彭 伟，刘 健，曾华鹏

（天津中德应用技术大学，天津 300350）

0 引 言

随着中国制造2025和德国工业4.0等战略的提出，工业网络技术和故障自诊断技术将迎来新的发展。工业网络技术与故障自诊断技术的结合将是未来研究的重要方向，同时也将引导故障诊断向智能化方向发展。

传统的故障诊断大多依赖工作人员的经验和能力，而实际情况是高技术人才短缺，无法实现信息共享与储备，不能及时发现故障。因此，亟需研究一个基于工业网络的生产线故障自诊断系统，取代以往低效且费用昂贵的故障诊断手段，实现由人工到自动化和智能化的转变，满足各大工业战略的要求。本文基于互联网科技和工业控制技术的发展，通过对生产线故障自诊断系统的研究，搭建了一套与其自身生产环境相适应的故障自诊断系统。通过此系统可以对生产线相关部件进行自动实时检测，节省人力物力，更快且更准确地发现故障并将其排除，提高检测效率，此外还能提高生产线的可靠性，提高工业生产的安全性、生产效率以及产品质量。

1 故障自诊断系统的设计

1.1 系统关键技术

1.1.1 传感器技术

传感器是能够感知被测信号并且按一定规则将其转换为可用输出信号的器件或装置的总称。传感技术总的来说可以分为3代。

第一代是结构型传感器，其利用结构参数的变化来感知和转换信号，如电阻应变传感器是利用应变片尺寸变化时电阻值的变化来转换电信号。

第二代传感器是20世纪70年代逐渐发展起来的固态传感器，此类传感器由固态元件组成，大多根据材料的部分特性制作而成，如利用光敏效应制成的光敏传感器和利用热电效应制成的热电偶传感器。

第三代传感器是20世纪80年代才发展起来的智能传感器，其对外界信息有一定的自适应处理能力，是一种由微型计算机技术与检测技术结合而成的新技术。20世纪80年代智能化测量主要还是以微处理器为核心，将传感器的信号调节电路存储器、微计算机以及接口模块全部集成到一块芯片上来实现部分人工智能。到20世纪90年代，智能化测量技术进一步发展，传感器慢慢实现智能化和数字化，逐渐具有记忆、多参量测量以及联网通信等智能化功能[1]。

1.1.2 工业互联网

工业互联网属于泛互联网分类，是开放的全球网络，将人、数据以及机器连接起来，是一个高度集成的全球工业系统，拥有先进的计算分析和传感技术[2]。

工业互联网通过工业互联网平台将设备、产品、生产线、工厂、客户以及供应商连接互通，可以帮助制造业把产业链拉长，形成设备、系统、厂区以及部分地区之间的远距离互联互通，提高作业效率，推动整个制造服务体系朝着数字化和智能化的方向发展。此外，还能推动制造业和服务业的融合发展，使工业经济各种要素资源能够高效共享。

1.1.3 现场总线技术

现场总线是20世纪80年代末90年代初发展而成的，一般用在制造自动化、过程自动化以及楼宇自动化等方向[3]。现场总线作为工厂数字通信网络的基础，不仅实现了生产现场与控制设备的连接，还提高了工作效率。这种综合技术以控制技术、计算机技术、智能传感技术以及数字通信技术为主，已经引起了人们的广泛关注，成为下一代自动化技术发展的方向，未来将会改变自动化系统的结构和设备。

世界上许多公司相继研发了不同的现场总线技术和产品。现场总线设备处于过程设备的底层，需要具有协议简单、容错能力强、安全性高以及成本低等特点，此外还要有较好的时间确定性和实时性、网络负载稳定、短帧传输以及信息交换频繁等特性。根据以上特点，现场总线系统从网络结构到通信技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色[4]。用户有着高度的系统集成自主权，可以选择适合自身需求的厂家产品，降低了安装、使用和维护的成本，并极大地提高了整体系统的可靠性和准确性。

1.2 系统设计目的与结构

1.2.1 系统设计目的

设计自动化生产线故障自诊断系统的主要目的包括两部分。一是构建完整的工业网络系统，将生产线实时信息传送至服务器端，并在客户端实现显示与监控；二是实现生产线关键部件故障诊断。

1.2.2 系统结构

系统为标准三层架构，包含现场层、网络层以及应用层。现场层由两条生产线传送带、4个检测物料的传感器和气动装置以及可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）组成。网络层由协议转换器和交换机组成。应用层则由服务器和客户端开发平台组成。目前西门子的PROFINET和PROFIBUS是市场上使用较多的总线标准，其PLC产品可靠性高、编程灵活且组网通信功能强，因此本系统将西门子PLC用作感知层的控制核心。整体系统结构如图1所示[5,6]。设备故障判断流程如图2所示。

图1 故障自诊断系统架构

图2 故障判断流程图

系统拥有4个传感器和4个伸缩气缸。系统运行时，检测传感器检测到物料经过计数，此时气缸接收到伸缩指令，气缸伸出。定义气缸伸出时，缩回状态传感器为不工作状态，设定气缸伸缩反应时间为2 s，2 s后气缸伸缩不到位则判定故障，伸缩到位则正常。前3个传感器计数之和与第4个传感器计数一致则正常，反之故障。在设备中传感器的间距是固定的，到达时间一致设为5 s，步进电机速率误差±1.5 s，则相邻两传感器检测时间应为3.5 s≤T≤6.5 s，否则故障报警，判定电机故障。

