包裝機信號故障自動判斷功能的實現

鄭 海 鄭 龍

(中國石油蘭州石化公司設備維修公司)

包裝機信號故障自動判斷功能的實現

鄭 海 鄭 龍

(中國石油蘭州石化公司設備維修公司)

為了縮短某裝置包裝線的包裝機故障信號的判斷時間并降低維護工作量，在不改變原程序的基礎上，利用原OMRON CQM PLC的空閑寄存器資源進行編程，同時將故障代碼通信至新增數碼管顯示器進行顯示，實現了包裝線包裝機故障信號的自動判斷，使得故障處理過程標準化，并增強了維護工作的通用性。

故障判斷 包裝機 順控程序 標準化 通用性

某生產裝置的包裝機于1999年投用，已連續使用十五年，現場檢測和執行元件多、動作頻率高、控制系統內部邏輯復雜且故障不易判斷。目前，主流包裝機的稱重和臺車送袋部分，均以伺服電機作為執行機構。而該包裝機的下料稱重部分采用氣缸實現粗流和精流調節，臺車送袋也由氣缸控制。長時間的使用和頻繁動作使得氣缸和相應的機械部件磨損嚴重，時常有機械位置不到位，而檢測元件卻無法檢測到信號的情況發生。信號線、控制柜電氣元件和現場檢測元件老化，硬件故障率逐年上升。

包裝機現場利用各類光電和接近開關作為檢測元件，通過OMRON CQM PLC內部控制程序輸出信號至電磁閥，控制氣缸完成各類動作的執行。該套PLC無上位監控設備，PLC程序的在線監測功能需要安裝有CX-PROGRAMMER編程軟件的筆記本電腦，通過PLC自帶串口通信實現。PLC的輸入輸出卡件利用內部固態繼電器進行隔離，長時間使用造成輸入輸出通道工作不可靠，增加了故障處理難度。

1 包裝機維護工作現狀

OMRON CQM PLC系統的集成度高，操作工和維護人員對其內部程序無法實現實時監測。操作人員對工藝條件不滿足造成的故障無法進行快速判斷，只能通過儀表維護人員對故障進行排除來確定引發故障的原因，如包裝機輸入風壓波動，造成運行時不能正常夾袋；操作人員停電順序不當使得真空泵管線進水，真空度降低，開袋真空開關未檢測到正常真空，出現反復吹袋等現象。由于工藝和機電儀綜合故障的頻發，致使維護人員工作量增加。

若出現檢測元件自身原因或機械位置未到位而造成的故障，由于包裝機故障隱蔽性較強，判斷方法沒有明確的參考標準，維護人員通過簡單現象分析故障原因需要花費較長時間。當故障無法判斷時，只能通過編程軟件對PLC中的程序進行在線測試來判斷輸入輸出信號是否到位。由于部分故障的判斷涉及到復雜的邏輯，因此日常維護經驗在故障分析中起到了決定性的作用。該類包裝機相比其他常規儀表的維護工作來說，通用性較低。

2 增加信號故障自動判斷功能的目的

為了使包裝機的故障判斷與處理過程實現標準化，降低工作人員的維護經驗在故障判斷過程中的作用比重，降低包裝線的整體維護工作量，需要使包裝機信號故障判斷過程實現自動化，讓操作人員和無該類設備維護經驗的工作人員能夠通過故障代碼快速對故障進行判斷和處理。

3 包裝機信號故障自動判斷功能的實現

由于該包裝機由PLC進行邏輯控制，所以筆者采用PLC內部豐富的空閑寄存器資源，在不變更原程序和增加過多外部設備的基礎上，實現包裝機信號故障自動判斷的功能。根據包裝機的動作過程具有周期性的特點，以全部程序執行一次作為一個程序周期。在一個程序周期內所有動作的執行都環環緊扣，某個動作不到位會使下一個或下幾個動作都無法正常執行。依據這一特點，對信號的翻轉狀態進行鎖定。每實現一個動作便對標志位進行累加，將前一步的判斷標志作為下一步的判斷條件，使所有判斷程序實現順控功能，已鎖定的信號便可以按照動作順序實現同步累加。

首先按照實際動作順序合理劃分程序段，并且提取每個動作的判斷條件。然后將每個判斷條件對應一個鎖存位，按照順序依次定義判斷程序，最后增加復位和通信功能。通過對原程序的觀察可以判斷，在包裝機正常工作時所有的檢測元件在一個程序周期內至少會翻轉一次。當某個信號發生故障時，包裝機會保持當前狀態不再繼續動作，后續動作的檢測信號在該程序周期內便不可能發生翻轉。在包裝程序正常執行時，累加值會隨動作的傳遞自動累加，在不發生故障的情況下，每當包裝機執行完一個程序周期后，借助包裝機最后一個動作的標志位，對累加值和鎖存標志位進行自動清零和復位，即可實現判斷程序的自動循環。

