通用程序中PLC故障诊断.doc

基于PLC的控制系统故障排除的通用程序
说明
本文介绍了基于PLC的控制系统通常面临的一些问题，并通过通用程序来解决。本文包括了有关电源故障、PLC内部及外部问题的故障排除的流程图。以上提到的故障排除方法是通用的，即它适用于所有基于PLC的控制系统。
经研究案例表明，基于PLC的控制系统故障排除的通用程序已得到成功的发展。
关键词：可编程逻辑控制器；故障排除；门式起重机
Ⅰ 介绍
可编程逻辑控制器（PLC）是由研究人员想出的用于代替顺序继电器电路来控制电机的设备[1]。所有的PLC基本上都由处理器、电源、I/O模块、以及相关电路、存储器、编程语言和编程设备组成（编程器或具有必要软件的计算机）。在当今时代，PLC由于它的潜在益处例如易于编程，使用灵活，可靠，尺寸紧凑以及与计算机内部交流灵活而广泛的应用于工业中[2]。
Ⅱ 基于PLC的控制系统的故障
在基于PLC的控制系统中，编程算法和布线方法是工厂安全而高效运行的关键。在不同的应用中，用于适当的设计和实施通信协议和标准的编程和软件工具在市场中都是可以获得的。编程工具能够使用由厂家提供的错误代码表确定的PLC的错误。然而，由制造商提供的信息是有限的，并不足以解决问题并且常常起误导作用。因此，我们有必要注意在可能最少的时间内用有效的策略和程序来纠正这样的错误。当一个PLC正确的接线与编程，80%以上出现在基于PLC的控制系统的问题都涉及到I/O模块和现场设备[3]。每当PLC控制的机器或过程停止时，它几乎都是一些现场设备[4]，诸如限位开关、电磁阀或跳闸的过载等导致的进程关闭。这些现场设备可以是在PLC的输入端或输出端。然而，PLC有时会失效，因此在发生故障时[4]，我们有必要首先判断问题是出现在PLC本身，还是电源、I/O口模块或者现场设备。一个切实有效的故障诊断取决于问题的定位。它可以从位于CPU和I/O模块的LED灯以及PLC软件来确定问题的所在。不当的操作环境也会显著的影响基于PLC的控制系统的性能，并可能导致故障和失灵[5]。
Ⅲ 基于PLC的控制系统的问题
一个合理编程和布线的基于PLC的控制系统的问题可能是其内部、外部或者周围环境。
A．内部问题
内部的问题是指有关PLC处理器和电源模块的问题。内部问题的可能的原因也许是电源的接地、电源、电池、电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）。
1）电源的接地
电源接地的主要问题可能在于松动、腐蚀以及由电火花引起的积碳。
2）电源
与电源有关的主要问题可能是电源电压（不在制造商指定的规定范围内），保险丝烧毁，容量低（不符合系统要求）以及直流电源中含有交流纹波。
3）电池
在停电的情况下，电池的目的是备份RAM中的程序以确保其不被丢失。电池中存在的问题可能是使用时间过久导致电压降低，必要时电池会随之老化。
4）电磁干扰（EMI）
电磁干扰可能由于如启动大电机，电弧焊或减轻等事件产生的强电场和磁场所导致的。
5）射频干扰（RFI）
射频干扰可能由发射器甚至手持无线电设备的使用而导致的。PLC的CPU模块的状态监测LED指示灯会给出一个内部问题的指示，比如“错误”、“电池”和“报警”。内部的问题可能会影响处理器和存储器，因此，可能会导致该系统的完全崩溃/失败。
B．外部问题
涉及到用于特定的输入或输出的I/O模块的问题称为外部问题。PLC的软件以及CPU和I/O的LED状态指示灯可以用于对故障进行定位，大多数情况下，该故障可能是由现场设备的问题所导致的。
C．环境问题
为了避免失败和故障，要注意基于PLC的控制系统必须在由厂家规定的工作环境中进行操作。在这种情况下，如温度、噪音、震动、灰尘、湿度以及暴露在液体和气体下的腐蚀度等因素都需要进行严格的监测。
Ⅳ 基于PLC的控制系统的故障排除
从本质上说，PLC包括电源、CPU、输入和输出模块。开关、传感器等现场设备通过输入模块将信号传送到PLC。PLC根据存储在可编程存储器中的程序将开关信号通过输出模块发送到现场设备，如螺线管、接触器等[3]。PLC模块和现场设备所产生的任何问题都有可能导致机器的和程序的停止。PLC编程器或装有相应软件的个人计算机都可以使用由制造商提供的文件和文献来确定问题的原因。虽然最新的PLC包含了给操作站和操作员的面板或人机界面提供相关故障信息的“系统消息”，但是它所提供的消息仍然是有限的，往往会起到误导作用。
为了在可能最少的时间内使系统回到正常工作状态，基于对PLC的研究和工作经验，列出如下步骤：
1）检查PLC电源的所有问题。
2）检查是否有紧急按钮按下。
3）检查PLC中CPU模块的LED状态指示灯。LED状态指示灯反映了系统的内部问题。
4）内部问题如电源，接地和干扰（EMI或RFI）可能会导致内存损坏。因此我们完全可以说，如果存储在寄存器中的程序是完好的，那么系统就不会有内部问题。
5）检查输出模块及其相关电路。输出模块及其相关电路应该在输入模块及其相关电路之前进行检查。
6）检查输入模块及其相关电路。
a）记录正常停机条件下I/O模块状态为“开”的LED指示灯，以供故障条件时参考。
b）如果故障指示灯（红色）指示“错误”，而报警和电源等没有工作，请马上检查现场设备是否有问题，它是最有可能产生故障的设备。
7）如果发现I/O模块正常工作，或者即使改变了相应的I/O模块后问题仍然存在，请检查在I/ O模块和中央处理单元（CPU）之间的通信中可能出现的所有问题。
8）将PLC内存中的程序与主程序进行匹配。
9）检查工作环境的条件和温度。基于PLC的系统必须在限定的温度以及制造商规定的环境条件下操作，以避免出现故障或失灵[7]。
上述基于PLC的控制系统的故障排除的一般方法的框图如图1所示。基于PLC的控制系统的内部和外部问题的故障排除可以有详细的流程图来表示，但为了简单起见，两个流程图由图2和图3表示。其他流程图也可以从此文本节相应的程序轮廓中退出。他们可以应用于上述提到的切实有效的故障排除的步骤序列中。
图2所示为电源故障的故障排除流程图。PLC的电源模块具有一个LED指示灯，在其“接通”并发光时，表明这个模块及其输入电源没有问题。如果不是这种情况，就必须寻找问题可能出现的原因，即可能是输入电源（缺少供给或具有纹波），布线的断裂或连接生锈，电源模块的温度过高，交流或直流接地电压非零，电压切换端子的设置不正确，功率部件超过了额定容量或电源模块的过负荷烧坏保险丝。

