CN1148894A - 自动诊断故障情况的方法 - Google Patents

Abstract

对于采用SPS程序对一过程和/或设备进行程序控制的情况，一般按程序制定出接触平面(Kop)，操作平面(FUP)或指令表(AWL)，根据本发明，提供了一种对故障情况根据SPS程序的指令表代码自动分析和以知识库的形式规纳整理的方法，知识库的规纳整理是通过步进链分析和/或过渡分析实现的。

Description

自动诊断故障情况的方法

本发明涉及一种自动诊断某一过程和/或设备中的故障情况的方法，它采用SPS程序进行过程控制，这种程序制定出接触平面(Kohtaktplan)(Kop)、操作平面(Funktionsplan)(FUP)或指令表(AWL)。

在各种技术领域中，生产过程和加工设备是由可存储程序的控制设备控制的，人们将这种可编程控制器统称为SPS。这种SPS的软件一般根据编程设备制定为接触平面(Kop)、操作平面(FUP)或指令表(AWL)。这样的程序例如公开在1993年第5期的SPS杂志中的第16～19页和第39～40页上，其名称为“带有IEC1131-3的统一SPS编程”的文章。该文章中提供的程序的表现形式是可等效代换的，尤其是可将接触平面(Kop)和操作平面(FUP)转换成指令表(AWL)形式。除了所述的程序编制的手段外，在两个不同的程序类型之间也存在差别，即步进链式控制不同于逻辑适配控制。

当由SPS控制的过程发生故障时，一般来说，故障原因必须限定在SPS程序所掌握的操作数(如标记、数据字、输入/输出位)的范围内，以便能找到合适的排除故障的措施，而这需要经过专门训练的专家从事故障诊断工作。

本发明的任务是提出一种自动诊断故障情况的方法，用于用SPS控制的设备故障。

按照本发明的上述方法解决任务如下：准备用于SPS程序的AWL码的故障情况进行机器分析，并建立知识库的形式。优选建立的知识库驱动步进链分析和/或传输分析。

采用本发明可实现对故障预先准备一个取决于程序环境的合适的知识库，它称为诊断级，它可以将一个修理工的方法措施用计算机进行模仿。诊断级处理这个知识库，采用自动设备在线对话，测出值得怀疑的过程状态信号，并通知机器主管人员，从而实现了修理工的功能。

本发明的进一步细节和优越性体现在下面的关于实施例的说明中。下面将根据带有函数图表的附图说明本发明的要点。附图为：

图1总步进链结构，

图2一个过程控制程序的一段，

图3步进链式诊断的判定树形网络的最高层；

图4一个步进单元的结构，

图5步进链的分段连接条件，

图6与基本“与”门连接的非反向输入的“与”逻辑连接，

图7与基本“与”门连接的非反向输入的“或”逻辑连接，

图8和9用于基本“与”门连接的反向输入的有关的逻辑连接，

图10故障树形网络结构的引出线路，

图11-14完成专门的加工任务时最新原理的采用，

图15由此实现的判定树形网络。

为了能够将SPS程序转变成一种正确诊断的结构，首先有必要了解现有的步进链结构。

根据步进链的程序控制原理，整个过程的控制是分成分步骤进行的，这些分步骤按顺序分级处理。在每一步的开始应检验是否过程步进所要求的所有前提条件已满足，如果是，激活这一步骤，触发过程步所约定的动作。接着SPS程序转入下一步的处理，首先检验下一步的前提条件是否满足，然后触发相关的动作。在检验前提条件和触发该步骤动作之间存在着交错互换，这一交替一直持续进行，直到整个过程进程全部完成为止。

SPS程序执行步进链的处理类似于移位寄存器的方式。采用一个状态位(称为标志位)对过程步骤结果的当前状态作标记，使步进链逐步持续进行。于是保证了同一时间总是只有一个过程步是激活的，并且这个过程步是以正确的次序被处理的。这一点可从图1清楚看出，图中展示了一个步进链式控制程序的基本结构。

