李春光

（重慶川儀控制系統(tǒng)有限公司，重慶 400707）

電氣自動化儀器儀表領域當中有大量不同的設備型號，綜合市場發(fā)展所呈現(xiàn)的多方面因素，致使絕大多數(shù)儀器儀表制造商難以取得相對完善的儀器儀表結構圖，對應的核心技術也因此處于相對封閉狀態(tài)，最終導致工作人員難以做好對儀器儀表零部件及電路元件等的故障檢測。為此，本文提出基于PLC 技術的電氣自動化儀器儀表故障檢測系統(tǒng)。

1 基于PLC的技術原理

PLC 技術在功能運用上主要是依托內(nèi)容存儲的功能特性來全面協(xié)調相應數(shù)據(jù)、程序等內(nèi)容，根據(jù)相關指令完成邏輯運算，高效執(zhí)行命令以實現(xiàn)相關任務。合理應用PLC 技術，對相關內(nèi)部指令進行綜合分析，分析完成后，將控制信號有效地通過CPU 周期性地傳送到執(zhí)行端，以保證其運行的效率水平。

1.1 數(shù)據(jù)收集及輸入采樣

PLC 技術的應用，關鍵環(huán)節(jié)主要圍繞數(shù)據(jù)采集和輸入采樣來展開，這些也是整個系統(tǒng)最重要和最基本的過程。PLC 可以對輸入接口進行全面掃描分析，記錄和存儲數(shù)據(jù)，并放置在圖像上。然后對存儲區(qū)域進行綜合處置分析，由此來切實保障數(shù)據(jù)本身的完整、獨立及準確性，免受其他相關因素的直接影響?？梢?，PLC 技術本身屬于相對高效的數(shù)據(jù)分析技術。針對所獲取的信息數(shù)據(jù)進行綜合分析的基礎上，需科學合理地記錄和存儲基本信息，具有準確的特點。在這個過程中，PLC 技術還將依托綜合分析設備的信息應用過程，來切實保障數(shù)字信息的有效應用，這對于改進和有效運行與用戶相關的程序至關重要。此外，數(shù)據(jù)綜合分析功能是在應用PLC 技術前提下實現(xiàn)的信息存儲格式來對數(shù)據(jù)進行全面優(yōu)化，具備極好的穩(wěn)定性。

1.2 對執(zhí)行程序進行有效分析

采用PLC 技術實施程序掃描的環(huán)節(jié)中，具體操作方式主要遵循從上到下順序，充分結合固化的梯形圖像通過左行進行數(shù)據(jù)傳輸，這也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕鞒?。具體而言，掃描工作從左到右，從上到下，可以有效地更新數(shù)據(jù)和程序操作。在這個環(huán)節(jié)，PLC 執(zhí)行程序只收集和分析因改變邏輯運行方式而改變的數(shù)據(jù)，為執(zhí)行程序的執(zhí)行和優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持，有效更新相關的數(shù)字采集信息[1]。在實際過程中，電氣設備的穩(wěn)定持續(xù)運行將充分展現(xiàn)出執(zhí)行程序與數(shù)據(jù)采集的全面優(yōu)化，由此促使設備狀態(tài)的梯形圖隨之產(chǎn)生明顯的變化。主要因為程序運行的特點屬于循環(huán)運行，為此就要求應當切實保證每次循環(huán)運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，這樣才能切實有效地避免由于信息錯誤而導致的系統(tǒng)故障問題。

2 基于PLC技術的電氣自動化儀器儀表運行控制方法

2.1 預先設定儀器儀表參數(shù)

運用PLC 技術來實現(xiàn)電氣自動化控制的方式，本身具有能夠監(jiān)測周圍環(huán)境并完成數(shù)據(jù)采集的重要功能。許多公司在制造產(chǎn)品之前需要測量相應的運行數(shù)據(jù)，實施的檢測方式具體是借助信號燈來面向監(jiān)控設備的運行狀況進行檢測，但這種檢測方式難以對設備的實際運行情況進行準確分析。因此，提出設置相應的電氣設備參數(shù)值，據(jù)此全面提升自動化設備的功能特性。并且由此明確采用PLC 技術采集相應的電氣設備數(shù)據(jù)時，所需采集的模擬數(shù)據(jù)在內(nèi)容上主要涵蓋壓力、溫度等多種參數(shù)值。實際檢測值按比例換算公式換算為實際物理量。轉換公式為：

