基于PLC在龙门吊故障检测中的应用

基于 PLC在龙门吊故障检测中的应用 摘要 分析 PLC 对机电设备故障的诊断原理和它在故障诊断系统中的作用，利用PLC 和计算机构成的诊断系统实现了故障诊断的智能化。充分利用机电设备系统中 PLC 的硬件资源，可简化诊断系统的硬件设计。轮胎式集装箱龙门起重机是集装箱专业化码头堆场的主力设备，它具有可灵活转场作业、工程投资少等特点，受到广大码头的欢迎。 PLC 尤其在龙门吊吊具故障诊断上得到了广泛的应用。 关键字 ： PLC 故障诊断 龙门吊 1 Abstrasct The principle of PLC diagnosis in the faults of mechtronical equipment and the function in fault diagnosis system are analyzed. Intelligence diagnosis is performed by the diagnosis system made up of PLC and computer. By full utilizing the PLC hardware diagnosis system can be simplified. Rubber-tyred container gantry crane is the main specialied container terminal yard equipment, it has a specical flexible operation and less investment ect,it was welcome by the masses of terminal. PLC especially on the gantry crane sling fault diagnosis has been widely used. Keywords： PLC fault diagnosis gantry crane 目录 0 引言 5 1 PLC 诊断机电设备故障的基本原理 5 1.1 基于开 关量信号的诊断 5 1.2 基于模拟量信号的故障诊断 5 1.3 基于中断方式的故障诊断 6 2 PLC 在故障诊断系统的作用 6 3 利用 PLC和计算机实现智能化的诊断的方式 7 4 吊具信号的采集 7 5 PLC 硬件组态 8 6 无线通讯的实现 9 7 吊具的 PLC 程序故障诊断 10 结论 12 致谢 13 参考文献 14 引言 集装箱运输是一种经济实用的运输方式，同时他也是衡量国民经济的一个重要指标。为了提高集装箱的吞吐量，不得不提高集装箱的作业效率。轮胎式集装箱门式起重机是集装箱进行作业的主要机 械。这就要求我们提高龙门吊的效率减低龙门吊出现故障频率，因此我们必须对龙门吊的故障进行准确的定位。本文主要介绍 PLC 在龙门吊故障检测中的应用。 1 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。 1.1 基于开关量信号的诊断 PLC 对开关量信号的识别是通过其开光量输进模块完成的。 PLC 控制机电设备时，设备中的压力、温度、液位、行程快关及操作按钮等开关量传感器与 PLC 的输进端子相连，每个输进端子在 PLC 的数据区中分配有一个“位”，每个“位”在内存中为一个地址。输进“位”的工作原理，如图 1 所示。图中， IN 代表开关量输进， COM 为信号公共端。 IN 为 ON 时，光敏二极管饱和导通，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输进位的状态是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 正常的输进位状态值与相应的输进位的实际状态值相比较的过程。假如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进位的设备部位处于 故障工况。这就是 PLC 基于开关量信号故障的基本原理。 图 1 PLC 输进位电路原理图 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，还可以将故障诊断融进过程控制，达到保护机电设备的目的。 1.2 基于模拟量信号的故障诊断 PLC 对模拟量信号的识别是通过 PLC 的模拟量输进输出模块来完成的。模拟量输进输出模块采用 A/D 转换原理，输进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答应的极限值相比较的过程。假如比较的结果是实际值阔别极限值，则表明机电设备对应的受监控部位处于正常状态，假如实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判定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 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为，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。 