基于组态软件的PLC实验系统的故障诊断

刘力

（辽宁装备制造职业技术学院 辽宁 沈阳 110164）

基于组态软件的PLC实验系统可节省学校实验耗材和维护维修费用，降低教学成本。丰富了实验项目，提高了教学效果和学习效果。但在实验系统应用中，遇到了很多问题。比如，一旦学生PLC程序出现卡死，或没有达到实验预期效果时，学生会手足无措，不知如何解决，这样既没有减轻教师的工作量，也制约了教学效果的良好发挥。

因此，笔者应用组态软件，对原教学实验系统进行改造，实现了基于组态软件的PLC实验系统的虚拟生产过程的监控和故障诊断，完善了实验功能，使实验系统界面更加友好，引导学生排对编写的PLC程序差错，对学生实验能力的培养起了重大作用。

1 组态王软件

对于生产过程的监控与故障诊断技术是一门综合性和应用型很强的技术，包括了实时采集信息、提取数据特征和故障诊断与决策。组态王是国产工控组态软件中比较有影响力的产品，能为本系统升级开发提供很好的技术支撑，且具有易用性、开放性、通用性等特点。可运行在Windows操作系统环境下，界面友好，提供了资源管理器式的操作主界面和以汉字作为关键字的脚本语言支持的服务能力，提供了目前市场上主流硬件设备的驱动程序。

2 故障诊断系统设计

目前，很多PLC系统的故障诊断是依靠PLC程序的，即在编写PLC控制系统程序时，工程人员根据对控制系统逻辑功能的分析，将故障诊断程序同时编写出来。但是当故障诊断逻辑变更时，又必须重新编写故障诊断程序。因此，这种依赖于PLC程序的故障诊断系统，在实际使用过程中，灵活性较差。而且在课程教学中，PLC程序由学生编译，在实验系统中验证调试，这种故障诊断的方法显然是行不通的。

本项目采用组态软件的方法，读取PLC的I/O量及各种中间控制状态的信息，进行故障推理和诊断。现以基于组态软件的PLC液体混合装置实验项目为例，介绍实现故障诊断的方法。

2.1 基于组态软件的液体混合装置系统

2.1.1 系统简介

液体混合装置是两种液体按比例混合，阀门A控制液体A，阀门B控制液体B，阀门C控制混合液体。系统启动，装置中注入液体A，液位没过中液位传感器（SL2）后，关闭阀A打开阀B，注入液体B，液位没过高液位传感器（SL1）后，关闭阀B。搅拌机工作一分钟后停止，阀C打开，混合液体流出装置，液位低于低液位传感器（SL3）20S，阀C关闭，阀A打开，如此往复。

2.1.2 系统应用后出现的问题

总的来说系统应用于教学后，对于现场量的监控性能很好，可以真实地反映实验结果，且内容生动灵活，提高了学生学习的兴趣。但界面不够友好，主要缺陷在于系统设计时，未充分考虑到学生应用此系统进行实验时，编写的错误的PLC程序实验结果和实验效率的影响，以及系统在教学上的功能。经总结教学中遇到的问题，对于学生编写的PLC程序，系统的主要输入、输出量的变化与仿真现象对照表，如表1所示。

表1 系统仿真现象分析表Tab.1 Tableof thesystem simulation analysisof thephenomenon

2.2 系统的故障诊断实现

2.2.1 系统故障诊断的设计

基于组态王的液体混合装置实验系统故障诊断设计的整体结构图，如图1所示。

图1 故障诊断系统的整体结构图Fig.1 The structure chart of fault diagnosis system

图中计算机上安装组态王软件，对现场设备模拟运行，具有5大功能。

1）实时采集。实时采集现场数据是系统监控与数据处理的保证，通过高速I/O驱动程序与现场PLC通讯，对数据进行实时采集。

2）监控功能。系统的人机交互界面是控制对象的模型，应用组态软件的图像、文本等树立功能，将控制对象（本例中的液体混合装置）形象逼真的显示在界面上。操作人员可以通过界面监测到模拟的现场设备的工作状态和上传数据。并能通过友好的界面，对现场的设备的设定值及重要参数进行设置和修改。同时，现场设备也会随着修改的参数发生运行状态和方式的改变。

3）诊断分析。诊断分析功能是建立在监控系统之上，基于组态王设计的故障诊断实验系统，能够实现设备情况报警、数据报表和历史曲线诊断分析等功能。

笔者从实践中体会到，要实现对故障的智能诊断，就要编成脚本程序，利用专家的知识，来判断故障类型和位置等信息。诊断分析故障可以将不同功能的程序代码封装成函数形式，在组态王中通过编写简单的“胶水代码”，将这些代码按照诊断系统要求封装成模块，完成诊断分析功能。报警模块记录了设备运行中重要参数的报警状况和系统发生的重大事件。即使多故障同时发生，系统也可轻松地把多个故障一起诊断显示出来。这样诊断分析功能具有可扩展性，便于用户根据系统发展需求，扩展模块，完成故障诊断功能的升级。

