浅谈以PLC控制网络为基础的远程电气故障诊断

金宁宁 任艳艳

（河南职业技术学院，河南 郑州450046）

0 引言

可编程逻辑控制器（PLC）是一种集计算机、自动化以及通信技术为一体的现代工业电气设备控制器，广泛应用于电气设备的控制系统中，使得电气设备的远程控制具备了可能。电气设备的故障远程诊断及控制技术虽然取得了一定的进步，但是在实施过程中仍然存在较多的问题，比如电子信号在传输过程中的衰减幅度较大导致信号失真，网络系统的信息安全问题以及不同电气设备操作平台系统的兼容性问题一直阻碍着远程故障诊断的广泛应用等。本文通过查阅相关参考文献，并结合笔者多年的电气设备故障诊断经验，对以PLC控制网络为基础的电气设备远程故障诊断技术进行了深入的探究。

1 PLC远程控制电气设备的基本原理及诊断方法

PLC的工作原理与普通计算机的工作原理是不同的，其执行任务的形式与继电器控制系统也不尽相同，PLC执行的是串行任务命令。PLC在电气设备控制中的应用主要是通过循环扫描的方式实现对现场所有电气设备的诊断，并对搜集的扫描信号进行处理，然后经过PLC中的中央数据处理器进行分析处理，最后将结果输出到控制系统的执行机构中去。

由于现代化的电气设备高度智能化和自动化，因而在实际使用过程中可能出现的故障多种多样，这其中就包括了软件故障和硬件故障等类别。对于电气设备控制而言，所使用的方法主要包括以下2种：（1）数据推理法。数据推理法主要包括BP神经网络分析法、多参数引用分析法。PLC在很多电气故障诊断的过程中都是采用该方法，即通过对输入与输出信号的检测，然后与标准数据库进行对比，从而对电气设备的运行状态有一个合理的判断。PLC控制处理系统会对每个故障所产生的原因进行匹配，但是如果这种故障在以前设备运行的过程中并没有出现，则很难诊断出来。（2）模型诊断法。这种诊断方法的基本原理是将需要检测的设备模块的输入与输出之间采用一定的关系式来表明，并将这种潜在的关系存储在数据库中，以便于对电气设备实现远程诊断。

2 PLC远程控制诊断系统的设计与实现

2.1 远程控制诊断系统的构成及故障诊断过程

该系统的结构组成如图1所示。

图1 故障诊断系统框架图

PLC对输入信号的识别是通过电气控制设备中的相关操作开关和相关继电器的触点来实现的。首先PLC中的中央处理器会把输入的数据信号暂时存储在CPU中，然后经过数字模拟信号转换器将输入端子的电流信号、电压信号或者力学信号转化为数字信号；在具体服务扫描的过程中，直接读入数据存储区。PLC在诊断故障信号处理过程的本质就是将那个经过转化的模拟信号直接与电气设备实际运行的数据和系统所允许的极限值相比较的过程，如果模拟信号量在所允许的极限范围之内，则说明该输入点的设备运行处于正常的状态，超过极限范围值则说明设备的检测部分处于故障状态。

通常来说，自动化电气设备的故障诊断过程主要由以下5个部分组成：（1）信号采集：PLC所搜集到的信号类型主要有连续信号和离散信号2类；（2）信号处理：目前PLC信号处理的方式包含A／D转换和信息编码程序；（3）控制网络的连接：通常采取的是拨号上网或者是专线上网；（4）PLC处理器诊断分析：模型分析、故障树系统分析、专家系统；（5）形成分析报告，如正常检测报告、故障报告以及设备运行趋势预报等。

2.2 实现远程诊断的关键技术

实现远程诊断的关键技术主要包含以下3个方面：（1）ASP与WEB数据库技术：ASP动态网页交换技术编写比较容易，不需要进行编译，直接放在网站的目录下就可以运行，与浏览器类别的相关程度较小，目的是为了可以使用外部程序来进行数据库的访问。（2）远程数据的传输方式：远程诊断中心需要对每个电气设备运行的工作站的设备运行数据和故障诊断数据进行搜集，同时还需要为客户提供相应的设备诊断结果和维修建议。通常各个电气设备工作站所采集的数据信号主要包括压力信号、速度信号、转速信号以及电流信号等。为了解决这些数据信号传输问题，通常采用流式套接口，建立起客户与服务器之间的数据信号传输通道，并将服务器收集到的数据存储到诊断中心的数据库内，然后以电气设备的各种工艺参数和材料结构数据为基础的诊断设备特征参数通过客户端的网页浏览器，实现与诊断中心的数据连接。（3）电气设备诊断信息数据库的存储：诊断中心的数据库通常包含了电气设备的运行压力、温度、电流和电压等动态运行的数据信号；对于设备的结构特征参数而言，实时采集的数据量比较大，这些数据的存储介质一般选择SQL Sever 2000提供的text的数据类型，这种数据类型的主要特点是可以存储大量的二进制数据。

2.3 电气设备故障远程诊断模块

对于远程数据的采集及传输模块而言，主要内容有数据的采集、数据信号的发送与接受以及设备实时数据的动态存储；在数据信号分析模块中，采用的信号分析方法主要包括时间序列分析、BP神经网络分析、频谱分析、小波分析等。以上2个组成模块的开发语言主要是以C＋＋语言为主，对于在信号数据分析处理模块中所涉及的各种信号处理方法而言，它们都可以独立地生成DLL格式的文件。由于自动化电气设备的内在复杂性，导致远程诊断的故障种类也很多，所以PLC远程网络诊断系统要求具有较高的灵活性，可以根据实际情况来调整网络控制系统内部模块的组合，从而满足电气设备故障诊断的需要。

2.4 电气设备故障远程诊断系统的工作模式

以PLC控制网络为基础的电气设备远程故障诊断系统通常采用3层工作模式：第一层是客户端，主要功能是实现设备运行资料的简单查询和设备故障相关参数的提交处理；第二层是应用服务层，主要功能是在用户与数据服务之间架起桥梁，根据客户端提出的应用诊断需求，对采集的数据信号进行处理，然后将数据处理的结果反馈给客户；第三层是数据管理层，主要功能是实现故障信号检测的存储、维护以及访问和更新，满足用户端对数据访问服务的需求。

3 结语

随着电气设备的自动化程度越来越高，由于电气设备使用过程中工作环境的不确定性增加，可编程逻辑控制器（PLC）开始广泛应用于自动化电气设备故障诊断的各个领域，实现对电气设备关键零部件的动态监测和远程故障诊断。本文对以PLC控制网络为基础的电气设备远程故障诊断技术进行了深入的探究，希望能对相关人士有所裨益。

［1］钟肇新，范建东，彭侃.可编程控制器原理及应用［M］.第3版.华南理工大学出版社，2004

［2］邱公伟.可编程控制器网络通信及应用［M］.清华大学出版社，2003

［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，1995（4）

［4］叶明，张明友.基于产生式汽车零部件失效分析专家系统的研究［J］.武汉理工大学学报，2001（4）