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PLC系统故障分类和故障诊断
毕业论文
PLC系统故障分类和故障诊断
2012年10月
PLC系统故障分类和故障诊断
摘要
可编程控制器技术已广泛应用于各控制领域，尤其是在工业生产过程控制中，它具有其它控制器无可比拟的优点，可靠性高、抗干扰能力强，在恶劣的生产环境里，仍然可以十分正常地工作。
作为PLC本身，它的故障发生率非常低，但对以PLC为核心的PLC控制系统而言，组成系统的其他外部元器件（如传感器和执行器）、外部输入信号和软件本身，都很可能发生故障，从而使整个系统发生故障，有时还会烧坏PLC，使整个系统瘫痪，造成极大的经济损失，甚至危及人的生命安全。
所以技术人员必须熟悉PLC技术,并能够熟练地诊断和排除PLC在运行中的故障。
关键词：
PLC控制系统故障诊断排除
一、PLC技术
可编程控制器（ProgrammableController）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC
二、PLC的历史及发展
1、早期的PLC（60年代末—70年代中期）
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。
这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时等。
2、中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）
在70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC得功能大大增强。
在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。
在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。
并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。
3、近期的PLC（80年代中、后期至今）
进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。
而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。
这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。
4、PLC的功能与应用
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：
4.1开关量逻辑控制
取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
4.2工业过程控制
在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
4.3运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
5、PLC的基本工作原理
5.1PLC的工作方式
PLC源于用计算机控制来取代继电接触器，所以PLC具有同通用计算机的相同之处，如具有相同基本结构和相同的指令执行原理。
但是，两者的工作方式上确有着重要的区别，不同之处体现在PLC的CPU上采用循环扫描工作方式，集中进行输入采样，集中进行输出刷新，I/O映像区分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中个结果的状态。
5.2PLC的工作扫描方式
PLC的循环扫描工作方式过程，一般包括五个阶段，内部处理与自诊断、外部进行通信处理、输入采样、用户程序执行、输出刷新。
5.3PLC的扫描周期
PLC全过程扫描一次所需的时间定为一个扫描周期。
5.4PLC扫描周期的计算
一个完整的扫描周期可由自诊时间，通信时间，扫描I/O时间和扫描用户程序时间相加。
PLC控制系统固定后，扫描周期将主要随着扫描用户程序时间的长短而增减，当机型确定后，扫描周期就确定了，扫描用户程序时间的长短将随着用户梯形图的长短而增减了。
5.5PLC同传统继电器的异同
继电器控制装置采用硬逻辑并行运算的方式，一个继电器线圈的通断，将会影响该继电器所有常开和常闭触点的动作，同触点在控制线路的位置无关。
PLC的CPU采用循环扫描的工作方式，一个软继电器线圈的通断，只会影响该继电器扫描的接点动作，但是由于CPU的运算处理的速度很高，使得从外观上看，用户程序是同时运行的。
三、PLC控制系统的组成及工作原理
PLC控制系统主要由现场控制对象设备和PLC组成。
其中PLC的组成部分包括输入部分、CPU、采样部分、输出控制和通讯部分。
输入部分包括控制面板和输入模板；采样部分包括采样控制模板、AD转换模板和传感器；CPU作为系统的核心，完成接收数据，处理数据，输出控制信号；输出部分有的系统用到DA模板，将输出信号转换为模拟量信号，经过功放驱动执行器；大多数系统直接将输出信号给输出模板，由输出模板驱动执行器工作；通讯部分由通讯模板和上位机组成。
如图1所示。
图1PLC控制系统的组成
四、PLC控制系统故障类型
1、外部设备故障
外部设备就是与实际过程直接联系的各种开关、传感器、执行机构、负载等。
这部分设备发生故障，直接影响系统的控制功能。
2、系统故障
这是影响系统运行的全局性故障。
系统故障可分为固定性故障和偶然性故障。
故障发生后，可重新启动使系统恢复正常，则可认为是偶然性故障。
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，则可认为是固定故障。
3、硬件故障
这类故障主要指系统中的模板（特别是I/O模板）损坏而造成的故障。
这类故障一般比较明显，影响局部。
4、软件故障
软件本身所包含的错误，主要是软件设计考虑不周，在执行中一旦条件满足就会引发。
在实际工程应用中，由于软件工作复杂、工作量大，因此软件错误几乎难以避免。
对于可编程控制器组成的控制系统而言，绝大部分故障属于上述四类故障。
根据这一故障分类，可以帮助分析故障发生的部位和产生的原因。
五、PLC控制系统的故障自诊断
1、PLC的自诊断测试
可编程序控制器具有极强的自诊断测试功能，在系统发生故障时要充分利用这一功能。
在进行自诊断测试时，都要使用诊断调试工具，也就是编程器。
