基于PLC的遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷方法研究

周 律，吳 德，查 亮，林 靈

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

隨著控制技術(shù)、計算機(jī)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于這幾個技術(shù)融合建立的遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)系統(tǒng)，以其獨(dú)有的特點(diǎn)成為了故障診斷行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。采用遠(yuǎn)程故障診斷對于制造商和設(shè)備使用企業(yè)都有著明顯的好處，既可為設(shè)備制造商減少維護(hù)費(fèi)用、降低職工的勞動強(qiáng)度、提高維修效率；又可為設(shè)備使用者減少誤工時間、利于控制生產(chǎn)計劃。

本文應(yīng)用的遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)技術(shù)，是指將PLC作為遠(yuǎn)程現(xiàn)場設(shè)備終端信息參數(shù)的采集工具，將PLC遠(yuǎn)程通信模塊作為數(shù)據(jù)的傳輸工具，基于先進(jìn)的3G無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化、可視化的處理，然后運(yùn)用數(shù)據(jù)解決設(shè)備故障診斷和維護(hù)的問題。實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵有兩部分：一部分是基于網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)通訊，要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議解析問題，是技術(shù)的基礎(chǔ)；第二部分是故障診斷的分析方法或者說是解決方案是如何提出的［1］，即在故障診斷時，對獲得的數(shù)據(jù)如何進(jìn)行處理和分析，然后根據(jù)何種方法獲得合理的解決方案。

本文內(nèi)容即針對第二部分的技術(shù)關(guān)鍵，提出了基于三種故障分析方式——“專家診斷數(shù)據(jù)庫”、“PLC軟元件邏輯尋根法”和“虛擬樣機(jī)輔助診斷”的有機(jī)結(jié)合的遠(yuǎn)程故障診斷法。這三種方式依次遞進(jìn)、不相沖突，有效地解決了故障的分析診斷問題。

1 遠(yuǎn)程故障診斷法的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程故障診斷法是循序漸進(jìn)的，診斷系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)程PLC數(shù)據(jù)后，經(jīng)過處理，首先與專家診斷數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的正常范圍或正常值進(jìn)行比較。如果在正常范圍內(nèi)，該路徑退出。如果不在正常值范圍內(nèi)，先報警，然后查詢專家診斷數(shù)據(jù)庫中的維修記錄，找到相關(guān)的維修歷史記錄提供給維護(hù)人員。如果查詢不到相關(guān)記錄，就運(yùn)用軟元件邏輯尋根法對故障進(jìn)行查詢［2］。虛擬樣機(jī)輔助診斷是對軟元件邏輯尋根法的一個輔助，它可以使維護(hù)人員更直觀的參與到設(shè)備的故障診斷，大大有助于問題的解決。遠(yuǎn)程故障診斷法的邏輯圖如圖1所示。

2 專家診斷數(shù)據(jù)庫

專家診斷數(shù)據(jù)庫是將以往成功的維修記錄采集起來，通過建立起“故障信息——故障原因、位置——維護(hù)方法”間的數(shù)據(jù)關(guān)系［3］，進(jìn)而實現(xiàn)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的分析、診斷和處理，以達(dá)到遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)的目的。它匯聚了維護(hù)工程師的集體智慧，為順利進(jìn)行設(shè)備故障的診斷提供了理論和經(jīng)驗上的依據(jù)。

圖1 遠(yuǎn)程故障診斷法邏輯圖

在故障診斷中，將采集處理后的數(shù)據(jù)首先與數(shù)據(jù)庫中正常范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。例如，印刷項目中，“進(jìn)紙正常”在PLC中對應(yīng)的軟元件編號是“M880”，假定“M880”的正常值是“1”。獲得“M880”的值是“0”，將該值與數(shù)據(jù)庫中“M880”的常態(tài)值比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)常態(tài)值“1”與實際值“0”不相等，此時報警的同時在數(shù)據(jù)庫中查找歷史診斷記錄，如果有故障記錄則呈現(xiàn)給維護(hù)人員，輔助其查找異常原因。

