基于PLC的大型电气工程设备故障自动诊断系统设计

基于PLC的大型电气工程设备故障自动诊断系统设计

徐琰

徐琰

黑龙江龙维化学工程设计有限公司黑龙江省哈尔滨市150070

摘要：电气工程设备故障自动诊断系统存在诊断精准度低、耗费时间长、诊断效果差等问题，不能满足现代电气工程设备故障自动诊断的高效性要求，设计了基于PLC的大型电气工程设备故障自动诊断系统。通过对故障诊断时间与精准度、诊断效果进行的实验，得出结论。利用PLC设计的大型电气工程设备故障自动诊断系统具有精准度高、时间短、诊断效果良好等优势，具有较高的实用性。

关键词：PLC；电气设备；故障；自动诊断系统；设计

PLC可编程逻辑控制器的技术日益成熟，从单一生产设备控制到大型的生产设备控制，在电气工程领域越来越普及，受到了人们的热烈欢迎，因此，设计一套完善、效率高、性能稳定的故障自动诊断系统是具有现实意义的。一般情况下，利用PLC为主体的控制系统，故障的概率较低，并且都是相对稳定的，但是一旦接入各种各样的元件，难免会出现故障的情况，尤其是大型的电气工程设备，只要出现故障，就会导致整个生产线不流通，直接影响工业的经济。而传统的电气工程设备故障自动诊断系统存在诊断精准度低、耗费时间长、诊断效果差等问题，不能满足现代电气工程设备故障自动诊断的高效性要求。

一、意义

近几年来故障诊断技术得到了快速发展,现己逐渐形成为一门新兴的交叉学科,而网络化的分布式远程监控与智能诊断理论、方法和技术业已成为自动控制及相关学科领域的一个热点和重要的研究方向。目前制造业工业控制现场中大量PLC的采用控制,在轮胎制造工业中也不例外。PLC网络已成为现代工业数字控制的支柱计算机网络则成为快速、高效、普遍的信息传递媒介。PLC网络因而成为远程故障诊断系统的一个重要环节。故障诊断系统通过PLC网络,与异地设备实现远程联接利用数字技术将物理制造系统结合起来,成为基于信息的系统,使之有效运作同时,借助多媒体声像技术,实现设备状态监测,从而进行诊断和控制。因此,研究基于PLC网络的远程故障诊断对于建立企业远程故障公共服务平台具有现实意义。

二、故障自动诊断系统硬件设计

通过采用PLC逻辑控制器和上位计算机共同组成了大型电气工程设备故障自动诊断系统，在该系统中位置传感器的故障诊断也很重要，直接影响PLC逻辑控制器对设备故障位置信息的判断。位置传感器的开关种类较多，有数字、模型开关，也有接点式限位、接近开关，当位置传感器开关出现故障的时候，会影响传感器对故障位置的信号传输，故障检测情况如图所示。

由图可知:使用一个液压泵，一个两位式电磁阀，一个液压缸前进、后退两个位置的开关，用来检测气缸的运行情况。其中A路表示的是在同一液压缸中两个位置开关不可能存在同时断开的情况，其中肯定有一个开关是断路的状态。T1为液压缸PLC逻辑控制器中时间定时器的延时接通点，设定的时间比在液压缸中的时间长一些，当两位式电磁阀启动的时候，后退的开关没有接通，那么后退位置开关就发生了故障;B路表示的是一个液压缸、两个位置开关不可能存在同时接通的情况，其中肯定有一个开关是短路的状态。利用PLC的“《”或者“》”某一值对后退位置开关比较，如果前进位置经过T1时间并没有被接通，那么该位置故障，需要及时修复。

三、故障自动诊断的实现

电气工程设备故障的自动诊断程序可以分层次设计，尤其是对PLC逻辑控制器程序设计的时候，应该充分考虑设备故障的层次，合理设计逻辑控制流程。在对故障位置点输入的时候，应该尽可能多的将最底层故障输入信息设计到PLC逻辑控制器程序当中，方便得到更多的故障检测信息，并为电气工程设备故障自动诊断系统提供基础。

1、记录故障点。为了得到系统故障情况需要根据PLC内部寄存器所接收到的所有故障检测点的状态信息反馈，并记录故障点程序。A侧皮带信号IＲ4.02为输入的关节点，当系统使用A侧皮带设备正常运行的时候，该关节点输入的数值变为1，当系统使用A侧皮带设备不能运行的时候，该关节点输入的数值变为0，说明发生了故障，需要使用如下公式记录信号的跳变。

