PLC在機電設備故障診斷中的應用

張恒飛

（貴州航空職業技術學院 貴州·貴陽 550009）

目前，PLC技術的應用極為廣泛和普遍，從機械臂、到軋鋼生產線，這些都會用到PLC技術，只是在實際應用中，根據不同的控制類型或者控制系統的規模，會有相應的差別。因此，對PLC在機電設備故障診斷中應用的探討有其必要性。

1 PLC的功能與應用

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況主要分為如下幾類：

1.1 開關量邏輯控制

取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

1.2 工業過程控制

在工業生產過程當中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的量（即模擬量），PLC采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的一種調節方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

1.3 運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊，如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

2 PLC控制系統常見的故障類型

2.1 外部設備故障

機電設備自身在實際應用中起到非常重要的影響和作用，所以一旦其自身的任何一項環節當中出現故障問題，都會直接對其自身的運行質量和狀態產生影響。因此，要加強對機電設備系統當中可能會存在的故障可題進行詳細分析和研究，這樣才能采取有針對性的對策來對其進行解央。外部設備故障主要是與各種開關、執行機構以及傳感器等直接的聯系，在實際過程當中應用的設備，如果這些設備在實際應用過程中，出現故障可題，那么會對整個系統自身的運行，以其自身控制功能使用造成影響。在PLC控制系統出現故障問題的時候，由于到各種原因的影響，其中包括人為因素或者機械自身存在問題，這些暴露在設備外部損害屬于常見故障類型。

2.2 軟件故障

軟件故障指的是PLC控制系統的軟件出現問題，可能是由編程錯誤、病毒攻擊、人為毀壞等多種原因造成。在PLC控制系統中軟件系統承擔著“發號施令”的作用，一般出現軟件故障后系統基本上不能正常運轉。由于實際工作環境的限制，軟件面臨工作復雜、工作量大等一系列難以解決的問題，因而軟件故障幾乎難以避免。

2.3 硬件故障

PLC控制系統是一個構成復雜的龐大系統，內含許多硬件設備，除了各種外部設備以外，還存在許多隱藏在系統內部的硬件設備，這類設備通常是指PLC控制系統的模板。由于這些硬件隱藏較深，容易被維修人員忽略，而且這類硬件故障給整個PLC控制系統帶來的多數是局部影響，不會引起特別惡劣的后果，因此根據工作經驗一般很難發現其故障問題。一般需在多次確診、排除其他故障以后，工作人員才會在二次檢修中發現此種問題并進行處理。

3 PLC診斷機電設備故障的基本原理

機電設備的故障信號有開關量和模擬量之分，PLC采用不同的方法對這兩種信號對應的故障進行診斷。

3.1 開關量信號的故障診斷

PLC對開關量信號的識別是通過其開關量輸入模塊完成的。

PLC控制機電設備時，設備中的壓力、溫度、液位、行程開關及操作按鈕等開關量傳感器與PLC的輸入端子相連，每個輸入端子在PLC的數據區中分配有一個“位”，每個“位”在內存中為一個地址。輸入“位”的工作原理IN代表開關量輸入，COM為信號公共端。IN為ON時，光敏三級管飽和導通，否則截止。故PLC的內部電路可以“感知”開關信號的有無。讀取PLC輸入位的狀態值可作為識別開關量故障信號的根據。診斷開關量故障的過程，實質就是將PLC正常的輸入位狀態值與相應的輸入位的實際狀態值相比較的過程。如果二者比較的結果是一致的，則表明機電設備處于正常工況，不一致則表明對應輸入位的設備部位處于故障工況。這就是PLC診斷基于開關量信號故障的基本原理。

這種診斷方法，故障定位準確，可進行實時在線診斷。通過PLC的梯形圖編程，還可將故障診斷融入過程控制，達到保護機電設備的目的。

3.2 模擬量信號的故障診斷

PLC對模擬量信號的識別是通過 PLC的模擬量輸入輸出模塊來完成的。模擬量輸入輸出模塊采用A/D轉換原理，輸入端接收來自傳感器或信號發生器的模擬信號，輸出端輸出的模擬信號作用于PLC的控制對象。

PLC診斷模擬量故障的過程，實質就是將在相應A/D通道讀到的監測信號的模擬量的實際值與系統允許的極限值相比較的過程。如果比較的結果是實際值遠離極限值，則表明機電設備對應的受監控部位處于正常狀態，如果實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態。判斷故障發生與否的極限值根據實際系統相應的參數變化范圍確定，利用PLC上的模擬量設定開關可精確設置該極限值。

當模擬量的實際值達到模擬量設定開關的設定值，PLC還能按照一定的邏輯關系啟動開關量模塊上的輸出位，或者從PLC的通訊口主動發起通訊，從而輸出故障診斷的結果，并據此實現對機電設備的控制。

