使用PLC改造繼電器控制線路的故障診斷設計

摘要：使用PLC改造繼電接觸器線路，可以使系統的電氣接線及開關接點減少到數百甚至數千分之一，具有良好的效果。除此之外，在PLC程序的設計上，用戶可以為外圍器件編寫故障自診斷程序用以保護系統中除PLC以外的電路及設備。這樣，整個控制系統的可靠性就得到很大的提高。

關鍵詞：PLC 繼電器控制線路 故障診斷

0 引言

在PLC出現之前，繼電控制器在工業控制領域中一直占主導地位，從1836年繼電器出現開始，人們就開始用導線將它同開關器件有效地結合，構成各種不同用途的順序控制或邏輯控制。但是，繼電接觸器控制這種傳統的方式存在很多缺點，其一是由于繼電器控制系統是靠硬連線邏輯構成的，接線較為復雜，原有的接線和控制柜必須隨著生產工藝或控制要求的變化而更換，其通用性和靈活性較差；此外，繼電接觸器控制還存在功能較少、可靠性不強、體積大等缺點，難以實現復雜的控制；第三，繼電器自身存在的一些特點也導致了其在識別元件故障方面的能力較弱。

PLC由于具有較強的抗干擾能、較高的可靠性，同時具備編程簡單、控制程序可變、使用方便、功能強、體積小等特點，被廣泛應用，成為現代工業的三大支柱之一。為了提高工業設備的工作效率、使控制系統更加可靠，人們采用PLC改造繼電接觸器控制系統，并且也取得了良好的效果，在采用PLC改造原有繼電器控制的機電設備時，需要注意在考慮完成系統工作所需要的控制功能的同時也要考慮和控制系統內電氣元件本身故障的自動識別和處理，即自我診斷和調節的問題。

1 采用PLC對繼電接觸器控制系統進行改造的方法

利用PLC對繼電接觸器控制系統進行改造，在簡化電氣線路方面產生了巨大的作用，要完成PLC改造，必須確定整個系統的控制規模和輸入輸出設備總數；選擇PLC機型；進行硬件設計和軟件設計；然后進行系統調試。

1.1 PLC的選型 選擇適當型號的PLC，要注意能滿足控制要求，這是設備改造非常重要和關鍵的一個步驟。PLC種類繁多，選擇PLC型號要綜合考慮設備的控制要求、PLC的功能、存儲容量、I/O點數等因素，同時還需要結合安全性能、維修方法、性能價格比等，但大多數選擇的都是小型整體式PLC。在確定PLC輸入、輸出點時，I/O點數選擇需要留一定的、恰當的余量，在選擇PLC存儲容量的過程中，如果系統需要進行大量數據處理或有模擬量信號，容量應大些。選擇PLC輸出口的輸出類型時，則應根據輸出設備的性質來確定，交流或直流輸出設備可選用繼電器輸出，其優點是耐壓高，帶載重，缺點是反應慢；直流輸出設備可選用晶體管輸出，其優點是反應快，缺點是耐壓低、帶載輕；交流輸出設備可選用晶閘管輸出，其有點是反應快、帶載重，但晶閘管也存在一定的局限性，其只適用于交流輸出設備。

1.2 系統的硬件設計 PLC外部設備的設計稱為硬件設計。它是將開關、繼電器觸點、按鈕、接觸器輔助觸點這些控制電路不可或缺的元件連到PLC的輸入端口，并確定各個觸點相對應的輸入地址；將繼電器線圈、接觸器線圈、電磁閥線圈、指示燈、照明燈等負載元件連接到輸出端口，并建立輸入、輸出地址分配表（I/O表），各端口地址將成為進行邏輯程序運算的重要邏輯量。

1.3 程序設計 在選擇了PLC的機型和連接好硬件設備之后，為了明確各個輸出端口在得電、斷電時的邏輯條件，從而達到控制各輸出端口相應耗能元件相應情況的目的，還需要編寫控制程序。編寫控制程序時需要結合原來繼電器控制線路中存在的邏輯關系，此外還需以設備相應的控制要求作為依據，這樣才能使編寫程序滿足PLC在運行時能夠采集到各個輸入端口的狀態，進而根據程序進行運算。最終實現對各個輸出端口的控制，使與輸出端口相連接的各個線圈得電或者斷電，進而控制液壓系統、電動機和其他電氣元件的工作。

1.4 系統調試 系統調試分為兩個階段：第一階段為模擬調試，第二階段為聯機調試。這兩個階段不僅關系到控制系統設計的成敗，也關系到設備和人身安全。系統調試就是系統糾錯，在進行系統調試時，要做好調試記錄，及時更改不合理或錯誤的程序或電路。

2 當PLC出現外部故障時的自診斷設計

根據大量工程實踐情況發現，與PLC本身的故障率相比，PLC的諸如限位開關、接觸器等外部元件的故障率通常情況下會更高，與此同時，當這些元件故障發生之時，PLC一般情況下不會當即自動停機，這種情況極易導致故障擴大，直到強電保護裝置起作用才被迫停機，這可能會造成設備和人身事故，是極為危險的。同時，這樣也會造成大量時間的浪費，效率低下，因為在PLC停機之后，查找故障的原因需要花費非常多的時間。為了提高發現故障的有效性和及時性，使PLC自動停機和報警以免在造成事故，另一方面，也為了提高查找故障原因速度，提高維修的精確度和降低維修時間，還需要在軟件中設計故障檢測程序，實現PLC程序在發生故障時可以進行自診斷和自處理。

