引言
按以上故障診斷原理構(gòu)造的故障診斷系統(tǒng)在火電廠輸煤plc控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。從實際運行來看，故障診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確而迅速地判斷出故障的原因，方便運行人員維護(hù)和檢修，大大地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平。這種設(shè)計對類似的工業(yè)控制系統(tǒng)提供了一定的參考。
1 簡介
plc作為一種成熟穩(wěn)定可靠的控制器，目前已經(jīng)在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。plc系統(tǒng)的設(shè)計直接影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的安全可靠運行。一個完善的plc系統(tǒng)除了能夠正常運行，滿足工業(yè)控制的要求，還必須能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時進(jìn)行故障診斷和故障處理。故障自診斷功能是工業(yè)控制系統(tǒng)的智能化的一個重要標(biāo)志，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實用價值。
故障診斷一般有兩種途徑：故障樹方法和專家系統(tǒng)方法。故障樹方法利用系統(tǒng)的故障邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯推理，由錯誤的輸出找到可能的輸入錯誤。這種方法比較適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，各部分耦合少的情況。專家系統(tǒng)方法通過建立系統(tǒng)故障的知識庫與推理機(jī)，計算機(jī)借助現(xiàn)場的數(shù)據(jù)利用知識庫和推理機(jī)進(jìn)行深入的邏輯推理，找出故障原因。這種方法適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分耦合強(qiáng)的大型工業(yè)系統(tǒng)。
本文根據(jù)故障樹推理與專家經(jīng)驗規(guī)則推理相結(jié)合的方法，以某火電廠輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)計為例，介紹了一種利用plc和上位計算機(jī)進(jìn)行故障診斷的plc系統(tǒng)設(shè)計。
2 系統(tǒng)設(shè)計
故障診斷系統(tǒng)建立在基于plc和上位計算機(jī)組成的控制系統(tǒng)上。plc在故障診斷系統(tǒng)中的功能主要是完成輸煤系統(tǒng)設(shè)備故障信號檢測、預(yù)處理，轉(zhuǎn)化存儲并傳輸給上位計算機(jī)。上位計算機(jī)由于具有強(qiáng)大的科學(xué)計算功能，利用專家知識和專家?guī)?，完成從故障特征到故障原因的識別工作。并通過人機(jī)界面，給出故障定位，報告和解釋故障診斷結(jié)果，并為操作員給出相應(yīng)的排除故障的建議。
3 plc程序設(shè)計
在進(jìn)行故障診斷設(shè)計時，首先必須對整個系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)的故障層次結(jié)構(gòu)，利用這種層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷部分的設(shè)計。以火電廠輸煤控制系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)為例。為了描述簡單，這里作了一定的簡化。圖1為系統(tǒng)的故障層次結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)的層次性為故障診斷提供了一個合理的層次模型。在進(jìn)行系統(tǒng)的plc梯形圖程序設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到故障結(jié)構(gòu)的層次，合理安排邏輯流程。在引入故障輸入點時應(yīng)注意：必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測點引入plc，以便系統(tǒng)能及時進(jìn)行故障處理;應(yīng)在系統(tǒng)允許的條件下盡可能多的將最底層的故障輸入信息引入plc的程序中，以便得到更多的故障檢測信息為系統(tǒng)的故障自診斷提供服務(wù)。
?。?） 故障點的記錄
