可編程序控制器（簡稱PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機技術(shù)、自動控制和通信技術(shù)，面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制裝置，與DCS、IPC 并稱為工業(yè)自動化工控領(lǐng)域的三大支柱，PLC技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平。

　　隨著化工、電力、冶金等工業(yè)生產(chǎn)裝置規(guī)模的日趨大型化和復(fù)雜化，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行已日趨重要，相應(yīng)地，對實施這一目的的控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。 一方面，在系統(tǒng)出現(xiàn)某些異常情況時，如何實現(xiàn)在許可極限條件下的繼續(xù)運行，故障消除后迅速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)？另一方面，如何保證控制系統(tǒng)本身在一個或多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障的情況下，避免停車事故，確保系統(tǒng)繼續(xù)安全可靠的運行？這些已成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)所面臨和急需解決的重要問題。

　　解決上述問題的途徑之一就是采用容錯技術(shù)。 但是目前PLC 在這一領(lǐng)域僅停留在對故障的檢測與顯示階段，對這類問題的研究目前見諸文獻(xiàn)不多。 在此，本文通過闡述利用梯形圖軟件設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)的帶故障運行，對這一領(lǐng)域的上述問題給予初步的探討。

1 PLC 的故障診斷方法

　　在PLC 控制系統(tǒng)中，PLC本身的可靠性一般較高，但PLC 的外部設(shè)備，如輸入元件、輸出執(zhí)行元件、被控設(shè)備及輸入輸出信號線路等的故障率卻很高。 而且，這些設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，都將影響整個控制系統(tǒng)的正常工作。 因此，在PLC程序中增加故障檢測程序，及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障并根據(jù)故障類型分別做出相應(yīng)的處理是非常必要的。

　　PLC 控制系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的基本原理是利用PLC 的邏輯或運算功能，把連續(xù)獲得的被控過程的各種狀態(tài)不斷地與所存儲的理想（或正確）狀態(tài)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)它們之間的差異，然后按事先預(yù)定的方式對該差異進(jìn)行譯碼，最后以簡單的、或較為完善的方式給出故障信息報警。

　　常用的PLC 的故障診斷方法有：邏輯故障檢測診斷法、超時限故障檢測診斷法、首發(fā)故障檢測診斷法等。

　　下面重點介紹超時限故障檢測診斷法機械設(shè)備在自動工作循環(huán)中，各個工步的動作都要求在一定的時間內(nèi)完成，超過了規(guī)定的時限而未完成動作，則視為設(shè)備運行出現(xiàn)故障。 因此可以在被檢測工步動作開始時，同時啟動一個定時器，定時器的設(shè)定時間比規(guī)定動作時間長25%左右，如果定時器有輸出則說明已發(fā)生故障，該信號可用做故障顯示、報警和故障停機信號。 圖1為一個工步超時限的故障檢測電路。

圖1工步超時限故障檢測電路

　　工步的正常工作時間為6S，定時器T40的定時時間為8S，當(dāng)工步啟動時，T40開始計時，如果工步按時完成，則完成信號切斷T40的輸入，T40無輸出而無故障信號。 若工步超時限，T40輸出故障信號，驅(qū)動輸出繼電器Q0.0 使之顯示和報警。

　　但是如果每一工步都要加一個定時器，當(dāng)工步多、PLC 內(nèi)部的定時器不夠用時，可采用階段超時或?qū)σ恍┤菀壮霈F(xiàn)故障的關(guān)鍵步序進(jìn)行定時的方法。

　　這種時限檢測方法除可用于故障檢測外，還可以用作原有保護(hù)措施的后備保護(hù)。 如用于電梯的過流保護(hù)電路，假定電流繼電器失靈則可能燒壞電動機，如果加設(shè)了時限故障檢測并采用故障檢測信號來停機，則可起到后備保護(hù)的作用。目前PLC 控制系統(tǒng)的故障等級分類及其對應(yīng)的處理方法如下：

　　一級故障，可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的故障。 要求系統(tǒng)立即停機，并向操作人員聲光報警。 當(dāng)故障檢測軟件檢測到一級故障時，由故障處理模塊直接控制PLC 輸出端口的狀態(tài)。

　　二級故障，可能對控制過程產(chǎn)生影響，軟件無法自糾正的故障。 控制程序?qū)⑥D(zhuǎn)入暫停，各輸出端口置為初始狀態(tài)，并向操作人員聲光報警，操作人員處理后，再繼續(xù)運行程序。

　　三級故障，對控制過程不立即產(chǎn)生影響，由故障處理程序進(jìn)行自糾正處理，并通過信號輸出模塊屏蔽錯誤信號，同時向操作人員做聲音報警。 一段時間后，如故障仍存在，則故障升級。