1.3 基于中断方式的故障诊断 PLC 的中断方式有： （ 1）输进中断。开关量模块的输进位 FF 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 内装的高速计数器确定当前执行的 中断。 其中，输进中断特别适合于机电设备的故障诊断，它对应于产业计算机的硬件中断，属于外部中断，但 PLC 的输进中断可用 PLC 的外部指令来屏蔽。 将机电设备的故障信号作为 PLC 的输进中断源，一旦出现故障信号， CPU立即响应，停止正在执行的程序输进到中断子程序中，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：采用输进中断处理故障时，可停止 PLC 主程序的执行过程，而直接利用 PLC 的输进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 的输进中断方式对后果严重的突发故障的处理特别有用。 2 PLC 在故障诊断系统的作用 故障诊断系统是典型的人机系统，根据系统中的信息和功能划分的结果，基于计算机的故障诊断系统，如图 2 所示： 图 2 故障诊断系统的信息流向和功能模块 系统的输进模块要完成机电设备故障检测信号、控制指令和专家知识的接收工作。处理模块要求能自动实现特征参数提取、控制指令代码转换的功能。专家知识的整理和表达由领域专家和系统专家协作完成。控制模块是故障诊断系统的核心，它根据控制指令，利用专家知识，完成从故障特征到故障原因的识别工作。控制模块的功能越完善，故障诊断系统的智能化程度越高。输出模块通过声光报警装置和人机界面，给出故障定位、预告和解释的结果。其中，人机界面还 能提供排除故障的技术路线。 实现信息源从输进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。 PLC 的开关量输进模块可用作为开关量故障信号的输进装置，模拟量输进模块可用作为模拟量信号的输进装置。这两种模块均能方便地实现对设备的在线检测。 PLC 的内部逻辑可完成控制模块中的逻辑推理功能。 PLC 的输出模块可直接驱动诊断系统的输出模块。其中，输出端子可用来控 制声光报警装置和受控机电设备的运行过程，显示屏可作为人机界 面使用。 PLC 的通讯即可用来接受控制指令，又可输出 PLC。 3 利用 PLC 和计算机实现智能化诊断的方式 实现机电设备故障诊断的智能化，可充分利用专家知识，进步诊断效率，是故障诊断技术发展的一个重要方向。 由于目前的 PLC 产品不具备自动获取和存储专家知识的功能 ，所采用的编程语言无法完成控制层的计算推理功能 ，因此，单纯采用 PLC 的故障诊断的智能化程度是相当有限的。为此，可利用网络技术和通讯技术，将 PLC 计算机联接成网络，互相取长补短，共同构成如图 3 所示的故障诊断的硬件系统 2。 图中的 PLC 采 用并行分布式结构，作下位机使用，计算机作为上位机，可完成 PLC 的程序下装，实施对多台 PLC 的 治理，进行复杂的数据运算，建立数据库，存储专家知识，其输进输出设备可用做诊断过程的人机交互。 PLC 与计算机通过两种方式联接成一个整体，一是通过 PLC 的通讯口和计算机的通讯口进行联接，二是通过 PLC 的输进输出端子与计算机的开关量板和 A/D 板进行联接。其中， PLC通过通讯口传递给上位机的故障信号多达两个或两个以上时，上位机要通过编码进行识别，而通过 PLC 输出端子传递给上位机的故障信号，上位机要通过开关量板端子的地址来识别。 PLC 输进端子可接受来自上位机的控制信号或故障信号 上述两种联接方式把故障诊断 系统的输进模块。 图 3 PLC 与计算机构成的诊断网络 图 3 网络中的 PLC 和计算机在故障诊断系统中各自扮演着不同的角色。通常情况下，故障诊断过程中复杂的逻辑判定、开关量故障信号的检测以及在严重故障状态下对设备进行的保护可交给 PLC 完成，以充分发挥 PLC 的技术上风，而复杂的数值计算机和人机交互可在上位机上完成。 PLC 检测到的故障信号可通过通讯口或输进端子传给上位机，然后调用上位机存储的专家知识对其进行分析、判定、决策，并作出公道的解释。上位机作出决策之后，又可通过通讯口或开关量的输出端口传递控制信号， 并将控制权交给 PLC。充分利用通讯口的功能，有利于减 少 PLC 的规模。 下面重点介 PLC 在集装箱吊具无线信号传输与故障诊断系统中的应用 4 吊具信号的采集 集装箱单箱吊具中输入信号有 :4 个吊具着床限位， 4 个已开锁限位， 4 个已闭锁限位，4 个导板抬起限位， 2 个 20限位， 2 个 40限位， 1 个油泵压力开关 ；输出信号控制的有 :4 个开锁电磁阀， 4 个闭锁电磁阀， 4 个导板控制电磁阀， 2 个 20电磁阀， 2 个 40电磁阀， 1 个油泵起停控制信号。