“印刷”項目中為實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備運(yùn)行安全和維護(hù)這一需求，以專家診斷數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，結(jié)合用戶權(quán)限管理、設(shè)備信息管理和維修報告管理這另外三個數(shù)據(jù)管理服務(wù)，構(gòu)建了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。選用 Microsoft SQL server作為管理工具，使用Microsoft visual studio作為系統(tǒng)程序的開發(fā)平臺，選擇c#.NET作為程序開發(fā)語言所構(gòu)建的，具體實現(xiàn)了人員信息管理、設(shè)備信息管理、專家診斷經(jīng)驗匯聚、設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累這四項功能。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫登錄界面將所有能夠登錄的用戶分為四類：總工程師、銷售工程師、技術(shù)工程師和系統(tǒng)管理員。

在網(wǎng)絡(luò)連接區(qū)域內(nèi)，選定“用戶名稱”、“設(shè)備型號”、“設(shè)備編號”之后，點(diǎn)擊“連接”，就可以建立同該設(shè)備PLC的通訊。

在操作PLC區(qū)域可以選擇操作的類別，如圖2，系統(tǒng)提供了“查看參數(shù)”和“修改參數(shù)”兩種選擇。“查看參數(shù)”是讀印刷機(jī)PLC數(shù)據(jù)的過程，“修改參數(shù)”是設(shè)置PLC數(shù)據(jù)的過程。在操作PLC區(qū)域，還可以選擇操作指令，選擇操作指令是選擇讀取相應(yīng)單元對應(yīng)的部件狀態(tài)，如圖3，通過點(diǎn)擊下拉按鈕，可以選擇對印刷設(shè)備不同部件狀態(tài)進(jìn)行讀取。

圖2 數(shù)據(jù)庫登錄操作界面一

圖3 數(shù)據(jù)庫登錄操作界面二

建立了同遠(yuǎn)程終端設(shè)備——印刷機(jī)PLC之間的通訊連接后，點(diǎn)擊“印速”標(biāo)簽就進(jìn)入設(shè)備監(jiān)控界面，其中，各個項目的內(nèi)容均是實時的，遠(yuǎn)程PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)即遠(yuǎn)程設(shè)備的實時運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，點(diǎn)擊“故障”標(biāo)簽，就進(jìn)入實時故障界面［8］。

3 軟元件邏輯尋根法

將采集到的實際數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)比較后，報警軟元件的代號會與數(shù)據(jù)庫中的歷史維修記錄比對，若有匹配的記錄，則可以直接查詢維修記錄，即使用專家診斷數(shù)據(jù)庫。對于沒有匹配記錄的情況就需要用到軟元件邏輯尋根法［6］。

基于這種關(guān)聯(lián)性，提出軟元件邏輯尋根法。即在對遠(yuǎn)程機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷時，實時讀取寄存器的數(shù)據(jù)是最直接有效的方法。縱向上看，從假設(shè)故障點(diǎn)開始選定三個與該軟元件設(shè)備有直接關(guān)系的軟元件設(shè)備，然后訪問這三個軟元件設(shè)備的值，并判斷該值是否正常。若正常尋找別的假設(shè)點(diǎn)，若三個相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)有不正常的點(diǎn)，查詢專家診斷數(shù)據(jù)庫，看是否有解決方案，如果這個不正常點(diǎn)不足以提供更多的數(shù)據(jù)信息，那么再在這個不正常點(diǎn)的基礎(chǔ)上再找出三個相關(guān)的軟元件設(shè)備，依次循環(huán)下去，但最多不超過三個級別。圖4在結(jié)構(gòu)上描述了應(yīng)該注意的事項，為查找與出錯軟件設(shè)備相關(guān)的軟元件設(shè)備，每一個軟元件設(shè)備的相關(guān)軟元件設(shè)備不超過五個。首先，要在PLC程序中，找出各個關(guān)鍵點(diǎn)或監(jiān)控點(diǎn)的與其有直接關(guān)系的軟元件設(shè)備。再次，將找到的關(guān)系放入數(shù)據(jù)庫中，并建立一定的聯(lián)系，使維護(hù)人員容易查找。最后，對于出錯的軟元件設(shè)備逐次逐個去查找與其有關(guān)系的軟元件設(shè)備的值，有異常值就去追究原因，改正或者提出可行的解決方案，提供給遠(yuǎn)程設(shè)備用戶。

