基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)

毛行星++唐少臣++韓屹威

摘要：隨著電機設(shè)備的自動化程度越來越高，出現(xiàn)故障的種類也呈現(xiàn)出多元化的趨勢，PLC可以很好的對電機故障進行診斷和分析。本文對如何構(gòu)建以PLC控制網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的電機設(shè)備故障診斷系統(tǒng)進行了深入的研究，為電機設(shè)備遠程故障的診斷控制進行了有益的嘗試。利用PLC電機故障診斷控制系統(tǒng)，進行快速故障診斷，為整個系統(tǒng)的錯誤控制和后期維修提供了明確方向。

關(guān)鍵詞：PLC；故障診斷；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TM307+.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0024-02

可編程邏輯控制器（PLC）廣泛的應(yīng)用于電機設(shè)備的控制系統(tǒng)中，這種邏輯控制技術(shù)集計算機微機、自動化以及通信技術(shù)為一體的現(xiàn)代工業(yè)電機設(shè)備控制技術(shù)。計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以實現(xiàn)電機設(shè)備的遠程控制[1-2]。電機系統(tǒng)的故障診斷主要建立在基于PLC和上位機的計算機系統(tǒng)之上。PLC在電機的故障診斷系統(tǒng)中的主要功能就是完成故障信號的處理、預(yù)處理、將信息轉(zhuǎn)化存儲為數(shù)字信號，從而順利完成故障特征的判斷到專家系統(tǒng)給出完善的排除故障的建議。

1 PLC控制電機設(shè)備的基本原理

有的學(xué)者認(rèn)為在進行電機故障診斷的同時，必須對系統(tǒng)可能發(fā)生的故障進行層次化管理，然后利用這種層次結(jié)構(gòu)進行故障的診斷。在引入電機故障的過程中應(yīng)該要注意將引起故障的檢測點寫入PLC程序之中。所以應(yīng)該在診斷系統(tǒng)允許的前提下，更多的將故障信息寫入PLC控制程序中，從而可以提供自動故障診斷服務(wù)。目前通常使用的方法為數(shù)據(jù)推理法和診斷模型法[3]。對于數(shù)據(jù)推理法而言，通過對輸入信號然后與數(shù)據(jù)庫的信息進行對比，判斷電機設(shè)備運轉(zhuǎn)是否在正常的狀態(tài)。其次，診斷模型法通過對電機設(shè)備輸入和輸出信號進行對比，發(fā)現(xiàn)內(nèi)在關(guān)系式，從而實現(xiàn)錯誤故障的判斷。

2 PLC遠程控制診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法

2.1 PLC故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)成及故障診斷過程

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。

在實際電機設(shè)備運行的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)模擬量的故障。對于此類故障應(yīng)該，首先利用電機故障診斷系統(tǒng)中的模擬量模塊，收到電流變速器的模擬信號，然后將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后與系統(tǒng)中的極限值進行對比，判斷其是否處于正常狀態(tài)。

2.2 以PLC網(wǎng)絡(luò)控制為基礎(chǔ)的電機設(shè)備遠程診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析

