0 引言

　　對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷技術(shù)是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。一般的做法是將現(xiàn)場(chǎng)底層控制器數(shù)據(jù)通過控制網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)等)送至信息管理層或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，通過各種智能診斷算法完成診斷任：務(wù)。對(duì)于那些復(fù)雜性很高的疑難故障效果較好，且在很多領(lǐng)域取得較好效果。但統(tǒng)計(jì)表明實(shí)際中80％以上的故障為一般性故障，在解決常見、多發(fā)故障的處理上，尤其在需要快速解決，甚至需要在某些故障狀態(tài)保證運(yùn)行時(shí)，這種遠(yuǎn)程的方式缺少靈活性和實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)控制器只是監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)過程，忽視其在故障診斷及處理中的作用。

　　筆者認(rèn)為在這方面，遠(yuǎn)程智能診斷與基于PLC的故障診斷有明顯的互補(bǔ)，現(xiàn)場(chǎng)控制器可發(fā)揮如下作用：①精確定位故障，避免盲目性；②采取主動(dòng)措施，硬件冗余的同時(shí)，軟件充分考慮常見故障，使系統(tǒng)有一定的容錯(cuò)能力，出現(xiàn)某些故障的情況下，避免停車事故，確保系統(tǒng)繼續(xù)安全可靠的運(yùn)行；③各類現(xiàn)場(chǎng)控制器緊跟計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，朝著大型網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，為故障診斷處理提供平臺(tái)保障，在此之上可設(shè)計(jì)出一定智能程度的診斷功能。

1 故障及處理響應(yīng)的分級(jí)

　　根據(jù)故障輕重緩急，及響應(yīng)故障的時(shí)間要求，故障可以分為嚴(yán)重故障、一般故障、輕度故障、在組織故障處理功能時(shí)，故障的等級(jí)應(yīng)予以考慮。

　　嚴(yán)重故障：可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的故障，包括設(shè)備損壞、危機(jī)人身安全。要求系統(tǒng)即時(shí)響應(yīng)或立即停機(jī)，并向操作人員發(fā)出各種報(bào)警。如各種壓力保護(hù)，流程設(shè)備的閉鎖，機(jī)床的刀具破損、碰撞等。

　　一般故障：可能對(duì)控制過程產(chǎn)生影響，但不是立即的影響，一段時(shí)間后，如故障仍存在，則故障升級(jí)。如過程參數(shù)不當(dāng)造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。

　　輕度故障：不直接影響生產(chǎn)的輕度錯(cuò)誤或異常。如機(jī)器設(shè)備磨損及性能下降、環(huán)境變化等。

　　PLC依照彭簿的等級(jí)，可采用不同的響應(yīng)方式。

　　中斷處理：輸人中斷，由開關(guān)量輸入觸發(fā)CPU執(zhí)行的中斷；間隔定時(shí)器中斷；高速計(jì)數(shù)器中斷等。中斷處理停止控制器主程序的執(zhí)行過程，對(duì)后果嚴(yán)重的突發(fā)故障特別有用。

　　正常的程序掃描處理：由于現(xiàn)在PLC的CPU速度很高，大型的程序掃描周期一般也只有幾毫秒，所以對(duì)于絕大部分故障的處理速度是滿足要求的，并可使程序簡(jiǎn)化。多數(shù)的故障處理可放置在正常的掃描過程中。

　　定時(shí)或背景處理：高檔的PLC中，可以設(shè)定定時(shí)執(zhí)行的程序，或背景程序(在正常程序段處理結(jié)束后，本掃描周期如有時(shí)間，可執(zhí)行的相對(duì)次要程序段，如無時(shí)間，則跳過)。對(duì)于需要大量計(jì)算且非嚴(yán)重故障，可安排在此執(zhí)行。

2 基于PLC的故障診斷及處理一般規(guī)則

　　在PLC控制系統(tǒng)中，控制器本身的可靠性一般較高，故障率很低。一旦出現(xiàn)故障亦能通過自診斷檢測(cè)并顯示出來。絕大部分故障不在PLC設(shè)備本身，PLC的外部設(shè)備，如輸入元件、輸出執(zhí)行元件、被控設(shè)備及輸入輸出信號(hào)線路等的故障率很高。當(dāng)這些故障發(fā)生時(shí)，PLC不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，往往在發(fā)生故障或事故后才被發(fā)現(xiàn)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮可能的故障，并在控制器中做好監(jiān)視處理工作。