根据现有技术，人们已发现了各种SPS程序的步进链的编程技术，综观所有这些已有的解决方案，都是将步进标记作为存储元素，即一般用作步进标记器。

这就是说，步骤n的标记的安排取决于步骤n－1的标记的现有值和步骤n的满足的先前条件。激活步骤n＋1的标记将复位步骤n的标记。

图2表示过程控制程序的有代表性的一段，采用操作平面(FUP)和指令表(AWL)。这个控制程序在这种情况下实现的实例展示在图11-14中，它介绍了在半自动化印刷电路板生产线中利用一个使电容器连接导线弯曲的设备。此外，这个步进链标记是标记器M64.0至M64.7。下面介绍这种过程的实现。

当出现故障时，该过程被中断。由于过程和有关的设备的停止，受控的步进分配链也随着停顿，为了执行完全自动的故障诊断，必须首先识别在全部的SPS程序之内的步进链。自动找出在程序代码中执行的步进链是执行系统故障诊断的基本先决条件。在第一个诊断步骤中，必须根据步进链识别出过程停止的状态。

人们可以利用前面介绍的关系自动识别出在一个SPS程序中具有的步进链结构，在查询一个未知的指令表时，原则上每个操作数带有一个步进链的存储性能的定位的起点，例如在图2中：

S      M      64.1

首先这是稳定不变的，当存储操作数本身(在图2中M64.1)作为置位另一存储操作数的条件时，出现上移。例如：

         …

UE        1.5

UM        64.1

SM        64.2

第二个存储操作数(即M64.2)使第一个复位。于是：

         …

UM        64.2

RM        64.1

         …

人们也可以看出，在说明书中存在相互联系的两个存储元件显示出一个步进链的最小结构。这第二个存储元件(即M64.2)可以以相应的方式查询出来，确定它是否与另一个在一个步进链中的存储元件存在关系。这种查询将持续直到识别出该步进链的全部组成部分。

在识别步进链的最新方法中，在指令表中提供只有一个指令表形式的SPS程序。这样在SPS程序执行的步进链中所使用的所有存储操作数均被识别。分支式或环状步进链式结构也可识别，因为每个步进链组成元素可以是一个，也可以是多个后续点的起点，并且一个已使用过的步进标记器能够再次用于其后标志的后续点。

要进行故障诊断，必须将已有的步进链作为知识库进行预加工。根据图3，采用如图所示的整体宽展的判定树形网络形式，其中在这一树形网的最上层平面上是以存储操作数识别的步进标记器。诊断时根据该步进标记器求出过程所处状态和必须到达的要执行的最近的步骤。激尖的状态标志位的查询是通过执行SPS和诊断计算机之间的在线诊断完成的。在不再执行的过程步骤的转变中可以得出步进链停止的原因。

在第二步诊断步骤中，进行转变过渡的分析。在这一步骤中检验哪些适于下一步过程步骤的分步转接条件必须满足。确定分步转接条件没有满足，发生关于过程分量或过程状态的直接说明，这些元素和状态造成过程控制的故障原因。

图4表示所谓的步进单元，从图中可知，一个过程步的分步转接条件作为基本“与”门连接的直接输入或间接输入。在最简单的情况下，下一个过程步的起动取决于过程状态，这个状态通过二进制传感器测知，并且必须总是以同样方式提供。这些过程状态信号附加输入或直接输入到基本“与”门连接上，并且表示直接的分步转接条件。

后者的结构见图3所示的故障树形网络。因此过程状态信号的排列采用在SPS程序的指令表中所显示的方式。其中非反相状态查询具有预测值“高”，反相状态询问具有预测值“低”。由于预测值的出现满足了分步转接条件，根据这一方案，此时询问符号为正。

在诊断期间，所有过程信号输入量必须作有缺陷标记，它不带有预测值的电位。用标记变化量代替直接的信号输入，于是针对所有相差输入量处理。标记器可根据SPS程序译码，这一过程参见图5。

实际上，首先根据多个二进制过程信号导出一个共同的状态信号，并且将这个逻辑连接的结果与步进单元的基本“与”门连接相连通。根据多种逻辑适配的可能性，必须分各种情况予以分别讨论。