利用系统功能进行诊断测试。
利用可编程控制器本身所具有的各种功能，自行编制软件、采取一定措施、结合具体分析确定故障原因。
2、PLC控制系统的故障自诊断
任何PLC都具有自诊断功能，当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。
一般当PLC发生异常时，首先请检查电源电压、PLC及I/O端子的螺丝和接插件是否松动，以及有无其他异常。
然后再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况，以检查PLC自身和外部有无异常。
下面以FX系列PLC为例，来说明根据LED指示灯状况以诊断PLC故障原因的方法。
2.1电源指示（[POWER]LED指示）
当向PLC基本单元供电时，基本单元表面上设置的［POWER］LED指示灯会亮。
如果电源合上但［POWER］LED指示灯不亮，请确认电源接线。
另外，若同一电源有驱动传感器等时，请确认有无负载短路或过电流。
若不是上述原因，则可能是PLC内混入导电性异物或其他异常情况，使基本单元内的保险丝熔断，此时可通过更换保险丝来解决。
2.2出错指示（【EPROR】LED闪烁）
当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等），或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时，［EPROR］LED会闪烁，
PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF。
在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导电性异物混入和高强度噪音源。
2.3出错指示（［EPROR］LED灯亮）
由于PLC内部混入导电性异物或受外部异常噪音的影响，导致CPU失控或运算周期超过200ms，则WDT出错，［EPROR］LED灯亮，PLC处于STOP，同时输出全部都变为OFF。
此时可进行断电复位，若PLC恢复正常，请检查一下有无异常噪音发生源和导电性异物混入的情况。
另外，请检查PLC的接地是否符合要求。
2.4输入指示
不管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。
如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因，容易产生接触不良。
当输入开关与LED灯亮用电阻并联时，即使输入开关OFF但并联电路仍导通，仍可对PLC进行输入。
如果使用光传感器等输入设备，由于发光／受光部位粘有污垢等，引起灵敏度变化，有可能不能完全进入“ON”状态。
在比PLC运算周期短的时间内，不能接收到ON和OFF的输入。
如果在输入端子上外加不同的电压时，会损坏输入回路。
2.5输出指示
不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等，引起继电器输出接点粘合，或接点接触面不好导致接触不良。
六、PLC控制系统故障分布和分层排除
PLC控制系统大多数故障95％在外设，仅有5％发生在PLC本身。
故维修系统的注意力应该首先集中在外部设备而在5％的PLC故障中，控制器内的故障只占10%，90％发生在I/O模板中。
故障发生时，首先定位故障发生在PLC内部还是外部（第一层）；是在I/O回路还是在控制器内部（第二层）；是PLC硬件故障还是软件故障（第三层）。
1、第一层故障
利用PLC输入、输出指示灯判断第一层故障。
指示灯亮与否是一个有效而又直观的检查和发现故障的手段。
外设故障一般发生在继电器、接触器；阀门、闸板；开关、限位开关、安全保护、就地和远控转换开关；接线盒、接线端子、螺栓螺母处；传感器、仪表；电源、地线和信号线的噪音等等，排除比较容易。
2、第二层故障
利用上位监控系统（monitor）功能判断第二层故障。
利用上位监控机在线监控状态，通过梯形图进行监控。
如软触点显示不同的颜色代表不同的状态。
查找输入元件Xo，若为on表明输入信号已送入第二层控制器，然后查找输出元件Yo，若其状态为on表明输出信号已在控制器内的寄存器中形成。
如果输入输出的某端口坏了，可以利用冗余端口，将程序稍作改动，就可以恢复正常运行。
3、第三层故障
通过故障现象分析诊断PLC第三层故障。
控制器内部电路实际上是一个单片机或单片机系统。
若应用程序有误（如删改）可以重新输入备份程序。
若不正常，可以编制一个简单的试验程序插入原程序之前，单独运行。
如果所有分路都有故障，则故障可能在编码控制单元，应仔细检查相关电路及元件，必要时替换之；如果仅仅是某一组分路都有故障，则可能是某一块锁存器芯片已损坏；更换之。
判断控制器内CPU是否出现故障，可以将CPU主板中锉电池取出，用短接线在CPU与电池正、负极连接处短接放电，从而用户程序消失，然后再接好铿电池。
再通过编程器，将一个仅有一个语句的用户软件传输到CPU，这个程序仅有一个，“END”语句。
断开所有的外部I/O控制与扫描、通信等，对CPU进行冷态启动，如果冷态启动仍然失败，只能说明包括CPU在内的主机箱系统的硬件需要再检查。
当冷态启动正常时，说明主机系统没有故障。
七、结束语
通过PLC自身的故障诊断系统,用户可以有针对性的进行软件、硬件处理;用户可以通过自己的报警系统,在系统发生故障前提示操作人员,排除可能发生故障的因素,这些都可以提高系统可靠性。
本文从故障诊断技术的角度对提高系统的可靠性进行分析,但是系统的可靠性,抗干扰能力,自恢复、诊断能力等是一个复杂的问题,必须综合考虑。
参考文献
[1]刘美俊.PLC在全自动液压压砖机中的应用[J].电气传动自动化,2001,（4）.
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西安交通大学出版社,1998.
[4]FX系列编程手册（合并版）[Z].日本三菱公司,1997.
[5]王兆义.可编程序控制器教程[M].北京:
机械工业出版社,1992.
机电工程系毕业（论文）答辩（评审）结论
姓名
张新闯
性别
男
籍贯
吉林省长春市
专业
班级
机电1002班
出生
年月
1991、06
指导
老师
郑媛
指导老师意见：
签名：
年月日
答辩委员会意见：
签名：
年月日
机电工程系意见：
签名：
年月日
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