基于FTA的PLC控制系统故障诊断技术研究.pdf

精密制造与自动化 2 0 1 0 年第 2 期 基于 F T A 的 P L C控制系统故障诊断技术研究 张向前 中国人民解放军 6 3 6 5 5 部队 8 4 1 7 0 0 摘要P L C在工业生产中应用非常广泛。 文章首先对P L C控制系统进行分析， 并建立了～种通用故障模型。 然后采用F T A F a u l t T r e e A n a l y s i s 方法对控制系统进行分析，确定控制系统薄弱环节，依据通用故障模型 构建了基 于 P L C的故 障诊 断系统 。 关键词F T A故障诊断P L C 随着科学技术的发展和工业化进程的加快 ，现 代工业控制系统结构越来越复杂，功能越来越完 善，自动化程度越来越高。可编程控制器 P L C 以其高可靠性和一系列独特 的优点，在 自动化领域 已形成一种工业控制趋势。 基于 P L C的控制系统在 国防武器装备上也得到 了广泛的应用。武器性能的 提高，同时也带来了维修保障的问题。典型问题是 检测流程复杂 、故障诊断缺乏有效手段、维护成本 高，这些问题严重影响着武器装备的完好性和寿命 周期费用 。为了解决这些难题，本文以某武器电气 控制系统为例 ， 对 P L C控制系统故障模式进行深入 研究，对故障进行分类 ，建立 了控制系统的通用故 障模型，为 P L C控制系统故障诊断奠定了基础。 1 通用化故障模型 根据控制系统故障的轻重缓急，以及响应故障 的时间要求，P L C控制系统的故障等级分类如下 1 一级故障可 能产生严重后果 的故障。 要求系统立即停机并向操作人员声光报警。 2 二级故障对控制过程不立即产生影响， 由故障处理程序进行 自纠正处理，并通过信号输出 模块屏蔽错误信号，同时向操作人员做声音报警。 一 段时间后如故障仍存在，则故障升级。 3 三级故障程序检测到 的一般性错误或 异常，只记忆并向操作人员做出相应 的指示 ，控制 程序继续执行。 根据上述 P L C控制系统故障模式， 可建立一种 通用故障模型如图 1 所示。 当P L C提取到故障征兆，根据当前故障所属等 级 ，然后通过中断选择相应 的响应方式。武器设备 的故障信号作为P L C的输入中断源，一旦出现故障 信号，C P U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P L C 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P L C 主 程序 的执行过程，而直接利用P L C 的输入和 内部逻 辑处理故障时P L C的主程序仍处于运行状态 。 一 级 断电 刹车 屏蔽 升级 警示 图1 通用故障模型 因此 ， P L C 控制系统故障诊断的功能如下所示 1 实时监测控制系统的状态信息 ，及 时发 现故障。 2 发现故障后及时 向控制器发送信 息，以 便控制器采取相应的措施 。 3 保存故障时必要的状态信息 ，为远程诊 断中心提供可靠依据，避免人工描述不准确性。 2 故障树的应用 2 ． 1 故障树构建 故障 树分 析法 F a u l t T r e e An a l y s i s简 记为 F T A通过对可能造成系统故障的各种因素 包括 硬件、软件、环境和人为因素等 由总体至部分按 树状分支进行逐级细化分析。画出逻辑框图 即故 障树 ，从而确定系统故障原因的各种组合方式及 其对系统的影响。 在对某武器装备控制系统进行失效分析后 ，将 47 精密制造与 自动化 2 0 1 0 年第 2 期 制冷机不工作定义为一级故障。下面制冷机系统为 例，它 由冷凝器、变频器、电动机、电源装置等组 成。建立该制冷机系统的故障树，如 图2 所示。 T ． 制冷机不工作 A． 电源故障 B ． 交流 电源 故障 C ． 直流电源故障 D． 散热器故障 E ． 散热片温度高 F ． 冷却风扇不转 G ． 变频器故障 H ． 回路无 电， 变频器不工作 I 一 保险丝断 J 一 回路有电，变频器不工作 K ． 接触器未闭合 L ． 线 圈断路 M． 接触器卡住 N． 电动机不工作 O 一 温度控制器 故障 P ． 电动机绕 组线 圈故障 图 2 制冷机系统故障树 2 ． 2 故障树定性分析 故障树 定性分析 的主要任务也就 是确定系统 的最小割集。割集指的是故障树中的一些底事件的 集合，当这些底事件同时发生时， 顶事件必然发生。 最小割集指的是满足以下条件 的割集若将割集所 含的底事件任意去掉一个它就不能再称为割集 ，否 则该割集就不是最小割集。最小割集的意义就在于 为确定了系统中的最薄弱环节，同时指 出了系统的 故障原因。 根据最小割集 的上行法 S e n a n d e r e s 算法 ，由 TA UDU G 1 ABU C 2 DEnF ； 3 GH t_ J 4 U ， JKUN，K LUM ， NOUP； 根据布尔集合运算 ，由 1 2 3 4 式可得 TBUCU nF UI ULUM UOUP 5 由式 5 可知， 该故障树有8 个最小割集， 即 B 、 C 、{ E，F 、 I 、 L 、 M 、 O 、 P ，这8 个最小割集即构成 了该故障树的最薄弱的环节 。 3 故障诊断系统构建 3 ． 1 系统流程 如图 3所示，控制系统状态的特征信号般分为三 种形式种是以能量形式来表现特征信号，如温度、 压力、流量等；另种以数字形式来表现特征信号， 如 总线数据流、数字信号流等第三种是以直接的物理状 态来表现特征信号，如开关的闭合、电机的启停等。 