在基本“与”门连接的一个非反相输入端上收到输入的前级“与”门电路的输出信号，于是基本“与”门连接的这个输入由故障树形网中的一个查询对象所代表。前级的“与”门电路的这些输入将相应于其在指令表中的表示作为纯的查询对象列入故障树网络的附加平面上。在这种情况下，查询符号总是为正，因为只有前级“与”门电路的所有输入量的预测值提供给基本“与”门连接的输入端作为其预测值。这一过程参见图6。因此在诊断期间，所有过程信号输入量作有缺陷的标记，不具有预测值的电位。

在基本“与”门连接的一个非反相输入端上接收到一个前级的“或”门电路的输出信号，于是基本“与”门连接的这个输入由一个查询对象所代表。前级的“或”门电路的输入将相应于指令表列入故障树形网的附加平面。在此，查询符号仍保持为正，因为当前级的“或”门电路的至少一个过程输入具有预测值电位时，基本“与”门连接的预测值才得到满足。

在诊断过程中，“或”门电路的输出端不提供基本“与”门连接预测值时，仅作不可信的标记。在这种情况下，“或”门电路的每个输入端以同样方式被怀疑，因为由SPS程序的逻辑结构无法得知究竟哪些在特定情况下逻辑连接的过程信号必须收到其预测值。这一过程参见图7。

在基本“与”门连接的反相输入端上输入一前级的“与”门电路信号，这个输入量在故障树形网络中用查询对象UN表示。这里前级的“与”门电路的输入相应于指令表的规定，在故障树形网内形成又一平面。与前述的两个处理情况相反，查询符号为负，因为在前级门电路的输入端上的预测值提供“高”输出值，基本“与”门连接的预测值并未满足。

在诊断过程中，前级的“与”门电路总是被当作故障指示器，此时它的所有输入端处于预测值电位。相应地是前面所涉及的与基本“与”门连接的非反相输入端的连接的“或”逻辑，这些输入端的每一个均作为电位故障指示器，并且必须如此作标记，如图8所示。

在基本“与”门连接的一个反相输入端上接有一前级的“或”门电路，于是这个输入端相应于上文用UN表示。“或”门电路的输入完全变换到故障树形网的相应的查询对象平面。这个新平面的查询符号因为基本“与”门连接的反相输入而为负。“或”门电路的输出提供基本“与”门连接的预测值为“低”，此时其输入端不具有预测值的电位。后者参见图9。由此“或”门电路的每个输入端具有诊断情况下的预测值；用于阻止过程步进链的分步转接，并且提供探测已有过程故障原因的可靠路径指示。

前述的实例表明，基本“与”门连接的每个过渡渐变输入和必要的前级逻辑门电路的故障树形网络中以查询对象表示。于是相应地，在故障树形网中查询对象的分层平台是与SPS程序的FUP显示中的分层逻辑适配平台相对应的。在故障树形网中，关于过程状态的查询采用与SPS程序的指令表中相同的方式排列。这称为预测值设计。

根据这一原理，可以实现多种逻辑分步转接条件。在与基本“与”门连接前级的逻辑门电路的输入端上总是具有非唯一的过程状态信号，而其他逻辑门电路的输出信号是分层结构的，于是上述措施可以简单地扩展到多个前级的平台上，而且适用同样的原理。

除了前述静态的过渡条件外，在SPS程序中还经常有必要进行动态的分步转接，利用静态过渡条件可监测当前是否按预定方式处于步进链分步转接的一定过程状态。利用动态过渡条件可控制是否产生一定量的结果，即作为计数器，或者控制是否经过预定的时间出现结果，即作为定时器。这种程序元件的输出可以与基本“与”门连接的输入相连接。在诊断情况下，这是必须自动分析控制的。

