PLC控制系统故障自诊断以及人性化安全设计

PLC控制系统故障自诊断以及人性化安全设计
Malfunction Self-diagnoses of PLC Control System and its Humanized Security Design
1 引言
PLC可编程控制器技术日益成熟，从单机到大型生产线设备的全程控制，在工业控制领域的得到愈来愈
广泛的普及应用。

如何设计一套更完善、稳定、安全，更便于操纵和维护的控制系统显得有更加重要的现
实意义。

通常由PLC为主构成的控制系统，就PLC控制器本身而言，一般故障率比较低，是相对稳定可靠的。

可
是构成一个控制系统必须接入各种各样的外围元器件，例如传感器、接触器、电动机、电磁阀、接插件等
电器元件。

这些电器元件，虽然设计者一般都选择优质产品，也难以避免有出故障的时候，尤其是一些比
较大的控制系统，一旦出现故障，导致整个生产设备系统的停产。

由于PLC控制系统的控制逻辑是由程序(软件)完成的，其电路图(硬件)虽然很直接简单，但是控制系统
出现故障，操纵者或维修者仅靠简单的电路图，或者通过分析控制程序来查出故障点，是相当抽象和复杂的。

尤其在大型自动化生产线设备，其生产效率很高，延长修复时间就意味着产品产量的损失，就是金钱、效益的损失。

2 人性化安全程序设计
一个控制系统的程序编制，仅仅按生产工艺的顺序和生产节拍完成程序编制，是最起码的，也是远远不
够的。

设计一个完善优秀程序，除了完成生产工艺和生产节拍的需要外，还应该有一系列人性化的安全方
面的设计。

至少还应该具备如下功能:控制系统(包括硬件和软件)要保障生产设备在标准允许的恶劣环境中，能较长期的安全、稳定、可靠运行;给操纵者一个安全、简单、轻松、直观的操作方法和操作界面;有较全
面的故障诊断、安全保护功能;一旦出现故障，系统能明确显示故障性质和故障点，便于采用简单办法、以最短的时间快速修复，排除故障，使系统恢复正常。

许多优秀的控制、应用软件都有十分完善的从安全角度考虑的程序结构。

一个成熟的PLC控制程序应该
有1/3~1/2以上的程序量是为控制系统安全可靠服务的。

因为随着PLC控制系统设备应用的普及，将面对
的是各个行业最基层的操纵者和维护者，其素质参差不齐。

我们应该设计一个人性化的、友好的、亲和的
便于操纵的控制系统。

针对初步具备设计PLC控制系统知识的初级工程师，根据已往的设计工作中积累的经验，研讨故障诊断
和便于操作、维护方面的程序，这些程序不针对具体PLC型号，梯形图逻辑是示意性的。

3 故障自诊断
3.1 位置传感器的故障判断
在运动控制系统中，位置传感器使用最多。

位置传感器有开关量型，接点式限位开关和接近开关，也有
数字型和模拟型。

以一个简单气(液)动装置为例。

图1程序表示如何检测出位置开关的故障。

有一个气泵(或液压泵)，一个两位式电磁阀，控制一个气(或液压)缸进、退，两个位置开关，一个为气(或液压)缸后退位位置开关，一个为气(或液压)缸前进位位置开关，用以检测气(或液压)缸运行位置。

图1 检测位置开关的故障程序
A回路:一个气缸的两个位置开关不可能同为断开，其中必有一个是断路故障。

T1是气缸行程时间定时器延时通接点，设定时间要比气缸实际行程时间稍长，在电磁阀上电和下电时将其启动，缸运行到位，将其复位。

B回路:一个气缸的两个位置开关不可能同为接通，其中必有一个是短路故障。

图2表示检测模拟量位置传感器故障程序。

对于系统采用模拟量式位置、位移传感器信号的系统，把模拟量先经过A/D变换指令变换成数字值，把适当位置的数字值，利用PLC的“≤”或“≥”某一值的比较指令替代上面后退、前进位置开关指令;数字式位置、位移传感器同样利用PLC的“≤”或“≥”某一值的比较指令如上处理都很方便。

