基于PLC的遠程設備故障診斷方法研究

周 律，吳 德，查 亮，林 靈

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

隨著控制技術、計算機通訊技術和網絡技術的飛速發展，基于這幾個技術融合建立的遠程故障診斷與維護系統，以其獨有的特點成為了故障診斷行業發展的必然趨勢。采用遠程故障診斷對于制造商和設備使用企業都有著明顯的好處，既可為設備制造商減少維護費用、降低職工的勞動強度、提高維修效率；又可為設備使用者減少誤工時間、利于控制生產計劃。

本文應用的遠程故障診斷與維護技術，是指將PLC作為遠程現場設備終端信息參數的采集工具，將PLC遠程通信模塊作為數據的傳輸工具，基于先進的3G無線通信網絡技術，對該數據進行數字化、可視化的處理，然后運用數據解決設備故障診斷和維護的問題。實現這一技術的關鍵有兩部分：一部分是基于網絡的無線數據通訊，要解決數據傳輸的協議解析問題，是技術的基礎；第二部分是故障診斷的分析方法或者說是解決方案是如何提出的［1］，即在故障診斷時，對獲得的數據如何進行處理和分析，然后根據何種方法獲得合理的解決方案。

本文內容即針對第二部分的技術關鍵，提出了基于三種故障分析方式——“專家診斷數據庫”、“PLC軟元件邏輯尋根法”和“虛擬樣機輔助診斷”的有機結合的遠程故障診斷法。這三種方式依次遞進、不相沖突，有效地解決了故障的分析診斷問題。

1 遠程故障診斷法的結構

遠程故障診斷法是循序漸進的，診斷系統接收到遠程PLC數據后，經過處理，首先與專家診斷數據庫中對應的正常范圍或正常值進行比較。如果在正常范圍內，該路徑退出。如果不在正常值范圍內，先報警，然后查詢專家診斷數據庫中的維修記錄，找到相關的維修歷史記錄提供給維護人員。如果查詢不到相關記錄，就運用軟元件邏輯尋根法對故障進行查詢［2］。虛擬樣機輔助診斷是對軟元件邏輯尋根法的一個輔助，它可以使維護人員更直觀的參與到設備的故障診斷，大大有助于問題的解決。遠程故障診斷法的邏輯圖如圖1所示。

2 專家診斷數據庫

專家診斷數據庫是將以往成功的維修記錄采集起來，通過建立起“故障信息——故障原因、位置——維護方法”間的數據關系［3］，進而實現對遠程數據的分析、診斷和處理，以達到遠程故障診斷與維護的目的。它匯聚了維護工程師的集體智慧，為順利進行設備故障的診斷提供了理論和經驗上的依據。

圖1 遠程故障診斷法邏輯圖

在故障診斷中，將采集處理后的數據首先與數據庫中正常范圍的數據進行比較。例如，印刷項目中，“進紙正常”在PLC中對應的軟元件編號是“M880”，假定“M880”的正常值是“1”。獲得“M880”的值是“0”，將該值與數據庫中“M880”的常態值比較。結果發現常態值“1”與實際值“0”不相等，此時報警的同時在數據庫中查找歷史診斷記錄，如果有故障記錄則呈現給維護人員，輔助其查找異常原因。

“印刷”項目中為實現遠程設備運行安全和維護這一需求，以專家診斷數據庫為基礎，結合用戶權限管理、設備信息管理和維修報告管理這另外三個數據管理服務，構建了系統數據庫。選用 Microsoft SQL server作為管理工具，使用Microsoft visual studio作為系統程序的開發平臺，選擇c#.NET作為程序開發語言所構建的，具體實現了人員信息管理、設備信息管理、專家診斷經驗匯聚、設備維護經驗數據積累這四項功能。

系統數據庫登錄界面將所有能夠登錄的用戶分為四類：總工程師、銷售工程師、技術工程師和系統管理員。

在網絡連接區域內，選定“用戶名稱”、“設備型號”、“設備編號”之后，點擊“連接”，就可以建立同該設備PLC的通訊。

在操作PLC區域可以選擇操作的類別，如圖2，系統提供了“查看參數”和“修改參數”兩種選擇。“查看參數”是讀印刷機PLC數據的過程，“修改參數”是設置PLC數據的過程。在操作PLC區域，還可以選擇操作指令，選擇操作指令是選擇讀取相應單元對應的部件狀態，如圖3，通過點擊下拉按鈕，可以選擇對印刷設備不同部件狀態進行讀取。

圖2 數據庫登錄操作界面一

圖3 數據庫登錄操作界面二

建立了同遠程終端設備——印刷機PLC之間的通訊連接后，點擊“印速”標簽就進入設備監控界面，其中，各個項目的內容均是實時的，遠程PLC內部的數據即遠程設備的實時運行狀態參數，點擊“故障”標簽，就進入實時故障界面［8］。

