PLC在機(jī)電設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用

張恒飛

（貴州航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州·貴陽 550009）

目前，PLC技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛和普遍，從機(jī)械臂、到軋鋼生產(chǎn)線，這些都會(huì)用到PLC技術(shù)，只是在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的控制類型或者控制系統(tǒng)的規(guī)模，會(huì)有相應(yīng)的差別。因此，對PLC在機(jī)電設(shè)備故障診斷中應(yīng)用的探討有其必要性。

1 PLC的功能與應(yīng)用

目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類：

1.1 開關(guān)量邏輯控制

取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。

1.2 工業(yè)過程控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量（即模擬量），PLC采用相應(yīng)的A/D和D/A轉(zhuǎn)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(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)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(yīng)用。

1.3 運(yùn)動(dòng)控制

PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊，如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場合。

2 PLC控制系統(tǒng)常見的故障類型

2.1 外部設(shè)備故障

機(jī)電設(shè)備自身在實(shí)際應(yīng)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(xiàng)環(huán)節(jié)當(dāng)中出現(xiàn)故障問題，都會(huì)直接對其自身的運(yùn)行質(zhì)量和狀態(tài)產(chǎn)生影響。因此，要加強(qiáng)對機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中可能會(huì)存在的故障可題進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，這樣才能采取有針對性的對策來對其進(jìn)行解央。外部設(shè)備故障主要是與各種開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器等直接的聯(lián)系，在實(shí)際過程當(dāng)中應(yīng)用的設(shè)備，如果這些設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)故障可題，那么會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)自身的運(yùn)行，以其自身控制功能使用造成影響。在PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題的時(shí)候，由于到各種原因的影響，其中包括人為因素或者機(jī)械自身存在問題，這些暴露在設(shè)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(tǒng)的軟件出現(xiàn)問題，可能是由編程錯(cuò)誤、病毒攻擊、人為毀壞等多種原因造成。在PLC控制系統(tǒng)中軟件系統(tǒng)承擔(dān)著“發(fā)號施令”的作用，一般出現(xiàn)軟件故障后系統(tǒng)基本上不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于實(shí)際工作環(huán)境的限制，軟件面臨工作復(fù)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(tǒng)是一個(gè)構(gòu)成復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，內(nèi)含許多硬件設(shè)備，除了各種外部設(shè)備以外，還存在許多隱藏在系統(tǒng)內(nèi)部的硬件設(shè)備，這類設(shè)備通常是指PLC控制系統(tǒng)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(gè)PLC控制系統(tǒng)帶來的多數(shù)是局部影響，不會(huì)引起特別惡劣的后果，因此根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)一般很難發(fā)現(xiàn)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(huì)在二次檢修中發(fā)現(xiàn)此種問題并進(jìn)行處理。

3 PLC診斷機(jī)電設(shè)備故障的基本原理

機(jī)電設(shè)備的故障信號有開關(guān)量和模擬量之分，PLC采用不同的方法對這兩種信號對應(yīng)的故障進(jìn)行診斷。

3.1 開關(guān)量信號的故障診斷

PLC對開關(guān)量信號的識別是通過其開關(guān)量輸入模塊完成的。

PLC控制機(jī)電設(shè)備時(shí)，設(shè)備中的壓力、溫度、液位、行程開關(guān)及操作按鈕等開關(guān)量傳感器與PLC的輸入端子相連，每個(gè)輸入端子在PLC的數(shù)據(jù)區(qū)中分配有一個(gè)“位”，每個(gè)“位”在內(nèi)存中為一個(gè)地址。輸入“位”的工作原理IN代表開關(guān)量輸入，COM為信號公共端。IN為ON時(shí)，光敏三級管飽和導(dǎo)通，否則截止。故PLC的內(nèi)部電路可以“感知”開關(guān)信號的有無。讀取PLC輸入位的狀態(tài)值可作為識別開關(guān)量故障信號的根據(jù)。診斷開關(guān)量故障的過程，實(shí)質(zhì)就是將PLC正常的輸入位狀態(tài)值與相應(yīng)的輸入位的實(shí)際狀態(tài)值相比較的過程。如果二者比較的結(jié)果是一致的，則表明機(jī)電設(shè)備處于正常工況，不一致則表明對應(yīng)輸入位的設(shè)備部位處于故障工況。這就是PLC診斷基于開關(guān)量信號故障的基本原理。

這種診斷方法，故障定位準(zhǔn)確，可進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dá)到保護(hù)機(jī)電設(shè)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(zhuǎn)換原理，輸入端接收來自傳感器或信號發(fā)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(shí)質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道讀到的監(jiān)測信號的模擬量的實(shí)際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較的過程。如果比較的結(jié)果是實(shí)際值遠(yuǎn)離極限值，則表明機(jī)電設(shè)備對應(yīng)的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài)，如果實(shí)際值接近或達(dá)到極限值，則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定，利用PLC上的模擬量設(shè)定開關(guān)可精確設(shè)置該極限值。

