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1 引言

萊鋼中小型軋鋼生產線于97年建成投產，主要生產圓鋼、彈簧扁鋼、槽鋼和螺紋鋼。該生產線PLC控制系統由ABB公司提供，其自動控制系統采用ABB MasterPiece 200/1 PLC控制系統，實現了18架軋機以及冷床、冷剪和碼垛機的自動控制。基礎自動化系統采用ABB公司的RMC200軋鋼控制系統，它是一個開放型集散控制系統，由一套MP200/1過程站和一套AS520操作員站組成。過程站由一個CPU機架帶一個I/O機架組成，CPU機架上安裝了CPU模板DSPC172、內存模板DSMB176以及32通道的DI/DO模板，通過通訊模板DSCS140連接到MasterBus300總線上，與其它過程站進行通訊，I/O機架由總線擴展模塊DSBC172實現總線擴展。

操作員站采用HP-UNIX工作站，并通過實時加速器板連接到MasterBus300的冗余接口，通過它操作人員可直接對現場設備進行監控，主要功能有:(1)軋鋼生產設備的啟停(2)設備數據設定和實時監控(3)事件與報警清單的顯示與打印等。系統的主要畫面有啟動畫面、設定畫面、維護畫面、事件畫面和報警畫面。系統配置圖如圖1所示。

2 PLC診斷軋鋼生產設備故障的基本原理

軋鋼設備的故障信號有數字量和模擬量之分，PLC采用不同的方法對這兩種信號對應的故障進行診斷。

2.1 基于數字量信號的故障診斷

PLC對數字量信號的識別是通過其數字量輸入模塊完成的。PLC控制軋鋼生產設備時，設備中的壓力、溫度、液位、行程數字及操作按鈕等數字量傳感器與PLC的輸入端子相連，每個輸入端子在PLC的數據區中分配有一個“位”，每個“位”在內存中為一個地址。讀取PLC輸入位的狀態值可作為識別數字量故障信號的根據。診斷數字量故障的過程，實質就是將PLC正常的輸入位狀態值與相應的輸入位的實際狀態值相比較的過程。如果二者比較的結果是一致的，則表明設備處于正常工況，不一致則表明對應輸入位的設備部位處于故障工況。這就是PLC診斷基于數字量信號故障的基本原理。這種診斷方法，故障定位準確，可進行實時在線診斷。通過PLC的圖形功能塊編程，還可將故障診斷融入過程控制，達到保護軋鋼設備的目的。

2.2 基于模擬量信號的故障診斷

PLC對模擬量信號的識別是通過PLC的模擬量輸入輸出模塊來完成的。模擬量輸入輸出模塊采用A/D轉換原理，輸入端接收來自傳感器或變送器的模擬信號，輸出端輸出的模擬信號作用于PLC的控制對象。PLC診斷模擬量故障的過程，實質就是將在相應A/D通道讀到的監測信號的模擬量的實際值與系統允許的極限值相比較的過程。如果比較的結果是實際值遠離極限值，則表明軋鋼生產設備對應的受監控部位處于正常狀態，如果實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態。判斷故障發生與否的極限值根據實際系統相應的參數變化范圍確定，利用PLC上的模擬量設定開關可精確設置該極限值。

當模擬量的實際值達到模擬量設定開關的設定值，PLC還能按照一定的邏輯關系啟動開關量模塊上的輸出位，或者從PLC的通訊口主動發起通訊，從而輸出故障診斷的結果，并據此實現對軋鋼生產設備的控制。

2.3 基于中斷方式的故障診斷

PLC的中斷方式有:

(1) 輸入中斷;

(2) 間隔定時器中斷;

(3) 高速計數器中斷。其中，輸入中斷特別適合于軋鋼生產設備的故障診斷。它對應于工業操作站的硬中斷，屬于外部中斷，但PLC的輸入中斷可用PLC的外部指令來屏蔽。將軋鋼生產設備的故障信號作為PLC的輸入中斷源，一旦出現故障信號，CPU立即響應，停止正在執行的程序，轉到中斷子程序中去，即可方便地對故障進行處理。它與直接利用PLC的內部邏輯完成故障診斷的不同之處在于:采用輸入中斷處理故障時，可停止PLC主程序的執行過程，而直接利用PLC的輸入和內部邏輯處理故障時，PLC的主程序仍處于運行狀態。因此，要根據故障對軋鋼生產設備的影響程度選擇合適的故障診斷方式。PLC的輸入中斷方式對后果嚴重的突發故障的處理特別有用。

3　PLC在故障診斷系統中的作用

故障診斷系統是典型的人機系統，根據系統中的信息流向和功能劃分的結果[1]，基于操作站智能化的故障診斷系統，如圖2所示。

系統的輸入模塊要完成軋鋼生產設備故障檢測信號、控制指令和專家知識的接收工作。處理模塊要求能自動實現特征參數提取、控制指令代碼轉換的功能。專家知識的整理和表達由領域專家和系統專家協作完成?？刂颇K是故障診斷系統的核心，它根據控制指令，利用專家知識，完成從故障特征到故障原因的識別工作?？刂颇K的功能越完善，故障診斷系統的智能化程度越高。輸出模塊通過聲光報警裝置和人機界面，給出故障定位、預報和解釋的結果。其中，人機界面還能提供排除故障的技術路線。實現信息源從輸入模塊到輸出模塊的全自動流向，減少人在其中的干預作用，是軋鋼生產設備對其故障診斷系統的要求。采用PLC的故障診斷系統，有助于實現故障診斷過程的自動化。

