PLC控制系统的故障诊断技术

一、引言

近年来，随着PLC控制器的不断更新，其性能要求也在不断提高，面对新的要求，PLC可控编程系统的故障诊断技术也需要不断完善，尤其是面对新设备时，准确的判断故障并进行有效的控制对于工业生产活动有着重要的意义。

二、控制系统的结构及故障诊断的任务

（一）控制系统的结构及故障类型

PLC控制系统由一下几部分组成，主要是被控对象、传感器、控制器和执行器四部分组成，而这四部分当中又分为电子、机械、软件和其它的因素，是具有典型性的系统结构。针对于控制系统的结构，那么在组成控制系统的所有环节中都有可能发生故障，但是从整体上可以分为一下三个类型：分别是被控制对象故障，即在被控制对象中的一个子设备不能良好的发挥其功能；仪表故障，即控制系统的传感器、执行器和计算机的相关接口发生故障；计算机软件，即包括计算机诊断程序和控制算法程序在内的软件发生故障。

（二）故障诊断的任务

实现控制系统的故障诊断任务，可以按照由低级到高级，从简单到复杂的程序进行故障的发现，一般从以下四个方面进行完成：1、故障建模。具体指按照先验信息和输入输出之间的关系，逐步建立系统故障的数学模型，将此作为故障检测和诊断的依据。2、故障检测。故障检测可以从可测或者不可测的估计变量中，去努力判断运行的系统是否会发生故障，如果系统发生问题，就会发出相应的警报。3、故障的分离。当系统发生故障的时候，首选要给出故障源头的位置，进而区别故障原因到底来自执行器、传感器还是被控对象。4、故障分类、评价和决策。当准确判断故障之后，要深入分析故障存在的严重程度、还有就是系统的影响和发展的趋势，通过不同的情况来进一步采取不同的措施。

三、PLC控制系统的故障分布

对于控制系统故障的早期诊断对于工业生产有着重要的意义，为了缩短早期故障期，进一步延长随机故障期，推迟耗损故障期的到来，我们一般会采用的方法，在体统设计伊始就采取一定的措施，在耗损故障期到来之前，首先更换进入耗损期故障的元器件。当然，为了更好的找到故障的位置，做好上述工作，首先对于故障分布的部位进行相当的熟悉。故障的分布一般如下：

（一）外部故障

控制系统的外部故障具体指在实际工作过程中直接联系的各种开关、执行机构、传感器和负载等设备。这部分设备发生故障的时候，一般会直接影响系统的相关控制功能，产生故障的原因一般是设备本身存在质量问题或者是设别寿命的原因。

（二）系统故障

系统故障是系统运行的全局性故障。系统故障分为固定性故障和偶然性故障。偶然性故障指故障发生后，可重新启动使系统恢复正常；定性故障指的是故障发生后，重新启动不能恢复而需要更换硬件或软件，系统才能恢复正常。固定性故障一般由系统设计不当或系统运行年数较长所致。

（三）硬件故障

在控制系统中硬件故障主要指系统的模板损坏而带来的故障问题，这种故障一般情况下表现明显，而且影响起来也是局部，导致这种问题的原因是设备在使用过程中使用时间较长，模板的元件老化而造成的。

（四）软件故障

软件故障是软件本身所包含的错误所引起的，主要是软件设计考虑不周，在招待中一旦条件满足就会引发。图1列出了PLC控制系统的故障分布情况。由图2中知, 在系统总故障中，只有5% 的故障发生在PLC中，这说明PLC本身的可靠性远远高于外部设备的可靠性。PLC的5%故障中，90%的故障发生在FO模板中，只有10% 的故障发生在控制器中，也就是说，发生在PLC的CPU、存储器、系统总线和电源中的故障只占系统全部故障的5% ，而发生在FO模板中的故障也只占系统全部故障的5%。

四、PLC控制系统常见故障诊断方法

（一）PLC 控制系统故障的宏观诊断

故障的宏观诊断就是根据经验，参照发生故障的环境和现象来确定故障的部位和原因。PLC 控制系统的故障宏观诊断方法如下：

1、是否为使用不当引起的故障，如属于这类故障，则根据使用情况可初步判断出故障类型、发生部位。常见的使用不当包括供电电源故障、端子接线故障、模板安装故障、现场操作故障等。

2、如果不是使用故障，则可能是偶然性故障或系统运行时间较长所引发的故障。对于这类故障可按PLC 的故障分布，依次检查、判断故障。首先检查与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载是否有故障；然后检查PLC 的I/O 模板是否有故障；最后检查PLC 的CPU 是否有故障。

3、采取上述步骤还检查不出故障部位和原因，则可能是系统设计错误，此时要重新检查系统设计，包括硬件设计和软件设计。

（二）PLC 控制系统故障的微观诊断

1、电源故障

PLC 最容易发生故障的地方一般在电源系统和系统总线。电源在连续工作中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。PLC 的电源输入前端应加隔离变压器，某些场合，可同时采用加隔离变压器和低通滤波器的方法，抑制来自电网的干扰与冲击。变压器二次连接线应采用双绞线，同时加装降温措施，并定期除尘。系统总线的损坏主要出现在模块式PLC 上。模块式PLC 多为插件结构，经常插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏。在环境温度、湿度的影响下，总线印刷线路的老化、接触点的氧化等都是系统总线损坏的原因。所以在系统设计和处理系统故障时，要考虑到空气、尘埃、腐蚀等因素对设备的破坏。外界环境干扰也是造成PLC 系统故障的重要原因，因此电源、传感器、仪表等布线应尽量与动力电缆分开敷设， 特别要远离高干扰的变频器输出电缆，并将PLC 规范接地。如果硬件上不能抑制干扰，也可以借助软件编程，如利用PLC 软元件里的定时器、计数器、辅助继电器等。

2、CPU故障处理

CPU故障的主要表现是CPU单元停机或者是RUN_LED灯不亮。这种现象的产生是由以下几个原因造成的：一是噪声干扰，电源异常无法正常工作。二是CPU控制程序出现错误或者是丢失。三是CPU内部总线上的电元器件产生故障或者是总线线路产生故障。四是微处理故障。针对CPU故障的处理，首先要根据新疆地区PLC控制的实际情况来分析故障原因。如果是噪声干扰造成的故障，则需要重启CPU或者是重新上电。如果控制程序出现了错误，就是要及时修改或者是重新装载程序。当内部总线出现问题，处理的措施一般都是要更换故障单元或者是要重新布置线路。微处理故障是核心故障，出现这种故障就要更换CPU了。

3、输入输出故障

输入输出故障可以从两个角度来考率。一是输入故障。二是输出故障。把两者分开来予以论述。输入故障。输入故障的主要表现是PLC控制器运行过程中出现的输入全部不接通，输入断电、关断等现象。针对输入故障的处理，如果是断电了的话，要检查回路，如果是回路问题要及时修改回路。输入全部不接通有可能是电压过低造成的，这时就要输入额定电压。输出故障的表现是整个模块输出不接通或者是整个模块全部不关断等现象。针对这些现象的处理，要根据故障原因的不同来分别处理。

五、结束语

总之，PLC控制系统不是零散的存在，而是一个完整的系统，因此在考虑故障诊断时也要综合各种因素，从不同角度进行深入分析，只有熟练的运用PLC控制系统自身的诊断功能，及其编程软件的在线监控等多方面的技术手段，才能准确的掌握故障诊断信息，进而进行有效的诊断，从而降低故障诊断失误而造成的损失，提高工业生产的效率。