隨著電機PLC控制系統(tǒng)的自動化不斷提高，尤其在電機控制比較重要的領(lǐng)域，除了要實現(xiàn)電機運行的動態(tài)監(jiān)測意外，還應(yīng)該對電機的傳感器本身以及PLC的自身正常運行進行監(jiān)測，并對故障進行分級處理。所以一個典型的電機故障處理系統(tǒng)主要包括以下幾個步驟：（1）對電機運行狀態(tài)的檢測；（2）對傳感器本身的狀態(tài)檢測；（3）PLC自身故障分析；（4）傳感器發(fā)送與接收信號的穩(wěn)定性；（5）故障信息的存儲與相關(guān)信息的查閱；（6）電機調(diào)試與維護功能的相關(guān)技術(shù)支持；（7）對存在的故障進行分級處理。如何實現(xiàn)PLC在電機控制過程中的故障診斷和分級處理，從而提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。其次，PLC遠程診斷系統(tǒng)的三個技術(shù)節(jié)點為軟件和硬件方面。在軟件控制方面，ASP動態(tài)數(shù)據(jù)庫技術(shù)的程序編寫相對比較容易，不需要人工語言的二次編譯，其次可實現(xiàn)在網(wǎng)站上的直接訪問，實現(xiàn)了對電機診斷故障系統(tǒng)的專家數(shù)據(jù)庫訪問，十分簡便；尤其在數(shù)據(jù)的傳輸方面，可以實現(xiàn)每臺電機設(shè)備運行的實際數(shù)據(jù)和故障診斷情況，包括一些壓力信號、電流信號以及電機轉(zhuǎn)速信號，從而能夠很好的建立起故障與客戶需求之間的關(guān)系，從而實現(xiàn)對設(shè)備進行很好的維修[3]。最后在數(shù)據(jù)庫的硬件診斷方面，可以實現(xiàn)電子工藝材料方面的信息收集，比如電機轉(zhuǎn)子的疲勞服役壽命和現(xiàn)在的實際工況，材料在高速轉(zhuǎn)動過程中的強度是如何控制的，及時的對各項材料的基本疲勞壽命進行預(yù)測，從而給予很好的材料使用壽命評價，使得電機的各項材料及時的發(fā)現(xiàn)疲勞損傷，然后進行更換。

2.3 PLC電機設(shè)備故障遠程診斷模塊分析

PLC控制的電機在實際運行的過程中，運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸模塊是該系統(tǒng)軟件構(gòu)成的重要組成部分。PLC的功能要實現(xiàn)動態(tài)的數(shù)據(jù)采集和存儲，并通過上機位發(fā)給專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)很好的數(shù)據(jù)連接和分析。在專家?guī)斓臄?shù)據(jù)分析模塊中，經(jīng)常采用的分析方法包括了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法，時間序列分析法，數(shù)據(jù)庫語言的編寫以C++語言為主，都可以獨立的生成DLL文件模式，廣泛的讀寫性保證了PLC控制電機的靈活性，能夠滿足日益復(fù)雜的使用環(huán)境和要求。可以根據(jù)實際情況來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)部模塊的組合，從而滿足電機設(shè)備故障診斷的需要。其次，在診斷中心數(shù)據(jù)庫方面，通過對電機設(shè)備診斷所得到的數(shù)據(jù)信息及其采集流程的分析，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)故障的實際情況反饋給電機設(shè)備制造商，找出其中問題的關(guān)鍵所在。

2.4 專家系統(tǒng)故障分析模塊

在傳統(tǒng)的故障信息專家系統(tǒng)中，由專業(yè)知識和推理機構(gòu)組成的專家系統(tǒng)，存在著搜索空間大，使用效率低的特點。在知識對象推理的過程中，內(nèi)部對專家系統(tǒng)和解釋器進行了封裝，這樣就實現(xiàn)了在對象內(nèi)部的推理過程，大大提高了工作效率。根據(jù)故障診斷系統(tǒng)的實際運行情況，知識節(jié)點轉(zhuǎn)化為故障節(jié)點。該系統(tǒng)的故障節(jié)點為最小單位，診斷信息在不同的故障節(jié)點之間進行傳遞，并最終確定引起故障的原因。在系統(tǒng)故障的軟件測試部分，對象類型表示該故障節(jié)點在推理過程中的作用，主要可以分為根節(jié)點、葉節(jié)點和相對應(yīng)的推理節(jié)點。目前推理節(jié)點是故障診斷最為集中的節(jié)點，為推理過程提供的相關(guān)的技術(shù)信息，并對該節(jié)點是否存在故障進行判斷，并結(jié)合檢測節(jié)點提供的信息進行相關(guān)故障推理，找出出現(xiàn)問題的具體原因。