当P L C提取到故障征兆后，即进 入 模式识别程序。 将提 取到的待检模型与预先设定好的参考模型相对比，从而 判断出待检模型应划分为哪类故障。当故障类别判定 后，P L C程序产生对应故障的决策j 6 兀 制，并通过中断程 序，执行预定处理程序， 将其响应作用于武器控制系统。 图 3 故障诊断系统流程 3 ． 2 程序设计 P L C故障诊断系统工作过程就是将采集到的各 元件状态信息与参考模型相对比的过程 。下面还 以 制冷机故障为例，部分程序如下，如图4 所示。 1 一级故障 图4 一级故障梯形图 程序 中的元件就是对应 一级故障制冷机不工 作的系统最小割集 中的底事件。当最少一个最小割 集出现故障 时，程序跳转到一级故障的处理子程 序。 P 5子程序就是对应一级故障的处理措施。其对 应情况如下 Y 0 1 0 交流 电压1 故障标志； 张向前基于 F T A的 P L C控制系统故障诊断技术研究 Y O 1 1 直流电压1 故障标志； Y O 1 2 温度传感器 1 故障标志 ； Y O 1 3 红外传感器 l 故障标志； Y O 1 4 交流电压2 故障标志； Y O 1 5 直流电压2 故障标志； Y O 1 6 红外传感器2 故障标志； Y 0 1 7 温度传感器2 故障标志 ； Y 0 2 0 电动机 电流故障标志。 2 二 级故 障 当程序收到故障标志位置位的信号后，启动声 光报警装置Y0 2 1 ，同时启动定时器T 1 0 ，如果在5 秒钟时间内，故障仍未清除，则二级故障升级为一 级故障，程序立即跳转到一级故障处理子程序P 5 。 各元件地址定义如下 P 5 一级事故处理程序 ； P 6 二级事故处理程序； Y0 0 6 对应的二级事故标志； Y0 2 1 声光报警 ； T1 0 允许二级事故延时定时器 M5 二级事故升级条件 。 『1 下 。 L - - - u ，-，---------------- 一-，---------Jr 1 0 j T 1 0 lH 卜 _ -p u P5 h 图 5梯形 图 系 统 检 测到故障后， 经 与 通 用 故 障 模 型 对 比 后， 如果确定 为 是 二 级 故 障，则程序中断，跳转到二级故障处理子程序P 6 ， 梯形图如图5 所示。 4 结语 由于 P L C的最大程序容量、内部继 电器、定时 器、计数器数量都相当大，即使中小型 P L C在现实 应用中，都有相当的余量。本文基于上述思想 ，将 P L C的这部分潜力充分挖掘 ， 采用 F T A方法对故障 进行诊断， 不仅提高了维修效率， 而且节约 了经费， 对于 民用控制系统设备 同样具有一定 的现实参考 意 义。 参 考文献 【 1 ] 姚竹亭，潘宏侠，等．故障树法在车辆控制系统 C P U 板故障诊断 中的应用[ J ] ．合肥 工业 大学学报自然科 学版， 2 0 0 9 9 ． [ 2 】 F X1 S ， F X1 N， F X 2 N， F X2 NC系列编程手册． [ 3 】 李 璐，张晓燕．控制系 统的故障诊 断[ J ] ．计算机 自动 测量与控制， 2 0 0 1 ， 9 5 ． [ 4 】 张振 山，丁宝成，赵俊严 ．自动装弹机 电控 系统故障 诊断专家系统[ J ] ．计算机测量与控制， 2 0 0 8 ， 1 6 5 ． [ 5 】 王国辉，孙正民，刘军杰． 基于模糊故障树理论的旋 转输弹机 故障诊 断研究 [ J ] ．计算机测 量与控制， 2 0 0 9 ， 1 7 6 ． [ 6 ]6 安 晨亮．故 障树原理在 故障诊 断系统 中的应用 [ J ] ． 导 弹 与航天运载技术． 2 0 0 9 ， 1 ． 【 7 ] 王 菲，刘 安心，等．基于模糊 故障树 的高速 挖发动机 系统故障诊断方法【 J ] ． 接卸研 究与应用， 2 0 0 9 1 ． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 上接第2 2 页 4 。 5 一 T 一一_ 轴承的振动信I号进行I了包络解调研 I 究7 0研究7 - 结果表 叶 Ⅲ ， U J 口了 J J[ ， 肝 呵 乙 J L 口 木仪 4 0 明， 基于 Hi l b e r t 变换的包络解调技术能有效诊断出 5- 3 0 滚动轴承的故障。 I n ‘ J 1 ， 丁 、 J H I 于 。 2 5 ． 也 一 ～ O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 时Iq l s 图6 轴承外环故障信号的包络谱 5 结语 针对滚动轴承外环故障、内环故障和滚动体故 障的振动信号具有调制的特点， 采用 Hi l b e 变换对 参考文献 [ 1 ] 孟涛．齿轮与滚动轴承的振动分析与诊断[ D ] ．西北 工业大学，博士学位 论文， 2 0 0 3 ． [ 2 】 梅宏斌． 滚动轴承振动监测与诊断理论 方法 系统 [ M】 ． 机械工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 3 ]3 李辉． 滚动轴承和齿轮振动信号分析与故障诊断方法 [ D】 ．西北工业 大学，硕士学位论文， 2 0 0 1 ． [ 4 】 李国华，张永忠． 机械故障诊断【 M】 ．北京化学工业 出版社， 2 0 0 2 ． 49