图2 检测模拟量位置传感器故障程序
A回路:电磁阀已失电，后退位置开关经过T1时间没有接通，表示后退位置开关故障。

B回路:电磁阀已得电，前进位置开关经过T1时间没有接通，表示前进位置开关故障。

T1是气缸行程时间定时器延时通接点，设定时间要比气缸实际行程时间稍长，在电磁阀上电或下电时将其启动，缸运行到位置，将其复位。

3.2 电磁阀和缸的故障判断
图3表示电磁阀和缸的故障诊断程序。

电磁阀和缸的故障也会引起位置开关不动作。

电磁阀故障包括从PLC输出点到电磁阀间的线路断线、接线端子或接插件接触不良、电磁阀阀体故障等。

气缸故障一般是传动机构卡住或压力过低。

图3 电磁阀和缸的故障程序
C回路:PLC的电磁阀输出ON，位置开关没有故障，超过T2行程时间，前进位位置开关还没有ON，说明电磁阀或气缸有故障。

D回路:PLC的电磁阀输出OFF，位置开关没有故障，超过T3行程时间，后退位位置开关还没有ON，说明电磁阀或气缸有故障。

E回路:气缸退回时电磁阀下电(下降沿)脉冲。

F回路:电磁阀下电脉冲使中间继电器M2保持后退记忆，后退位位置开关解除该记忆。

在此应该用电磁阀下电脉冲比较可靠。

说明:T2、T3分别为前进和后退的行程时间，电磁阀上电或下电将其启动，缸运行到位将其复位，时间设定比T1稍长。

T2、T3的时间设定也有区别，气缸前进和后退时的负载和气室截面不同以及气压不稳定导致前进和后退时间不同。

3.3 泵电机故障判断
图4表示泵电机故障判断程序。

PLC输出点要通过接触器或继电器控制泵电机旋转，接触器经常会出现由于异物进入卡住磁铁或磁铁污垢导致PLC输出OFF后磁铁不分离，这在油雾、粉尘多的环境常见，称为“粘联”即该断不断;还有线路接触不良、断线导致PLC输出ON时接触器不吸合，称为“拒动”即该通不通;还有泵过载故障。

图4 泵电机故障判断程序
A回路:PLC泵电机启动输出ON，接触器接点经T延时时间没有接通，该通不通即拒动故障。

PLC存储器内程序的运算速度很快，相比接触器线圈得电吸合的速度要慢很多，为此计时器T的设定时间应在50~100MS 之间，小功率接触器吸合时间短，大功率接触器吸合时间长。

拒动故障还包括从PLC输出点到接触器线圈间的导线断线、接线端子或接插件接触不良。

B回路:PLC泵启动输出OFF，接触器接点仍在ON，该断不断即粘联故障。

C回路:泵电机过载故障
接触器反馈接点——接触器的辅助接点接入PLC的一个输入点;
热继电器反馈接点——热继电器辅助接点接入PLC的一个输入点。

这样，以上介绍的这个简单气动控制的几乎所有硬件电路元件，和部分机械可能出现的故障，都能通过相应程序检测出。

再通过系统不同配置，明确显示出来，便于修复。

4 故障显示
如果控制系统配置有上位计算机或触摸屏，通过和PLC通讯，将故障状态以相应的图形符号，颜色闪动变换或以具体文字显示在屏幕上，甚至利用Windows的语音功能，用语音“讲”出故障内容和故障点，就十分直观、明确。