3 軟元件邏輯尋根法

將采集到的實際數據與正常數據比較后，報警軟元件的代號會與數據庫中的歷史維修記錄比對，若有匹配的記錄，則可以直接查詢維修記錄，即使用專家診斷數據庫。對于沒有匹配記錄的情況就需要用到軟元件邏輯尋根法［6］。

基于這種關聯性，提出軟元件邏輯尋根法。即在對遠程機械設備進行故障診斷時，實時讀取寄存器的數據是最直接有效的方法。縱向上看，從假設故障點開始選定三個與該軟元件設備有直接關系的軟元件設備，然后訪問這三個軟元件設備的值，并判斷該值是否正常。若正常尋找別的假設點，若三個相關聯的點有不正常的點，查詢專家診斷數據庫，看是否有解決方案，如果這個不正常點不足以提供更多的數據信息，那么再在這個不正常點的基礎上再找出三個相關的軟元件設備，依次循環下去，但最多不超過三個級別。圖4在結構上描述了應該注意的事項，為查找與出錯軟件設備相關的軟元件設備，每一個軟元件設備的相關軟元件設備不超過五個。首先，要在PLC程序中，找出各個關鍵點或監控點的與其有直接關系的軟元件設備。再次，將找到的關系放入數據庫中，并建立一定的聯系，使維護人員容易查找。最后，對于出錯的軟元件設備逐次逐個去查找與其有關系的軟元件設備的值，有異常值就去追究原因，改正或者提出可行的解決方案，提供給遠程設備用戶。

圖4 邏輯尋根法結構圖

4 虛擬樣機輔助診斷

利用前兩種方法可以基本實現遠程故障診斷，但由于維護人員不能夠真實的看到設備的工作環境，不知道現場設備的內部運行狀況，所以在進行設備檢修時容易忽略掉某些關鍵的機構關系，特別是對經驗較少的維護人員。因此，提出虛擬樣機輔助法來解決這個難題［4］。利用虛擬樣機輔助法可以實施驅動虛擬樣機設備，使遠程維護人員直觀的看到設備的內部運行狀況、理清機械設備內部的機構關系、而且能夠大大節省工作人員的勞動強度，提高工作效率。

4.1 虛擬設備樣機的建立

虛擬設備樣機是實現虛擬設備運行的基礎，該方法中所需要的虛擬樣機不同于傳統的虛擬樣機，傳統的虛擬樣機由于多用于設計階段或制造仿真，對模型的細節等各方面要求較高，且模型屬于靜態模型，不能夠通過外部數據進行驅動實現相應的動作。本方法中需要的虛擬設備樣機建模過程如圖5。

同時，在虛擬設備建模時應該注意這幾個問題：

（1）構建虛擬幾何模型時，要注意模型的命名。虛擬設備最終運動的實現，是通過高級語音或者虛擬交互語言編程控制的，為了便于程序語言的編寫，需要對模型的命名進行規范，一般采用有層次的命名方式，并對模型的相關信息進行管理。例如圖6：YSJ＿YSZZ＿YSguntong01（印刷滾筒）

（2）對模型簡化處理時，要注意簡化得當。

（3）為了增加模型的真實感，需要對零件進行貼圖處理。

（4）模型的定位與裝配，應遵循實際零部件的相對位置關系。

4.2 虛擬設備樣機的動作控制

在進行虛擬設備的動作控制時，同現實中一樣，也是通過對虛擬設備的若干個運動單元的控制來實現的。因此要實現虛擬設備的動作控制時就要先討論虛擬設備動作單元的動作控制。

圖5 虛擬設備樣機的建模流程

圖6 模型命名方式

（1）虛擬設備的動作單元

對于一臺現實世界里的機械設備來說，組成設備的基本單元是設備的零部件，整個設備的運行，是各零部件協調運動的結果。對于一臺虛擬的運行設備而言也是一樣的，虛擬設備各零部件的協調動作，構成了虛擬設備的動作單元。

（2）動作單元在VRML中的描述

不同運動單元的協調運動構成了設備的運行，那么要將實際的設備搬到虛擬空間VRML（Virtual Reality Modeling Language）中，這些運動單元應該如何被描述：在VRML中描述一個動作單元的控制需要涉及到屬性節點、動作描述節點和事件路由三個要素。

a.屬性節點。屬性節點主要是指虛擬場景中對象外觀、形狀、位置等參數的描述。通過改變這些參數，可以實現對象的動作描述，以膠印機滾刀屬性節點的描述舉例如下：

b.動作控制描述節點。動作單元設計中動作控制的描述通過以下兩種方法實現：一種是通過VRML提供的內部感應器與內插器，定義簡單動作的控制描述；另一種是通過Script腳本節點編寫程序腳本，定義復雜動作控制的描述，語法結構如下：

