基于PLC电机故障诊断系统

毛行星++唐少臣++韩屹威

摘要：随着电机设备的自动化程度越来越高，出现故障的种类也呈现出多元化的趋势，PLC可以很好的对电机故障进行诊断和分析。本文对如何构建以PLC控制网络为基础的电机设备故障诊断系统进行了深入的研究，为电机设备远程故障的诊断控制进行了有益的尝试。利用PLC电机故障诊断控制系统，进行快速故障诊断，为整个系统的错误控制和后期维修提供了明确方向。

关键词：PLC；故障诊断；系统设计

中图分类号：TM307+.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0024-02

可编程逻辑控制器（PLC）广泛的应用于电机设备的控制系统中，这种逻辑控制技术集计算机微机、自动化以及通信技术为一体的现代工业电机设备控制技术。计算机网络技术的广泛应用可以实现电机设备的远程控制[1-2]。电机系统的故障诊断主要建立在基于PLC和上位机的计算机系统之上。PLC在电机的故障诊断系统中的主要功能就是完成故障信号的处理、预处理、将信息转化存储为数字信号，从而顺利完成故障特征的判断到专家系统给出完善的排除故障的建议。

1 PLC控制电机设备的基本原理

有的学者认为在进行电机故障诊断的同时，必须对系统可能发生的故障进行层次化管理，然后利用这种层次结构进行故障的诊断。在引入电机故障的过程中应该要注意将引起故障的检测点写入PLC程序之中。所以应该在诊断系统允许的前提下，更多的将故障信息写入PLC控制程序中，从而可以提供自动故障诊断服务。目前通常使用的方法为数据推理法和诊断模型法[3]。对于数据推理法而言，通过对输入信号然后与数据库的信息进行对比，判断电机设备运转是否在正常的状态。其次，诊断模型法通过对电机设备输入和输出信号进行对比，发现内在关系式，从而实现错误故障的判斷。

2 PLC远程控制诊断系统的设计与实现方法

2.1 PLC故障诊断系统的设计构成及故障诊断过程

本系统的结构组成图如图1所示。

在实际电机设备运行的过程中，经常会出现模拟量的故障。对于此类故障应该，首先利用电机故障诊断系统中的模拟量模块，收到电流变速器的模拟信号，然后将模拟信号转变成数字信号，然后与系统中的极限值进行对比，判断其是否处于正常状态。

2.2 以PLC网络控制为基础的电机设备远程诊断系统的关键技术分析

随着电机PLC控制系统的自动化不断提高，尤其在电机控制比较重要的领域，除了要实现电机运行的动态监测意外，还应该对电机的传感器本身以及PLC的自身正常运行进行监测，并对故障进行分级处理。所以一个典型的电机故障处理系统主要包括以下几个步骤：（1）对电机运行状态的检测；（2）对传感器本身的状态检测；（3）PLC自身故障分析；（4）传感器发送与接收信号的稳定性；（5）故障信息的存储与相关信息的查阅；（6）电机调试与维护功能的相关技术支持；（7）对存在的故障进行分级处理。如何实现PLC在电机控制过程中的故障诊断和分级处理，从而提高PLC控制系统的可靠性与稳定性。其次，PLC远程诊断系统的三个技术节点为软件和硬件方面。在软件控制方面，ASP动态数据库技术的程序编写相对比较容易，不需要人工语言的二次编译，其次可实现在网站上的直接访问，实现了对电机诊断故障系统的专家数据库访问，十分简便；尤其在数据的传输方面，可以实现每台电机设备运行的实际数据和故障诊断情况，包括一些压力信号、电流信号以及电机转速信号，从而能够很好的建立起故障与客户需求之间的关系，从而实现对设备进行很好的维修[3]。最后在数据库的硬件诊断方面，可以实现电子工艺材料方面的信息收集，比如电机转子的疲劳服役寿命和现在的实际工况，材料在高速转动过程中的强度是如何控制的，及时的对各项材料的基本疲劳寿命进行预测，从而给予很好的材料使用寿命评价，使得电机的各项材料及时的发现疲劳损伤，然后进行更换。

2.3 PLC电机设备故障远程诊断模块分析

PLC控制的电机在实际运行的过程中，运行状态的数据传输模块是该系统软件构成的重要组成部分。PLC的功能要实现动态的数据采集和存储，并通过上机位发给专家数据库系统，从而实现很好的数据连接和分析。在专家库的数据分析模块中，经常采用的分析方法包括了神经网络分析法，时间序列分析法，数据库语言的编写以C++语言为主，都可以独立的生成DLL文件模式，广泛的读写性保证了PLC控制电机的灵活性，能够满足日益复杂的使用环境和要求。可以根据实际情况来调整网络控制系统内部模块的组合，从而满足电机设备故障诊断的需要。其次，在诊断中心数据库方面，通过对电机设备诊断所得到的数据信息及其采集流程的分析，得到相应的数据结构，并根据故障的实际情况反馈给电机设备制造商，找出其中问题的关键所在。

