PLC在机电设备故障诊断中的应用

张恒飞

（贵州航空职业技术学院 贵州·贵阳 550009）

目前，PLC技术的应用极为广泛和普遍，从机械臂、到轧钢生产线，这些都会用到PLC技术，只是在实际应用中，根据不同的控制类型或者控制系统的规模，会有相应的差别。因此，对PLC在机电设备故障诊断中应用的探讨有其必要性。

1 PLC的功能与应用

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：

1.1 开关量逻辑控制

取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

1.2 工业过程控制

在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

1.3 运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

2 PLC控制系统常见的故障类型

2.1 外部设备故障

机电设备自身在实际应用中起到非常重要的影响和作用，所以一旦其自身的任何一项环节当中出现故障问题，都会直接对其自身的运行质量和状态产生影响。因此，要加强对机电设备系统当中可能会存在的故障可题进行详细分析和研究，这样才能采取有针对性的对策来对其进行解央。外部设备故障主要是与各种开关、执行机构以及传感器等直接的联系，在实际过程当中应用的设备，如果这些设备在实际应用过程中，出现故障可题，那么会对整个系统自身的运行，以其自身控制功能使用造成影响。在PLC控制系统出现故障问题的时候，由于到各种原因的影响，其中包括人为因素或者机械自身存在问题，这些暴露在设备外部损害属于常见故障类型。

2.2 软件故障

软件故障指的是PLC控制系统的软件出现问题，可能是由编程错误、病毒攻击、人为毁坏等多种原因造成。在PLC控制系统中软件系统承担着“发号施令”的作用，一般出现软件故障后系统基本上不能正常运转。由于实际工作环境的限制，软件面临工作复杂、工作量大等一系列难以解决的问题，因而软件故障几乎难以避免。

2.3 硬件故障

PLC控制系统是一个构成复杂的庞大系统，内含许多硬件设备，除了各种外部设备以外，还存在许多隐藏在系统内部的硬件设备，这类设备通常是指PLC控制系统的模板。由于这些硬件隐藏较深，容易被维修人员忽略，而且这类硬件故障给整个PLC控制系统带来的多数是局部影响，不会引起特别恶劣的后果，因此根据工作经验一般很难发现其故障问题。一般需在多次确诊、排除其他故障以后，工作人员才会在二次检修中发现此种问题并进行处理。

3 PLC诊断机电设备故障的基本原理

机电设备的故障信号有开关量和模拟量之分，PLC采用不同的方法对这两种信号对应的故障进行诊断。

3.1 开关量信号的故障诊断

PLC对开关量信号的识别是通过其开关量输入模块完成的。

PLC控制机电设备时，设备中的压力、温度、液位、行程开关及操作按钮等开关量传感器与PLC的输入端子相连，每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”，每个“位”在内存中为一个地址。输入“位”的工作原理IN代表开关量输入，COM为信号公共端。IN为ON时，光敏三级管饱和导通，否则截止。故PLC的内部电路可以“感知”开关信号的有无。读取PLC输入位的状态值可作为识别开关量故障信号的根据。诊断开关量故障的过程，实质就是将PLC正常的输入位状态值与相应的输入位的实际状态值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的，则表明机电设备处于正常工况，不一致则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。这就是PLC诊断基于开关量信号故障的基本原理。

这种诊断方法，故障定位准确，可进行实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程，还可将故障诊断融入过程控制，达到保护机电设备的目的。

3.2 模拟量信号的故障诊断

PLC对模拟量信号的识别是通过 PLC的模拟量输入输出模块来完成的。模拟量输入输出模块采用A/D转换原理，输入端接收来自传感器或信号发生器的模拟信号，输出端输出的模拟信号作用于PLC的控制对象。

PLC诊断模拟量故障的过程，实质就是将在相应A/D通道读到的监测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较的过程。如果比较的结果是实际值远离极限值，则表明机电设备对应的受监控部位处于正常状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定，利用PLC上的模拟量设定开关可精确设置该极限值。

当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值，PLC还能按照一定的逻辑关系启动开关量模块上的输出位，或者从PLC的通讯口主动发起通讯，从而输出故障诊断的结果，并据此实现对机电设备的控制。

