（大庆油田采油一厂五矿黑龙江大庆163000）
摘要：PLC拥有大量的软件资源，如果能充分利用这些软件资源进行故障的检测和诊断，将会在不增加设备成本的条件下，使系统拥有自诊断功能。本文介绍了利用PLC进行故障检测和诊断的方法。
关键词：PLC；故障；检测；显示
由PLC组成的控制系统中，一般情况下，控制设备和元件较多，逻辑关系复杂。各种外围设备和元件及PLC本身在生产过程中都可能产生故障或误动作，PLC本身具有很完善的自诊断功能，如果出现故障，借助自诊断程序可以很方便的找到出现故障的部位，更换后就可以马上恢复工作。对各种故障及时准确的检测、显示和报警，以便及时排除故障，这是设计控制系统时必须充分考虑的一个重要问题。可在编制PLC用户程序时编制出故障自诊断程序，利用PLC的逻辑运算功能进行故障检测和诊断。现代的PLC拥有较大的软件资源，像OMRON的C200H，它有几百个存储器位、几百个定时器和计数器，在软件方面有大量的裕量，我们完全可以把这些资源利用起来，用于设备故障的检测与显示，且基本不会增加系统的成本。
一、故障产生的原因
PLC控制系统的常见故障，一方面可能来自于外部设备，如各种开关、传感器、执行机构和负载等，另一方面也可能来自于系统内部本身的故障，如CPU、存储器、系统总线、电源、电池、程序出错、程序执行时间大于PLC规定的时间等。大量的统计分析与实践经验已经证明，PLC本身是很少发生故障的，这些PLC本身的故障可利用其本身的自诊断功能进行检查。控制系统故障主要发生在各种外部设备，常见的有行程开关、接触器、检测元件等触点的损坏，控制逻辑出现了错误等，对于这些故障可采用编程的方法进行检测和处理。
二、故障检测方法
故障检测的基本方法就是利用PLC软件的逻辑或运算功能，把现场采样到的各种(模拟量或开关量)信息，与预先存入PLC内存中的正常数值或状态进行比较，一旦它们的差异超过所允许的范围则报警。常用的故障检测方法有以下几种：
（一）直接检测法
通过检测被控制设备或元器件的逻辑状态（工作状态），直接通过某种方式显示出来的方法。比如电解铝专用多功能天车上总电源、固定吊电源、主小车电源、副小车电源通断等的检测及显示、热继电器、熔断器工作状态的检测与显示等，此方法比较简单，可以通过元器件上多余的辅助触点和简单的编程来实现。
（二）逻辑错误故障检测诊断法
在系统正常运行时，可编程序控制器的输入、输出和内部信号(存储器位的状态)相互之间存在着某种确定的逻辑关系，如果工作中出现异常的逻辑信号，则说明PLC外部元件出现了故障。因此我们在编程时可以编制一些常见故障的逻辑关系，一旦这些常见的逻辑关系的运算结果为1(ON)状态时，就应按故障处理。例如A、B两地的限位开关的逻辑状态正常工作时不能同时为ON，若它们工作中出现同时为ON的状态时，说明至少有一个限位开关卡死，另外正反转启动按钮也不能同时为ON，否则说明至少有一个启动按钮出现了故障;再比如控制电动机正反转的两个交流接触器的常开触点也不能同时为ON状态，否则说明至少有一个交流接触器有问题，当这些常见故障的逻辑关系为ON时，都应触发故障信号进行报警，点亮故障指示灯，并立即停止系统的运行，维修人员可以根据指示灯的闪烁读出对应故障代码，通过使用说明书迅速找出故障的部位，及时排除故障，使系统尽快恢复工作
（三）时间限制判别法
机械设备各工步动作的时间基本上是固定不变的，即使变化也不会太大，利用这一范围来检测故障就是时间限值判别法。当外部执行元件开始一个动作时，可同时触发一个定时器，此时定时器相当于虚拟的传感器，定时器的设定时间比正常情况下该动作的进行时间长20%左右。如锅炉点火过程，机床某加工节拍，电动推杆的推出过程，活塞杆的伸出及回缩过程等，均可设置时间上限来对其进行故障检测。例如，小车从A地到B地运料大概需要20s，小车到达目的地时会触动限位开关发出前进结束信号。编程时可在小车开始由A向B、或由B向A运动时触发PLC的定时器，对运动过程进行监视，监视定时器的设定时间为24s，若在运料的过程中出现电机或限位开关及电机主回路等出现故障，则会出现监视定时器时间到，而限位开关没有发出动作结束信号，编程时可以利用监视定时器的常开触点去触发故障报警信号，由该信号停止程序的运行，执行故障报警显示程序，操作维修人员可以迅速读出故障的代码，通过使用说明书迅速找出该故障码对应的故障部位，及时排除设备的故障，使设备能在最短时间恢复工作。