图1 基于PLC的控制系统故障处理步骤框图

图2 电源故障的故障排除流程图
当CPU模块的“错误/故障”的LED为开通时通常显示为红色，PLC应该关闭然后再打开，来重新设置自诊断问题。大多数时候，这种技术是非常有用的。如果问题仍然存在，应该将PLC模式切换到“编程模式”，来检查可能存在的编程错误。在这种情况下，“错误”LED将在“编程”模式关闭。如果不是这种情况，就必须检查自诊断的错误。
自诊断错误是指由PLC自身监测出来的在运行模式下由于编程错误产生的有关硬件的CPU，RAM，电池，I/O单元或者没有按照正确说明书执行的问题。对于具有重置选项的PLC，比如西门子的SIMATIC S7系列，临时性的问题可以通过保持PLC的重置位接通约15秒或关闭PLC来解决，然后如前文所述打开PLC。如果问题仍然存在，它必须通过由制造商提供的自我诊断错误表来纠正。
只要系统的“看门狗”定时器发生错误，用于报警的LED灯就会发光（红色），由此而知该异常发生在PLC的CPU中。或者当由于使用“跳转”或“循环”等指令使程序的扫描进入死循环而导致程序执行时间过长时，这样的LED灯也会发光。如果当PLC的模式由“运行”变为“编程”并关断再打开电源时， LED“报警”指示灯还会发光，则问题出现在CPU单元。如果将模式改为“编程”并关断再打开电源时LED“报警”指示灯不再发光，但将模式改为“运行”模式时，报警指示灯又再次亮起来，则问题出现在编程中，也就是说我们应该纠正“跳转”和“循环”指令的不当使用。每当在电力故障期间用于保留RAM中程序的备用电池的电压降到低于限定值时，LED“电池”指示灯就会发光，在这种情况下，就必须要更换电池。
为了切实而有效得排除故障，应该先检查由输出状态LED指示灯所指示的输出单元/设备的问题，然后再检查输入单元/设备的问题，因为问题最有可能发生在输出侧。如果问题不在输出侧，则必须对输入侧的单元/设备进行检查。无论输出单元上的LED指示器是否开通，都必须首先对它进行检查。如果他们的状态是开通，那么问题很大可能不会发生在电源上。然后应该检查输出单元的接线是否有松动、腐蚀、断线等。接下来再检查负载的电源，如果负载的电源是正常的，那问题可能存在于负载中。如果电源没有提供给负载，那么可能是输出单元存在异常，并更换输出单元。
Ⅵ 结语
如果对系统充分的理解并按照本文所提到的步骤序列和技巧，就可以基于PLC的控制系统进行切实而有效的故障排除。基于PLC的控制系统的内部问题可以通过CPU模块中的状态监测LED等进行识别，其外部问题则可以用PLC的软件和CPU/I/O模块的LED指示灯来进行本地化。大多数时候，基于PLC的控制系统故障的问题常常出现在现场设备上，比如我们所描述的75吨门式起重机。基于PLC的控制系统的运行环境必须保持在由制造商规定的范围内，以避免故障和失控。
致谢
非常感谢加齐·巴罗塔厂房项目的主管部门开展这项工作。

参考文献

[1] WAPDA Engineering Academy Faisalabad, Microprocessor and Logic Controller, Training Manual, pp. 251, revised June 2002.
[2] T. A. Hughes, Measurement and Control Basic, Instrument Society of America, pp. 289, second printing 1991.
[3] R. G. Rosandich, Trouble Shooting PLCs, EC&M, May 1996.
[4] The EDRO corporation, Series 4 programmable logic controller (APL619990587) trouble shooting guide- NSWCCD-SSES 9790, revised January 2001.
[5] SYSMAC CQM1 Programmable Controllers, OMRON, Operation Manual, section 1 pp. 5, Revised December 2000.
[6] Matsushita Electric Works Ltd. Japan, Technical Manual, NAIS FP3/FP10S programmable controller, pp. 95, ACG-M0026-3, November 1994.
[7] Contract ME-04 (Lot-IV) of Ghazi-Barotha Hydropower Project, Software of NAIS FP3 PLC based control system, for Gantry Cranes.