圖4 邏輯尋根法結(jié)構(gòu)圖

4 虛擬樣機(jī)輔助診斷

利用前兩種方法可以基本實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，但由于維護(hù)人員不能夠真實的看到設(shè)備的工作環(huán)境，不知道現(xiàn)場設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行狀況，所以在進(jìn)行設(shè)備檢修時容易忽略掉某些關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)關(guān)系，特別是對經(jīng)驗較少的維護(hù)人員。因此，提出虛擬樣機(jī)輔助法來解決這個難題［4］。利用虛擬樣機(jī)輔助法可以實施驅(qū)動虛擬樣機(jī)設(shè)備，使遠(yuǎn)程維護(hù)人員直觀的看到設(shè)備的內(nèi)部運(yùn)行狀況、理清機(jī)械設(shè)備內(nèi)部的機(jī)構(gòu)關(guān)系、而且能夠大大節(jié)省工作人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。

4.1 虛擬設(shè)備樣機(jī)的建立

虛擬設(shè)備樣機(jī)是實現(xiàn)虛擬設(shè)備運(yùn)行的基礎(chǔ)，該方法中所需要的虛擬樣機(jī)不同于傳統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，傳統(tǒng)的虛擬樣機(jī)由于多用于設(shè)計階段或制造仿真，對模型的細(xì)節(jié)等各方面要求較高，且模型屬于靜態(tài)模型，不能夠通過外部數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動實現(xiàn)相應(yīng)的動作。本方法中需要的虛擬設(shè)備樣機(jī)建模過程如圖5。

同時，在虛擬設(shè)備建模時應(yīng)該注意這幾個問題：

（1）構(gòu)建虛擬幾何模型時，要注意模型的命名。虛擬設(shè)備最終運(yùn)動的實現(xiàn)，是通過高級語音或者虛擬交互語言編程控制的，為了便于程序語言的編寫，需要對模型的命名進(jìn)行規(guī)范，一般采用有層次的命名方式，并對模型的相關(guān)信息進(jìn)行管理。例如圖6：YSJ＿YSZZ＿YSguntong01（印刷滾筒）

（2）對模型簡化處理時，要注意簡化得當(dāng)。

（3）為了增加模型的真實感，需要對零件進(jìn)行貼圖處理。

（4）模型的定位與裝配，應(yīng)遵循實際零部件的相對位置關(guān)系。

4.2 虛擬設(shè)備樣機(jī)的動作控制

在進(jìn)行虛擬設(shè)備的動作控制時，同現(xiàn)實中一樣，也是通過對虛擬設(shè)備的若干個運(yùn)動單元的控制來實現(xiàn)的。因此要實現(xiàn)虛擬設(shè)備的動作控制時就要先討論虛擬設(shè)備動作單元的動作控制。

圖5 虛擬設(shè)備樣機(jī)的建模流程

圖6 模型命名方式

（1）虛擬設(shè)備的動作單元

對于一臺現(xiàn)實世界里的機(jī)械設(shè)備來說，組成設(shè)備的基本單元是設(shè)備的零部件，整個設(shè)備的運(yùn)行，是各零部件協(xié)調(diào)運(yùn)動的結(jié)果。對于一臺虛擬的運(yùn)行設(shè)備而言也是一樣的，虛擬設(shè)備各零部件的協(xié)調(diào)動作，構(gòu)成了虛擬設(shè)備的動作單元。

