1 引言

    在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中以可編程序控制器(PLC)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。PLC可靠性高.一般用于現(xiàn)場(chǎng)輸入輸出邏輯控制;IPC軟硬件資源豐富，一般用于工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理。隨著控制規(guī)模的擴(kuò)大，自動(dòng)化復(fù)雜程度的提高，控制系統(tǒng)的故障率也在增加，故障對(duì)生產(chǎn)影響的程度更是大幅度上升。通常控制系統(tǒng)因故障停機(jī)的時(shí)間80%以上用于故障診斷，可實(shí)際維修只占用不到30%的時(shí)間。因此在故障發(fā)生時(shí)準(zhǔn)確迅速地進(jìn)行故障診斷，以便及時(shí)排除故障顯得尤為重要。

    PLC控制系統(tǒng)的故障診斷方法很多，目前，大多數(shù)的故障診斷專家系統(tǒng)是讀取PLC的I/O及各種中間狀態(tài)的信息，進(jìn)行故障推理和診斷。然而，僅僅使用PLC進(jìn)行故障診斷存在故障提示信息不夠詳細(xì)、人機(jī)界面不夠友好、診斷系統(tǒng)靈活性不足等缺點(diǎn)。本文以汽車底漆生產(chǎn)線控制診斷系統(tǒng)為例，利用已有的軟硬件資源，探討將PLC和組態(tài)軟件相結(jié)合的故障診斷方法。診斷系統(tǒng)充分利用PLC的邏輯運(yùn)算功能和強(qiáng)大的I/O能力，結(jié)合PLC內(nèi)各種控制狀態(tài)信息，進(jìn)行控制系統(tǒng)故障診斷，用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)友好的人機(jī)界面提供詳細(xì)的故障信息以及相應(yīng)的對(duì)策。

2 基于PLC程序的故障診斷

    2.1 邏輯故障診斷

    PLC控制系統(tǒng)中，一旦控制要求確定后，控制系統(tǒng)的各個(gè)輸入、輸出信號(hào)和輔助寄存器的信號(hào)相互之間存在確定的邏輯關(guān)系。因此，通過(guò)檢測(cè)各狀態(tài)信號(hào)的邏輯關(guān)系，就可以判斷其是否處于故障狀態(tài)。

    圖1為常見(jiàn)邏輯錯(cuò)誤的故障檢測(cè)梯形圖，本又梯形圖都按A-B公司SLC500規(guī)范編制。圖中第一行用來(lái)檢測(cè)某工位前升降機(jī)構(gòu)的工藝上限限位開(kāi)關(guān)(1:1/31)和工藝下限限位開(kāi)關(guān)(1:1/29)失靈造成的故障。若故障檢測(cè)位為B17: 0/0，則診斷原理可以表示為:

    B17:0/0=1:1/29=1:1/31    (1)

    式(1)中“.”表示邏輯與。在正常情況下無(wú)論升降機(jī)構(gòu)是上升還是下降，工藝上限限位開(kāi)關(guān)和工藝下限限位開(kāi)關(guān)的常開(kāi)觸點(diǎn)都不應(yīng)該同時(shí)閉合，即1:1/31和 1:1/29不能同時(shí)為1。若在某時(shí)刻故障檢測(cè)位B 17:0/0則可以判定限位開(kāi)關(guān)出現(xiàn)了故障。

    第二行邏輯用于檢測(cè)系統(tǒng)是否有過(guò)多的輸入。診斷邏輯為

    B17:0/1=1：2/10I1:2/11+I:2/12I:2/13  (2)

    式(2)中“+”表示邏輯或。按要求，在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，方式選擇開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)(I:2/10)和遠(yuǎn)程((1:2/11)只能選擇其中z一，同樣，模式選擇開(kāi)關(guān)手動(dòng)((1:2/12)和自動(dòng)((1:2/13)也只能是其中z-。當(dāng)B17:0/1=1時(shí)，由式(2)可知.此時(shí)1:2/10=1且1:2/11=1或者1:20 2=1且1:2/13=1，說(shuō)明系統(tǒng)有不正確的輸入。

