基于PLC的电机故障诊断系统的研究.pdf

l 訇 化 基于P L C 的电机故障诊断系统的研究 Bas ed on PLC el ec t r i cal f aul t di agn osi s s ys t em r e s ear ch 物卓 YANG Z h u o 郑州旅游职业学院，郑州 4 5 0 0 0 9 摘要本文对系统的设计思路进行了叙述，然后进行了系统的整体设计及软件设计，在最后概括出 P L C 在故障诊断中的作用。 关键词P L O；故障诊断 中图分类号T P2 7 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 1 1 下 一 0 0 5 0 0 4 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 1 ． 1 下 ． 1 7 0 引言 在工业控制系统中 ， 以 P L C和工业控制计算机 为核心的综合 自动化系统得到了广泛的应用。P L C 系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运 行。一个完善 的 P L C系统除 了能够正常运行 ，满 足工业控制的要求 ，还必须能在系统出现故障时及 时进行故障诊断和故障处理。故障 自诊断功能是工 业控制系统的智能化的一个重要标志 ，对于工业控 制具有较高的意义和实用价值。 1 设计思路 故障诊断一般有两种途径 故障树方法 和专家 系统方法。故障树方法利用 系统的故 一 障逻辑结构进行逻辑推理 ，由错误的输出找 控制命令 到可能的输入错误。这种方法比较适用于 系 统结构相对简单 ，各部分耦合少的情况。专 家系统方法通过建立系统故障的知识库与推 理机 ，计算机借助现场的数据利用知识库和 推理机进 行深入 的逻辑推 理，找 出故障 原 因。这种方法适用于 系统结构复杂，各部分 耦合强的大型工业系统。 P L C是现在 应用较多的一种控制装置 ，利用 P L C丰富的内部资源及强大的功能指令 ，编制故 障检测报警程序 ，不仅可以替代继 电器实现相应 功能，还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性。 2 电机故障诊断系统设计 故障诊断系统的建立是在采用 P L C和上位计 算机组成 的控制系统上。P L C在故障诊 断系统 中 的功能主要是完成输 煤系统设备故障信 号检测、 预处理 ，转化存储并传输给上位计算机。上位计 算机 由于具有强大的科学计算功能，利用专家知 识和专家库 ，完成从故障特征到故障原因的识别 工作。并通过人机界面，给出故障定位 ，报告和解 释故障诊断结果，并为操作员给出相应的排除故障 的建议。鉴于此，本文设计 了一个采用了 P L C的 电机故障诊断系统 。其系统框图如图 1 所示 图 1 系统结构框图 如图 1 所示，准备开机时，按下开机按钮后 ， 首先检测断路器状态，如果断路器初始状态为 闭 合 ，电机无法启动 ，并且声光报警 。如果断路器 初始状 态为断开 ，断路器合 闸，电机开 始启动。 在启动过程 中，若 发生一级故障，P L C进行相应 的保护动作。启动完成后 ， “ 电机开 ／ 关指示灯” 亮， 电机正常运行。运行过程 中，P L C依次循环检测 电机是否发生相间短路、断相、低 电压、单相接 地 、过负荷、过 电流等故障 ，若 有发生，P L C进 行相应保护动作。关机时，P L C接到关机命令后， 收稿日期2 0 1 0 -1 1 - 2 1 作者简介杨卓 1 9 7 5 一，女，辽宁昌图人，讲师，本科，研究方向为 自动化控制。 【 5 O 】 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 - 1 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 断路 器跳 闸 ，“ 电机开 ／ 关 机 指示灯 ” 灭 。 3 故障诊断程序设计 在进行故 障诊断设计时，首先必须对整个系 统可能会 发生的故障进行分析 ，得到 系统的故障 层次结构 ，利用这种层次结构进 行故障诊断部分 的设计。以某厂 电机输送控制系统 的故障结构为 例。为 了描述简单 ，这里作了一定的简化。 系统故障结构 的层次性为故障诊断提供 了一 个合理的层次模型 。在进行系统的 P L C梯形 图程 序设计时 ，应充分考虑到故障结构的层次，合理 安排逻辑流程。在引入故障输入点时应注意必 须将 系统所有可能 引起故障 的检测点引入 P L C， 以便 系统能及时进行故障处理 ； 应在 系统允许 的 条件下尽可能 多的将最底层的故障输入信息 引入 P L C的程序中，以便得到更多的故障检测信息为 系统的故障自诊断提供服务。 1 故障点的记录 为了得到 系统的故障情况实现 系统的故障 自 诊断，P L C必须将所有故障检测点的状态反映给 内部寄存器 ，下图是用来记录故障点的部分程序 。 上升沿微分 位 位 位 上升沿微分 位 移动 源字 目标 I R 4 ． 0 2 是输入的I O节点，表示 A侧皮带信号 ， 当输煤系统使用 A侧皮带正常运行时 4 ． 0 2的值为 1 ，当 4 ．0 2变为 0时 ，说 明 A侧皮带信号 出了故 障 ，此时利用上升沿微分指令记录这次的信号跳 变。这样这次事故就记录在 I R 3 1 ． 0 0中。程序设计 中将 I R 3 1 作为记录底层故障信息的寄存器，由于 内部寄存器 有 1 6位 ，所以能够记录 l 6种不同 的故障原因。如果有更多的故障需要记录 ，可以 设置多个 寄存器字。需要说明的是 ，有时引起故 障的原因可能不止一个，往往一个故障会引起另 一 些故障的发生 ，因此还有关键的一点是程序要 能记录最先发生的故障。