基于普通铣床数控化的S7-300PLC远程监控和故障诊断系统设计.pdf

2 0 1 5年第 2期 工业仪表与 自动化装置 -4 9 基 于普通铣床数 控化 的 S 73 0 0 P L C 远程监控和故 障诊断 系统设计 李 茜 ， 王延年 1 ． 西安 工程大学 电子信息学院， 西安 7 1 0 0 4 8 ； 2 ． 西安航 空职业技 术学院 电子工程 学院， 西安 7 1 0 0 8 9 摘要 为了保障实训车间机床的正常运行， 论文以设备数控化改造为契机， 介绍远程监测和故 障诊 断系统的概念和工作原理 ， 重点阐述 了基于 P L C远程监控 与故障诊 断 系统的网络构成 ， 给 出 了系统故障诊 断的实现方法。该 系统的调试成功 ， 对 降低机床设备的停机 时间， 提 高设备使用率 ， 节省维修 费用具有积极的意义。 关键词 铣床 ； s 7 3 0 0 P L C； 远程监控 ； 故障诊 断 中图分类号 T G 6 5 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 00 6 8 2 2 0 1 5 0 2 0 0 4 9 0 4 De s i g n o f r e mo t e mo n i t o r i n g a nd f a u l t d i a g no s i s s y s t e m ba s e d o n t he o r di n a r y mi l l i ng ma c h i n e o f n ume r i c a l c o n t r o l o f S 73 0 0 PLC L I Q i a n ，WA N G Y a n n i a n 1 ．D e p a r t m e n t ofE l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ， X i ’ a n P 0 e c h n i c U n i v e r s i ty， X i ’ a n 7 1 0 0 4 8 ，C h i n a； 2 ．De p a rt men t ofE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g， X i ’ a nA e r o n a u t i c a l e c h n i c 疵 ， Xi ’ a n 7 1 0 0 8 9， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o p r o t e c t t h e n o r ma l o p e r a t i o n o f ma c h i n e t o o l s i n t h e ma c h i n e s ho p ， wh e r e t h e s e e q u i p m e n t m a i n l y a f f o r d t r a i n i n g． T h i s p a p e r t a k i n g t h e p r o j e c t o f ma c h i n e t o o l s t r a n s f o rm a t i o n a s a n o p - p o r t u n i t y，i n t r o d uc e s t h e c o n c e p t a n d p rin c i pl e o f r e mo t e mo ni t o rin g a n d f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m ，d e s c ribe s t h e n e t w o r k s t r u c t u r e o f t h e r e mo t e mo n i t o r i n g a n d f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m b a s e d o n S 73 0 0 P L C．g i v e s t h e i mp l e me n t a t i o n o f f a i l u r e di a gn o s i s s ys t e m．