基于PLC的故障诊断及处理

0 引言

　　对工业现场的远程监控、故障诊断技术是近年来研究的一个热点。一般的做法是将现场底层控制器数据通过控制网络(现场总线或工业以太网等)送至信息管理层或远程网络，通过各种智能诊断算法完成诊断任：务。对于那些复杂性很高的疑难故障效果较好，且在很多领域取得较好效果。但统计表明实际中80％以上的故障为一般性故障，在解决常见、多发故障的处理上，尤其在需要快速解决，甚至需要在某些故障状态保证运行时，这种远程的方式缺少灵活性和实时性，现场控制器只是监控设备和生产过程，忽视其在故障诊断及处理中的作用。

　　笔者认为在这方面，远程智能诊断与基于PLC的故障诊断有明显的互补，现场控制器可发挥如下作用：①精确定位故障，避免盲目性；②采取主动措施，硬件冗余的同时，软件充分考虑常见故障，使系统有一定的容错能力，出现某些故障的情况下，避免停车事故，确保系统继续安全可靠的运行；③各类现场控制器紧跟计算机网络技术的发展，朝着大型网络化、智能化方向发展，为故障诊断处理提供平台保障，在此之上可设计出一定智能程度的诊断功能。

1 故障及处理响应的分级

　　根据故障轻重缓急，及响应故障的时间要求，故障可以分为严重故障、一般故障、轻度故障、在组织故障处理功能时，故障的等级应予以考虑。

　　严重故障：可能产生严重后果的故障，包括设备损坏、危机人身安全。要求系统即时响应或立即停机，并向操作人员发出各种报警。如各种压力保护，流程设备的闭锁，机床的刀具破损、碰撞等。

　　一般故障：可能对控制过程产生影响，但不是立即的影响，一段时间后，如故障仍存在，则故障升级。如过程参数不当造成产品质量问题。

　　轻度故障：不直接影响生产的轻度错误或异常。如机器设备磨损及性能下降、环境变化等。

　　PLC依照彭簿的等级，可采用不同的响应方式。

　　中断处理：输人中断，由开关量输入触发CPU执行的中断；间隔定时器中断；高速计数器中断等。中断处理停止控制器主程序的执行过程，对后果严重的突发故障特别有用。

　　正常的程序扫描处理：由于现在PLC的CPU速度很高，大型的程序扫描周期一般也只有几毫秒，所以对于绝大部分故障的处理速度是满足要求的，并可使程序简化。多数的故障处理可放置在正常的扫描过程中。

　　定时或背景处理：高档的PLC中，可以设定定时执行的程序，或背景程序(在正常程序段处理结束后，本扫描周期如有时间，可执行的相对次要程序段，如无时间，则跳过)。对于需要大量计算且非严重故障，可安排在此执行。

2 基于PLC的故障诊断及处理一般规则

　　在PLC控制系统中，控制器本身的可靠性一般较高，故障率很低。一旦出现故障亦能通过自诊断检测并显示出来。绝大部分故障不在PLC设备本身，PLC的外部设备，如输入元件、输出执行元件、被控设备及输入输出信号线路等的故障率很高。当这些故障发生时，PLC不会自动停机，往往在发生故障或事故后才被发现。因此，在系统设计时就应充分考虑可能的故障，并在控制器中做好监视处理工作。

　　2.1 信号级处理

　　数字量处理：将PLC输入位的预期状态值与实际状态值相比较的过程。二者比较的结果一致，表明设备处于正常工况，否则表明对应输入位的设备部位处于故障工况。模拟量处理：将在相应A／D通道读到的监测信号的模拟量的实际值与系统允许的极限值相比较，超限表明对应输入位的设备部位处于故障工况。判断处理过程一般有一定的延时。

　　下述程序给出设备电机的两种故障判断：接触器返回故障，过载故障。ICJ为运行信号，0QJ为运行命令，CJ—GZ为接触器返回点故障，AI为互感器测得电机电流，MAX_I为过载电流，I_GZ为电流过载故障。充分考虑可能发生的故障，能够使故障定位准确，可进行实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程，还可将故障诊断融入过程控制，达到保护机电设备的目的。对于暂时无法解决的故障，通过较为准确的定位描述，为上级或远程诊断中心提供可靠的依据，避免人工描述不准确性。

　　2.2 控制策略级处理

　　在软件开发时，通过充分考虑系统可能出现的故障，并设计相应的防范程序，是避免和减少这些故障对系统产生影响的重要措施。除了硬件上的冗余热备外，软件上同样应有后备策略，而且针对PLC外围的故障更有效。

图1

　　PLC可视故障情况，动态地重新构造控制策略，使控制系统在新的临时状态下运行，仍能保证一定的稳定性和控制效果。

　　针对多发故障，提供备用方案，并保证就地手动的有效。如对于产品的质量、设备的运行不构成直接影响的一些控制环节，在传感器发生故障时，以定时方式配合人工干预，生产同样可以短期进行，待故障解除后重新回到正常方式。