如果控制系统没有上位计算机或触摸屏只有PLC，则可以利用指示灯或按钮指示灯(发光二极管指示灯)
以不同的频率闪烁来表示不同的故障。

4.1 频闪脉冲程序
以只有PLC简单配置的系统，以指示灯或按钮指示灯显示故障的方法介绍如下。

一般PLC都有1s脉冲专用指令，利用这个s脉冲可以变换出1s脉冲倍频的脉冲。

图5所示为频闪脉冲程序。

图5 频闪脉冲程序
A回路:是1s脉冲上升沿生成回路，在中间继电器M3产生1s周期脉冲的上升沿脉冲，上升沿脉冲宽度是PLC程序的一个扫描周期。

A或C回路上升沿检测指令各PLC厂家都有专用指令，但表述不同。

本文A 或C回路的形式在各家PLC上都适用。

B回路:是一个T触发器，也可以看作倍频器，每来一个脉冲(脉宽为程序的一个扫描周期)T改变一次状态，利用A回路M3的每秒一次的一个程序扫描周期的脉冲，在中间继电器M5得到2s周期的脉冲。

C回路:是2s周期脉冲的上升沿脉冲产生回路，在M6得到2秒一次的一个程序扫描周期宽度的脉冲。

D回路:利用C回路M6的脉冲在M8得到一个4s周期的脉冲。

4.2 泵电机工作状态指示灯
将1s周期脉冲(PLC特殊辅助继电器)、2s周期脉冲(M5)、4s周期脉冲(M8)代表不同内容的故障去控制相应指示灯，程序如图6所示。

图6 泵电机工作状态指示灯程序
A回路:泵已启动输出，没有泵过载、接触器拒动、接触器粘联故障时，泵电机指示灯常亮。

B回路:当发生泵过载故障，泵电机指示灯以1s频率闪亮。

C回路:当发生接触器拒动或粘联故障时，泵电机指示灯以2s频率闪亮。

当然也可以将接触器拒动故障和粘联故障分别以不同频率闪亮。

4.3 阀工作状态指示灯
阀工作状态指示灯程序如图7所示。

图7 阀工作状态指示灯程序
A回路:阀工作正常，并且没有故障时，阀工作指示灯常亮。

B回路:当发生位置开关故障时，阀工作指示灯以1s频率闪亮。

C回路:当发生电磁阀或缸故障时，阀工作指示灯以2秒频率闪亮。

4s以上的频闪实用中显得时间长，如果需要频率更高的脉冲，三菱FX-2N还有
10ms(M8011)、 100ms(M8012)的特殊辅助继电器通过上述倍频程序产生需要频闪脉冲。

西门子S7-200只有1s(特殊标志位SM0.5)，再有就是1min(SM0.4)的，如果需要高脉冲可以利用SM0.6扫描时钟脉冲，通过上述倍频程序产生需要的频率脉冲。

图8程序按西门子S7-200实现。

图8 实现倍频脉冲的梯形图
A回路:利用SM0.6一个扫描周期脉冲，在M1.0产生2倍扫描周期脉冲。

B回路:2倍扫描周期脉冲上升沿。

C回路:利用M1.0脉冲上升沿，在M1.2产生4倍扫描周期脉冲。

D回路:4倍扫描周期脉冲上升沿。

E回路:利用M1.3脉冲上升沿，在M1.5产生8倍扫描周期脉冲。

F回路:8倍扫描周期脉冲上升沿。

G回路:利用M1.6脉冲上升沿，在M2.0产生16倍扫描周期脉冲。

利用M1.0、M1.2、M1.5、M2.0的频闪脉冲代表不同的故障内容。

以上脉冲脉宽是等距的，也可以将M1.0、M1.2、M1.5、M2.0的脉冲有选择的相“或”，就可以产生你需要的不等距脉冲。

要注意的是过高频率输出要选用晶体管的输出点，驱动发光二极管指示灯。

5 操作安全设计
一般，设计一个控制系统都会注意系统的容量、散热、绝缘、接地、屏蔽、抗干扰、抗震动、防尘、防潮、防低温结露等基本问题。

一个能长期安全、稳定、可靠工作的PLC控制系统，仅注意上面的基本问题和有较全面的故障自诊断功能还不够，还应该尽可能考虑操纵者或维护者的基本素质问题，应当使他们在非正常操作时，不能产生误动作，导致设备发生故障或损坏。