以PLC為基礎(chǔ)的機電設(shè)備故障檢測系統(tǒng)是典型的人機對話系統(tǒng)，是一種基于智能化的檢測系統(tǒng)。其中系統(tǒng)的輸入模塊主要包括了機電信號檢測系統(tǒng)、控制指令系統(tǒng)和專家系統(tǒng)。PLC信息處理模塊要求能夠?qū)崿F(xiàn)故障信息系統(tǒng)的提取和分析，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的指令代碼。專家知識系統(tǒng)是整理和系統(tǒng)協(xié)作專家完成。控制模塊是PLC系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)系統(tǒng)提供的控制指令和專家知識進行人機界面的交互工作，從而實現(xiàn)故障的定位和處理，采用PLC的故障處理系統(tǒng)有助于實現(xiàn)自動化。

3 自動化電機的硬件與軟件故障

從轉(zhuǎn)動部件的角度來說，轉(zhuǎn)動部件存在的問題主要包括了電機轉(zhuǎn)子、耦合器、傳動輪的平衡問題。對于這類故障主要包括了電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平衡的問題。當(dāng)遇到大型的傳動輪和耦合器時，應(yīng)該與電機轉(zhuǎn)子單獨分開進行平衡測試。其次，造成不平衡的原因還有機械松動，比如定銷的松動，轉(zhuǎn)子綁扎不緊都會造成不平衡的故障。在電機的機械故障方面，電機轉(zhuǎn)子的聯(lián)動部分不能夠進行很好的對中，定心不明確。另外與電機相連的齒輪軸也會出現(xiàn)相關(guān)的故障。同時電機本身的結(jié)構(gòu)和安裝如果存在問題，也會導(dǎo)致機械方面的故障。在電氣的硬件故障方面，主要體現(xiàn)在電機的電磁機構(gòu)方面，主要包括了交流電機的定子存在接線錯誤的現(xiàn)象，線圈繞組短路，異步電機的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)斷條的現(xiàn)象，另外轉(zhuǎn)子的氣隙不均勻同樣會導(dǎo)致電機的劇烈震動。在PLC軟件控制方面，通常會分為模擬量的故障和各種故障信息的串行通信。上位機與PLC進行通訊的過程中，首先讓PLC發(fā)出操作命令，數(shù)據(jù)的寄存類型和保存地址。PLC上位機計算通過讀取數(shù)值來實現(xiàn)當(dāng)前PLC運行狀況的判斷。具體的PLC通信過程可以操作該區(qū)域的讀寫數(shù)據(jù)進行完成。最后，PLC的編程通用性較強，使用也相對比較方便，抗干擾能力強，目前以PLC為基礎(chǔ)的電機故障診斷系統(tǒng)在電機系統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而且每年保持著10-15%的增長速度快速發(fā)展。在這些故障診斷系統(tǒng)中，通過數(shù)字信號代替模擬信號，從而實現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，另外的現(xiàn)場診斷設(shè)備中，并不需要A/D轉(zhuǎn)換接口，這樣也就減少了外接線的鏈接，提高了設(shè)備的抗干擾能力。

4 結(jié)語

電機自動化程度的不斷提高，以PLC為基礎(chǔ)的故障診斷系統(tǒng)的研究引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，逐漸成為研究熱點。隨著電機轉(zhuǎn)子和定子的工作環(huán)境不斷的變化，PLC控制的電機開始得到廣泛的應(yīng)用，可以很好的對電機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。本文在對國內(nèi)外參考文獻分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者多年的實際工作經(jīng)驗，對以PLC為基礎(chǔ)的電機設(shè)備的遠程故障診斷技術(shù)進行了深入的探究，在闡述PLC控制電機基本原理的基礎(chǔ)上，探討了如何從軟件和硬件的角度進行電機故障的分析；其次對PLC遠程控制診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法進行了深入的探討，希望本文的研究能夠?qū)﹄姍C設(shè)備故障診斷的遠程自動化控制有所幫助。

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