Th e s uc c e s s f u l c o mmi s s i o n i n g o f t h e s y s t e m ha v e a p o s i t i v e me a n i n g，t o r e d uc e ma c h i n e t o o l e q u i p me n t do wn t i me，i mp r o v e e q u i p me n t ut i l i z a t i o n，s a v e o n ma i n t enance co s t s． Ke y wo r d s mi l l i n g ma c h i n e； S 7 3 0 0 P LC； r e mo t e mo n i t o r i n g；f a u l t d i a g n o s i s O 引言 在机械类加工企业 中， 用户最关心 的就是设备 的运行状况 ， 只要设备没有故障 ， 企业 的产 品就会如 期完成。因此 ， 设备故障状况诊断、 故障征兆信号以 及在发生故障之后如何及时进行维修非常重要。随 着计算机网络技术 的飞速发展 ， 以及先进制造技术 的广泛推广 ， 加速了基 于网络 的设备运行状态远程 监测和故障诊断方法 的实现 。该文以实训车间普通 机床设备数控化改造项 目为契机， 提出机床运行状 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 3 作者简介 李茜 1 9 8 2 ， 女 ， 陕西 潼关人 ， 西安 工程 大学 硕士研 究 生 ， 西安航空职业 技术学 院 电子工 程学 院讲师 ， 主要从 事智 能楼 宇和 P L C的教学 与研究 。 态远程监测和故 障诊断系统的实现方案 ， 通过系统 可 以“ 足不出户” 就在线、 实时获得其实训机床的电 气 、 机械运行状态 ， 早期潜在故障和已发生故 障的信 息 ， 从而保障设备的正常运行 ， 同时机床生产企业又 可以指导维修人员快速维修， 或者选派专业售后服 务人员完成故障处理和维修。 1 远程设备故障诊断简介 1 ． 1 远程设备故障诊断发展与特点 远程设备故 障诊断的概念是在远程医疗概念的 基础上发展起来的一种设备诊断技术。国内外该技 术 的发展可 以追溯 到 2 0世纪 6 0年代初 ， 伴随一些 新技术 如信息论、 控制论、 计算机和人工智能等 不断被引入到故障诊断领域， 形成故障诊断系统。 5 0 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 2期 历经 5 0多年 ， 故障诊断系统 的规模也从原来 的单机 监测发展到现在的远程分布式监测 ， 使监测 范围从 现场扩大到全 国甚至全世界。现在 ， 远程故 障诊断 的最大特点是设备与诊断资源在地域上 的分离 ， 提 供服务的诊 断资源与被诊 断设备 之间通过 网络通 信， 组成一个逻辑整体， 这使得远程资源为设备提供 故障诊断服务 的形式有 了一些新的特点 I 4 J ， 开放 性也愈来愈明显。一方面 ， 可以将诊断任务分解为 不同故障域的子问题， 再利用不同的远程诊断资源 进行诊断， 进而将所有这些诊断结论综合 ， 会得到比 较准确的诊断结果 ； 另一方面 ， 同一远程资源将可以 为不同地域的多个或多种设备提供诊断服务。因 此 ， 远程故 障诊断系统具有以下特点 1 资源协作性。诊断 系统 中可以有多个诊断 资源共同为一个设备协作进行故障诊断。 2 多设备适应性。能够快速地重 构出相应 的 符合实际需要的诊断系统 ， 比较方便地为不 同类型、 不同地域的设备提供故障诊断服务。 1 ． 2 远程设备诊断技术定义 集成传统的故 障诊断技术与网络技术 、 计算机 技术和现代通信技术 的特点， 远程设备故障诊 断技 术的概念是指在工业现场的设备发生故障征兆或发 生故障 ， 现场的维护人员或故障诊 断系统对其不能 作出诊断时 ， 通过与远端故障诊断中心建立连接， 由 远端诊断中心的领域专家、 故障诊断系统或者其他 先进故障诊断技术及时对其进行的诊断， 并给出诊 断结果。 2 基于 S 7 3 0 0 P L C的远程监控与诊 断系 统的构成 2 ． 