（2）動作單元在VRML中的描述

不同運(yùn)動單元的協(xié)調(diào)運(yùn)動構(gòu)成了設(shè)備的運(yùn)行，那么要將實際的設(shè)備搬到虛擬空間VRML（Virtual Reality Modeling Language）中，這些運(yùn)動單元應(yīng)該如何被描述：在VRML中描述一個動作單元的控制需要涉及到屬性節(jié)點(diǎn)、動作描述節(jié)點(diǎn)和事件路由三個要素。

a.屬性節(jié)點(diǎn)。屬性節(jié)點(diǎn)主要是指虛擬場景中對象外觀、形狀、位置等參數(shù)的描述。通過改變這些參數(shù)，可以實現(xiàn)對象的動作描述，以膠印機(jī)滾刀屬性節(jié)點(diǎn)的描述舉例如下：

b.動作控制描述節(jié)點(diǎn)。動作單元設(shè)計中動作控制的描述通過以下兩種方法實現(xiàn)：一種是通過VRML提供的內(nèi)部感應(yīng)器與內(nèi)插器，定義簡單動作的控制描述；另一種是通過Script腳本節(jié)點(diǎn)編寫程序腳本，定義復(fù)雜動作控制的描述，語法結(jié)構(gòu)如下：

利用程序腳本和Script節(jié)點(diǎn)，編寫與動作單元相適應(yīng)的感應(yīng)器和內(nèi)插器，就可以創(chuàng)建動作節(jié)點(diǎn)，用于虛擬場景中復(fù)雜動作的描述。

c.事件路由

一個虛擬對象即使構(gòu)建了屬性節(jié)點(diǎn)和動作控制描述節(jié)點(diǎn)，其在虛擬空間仍然是靜止的，要讓虛擬對象按照虛擬動作的設(shè)定來進(jìn)行動作，就需要構(gòu)造VRML的綁定指令，通過事件路由來控制其動作。VRML綁定包括：綁定在一起的一對節(jié)點(diǎn)，以及兩個節(jié)點(diǎn)間的綁定路由。路由ROUTE的語言結(jié)構(gòu)如下：

ROUTE mouseclick.touchTime TO changecol－or.clicked

ROUTE hangecolor.color TO xx.diffuseColor

以上ROUTE語句表示用鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件發(fā)出“changecolor”的點(diǎn)擊事件，然后“changecolor”顏色的改變值傳給xx節(jié)點(diǎn)中diffuseColor的屬性值，最終使得xx節(jié)點(diǎn)的顏色改變。對于一個虛擬設(shè)備的事件路由控制如圖7。

針對動作單元的動作，使用VRML提供的內(nèi)部感知器與插補(bǔ)器進(jìn)行動作描述，與時間傳感器相結(jié)合，通過腳本節(jié)點(diǎn)的定義接收事件控制信號，將事件控制信號的參數(shù)變量，經(jīng)路由到時間感知器的事件，再經(jīng)過插補(bǔ)器的動作描述，最終經(jīng)路由到屬性節(jié)點(diǎn)，控制屬性節(jié)點(diǎn)屬性的變化，進(jìn)而實現(xiàn)動作單元的動作。

圖7 事件路由控制過程

4.3 虛擬設(shè)備實時驅(qū)動的實現(xiàn)

這里所說的虛擬設(shè)備實時驅(qū)動包括兩種驅(qū)動：

第一種是監(jiān)控中心接收到遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)的解析，獲取能夠反映設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，例如電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等，以驅(qū)動虛擬設(shè)備的運(yùn)動。第二種是當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，通過遠(yuǎn)程故障診斷能夠快速鎖定故障發(fā)生的位置，并能夠?qū)崟r驅(qū)動顯示虛擬設(shè)備的故障位置，實現(xiàn)故障定位［9］。