    圖1中的第三行邏輯用于檢測(cè)控制系統(tǒng)的欠輸人故障。按要求，方式選擇開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)(I:2/10)和遠(yuǎn)程(I:2/11)在系統(tǒng)正常的時(shí)候應(yīng)有一個(gè)是閉合的，同時(shí)，模式選擇開(kāi)關(guān)手動(dòng)(I:2/12)和自動(dòng)(I:2/13)也應(yīng)有一個(gè)是閉合的。診斷邏輯可以用式(3)表示為。

    式(3)中上橫線表示邏輯非，對(duì)應(yīng)著梯形圖中的常閉觸點(diǎn)。從式(3)可以看出，當(dāng)I/2/10=1，I/2/12=0，1:2/13=0時(shí)，B17:0/2=1，表明出現(xiàn)了欠輸入故障。式中后三項(xiàng)用于診斷另外三種欠輸人故障。

    上述的邏輯故障中，只要實(shí)時(shí)檢測(cè)圖中輔助寄存器B17:0/0,  B17:O/1和B177:0/2的狀態(tài)，就可以診斷出控制系統(tǒng)是否發(fā)生了邏輯錯(cuò)誤故障。

 2.2 時(shí)間限值故障診斷

    在控制系統(tǒng)的工作循環(huán)過(guò)程中，各個(gè)工序的加工處理都必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，若某個(gè)工序超過(guò)了規(guī)定的時(shí)間而未完成動(dòng)作，工作循環(huán)就無(wú)法轉(zhuǎn)入下一個(gè)工序.控制系統(tǒng)就不能正常工作。因此，可以以這些規(guī)定的時(shí)間為參考，在工序動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器的設(shè)定時(shí)間比規(guī)定動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)30%-40%，如果定時(shí)器有輸出信號(hào)則說(shuō)明已發(fā)生故障。

    圖2為檢測(cè)一個(gè)工序超時(shí)限的故障檢測(cè)電路。工件從4號(hào)工位向5號(hào)工位運(yùn)動(dòng)，正常時(shí)應(yīng)在15s后到達(dá)5號(hào)工位.定時(shí)器T55。設(shè)定值是20s。當(dāng)工件從4號(hào)工位出發(fā)時(shí)，出發(fā)信號(hào)O:2/20為1，同時(shí)5號(hào)工位的到位信號(hào)1:3/23為0，定時(shí)器T55：0開(kāi)始計(jì)時(shí)。若工件在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)5號(hào)工位，到位信號(hào)I:3/23置為!，定時(shí)器被清0，T55：0/DN為0，輔助寄存器B17:I/0無(wú)輸出。反之.若工件沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，輔助寄存器B17:I/0將被置}。根據(jù)B17:I/0的狀態(tài).即可判別該工序是否發(fā)生了超時(shí)故障。

    2.3 初始故障診斷

    控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，各部分的根合性就較強(qiáng)，一旦發(fā)生故障，也可能隨之有多個(gè)故障發(fā)生，如果能找到第一個(gè)故障，則能較快地排除故障。圖3中共有3個(gè)故障輸入分別是3個(gè)電機(jī)的斷相故障輸入信號(hào)I:I/l S, Ia 6和Ia}-toB17:4/0、B17:4/1和B17:4/2是故障檢測(cè)位，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)故障輸入信號(hào)。B17:5/0是故障復(fù)位信號(hào)。

    初始時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)有故障發(fā)生，3個(gè)故障檢測(cè)位均為0。假設(shè)在某個(gè)時(shí)刻第3個(gè)故障發(fā)生了，即I:13/24為1，此時(shí)B17:4/2變?yōu)?，且由于該輸出指令為自鎖指令，使B17:4/d2保持為1，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其他故障檢測(cè)位的互鎖。這樣，即使此時(shí)其他的故障發(fā)生了其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)位也不會(huì)置為1。通過(guò)這種方法，就能從眾多同時(shí)發(fā)生的故障中找到初始故障，提高系統(tǒng)診斷的快速性和準(zhǔn)確性。

    2.4 基于PLC移位指令的多故障診斷

    在PLC控制系統(tǒng)中，很多故障信息是直接將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)作為輸入信號(hào)傳給PLC的。例如電機(jī)斷路器、熱保護(hù)以及液位計(jì)故障等信號(hào)?？梢岳?PC的移位指令，將這類故障信號(hào)進(jìn)行編碼，IPC讀取這些編碼，集中顯示故障信息，同時(shí)，這樣做的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減少了IPC和PLC之間的通信量。