1 远程故障诊断系统原理 远程故障诊断系统原理如图 1 所示 。 图 1 远程故障诊断系统原理图 一 方面， 远程故障诊断系统将根据现场具体设 备 的请求 ， 通过设备通信接 口与设备进行交互 ， 将设 备 的故障状况传输到故 障诊断协作平 台， 同时系统 会将诊断结果反馈给设备， 即通过设备通信接口的 适配实现多设备适应性。另一方面， 诊断 系统可以 根据获取的故障症状的类型， 通过资源通信接口调 用多个不同的远程资源共 同为设备提供服务 ， 并且 协调资源之间的关系， 即通过诊断资源的调度实现 多资源的协作。 2 ． 2 基于 s 7 3 0 0 P L C的远程监控与诊断 系统的 构成 针对 实训 场所普通 系统数控化远 程诊断的需 求 ， 该系统采用深圳市赛远 自动化系统有 限公司推 出的最新产品 ， 可 以支持具有 以太网接 口或者 串口 的 P L C， 人机界面 H MI 以及其他控制系统的远程在 线上下载程序和诊断、 维护。系统网络如图2所示 。 该 网络通过远程 网络通信来实现 P L C与远程微 机 的异地通信 ， P L C的监控数据发送 给异地微机的同 时， 工程师根据 P L C的状态数据进行分析 与诊断 ， 其 中， P L C是通过 以太 网接 入 网络 ， 然 后通过 P L C 建立与上位机的数据传输路线。 图 2远程监控与诊断系统网络 根据赛远公 司提供 的远程监控与诊 断系统 网 络 ， 结合现场状况 ， 设计了图 3 所示的故障诊断系统 构成 图。 在图 3的远程监控与诊断系统中， 远程诊断管 理中心与现场设备 之间选用 3 G网络 ， 现场设备之 间通信通过以太网来实现。主要包括以下几部分 一 是机床状态监测 和故障预 处理终端 ， 主要通过基 于 s 73 0 0 P L C为核心的机床控制系统完成机床现 场的状态监测和故障预处理功能 ， 安置在机床上； 二 是远程故障诊断中心 ， 主要实现专家系统故障分析 和诊断的功能 ， 安置在企业设备生产厂家 的服务器 上或实训车间维修教研室 。系统硬件配置清单如表 1所示 2 0 1 5年第 2期 工业仪表与 自动化装置 5 1 图3 远程监控与诊断系统构成图 表 1 远程监控与诊 断系统硬 件配置清单 序号 名称 型号 数量 地点 1 工业远程安全通信模块S Y R S C M3 0 2 1 由 2 组态软件 Wi n C C 7 ． 0 1 ． 3 工控机 I P C 1 4 实时视频软件存储系统开发 S Y 1 芏 5 工业远程安全通信模块S Y R S C M3 0 2 1 亡 6 视频摄像头 s YC MR 1 7 工控机 I P C 1 8 组态软 件 Wi n C C 7 ． 0 1 9 数控化改造的铣床 WX 6 0 3 2 3 功 网络通信 序号 名称 型号 数量 1 网络中继设备 K 。 r e i 3 每 8 0 m增加一个 2 六类 网线 m 2 0 0 系统中关键设备功能 1 远程监测与诊断对象 系统中远程监测与诊断对象为分布在实训车间 需要改造的 3台铣床 ， 每台普通铣床均进行 了基于 s 73 0 0 P L C的改造 ， 通过 配 置工 业 实时 以太 网 C P 4 3 0通信卡 完成主 3台设备的通信。 2 摄像头 分配 I P后 ， 通过以太网接 口连接到远程通信模 块 ， 对现场进行远程监视 。 3 远程通信模块 远程安全通信模块采用 S YR S C M3 0 0 。该模 块具有交换 、 路 由、 防火墙 、 安全 网关和 V L A N等功 能 ， 用于建立 s 73 0 0 P L C 、 摄像头等设备 与远程主 机之间的虚拟专用局域网络 V L A N 通道。 4 3 G接入模块 采用 S Y一3 G路由器 ， 具有通过 3 G上网、 路 由、 V L A N等功能。 3 基于 s 7 3 0 0 P LC的远程监控与诊断系 统的实现 3 ． 1 远程监控与网络诊断系统的实现 该系统选用的深圳赛远产品实现远程设备监控 与诊断， 诊断中心管理计算机和机床设备的P L C之 间， 若处于同一个局域网内， 采用标准的数据交换设 备 即可实现同网段的通信 。而如果 由于处于不 同的 地点和网络 ， 则需通过特殊的加密通信协议 ， 将这两 个不同地点的设备进行连接 ， 实现虚拟专 用局域 网 络 V L AN 通道 。 