其中，P表示檢測點的實際物理量，IN表示檢測點實時變化數(shù)值。經(jīng)轉換處理后，可將預先設定好的參數(shù)值整體上傳至PLC 控制站進行處理，然后再結合電氣設備的運行參數(shù)進行運行趨勢圖的繪制，并由此來判定設備本身的實際運行狀況。

2.2 基于PLC的電氣自動化儀器儀表控制的實現(xiàn)

當修正電氣設備的參數(shù)時，系統(tǒng)將會自動保存在計算機上。同時，系統(tǒng)將相關信息發(fā)送到相應的工作站，最后通過方便用戶查看的Web 服務器將電氣設備信息發(fā)送到局域網(wǎng)?；赑LC 技術的電氣儀表自動控制方法是由很多部分組成的，其中電子部分是非常重要的部分。自動化元件的選擇直接影響電氣設備自動化控制的性能。只有選擇合適的自動化組件，才能保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定使用。電氣設備的自動化控制過程需要對部件的耐久性進行實時監(jiān)控，并實時傳輸設備的所有檢測參數(shù)和各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3 基于PLC技術的電氣自動化儀器儀表故障檢測系統(tǒng)設計

3.1 硬件單元設計

3.1.1 數(shù)據(jù)采集單元設計

所設計的系統(tǒng)主要選取傳感器探頭來獲取電氣自動化設備運行數(shù)據(jù)。而傳感器探頭本身是一種半封閉的線圈，其在硬件操作狀況下，一旦傳感器探頭確定之后，則所能檢測取得的電壓差與故障電流大小相關性呈正比，因此可由此得到更為準確的電氣設備運行數(shù)據(jù)。同時，傳感器探頭所收集的儀器儀表電壓數(shù)據(jù)源于泵電流。主要設計面向電壓處理的系統(tǒng)，由此才能切實保障所采集數(shù)據(jù)的有效、準確性，從而為以后自動化儀器儀表故障檢測工作穩(wěn)定發(fā)展奠定了良好的基礎。

3.1.2 PLC芯片選取單元設計

PLC 是一種可編程的邏輯控制器，其核心零件在于中央處理器（CPU），可結合所設計系統(tǒng)實際需求，在此基礎上采取APM Cortex-M3作為中央處理APM Cortex-M3芯片，因此其具備性能高、成本低、高速運行等諸多特點。同時，其還涵蓋了多種指令，例如可實際用在遠程監(jiān)控和電氣測量等多樣化場景下的Thumb2指令。最主要的APM Cortex-M3芯片本身引腳數(shù)量達100多個，這些都共同集合出功能相對完善的比較器與8個接口。此外，APM Cortex-M3芯片還具備電源數(shù)量達8組的接口，能夠抵御多種不同形式的干擾。

3.1.3 通訊單元設計

根據(jù)功能因素，以太網(wǎng)控制器可細分為PHY 和Mac 兩個分層。其中，系統(tǒng)所用LM3S8962 芯片的PHY 層本身具備解擾器、時鐘恢復、自動支持等諸多功能特性。并且PHY 層的驅動振蕩器處于XTALN PHY 和XTAL PPHY 之間。該層的LED 指示燈也可由此充分反映芯片內(nèi)的LEDO/LED1引腳，由此可直接對應以太網(wǎng)控制器實時動態(tài)。然而，需注意PHY層只可借助軟件編程處理才可驅動以上所述引腳并由此將LM3S8962 芯片經(jīng)過網(wǎng)絡接口實現(xiàn)與變壓器的鏈接。

此外，LM3S8962芯片中Mac 層執(zhí)行傳輸和收取以太網(wǎng)幀工作內(nèi)容。這本身需要借助MII 接口來實現(xiàn)，并且通過MII 的內(nèi)部管理接口來鏈接至MDIO信號和電源間的上拉電阻來最終達成。最主要的是，LM3S8962芯片可直接與隔離變壓器連接使用，無需同步運行其他設備。

3.2 軟件模塊設計

3.2.1 上位機程序模塊設計

設計上位機程序模塊主要是為了充分啟用以太網(wǎng)通信，在此基礎上收取傳感器探頭來進行電氣自動化儀器儀表運行數(shù)據(jù)的采集工作，并同步將最終所采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過波形圖樣式來呈現(xiàn)。此外，上位機可以自由放大和縮小波形圖，據(jù)此可以清楚地看到設備的故障位置和故障等級方面的詳細信息。

