基于FTA的PLC控制系统故障诊断技术研究

0 引言

　　随着科学技术的飞速发展和工业化进程的加快，现代工业控制系统的结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高。基于PLC的控制系统在国防武器装备上也得到了广泛的应用，武器性能的提高，也带来了维修保障的诸多问题。其典型问题是检测流程复杂、故障诊断有效手段缺乏、维护保障成本高，这些问题严重影响着武器装备的完好性和寿命周期费用。为了解决这些难题，本文以某武器电气控制系统为例，对PLC控制系统故障模式进行深入研究，建立了控制系统的通用故障模型，为PLC控制系统故障诊断奠定了基础。

1 通用化故障模型

　　根据控制系统故障的轻重缓急以及响应故障的时间要求，对PLC控制系统的故障分类如下：

　　(1)一级故障：可能产生严重后果的故障，要求系统立即停机并向操作人员声光报警。

　　(2)二级故障：对控制过程不利，即产生影响。由故障处理程序进行自纠正处理，并通过信号输出模块屏蔽错误信号，同时向操作人员做声音报警；若一段时间后故障仍存在，则故障升级。

　　(3)三级故障：程序检测到的一般性错误或异常，只记忆并向操作人员做出相应的指示，控制程序继续执行。

　　根据上述PLC控制系统的故障模式，可建立一种通用故障模型，如图1所示。

　　当PLC提取到故障征兆，根据当前故障所属等级，通过中断选择相应的响应方式。武器设备的故障信号作为PLC的输人中断源，一旦出现故障信号，CPU立即响应，停止正在执行的程序，转到中断子程序中去，即可方便地对故障进行处理。它与直接利用PLC的内部逻辑完成故障诊断的不同之处在于：采用输入中断处理故障可停止PLC主程序的执行过程，而直接利用PLC的输入和内部逻辑处理故障时PLC的主程序仍处于运行状态。

2 故障树的应用

　　2.1 故障树的构建

　　故障树分析法(Fault Tree Analysis，简记为FTA)通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境和人为因素等)由总体至部分按树状分支进行逐级细化分析，画出逻辑框图(即故障树)，从而确定系统故障原因的各种组合方式及其对系统的影响。在对某武器装备控制系统进行失效分析后，将制冷机不工作定义为一级故障。制冷机系统由冷凝器、变频器、电动机、电源装置等组成。建立该制冷机系统的故障树，如图2所示。其中，丁为制冷机不工作；A为电源故障；B为交流电源故障；C为直流电源故障；D为散热器故障；E为散热片温度高；F为冷却风扇不转；G为变频器故障；H为回路无电，变频器不工作；J为保险丝断；J为回路有电，变频器不工作；K为接触器未闭合；L为线圈断路；M为接触器卡住；N为电动机不工作；O为温度控制器故障；P为电动机绕组线圈故障。