　　四級故障，程序檢測到的一般性錯誤或異常，只記憶并向操作人員做出相應(yīng)的指示，控制程序繼續(xù)執(zhí)行。

　　由此看出，目前對于系統(tǒng)出現(xiàn)一級、二級故障時的處理方法僅停留在對故障的檢測與報警的階段，系統(tǒng)無法繼續(xù)運行，解決上述問題、保證系統(tǒng)帶故障運行的措施之一就是對故障結(jié)果進(jìn)行分析，采用適當(dāng)?shù)娜蒎e技術(shù)。

2 容錯技術(shù)

　　容錯是指在系統(tǒng)中，當(dāng)一個或多個關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)采取相應(yīng)措施，維持其規(guī)定性能或在可接受的性能指標(biāo)變化下，繼續(xù)、穩(wěn)定可靠運行的能力。

　　容錯控制器的設(shè)計問題是60年代為研制高性能的飛機而提出的，由于在提高系統(tǒng)可靠性等方面的有效性使其在化工、電力、冶金等工業(yè)控制中也得到了廣泛的應(yīng)用。 容錯控制器的設(shè)計方法主要有硬件冗余方法和解析冗余方法兩大類。 硬件冗余方法主要通過對重要部件及已發(fā)生故障部件提供備份，以提高系統(tǒng)的容錯性能，但是這種方法存在著明顯的不足：

　　1）增加了系統(tǒng)的成本、結(jié)構(gòu)、重量和所需空間；

　　2）在某些情況下硬件技術(shù)的應(yīng)用受到限制；

　　3）對大型復(fù)雜系統(tǒng)全部采用硬件冗余技術(shù)是不可能的。

　　這些不足必將限制硬件冗余技術(shù)的應(yīng)用，隨著硬件價格的降低，基于硬件的冗余技術(shù)和基于解析冗余技術(shù)相結(jié)合將是容錯控制的發(fā)展方向。解析冗余技術(shù)：

　　解析冗余容錯技術(shù)是利用控制系統(tǒng)不同部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余性，當(dāng)系統(tǒng)的某些部件失效時，用其余完好部件部分甚至全部承擔(dān)起故障部件所喪失的作用，使系統(tǒng)的性能維持在允許的范圍之內(nèi)。

　　目前解析冗余的容錯控制大致分為兩大類：重構(gòu)容錯控制和魯棒容錯控制。 由于系統(tǒng)故障的多樣性和對系統(tǒng)性能的高要求，魯棒容錯控制實現(xiàn)容錯的種類有限，局限了它的應(yīng)用，下面重點介紹重構(gòu)容錯控制。

　　重構(gòu)容錯控制包括動態(tài)故障診斷和控制器重構(gòu)兩個方面。 具體做法是利用故障診斷機構(gòu)實時地監(jiān)測并定位故障，然后根據(jù)系統(tǒng)所處的新工作狀態(tài)重新配置工作點，利用某種控制器設(shè)計策略動態(tài)地重新構(gòu)造一個控制器，使控制系統(tǒng)在新工作狀態(tài)下，仍能保證一定的穩(wěn)定性和控制效果。 重構(gòu)容錯控制是在線控制，方案一般有兩種：

　　1）在線重構(gòu)———根據(jù)檢測到的故障狀態(tài)重新設(shè)計控制器或故障補償機構(gòu)。 這種方式適合于故障模式事先不確定，控制律需要在線調(diào)整的情況；

　　2）離線重構(gòu)———根據(jù)檢測到的故障把控制器切換到事先設(shè)計好的相應(yīng)的容錯控制器中，這種方案適合于可能的故障模式事先已經(jīng)知道，控制律可以事先離線確定的情況。

　　通過以上分析可以看出，重構(gòu)容錯控制的設(shè)計方法只要實時而準(zhǔn)確地檢測和隔離出故障，就可以采用人們所熟悉的各種方法重構(gòu)控制器，控制器的設(shè)計策略主要有極點配置、最優(yōu)控制、模糊控制等。

　　本文根據(jù)PLC 控制系統(tǒng)工作循環(huán)的特點，在充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類型的基礎(chǔ)上，利用故障診斷程序隔離出故障之后，通過離線重構(gòu)的設(shè)計，即根據(jù)故障診斷的結(jié)果，編寫梯形圖軟件控制新的輸出點，來實現(xiàn)利用信號輸出模塊屏蔽故障點，使系統(tǒng)帶故障運行。

　　但是這些方法依賴于故障檢測分離機構(gòu)，一旦從故障發(fā)生到檢測分離機構(gòu)檢測出故障這段延時時間過長，就可能使系統(tǒng)的性能變壞。

3 容錯技術(shù)應(yīng)用實例

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及人們物質(zhì)生活需求的提高，電梯不但已成為高層建筑不可缺少的垂直交通運輸設(shè)備，也將成為低層建筑中的代步工具，因此對電梯故障處理的研究日漸重要。 有些電梯在設(shè)計硬件電路時，就考慮到了故障的自處理功能。