　　2.1 信號(hào)級(jí)處理

　　數(shù)字量處理：將PLC輸入位的預(yù)期狀態(tài)值與實(shí)際狀態(tài)值相比較的過程。二者比較的結(jié)果一致，表明設(shè)備處于正常工況，否則表明對(duì)應(yīng)輸入位的設(shè)備部位處于故障工況。模擬量處理：將在相應(yīng)A／D通道讀到的監(jiān)測(cè)信號(hào)的模擬量的實(shí)際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較，超限表明對(duì)應(yīng)輸入位的設(shè)備部位處于故障工況。判斷處理過程一般有一定的延時(shí)。

　　下述程序給出設(shè)備電機(jī)的兩種故障判斷：接觸器返回故障，過載故障。ICJ為運(yùn)行信號(hào)，0QJ為運(yùn)行命令，CJGZ為接觸器返回點(diǎn)故障，AI為互感器測(cè)得電機(jī)電流，MAX_I為過載電流，I_GZ為電流過載故障。充分考慮可能發(fā)生的故障，能夠使故障定位準(zhǔn)確，可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線診斷。通過PLC的梯形圖編程，還可將故障診斷融入過程控制，達(dá)到保護(hù)機(jī)電設(shè)備的目的。對(duì)于暫時(shí)無法解決的故障，通過較為準(zhǔn)確的定位描述，為上級(jí)或遠(yuǎn)程診斷中心提供可靠的依據(jù)，避免人工描述不準(zhǔn)確性。

　　2.2 控制策略級(jí)處理

　　在軟件開發(fā)時(shí)，通過充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的防范程序，是避免和減少這些故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的重要措施。除了硬件上的冗余熱備外，軟件上同樣應(yīng)有后備策略，而且針對(duì)PLC外圍的故障更有效。

　　PLC可視故障情況，動(dòng)態(tài)地重新構(gòu)造控制策略，使控制系統(tǒng)在新的臨時(shí)狀態(tài)下運(yùn)行，仍能保證一定的穩(wěn)定性和控制效果。

　　針對(duì)多發(fā)故障，提供備用方案，并保證就地手動(dòng)的有效。如對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量、設(shè)備的運(yùn)行不構(gòu)成直接影響的一些控制環(huán)節(jié)，在傳感器發(fā)生故障時(shí)，以定時(shí)方式配合人工干預(yù)，生產(chǎn)同樣可以短期進(jìn)行，待故障解除后重新回到正常方式。

3 模糊融合診斷

　　目前復(fù)雜控制系統(tǒng)采用了許多較新控制方法：如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等等，恰好可以相應(yīng)地開發(fā)出配套的高性能故障診斷部分，并與之融為一體。高檔PLC都提供了高級(jí)語言開發(fā)環(huán)境，也可實(shí)現(xiàn)自行開發(fā)的診斷算法。

　　基于信息融合原理的智能故障診斷方法，是通過多路傳感器信號(hào)進(jìn)行有效多層面的關(guān)聯(lián)組合及提取，獲得對(duì)診斷對(duì)象故障信息更可靠的認(rèn)識(shí)，從而最大限度地提高對(duì)故障的診斷和預(yù)知能力。在智能推理中FUZZY技術(shù)較為成熟且簡(jiǎn)單，本文給出基于FUZZY規(guī)則的診斷推理過程。

　　3.1 基于FUZZY規(guī)則的推理過程

　　在直積空間X*Y=｛(z，，，)｜xX，YY｝上的模糊關(guān)系Y=XR是X*Y上的一個(gè)模糊子集尺，尺的隸屬度函數(shù)屁(x，y)表示X中x素省與y中元素Y具有的這種關(guān)系的程度。

　　“如果菇是A則y是曰中，如果部分(x is A)被稱作前提部分(前項(xiàng)條件)，那么部分(y is B)被稱作結(jié)論部分。這種模糊推理表示了A與曰的一種關(guān)系，A、B都是模糊語言變量，這種關(guān)系就是一種特殊的模糊關(guān)系，稱作模糊蘊(yùn)含關(guān)系，記作AB，它不是普通邏輯中的A→B的推廣。當(dāng)x，y的論域?yàn)殡x散時(shí)，模糊蘊(yùn)含關(guān)系R可用相應(yīng)的矩陣表示。