考虑到 网络通信 的协议安全 、 协议支持和实时 通信的要求 ， 系统采用 I P s e c协议 ， 按照图4流程进 行 I P V L A N的构建 。 硬 件准 备 磊 备 、 配 置 P L C 的 I P及 D NS 配置摄像头的 I P及 D N S 域名动态解析申请 配置远程通信模块的 I P网段 及 D NS 、动态域名解析 P L C、摄像头通过 I n t e me t 网 3 G路由接入设备配置 I P及 D NS 管理计算机设备配置 I P及 D N S 管理计算机通过 I n t e me t 上网 管理计算机建立和 P L C的 连接，进行在线诊断 图4 搭建在线远程诊断系统流程 对于数据的安全方面 ， 赛远的网络加密技术 ， 遵 5 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 5年第 2期 循 了国际标准， 并加入了具有赛远特色的加密方式 ， 在两端的网络安全通信模块中加入了 S l i n k安全 协议连接密钥 ， 这是一个私钥 ， 1 2 8位加密 ， 对 于网 络的安全来说 ， 具有稳定 、 可靠和安全。 在线远程诊断系统分别从客户端和诊断 中心服 务器端两方面着手进行组态 ， 组态主要在 I P C上 ， 通 过将默认恢 复出厂 S Y一3 G的模块 用 网线接 到电 脑 ， 打开 I E浏 览器 ， 输 入 h t t p ／ ／ 1 9 2 ． 1 6 8 ． 0 ． 2 5 4 会立即调用相应 的故障组织块 O B， 是最基本的获取 基本故障信息的方法， 也是快速获取故障信息的方 式 ， 同时也可以配合诊断功能块进行详细的故 障诊 断。其中， O B 8 2为诊断中断组织块， 相关 的诊断报 警例如 “ D O模板 的 D O信号断线 ” 会使 P L C调用 O B 8 2 ； O B 8 6为机架故 障组织块 ， 当扩展机架丢失 ， 分布式 I ／ O掉站时， P L C会调用 O B 8 6 。O B 1 2 2属于 同步故障中断 ， 由 I ／ O访 问故障来启动。 账 a d m in 8 8 8 8 8 8 ， 在图5所示的 4 总结 网页中进行 I P及 D N S配置。 。 ～一 } 誊 }； } 州 t 黼蠢赫 一⋯⋯ ⋯ 蛳 ～穗 饕鬻 譬麟 甜 l l 繁 0 I 篓 鬣 麓 图 5 在线诊断系统 网页配置 四面 3 ． 2 基于 s 7 3 0 0 P L C的远程监控与诊断系统的 软件实现 实训车间的制造设备有很多运动过程， 如齿轮 交换、 刀具交换、 刀头交换等 ， 常常是有很强 的时序 性 的， 即先做什么、 后做什么， 前面的动作没完成 ， 后 面的动作就不能进行 ， 这里就有很多联锁、 禁止的逻 辑关系， 其控制过程是 由一组有序的指令来完成的， 这些有序的指令无疑就带来了设备运行状态的动态 变化。故该系统采用了基于 s 73 0 0 P L C的逻辑控 制动作的故障诊断模型， 以 S t e p 7 V 5 ． 5软件为开发 环境， 设计设备运行和故障诊断程序， 对于 P L C本 身的故障情况主要依靠该软件的O B 8 X组织块来实 现 ， 因为 O B 8 X是 S I MA T I C P L C判 断发生故 障时， 系统采用先进的远程测控技术和故障检测、 分析、 处理技术， 结合数控机床状态监测和故障诊断的特点， 较好地实现了对全机床运行状态或故障状态的远程监 i 贝 0 ， 可以有效地提高设备利用率， 减少维护和服务费 用， 具有良好的应用前景。目前， 系统 已经通过测试。 该系统的测试成功必将为制造业提供更多的选择， 为 类似的设备远程监控与诊断提供一定的借鉴。 参考文献 [ 1 ] 楼佩煌 ， 戴勇． 基于I n t e me t 的远程故障诊断与维修向导 系统研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 X 2 ， 1 3 2 1 4 3 1 4 6 ． [ 2 ] 关惠玲， 韩捷． 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