC输入位电路原理图。该诊断方法故障定位准确，可用于实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程，还可以将故障诊断集成到过程控制中，从而达到保护机电设备的目的。1.2基于模拟信号的故障诊断PLC对模拟信号的识别是通过PLC的模拟输入输出模块来完成的。模拟输入输出模块采用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诊断模拟故障的过程，本质上是将相应A/D通道中读取的监控信号的实际模拟值与系统允许的极限值进行比较的过程。如果比较的结果是实际值与极限值相差很远，则表明该机电设备对应的被监测部分处于正常状态；如果实际值接近或达到极限值，则处于异常状态。判断是否发生故障的极限值是根据实际系统相应的参数变化范围来确定的，利用PLC上的模拟设定开关可以准确设定极限值。当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值时，PLC还可以按照一定的逻辑关系启动开关模块上的输出位，或者从PLC的通讯口发起通讯，从而输出故障诊断结果，并据此控制机电设备。1.3基于中断方式的故障诊断PLC的中断方式有：(1)输入中断。当开关模块的输入位FF变为ON时，PLC的CPU执行的中断。(2)间隔计时器中断。中断由具有一定精度的间隔定时器启动和执行。(3)高速计数器中断。根据PLC内置的高速计数器的当前值中断。其中，输入中断特别适用于机电设备的故障诊断。它对应于I的硬中断
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，进入中断子程序，这样就可以方便地处理故障。与直接利用PLC内部逻辑完成故障诊断不同：当利用输入中断处理故障时，可以停止PLC主程序的执行过程，但当直接利用PLC的输入和内部逻辑处理故障时，PLC主程序仍在运行。因此，需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法。PLC的输入中断模式对于处理具有严重后果的突发故障特别有用。2 PLC在故障诊断系统中的作用。故障诊断系统是一个典型的人机系统。根据系统中信息流和功能划分的结果[1]，它是一个基于计算机智能的故障诊断系统，如图2所示。图2在故障诊断系统中
的信息流向和功能模块nextpage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。 PLC的通讯口即可用来接受控制指令，又可输出PLC。
3 利用PLC和计算机实现智能化诊断的方式
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[2]。 图中的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。
图3 PLC与计算机构成的诊断网络
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，笔者在液压AGC伺服油缸测控系统上设计了如图3所示的故障诊断系统。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。
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。