因为面对的是各行业最基层的，可能各种文化、技能、素质参差不齐的操纵者或维护者。

即便是经过培训、考试上岗的专业者，甚或他能把操作规程背的很熟。

但是，往往有疏忽大意的时候。

尤其是人们在突然遇到紧急状态，短时间会不知所措、措手不及。

经常会按错按钮或有其它不正确多余的动作，导致事故扩大，造成严重损失。

程序设计者应该多花些时间，充分利用已有的PLC丰富指令和存储器容量的资源，设计一个什么人都觉得好使，容易接受的，对人、对己都方便的控制系统。

不管什么样的原因导致设备频出故障，都会联想到设计者的问题和设备系统质量，往返修复都会增加设计单位成本和设备使用单位运行成本。

由设备本身的原因，导致不能充分发挥其应有的功能和效率，总不是人们期望的。

因此，除了有上述全面的故障自诊断，另外还有如下问题，要求程序设计者综合考虑，介绍如下:
5.1 有严密的连锁功能
一个设备如果有许多电机和其他驱动机构，生产工艺要求它们之间的启动或机构动作有先后次序，那么控制程序就要有严密连锁。

不仅如此，各控制按钮之间通过程序也要有严密的连锁。

要做到各控制按钮可以随便“乱”按，不会产生错误动作。

因为不能要求所有操纵者都像钢琴家弹钢琴那样熟练，而钢琴家弹琴，是在相当安静和适宜的环境，工业生产现场噪音和其它外来干扰很多，容易分散操纵者的注意力。

严格要求操纵者培训上岗，熟练掌握操作规程和操作要领是必要的，这是一方面。

另一方面程序编制者多花些精力，尽力减轻操纵者负担，也是努力的一个方面，是完全能做到的。

不应使生疏的操纵者有畏惧感，不敢靠近。

要“允许”他们有失误的时候，尤其在紧急情况时。

但这时不能因此而让设备事故扩大。

要设计一个人性化、友好，亲和的控制操作界面。

5.2 给操纵者一个轻松、简单、明了的操作环境
经常突然遇到紧急情况时，尤其是大的系统要面对很多按钮时。

会手足无措，短时间不知道先按那个按钮，情急之下很容易按错按钮。

是否有可以减少按钮数量又能方便操作的办法呢。

按钮少了，控制面板小又清爽，减少PLC输入点数，也减少接线及接线端子数，降低了成本和故障率。

以下是减少按钮数量的方法:
(1) 减少启动、停止按钮
以往启动一台电机传统的办法都习惯于一个启动按钮，一个停止按钮。

这是源于过去继电器控制系统，是必须的。

PLC控制系统完全可以采用同一个普通按钮，先按是启动，利用接触器的辅助触点，接通按钮上的指示灯，表示电机在运行;再按是停止，接触器释放，指示灯灭，表示电机停止运行。