為了得到系統(tǒng)的故障情況實現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷，plc必須將所有故障檢測點的狀態(tài)反映給內(nèi)部寄存器，圖2是用來記錄故障點的部分程序。
ir4.02是輸入的io節(jié)點，表示a側(cè)皮帶信號，當(dāng)輸煤系統(tǒng)使用a側(cè)皮帶正常運行時4.02的值為1，當(dāng)4.02變?yōu)?時，說明a側(cè)皮帶信號出了故障，此時利用上升沿微分指令記錄這次的信號跳變。這樣這次事故就記錄在ir31.00中。程序設(shè)計中將ir31作為記錄底層故障信息的寄存器，由于內(nèi)部寄存器ir有16位，所以能夠記錄16種不同的故障原因。如果有更多的故障需要記錄，可以設(shè)置多個寄存器字。需要說明的是，有時引起故障的原因可能不止一個，往往一個故障會引起另一些故障的發(fā)生，因此還有關(guān)鍵的一點是程序要能記錄最先發(fā)生的故障。這也需要通過plc編程實現(xiàn)，程序只對最開始發(fā)生的故障敏感。
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?。?） 多次故障事件的記錄
由于系統(tǒng)實際長時間的運行中，可能會出現(xiàn)多次故障，為了檢修和維護(hù)方便，還需要plc能夠?qū)⒍啻喂收鲜录涗浵聛?。omronc200h型plc的數(shù)據(jù)存儲區(qū)（dm區(qū)）可以間接尋址，利用這一點，可以在dm區(qū)劃出一定的區(qū)域，用來記錄每次故障事件，包括故障類型和事件發(fā)生的時間（日期，小時，分鐘，秒）。這一段dm區(qū)域可以循環(huán)記錄，實際使用中記錄了最后50次故障的情況，這些記錄是系統(tǒng)運行的重要資料，方便了運行人員了解設(shè)備情況，對其進(jìn)行檢修和維護(hù)。
?。?） 模擬量故障的診斷
對于模擬量信號例如犁煤車，給煤車電機(jī)電流的故障診斷，首先利用模擬量模塊，接收來自電流變送器的模擬信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后與整定值或系統(tǒng)允許的極限值比較，若在允許范圍之內(nèi)則表明對應(yīng)的設(shè)備處于正常運行狀態(tài)，如果實際值接近或達(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)實際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定。
?。?） 各種故障信息的串行通信
上位機(jī)通過串行通訊及時讀取plc的內(nèi)部寄存器區(qū)的各種故障信息。利用plc的rs232通信接口，可與上位計算機(jī)進(jìn)行hostlink方式串行通信。通信時，上位計算機(jī)首先向plc發(fā)出一幀命令幀，包括操作命令、寄存器類型、起始地址與要讀取的寄存區(qū)數(shù)目等。plc收到命令幀后會做出響應(yīng)，如果沒有錯誤則向上位計算機(jī)發(fā)出響應(yīng)幀，響應(yīng)幀中包含了上位機(jī)需要查詢的寄存器值。
上位計算機(jī)通過讀取數(shù)據(jù)寄存區(qū)的值來獲取當(dāng)前plc的工作狀況，同時上位計算機(jī)對plc的控制也可通過對該區(qū)的寫操作來完成。具體的通信實現(xiàn)可以參考相關(guān)資料，這里不作詳細(xì)論述。
4 借鑒專家系統(tǒng)故障診斷方法的實現(xiàn)
系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)的層次性為故障診斷提供了一個清晰的層次模型，可以利用基于模型的故障樹法。但是在進(jìn)行比較詳盡的故障診斷以及系統(tǒng)故障存在耦合時，僅僅使用故障樹法是不夠的，必須借鑒專家系統(tǒng)的方法。
?。?） 面向?qū)ο蟮摹爸R對象”， 大大提高了故障診斷的推理效率
在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中，知識被組織成知識庫的形式，推理機(jī)進(jìn)行推理時，要從知識庫表示的所有空間中搜索所需的知識。這種方法有搜索空間大，推理效率低的缺點。“知識對象”的概念可以解決這一問題?！爸R對象”是一個邏輯概念，它利用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢⒅R源和黑板都表達(dá)為對象，在知識對象的內(nèi)部封裝了專家系統(tǒng)和推理機(jī)、解釋器。當(dāng)相應(yīng)的知識對象被激活后，就在對象內(nèi)部進(jìn)行推理，大大提高了推理效率。根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和故障推理的過程，在這里知識對象被具體化為故障節(jié)點。故障節(jié)點是進(jìn)行診斷推理的基本單位，診斷信息在故障節(jié)點間層層傳遞，故障節(jié)點內(nèi)部利用這些信息進(jìn)行推理并最終確定故障原因。