2.4 专家系统故障分析模块

在传统的故障信息专家系统中，由专业知识和推理机构组成的专家系统，存在着搜索空间大，使用效率低的特点。在知识对象推理的过程中，内部对专家系统和解释器进行了封装，这样就实现了在对象内部的推理过程，大大提高了工作效率。根据故障诊断系统的实际运行情况，知识节点转化为故障节点。该系统的故障节点为最小单位，诊断信息在不同的故障节点之间进行传递，并最终确定引起故障的原因。在系统故障的软件测试部分，对象类型表示该故障节点在推理过程中的作用，主要可以分为根节点、叶节点和相对应的推理节点。目前推理节点是故障诊断最为集中的节点，为推理过程提供的相关的技术信息，并对该节点是否存在故障进行判断，并结合检测节点提供的信息进行相关故障推理，找出出现问题的具体原因。

以PLC为基础的机电设备故障检测系统是典型的人机对话系统，是一种基于智能化的检测系统。其中系统的输入模块主要包括了机电信号检测系统、控制指令系统和专家系统。PLC信息处理模块要求能够实现故障信息系统的提取和分析，转化成相应的指令代码。专家知识系统是整理和系统协作专家完成。控制模块是PLC系统的核心部分，根据系统提供的控制指令和专家知识进行人机界面的交互工作，从而实现故障的定位和处理，采用PLC的故障处理系统有助于实现自动化。

3 自动化电机的硬件与软件故障

从转动部件的角度来说，转动部件存在的问题主要包括了电机转子、耦合器、传动轮的平衡问题。对于这类故障主要包括了电机转子转动平衡的问题。当遇到大型的传动轮和耦合器时，应该与电机转子单独分开进行平衡测试。其次，造成不平衡的原因还有机械松动，比如定销的松动，转子绑扎不紧都会造成不平衡的故障。在电机的机械故障方面，电机转子的联动部分不能够进行很好的对中，定心不明确。另外与电机相连的齿轮轴也会出现相关的故障。同时电机本身的结构和安装如果存在问题，也会导致机械方面的故障。在电气的硬件故障方面，主要体现在电机的电磁机构方面，主要包括了交流电机的定子存在接线错误的现象，线圈绕组短路，异步电机的转子出现断条的现象，另外转子的气隙不均匀同样会导致电机的剧烈震动。在PLC软件控制方面，通常会分为模拟量的故障和各种故障信息的串行通信。上位机与PLC进行通讯的过程中，首先让PLC发出操作命令，数据的寄存类型和保存地址。PLC上位机计算通过读取数值来实现当前PLC运行状况的判断。具体的PLC通信过程可以操作该区域的读写数据进行完成。最后，PLC的编程通用性较强，使用也相对比较方便，抗干扰能力强，目前以PLC为基础的电机故障诊断系统在电机系统领域已经得到了广泛的应用，而且每年保持着10-15%的增长速度快速发展。在这些故障诊断系统中，通过数字信号代替模拟信号，从而实现一对电线上传输多个信号，另外的现场诊断设备中，并不需要A/D转换接口，这样也就减少了外接线的链接，提高了设备的抗干扰能力。

4 结语

电机自动化程度的不断提高，以PLC为基础的故障诊断系统的研究引起国内外学者的广泛关注，逐渐成为研究热点。随着电机转子和定子的工作环境不断的变化，PLC控制的电机开始得到广泛的应用，可以很好的对电机的运行状态进行监测。本文在对国内外参考文献分析的基础上，结合笔者多年的实际工作经验，对以PLC为基础的电机设备的远程故障诊断技术进行了深入的探究，在阐述PLC控制电机基本原理的基础上，探讨了如何从软件和硬件的角度进行电机故障的分析；其次对PLC远程控制诊断系统的设计与实现方法进行了深入的探讨，希望本文的研究能够对电机设备故障诊断的远程自动化控制有所帮助。

参考文献

[1]钟肇新，彭侃.可编程控制器原理和应用[M].广州：华南理工大学出版社，2009.

[2]卑公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].清华大学出版社，2011.

[3]石荣德，赵廷弟，屠庆慈等.故障诊断专家系统[J].北京航空航天大学学报，2008，21（4）：7-12.

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[7]居绨.可编程逻辑器件的开发与应用[M].北京：人民邮电出版社，1995.