當(dāng)模擬量的實(shí)際值達(dá)到模擬量設(shè)定開關(guān)的設(shè)定值，PLC還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動(dòng)開關(guān)量模塊上的輸出位，或者從PLC的通訊口主動(dòng)發(fā)起通訊，從而輸出故障診斷的結(jié)果，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)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(guān)量模塊的輸入位IN變?yōu)镺N時(shí)，由PLC的CPU執(zhí)行的中斷。

（2）間隔定時(shí)器中斷。由一定精度的間隔定時(shí)器啟動(dòng)執(zhí)行的中斷。

（3）高速計(jì)數(shù)器中斷。根據(jù)PLC內(nèi)裝的高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值執(zhí)行的中斷。

其中，輸入中斷特別適合于機(jī)電設(shè)備的故障診斷。它對應(yīng)于工業(yè)計(jì)算機(jī)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(jī)電設(shè)備的故障信號作為PLC的輸入中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，CPU立即響應(yīng)，停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)到中斷子程序中去，即可方便地對故障進(jìn)行處理。它與直接利用PLC的內(nèi)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(shí)，可停止PLC主程序的執(zhí)行過程，而直接利用PLC的輸入和內(nèi)部邏輯處理故障時(shí)，PLC的主程序仍處于運(yùn)行狀態(tài)。因此，要根據(jù)故障對機(jī)電設(shè)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(yán)重的突發(fā)故障的處理特別有用。

3.4 PLC在故障診斷系統(tǒng)中的作用

故障診斷系統(tǒng)是典型的人機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中的信息流向和功能劃分的結(jié)果，基于計(jì)算機(jī)智能化的故障診斷系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)信息源從輸入模塊到輸出模塊的全自動(dòng)流向，減少人在其中的干預(yù)作用，是機(jī)電設(shè)備對其故障診斷系統(tǒng)的要求。采用PLC的故障診斷系統(tǒng)，有助于實(shí)現(xiàn)故障診斷過程的自動(dòng)化。

4 數(shù)控機(jī)床故障診斷案例

4.1 甄別PLC內(nèi)外部故障實(shí)例

配備820數(shù)控系統(tǒng)的某加工中心，產(chǎn)生7035號報(bào)警，查閱報(bào)警信息為工作臺分度盤不回落。在SINUMERIK 810／820S數(shù)控系統(tǒng)中，7字頭報(bào)警為PLC操作信息或機(jī)床廠設(shè)定的報(bào)警，指示CNC系統(tǒng)外的機(jī)床側(cè)狀態(tài)不正常。處理方法是，針對故障的信息，調(diào)出PLC輸入/輸出狀態(tài)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(guān)SQ25、SQ28來檢測的，其中SQ28檢測工作臺分度盤旋轉(zhuǎn)到位，對應(yīng)PLC輸入接口110.6，SQ25檢測工作臺分度盤回落到位，對應(yīng)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(qū)動(dòng)電磁閥YV06動(dòng)作來完成。

從PLC STATUS中觀察，110.6為“1”，表明工作臺分度盤旋轉(zhuǎn)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(dòng)作，因而工作臺分度盤不回落產(chǎn)生報(bào)警。

處理方法：手動(dòng)YV06電磁閥，觀察工作臺分度盤是否回落，以區(qū)別故障在輸出回路還是在PLC內(nèi)部。

4.2 診斷接近開關(guān)故障實(shí)例

某立式加工中心自動(dòng)換刀故障。

故障現(xiàn)象：換刀臂平移到位時(shí)，無拔刀動(dòng)作。

ATC動(dòng)作的起始狀態(tài)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(dòng)換刀的順序?yàn)椋簱Q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(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)（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(zhuǎn)動(dòng)（找下把刀具）。換刀臂平移至C位置時(shí)，無拔刀動(dòng)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(tài)，換刀臂不能下移。

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

（3）電磁閥有故障，給予信號也不能動(dòng)作。

逐步檢查，發(fā)現(xiàn)SQ4未發(fā)信號，進(jìn)一步對SQ4檢查，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)間隙過大，導(dǎo)致接近開關(guān)無信號輸出，產(chǎn)生動(dòng)作障礙。

5 結(jié)論

PLC可為機(jī)電設(shè)備的故障診斷提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)診斷系統(tǒng)的功能要求，選用適當(dāng)?shù)腜LC，可豐富和完善診斷系統(tǒng)的功能。隨著PLC新產(chǎn)品的研制成功，它在故障診斷領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

在實(shí)際工作中由于PLC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有編程程序，它可以自我檢測出一些常規(guī)故障問題，工作人員在處理故障之時(shí)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(gè)萬用表就可以解決一些故障。不過，在故障的實(shí)際處理階段，工作人員必須注重經(jīng)驗(yàn)的積累，從而有助于處理一些基本的故障問題。