这里所述的计数器和定时器具体地说是RS触发电路：在一个基本“与”门连接的非反相输入端接有一个RS触发电路，当其输出不具有步进链诊断的预测值的电位时，则视为可能有故障。可能的原因是触发电路在过程控制中置位不正常，因此其置位输入端可能有错误。此外尽管触发电路已经置位，也可能由于故障过程状态的存在，出现提前复位的情况。因此可以同样的方式怀疑这种复位输入是错误的。

要变换在一个故障树形结构中的触发电路，必须相应于指令表在错误树形网络内插入置位和复位输入的对象。这个对象专门用作结构的判据。置位或复位的条件根据预测设计与故障树网中的其它平台有关。关于此点参见图10。

类似于触发电路，在诊断情况下还涉及计数器的情况。主要区别在于，在步进链过渡渐变的时刻，不是必须产生一个单独的结果，而是产生确定数量的结果。

在诊断情况下，一个计数器没有到达其预定的数目，输入量将加入到由被怀疑有错误的过程状态信号构成的列表中。转换在故障树形网络中相应进行。

当基本“与”门连接的输入是一个计时元件时，则不能清楚地观测静态过程状态，不能确定在时间进程中究竟出现哪些故障，因为在过程步进链停止的瞬间不能直接执行自动诊断过程。这里引入一种所谓的定时对象，当输出端没有满足预测值的情况下，其输入条件归入可能有故障的过程状态信号表内。

前面所述的诊断方法已由各种SPS控制的安装过程所证明：例如一种简单应用，组装由各组件构成的印刷电路板，除了SMD组件外，还必须安装具有引线的电容器。在图11和12中，印刷电路板用标号10表示，其上带有开孔11、12等，这些开孔中插入电容器101-106。这种电容器等的组装可以手工实现，每次用一个自动机器将某个电容器10等的连线111、121等以一定限度进行弯边，不过，总的加工过程是完全自动化的，为此必须使用相关的加工设备。图13和14展示了一个加工设备，它包括一个接收件200，其中可放入带有电容器101等电容器的薄板坯10等器材。当电容器101、102等等固定就位要加工时，用一块压板210使电容器止动。压板可由一气缸220驱动作垂直升降操作。在电容器引线弯曲过程中，压板210靠一联铣汽缸230强制保持在其工作位置不动。外连线111、121等从纵向布置的电容器101等上伸出，它们被一个纵向滑阀240弯向右及左方。纵向阀240由两个串联的气缸250和255操纵。左气缸250位于行程的右滑块上，右气缸255位于行程的左滑决上，从而使纵向滑阀240处在电容器引出脚之间的中间位置。

横向布置的电容器101等是由横向滑阀260加工的，它以与纵向滑阀240相似的方式由两个串联的气缸265和270组成。采用一个图中未示出的主阀门控制压力气体源的释放。控制检测信号是由数字近似开关E1.1-2.1完成的，这些开关的位置如图14所示。于是人们随时可获知压板210、联铣气缸220和两个滑阀250和255的位置。

加工设备200的加工过程的控制是由可存储程序的自动装置(AG)操纵的，它的程序为指令表形式，并且在附件中描述。程序表包括一个执行单元OB1和不同的程序单元PB1-PB3，完成下列程序控制：

三个程序单元PB1、PB2和PB3由循环运转的执行单元OB1所调入。程序单元PB1包括14个网络，完成加工过程的单独步骤。网络1负责检验装置是否处于原位，以及目前该步进链是否尚未激活。如果这个条件已满足，则等待时间已满，设置标记器M640，启动该步进链。

在网络2中，检测压板210是否处于工作位置，气缸220是否先行。于是执行第一步，设置步进标志器M64.1，意味步骤2激活。

在网络3中，检测联销气缸240是否上升动作，一旦结论是肯定的，则压板气缸210上升，设置第三步进标志器M64.2。

完全类似的，网络NW4-NW11在加工过程中具有确定的功能，与之相应地是步进标志器M64.3-M65.1。剩下的网络NW12、NW13和NW14用于当横向和纵向滑阀到达各自最终位置时，启动等待时间，及关闭程序单元。

