基于PLC与触摸屏的电气软故障快速诊断系统

张志文，李银广

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特 026015）

0 引言

随着PLC 集中控制技术在实际生产中大量应用，生产现场的电气控制通过集控电脑进行全程监控，给现场维修人员减轻了很大的工作量[1]，但是现场控制柜给集控电脑传输的是综合型故障信息，控制柜内很多电气原件辅助触点接触不良、端子排接线松动、现场控制电缆老化、破皮或长期振动、摩擦等，都有可能造成综合型故障。此类故障不定期出现且重复发生，称为电气软故障，集控电脑无法对此类故障进行定位，需维修人员通过经验逐一排查所有电气控制柜内的电气元件，给维修人员带来极大困难[2]。

PLC 集中控制系统出现此类故障时，每次系统启停至少需要（40～50）min，故障如不能彻底排除，既给正常的生产组织带来很大的麻烦，又因重复启停对大型设备造成冲击损伤。

PLC 集中控制系统中较为常见的电气软故障来说，至今没有有效的方法进行监测、锁定，仍然是PLC 集中控制系统故障排除中的难点。目前，此类故障的排除还主要依靠维修人员的实际经验，或者是对控制信号进行逐一排查的传统方法，耗时较长，维修工作量较大，既影响生产又对设备造成损伤[3]。

1 电气软故障分类及诊断方案

根据电气信号传输形式，可将电气信号故障分为电压型信号故障和电流型信号故障两大类[4]。

1.1 电压型信号故障诊断方案

电压型信号即为开关量信号的不定期开路性故障。图1 为针对电压型信号故障进行监测的PLC 外围电路图，可同时监测多路故障信号。

工作原理：N 端子接需检测信号的公共端，信号1～n 接需检测信号，K1～Kn 为带座可拔插隔离继电器，线圈电压等级可根据信号电压等级来确定AC 220 V 或DC 24 V，R1～Rn 主要用来调整继电器动作灵敏度。待系统正常启动后，设备正常运行信号使K1～Kn 线圈得电，K1～Kn 常开触点闭合，给PLC 传输正常信号，当控制信号1～n 突然瞬时丢失并瞬间恢复，由于R1～Rn 的作用使K1～Kn 动作要比信号超前，PLC从而判断出控制信号1～n 有瞬时故障并进行故障点锁定、记录。需要重新在线检测时，按下触摸屏复位进入下一步在线测量，经故障现场实际应用，尤其应用在由多个设备组成的系统中，非常准确。

图1 电压型检测PLC 外围电路原理

1.2 电流型信号故障诊断方案

电流型信号即泛指控制电路的各支路不定期断路性故障。图2 为针对电流型信号故障进行监测的PLC 外围电路图，可同时监测多路故障信号。

图2 电流型检测电路原理

工作原理：图2 中电流变送器型号为ETCR007 开合式尖嘴钳形电流传感器，分别把ETCR007 卡至怀疑有断路可能的控制线路支路中，实时测量这几路控制电路的电流，根据实时电流跳变或设备故障出现后调用历史曲线来判断哪路出现故障，可以根据实际需要来选择扩展模块多路同时测量。

2 电气软故障快速诊断系统设计思路

2.1 设备选型

由于PLC 与触摸屏产品呈多样化，PLC 选型主要根据实际应用稳定和性价比来决定，本装置选用了型号为西门子S7-200 PLC、昆仑通态触摸屏、ETCR007 开合式尖嘴钳形电流传感器、EM231-AI4 4 路模拟量输入及其他附件[5]。

2.2 控制系统要求

（1）系统要稳定可靠，可长时间稳定运行。

（2）可以保存多组数据，并能按预先设定的参数自动快速完成记忆。

（3）要操作简单，可以集中控制，节省人力。

（4）要有故障报警提示及有效保护功能[6]。

2.3 系统分析

本系统主要是通过PLC，触摸屏及ETCR007 开合式尖嘴钳形电流传感器的综合应用，结现场电气软故障实际现象来完成控制要求的。设计思路主要是用PLC 来实时在线检测被测信号，使用触摸屏来完成电流等级的设置和信号变化显示，历史报警查询的功能来实现故障诊断的目的[7]。

2.4 应用设计及功能实现

触摸屏与PLC 实现人机对话的设计，必须确保PLC 与触摸屏的通信正常，触摸屏画面的设计、布局合理，内部的各种状态与变量必须与PLC 程序中的内存地址相互对应[8]，最终达到反应循序迅速的效果。电气软故障快速诊断系统布局如图3 所示，包括触摸屏、指示灯、开关、电压接线口及电流接线口，根据不同信号接入不同信号接线口，内部PLC 对输入信号进行实时监测并记录，在触摸屏上显示，当被监测信号发生瞬时故障时，内部PLC 立即对该信号进行记忆锁定，并通过指示灯进行报警，此时维修人员可通过触摸屏查看发生瞬时故障的信号源，最终修复该问题。

图3 电气软故障快速诊断系统布局

3 PLC 与触摸屏的程序介绍

电气软故障快速诊断系统PLC 程序由主程序及3 个子程序构成，子程序功能分别为开关量信号检测、电流信号检测、综合信号检测，PLC 控制系统如图4 所示。

图4 PLC 控制系统

当调用开关量信号检测子程序时，PLC 进入循环检测模式，当检测到某一地址状态发生变化时，马上传送该地址序号至变量区和历史数据区，触摸屏对应显示该信号序号，由于电气设备控制都有联锁或闭锁设计，有某一地址状态发生变化时其它地址的状态也马上随着变化，所以在这一地址状态发生变化的同时切断其它地址，并完成记录存储功能，同时程序自动退出检测功能。

当调用电流信号检测子程序时，接通模拟量地址，PLC 监测实时电流，触摸屏可显示实时电流值，在触摸屏界面可设定电流上限报警值。当检测到某一电流值超过上限报警值，马上传送该地址序号至变量区和历史数据区，触摸屏对应弹出该信号序号，并完成记录存储功能，同时程序自动退出检测功能。

当调用综合信号检测子程序时，同时接通开关量地址和模拟量地址，当设备正常运行过程中出现故障时，PLC 记忆至少两组故障信息，利用这些故障信号序号对应设备工作原理图分析故障原件位置并更换。

4 总结

电气软故障快速诊断系统投入故障现场应用以来，能快速准确地解决系统电气设备出现的各类非周期性电气软故障排除困难问题。尤其在由多个设备组成的系统中，能够在第一时间准确获得在线监测数据。

同时，该系统设计方案合理，电路简单、自身功耗小、可靠性高，适用于各类故障设备的在线监测与故障点的锁定。同以往经验法与逐一排查法相比，彰显出巨大优点与优势，极大的缩短了维修工作时间与维修工作量，对于电气维修人员来说，是工作中必备的新型实用性工具。

该系统对排除复杂隐匿的故障有它无可比拟的优势，范围从大到小逐级检测，检测故障方便快捷，而且可以做到无人值守，连接完毕后，设备正常运行时只要按下开始检测键就可以离开现场，直至下次故障出现就能准确锁定故障点，为生产系统平稳连续性起到了重要的保障，成为现场维修人员查找电气软故障的好帮手。