这也需要通过 P L C编程 实现 ，程序 只对最开始发生的故障敏感。 2 多次故障事件的记录 由于 系统实际长时间的运行 中，可能会 出现 多次故障，为了检修和维护方便 ，还需要 P L C能 够将 多次故 障事件 记录下来。O MR ON C 2 0 0 H型 P L C的数据存储区 D M 区 可以间接寻址，利用 这一点 ，可 以在 D M 区划 出一定的区域 ，用来记 录每次故障事件 ，包括故障类型和事件发生的时 问 日期，小时 ，分钟，秒 。这 一段 DM 区域 可以循环记录 ，实 际使用 中记录 了最 后 5 0次故障的情况 ，这些记录是系统运行 的重要资料 ，方便了运 行人 员了解设备情 况 ，对其进行检修和维护。 3 模拟量故障的诊断 移动 秒 0 0 一 O 7 ＆分 0 8 0 1 5 源字 目标 复位 位 图2 记录故障点的部分程序 对于模拟量信号例如犁煤 车，给煤 车 电机 电流的故障诊断，首先利用模拟量 模 块 ，接收来 自电流变送器 的模拟信号 ，将 其转换为数字信号，然后与整定值 或系统 允许的极限值比较 ， 若在允许范围之内则表 明对应的设备 处于正常运行状态 ，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。 4 各种故障信息的串行通信 上位机通过 串行通讯及时读取 P L C的 内部寄存器区的各种故障信息。利用 P L C 的 R S 2 3 2通信接 口，可与上位计算机进行 H o s t L i n k方式 串行通信。通信时，上位计 算机首先向 P L C发 出一帧命令帧，包括操 作命令、寄存器类型、起始地址 与要 读取 的寄存区数 目等。P L C收到命令帧后会做 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 - 1 下 1 5 1 1 一 一姗 一 一 一 一 一 一 一 一 一 5 O 期 日 “ m ∞ 动 时字标 移 小 源目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 生 匐 化 出响应 ，如果没有错误则 向上位计算机发出响应 帧，响应帧中包含了上位机需要查询的寄存器值。 上位计算机通过读取数据寄存区的值 来获取 当前 P L C的工作状况 ，同时上位计算机对 P L C的 控制也可通过对该区的写操作来完成。具体 的通 信实现可以参考相关资料 ，这里不作详细论述。 4 借鉴专家系统故障诊断方法的实现 系统故障结构的层次性为故障诊断提供 了一 个清晰 的层次模型 ，可以利用基于模型的故障树 法。但是在进行比较详尽的故障诊 断以及 系统故 障存在耦合时，仅仅使用故障树法是不够 的，必 须借鉴专家系统的方法。 1 专家系统方法 在传统 的专家 系统 中，知识被组 织成知识库 的形式，推理机 进行推理时，要从知识库表示的 所有空间中搜索所需的知识。这种方法有搜索空 间大，推理效率低的缺点。“ 知识对象”的概念可 以解决这一问题。“ 知识对象”是一个 逻辑概念， 它利用面 向对象的方法 ，将知识源和黑板都表达 为对 象，在知识对象的内部封装 了专家 系统和推 理机 、解释器。当相应的知识对象被激活 后，就 在对象 内部进行推理 ，大大提高 了推理效率。根 据系统的实际情况和故障推理 的过程，在这里知 识对象被具体化为故障节点。故障节点是进行诊 断推理的基本单位 ，诊断信息在故障节点间层层 传递 ，故障节点内部利用这些信息进行推理并最 终确定故障原因。 2 对象类型与推理节点 对象类型表示该故障节点在故障推理 中的作 用，它可分为 3类 根节 点，叶节点 ，推理节点。 根节点的故障由它的子节点产生，应 到其子节点 中去继续推理。叶节点是底层故障。叶节点没有 子节点。推理节点是故障诊断规则最为集 中的节 点，检测节点可以视为推理节点的子节 点，它为 推理节点的推理过程提供 相关 的信息。我们在推 理节点并不是判断该节 点是否存在故障，而是利 用推理节点封装的规则库 与推理机 ，结合检测节 点提供的信息进行故障推理，找出故障原因。 3 故障节点的检测方式 地址段是节点的位置 本 系统 中是 P L C中的 寄存器 。数据段根据用户的需要可以为一个或几 个，数据段 中数据的定义 与节点的性质有关。检 [ 5 2 1 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 1 下 测方式表 明在该节点系统进行何种操作。主程序 根据故障节点 的检测方式选取相应 的处理 函数 。 该函数是检测手段 与推理规则的结合 ，故可称之 为检测 ／ 推理函数。一方面它可 以检测故障节点本 身的状态 ，另一方面使 用推理机制进一步推断故 障原因。性质类似的节点使用相同的检测 ／ 推理函 数 ，利用地址段和数据段中的值加以区别。 4 各节点的注释段要有相应帮助信息 各节点的注释段不仅能记录故障的原 因和维 修方法，还可以记录其他的帮助信 息。有时 因系 统的检测手段不完备，或规则不完全 ，推导过程 要进行人机对话。这时候如果节点的注释段 中有 相应帮助信息 ，可 以给用户以提示或指导用户进 行操作 ，使推理能顺利进行。 本 系统 的故 障诊 断通 过在 上位 计算 机上 用 VC 6 ．0开发的应用程序实现 ，集成在上位机监控系 统 中。在运行 中给操作人 员提示，指导用户进行 操作 ，了解设备状态，判断故障发生原 因，并可 给 出相应的维修建议。用户也可以对故障诊断进 行指导和修正。 5 P L C 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 ，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 P L C的故障诊断系 统 ，有助于实现故障诊断过程 的自动化。 