3.3 中斷方式的故障診斷

PLC的中斷方式有：

（1）輸入中斷。開關量模塊的輸入位IN變為ON時，由PLC的CPU執行的中斷。

（2）間隔定時器中斷。由一定精度的間隔定時器啟動執行的中斷。

（3）高速計數器中斷。根據PLC內裝的高速計數器的當前值執行的中斷。

其中，輸入中斷特別適合于機電設備的故障診斷。它對應于工業計算機的硬中斷，屬于外部中斷，但PLC的輸入中斷可用 PLC的外部指令來屏蔽。將機電設備的故障信號作為PLC的輸入中斷源，一旦出現故障信號，CPU立即響應，停止正在執行的程序，轉到中斷子程序中去，即可方便地對故障進行處理。它與直接利用PLC的內部邏輯完成故障診斷的不同之處在于：采用輸入中斷處理故障時，可停止PLC主程序的執行過程，而直接利用PLC的輸入和內部邏輯處理故障時，PLC的主程序仍處于運行狀態。因此，要根據故障對機電設備的影響程度選擇合適的故障診斷方式。PLC的輸入中斷方式對后果嚴重的突發故障的處理特別有用。

3.4 PLC在故障診斷系統中的作用

故障診斷系統是典型的人機系統，根據系統中的信息流向和功能劃分的結果，基于計算機智能化的故障診斷系統。

實現信息源從輸入模塊到輸出模塊的全自動流向，減少人在其中的干預作用，是機電設備對其故障診斷系統的要求。采用PLC的故障診斷系統，有助于實現故障診斷過程的自動化。

4 數控機床故障診斷案例

4.1 甄別PLC內外部故障實例

配備820數控系統的某加工中心，產生7035號報警，查閱報警信息為工作臺分度盤不回落。在SINUMERIK 810／820S數控系統中，7字頭報警為PLC操作信息或機床廠設定的報警，指示CNC系統外的機床側狀態不正常。處理方法是，針對故障的信息，調出PLC輸入/輸出狀態與拷貝清單對照。

工作臺分度盤的回落是由工作臺下面的接近開關SQ25、SQ28來檢測的，其中SQ28檢測工作臺分度盤旋轉到位，對應PLC輸入接口110.6，SQ25檢測工作臺分度盤回落到位，對應PLC輸入接口110.0。工作臺分度盤的回落是由輸出接口Q4.7通過繼電器KA32驅動電磁閥YV06動作來完成。

從PLC STATUS中觀察，110.6為“1”，表明工作臺分度盤旋轉到位，I10.0為“0”，表明工作臺分度盤未回落，再觀察Q4.7為“0”，KA32繼電器不得電，YV06電磁閥不動作，因而工作臺分度盤不回落產生報警。

處理方法：手動YV06電磁閥，觀察工作臺分度盤是否回落，以區別故障在輸出回路還是在PLC內部。

4.2 診斷接近開關故障實例

某立式加工中心自動換刀故障。

故障現象：換刀臂平移到位時，無拔刀動作。

ATC動作的起始狀態是：（1）主軸保持要交換的舊刀具。（2）換刀臂在B位置。（3）換刀臂在上部位置。（4）刀庫已將要交換的新刀具定位。

自動換刀的順序為：換刀臂左移（B→A）→換刀臂下降（從刀庫拔刀）→換刀臂右移（A→B）→換刀臂上升→換刀臂右移（B→C，抓住主軸中刀具）→主軸液壓缸下降（松刀）→換刀臂下降（從主軸拔刀）→換刀臂旋轉180°（兩刀具交換位置）→換刀臂上升（裝刀）→主軸液壓缸上升（抓刀）→換刀臂左移（C→B）→刀庫轉動（找出舊刀具位置）→換刀臂左移（B→A，返回舊刀具給刀庫）→換刀臂右移（A→B）→刀庫轉動（找下把刀具）。換刀臂平移至C位置時，無拔刀動作，分析原因，有幾種可能：

（1）SQ2無信號，使松刀電磁閥YV2未激磁，主軸仍處抓刀狀態，換刀臂不能下移。

（2）松刀接近開關SQ4無信號，則換刀臂升降電磁閥YV1狀態不變，換刀臂不下降。

（3）電磁閥有故障，給予信號也不能動作。

逐步檢查，發現SQ4未發信號，進一步對SQ4檢查，發現感應間隙過大，導致接近開關無信號輸出，產生動作障礙。

5 結論

PLC可為機電設備的故障診斷提供強有力的技術支持。在進行故障診斷系統的設計時，根據診斷系統的功能要求，選用適當的PLC，可豐富和完善診斷系統的功能。隨著PLC新產品的研制成功，它在故障診斷領域將有更廣闊的應用前景。

在實際工作中由于PLC系統內部設置有編程程序，它可以自我檢測出一些常規故障問題，工作人員在處理故障之時大可不必手忙腳亂、不知所措，往往只需要1把螺絲刀和1個萬用表就可以解決一些故障。不過，在故障的實際處理階段，工作人員必須注重經驗的積累，從而有助于處理一些基本的故障問題。