摘要：自动化生产线于制造业中居核心地位，稳定性关乎生产效率与产品质量，基于 PLC 的故障诊断系统实时监测配合智能分析，可增强系统可靠性能，以 PLC 为核心集成传感器、执行器等硬件，结合专家系统与故障树手段，达成故障快速定位及处理，设计涉及硬件选型、软件编程、故障诊断逻辑搭建等环节，保障系统具备高可靠性与实时性能，实际应用显示这类系统可缩短故障停机时长，减少维护成本，为自动化生产线的优化管理提供技术支持。

关键词：PLC；自动化生产线；故障诊断；专家系统；实时监测

引言

工业 4.0 持续推进，自动化生产线已成制造业增强竞争力的关键，PLC 身为核心控制设备，运行状态直接关联生产线稳定程度，传统故障诊断依赖人工经验，效率偏低且不易应对复杂状况，基于 PLC 的故障诊断系统集成传感器、通信技术与智能算法，达成故障实时监测与智能分析，提升诊断精准度与维护效率，研究围绕 PLC 技术、专家系统与故障树方法的融合运用，致力于构建高效可靠的故障诊断体系，为自动化生产线智能化升级提供理论参考与实践指引。

一、PLC在自动化生产线故障诊断中的技术基础

PLC 作为工业自动化控制核心，高可靠性、灵活性与编程便捷特性使其成为故障诊断系统理想载体，中央处理器、存储器、输入 / 输出模块及通信接口等组件共同作用，实现对生产设备实时监控与逻辑控制，故障诊断过程中，PLC 负责数据采集、预处理与传输：传感器将电机电流、温度、振动等模拟量信号转换为数字信号，经模拟量输入模块接收存储，数字量输入模块同步监测断路器状态、设备启停信号等离散量信息，原始信号经滤波、归一化处理消除噪声干扰，保障数据准确，处理后数据通过通信模块上传至上位机，为后续分析奠定基础。

PLC 故障自诊断能力构成技术优势核心，硬件层面，内置看门狗电路、电源监测模块及 I/O 状态指示灯实时检测自身运行状态，CPU 执行程序超时或电源电压异常时，看门狗电路触发复位信号强制 PLC 进入安全模式，I/O 状态指示灯直观显示输入输出通道通断状态，辅助快速定位接线故障，软件层面支持用户编写自诊断程序，通过逻辑判断检测外部设备状态，传送带控制系统中，可编程序实现 “启动时第二条传送带先运行 3 秒再启动第一条传送带” 的时序逻辑，检测到时序偏差即判定为传动轮不平衡或联轴器错位等机械故障，同步触发报警信号。

二、基于专家系统与故障树法的诊断逻辑构建

专家系统与故障树法的融合运用，是增进故障诊断智能化的要点，专家系统搭建知识库与推理机，模拟人类专家决策流程，知识库收纳电机缺相、过载、轴承磨损等典型故障的特征参数、成因及处理建议，推理机依照采集数据与知识库展开匹配分析，PLC监测到电机电流持续超出额定值 120% ，推理机启用 “过载故障” 规则，结合历史运行数据判别属长期超负荷运行还是负载突变所致，生成 “检查传动部件润滑状态” 或 “调整负载分配” 的建议，故障树法将系统输出错误设为顶事件，借助逻辑门（与门、或门）逐层推演底层故障缘由，把 “传送带停止运行” 当作顶事件，故障树可拆分为 “电机故障”“传动轮卡死”“联轴器断裂” 等中间事件，再追溯至 “三相电压不平衡”“轴承缺油”“键槽磨损” 等底层故障，两种方法相互补充，专家系统善于应对复杂耦合故障，故障树法适用于简单线性故障，联合使用可覆盖 80% 以上的生产线故障情形。

诊断逻辑的达成依托 PLC 的梯形图编程，电机缺相故障方面，PLC 借助电流传感器监测三相电流值，任一相电流低于额定值 50% 且持续 10 秒以上，触发缺相故障标志位，同步记录故障发生时间与相位信息，上位机读取该标志位，调用专家系统知识库，结合电机历史维修记录判别属接触器触点烧蚀还是电缆老化所致，生成 “更换接触器” 或 “检查电缆绝缘” 的维修指令，传动轮不平衡故障，PLC 通过振动传感器采集频谱数据，1 倍频振幅超出基准值 3 倍，判定为动平衡失效，故障树法进一步分析属转子质量偏心还是联轴器对中不良引起，最终输出 “现场动平衡校正” 或 “重新对中联轴器” 的解决方案。

三、系统集成与实时性保障策略

系统集成要兼顾硬件兼容性与软件协同性，硬件上，PLC 型号选取应适配生产线规模与故障诊断需求，小型生产线可选西门子 S7-1200 系列，集成 14 路数字量输入、10 路数字量输出及 2 路模拟量输入，满足基础监测需求，大型生产线则需采用S7-1500 系列，支持扩展至 300 个 I/O 点，集成 PROFINET 通信接口，实现与上位机、HMI 及远程 I/O 模块的高速数据交换，连接过程中需注意信号传输的抗干扰处理，避免电磁噪声影响数据准确性，传感器选取需考量量程、精度与环境适应性，电流传感器量程应覆盖电机额定电流的 150% ，精度不低于 0.5% ，温度传感器需具备 IP65 防护等级，适应 - 20^∘C 至 85^∘C 工作环境，振动传感器频响范围应覆盖 0.5Hz 至 10kHz，捕捉轴承、齿轮等部件的故障特征频率，安装位置需贴近关键运动部件以获取更精准信号。

实时性保障依靠 PLC 的扫描周期优化与通信协议选取，PLC 扫描周期包含输入采样、程序执行与输出刷新三个阶段，标准扫描周期为 10-50ms ，故障诊断需更高实时性，优化程序结构（如将非关键逻辑移至子程序）、减少复杂运算（如用移位指令替代乘法指令）及启用中断功能（如高速计数器中断），可将关键故障检测任务的扫描周期缩短至 5ms 以内，程序编写时需注重代码精简度以提升运行效率，通信协议上，PROFINET RT 协议支持 100Mbps 传输速率，端到端延迟低于 1ms，满足实时数据传输需求，分布式故障诊断系统可采用 PROFINET IRT 等时同步协议，确保多设备间的时间同步精度达 1μs，避免因时钟不同步导致的数据错位，协议配置需匹配设备硬件性能以防出现传输瓶颈，系统需配置 UPS 不间断电源，防止电网波动导致 PLC 复位，确保故障数据不丢失，采用冗余设计（如双 PLC 热备），主 PLC 故障时备用 PLC 可在 100ms 内接管控制权，维持生产线连续运行，切换过程需经过信号校验以保障数据连贯性。

结语

基于 PLC 的自动化生产线故障诊断系统整合传感器技术、专家系统与故障树方法，达成故障快速定位与智能分析，系统硬件选型平衡成本与性能，软件编程融合梯形图逻辑与智能算法，保障诊断精准度与实时反应，往后，5G、边缘计算与数字孪生技术持续发展，故障诊断系统将朝着更智能、更具预测性的方向进步，5G 低延迟特点支持远程专家即时参与诊断，边缘计算把数据处理转移至生产线端侧，降低对云端的依靠，数字孪生借助构建虚拟生产线模型，完成故障模拟与预防性维护。

参考文献

[1]王伟, 李明. 基于 PLC 的电机故障诊断系统设计与实现[J]. 自动化仪表, 2023,44(5): 78-82.

[2]张涛, 刘洋. 工业自动化生产线故障诊断与维护策略研究[J]. 机械工程与自动化,2024, 45(2): 45-48.