摘要：当今工业控制现场的设备的特点是自动化、复杂化和连续化，为了保证现场人员的人身安全同时为使这些设备的正常、可靠、高效地运行，有必要监测可诊断这些现场的设备。该文基于传统故障诊断理论和现代故障诊断理论，应用故障树分析(FTA)建立了胎面线控制系统的故障诊断模型。
关键词：PLC控制；远程；故障诊断
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)27-6759-02
故障诊断技术在不同的应用程序的发展过程中， 并结合不同学科以及在不同的领域内相互结合而形成了多种故障诊断方法[1-2]。一般来说，现有的故障诊断方法是基于人工智能的故障诊断和传统故障诊断方法，传统的故障诊断方法可分为基于信号处理的方法和基于解析模型的方法。在每个诊断方法都有其特定的诊断方法。
基于信号处理的方法，通常使用如相关函数，频谱，自回归移动平均，小波变换等信号模型，可以直接分析测量的信号，获得如方差，幅度，频率和其他特征值来检测出故障。该方法简单，易于实现，但容易出现误判和漏判，这主要的原因是在与故障和设备故障之间难于区分[3]。基于模型的方法分析，它的基础是明确诊断对象的数学模型，根据一定的数学方法对被测信息进行处理。
近年来，由于人工智能技术的飞速发展，在诊断应用领域特别是知识工程，专家系统和人工神经网络的到了广泛的应用和发展，基于人工智能的故障诊断方法获得了一个更深入，系统的研究[4]。这主要有故障诊断专家系统方法，模糊的故障诊断方法，故障树故障诊断方法，基于案例的故障诊断方法，神经网络故障诊断和数据融合的故障诊断方法。这些方法代表了故障诊断的发展方向，都不需要一个准确的诊断对象的数学模型，但它们都具有一些“智能”的特点。目前，是基于知识的专家系统和基于神经网络的智能诊断系统是人工智能故障诊断领域最活跃的两种方法。人工智能专家系统是一个模仿专家的推理过程的仿计算机模型，利用人类专家的专门知识和方法解决那些只有专家才能在现实生活中解决复杂的问题，实际上是一个计算机程序系统。
1 故障树分析法
1.1 故障树分析法简介
故障树分析是在一定条件下发生故障时的逻辑推理方法，同时也是一个图形演绎方法。它可以找出基本的故障以及故障所导致的影响和形成的几率。将故障树的顶端事件找出来，根据规定的逻辑符号，自上而下的分析那些形成故障的原因以及这些故障之间的关系，从而逐渐在深入的分析，直到找到事故发生的最基本的原因，直至找到故障树底事件的根本原因 。
解决在一定条件下一些故障发生的概率可以进行定量分析，找到基本的事件也就是导致故障的主要因素的概率，这些因素的重要作用在于研究故障，故障预测。故障树分析系统故障原因的形成是是一个复杂的动态系统设计，它把故障的原因由整体到部分逐渐以树枝状不断的细化同时也是机械零件失效形式的可靠性分析工具。使用故障树分析的方法的目标是通过此方法找到系统的薄弱环节，使系统的安全性和可靠性得以提高而并不完全是为了得到顶事件发生的概率。
1.2 故障树模型的知识表示
一个正向的因果链是有故障树上的一个子点和其父节点共同形成的，故障树子节点和父节点之间是确定性的因果关系，父节点的故障源是子节点，如果发生子事件，那么就会发生父事件，可以表示为IF子事件Then父事件，所以在表示故障树的因果关系时可以借用经验规则的IF – THEN的形式。我们把故障树模型中的IF - THEN称为广义的规则。广义的规则分为正向的广义规则和反向广义规则，因为基于故障树模型的诊断是通过搜索引擎的逆断层搜索 ，所以故障树上的信息可以用反向广义规则来表示，统称广义规则，以下简称为规则。
故障树的框架和基于混合知识表示一般规则。所谓面向故障树，故障树看做是一个对象，框架的每个槽与一个相应的广义规则对应，此树的相关信息存在于一个独立的框架中。
故障树是一个有向树有有向边或多条有向边并且它们分别对应一个广义的规则，广义规则的前提是故障树的某个父节点，某个子节是这个广义规则的结论是这个父节点，所以广义规则如下 ：
（Rule n ωnIF(c) THEN (AND,OR) (h) (i)）
其中规则号由n表示; 规则权值由ωn表示; 规则前提由(c)表示; 规则的结论由(AND, OR ) (h)(i)表示。AND, OR分别代表故障树上的与门和或门。
2 PLC控制网络的故障类型
胎面复合挤出联动线PLC控制网络的故障类型主要有以下几类。
1) 外部设备故障。外部设备故障。 PLC外的继电器，各种开关，传感器，转换器和直流驱动器可以称之为外部设备，PLC控制系统控制功能受到这部分设备出现故障的影响。此类故障是因为设备本身的质量和使用时间导致的。
2) 智能从站故障。智能从站一旦出现故障那么就会使直流电机，变频电机或伺服电机驱动器故障，以及整个胎面线呈现瘫痪的状态，这些从站主要指变频器，直流驱动器和伺服控制器等等。
