PLC控制系统故障自诊断以及人性化安全设计
日期：2009-5-30 9:05:00 来源：本站整理
点击： 作者：uepson
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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。
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1 引言
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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。
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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。
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2 人性化安全程序设计
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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。
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3 故障自诊断
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3.1 位置传感器的故障判断
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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。
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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。
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图1 检测位置开关的故障程序
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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。
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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。
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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。
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图2 检测模拟量位置传感器故障程序
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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。
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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。
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3.2 电磁阀和缸的故障判断
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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。
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图3 电磁阀和缸的故障程序
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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。
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E回路:气缸退回时电磁阀下电(下降沿)脉冲。
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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。
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3.3 泵电机故障判断
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图4 泵电机故障判断程序
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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。
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C回路:泵电机过载故障
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接触器反馈接点——接触器的辅助接点接入PLC的一个输入点;
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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。
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4 故障显示
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