圖3為系統(tǒng)部分故障節(jié)點的層次結(jié)構(gòu)。圖3可以看出，故障節(jié)點在結(jié)構(gòu)上以虛線為分界線分為兩個部分。上一部分層次清晰，在這一部分可以采用基于故障模型的故障樹方法;下一部分由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耦合性較強(qiáng)，構(gòu)造模型困難，可采用專家系統(tǒng)的推導(dǎo)方法。
故障節(jié)點呈網(wǎng)狀分布，1個節(jié)點可能有1個或多個父節(jié)點，也可能有1個或多個子節(jié)點。子節(jié)點和父節(jié)點之間的關(guān)系由故障層次和子節(jié)點故障層次來表示。如節(jié)點1的子節(jié)點故障層次為1，而節(jié)點2和節(jié)點3的故障層次為1，則節(jié)點2和節(jié)點3是節(jié)點1的子節(jié)點。故障層次和子節(jié)點故障層次不僅指明了故障節(jié)點結(jié)構(gòu)上的層次，而且也隱含了推理規(guī)則。
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（2） 對象類型與推理節(jié)點
對象類型表示該故障節(jié)點在故障推理中的作用，它可分為3類：根節(jié)點，葉節(jié)點，推理節(jié)點。根節(jié)點的故障由它的子節(jié)點產(chǎn)生，應(yīng)到其子節(jié)點中去繼續(xù)推理。葉節(jié)點是底層故障。葉節(jié)點沒有子節(jié)點。推理節(jié)點是故障診斷規(guī)則最為集中的節(jié)點，檢測節(jié)點可以視為推理節(jié)點的子節(jié)點，它為推理節(jié)點的推理過程提供相關(guān)的信息。我們在推理節(jié)點并不是判斷該節(jié)點是否存在故障，而是利用推理節(jié)點封裝的規(guī)則庫與推理機(jī)，結(jié)合檢測節(jié)點提供的信息進(jìn)行故障推理，找出故障原因。
（3） 故障節(jié)點的檢測方式
地址段是節(jié)點的位置（本系統(tǒng)中是plc中的寄存器）。數(shù)據(jù)段根據(jù)用戶的需要可以為一個或幾個，數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)的定義與節(jié)點的性質(zhì)有關(guān)。檢測方式表明在該節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行何種操作。主程序根據(jù)故障節(jié)點的檢測方式選取相應(yīng)的處理函數(shù)。該函數(shù)是檢測手段與推理規(guī)則的結(jié)合，故可稱之為檢測/推理函數(shù)。一方面它可以檢測故障節(jié)點本身的狀態(tài)，另一方面使用推理機(jī)制進(jìn)一步推斷故障原因。性質(zhì)類似的節(jié)點使用相同的檢測/推理函數(shù)，利用地址段和數(shù)據(jù)段中的值加以區(qū)別。
?。?） 各節(jié)點的注釋段要有相應(yīng)幫助信息
各節(jié)點的注釋段不僅能記錄故障的原因和維修方法，還可以記錄其他的幫助信息。有時因系統(tǒng)的檢測手段不完備，或規(guī)則不完全，推導(dǎo)過程要進(jìn)行人機(jī)對話。這時候如果節(jié)點的注釋段中有相應(yīng)幫助信息，可以給用戶以提示或指導(dǎo)用戶進(jìn)行操作，使推理能順利進(jìn)行。
本系統(tǒng)的故障診斷通過在上位計算機(jī)上用vc6.0開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)，集成在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。在運行中給操作人員提示，指導(dǎo)用戶進(jìn)行操作，了解設(shè)備狀態(tài)，判斷故障發(fā)生原因，并可給出相應(yīng)的維修建議。用戶也可以對故障診斷進(jìn)行指導(dǎo)和修正。
5 結(jié)束語
按以上故障診斷原理構(gòu)造的故障診斷系統(tǒng)在火電廠輸煤plc控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。從實際運行來看，故障診斷系統(tǒng)能準(zhǔn)確而迅速地判斷出故障的原因，方便運行人員維護(hù)和檢修，大大地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平。這種設(shè)計對類似的工業(yè)控制系統(tǒng)提供了一定的參考。
（轉(zhuǎn)載）
