基于組態軟件的PLC實驗系統的故障診斷

劉力

（遼寧裝備制造職業技術學院 遼寧 沈陽 110164）

基于組態軟件的PLC實驗系統可節省學校實驗耗材和維護維修費用，降低教學成本。豐富了實驗項目，提高了教學效果和學習效果。但在實驗系統應用中，遇到了很多問題。比如，一旦學生PLC程序出現卡死，或沒有達到實驗預期效果時，學生會手足無措，不知如何解決，這樣既沒有減輕教師的工作量，也制約了教學效果的良好發揮。

因此，筆者應用組態軟件，對原教學實驗系統進行改造，實現了基于組態軟件的PLC實驗系統的虛擬生產過程的監控和故障診斷，完善了實驗功能，使實驗系統界面更加友好，引導學生排對編寫的PLC程序差錯，對學生實驗能力的培養起了重大作用。

1 組態王軟件

對于生產過程的監控與故障診斷技術是一門綜合性和應用型很強的技術，包括了實時采集信息、提取數據特征和故障診斷與決策。組態王是國產工控組態軟件中比較有影響力的產品，能為本系統升級開發提供很好的技術支撐，且具有易用性、開放性、通用性等特點?？蛇\行在Windows操作系統環境下，界面友好，提供了資源管理器式的操作主界面和以漢字作為關鍵字的腳本語言支持的服務能力，提供了目前市場上主流硬件設備的驅動程序。

2 故障診斷系統設計

目前，很多PLC系統的故障診斷是依靠PLC程序的，即在編寫PLC控制系統程序時，工程人員根據對控制系統邏輯功能的分析，將故障診斷程序同時編寫出來。但是當故障診斷邏輯變更時，又必須重新編寫故障診斷程序。因此，這種依賴于PLC程序的故障診斷系統，在實際使用過程中，靈活性較差。而且在課程教學中，PLC程序由學生編譯，在實驗系統中驗證調試，這種故障診斷的方法顯然是行不通的。

本項目采用組態軟件的方法，讀取PLC的I/O量及各種中間控制狀態的信息，進行故障推理和診斷?，F以基于組態軟件的PLC液體混合裝置實驗項目為例，介紹實現故障診斷的方法。

2.1 基于組態軟件的液體混合裝置系統

2.1.1 系統簡介

液體混合裝置是兩種液體按比例混合，閥門A控制液體A，閥門B控制液體B，閥門C控制混合液體。系統啟動，裝置中注入液體A，液位沒過中液位傳感器（SL2）后，關閉閥A打開閥B，注入液體B，液位沒過高液位傳感器（SL1）后，關閉閥B。攪拌機工作一分鐘后停止，閥C打開，混合液體流出裝置，液位低于低液位傳感器（SL3）20S，閥C關閉，閥A打開，如此往復。

2.1.2 系統應用后出現的問題

總的來說系統應用于教學后，對于現場量的監控性能很好，可以真實地反映實驗結果，且內容生動靈活，提高了學生學習的興趣。但界面不夠友好，主要缺陷在于系統設計時，未充分考慮到學生應用此系統進行實驗時，編寫的錯誤的PLC程序實驗結果和實驗效率的影響，以及系統在教學上的功能。經總結教學中遇到的問題，對于學生編寫的PLC程序，系統的主要輸入、輸出量的變化與仿真現象對照表，如表1所示。

表1 系統仿真現象分析表Tab.1 Tableof thesystem simulation analysisof thephenomenon

2.2 系統的故障診斷實現

2.2.1 系統故障診斷的設計

基于組態王的液體混合裝置實驗系統故障診斷設計的整體結構圖，如圖1所示。

圖1 故障診斷系統的整體結構圖Fig.1 The structure chart of fault diagnosis system

圖中計算機上安裝組態王軟件，對現場設備模擬運行，具有5大功能。

1）實時采集。實時采集現場數據是系統監控與數據處理的保證，通過高速I/O驅動程序與現場PLC通訊，對數據進行實時采集。

2）監控功能。系統的人機交互界面是控制對象的模型，應用組態軟件的圖像、文本等樹立功能，將控制對象（本例中的液體混合裝置）形象逼真的顯示在界面上。操作人員可以通過界面監測到模擬的現場設備的工作狀態和上傳數據。并能通過友好的界面，對現場的設備的設定值及重要參數進行設置和修改。同時，現場設備也會隨著修改的參數發生運行狀態和方式的改變。

3）診斷分析。診斷分析功能是建立在監控系統之上，基于組態王設計的故障診斷實驗系統，能夠實現設備情況報警、數據報表和歷史曲線診斷分析等功能。

筆者從實踐中體會到，要實現對故障的智能診斷，就要編成腳本程序，利用專家的知識，來判斷故障類型和位置等信息。診斷分析故障可以將不同功能的程序代碼封裝成函數形式，在組態王中通過編寫簡單的“膠水代碼”，將這些代碼按照診斷系統要求封裝成模塊，完成診斷分析功能。報警模塊記錄了設備運行中重要參數的報警狀況和系統發生的重大事件。即使多故障同時發生，系統也可輕松地把多個故障一起診斷顯示出來。這樣診斷分析功能具有可擴展性，便于用戶根據系統發展需求，擴展模塊，完成故障診斷功能的升級。