　　推理過程如下：x 菇is A

　　模糊規(guī)則：IF x is A THEN Y is B

　　推理輸出：Y is B

　　即：B=A(AB)=AR

　　可將其擴(kuò)展為具有多條模糊規(guī)則、多重條件的推理過程，即第K條規(guī)則表示為：

　　Rule(K)：IF x1 is Fx1i And．．．ANDxn is Fnj THEN Y is Bi

　　同樣，模糊規(guī)則的獲取是建立模糊規(guī)則推理系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是主要的瓶頸所在。一般而言，可以根據(jù)來自專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則。如果專家提供的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)充足，建立的模糊規(guī)則庫(kù)就較為完備。

　　在建立模糊規(guī)則庫(kù)后，要將輸入信息模糊化，進(jìn)行模糊推理，此時(shí)結(jié)構(gòu)為模糊集，還要進(jìn)行解模糊處理。

　　3.2 在PLC中的實(shí)現(xiàn)

　　上述模糊診斷方法，在Quantum PLC的開發(fā)環(huán)境Concept軟件中利用其類PASCAL語言STL(StatementLanguage)自行開發(fā)，對(duì)于基于規(guī)則的模糊推理，Concept提供了隸屬度函數(shù)為三角形的各種功能函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)推理過程。其中FUZ;ATERMReal為模糊集定義函數(shù)；FUZ_MIN_Real為模糊取小函數(shù)；FUZ MAX_REAL為模糊取大函數(shù)；DEFUZREAL為解模糊功能；下面給出具體STL實(shí)現(xiàn)過程：

　　VAR

　　Symptonl：FUZATERMReal；Sympton2：FUZATERMReal；Sympton3：FUZ_ATERMReal；模糊集定義ENDVAR　　Symptonl(X：=Sympton，S1：=1.36，S2：=1.38，s3：=1.40，S4：=1．42，S5：=1．44)；　　Toolowl：=Symptonl．MDl；Lowl：=Symptonl．MD2；Goodl：=Symptonl．MD3；Highl：=Symptonl．MIM；TooHighl：=Syruptonl．MD5；模糊化輸入　　Symptort2,(X：=SymptonC，S1：=-0.01，S2：=0.0，s3：=0.01)；Low2：=Sympton2．MDl；Good2：=Sympton2．MD2；High2：=Sympton2.MD3；　　mydl：=FUZMINReal(INl：=Toolowl，IN2：=bw2)；　　myd2：=FUZMINReal(INl：=Toolowl，IN2：=Good2)；　　mydfl：=FUZMAXREAL(INl：=mydl，IN2：=myd2，IN3：=myd4)；根據(jù)推理規(guī)則，按照M(^，V)進(jìn)行模糊推理...　　Conclusionl：=DEFUZREAL(ZEROY：=FALSE，MDiSil：=mydfl.MDiSi2：=4095.0，MDiSi3：=mydf2，MDiSi4：=3000.0，MDiSi5：=mydf3，MDiSi6：=1000.0，MDiSi7：=mydf4，MDiSi8：=0.0)；按重心法解模糊，并尋找最大隸屬度故障原因。

　　當(dāng)征兆集能夠直接從傳感器得到或處理后得到，即可應(yīng)用上述方法在原因集中尋找原因。調(diào)過實(shí)際調(diào)試，在征兆、原因、規(guī)則都較為有限的情況下，對(duì)PLC掃描時(shí)間影響較小，是可行的。

　　模糊邏輯較好地利用語言知識(shí)，知識(shí)表達(dá)形式易于理解，但卻存在自學(xué)習(xí)能力弱的不足。對(duì)于故障診斷矩陣R和故障診斷規(guī)則Rule及隸屬度函數(shù)需要不斷修正的場(chǎng)合，基于PLC的方法不適用。

4 結(jié)論

　　在以往進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常把控制器和故障診斷系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，但在設(shè)計(jì)控制器的同時(shí)考慮故障診斷，可以提高故障的可診斷性及故障診斷的可靠性，而且便于將故障診斷系統(tǒng)化。隨著PLC功能不斷增強(qiáng)，它在故障診斷領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。實(shí)踐中應(yīng)注意如下原則：設(shè)備及工藝過程診斷維護(hù)的困難很大程度是因?yàn)镻LC的診斷能力不足，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮可能的故障。充分考慮控制功能與故障監(jiān)控診斷的平衡，分清輕重緩急，并與遠(yuǎn)程AI診斷取長(zhǎng)補(bǔ)短。運(yùn)用中，采用各種措施，確保診斷工作不會(huì)影響PLC的正常監(jiān)控工作。