3.1 實現步驟

3.1.1 程序段的劃分

圖1為原包裝機程序樹形圖，以原程序的編程順序為基礎，按照不同動作的執行順序劃分。圖2為增加動作判斷程序段后的樹形圖，該樹形圖在包裝機原程序段不變的基礎上，按照包裝機執行順序分為30段，加一個復位段，共新增31個程序段。30個程序段代表一個程序周期內包裝機正常運行必須執行的30個動作。

圖1 原包裝機程序樹形圖

圖2 增加動作判斷程序段后的樹形圖

3.1.2 判斷條件的提取

圖3為原程序預啟動邏輯，是包裝機原程序中第1個必須執行的動作。以該動作為例來說明判斷條件的提取方法，線圈116.00為預啟動中間變量的線圈，可以看出，影響116.00線圈得電的條件有0.09(包裝系統啟動按鈕)、0.08(包裝系統停止按鈕)和0.06(手動抱夾選擇開關)。使原程序中常開和常閉點的狀態保持不變，在預啟動判斷程序段中編程，如圖4所示，分別將每個條件對應一個鎖存位。0.09常開點對應輸出4.01，0.08常開點對應輸出4.02，0.06常閉點對應輸出4.03。4.01、4.02、4.03均為空閑寄存器。“SET”指令表示只要輸入條件滿足，便會對相應位進行置位，即使信號丟失，不會影響鎖存位的狀態，達到了鎖存效果。

圖3 原程序中預啟動邏輯

圖4 預啟動判斷鎖存邏輯

由于部分判斷條件參與了不同動作的判斷，就造成部分故障代碼可能重復出現。如果將重復條件刪除，對判斷條件進行重新排序，則會出現一部分動作無可用判斷條件的情況。因此，為了簡化判斷條件的提取過程，同時使判斷條件與包裝機的實際動作同步，判斷條件完全按照原程序的結構和順序進行提取。一個故障可能有多個不同的故障代碼，但并不影響實際故障判斷效果。

3.1.3 標志位的累加與轉換

結合圖4的預啟動判斷鎖存邏輯與圖5的啟動條件判斷邏輯，當包裝系統啟動按鈕0.09輸入信號未到位，即包裝機還未啟動之前，4.01常閉點處于閉合狀態，中間變量34.01線圈得電，其常開點閉合，使帶有下降沿微分判斷功能的34.02線圈得電。34.02下降沿微分常開點不滿足條件不閉合，聯鎖邏輯段未得電，不執行其邏輯段內程序。聯鎖邏輯段IL和ILC之間的程序包括一個BCD碼累加功能塊和一個數據轉換塊。

圖5 啟動條件判斷邏輯

當包裝系統啟動按鈕0.09輸入信號到位后，4.01置位1，同時4.01位的常閉點斷開，34.01線圈失電。34.01常開點斷開，34.02線圈失電。當34.02下降沿微分常開點檢測到失電信號后，其狀態發生翻轉，互鎖程序段滿足條件后執行，累加標志加1，同時將累加值轉換為ASCII碼，存于地址D200中。

3.1.4 判斷條件之間順控功能的實現

由于包裝機PLC系統上電后，所有檢測信號的初始狀態不可能完全一致，部分檢測信號在PLC上電后就處于得電狀態。說明PLC在上電瞬間，部分檢測信號便實現了鎖存位的置位，若只對置位的判斷條件進行簡單累加，則累計標志無法和實際動作同步。因此，只有在信號判斷鎖存的基礎上按照包裝機正常的動作順序，在各個判斷信號之間加入順控條件，才能實現判斷功能與實際動作的同步。

結合圖4的預啟動判斷鎖存邏輯和圖6的停止條件判斷邏輯，當包裝系統停止按鈕0.08信號到位后，4.02置位1，4.02位的常閉點斷開。從程序中可以看出，啟動按鈕的中間變量34.01與4.02的常閉點并聯后輸出控制34.04位，兩者為“或”的關系。要使34.04線圈失電，4.02的常閉接點和34.01的常開接點要同時斷開，說明該程序段中停止按鈕信號的判斷條件受到上一步的影響。如果前一步啟動按鈕判斷條件未滿足，使34.01線圈處于得電狀態，即使當前步的判斷條件4.02到位，其常閉接點斷開，34.04線圈也不會失電，當前判斷程序的標志位便不會實現累加。因此，在每個判斷條件的程序段中，加入前一個動作判斷條件的中間變量，是觸發當前判斷程序段的必要條件。前一個動作判斷條件的翻轉使當前程序段成為活動程序段，實現了與順控程序相同的功能。

圖6 停止條件判斷邏輯

為了增強累加標志判斷的可靠性，在每一個累加標志位的輸入條件中加入上一步的鎖存位，即當前步的中間變量34.05和前一步的鎖存位4.01共同滿足，才能使當前步累加標志位實現累加。