2.1 運行時間故障檢測法 沒有“看門狗”指令的PLC可以設計“超節拍保護程序”，控制系統中各道工序都有其嚴格的運行的時間規定，因此可以利用這些時間作為參數進行故障檢測。具體做法是可以在對某一道工序進行檢測時，在啟動這一到工序的同時設定一個定時器，觀察該工序的運行時間，并將其與預期運行時間進行比較。一般情況下，檢測工序在運行的定時器設定的時間值要比正常運行完成此道工序所需要的時間多，一般可以設定超出正常時間的百分之二十至百分之二十五的范圍，檢測工序運行完成，若動作時間比規定時間長，并且在達到對應的定時器預置時間還沒有轉入下一道工序，那么就說明能說明故障，定時器則就會發出延時接通的常開觸點的故障信號，同時停止正常工作循環程序，并啟動報警及故障顯示程序，提醒并保證操作人員和維修人員可以快速地判斷故障的種類及造成故障的原因，在第一時間采取措施消除故障。

圖1中M10.0、M10.1、M10.2分別為第一、第二和第三工序啟動信號，T1、T2分別為第一和第二工序檢測時間，若T1或T2接通則表示第一工序轉第二工序或第二工序轉第三工序出現故障，則接通M50.0，由M50.0控制斷開正常工作程序，同時啟動故障顯示或報警程序。I0.0為循環啟動信號。此程序雖然不能確定是何種故障原因，但能有效地控制故障的繼續發生。

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2.2 邏輯異常故障檢測診斷法 在正常情況下，PLC控制系統中的各個輸入信號和輸出信號與內部繼電器的信號之間存在一定的邏輯關系，當輸入元器件發生故障時，就會打亂這種邏輯關系，造成邏輯錯誤，控制系統將不能按原設計的要求進行正常工作。因此，可以事先編好一些常見故障的異常邏輯程序加進用戶程序中，一旦故障發生，這種邏輯狀態為1，即可將異常邏輯關系的狀態輸出作為故障信號，實現報警、停機等控制。

圖2所示為行程開關故障檢測診斷程序。某機械運動過程時，檢測3個行程開關I2.1（起點）、I2.2（快進終點）、I2.3（工進終點）是否正常的程序。Q1.0、Q1.1、Q1.2表示快進、工進、快退三個工作狀態。在這三種工作狀態中的任何種來說，快進、工進、快退這3個行程開關中的任意2個都不允許同時閉合，一旦出現任意兩個開關同時閉合的情況，報警就會輸出Q2.0接通，警告其中發生了某個行程開關失靈，需要進行停機檢查以防止故障影響進一步擴大。

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圖3所示為電機啟動、停止控制電路。停止按鈕SB2采用常閉觸點，如果出現按鈕故障、線頭脫落或老鼠咬斷線路時，輸入繼電器I0.2無法通電，當按下啟動按鈕SB1時，Q0.0不能接通。這樣除了能夠完成正常的停機操作功能以外，還可以保證在線路故障時，不會出現電機啟動后無法停機的現象，確保電機的運行安全。因此，在控制電路中，停止按鈕、急停按鈕等往往使用常閉按鈕。

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2.3 基于反饋的檢測診斷法 設備在進行PLC改造時，為了節約輸入點數，往往只根據系統控制的需要，接入最必需的外部輸入元器件觸點，這嚴重影響了系統的可靠性。因此為了提高系統的可靠性，可以嘗試把部分非常重要的接觸器的常開觸點接到PLC的輸入點上，并在軟件部分加上相應的檢測判斷程序，以實現接觸器的熔焊、卡殼和線圈斷線故障的檢測。

2.4 模擬信號異常情況下的故障診斷 基于PLC控制系統具備模擬量的處理功能，在改造控制系統PCL的過程中，可以考慮對一些比較重要的能反映設備工作狀態的參數選用相應的傳感器或變送器與PLC的專用A/D模塊，這些參數如液壓系統的壓力、流量，重要部件的溫度、振動等；同時，需要對設備工作參數進行實時檢測，通過與極限要求值進行比較來判斷設備的工作狀態是否正常，如果不正常，則可以進行顯示、報警或者停機等處理。

3 結語

繼電器解除控制系統存在很多缺陷，只有對其進行改造才能滿足需求，而選擇采用PLC進行具有很多優點。首先，通過程序實現器件的“軟連接”，節約了打量的電氣元件、導線等材料；其次，減少了硬件接線的工作量，極大地縮短設計周期；第三，PLC控制系統便于進行運行監控、檢查和排除故障，在很大程度上減少了平時維護的工作量；第四，是控制系統的可靠性和抗干擾能力得到了提高了，降低了故障率。

在對PLC進行改造的過程中，為提升設備的工作效率，提高系統的可靠性，改善設備的自動化程度，僅僅完成主要的控制要求設計還是不夠的，還需要對PLC程序控制的諸多功能特點加以利用。

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作者簡介：廖雄燕（1975-），女，廣西天等人，講師，研究方向為自動控制。