可編程序控制器（簡稱PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)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(dòng)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(yùn)行已日趨重要，相應(yīng)地，對(duì)實(shí)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(shí)，如何實(shí)現(xiàn)在許可極限條件下的繼續(xù)運(yùn)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(gè)或多個(gè)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(yùn)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(cuò)技術(shù)。 但是目前PLC 在這一領(lǐng)域僅停留在對(duì)故障的檢測與顯示階段，對(duì)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(jì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的帶故障運(yùn)行，對(duì)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(hào)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(gè)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(shí)、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(yùn)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(chǔ)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(duì)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(bào)警。

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

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

圖1工步超時(shí)限故障檢測電路

　　工步的正常工作時(shí)間為6S，定時(shí)器T40的定時(shí)時(shí)間為8S，當(dāng)工步啟動(dòng)時(shí)，T40開始計(jì)時(shí)，如果工步按時(shí)完成，則完成信號(hào)切斷T40的輸入，T40無輸出而無故障信號(hào)。 若工步超時(shí)限，T40輸出故障信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器Q0.0 使之顯示和報(bào)警。

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

　　這種時(shí)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(dòng)機(jī)，如果加設(shè)了時(shí)限故障檢測并采用故障檢測信號(hào)來停機(jī)，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(jí)分類及其對(duì)應(yīng)的處理方法如下：

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

　　二級(jí)故障，可能對(duì)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(bào)警，操作人員處理后，再繼續(xù)運(yùn)行程序。

　　三級(jí)故障，對(duì)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(hào)輸出模塊屏蔽錯(cuò)誤信號(hào)，同時(shí)向操作人員做聲音報(bào)警。 一段時(shí)間后，如故障仍存在，則故障升級(jí)。

　　四級(jí)故障，程序檢測到的一般性錯(cuò)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(duì)于系統(tǒng)出現(xiàn)一級(jí)、二級(jí)故障時(shí)的處理方法僅停留在對(duì)故障的檢測與報(bào)警的階段，系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)行，解決上述問題、保證系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的措施之一就是對(duì)故障結(jié)果進(jìn)行分析，采用適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)技術(shù)。

2 容錯(cuò)技術(shù)

　　容錯(cuò)是指在系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件出現(xiàn)故障時(shí)，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(yùn)行的能力。

　　容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)問題是60年代為研制高性能的飛機(jī)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(cuò)控制器的設(shè)計(jì)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(duì)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(cuò)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(duì)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(jià)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(cuò)控制的發(fā)展方向。解析冗余技術(shù)：

　　解析冗余容錯(cuò)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(shí)，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(cuò)控制大致分為兩大類：重構(gòu)容錯(cuò)控制和魯棒容錯(cuò)控制。 由于系統(tǒng)故障的多樣性和對(duì)系統(tǒng)性能的高要求，魯棒容錯(cuò)控制實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的種類有限，局限了它的應(yīng)用，下面重點(diǎn)介紹重構(gòu)容錯(cuò)控制。

　　重構(gòu)容錯(cuò)控制包括動(dòng)態(tài)故障診斷和控制器重構(gòu)兩個(gè)方面。 具體做法是利用故障診斷機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)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(diǎn)，利用某種控制器設(shè)計(jì)策略動(dòng)態(tài)地重新構(gòu)造一個(gè)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(cuò)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(jì)控制器或故障補(bǔ)償機(jī)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(jì)好的相應(yīng)的容錯(cuò)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(cuò)控制的設(shè)計(jì)方法只要實(shí)時(shí)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(jì)策略主要有極點(diǎn)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(diǎn)，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(jì)，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(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)利用信號(hào)輸出模塊屏蔽故障點(diǎn)，使系統(tǒng)帶故障運(yùn)行。

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

3 容錯(cuò)技術(shù)應(yīng)用實(shí)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(yùn)輸設(shè)備，也將成為低層建筑中的代步工具，因此對(duì)電梯故障處理的研究日漸重要。 有些電梯在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，就考慮到了故障的自處理功能。

　　本文將重點(diǎn)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(shí)，利用軟件實(shí)現(xiàn)故障診斷及容錯(cuò)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(shí)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(shí)現(xiàn)平層，該平層信號(hào)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(huì)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(jí)分類方法，此時(shí)應(yīng)為一級(jí)故障，在檢測出故障之后，系統(tǒng)應(yīng)立即停機(jī)。 但是在實(shí)際的故障檢測中，當(dāng)故障被識(shí)別后，往往轎廂位于兩層樓之間，如果這時(shí)停機(jī)，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(shí)現(xiàn)故障診斷與容錯(cuò)的設(shè)計(jì)思路如下：

　　3.1 故障檢測與分離

　　在該系統(tǒng)中，平層信號(hào)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(yùn)行時(shí)，轎廂進(jìn)入樓層，對(duì)應(yīng)的輸入寄存器置1，離開樓層時(shí)，置0，若轎廂能夠正常�？吭谥付▽�，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(yùn)行時(shí)間不超過6s，定時(shí)器T40的定時(shí)時(shí)間為8s，通過上述分析我們可以利用平層信號(hào)的下降沿信號(hào)來確定轎廂離開樓層啟動(dòng)定時(shí)器，利用相鄰樓層的平層信號(hào)的上升沿信號(hào)來確定轎廂進(jìn)入相鄰樓層切斷定時(shí)器的輸入，工作正常時(shí)，定時(shí)器沒有輸出，但是當(dāng)相鄰層的平層信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，轎廂雖然進(jìn)入樓層，由于檢測不到平層信號(hào)上升沿的到來，定時(shí)器繼續(xù)計(jì)時(shí)，直到定時(shí)器的輸出為1，同時(shí)依據(jù)前向經(jīng)過的樓層與運(yùn)行方向，即可實(shí)現(xiàn)故障樓層的識(shí)別，至此實(shí)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(cuò)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(diǎn)，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(duì)其進(jìn)行屏蔽，即通過梯形圖指令實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰樓層的自動(dòng)呼梯，控制轎廂先�？康竭\(yùn)行前方的相鄰樓層（底層與頂層除外，若底層平層信號(hào)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�？康饺龑樱�，之后系統(tǒng)繼續(xù)按正常情況運(yùn)行，同時(shí)對(duì)對(duì)應(yīng)樓層出現(xiàn)故障的次數(shù)分別進(jìn)行累計(jì)，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(jí)。

　　圖3 為中間某樓層平層信號(hào)出現(xiàn)故障后的容錯(cuò)控制策略。

圖3 容錯(cuò)控制策略 

　　經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì)之后，該一級(jí)故障就已轉(zhuǎn)化為四級(jí)故障，只需向操作人員做出相應(yīng)的指示，電梯除不能實(shí)現(xiàn)對(duì)該層的呼叫之外，并不影響其它樓層的運(yùn)行。 并且這種設(shè)計(jì)方法通過實(shí)時(shí)地檢測平層信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的早期報(bào)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(shí)，則自動(dòng)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(bào)警。

4 結(jié)束語

　　容錯(cuò)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(jì)的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了故障的檢測與容錯(cuò)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(shí)，通過充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的防范程序，是避免和減少這些故障對(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)故障診斷與帶故障運(yùn)行方法

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