表1是截取的部分連續判斷條件鎖存位，以此為例，假設了包裝機某個動作瞬間判斷條件的狀態。當包裝機由于4.03信號故障停止后，它之后的判斷條件無論是否為1，均不會累加進標志位，也就是說標志位累加到4.03便停止了。同時，也說明4.03之前所有的判斷條件必定為1。當前累加標志位的值為2，是4.01和4.02之和，2作為4.03信號故障代碼，與實際故障信號同步。較為特殊的是首個信號的故障代碼，當第1個信號發生故障時，故障代碼便是累加的最大值，說明第1個判斷信號故障。

表1 鎖存位累加判斷示例

3.1.5 累加值的清零和鎖存標志復位

當包裝機由于某個信號故障而停止動作后，標志位的累加值便是當前故障信號的代碼。當故障消除后，重新啟動包裝機時PLC內部程序會從頭執行，在此之前，必須通過手動輸入按鈕對當前累加值進行清零并將動作鎖存標志復位，才能使包裝機動作和判斷程序都回到起始位置，實現判斷功能與實際動作的同步。

當包裝機正常工作時，在未出現信號故障的情況下，所有鎖存位均會置位1，累加值是個動態累積過程。一個程序周期結束標志著一次判斷過程也同時結束，這時需要對該判斷過程的鎖存位進行復位，并對累加值清零，以便在下一個程序周期內繼續實現累加和鎖存功能。如圖7所示，當一個程序周期執行完畢后，以最后一個動作輸出線圈101.4和最后一個信號鎖存位33.5共同作為累加值清零和鎖存位復位的條件。

3.1.6 通信輸出和顯示

通信輸出利用該PLC CPU自帶的RS232串口實現，外接數碼管顯示器，屬第三方設備，因此采用無協議通信方式，通過PLC的TXD指令直接輸出至顯示設備。顯示設備為LED_COM-01-RS232型串口數碼管電子看板LED數碼顯示器，由于顯示設備只接收ASCII代碼，因此需要每個判斷程序段將當前累加值轉換為ASCII格式。通信程序段的累加值轉換和通信邏輯如圖8所示。

圖7 判斷條件復位邏輯

圖8 累加值轉換和通信邏輯

3.2 故障信號查詢和故障處理方法

將每個判斷條件對應的故障代碼進行整理，制作表格并張貼在包裝機操作臺附近。若包裝機在正常運行過程中突然停止，操作人員應當首先確定包裝機控制柜上數碼管所顯示的故障代碼，然后根據故障代碼查找出對應信號的地址和名稱，并根據實際情況，判斷該信號故障的原因是否由于工藝條件未滿足造成，如某個真空開關接點未翻轉，可以先判斷真空系統是否存在故障，若存在故障，對故障進行排除后，按下數碼管顯示器旁的復位按鈕，對故障代碼進行復位，然后重新開機。若包裝機仍然出現相同的故障代碼，則聯系儀表維護人員對故障進行進一步查詢。

儀表維護人員根據故障代碼檢查相應判斷信號條件是否滿足，即前一步動作是否執行到位。若不到位，檢查并測試前一步動作相關執行機構是否正常工作，包括電磁閥信號是否到位、電磁閥是否正常切換及氣缸是否正常動作等。若前一步動作到位，則檢查該故障信號通道是否正常，包括信號檢測元件供電、接線是否完好、PLC通道指示燈是否正常等。

4 結束語

信號故障自動判斷功能的增加可以促進實際操作更加規范。當出現由于操作疏忽造成的故障時，操作人員可以通過故障信號的指示快速判斷。儀表維護人員處理包裝機故障的過程也更為標準，使檢修標準化程度提高，包裝機檢修方法的通用性也隨之增強。

利用PLC系統的邏輯運算功能，按照實際使用要求靈活編程，可以使故障處理過程標準化，并增強維護工作的通用性，具有較高的應用價值。由于PLC型號和編程者水平的限制，部分功能的程序編寫較為繁瑣，如，該型號PLC中的復位指令只能對每一位進行，造成編程工作量增加。實現信號故障自動判斷功能的編程方法并非僅此一種，根據不同機型，可以用更先進的指令和更加簡潔的方法簡化程序，這里只是重點對編程思路進行介紹。信號故障自動判斷功能并不局限于某一類控制系統，可以基于軟件層面，利用各類控制系統強大的軟件資源對輸入信號進行快速準確的判斷，來滿足實際生產要求，使控制程序更為智能化，優化復雜邏輯的判斷方法，提高生產設備整體可靠性。立足于不同控制系統，將信號故障判斷程序模塊化應用是今后的發展方向。

鄭海(1987-)，技術員，從事石化設備儀表維護工作，zhenghyb@petrochina.com.cn。

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2016-01-14，

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