4）報表文件。數據報表是反應生產過程中的數據、狀態等，并對數據進行記錄的一種重要形式。系統可按采集實時數據的頻率存儲數據文件，隨時檢查歷史數據，可反復使用，方便用戶了解設備的運行使用情況。

5）人機交互、故障預警、故障原因提示。系統對各種模擬量和開關量監控報警，并給操作者適當提示，提示信息為故障位置、原因等。以報警實現的類型為依據，可分為以下3種：

①越限報警

系統越限報警就是在模擬量（液位）的值在跨越規定的高低報警限時產生報警。可在變量的報警定義屬性頁中設置越限報警的界限值：低低限、低限、高限、高高限。并填寫報警文本，表述報警的信息。

例如，液體混合裝置對液體A和液體B的體積比例有嚴格要求，可以液位沒過高液位傳感器，仍在進料的情況下，設置高液位報警。

②延時報警

對于越限報警可以定義報警延時，即對系統當前產生的報警信息并不提供顯示和記錄，而是進行演示，在延時時間到后，如果該報警不存在了，表明該報警可能是一個誤報警，不會理會，系統自動清除；如果延時到后，該報警還存在，表明這是一個真實的報警，系統將其添加到報警緩沖區中，進行顯示和記錄。如果定時期間，有新的報警產生，則重新開始。

例如，當液位低于低液位傳感器20秒、閥門C仍未關閉的情況下，設置延時報警。延時時間為20秒。

③離散型變量報警

離散量有兩種狀態：1和0。離散量的報警有三種狀態：0狀態報警、1狀態報警和狀態變化報警。0狀態報警：變量值由1變成0時產生報警；1狀態報警：變量值由0變為1時產生報警；狀態變化報警：變量值由1變為0或由0變為1都產生報警?？稍趫缶x屬性頁中選擇開關量報警的離散選項。

監控與故障診斷的功能是相互獨立又緊密結合的，兩者共享數據，互相支持，為整個系統的運行提供可靠保障。

2.2.2 系統測試結果

系統設計完成后，對整個系統的設計結果進行測試。對系統的重要的教學功能進行了驗證，系統的教學功能圖如圖2所示。具體步驟如下：

1）仿真設備運行的測試

圖2 液體混合裝置故障診斷系統的教學功能圖Fig.2 Liquid mixing device fault diagnosis system of teaching capability map

運行系統后，PC機上的仿真畫面上的被控設備，能夠按照預先編寫好的PLC程序的運行情況而變化。無論編寫的PLC程序是否能夠達到液體混合裝置系統的控制要求，PC機上都能準確地仿真現場設備的運行狀態。仿真畫面生動形象，可視性較好。

2）控制現場的測試

運行系統后，按下PC機上虛擬的按鈕，可以起到對仿真的現場設備控制的作用。比如按下啟停面板的啟動按鈕，仿真設備按照PLC程序，使閥A打開，有液體A注入混合裝置，液面上升等。按下啟停面板的停止按鈕，仿真設備按照PLC的程序，停止設備的運行。系統操作簡單，對現場設備的可控性較好。

3）單步調試PLC程序的測試

運行系統后，可滿足學生調試程序單步運行，觀察實驗現象的需要。

4）故障診斷與報警的測試

按圖2中系統預設的故障種類，逐一測試。測試的方法是通過人為設置故障，驗證系統報警和提示信息是否及時準確，測試界面如圖3所示。圖3是教學過程中錯誤最典型的故障，即液體沒過高液位傳感器時，閥門B未關閉、電動機正在工作的故障。測試前，設置了監控設備故障測試界面，模擬了液體混合裝置運行數據的采集，建立故障及正常運行測試按鈕。當液體沒過高液位時，系統按PLC程序運行到對應的指令行，沒有使閥門B和電動機工作狀態發生改變。系統立即啟動報警事件，并彈出提示窗口。

測試的結果表明，系統準確地仿真了液體混合裝置控制系統的運行情況，實時性較好，故障診斷的性能與預期的效果相同，具有較高的準確性，每項功能符合預期要求。

圖3 故障診斷提示信息Fig.3 Fault diagnosis and prompt information

3 結 論

本文設計了基于組態軟件和PLC實驗系統的故障診斷系統。以液體混合控制系統為例實現了對液體混合控制系統的重要參數、運行狀態的實時監控，實現了典型故障的報警和及時定位。并且系統可繼續擴充診斷功能，升級方便。將此實驗系統應用于PLC課程理實一體化教學，解決了原系統在教學用遇到的問題，進一步的提高了學習效果和效率，可應用于同類院校PLC課程的理實一體化及實驗實訓教學，具有較深遠的推廣意義。

由此推斷，基于組態王設計的工業過程監控診斷系統，運行穩定、界面生動逼真、人機交互強、能夠及時監測和診斷出生產過程及設備運行的故障，為系統的可靠運行提供了保障，也為企業生產和維修提供了決策依據。為工業過程監控診斷系統的研究與發展提供了一種新的發展方向。

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