2 故障自诊断系统的软硬件

2.1 TIA Portal

本项目采用德国西门子工业自动化集团发布的一款全新的全集成自动化软件TIA Portal，其能够实现项目工程组态和系统程序编程等功能，适用于大部分自动化任务，是一款功能强大的自动化软件，也是目前主流的系统开发软件之一。通过该软件，用户可快速直观的完成由西门子控制器构成的自动化系统的开发和调试。TIA Portal目前只对应西门子控制设备的开发，支持S7-1 200系列、S7-1 500系列、S7-300系列、S7-400系列以及ET200系列CPU，同时还支持SIMATIC WinCC触摸屏系统界面设计。工具内嵌了10余种不同尺寸的HMI屏幕，涵盖了西门子目前开发的大多数触摸屏型号，能够完成一般设备的界面开发。TIA portal V14可完成控制器与触摸屏的连接，同时还可根据实际情况完成多个控制器的连接，实现最优控制。

对于一些早期系列的控制器，西门子分别开发了对应的编程软件。TIA portal作为西门子step7编程软件的升级版，实现了多个编程软件的集合。除早期的S7-200和S7-200 smart系列，其余各系列的控制器程序设计都可在TIA portal中实现开发和调试。而对于其他品牌的工业可控制器，如三菱、欧姆龙以及施耐德等，也都有各自的程序设计软件。

2.2 Workbench

Workbench是一款由宜科自动化公司研发的工业App开发工具，其操作简便，用户可根据生产实际需求定制工业App，同时能够轻松获得Android、IOS以及Web的安装包。

作为Workbench的服务终端，Process Hub一方面向PLC收集数据，对从PLC采集到的数据进行分析处理，再将处理后的数据和结果发送至工业App或手持终端设备；另一方面，Process Hub服务器也可对App终端输入的数据进行上传处理，再由PLC控制器控制各设备执行相应动作。此外，使用App时需打开Process Hub以保证App正常工作App Cloud与Industrial App Store是工业App生成的最终环节，用户在Workbench开发工具内编辑好所有界面及相应的数据内容，并在Web中调试运行无误后，便可输出生成App文件。App Cloud是将输出的App文件先上传至宜科App云平台，平台服务端生成一个apk文件（若输出的是ios，则生成对应的ipa文件），此时用户便可在宜科应用云商店下载。

2.3 宜科IoT Hub

宜科IoT Hub工业互联网赋能平台是宜科（天津）电子有限公司基于工业互联网相关技术，为解决数据融合而开发的一个“数据云梯”平台。该平台能够有效解决基层数据采集及上传的问题，通过给定的算法实现数据的分析处理，同时又可将分析处理后的数据重组，通过工业App直观显示，实现生产过程中各环节的信息流动。与传统工业互联网平台相比，IoT Hub平台可以实现数据的分析上传与下发，实现运营与信息的深度融合。在实际生产制造中，宜科IoT Hub平台通过连续采集终端平台数据，将数据上传至云服务平台，对数据进行统计、筛选以及分析，对比处理分析后的数据与之前设置的数据，从而锁定数据点的状态信息，并提供信息实时推送，将信息发送至服务终端设备，实现生产监控、报警响应处理以及报表更新显示等服务，方便用户使用。PLC I/O地址分配表如表1所示。

所有设备状态信息的输出都要包括PLC外部地址和内部虚拟地址两部分，虚拟地址需与工业App连接，以实现工业App的实时显示。

3 故障自诊断系统的功能与特点

3.1 方便快捷

用户在办公网上以Web方式快捷访问设备实时信息，也可以在App上实时查看。根据数据库中的短消息发送规则，在设备启动或停止时，系统将导致设备状态变更的预置信息发送给相关人员，使相关人员能够随时随地掌握生产设备的运行情况。该系统创新性的实现了故障诊断、故障原因判断以及故障短消息自动发送，同时还能快速形成故障处理方案，比传统故障诊断方法节省了大量人力物力，应用较为方便快捷。

3.2 网页查询

网页主要负责呈现设备实时信息、设备故障信息以及故障信息查询3个方面的功能。其中，设备实时信息呈现是通过读取数据采集程序传输的数据来完成实现。设备故障信息呈现则是获取设备故障诊断程序的诊断信息，并通过查询数据库中的信息来综合评估。故障查询是以检索数据库中的记录信息来呈现，根据检索到的故障关联信息快速形成故障处理方案，提高了故障处理的效率和质量。

3.3 节省成本

该系统可以降低设备发生高危故障的风险，保护工作人员的人身安全，保障生产稳定运行，并有效减少维修成本。此外，合理应用该系统可以避免因维修人员经验不足而导致误判所造成的损失，缩短故障排除和处理的时间，尽快重新恢复生产，可以大大节省时间并提高产量，减少人员支出。

4 结 论

综上所述，基于工业网络的生产线故障自诊断系统不仅能有效解决传统故障诊断不准确、耗时长且成本高的问题，还能避免因维修检人员经验不足而造成的损失。此外，系统可以更加快捷方便的实时推送设备现阶段运行情况，观测是否存在老化或其他影响设备稳定运行的因素，及时判断设备故障点并通知相关人员组织检修，从而促进企业的长久发展。