PLC系统故障。故障可分为固定性和偶尔出现的故障，一旦出现故障它能够影响整个系统的运行。偶然的故障是系统在发生故障后可以通过重新启动系统使系统恢复正常。如果需要更换硬件或软件才能使系统正常就是固定性故障。
硬件故障。导致这类故障的原因是使用不当或者元件的老化，也是PLC控制系统中模块损坏造成的故障。
软件故障。此类故障由于软件设计者考虑不周导致软件本身的错误造成的，在程序执行中的如果错误条件成熟便会触发故障。
3) 总线故障。这类故障是总线屏蔽不良、总线出现断线和总线连接器接触不好，现场工业环境干扰大等引起的故障。
3 利用PROFIBU S-DP通讯技术和STEP 7系统功能实现对智能从站的故障诊断
在控制系统中，PROFIBUS - DP网络主站：西门子S7 315 - 2DP PLC。4台直流调速器、18台变频器、一台远程分布式I/0 ET200M、一台伺服位置控制器和裁断人机界面TP270通过DP口连接。速度链的整定控制，各传动点的速度控制以及工作运行状态监视等功能可以通过PROFIBUS-DP网络完成。MPI和DP通信接口内置在PLC中，DP接口允许PLC直接接上PROFIBUS网络。MPI网络由MPI口和加装有CP5611通讯接口卡的上位机构成。在总线传输上，传输介质可以使用PROFIBUS - DP现场总线采用屏蔽双绞线，传输速率的500Kbpa。控制点集中的区域设置了现场I / O信号直接进入I / O模块，远程分布式I / O模块的ET200M， CPU通过PROFIBUS - DP网络可以像操作普通I / O那样操作ET200M。辅线上线性位移传感器信号的采集、光电开关和接近开关检测可以使用ET200M的辅助线来完成，
3.1 在相应子程序中编程实现对外部设备的故障诊断
在故障诊断中可以使用系统自动调用错误处理OB，然为有一些故障时很难诊断出来的。当发生故障时，导致机械顶死而PLC不会自动停止，在电控系统常规保护动作之后才可能发现。停机之后需要很多时间来查找故障的原因。 为了提高维修工作效率，特别是为及时发现组件故障，不发生事故，PLC能够自动报警或者自动停机，在没有酿成设备事故时可以作为监控和预防导致故障的措施，将其视为电子控制系统设计的必要组成部分，增强设备的可维护性。
3.1.1 数字量信号的故障诊断
(1) 超时限故障检测法
由于在工作周期中，在执行时设备的各个工步运动需要一段有一定的限制时间，在检测工步动作开始时参考这些时间并且同时启动一个定时器，定时器的输出信号可用于报警，显示或自动停机的装置，定时器的时间设置比正常动作需要的时间要长20％-30％，持续时间长。在设备移动过程步骤的时间超过规定时间，还没有进入到下一个工步动作时，定时器就可以做出相应的故障警报。该信号可以启动显示程序，停止工作周期程序和开始执行报警。
(2) 逻辑错误检测法
由于设备在正常运作情况下，电子控制系统的输入和输出信号，中间存储设备等之间有一定的逻辑关系。那么这些故障将破坏这些正常的逻辑关系直接导致不正常的逻辑关系。 反之，一旦发现异常逻辑，必然会导致设备故障。 因此，我们可以在用户程序中预先设置好可能导致故障的常见程序。 一旦这个逻辑关系的实现状态是“1"，它必然有一个相应的故障，输出不正常的逻辑关系，这可以作为一个故障信号，以便实现报警和停机控制。
3.1.2 模拟量信号的故障诊断
PLC的故障诊断的原理和数字量故障诊断的基本原则是相似的。 PLC通过模拟量输入模块的模拟信号完成其对模拟量信号的识别。 PLC模拟量故障诊断过程本质上是模拟输入信号值和实际的系统所允许的限制的数量相比的过程。PLC模拟量输入模块的输入端子来接控制设备中的压力，温度等模拟信号，模数转换器(A/D)可以将这些模拟量输入模块内的信号转换成数字量，CPU在服务扫描的过程中可以把输入端子的模拟值输入数据的存储区。如果实际价值在限度内，这表明对应于该输入点的受监控部件处于正常工作状态，反之则该输入点的受监控部件处于故障状态。
4 结论
远程故障诊断的研究需要综合应用到许多新兴的、先进的理论和技术，它是一门多学科交叉的新兴学科。本文故障诊断系统采用了故障树分析的方法建模，建立系统精确的故障诊断模型时还可以考虑依据其他的故障诊断系统建模理论。
参考文献：
[1] 崔振远.集中分散型综合控制系统(DCS)刍议[J].计算机应用研究,1992(6).
[2] 易源星.PLC 220V AC开关量I/O模块在普通工业控制计算机上的应用[J].冶金自动化,1993(6).
[3] 葛绍仁,郭延龄.用8031单片机模拟PLC的工作过程[J].辽宁石油化工大学学报,1992(4).
[4] 崔蕾.PLC在多点调平控制系统中的应用[C]//第一届全国流体动力及控制工程学术会议论文集,2000.
相关热词搜索： 故障诊断 控制 系统 PLC
