基于PLC的故障诊断及处理

0 引言

　　对工业现场的远程监控、故障诊断技术是近年来研究的一个热点。一般的做法是将现场底层控制器数据通过控制网络(现场总线或工业以太网等)送至信息管理层或远程网络，通过各种智能诊断算法完成诊断任：务。对于那些复杂性很高的疑难故障效果较好，且在很多领域取得较好效果。但统计表明实际中80％以上的故障为一般性故障，在解决常见、多发故障的处理上，尤其在需要快速解决，甚至需要在某些故障状态保证运行时，这种远程的方式缺少灵活性和实时性，现场控制器只是监控设备和生产过程，忽视其在故障诊断及处理中的作用。

　　笔者认为在这方面，远程智能诊断与基于PLC的故障诊断有明显的互补，现场控制器可发挥如下作用：①精确定位故障，避免盲目性；②采取主动措施，硬件冗余的同时，软件充分考虑常见故障，使系统有一定的容错能力，出现某些故障的情况下，避免停车事故，确保系统继续安全可靠的运行；③各类现场控制器紧跟计算机网络技术的发展，朝着大型网络化、智能化方向发展，为故障诊断处理提供平台保障，在此之上可设计出一定智能程度的诊断功能。

1 故障及处理响应的分级

　　根据故障轻重缓急，及响应故障的时间要求，故障可以分为严重故障、一般故障、轻度故障、在组织故障处理功能时，故障的等级应予以考虑。

　　严重故障：可能产生严重后果的故障，包括设备损坏、危机人身安全。要求系统即时响应或立即停机，并向操作人员发出各种报警。如各种压力保护，流程设备的闭锁，机床的刀具破损、碰撞等。

　　一般故障：可能对控制过程产生影响，但不是立即的影响，一段时间后，如故障仍存在，则故障升级。如过程参数不当造成产品质量问题。

　　轻度故障：不直接影响生产的轻度错误或异常。如机器设备磨损及性能下降、环境变化等。

　　PLC依照彭簿的等级，可采用不同的响应方式。

　　中断处理：输人中断，由开关量输入触发CPU执行的中断；间隔定时器中断；高速计数器中断等。中断处理停止控制器主程序的执行过程，对后果严重的突发故障特别有用。

　　正常的程序扫描处理：由于现在PLC的CPU速度很高，大型的程序扫描周期一般也只有几毫秒，所以对于绝大部分故障的处理速度是满足要求的，并可使程序简化。多数的故障处理可放置在正常的扫描过程中。

　　定时或背景处理：高档的PLC中，可以设定定时执行的程序，或背景程序(在正常程序段处理结束后，本扫描周期如有时间，可执行的相对次要程序段，如无时间，则跳过)。对于需要大量计算且非严重故障，可安排在此执行。

2 基于PLC的故障诊断及处理一般规则

　　在PLC控制系统中，控制器本身的可靠性一般较高，故障率很低。一旦出现故障亦能通过自诊断检测并显示出来。绝大部分故障不在PLC设备本身，PLC的外部设备，如输入元件、输出执行元件、被控设备及输入输出信号线路等的故障率很高。当这些故障发生时，PLC不会自动停机，往往在发生故障或事故后才被发现。因此，在系统设计时就应充分考虑可能的故障，并在控制器中做好监视处理工作。

　　2.1 信号级处理

　　数字量处理：将PLC输入位的预期状态值与实际状态值相比较的过程。二者比较的结果一致，表明设备处于正常工况，否则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。模拟量处理：将在相应A／D通道读到的监测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较，超限表明对应输入位的设备部位处于故障工况。判断处理过程一般有一定的延时。

　　下述程序给出设备电机的两种故障判断：接触器返回故障，过载故障。ICJ为运行信号，0QJ为运行命令，CJGZ为接触器返回点故障，AI为互感器测得电机电流，MAX_I为过载电流，I_GZ为电流过载故障。充分考虑可能发生的故障，能够使故障定位准确，可进行实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程，还可将故障诊断融入过程控制，达到保护机电设备的目的。对于暂时无法解决的故障，通过较为准确的定位描述，为上级或远程诊断中心提供可靠的依据，避免人工描述不准确性。

　　2.2 控制策略级处理

　　在软件开发时，通过充分考虑系统可能出现的故障，并设计相应的防范程序，是避免和减少这些故障对系统产生影响的重要措施。除了硬件上的冗余热备外，软件上同样应有后备策略，而且针对PLC外围的故障更有效。

　　PLC可视故障情况，动态地重新构造控制策略，使控制系统在新的临时状态下运行，仍能保证一定的稳定性和控制效果。

　　针对多发故障，提供备用方案，并保证就地手动的有效。如对于产品的质量、设备的运行不构成直接影响的一些控制环节，在传感器发生故障时，以定时方式配合人工干预，生产同样可以短期进行，待故障解除后重新回到正常方式。

3 模糊融合诊断

　　目前复杂控制系统采用了许多较新控制方法：如模糊控制、神经网络控制、专家控制等等，恰好可以相应地开发出配套的高性能故障诊断部分，并与之融为一体。高档PLC都提供了高级语言开发环境，也可实现自行开发的诊断算法。