设f1、f2分别为同一个故障点上的信号跳变上极限和下极限，其分配集合分别为:

公式(2)中:β为正常情况下，信号强度;S为gi1与gj2的所有可信度乘积。由此可得出可信度的函数为:

如果gi1与gj2在同一个故障点上不同时出现的时候，那么就会发生记录信号的跳变。此次信号的跳变就被记录在R31.00之中，并将其作为故障信息记录的存储器，由于内部的存储器具有多位的性质，因此能够同时记录多种故障的原因。有时引起设备发生故障的原因不止一个，经常会出现一个故障点引发多个位置同时发生故障的现象，因此在记录的过程中，要找到最先发生的故障点，该过程需要根据PLC编程来实现。

2、物理参量转变为数值参量。模拟量的故障诊断是利用诊断程序中的模拟模块来接收来自电流传送器的信号，并将信号转化能为数值，并与系统允许范围内的最大值与最小值进行比较，最大值与最小值与实际系统运行的参数变化有关，如果数值在极限值范围之内，那么就表示该设备没有故障，能够正常运行;如果数值没在极限值范围之内，那么就表示该设备出现故障，无法正常运行。

3、通过串行通信进行显示。利用串行通信快速的读取PLC逻辑控制器的内部存储器的各种故障信息，并使用HostLink［1］方式将上位机与一台或多台PLC进行链接，实现串行通信。在通信的过程中，PLC需要接收来自上位计算机发送的命令帧，接收之后需要立刻做出响应，如果设备中没有故障出现，那么PLC就会自动的向上位计算机作出反馈。而上位计算机需要对储存器中的数值来了解PLC的状态，也可通过上位计算机对PLC的控制来获取故障的信息。

四、故障自动诊断实验

为了验证基于PLC的大型电气工程设备故障自动诊断系统设计的合理性进行了实验。由于在实验过程受到各种干扰元素的影响，因此需要设计编程代码，其代码如下所示:

1、故障诊断时间与精准度结果与分析

自动故障诊断系统的设计主要是为了提高大型电气工程设备使用的效率，同时保证故障检测参数的准确性，因此对系统诊断所用的时间和精准度的检测是具有必要性的。为了方便对故障诊断时间的实验结果与分析，对被测试的电力工程设备中既定参数的电压进行测试，详细数据如表所示。

由表可知:设计的系统针对电压在0～+30v内的电压测试精度可以达到0.01v的状态，最大的误差不超过0.06v，对于电气工程设备对电压的测试要求精度仅为0.1v，因此该系统的设计充分满足被测试的标准。

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2、故障特征阻值变化结果与分析

利用电力工程设备中电路情况进行阻值的分析，以判断故障诊断情况，如果能够准确的反应出相关电阻值的变化，则证明该系统的设计具有合理性。根据程序代码中对电阻值设定的最大值与最小值以及系统硬件中的位置开关设计，构建内部的放大电路图如图所示。

由图可知:在训练样本的过程中故障特征的归一化处理需要使用ＲBF核为支持向量的函数，并且采用粒子群的算法找寻最优的向量参数。

3、实验结论。设计的系统针对电压在0～+30v内的电压测试精度可以达到0.01v的状态，且精准度极高，足以满足被测试的标准，且故障诊断时间要比传统设计的系统时间短，具有高效性。利用电力工程设备中电路情况进行阻值的分析，以判断故障诊断情况，发现测试的电路为2个测试点的故障特征值，都能够准确的反应出电阻值的变化，因此可以根据电阻值变化诊断故障情况，因此，使用本文设计的系统能够取得良好的故障诊断效果。

总之，设计的该系统具有较高的精准度，足以满足被测试的标准，且故障诊断时间要比传统设计的系统时间短，具有高效性，采用基于PLC的大型电气工程设备故障自动诊断系统的设计能够取得良好的故障诊断效果，具有较强的实用性。

参考文献：

［1］温阳东，宋阳．基于模糊神经网络的电力变压器故障诊断［J］．计算机测量与控制，2013，21(1)41．

［2］克智．基于智能变频的无线通信基站节能研究［J］．科技通报，2012，28(8):65．

［3］郭晓艳．油田管道不定衰减水声信号的仿真分析［J］．计算机仿真，2014，31(3):11．