4　利用PLC和操作站實現智能化診斷的方式

實現軋鋼生產設備故障診斷的智能化，可充分利用專家知識，提高診斷效率，是故障診斷技術發展的一個重要方向。由于目前的PLC產品不具備自動獲取和存儲專家知識的功能，所采用的編程語言無法完成控制層中的計算推理功能，因此，單純采用PLC的故障診斷系統的智能程度是相當有限的。為此，可利用網絡技術和通訊技術，將PLC和操作站聯接成網絡，互相取長補短，共同構成故障診斷的硬件系統。PLC采用并行分布式結構，作下位機使用，操作站作為上位機，可完成PLC的程序下裝，實施對多臺PLC的管理，進行復雜的數據運算，建立數據庫，存儲專家知識，其輸入輸出設備可用作診斷過程的人機交互。PLC與操作站通過兩種方式聯接成一個整體:一是通過PLC的通訊口和操作站的通訊口進行聯接，二是通過PLC的輸入輸出端子與操作站上的開關量板和A/D板進行聯接。其中，PLC通過通訊口傳遞給上位機的故障信號多達2個或2個以上時，上位機要通過編碼進行識別，而通過PLC輸出端子傳遞給上位機的故障信號，上位機要通過開關量板輸入端子的地址來識別。PLC輸入端子可接受來自上位機的控制信號或故障信號。網絡中的PLC和操作站在故障診斷系統中各自扮演著不同的角色。通常情況下，故障診斷過程中復雜的邏輯判斷、開關量故障信號的檢測以及在嚴重故障狀態下對設備進行的保護可交給PLC完成，而復雜的數值計算和人機交互可在上位機上完成。

5 應用效果

整個車間自動化系統為二級控制系統，即設備控制級和信息管理級，設備控制級即一級系統為RMC200軋線控制系統，采用ABB Master Piece系統，由10套ABB Master Piece200/1過程站、3套Master Piece90過程站、和3臺Advant Station 500系列操作站、1臺VT340監控站及2臺MasterAid220編程器構成。各過程站之間的網絡通訊采用Master Bus 300(簡稱MB300)，通過加熱爐的過程站與二級信息管理級進行通訊。每一個MP200/1過程站通過一個DSCS140通訊板連接到MB300網絡上,通過MB300網絡進行數據交換，通訊板上可以設定地址開關，據此來確定該節點在網絡上的位置。對于MP200/1與打捆機MP90的通訊,通過RMC7系統中的通訊板DSCS131連接至MODEM,打捆機上也分別裝一MODEM和通訊板DSCS131，由MODEM來實現遠程通訊。在加熱爐RMC1的MP200/1系統中，通過DSCS150板與二級計算機系統IBM Netifinity 5000 服務器通訊，二者通過GCOM網絡進行數據交換。下面以RMC2為例，簡介實現軋鋼生產設備故障診斷的智能化。

RMC2實際上包括三套PLC:RMC2、RMC52、RMC62，RMC2主要完成的控制功能有:軋制程序表的設定及存儲、爐前裝料設備控制(包括熱送和裝冷坯兩種情況)、爐前鋼坯測長與稱重、加熱爐出口設備控制、粗軋機主傳動控制、粗軋機微張力控制、6#剪子控制;RMC52主要完成的控制功能有:中軋機控制(包括速度級聯、速度給定、跟蹤)、軋線模擬軋鋼測試、中軋機組的活套掃描器控制;RMC62主要完成的控制功能有:精軋機控制(包括速度級聯、速度給定、跟蹤)、精軋機組的活套掃描器控制。RMC2、RMC52、RMC62三者既需獨立完成分配給自己的控制功能，又環環相扣，互相聯鎖制約著，若中軋機組的活套掃描器控制中有差錯，軋鋼控制系統無法正常運行，6#剪子立即碎斷，防止軋線堆鋼，同時，加熱爐停止出鋼，直至故障解除。

所設計的故障診斷系統能完成以下功能:

(1) 測試過程開始前，運行故障診斷系統，檢查軋鋼生產控制系統是否處于良好狀態。對于開關量，這個過程是上位機通過通訊口讀取PLC輸入位的狀態值并與其正常狀態值相比較的過程;對于模擬量，這個過程可用讀取模擬量起動的開關位的狀態值作為判斷的根據，也可將從其它站讀取的模擬量與其相應的極限值相比較的結果作為判斷的根據。若發現測控系統有故障，應及時處理(上位機顯示屏給出具體故障的部位報警)。只有當診斷結果為良好狀態時，才能進行的軋鋼性能測試;

(2) 如果測試結果發現不合格的設備，應重新運行故障診斷系統。

(3) 如果測試過程當中，測控系統出現嚴重故障，則PLC通過通訊口或上位機輸入輸出板傳遞故障信號，使測控系統退出測試過程，屏幕給出故障診斷的結果和排除故障的建議。

6 結束語

PLC可為軋鋼生產設備的故障診斷提供強有力的技術支持。在進行故障診斷系統的設計時，根據診斷系統的功能要求，選用適當的PLC，可豐富和完善診斷系統的功能。隨著PLC新產品的研制成功，它在故障診斷領域將有更廣闊的應用前景。