基于PLC的电气自动化仪器仪表故障检测系统

基于PLC的电气自动化仪器仪表故障检测系统

冷晓绅

天津渤化永利化工股份有限公司  天津市  300452

摘要:PLC技术在电气设备自动化控制过程中的应用使生产的效率和质量得以很大的提高,使企业在生产设备方面的资金投入减少,因此,PLC技术有着很大的应用价值｡为保障仪器仪表能够正常运行,笔者分析了基于PLC的电气自动化仪器仪表故障检测系统｡硬件单元包括数据采集单元､PLC芯片选取单元与通讯单元,软件模块包括上位机程序模块､数据融合模块与仪器仪表故障检测模块,实现了电气自动化仪器仪表故障检测系统的稳定运行｡实验结果表明:设计系统的故障检测时间较短,故障检测准确率较高,充分证实了设计系统的可行性与有效性｡

关键词:PLC;电气自动化;仪器仪表;故障检测

总之,在电气自动化应用过程中,种类繁多的操作技术不仅增加了相关技术人员的工作量,而且还增加了企业的生产成本｡速度快､灵敏度高､准确度高是PLC技术最显著的几个优点,在电气设备自动化控制的稳定和安全方面发挥着举足轻重的作用｡但是与传统仪器仪表相比较,电气自动化仪器仪表的结构更加复杂､集成度更高,常规的操作人员很难对其进行维修与保养｡如果仪器仪表出现问题,必须通过专业人员进行维修,不但浪费时间,而且比较被动｡另外,电气自动化仪器仪表的种类较多,再加之商业市场的多种原因,仪器仪表制造厂商无法获取完整的仪器仪表原理图,其关键技术也是相对封闭的,导致操作人员很难对元件､电路等的故障进行检测｡因此,本文提出基于PLC的电气自动化仪器仪表故障检测系统研究｡

1电气自动化仪器仪表故障检测系统的硬件单元设计

1.1数据采集单元

设计系统选取传感器探头作为电气自动化仪器仪表运行数据的采集硬件｡传感器探头实质上是一个半闭合的线圈｡在硬件工作背景下,若传感器探头确定,其测量的电压差与故障电流大小呈正比例关系,这样就可以精确获取仪器仪表运行的数据｡在传感器探头获取的仪器仪表电压数据中,以励磁电流产生分量为主,这就需要设计系统对电压进行处理,才能保证采集数据的准确性,为后续仪器仪表故障检测打下坚实的基础｡

1.2PLC芯片选取单元

PLC指可编程逻辑控制器,该装置的核心部件为中央处理单元(CPU),根据设计系统的实际需求,将APMCortex-M3作为PLC的中央处理单元｡APMCortex-M3芯片具有性能高､成本低､运算速度快等特征,同时还包含Thumb2等多种指令,适用于各种场景,例如远程监控､电气测量等｡APMCortex-M3芯片中具备100个引脚,共同集成了一个比较器与8个接口｡另外,APMCortex-M3芯片还具备8组电源支撑,能够有效抵抗多种干扰｡

1.3通讯单元

依据功能因素将以太网控制器划分为两层,分别为PHY层与Mac层｡其中,LM3S8962芯片的PHY层具有解扰器､时钟恢复､自动协助等功能｡PHY层的驱动振荡器在XTALNPHY与XTALPPHY之间｡PHY层的LED指示灯能够反映以太网控制器的状态,其对应芯片上的LED0/LED1管脚｡但需要注意的是,只有通过软件编程后,PHY层才能驱动上述两个管脚,通过网络接口与变压器将LM3S8962芯片连接起来｡

LM3S8962芯片中的Mac层承担着收发以太网帧的任务,具体由MII接口完成,而MII内部管理接口是利用MDIO信号与电源之间连接的上拉电阻进行运行｡LM3S8962芯片不需要借助其他器件即可与隔离变压器进行连接与应用｡

2电气自动化仪器仪表故障检测系统的软件模块设计

2.1上位机程序模块

上位机程序模块的主要任务是实现以太网通信,接收传感器探头采集的电气自动化仪器仪表的运行数据,同时以波形图形式显示采集的数据,其中,波形图横坐标为相对位置,单位为cm,纵坐标为电压或者相位,单位为mV或度｡另外,上位机不仅能够对波形图进行随意放大或者缩小,还能够清晰看见仪器仪表的故障位置与故障等级信息｡

2.2数据融合模块

数据融合的基本原理为将时间上与空间上的冗余信息与互补信息依照既定规则进行组合,形成被检测对象的一致性描述｡数据融合目标为通过数据组合挖掘出更多的信息,以此来提升仪器仪表故障检测的精准度｡与现有系统相比,设计系统应用的传感器探头数量较多,给数据融合带来了困难,故此节采用分级融合方式对数据进行全面融合｡

具体的数据融合步骤如下｡步骤一:数据级融合｡数据级融合指在原始数据层上进行融合｡首先,对数据进行处理,处理后的数据属性不变｡其次,对处理后的数据进行融合｡这种数据融合方式能够保留细微的信息,但具有较大的局限性｡步骤二:特征级融合｡首先提取原始数据中的特征,对特征数据进行综合分析与处理,再对其进行融合｡这种数据融合方式不仅能够提升系统的效率,还能够最大限度保留决策分析需要的特征数据｡步骤三:决策级融合｡从具体的决策问题出发,对特征级融合提取的被检测对象的信息进行充分利用,能够为最终控制与决策提供充足的依据｡

2.3仪器仪表故障检测模块

首先将电气自动化仪器仪表的故障种类与数据作为已知数据建立故障树,并为每种故障类型进行排序与编码,然后以构建故障树为基础,加载上个模块的输出数据,遍历故障树,以此来检测电气自动化仪器仪表是否出现故障｡程序遍历过程为:输入数据融合结果,查找故障现象的下级故障节点,不断重复此步骤,即可找到仪器仪表产生故障的原因,最后输出仪器仪表的故障信息｡

电气自动化仪器仪表的故障检测规则为:

式中,Kij表示电气自动化仪器仪表的运行特征数据,Si表示故障原因集合｡通过上述硬件单元与软件模块的设计,实现了电气自动化仪器仪表故障检测系统的稳定运行,为电气自动化的发展奠定了基础｡

3实验与结果分析

为了验证设计系统与现有系统之间的性能差异,采用MATLAB软件平台设计实验,具体实验过程如下｡为了保障实验能够顺利进行,本文选取温度测量仪表作为实验对象,进行电气自动化仪器仪表故障检测实验,将10种不同类型的故障作为变量,获得的实验数据如表1､表2所示｡

如表1所示,设计系统的故障检测时间为8.23~10.39ns,故障检测的准确率为70.23%~85.12%;现有系统故障的检测时间为14.65~30.12ns,故障检测的准确率为52.34%~62.12%｡通过上述实验数据对比研究发现,与现有系统相比,设计系统的故障检测时间较短,故障检测的准确率较高,充分证实了设计系统的可行性与有效性｡

4结语

PLC技术的应用能够带来较高的价值,本文应用PLC可编程控制器设计了新的电气自动化仪器仪表故障检测系统,缩短了故障检测时间,提升了故障检测的准确率,能够为仪器仪表的稳定运行提供更加有效的支撑,也为故障检测系统研究与发展提供一定的理论参考｡

参考文献

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