　　基于信息融合原理的智能故障诊断方法，是通过多路传感器信号进行有效多层面的关联组合及提取，获得对诊断对象故障信息更可靠的认识，从而最大限度地提高对故障的诊断和预知能力。在智能推理中FUZZY技术较为成熟且简单，本文给出基于FUZZY规则的诊断推理过程。

　　3.1 基于FUZZY规则的推理过程

　　在直积空间X*Y=｛(z，，，)｜xX，YY｝上的模糊关系Y=XR是X*Y上的一个模糊子集尺，尺的隶属度函数屁(x，y)表示X中x素省与y中元素Y具有的这种关系的程度。

　　“如果菇是A则y是曰中，如果部分(x is A)被称作前提部分(前项条件)，那么部分(y is B)被称作结论部分。这种模糊推理表示了A与曰的一种关系，A、B都是模糊语言变量，这种关系就是一种特殊的模糊关系，称作模糊蕴含关系，记作AB，它不是普通逻辑中的A→B的推广。当x，y的论域为离散时，模糊蕴含关系R可用相应的矩阵表示。

　　推理过程如下：x 菇is A

　　模糊规则：IF x is A THEN Y is B

　　推理输出：Y is B

　　即：B=A(AB)=AR

　　可将其扩展为具有多条模糊规则、多重条件的推理过程，即第K条规则表示为：

　　Rule(K)：IF x1 is Fx1i And．．．ANDxn is Fnj THEN Y is Bi

　　同样，模糊规则的获取是建立模糊规则推理系统的关键，也是主要的瓶颈所在。一般而言，可以根据来自专家的知识和经验建立模糊规则。如果专家提供的知识和经验充足，建立的模糊规则库就较为完备。

　　在建立模糊规则库后，要将输入信息模糊化，进行模糊推理，此时结构为模糊集，还要进行解模糊处理。

　　3.2 在PLC中的实现

　　上述模糊诊断方法，在Quantum PLC的开发环境Concept软件中利用其类PASCAL语言STL(StatementLanguage)自行开发，对于基于规则的模糊推理，Concept提供了隶属度函数为三角形的各种功能函数，可实现推理过程。其中FUZ;ATERMReal为模糊集定义函数；FUZ_MIN_Real为模糊取小函数；FUZ MAX_REAL为模糊取大函数；DEFUZREAL为解模糊功能；下面给出具体STL实现过程：

　　VAR

　　Symptonl：FUZATERMReal；Sympton2：FUZATERMReal；Sympton3：FUZ_ATERMReal；模糊集定义ENDVAR　　Symptonl(X：=Sympton，S1：=1.36，S2：=1.38，s3：=1.40，S4：=1．42，S5：=1．44)；　　Toolowl：=Symptonl．MDl；Lowl：=Symptonl．MD2；Goodl：=Symptonl．MD3；Highl：=Symptonl．MIM；TooHighl：=Syruptonl．MD5；模糊化输入　　Symptort2,(X：=SymptonC，S1：=-0.01，S2：=0.0，s3：=0.01)；Low2：=Sympton2．MDl；Good2：=Sympton2．MD2；High2：=Sympton2.MD3；　　mydl：=FUZMINReal(INl：=Toolowl，IN2：=bw2)；　　myd2：=FUZMINReal(INl：=Toolowl，IN2：=Good2)；　　mydfl：=FUZMAXREAL(INl：=mydl，IN2：=myd2，IN3：=myd4)；根据推理规则，按照M(^，V)进行模糊推理...　　Conclusionl：=DEFUZREAL(ZEROY：=FALSE，MDiSil：=mydfl.MDiSi2：=4095.0，MDiSi3：=mydf2，MDiSi4：=3000.0，MDiSi5：=mydf3，MDiSi6：=1000.0，MDiSi7：=mydf4，MDiSi8：=0.0)；按重心法解模糊，并寻找最大隶属度故障原因。

　　当征兆集能够直接从传感器得到或处理后得到，即可应用上述方法在原因集中寻找原因。调过实际调试，在征兆、原因、规则都较为有限的情况下，对PLC扫描时间影响较小，是可行的。

　　模糊逻辑较好地利用语言知识，知识表达形式易于理解，但却存在自学习能力弱的不足。对于故障诊断矩阵R和故障诊断规则Rule及隶属度函数需要不断修正的场合，基于PLC的方法不适用。

4 结论

　　在以往进行设计时，通常把控制器和故障诊断系统分开设计，但在设计控制器的同时考虑故障诊断，可以提高故障的可诊断性及故障诊断的可靠性，而且便于将故障诊断系统化。随着PLC功能不断增强，它在故障诊断领域将有更广阔的应用前景。实践中应注意如下原则：设备及工艺过程诊断维护的困难很大程度是因为PLC的诊断能力不足，设计时充分考虑可能的故障。充分考虑控制功能与故障监控诊断的平衡，分清轻重缓急，并与远程AI诊断取长补短。运用中，采用各种措施，确保诊断工作不会影响PLC的正常监控工作。