　　本文將重點研究高層電梯工作過程中當(dāng)其某層平層控制回路出現(xiàn)故障時，利用軟件實現(xiàn)故障診斷及容錯控制，保證電梯工作任務(wù)完成的方法。具體的，將以四層的電梯模型為例，探討該方法的實施問題。 該電梯模型利用轎廂附有的永久磁鐵與立柱上的干簧管的吸合來實現(xiàn)平層，該平層信號經(jīng)過電源線與PLC的輸入端子進(jìn)行連接。 一旦平層線路出現(xiàn)故障，轎廂就會出現(xiàn)越位，還可能出現(xiàn)轎廂沖頂或蹲底的嚴(yán)重后果，根據(jù)故障等級分類方法，此時應(yīng)為一級故障，在檢測出故障之后，系統(tǒng)應(yīng)立即停機。 但是在實際的故障檢測中，當(dāng)故障被識別后，往往轎廂位于兩層樓之間，如果這時停機，勢必給乘客帶來了麻煩，在電梯維修人員未到來之前，無法安全走出電梯。 基于以上分析，本文實現(xiàn)故障診斷與容錯的設(shè)計思路如下：

　　3.1 故障檢測與分離

　　在該系統(tǒng)中，平層信號經(jīng)電源線與PLC 的輸入端子（10。4 ~10。7）相連，系統(tǒng)無故障運行時，轎廂進(jìn)入樓層，對應(yīng)的輸入寄存器置1，離開樓層時，置0，若轎廂能夠正常停靠在指定層，則認(rèn)為該層平層線路無故障。 正常情況下轎廂在層間的運行時間不超過6s，定時器T40的定時時間為8s，通過上述分析我們可以利用平層信號的下降沿信號來確定轎廂離開樓層啟動定時器，利用相鄰樓層的平層信號的上升沿信號來確定轎廂進(jìn)入相鄰樓層切斷定時器的輸入，工作正常時，定時器沒有輸出，但是當(dāng)相鄰層的平層信號出現(xiàn)故障時，轎廂雖然進(jìn)入樓層，由于檢測不到平層信號上升沿的到來，定時器繼續(xù)計時，直到定時器的輸出為1，同時依據(jù)前向經(jīng)過的樓層與運行方向，即可實現(xiàn)故障樓層的識別，至此實現(xiàn)了系統(tǒng)的故障檢測與分離，如圖2。

圖2 故障檢測與分離 

　　3.2 系統(tǒng)加入容錯后的控制策略

　　這類故障通常為間歇故障，是由于接觸不良或局部有缺陷的元部件造成的。 基于這一特點，根據(jù)PLC 控制循環(huán)工作的特性，當(dāng)檢測分離出這些故障之后，可充分利用其他完好部件按照如圖的策略對其進(jìn)行屏蔽，即通過梯形圖指令實現(xiàn)對相鄰樓層的自動呼梯，控制轎廂先停靠到運行前方的相鄰樓層（底層與頂層除外，若底層平層信號出現(xiàn)故障，控制轎廂停靠到二層；頂層出現(xiàn)故障，控制轎廂停靠到三層），之后系統(tǒng)繼續(xù)按正常情況運行，同時對對應(yīng)樓層出現(xiàn)故障的次數(shù)分別進(jìn)行累計，超過一定次數(shù)之后，認(rèn)為該故障已轉(zhuǎn)為永久故障，故障升級。

　　圖3 為中間某樓層平層信號出現(xiàn)故障后的容錯控制策略。

圖3 容錯控制策略 

　　經(jīng)過這樣的設(shè)計之后，該一級故障就已轉(zhuǎn)化為四級故障，只需向操作人員做出相應(yīng)的指示，電梯除不能實現(xiàn)對該層的呼叫之外，并不影響其它樓層的運行。 并且這種設(shè)計方法通過實時地檢測平層信號，還可實現(xiàn)對故障的早期報警。

　　除此之外，此種方法還可應(yīng)用于電梯的開關(guān)門故障自處理中，如有的電梯在平層后不能開門時，則自動上行一層試開門，如能打開則恢復(fù)正常工作，如不能打開則再上行一層，直至頂層后再一層層下行至基站報警。

4 結(jié)束語

　　容錯技術(shù)是提高控制系統(tǒng)的可靠性的有效措施之一，在系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的特點，對這一領(lǐng)域的問題進(jìn)行了初步的探討，通過梯形圖軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了故障的檢測與容錯處理功能。 PLC控制系統(tǒng)的故障檢測程序還有很多，在軟件開發(fā)時，通過充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，并設(shè)計相應(yīng)的防范程序，是避免和減少這些故障對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的重要措施。

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本文標(biāo)題：基于PLC的動態(tài)系統(tǒng)故障診斷與帶故障運行方法

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