（四）首发故障诊断法
控制系统一旦发生故障，也可能随之有多个故障发生，或者一个故障导致另外多个故障，如果能找到第一个故障并按故障出现的先后顺序有规律地进行信息显示，则能较快地排除故障。以3个故障为例，如图1所示，其中设置了3个故障检测位，分别为M100.0、M110.0、M120.0，3个初始故障检测位分别为M100.2、M110.2、M120.2，F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障检测位都为“0”（OFF状态），初始故障检测位也都为“0”（OFF状态），复位信号F1491.1为“0”（OFF状态）。在3个故障中假设首先发生第二个故障。在程序扫描的第一个周期内，其对应的故障检测位M1101.0变为“1”（ON状态），M100.2、M120.2、F149.1初始值为“0”（OFF状态），初始故障检测位M110.2变为“1”（ON状态），通过自锁保持为“1”（ON状态），直到故障被排除，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。在程序扫描的第二个周期内，M1102保持为“1”（ON状态），实现了对M100.1、M120.1的封锁，即使此时另外某一个故障检测位为“1”（ON状态），也不能导致其初始故障检测位变为“1”（ON状态）。通过此PLC程序的控制，就能从同时发生的众多故障里准确地判断出初始故障。这种方法是排除由某一个故障引起的连锁故障的有效方法。在一些复杂系统(如自动化生产线)，当几个故障同时显示时，该方法能准确地判断出首发故障，极大提高系统维修的准确性和快速性。
三、故障显示
对于被检测出的故障应及时加以处理。如使程序停止进行，使PLC输出全部停止或部分停止，甚至切断供电。另外还要将故障显示以便用户顺序排除。为此，在故障发生时设置声光报警信号，以引起现场人员的注意。为了报告故障原因，可采用以下方法。
（一）指示灯指示
直接通过PLC驱动LED指示灯或普通小功率指示灯指示不同故障，以达到快速找到故障位置并快速排除故障的目的。
（二）编码显示
利用几个指示灯的不同编码状态区别很多故障源。例如3个指示灯可以指示7种故障，4个指示灯可以指示15个故障等等。在实际运行中有可能出现两种或两种以上故障同时出现的情况，因此在设计故障状态解码器梯形图时，在这些故障之间再加一些联锁。联锁的原则是应能使某些重要故障先显示。
（三）用数码管显示故障代码
FX2系列PLC提供了带锁存的7段显示功能指令SEGL。该指令用12个扫描周期显示4位数据(1或2组)，而数码管与PLC端子的连接也很简单。没有此功能指令的PLC可以采用输出8421BCD码，再使用译码驱动芯片CD4511或74LS47等，实现系统故障的实时显示。如图2所示，图中用了3个数码管和3个CD4511芯片，R为数码管的限流电阻，虚线框内部分为PLC的输出单元，用图2所示电路，可以实现最多999种故障的显示，再通过编制好的故障表，可以实现实时显示系统故障并能够及时处理的目的。
（四）用触摸屏或工控微机等人机界面显示故障
现在一些大型设备大都用触摸屏或工控微机进行远程操作和监控，使用触摸屏或工控微机进行系统故障的显示更是方便和快捷。我们现在使用的由沈阳铝镁设计研究院研制的电解槽控制箱就实现了用工控微机进行系统故障的实时显示，此系统共设置了几十处故障点，并且部分故障可以直接通过工控微机进行远程操作进行恢复，其他故障由监控工通过专用指令电话及时通知维修工，由维修工进行处理，提高了故障处理速度，保证了电解槽的平稳运行。
PLC的可靠性很高，但外部元件的可靠性不如PLC本身，如果能在编程时考虑利用PLC对外部元件的故障进行检测与诊断就可以进一步提高，设备工作的可靠性。当利用PLC进行故障检测诊断时，系统的外部元件出现故障或PLC本身出现故障，均能产生报警指示，立即停机或进入故障处理，有效地保证了设备安全可靠地运行，取得了令人满意的效果。PLC在故障诊断方面的应用，充分显示了PLC的优越性，为以PLC作为基本控制器的系统提供了有效的故障检测手段。PLC故障检测的方法很多，设计控制系统的故障诊断电路时，应视具体的场合选用适用的故障诊断法，对于复杂的系统可综合应用各种方法。