    圖4是診斷原理框圖。圖5為使用PLC移位指令編制多故障診斷梯形圖，限于篇幅，只列出主要部分。梯形圖中定義的移位數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為256位，即B88:0~B88:15。整數(shù)又件N87:0-N87:15是故障檢測(cè)位總共可以區(qū)別256種故障輸入信號(hào)。整數(shù)又件N 100: 26輸出故障的編碼，N87:0記錄移位的次數(shù)。BSR為右移指令，當(dāng)其前面的邏輯為真時(shí)，將所定義的移位數(shù)據(jù)塊向右移一位。ADD,MOV, CiEQ, COP和FLL分別為加、移動(dòng)、大于或等于比較、又件復(fù)制和位填充指令。

    只要故障復(fù)位沒(méi)有按下，即B3:0/h為0, R86:0/UL始終為1，移位指令不再執(zhí)行，N 100:26的值不變。當(dāng)故障復(fù)位按鈕按下時(shí)，BSR指令執(zhí)行，R86: 0/UL為0,N100:26被清0，F(xiàn)LE指令將N87:0~N87:15全部置為0。

    從上述的分析可以看出.只要IPC讀取PLC的數(shù)據(jù)又件N100:26的數(shù)據(jù)，就可得到相應(yīng)的故障編號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)故障的診斷。

3 故障的報(bào)警與顯示

    當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)PLC診斷程序使相應(yīng)的故障檢測(cè)位狀態(tài)發(fā)生變化，運(yùn)行于IPC上的組態(tài)軟件就可根據(jù)這些故障檢測(cè)位的狀態(tài)進(jìn)行故障報(bào)警與顯示了。本文的例子中，IPC通過(guò)Rockwell公司的1784KTX通信模塊與PLC通信，協(xié)議采用DH+,組態(tài)軟件為RSView32。組態(tài)軟件RSVicw32自身也提供報(bào)警功能.但提供的故障信息有限。為此，本文結(jié)合RSVicw32的報(bào)警功能，為每個(gè)可能出現(xiàn)的故障建立一個(gè)顯示界面。在該界面上，向用戶提供對(duì)應(yīng)的故障報(bào)警的信息，給出可能的故障原因。

    有了故障顯示界面后，還必須使該界面能在故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)出現(xiàn)在屏幕上以便及時(shí)提醒用戶。利用RSVicw32提供的事件功能可以滿足這一要求。在RSVicw32中，事件是能觸發(fā)命令或宏的表達(dá)式。一個(gè)事件由表達(dá)式和命令構(gòu)成，當(dāng)表達(dá)式的值為邏輯真時(shí)，就會(huì)觸發(fā)命令的執(zhí)行。本例中表達(dá)式用來(lái)判斷是否有故障發(fā)生，而命令用來(lái)顯示故障顯示界面。

    以圖2中的診斷邏輯為例，先使用事件編輯器為該故障創(chuàng)建一個(gè)事件。在表達(dá)式欄輸入表達(dá)式“L3171/0==1用來(lái)判斷故障是否發(fā)生，在命令行輸入“displaydiagnosis-into"，用來(lái)顯示故障顯示界面。其中display"是顯示命令."diagnosis-inib”是故障顯示界面的文件名。

    圖2的診斷邏輯中，當(dāng)工件超過(guò)規(guī)定的到達(dá)時(shí)間時(shí)，故障檢測(cè)位B17：1/0=1。此時(shí)事件表達(dá)式“B17：1/0==1”的值為邏輯真，就會(huì)觸發(fā)顯示命令的執(zhí)行，顯示該故障信息顯示界面，如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本又根據(jù)汽車底漆生產(chǎn)線的實(shí)際情況，綜合應(yīng)用了幾種PLC的故障診斷方法，將PLC故障診斷與組態(tài)軟件相結(jié)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了故障診斷的快速和準(zhǔn)確.提供了友好的故障顯示界面。此外.在使用的過(guò)程中，用戶還可以根據(jù)需要，方便地修改故障提示信息以及產(chǎn)生故障的原因，使診斷系統(tǒng)具有較好的靈活性。