利用程序腳本和Script節點，編寫與動作單元相適應的感應器和內插器，就可以創建動作節點，用于虛擬場景中復雜動作的描述。

c.事件路由

一個虛擬對象即使構建了屬性節點和動作控制描述節點，其在虛擬空間仍然是靜止的，要讓虛擬對象按照虛擬動作的設定來進行動作，就需要構造VRML的綁定指令，通過事件路由來控制其動作。VRML綁定包括：綁定在一起的一對節點，以及兩個節點間的綁定路由。路由ROUTE的語言結構如下：

ROUTE mouseclick.touchTime TO changecol－or.clicked

ROUTE hangecolor.color TO xx.diffuseColor

以上ROUTE語句表示用鼠標點擊事件發出“changecolor”的點擊事件，然后“changecolor”顏色的改變值傳給xx節點中diffuseColor的屬性值，最終使得xx節點的顏色改變。對于一個虛擬設備的事件路由控制如圖7。

針對動作單元的動作，使用VRML提供的內部感知器與插補器進行動作描述，與時間傳感器相結合，通過腳本節點的定義接收事件控制信號，將事件控制信號的參數變量，經路由到時間感知器的事件，再經過插補器的動作描述，最終經路由到屬性節點，控制屬性節點屬性的變化，進而實現動作單元的動作。

圖7 事件路由控制過程

4.3 虛擬設備實時驅動的實現

這里所說的虛擬設備實時驅動包括兩種驅動：

第一種是監控中心接收到遠程設備的數據，然后通過數據的解析，獲取能夠反映設備運行的相關參數，例如電動機的轉速等，以驅動虛擬設備的運動。第二種是當設備發生故障，通過遠程故障診斷能夠快速鎖定故障發生的位置，并能夠實時驅動顯示虛擬設備的故障位置，實現故障定位［9］。

（1）虛擬設備運行控制

對于以PLC為控制核心的機械設備來說，能夠反映其運行狀況的參數為關鍵控制部位的參數，如電機的轉速、編碼器的值等，都能直接或間接地反映設備的實際運行情況［5］。但需要了解的是，從遠程設備不可能得到虛擬設備所有運動單元所需的數據，實際上得到的實時數據是有限的。為準確的反映設備的運行情況，這就需要研究設備的客觀規律，即實時驅動數據到虛擬設備運行間的映射關系。以一臺PLC控制的印刷機為例，能反映該印刷機水輥運行情況的參數有：水輥的轉速，在X、Y上的進給速度。從PLC上直接獲取的數據參數有水輥的轉速，X、Y方向伺服電機的轉速。這里面存在著映射關系：

a.機床的轉速＝水輥電機的轉速×傳動比

b.X方向的進給速度＝X方向電機轉速×傳動比×系數

c.Y方向的進給速度＝Y方向電機轉速×傳動比×系數

通過以上三個關系，只要獲取了PLC內部的相關參數，就能夠反映出該設備當前的運行狀況。在VRML虛擬環境下，通過事件路由的思想，將參數信息傳遞給虛擬設備單元，控制單元節點的屬性變化，從而實現虛擬設備的運動。

（2）虛擬設備故障位置的定位

在虛擬遠程故障診斷與維護中，對于一臺發生故障的機械設備，要求在進行故障分析的同時，也能夠快速定位到故障發生的位置，并能在虛擬設備上顯示出來，并用不同的顏色區別出來［7］。由于通過結合專家診斷數據庫和軟元件邏輯尋根法，可以知道故障位置虛擬設備節點的名稱，根據這一對應關系，設置一個新的路由，通過路由改變節點的顏色屬性值就可以了。圖8即為“印刷”項目中故障點的定位。

圖8 故障節點顯示

以下的程序定義了ColorInterpolator插補器，還定義了TimeSensor時間傳感器，并設置了有效的路由路徑，該段程序代碼的功能是實現設備顏色的閃爍。在進行故障位置定位時，只需經鎖定故障位置節點名稱后，執行該段代碼。其中“guadao”是假設故障位置節點的名稱，可以換掉。通過以上步驟即可為遠程故障診斷系統搭建一個虛擬運行平臺，在故障診斷的同時利用虛擬設備反映遠程終端設備當前的運行狀況，并且在系統檢測到故障點時，實時在虛擬設備上顯示［10］。

5 總 結

通過對遠程設備故障診斷方法的研究，列舉遠程故障診斷方法在實際項目中的應用實例，對提出的三種故障診斷方法進行了詳細的論述，并給出三種方法結合使用的邏輯結構，最終證明其正確性和可行性，可以應用于相關的工程項目。

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