程序单元PB2当两个滑阀同时处于中间位置时输出横向和纵向滑阀的传感器信号。这个信号记录在步进标志器M67.0中。程序单元PB3由功能单元FB1和FB2支持，起到一个件数计件器的作用，对于程序控制本身毫无意义。

附件1有关的指令表可以通过弯边机的自动装置加工程序的逆向翻译产生。它构成在故障情况下诊断必须如何实施的典型例子：

首先不能马上确认步进键是否实施，以及必要时确认哪些步进链的存储操作数已被采用，总之，要分析出在程序代码中各步骤的转换条件是相当费时和费力的。

通过采用上述的步进链分析方法，借助于计算机的帮助，人们可以发现究竟哪些采用的操作数相互属于一个步进链关系。在这里所举的例子中，标示器M64.0、M64.1、M64.2、M64.4、M64.5、M64.6、M64.7、M65.0、M65.1。是以已发现的步进标志器为基础，现在可放置于决定树的最高平台上。这样在执行故障诊断时提供一个决定性的帮助。在诊断时，检测加工过程在哪个步骤中中断。

相应地实现过渡分析。在故障情况下，所有过渡必须从执行当前的过程步到引回到传感器信号进行分析。该信号指令说明了从所论及的步进标识器M64.5分步转接到M64.6，必须设置标志器67.0，从而使步进链在这个位置上持续进行。

步进标志器M67.0的状态取决于输入信号E1.1、E1.2、E1.3、E1.4、E1.6、E1.7、E2.0、E2.1。因此在另一个平台上的所有输入信号作为查询对象附加到标志器M67.0上。

在所述实施例中，判定树的一个分支被简化为来自设备的输入信号。图15中展示了这样的判定树分支的实例。采用这种树形结构，很容易检测出哪个或哪些输入信号已经阻断了步进链的运算。当使用具有100个以上输入信号的设备和某种程度强调全部程序中紧密结合的转换条件时，以上的数据整理将显著减轻诊断过程的强度。

图15中的故障树形结构既可以图解表示，也可以作为专家系统的知识库存储。人们利用一个专家系统外壳，它通过一个在线过程接口控制自动装置，因此这个专家系统外壳使用自动产生的知识库，并且在故障情况下，一方面确定在哪个制造过程步上出现停车状态，另一方面确定哪些输入信号是与该停车状态有关。

从图11-14所述的实施例可看出，由M64.5激活的过程步不可能完成，因为M67.0未设置。M67.0的设置状态与E1.1是否激活和是否设置E1.7有关。由SPS程序常用的顺序表可推知，横向滑阀260和相关的气缸265、270没有外伸运动。于是自动找出了故障原因，并且实现了最小故障搜索时间。

根据上述说明，工作人员可以采用本发明方法在最短时间内找出故障原因和故障地点，而且他无需具有SPS程序控制的专门知识。

Claims (10)

1.一种自动诊断过程和/或设备中的故障情况的方法，它采用SPS程序进行程序控制，这种程序制定出接触平面(KOP)，操作平面(FUP)或指令表(AWL)形式，其特征在于，对SPS程序的AWL码的故障情况进行机器分析，并且表现为知识库的形式。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，自动识别SPS程序中的步进链和逻辑连接程序部分。并从必如传统方法提出附加的程序。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将SPS程序中的数据作为知识库进行步进链分析。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，对于步进链分析，与程序码中的步进链相对应，并且应用的存储操作与其设备相一致，并从最上面的操作平面导出故障树。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，SPS程序中的数据作为知识库进行过渡分析。

6.按照权利要求4、5所述的方法，其特征在于，在过渡分析的步进链控制过程中，检验步进链分析的单个步的转接条件，并且归纳成过程状态信号。

7.按照权利要求4、5所述的方法，其特征在于，在转接控制期间，调查转接条件，并且归纳或过程状态信号。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在过渡分析期间，对逻辑连接关系进行译码，并使步进链分析中产生的故障树结构完整化。

9.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从故障树以及上述的诊断外壳中导出此过程步和/或此过程状态信号，并导出设备或过程的静态。

10.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，诊断借助一个计算机，尤其是商用的PC机实现。

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