3.3 中断方式的故障诊断

PLC的中断方式有：

（1）输入中断。开关量模块的输入位IN变为ON时，由PLC的CPU执行的中断。

（2）间隔定时器中断。由一定精度的间隔定时器启动执行的中断。

（3）高速计数器中断。根据PLC内装的高速计数器的当前值执行的中断。

其中，输入中断特别适合于机电设备的故障诊断。它对应于工业计算机的硬中断，属于外部中断，但PLC的输入中断可用 PLC的外部指令来屏蔽。将机电设备的故障信号作为PLC的输入中断源，一旦出现故障信号，CPU立即响应，停止正在执行的程序，转到中断子程序中去，即可方便地对故障进行处理。它与直接利用PLC的内部逻辑完成故障诊断的不同之处在于：采用输入中断处理故障时，可停止PLC主程序的执行过程，而直接利用PLC的输入和内部逻辑处理故障时，PLC的主程序仍处于运行状态。因此，要根据故障对机电设备的影响程度选择合适的故障诊断方式。PLC的输入中断方式对后果严重的突发故障的处理特别有用。

3.4 PLC在故障诊断系统中的作用

故障诊断系统是典型的人机系统，根据系统中的信息流向和功能划分的结果，基于计算机智能化的故障诊断系统。

实现信息源从输入模块到输出模块的全自动流向，减少人在其中的干预作用，是机电设备对其故障诊断系统的要求。采用PLC的故障诊断系统，有助于实现故障诊断过程的自动化。

4 数控机床故障诊断案例

4.1 甄别PLC内外部故障实例

配备820数控系统的某加工中心，产生7035号报警，查阅报警信息为工作台分度盘不回落。在SINUMERIK 810／820S数控系统中，7字头报警为PLC操作信息或机床厂设定的报警，指示CNC系统外的机床侧状态不正常。处理方法是，针对故障的信息，调出PLC输入/输出状态与拷贝清单对照。

工作台分度盘的回落是由工作台下面的接近开关SQ25、SQ28来检测的，其中SQ28检测工作台分度盘旋转到位，对应PLC输入接口110.6，SQ25检测工作台分度盘回落到位，对应PLC输入接口110.0。工作台分度盘的回落是由输出接口Q4.7通过继电器KA32驱动电磁阀YV06动作来完成。

从PLC STATUS中观察，110.6为“1”，表明工作台分度盘旋转到位，I10.0为“0”，表明工作台分度盘未回落，再观察Q4.7为“0”，KA32继电器不得电，YV06电磁阀不动作，因而工作台分度盘不回落产生报警。

处理方法：手动YV06电磁阀，观察工作台分度盘是否回落，以区别故障在输出回路还是在PLC内部。

4.2 诊断接近开关故障实例

某立式加工中心自动换刀故障。

故障现象：换刀臂平移到位时，无拔刀动作。

ATC动作的起始状态是：（1）主轴保持要交换的旧刀具。（2）换刀臂在B位置。（3）换刀臂在上部位置。（4）刀库已将要交换的新刀具定位。

自动换刀的顺序为：换刀臂左移（B→A）→换刀臂下降（从刀库拔刀）→换刀臂右移（A→B）→换刀臂上升→换刀臂右移（B→C，抓住主轴中刀具）→主轴液压缸下降（松刀）→换刀臂下降（从主轴拔刀）→换刀臂旋转180°（两刀具交换位置）→换刀臂上升（装刀）→主轴液压缸上升（抓刀）→换刀臂左移（C→B）→刀库转动（找出旧刀具位置）→换刀臂左移（B→A，返回旧刀具给刀库）→换刀臂右移（A→B）→刀库转动（找下把刀具）。换刀臂平移至C位置时，无拔刀动作，分析原因，有几种可能：

（1）SQ2无信号，使松刀电磁阀YV2未激磁，主轴仍处抓刀状态，换刀臂不能下移。

（2）松刀接近开关SQ4无信号，则换刀臂升降电磁阀YV1状态不变，换刀臂不下降。

（3）电磁阀有故障，给予信号也不能动作。

逐步检查，发现SQ4未发信号，进一步对SQ4检查，发现感应间隙过大，导致接近开关无信号输出，产生动作障碍。

5 结论

PLC可为机电设备的故障诊断提供强有力的技术支持。在进行故障诊断系统的设计时，根据诊断系统的功能要求，选用适当的PLC，可丰富和完善诊断系统的功能。随着PLC新产品的研制成功，它在故障诊断领域将有更广阔的应用前景。

在实际工作中由于PLC系统内部设置有编程程序，它可以自我检测出一些常规故障问题，工作人员在处理故障之时大可不必手忙脚乱、不知所措，往往只需要1把螺丝刀和1个万用表就可以解决一些故障。不过，在故障的实际处理阶段，工作人员必须注重经验的积累，从而有助于处理一些基本的故障问题。