4）报表文件。数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。系统可按采集实时数据的频率存储数据文件，随时检查历史数据，可反复使用，方便用户了解设备的运行使用情况。

5）人机交互、故障预警、故障原因提示。系统对各种模拟量和开关量监控报警，并给操作者适当提示，提示信息为故障位置、原因等。以报警实现的类型为依据，可分为以下3种：

①越限报警

系统越限报警就是在模拟量（液位）的值在跨越规定的高低报警限时产生报警。可在变量的报警定义属性页中设置越限报警的界限值：低低限、低限、高限、高高限。并填写报警文本，表述报警的信息。

例如，液体混合装置对液体A和液体B的体积比例有严格要求，可以液位没过高液位传感器，仍在进料的情况下，设置高液位报警。

②延时报警

对于越限报警可以定义报警延时，即对系统当前产生的报警信息并不提供显示和记录，而是进行演示，在延时时间到后，如果该报警不存在了，表明该报警可能是一个误报警，不会理会，系统自动清除；如果延时到后，该报警还存在，表明这是一个真实的报警，系统将其添加到报警缓冲区中，进行显示和记录。如果定时期间，有新的报警产生，则重新开始。

例如，当液位低于低液位传感器20秒、阀门C仍未关闭的情况下，设置延时报警。延时时间为20秒。

③离散型变量报警

离散量有两种状态：1和0。离散量的报警有三种状态：0状态报警、1状态报警和状态变化报警。0状态报警：变量值由1变成0时产生报警；1状态报警：变量值由0变为1时产生报警；状态变化报警：变量值由1变为0或由0变为1都产生报警。可在报警定义属性页中选择开关量报警的离散选项。

监控与故障诊断的功能是相互独立又紧密结合的，两者共享数据，互相支持，为整个系统的运行提供可靠保障。

2.2.2 系统测试结果

系统设计完成后，对整个系统的设计结果进行测试。对系统的重要的教学功能进行了验证，系统的教学功能图如图2所示。具体步骤如下：

1）仿真设备运行的测试

图2 液体混合装置故障诊断系统的教学功能图Fig.2 Liquid mixing device fault diagnosis system of teaching capability map

运行系统后，PC机上的仿真画面上的被控设备，能够按照预先编写好的PLC程序的运行情况而变化。无论编写的PLC程序是否能够达到液体混合装置系统的控制要求，PC机上都能准确地仿真现场设备的运行状态。仿真画面生动形象，可视性较好。

2）控制现场的测试

运行系统后，按下PC机上虚拟的按钮，可以起到对仿真的现场设备控制的作用。比如按下启停面板的启动按钮，仿真设备按照PLC程序，使阀A打开，有液体A注入混合装置，液面上升等。按下启停面板的停止按钮，仿真设备按照PLC的程序，停止设备的运行。系统操作简单，对现场设备的可控性较好。

3）单步调试PLC程序的测试

运行系统后，可满足学生调试程序单步运行，观察实验现象的需要。

4）故障诊断与报警的测试

按图2中系统预设的故障种类，逐一测试。测试的方法是通过人为设置故障，验证系统报警和提示信息是否及时准确，测试界面如图3所示。图3是教学过程中错误最典型的故障，即液体没过高液位传感器时，阀门B未关闭、电动机正在工作的故障。测试前，设置了监控设备故障测试界面，模拟了液体混合装置运行数据的采集，建立故障及正常运行测试按钮。当液体没过高液位时，系统按PLC程序运行到对应的指令行，没有使阀门B和电动机工作状态发生改变。系统立即启动报警事件，并弹出提示窗口。

测试的结果表明，系统准确地仿真了液体混合装置控制系统的运行情况，实时性较好，故障诊断的性能与预期的效果相同，具有较高的准确性，每项功能符合预期要求。

图3 故障诊断提示信息Fig.3 Fault diagnosis and prompt information

3 结 论

本文设计了基于组态软件和PLC实验系统的故障诊断系统。以液体混合控制系统为例实现了对液体混合控制系统的重要参数、运行状态的实时监控，实现了典型故障的报警和及时定位。并且系统可继续扩充诊断功能，升级方便。将此实验系统应用于PLC课程理实一体化教学，解决了原系统在教学用遇到的问题，进一步的提高了学习效果和效率，可应用于同类院校PLC课程的理实一体化及实验实训教学，具有较深远的推广意义。

由此推断，基于组态王设计的工业过程监控诊断系统，运行稳定、界面生动逼真、人机交互强、能够及时监测和诊断出生产过程及设备运行的故障，为系统的可靠运行提供了保障，也为企业生产和维修提供了决策依据。为工业过程监控诊断系统的研究与发展提供了一种新的发展方向。

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