（1）虛擬設(shè)備運(yùn)行控制

對于以PLC為控制核心的機(jī)械設(shè)備來說，能夠反映其運(yùn)行狀況的參數(shù)為關(guān)鍵控制部位的參數(shù)，如電機(jī)的轉(zhuǎn)速、編碼器的值等，都能直接或間接地反映設(shè)備的實際運(yùn)行情況［5］。但需要了解的是，從遠(yuǎn)程設(shè)備不可能得到虛擬設(shè)備所有運(yùn)動單元所需的數(shù)據(jù)，實際上得到的實時數(shù)據(jù)是有限的。為準(zhǔn)確的反映設(shè)備的運(yùn)行情況，這就需要研究設(shè)備的客觀規(guī)律，即實時驅(qū)動數(shù)據(jù)到虛擬設(shè)備運(yùn)行間的映射關(guān)系。以一臺PLC控制的印刷機(jī)為例，能反映該印刷機(jī)水輥運(yùn)行情況的參數(shù)有：水輥的轉(zhuǎn)速，在X、Y上的進(jìn)給速度。從PLC上直接獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)有水輥的轉(zhuǎn)速，X、Y方向伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里面存在著映射關(guān)系：

a.機(jī)床的轉(zhuǎn)速＝水輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速×傳動比

b.X方向的進(jìn)給速度＝X方向電機(jī)轉(zhuǎn)速×傳動比×系數(shù)

c.Y方向的進(jìn)給速度＝Y(jié)方向電機(jī)轉(zhuǎn)速×傳動比×系數(shù)

通過以上三個關(guān)系，只要獲取了PLC內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)，就能夠反映出該設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況。在VRML虛擬環(huán)境下，通過事件路由的思想，將參數(shù)信息傳遞給虛擬設(shè)備單元，控制單元節(jié)點(diǎn)的屬性變化，從而實現(xiàn)虛擬設(shè)備的運(yùn)動。

（2）虛擬設(shè)備故障位置的定位

在虛擬遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)中，對于一臺發(fā)生故障的機(jī)械設(shè)備，要求在進(jìn)行故障分析的同時，也能夠快速定位到故障發(fā)生的位置，并能在虛擬設(shè)備上顯示出來，并用不同的顏色區(qū)別出來［7］。由于通過結(jié)合專家診斷數(shù)據(jù)庫和軟元件邏輯尋根法，可以知道故障位置虛擬設(shè)備節(jié)點(diǎn)的名稱，根據(jù)這一對應(yīng)關(guān)系，設(shè)置一個新的路由，通過路由改變節(jié)點(diǎn)的顏色屬性值就可以了。圖8即為“印刷”項目中故障點(diǎn)的定位。

圖8 故障節(jié)點(diǎn)顯示

以下的程序定義了ColorInterpolator插補(bǔ)器，還定義了TimeSensor時間傳感器，并設(shè)置了有效的路由路徑，該段程序代碼的功能是實現(xiàn)設(shè)備顏色的閃爍。在進(jìn)行故障位置定位時，只需經(jīng)鎖定故障位置節(jié)點(diǎn)名稱后，執(zhí)行該段代碼。其中“guadao”是假設(shè)故障位置節(jié)點(diǎn)的名稱，可以換掉。通過以上步驟即可為遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)搭建一個虛擬運(yùn)行平臺，在故障診斷的同時利用虛擬設(shè)備反映遠(yuǎn)程終端設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況，并且在系統(tǒng)檢測到故障點(diǎn)時，實時在虛擬設(shè)備上顯示［10］。

5 總 結(jié)

通過對遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷方法的研究，列舉遠(yuǎn)程故障診斷方法在實際項目中的應(yīng)用實例，對提出的三種故障診斷方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并給出三種方法結(jié)合使用的邏輯結(jié)構(gòu)，最終證明其正確性和可行性，可以應(yīng)用于相關(guān)的工程項目。

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