分布式驱动系统的计算机辅助控制与诊断

### 分布式驱动系统的计算机辅助控制与诊断 #### 1. 引言 现代工业过程自动化系统通常由多个基本组件构成，包括控制器（如 PLC、调节器、工业计算机等）、执行器（电动、气动、液压及其组合）、控制与测量设备（传感器和探测器）、工业网络以及 SCADA/HMI 系统。这些功能组件可分为机械元件、电气和电子部件、控制设备和软件包等几类。所有这些组件都可能出现故障，因此，关键问题在于评估其无故障服务期。对于单个组件，这项任务相对容易，但对于由多个相互依赖子系统组成的分布式应用，其可靠性函数取决于所有组件的可靠性因素。 顺序分布式系统常见于自动化加工中心、装配线、输送机等。出于安全考虑，这些系统需要进行与维护模型要求紧密相关的扩展监测程序。预防性维护模型包含降低风险、避免故障、持续提高系统可靠性、消除缺陷（重点是减少检测和消除错误源所需的时间）、提高生产率并降低总成本，同时持续提升质量水平等重要假设。开发一种能满足所有这些要求的方法，是不同领域工程师的重要任务。利用更先进的设备可以在不同层面上结合诊断和控制功能，但在大多数现代应用中，由于经济、时间和工作量、算法复杂性等原因，这种集成往往被忽视。 #### 2. 分布式系统维护相关问题 分布式系统的维护在许多工程应用中至关重要。工业控制系统具有控制系统组织形式（集中式或分布式）、应用规模、测量设备类型（传感器和探测器）、技术方向等特点。工业生产系统面临许多外部因素的影响，主要包括用户有意发送的命令信号和干扰。制造部门、生产系统和机器的复杂性不断增加，导致故障源数量持续上升。如今，自动化工业生产系统的诊断是一个重要问题。 在使用机电一体化设备的应用中，不考虑运行条件监测和任务规划就设计、实施和操作机器是不可行的。这一问题在配备交流异步电动机的电力驱动状态监测和控制中尤为明显。目前，大多数研究倾向于将单个驱动器作为独立机器进行测试，但这种方法无法满足运营和维护工程师的需求，因为工业环境要求快速检测和排除故障、减少诊断设备的配置程序数量（确保多种通信协议和访问诊断对象方法的通用性）以及提供广泛的可用工具。到目前为止，尚未开发出一种基于变频器与 ProfiBus 工业网络结合以及集中式 PLC 控制的分布式驱动系统诊断概念。 ##### 2.1 电力驱动单元的结构分析 在现代机器的工业驱动系统中，电动机占据主导地位。这是因为它们具有单个驱动单元效率高、扭矩和速度调节范围广、尺寸小、供电方便、性价比高等功能特点。自动控制设备组件的广泛选择使得能够构建一些不符合传统机器定义的新技术设备。仅基于控制、能量、干扰和质量通量来确定机器状态，无法考虑确保分布式单元正常工作的诸多因素。控制和识别不同技术水平单元的故障仍然是重要任务。 自动化需要实现无人操作，这就要求双向信息流，以便既能控制参数又能改变状态。确定机器模块的组件有助于复杂地识别内部信息流（通过变频器在单个驱动器控制层面交换的信号）和外部信息流（对应机器整体运行状态的复合通量）。每个驱动子系统都具有一些使其类似于独立机器的特征，在每个子系统中都包含一个电力驱动、一个减速器和一个控制子系统（如变频器或 I/O 模块）。驱动系统各功能子系统之间的详细关系如图 1 所示。 |定义类型|详情| | ---- | ---- | |传统方法|基于传统的机器定义方式| |适应分析系统要求的方法|考虑了分析系统的特定需求| |驱动子系统的简化视图|以耦合组件集合的形式呈现| 该结构适用于输送机、生产线等，这些系统的工作周期能否正常进行取决于所有组件。具有适当信息流的分布式系统可以从不同层面（从传感器记录的值、控制元件的状态到生产数据）进行系统参数分析。 ##### 2.2 分布式系统监测常用方法概述 对工业过程的监督和分布式系统状态参数的改变通常通过三种方式进行： 1. **便携式分析仪**：可以在工作场所测量机器的运行参数，但由于其结构特点（主要用于确定一种现象的参数），只能在计划时间间隔或出现明显损坏症状时进行测量，并且需要有经验的诊断人员进行操作。 