P L C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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 P L C的内部逻辑可完成控制模块中的逻辑推 理功 能。 P L C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 电机设备 的运行过程 ，显示屏可作为 人机界面使用。 6 结束语 P L C为电机设备 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 P L C，可丰富和完 善诊断系统的功能。随着 P L C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。 参考文献 [ 1 ]杨叔子， 丁洪 ， 等． 基于知识的诊断推理 [ M】 ． 北京 清华 大学出版社， 1 9 9 3 ． 【 2 】周东华 ， 孙优 贤． 控制 系统的故障检 测与诊 断技术【 M】 ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 4 ． [ 3 ]居绨． 可编程逻辑器件 的开发与应用【 M】 ． 北京 人民邮 电出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 4 】0M R O N． 应用手册【 Z 】 ． {矗I {重‘ 毛} 童‘ ． ． ． ． {盎‘ {重I 矗‘ {＆‘ {矗‘ ．{重‘ {矗‘ 盘‘ {童‘ {＆‘ {重‘{矗‘{＆‘ {国‘ {矗I {矗‘ 【 上接第4 6 页】 坐标付给 P 。 3 重建图像及结论 根 据以上论 述建立 B P神 经网络 ，用 P S O算 法对 网络权值和阈值进行优化训练 ，重建 圆形样 品的电导率分布，成像结果如图 3所示。 由图像重建方法及重建结果得到如下结论 1 图像的质量及神经网络的泛化能力与输入 输 出的样本对数有直接关系，样本越多效果越好 。 2 采用 B P P S O的 E I T图像重建算法，可离 线充分训练，可使 成像速度提高，其速度要优于 动态反投影重建算法及静态成像算法。 3 在样品区域中的不 同位置改变电导率 ，该 算法的成像效果要优于反投影重建算法 。 4 基于 P S O优化 B P神经网络 的方法，较其 它基于神经 网络的 E I T图像重建方法收敛速度更 快并且不易陷于局部极值。 参考文献 [ 1 1 C h e n e y M． E l e c t r i c a l i mp e d a n c e t o mo g r a p h y[ J ] ． S I A M Re v i e w， 1 9 9 9 ， 41 1 8 5 1 0 1 ． [ 2 ]B e r t r a n d M ， Bo u l a y C， Gu a r d o R,e t a 1 ． An e x p e rime n t a l s t u d y i n e l e c t r i c a l i m p e d a nc e t o m o gr a p hy u s i n g b a c k p r o j e c t i o n r e c o n s t r u c t i o n ． I E E E T r a n s Bi o me d E n g ， 1 9 9 1 ； 3 8 7 6 1 7 ． [ 3 1 J a n C d e Mu n c k ， T h e o J C F a e s ， R o b M He e t h a a r ． T h e Bo u n d a r y El e m e n t M e t h o d i n t h e F o r wa r d a n d I n v e r s e 模 型 反 投 影 重 建 BPP ⑦ S0 图3 不同算法 的电阻抗成像效果 P r o b l e m o f El e c t r i c a l I mp e d a n c e T o mo g r a p h y [ J 】 ． I E EE T r a n s B i o me d E n g 2 0 0 0 ,4 7 6 7 9 2 8 0 0 ． 【 4 】 We b s t e r J G E d ． E l e c t r i c a l I mp e d a n c e T o mo g r a p h y ． Bris t o l , E n g l an d Ad a m． Hi l g e r ， 1 9 9 0 1 - 2 0 5 ． 【 5 】SECRES TBR，LAMONT G B．Vi s ua l i z i n g Pa r t i c l e S wa r m o p t i mi z a t i o n ． I n Pr o c e e d i n g s o f t h e 2 0 03 I EEE S wa r m I n t e l l i g e n c e S y m p o s i u m， S I S ’ 0 3 ． I n d i a n a p o l i s I N， U S A 2 0 0 3 ． 1 9 8 2 0 4 ． 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 1 下 I 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m