3.2.2 數(shù)據(jù)融合模塊設計

數(shù)據(jù)融合模塊運行的原理主要是把時間、空間層面的冗余信息數(shù)據(jù)，嚴格遵循預先設定的規(guī)則來實施有機結合，并由此來形成一致性的描述效果。數(shù)據(jù)融合模塊運行的根本目的是為了依托數(shù)據(jù)組合來深入發(fā)掘出更多信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而據(jù)此不斷提升電氣設備的故障檢測準確、有效性。一些傳統(tǒng)的檢測方式，所設計的模塊當中主要采用了大量的傳感器探針來促使數(shù)據(jù)內(nèi)容融合，但融合的效果并不理想。因此，提出采用分層融合的形式來針對數(shù)據(jù)內(nèi)容實施融合處理。

具體數(shù)據(jù)融合過程如下：

（1）數(shù)據(jù)級融合。針對數(shù)據(jù)級融合主要是將相應的原始數(shù)據(jù)層實施融合處理。過程中，被處理的各項數(shù)據(jù)內(nèi)容屬性不會遭受明顯的改變，在此基礎上合并處理相應的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)融合的方式能夠極大地保留一些相對敏感的信息，但本身存在明顯的局限性。

（2）功能層面的融合。提取原始數(shù)據(jù)的特征，對特征數(shù)據(jù)進行綜合分析、處理和融合。此類數(shù)據(jù)融合的方式不但極大提升了系統(tǒng)運行的效率水平，而且最大限度地保留了決策分析所需的特征數(shù)據(jù)集。

（3）決策層的融合。主要從相應決策問題方面展開，最大限度地利用功能級融合提取發(fā)現(xiàn)對象的信息，可以為最終的自動化控制和決策制定提供基礎支撐。

3.2.3 儀表故障檢測模塊

以電氣自動化的儀器儀表設備可能存在的故障問題類型和相應數(shù)據(jù)為基礎，在此基礎上建立其內(nèi)容完善的故障樹，并在此基礎上針對每一類的故障類型實施有效的分類和編碼處理?；诠收蠘涞慕Y構，載入前一模塊的內(nèi)容輸出數(shù)據(jù)，并由此覆蓋整個故障樹，這樣可有效、準確地檢測出電氣自動化儀器儀表設備是否產(chǎn)生了相應的故障問題。具體操作的流程包括：輸入數(shù)據(jù)融合結果，依托故障表現(xiàn)確定下層故障節(jié)點，最后循環(huán)這一操作過程，找出設備故障原因，最終由此生成設備故障信息。

電氣自動化儀器儀表的故障檢測公式原理為：

在這個方程中，Kij表示電氣自動化儀器儀表設備的實時運行數(shù)據(jù)，Si表示各類故障問題出現(xiàn)的主要原因。以上所呈現(xiàn)的硬件單元和軟件模塊的結構設計，為電氣自動化儀表設備的故障檢測工作提供了穩(wěn)定支撐，真正為電氣自動化優(yōu)化與發(fā)展奠定了堅實的基礎。

4 基于PLC的電氣自動化儀器儀表故障檢測系統(tǒng)運行實驗分析

使用MATLAB 軟件平臺設計實驗過程，主要是為了驗證設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測之間存在的性能性差異。實際實驗操作的全過程：為保障整個實驗的穩(wěn)步進行，選取一臺測溫儀器展開實驗分析，由此來檢測電氣自動化儀器儀表設備的故障情況。表1和表2為選取的10種不同故障類型匯集整理得到的實驗數(shù)據(jù)。如表1所示，所設計系統(tǒng)在故障檢測中消耗的時間為8.24～10.40 ns，所檢測的結果精度為70.24%～85.13%；傳統(tǒng)故障檢測時間為14.66～30.14 ns，故障檢測結果的精度為52.35%～62.13%。通過對實驗數(shù)據(jù)檢驗分析，發(fā)現(xiàn)所設計系統(tǒng)的故障檢測時間更短，故障檢測精度高于常規(guī)檢測，由此可知該系統(tǒng)設計的可行性和有效性得到了充分的證實。

表1 故障檢測消耗的時間對比

表2 故障檢測消耗的時間對比

5 結語

電氣自動化儀器儀表運用PLC 技術能夠有效地解決傳統(tǒng)電氣自動化儀器儀表的問題，尤其是儀器儀表故障檢測方面，運用PLC 技術設計出全新的電氣自動化儀器儀表故障檢測系統(tǒng)，全面縮短故障檢測的時間，極大提升了故障檢測的準確率，確保儀器儀表的穩(wěn)定、有效運行。