2. **计算机输入/输出卡**：适用于测量或执行设备数量较少的系统。 3. **SCADA 系统**：难以访问被监督设备的特殊功能，且成本较高。此外，要获得满意的记录分辨率，还需要配置可选的采集器。这两种方法存在诸多限制，通常仅作为精确诊断活动的辅助手段。 最后一种概念是基于定制软件的应用，它结合了上述监督和控制系统的优点，同时扩展了诸如专用诊断和控制块、利用 ProfiBus 主线作为诊断信息载体、发挥 ProfiBus 协议的高级功能等额外功能。该概念的主要优点是能够在任何由 PLC 控制器操作的过程或机器中实现。 #### 3. 诊断和控制功能的集成 所开发的方法具有一定的通用性，适用于各种由 PLC 控制器支持的电力驱动诊断和控制活动。但在设计阶段，作者对硬件和软件结构的组织进行了一些限制。在工业应用中，使用可编程逻辑控制器和配备工业网络接口的分布式驱动器很常见。PLC 的受欢迎程度在于其交换的数据大多是控制命令。 在大多数情况下，诊断和控制功能是分离的。传统的控制算法组织结构侧重于无故障地执行工作流程，但往往忽略了诊断信息。这主要是因为扩展了诊断功能的控制算法复杂度大幅增加。集成诊断和控制功能可以将这些功能结合起来，形成实现受控系统自诊断功能的程序。每个单元都应具备故障检测功能，计算机系统则通过专用屏幕对当前和历史数据进行解释。主要参数包括当前、最小和最大总线周期、诊断信息、当前工作状态、错误代码、无功和有功功率、I/O 的当前状态等。 ##### 3.1 信息流模型 该解决方案旨在对使用自动控制设备的工业应用进行实时分析，主要通过定制控制器和适当选择的模块及通信标准来操作。可编程逻辑控制器的预防性维护包含一些简单操作，因此 PLC 可被视为自动化生产系统中最可靠的元件之一。系统组件和整个系统的可靠性取决于对运行条件的快速评估和基于当前状态的故障预测。 为了获得详细结果，研究对象主要限于三菱 PLC 控制器。大多数工程应用中的 PLC 都可以进行功能扩展。在分布式系统图中，系统被划分为各个功能子系统，PLC 具有最高功能，能够执行所有驱动器的控制参数。 这种分散式系统采用分布式执行器和集中式 PLC（或通过通信主线连接的独立控制系统，便于访问整个系统的数据），其组件呈层次结构连接。计算机控制和诊断系统（CCaDSoDD）能够在不干扰分布式系统运行的情况下，控制 PLC、执行器和工业传感器的状态，并同时运行与执行器或控制单元相关的其他软件。该系统的结构基于连接关系，符合自动化层次结构： - 电力驱动和变频器位于较低层次（初级技术层）。 - 可编程逻辑控制器作为被监督单元（在 PLC 内存中定义的算法内），位于组控制层。 - 开发的专家系统位于最高层，PLC 和 ProfiBus DP 接口在变频器和专家系统之间的数据交换阶段起中介作用。 - CCaDSoDD 的工作不会干扰 PLC 控制器的运行，但可以强制驱动器执行某些条件（进行主动诊断测试）。 尽管有明确的划分，但分布式机电系统的检查仍然存在问题。大型系统的维护需要使用先进的工具。该方法基于通过耦合网络进行直接或间接连接，连接拓扑取决于通信网络的类型。选择三菱控制器是因为它便于与系统各层次的选定逻辑单元连接。 从远程单元获取数据可以通过门功能访问（如 HMI 面板）。制造商提供的软件必须通过网络直接连接到驱动部分（变频器），也可以使用 PC 的通信插座和 USB 端口，但这仍然是 1:1 类型的连接，且数据文件内容仅限于电动机的控制信号。根据工业网络的应用可能性和系统配置的控制层次结构，可以从任何层次进行访问。这种解决方案具有许多优点，便于使用任何配备选定网络模块的单元以耦合或直接模式进行连接。了解系统元素之间的地址或连接关系，就可以通过耦合网络直接访问资源，无论是从低层到高层网络还是从高层到低层网络。 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; classDef decision f ```