原吊具通过吊具电缆送给主控站的信号是 :着床，已开锁，已闭锁， 20到位， 40到位 ；从 主控站传到吊具上的信号为 :开锁，闭锁， 20， 40，这些信号均为综合信号。 如果发生某电磁阀故障，操作人员只知道该回路有故障，而不了解具体是吊具的哪个角发生故障，吊具上没有具体故障指示，维修人员到现场后还需要根据主站 PLC 故障信号来进一步判断故障部位，这样一个来回，维修时间就较长，从而生产效率会受到很大的影响。 集装箱吊具运行的工况是非常恶劣的，其故障发生的概率占系统总故障的 30%以上，为使故障判断更加快速准确，本文提出采用在吊具电控箱内增加 PLC 输入输出和通讯模块，并采用无线通讯的方式代替原昂贵的 吊具电缆， PLC 主站能够得到吊具内的所有信息并能方便地判断故障位置。吊具内增加的 PLC 与吊具内的信号关系如图 1 所示。图 1 中， PLC 采用 VERSAMAX 的以太网模块 IC200EBI001，由此模块与无线 MODEM AP-1002 通讯，实现与上位 PLC 的信号联系，其带有的开关量输入采用 IC200MDL640 模块，开关量输出模块采用 IC200MDL742 模块。外围的每个输入输出与该从站的输入输出一一对应，即共有 21 个开关量输入， 17 个开关量输出。一个 PLC 模块 MDL640 有 32 个输入，一个 MDL742 有32 个输出 ，满足使用需要，除上述输出外，还设有综合信号指示灯 :着床，已开锁，已闭锁，20到位， 40到位 ；另 10 个输出用于表示具体故障 :四个开锁故障，四个闭锁故障， 1 个 20故障， 1 个 40故障。 5 PLC 硬件组态 PLC 主站采用 GE9030 系列 PLC， CPU 为带有以太网口的 CPU364，在该 CPU 的硬件组态中，选择通讯模式为 EGD，即以太网全局数据结构定义，在 Ethernet Globe Date 设置对话框内， “produced exchanged”中的 “IP Address”设置为吊具以太网模块的 IP 地址，表示该 PLC站后续 “Add exch”的 “refereance”地址的存储器内容将发送到吊具以太网模块中的对应存储器去，同样在该 PLC 配置的 “consumed exchange”中的 “IP Address”设置为吊具以太网模块的IP 地址，表示该 PLC 站后续 “Add exch”的 “refereance”地址的存储器内容是从吊具以太网模块中的对应存储器传送来而得到。对应 EBI001 中的配置，也应将 “produced exchanged”和“consumed exchange”中的 “IP Address”设 置为主站 PLC 的 IP 地址，即主站 PLC 发送的数据是到吊具分站的，而分站发送的数据是送给主站 PLC 的。为保证传输中两边定义的数据能一一对应， 2 个站采用同样的存储地址。 2 个通讯模块中 “produced exchanged”和 “consumed exchange”中还需要各定义 2 个寄存器用于存放通讯状态，需要时， PLC 可读取该状态字了解 PLC 的 CPU364 与 VERSAMAX 通讯模块 EBI001 之间的通讯故障原因。配置好后，在分站中输入信号变化，在主站中立即可以看到，同样，主站 CPU 运行控制吊具的输出送到该PLC 通 讯的存储区，在分站中立即可以看到输出的变化，两者形成一一对应的镜像关系。 6 无线通讯的实现 通常通过吊具电缆传递吊具信号，该电缆为要求具备很高的柔性和韧性，电缆内芯数有限，如果上述吊具所有输入输出也通过该吊具电缆，则会因信号线太多而无法实现。随着现代通讯技术的发展，无线工业以太网已在工业控制网中逐渐被接受，要求的可靠性和稳定性已得到满足，而且其通讯速度也达到十兆以上。本方案中采取无限工业以太网络通讯的方式 来实现信号传递，采用点对点联系方式，中间不需要服务器，选用的产品为 RFNET 公司的AP-1002 型号， 网络结构如图 2 所示。无线网络仅采用网桥实现主从站的联系，即简单的点对点方式。其性能简述如附表。 在使用无线通讯模块前，要对该模块进行设置，先用 PC 机与该模块相联，设定 PC 机的 IP 地址前 3 位与该模块地址的一致，直接用 Internet Explorer 可进入模块的设定网页，将模块的 IP 地址改成所需要的地址并确定后退出，将 PC 机的 IP 地址也改成所需要的地址，再用 Internet Explorer 进入模块的新地址，并将要与模块相联的 PLC 地址输入到 “Host IP”中，两个模块均设好后，在该两个无线模块 之间即建立的网桥通讯，即主站与从站的联系就像用网线连通一样。 7 吊具的 PLC 程序故障诊断 吊具信号输入采集后， PLC 根据其输出信号与相应输入信号比较，可以诊断出具体故障部位，以旋锁控制闭合锁为例，其程序如图 3 所示，图 3 中 LKLS1、 2、 3、 4 分别表示旋锁闭合限位， LKLS 表示吊具旋锁已全锁 ；同样， UNLKLS 表示旋锁已全开， BEDLS 表示四个角已全部着床。从程序中可以看出在旋锁回路正常情况下，即命令 LKC