程序如图9所示。

图9 减少启动、停止按钮程序
回路A:是按钮上升沿检测回路从M1输出。

回路B:是T触发器，M1每来一次脉冲M3改变一次状态。

回路C:如果需要暂停功能，将暂停控制点放在C回路，不需时由B回路直接输出控制电机。

(2) 用一个按钮控制气(油)缸前进或后退
与控制电机的启动或停止类似，但是气(油)缸的控制有位置开关参预判断缸行程到位情况。

程序图10所示。

图10 用一个按钮控制气(油)缸前进或后退
A、B回路:是缸位置判断回路，有时突然停电，缸还保持在原来位置，利用PLC上电脉冲(特殊继电器)，记忆缸当前位置。

C回路:是按钮上升沿脉冲产生电路。

D回路:是T触发器，其中M5是当送电时，判断缸在前进位，就在上电时强置M8为ON状态。

(3) 用一个按钮加拨码开关控制多台电机启动或停止
一些设备有许多台电机(或电磁阀)，在正常工作时采用自动控制。

在设备维修后调试时采用手动操作分别启动或停止各台电机。

这些手动按钮数量较多，却长期闲置。

如果，节省掉可以使操作台面板很清爽。

以十台电机为例。

用一个一位BCD码拨码开关选择要启动或停止的电机号，然后按按钮执行已选择启动或停止的动作。

设10个指示灯分别表示10台电机的工作状态，被选中要操作电机的指示灯闪亮，按此按钮电机启动后指示灯变为常亮。

(故障时以其它频率闪亮)，如图11所示。

图11 用一个按钮加拨码开关控制多台电机启动或停止
A回路:M1~M10是选择1~10号电机时，按钮上升沿脉冲，此处用三菱PLC上升沿指令，脉宽是一个扫描周期。

B回路:M11~M20为T触发器，是1~10号电机运行输出。

指示灯梯形图回路略。

(4) 用两个按钮控制任意台电机启动或停止
上面的拨码开关也可以用一个按钮代替，在程序中该按钮使一个计数器计数，计数器的每个计数值，通过PLC比较指令的“=”指令，去选择要启动或停止的电机号。

另一个按钮执行启动或停止电机的动作。

梯形图回路与上述类似。

5.3 按钮灯闪烁引导操纵者操作
有的设备的手动操作是正常生产方式之一。

如果手动操作方式有许多按钮，操作又有先后次序，不允许操作失误。

控制程序除了有必要的逻辑连锁外，还应当利用按钮上指示灯以特别频率(区别于故障频闪)闪烁来引导操作。

这样不但彻底的避免了误操作，还使初学操纵者学习、掌握起来更容易。

在前面故障显示一节指示灯回路再加上一个引导操作回路如图12所示。

图12 按钮灯闪烁引导操纵者操作程序
A回路:泵启动后工作正常，没有故障。

泵电机按钮指示灯常亮。

B回路:泵电机过载时，泵电机按钮指示灯以1s频率闪亮。

C回路:泵电机接触器故障时，泵电机按钮指示灯以2s频率闪亮。

D回路:泵启动前，启动该泵条件均已满足，泵电机按钮指示灯以4s频率闪亮。

表示该按钮可以按，泵可以启动了。

这样操纵者只要观察操作面板上指示灯闪烁，闪烁的按钮就是他应该按的按钮，这几乎是个“傻瓜”式的操作，我在许多控制系统都采用了以上这些办法。

在设备安装好，最初培训操纵者时，就告诉他们在手动操作时你可以随便按所有按钮，闪烁的那个就是你该按的。

按完第一个按钮，该动作完成后，接下来又有其它某个按钮指示灯在闪亮，这样接着按下去直到没有闪烁的按钮为止。

引导操作的闪烁和故障闪烁显示在同一个指示灯，虽然闪烁频率不一样但很接近，但是不用担心混淆，因为故障灯闪烁还应该伴随着报警声，容易区别。

6 结束语
综上所述，80年代末以来，针对一些大的控制系统，尤其针对对PLC不熟悉的用户，解决了以上控制系统快速排除故障、便于操作等问题，积累了些经验。

经笔者设计的控制系统，至今都“运行正常”，厂家没有再通知让去排除故障，回访厂家也表示运行正常。

但笔者认为不会一点故障没有出过，而是因为有较全面的故障自诊断功能。

并且能清楚明白的显示给操纵者或维护者，一旦有故障时他们几乎不需要看图纸，更不用查看程序，甚至操纵者就能以最快的速度，最简单的办法修复故障。

减少停机修复时间，降低运行成本，发挥设备最大效能。

用最少的控制按钮，和引导式的简单明了的操纵方式，减轻操纵者负担，减少甚至杜绝误操作的可能。

因此用户学习、掌握操纵设备时，人机实现了友好、亲和，轻松、愉快的局面。

也提高了设计单位的信誉。

选择优质的PLC控制器和控制元件、精心周到的程序设计，才能保证设备长期稳定运行，让用户使用起来得心应手，是每个程序设计者的责任和目的。