基于PLC和HMI的船舶環境控制系統故障診斷方法研究及應用

萬濤 張海艷

摘要：故障診斷是自動控制系統設計的重要組成部分，故障檢測和診斷技術的應用對于提高控制系統的可靠性、維修性和有效性具有十分重要的意義。PLC和HMI作為被廣泛使用的核心控制部件，一直被重點關注于其在性能、產品自身可靠性、易用性和易擴展性方面的優點，較少涉及到其在提升系統故障診斷能力方面的應用。如何在滿足系統功能和性能指標的基礎上，進一步提升控制系統的故障診斷能力，是設計人員在產品后續改進優化過程中需要面臨的問題。以船舶環境控制系統為例，為了實現系統故障診斷功能，從系統的工作原理和控制流程出發，介紹了幾種較為常用的基于PLC和HMI的故障診斷方法，給出了詳細的設計思路和設計結果，此類方法具有一定的實用性和借鑒意義。

關鍵詞：故障診斷;PLC;HMI

中圖分類號：TP39;TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022） 02-0085-05

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，自動控制技術在現代艦船設計中發揮著越來越重要的作用。系統自動化水平的日益提高、復雜程度不斷加大，直接導致了對可靠性、可維修性和有效性提出了更高的要求。與此同時，自動化復雜度的提高，系統故障出現的可能性也相應增加。若不能及檢測系統故障，進而采取排除或隔離措施，將會對系統的正常運行產生不利影響，嚴重時甚至導致整個系統的失效、癱瘓，引起災難性的后果。

通常控制系統因故障停機的時間80%以上是用于故障診斷，實際用于處理故障的時間只占用不到20%。因此，在故障發生時準確、迅速甚至是提前進行故障診斷，變得尤為重要[1]。

故障定義為使系統表現出不希望特性的任何異常現象，或動態系統中部分元器件功能失效而導致整個系統性能惡化的情況或事件[2]。故障的分類可從不同的方面進行[3]，從故障發生的部位來看，可分為儀表故障、執行器故障和元件故障;根據故障的性質，可分為突變故障和緩慢故障;從建模角度可分為乘性故障和加性故障。當系統發生故障時，系統中的各種量（可測或不可測的）或它們的一部分表現出與正常狀態不同的特征，這種差異包含豐富的故障信息，故障診斷的任務就是找到這種故障的特征描述，并利用它來進行故障的檢測隔離。故障診斷包括特征提取、故障的分離與估計和故障評價與決策等幾方面的內容。

故障診斷方法，一般可分為硬件冗余方法和軟件冗余方法。硬件冗余方法其基本原理簡單，就是對可能故障的部分進行一定的冗余備份，然后通過表決器方法來管理，根據重要程度可分為雙冗余備份、三冗余或四冗余，這種方法的優點是原理及設計簡單，但是由于需要增加測試設備，而使系統更加復雜、成本高，所需的占用的空間也會增大[4]，所以一般采取軟件冗余方法。軟件冗余方法根據系統采用的特征描述和決策方法的不同，形成了兩大類故障診斷方法，即依賴于模型的故障診斷方法和不依賴于模型的故障診斷方法。

依賴于模型的故障診斷技術的思想是用解析冗余取代硬件冗余，包括：（1）基于狀態估計的方法;（2）基于參數估計的方法。

不依賴于模型的方法又可分為基于信號處理的診斷方法和基于知識的診斷方、法[5]，包括：（1）基于直接可測信號的故障診斷方法;（2）基于人工智能（專家系統、故障樹、模式識別、模糊數學和人工神經網絡）的故障診斷方法。

眾所周知，采取了雙備份或多備份的硬件冗余雖然在一定程度上提高了系統的可靠性，但勢必會增加系統的復雜性和成本，同時也增加了故障發生機率。基于數學模型的解析冗余方法，技術已經比較成熟，它適用于能夠確定其數學模型的物理對象，目前已經廣泛地應用在航空航天、核電和工業生產控制領域。故障診斷方法很多，選擇哪種方法適合特定的控制系統是設計人員在進行故障診斷研究和設計時面臨的一個問題。故障診斷是為容錯控制服務的、容錯控制是故障診斷的延伸和實施。兩者相輔相成，其目的都是為了提高系統的可靠性。本文以船舶環境控制系統為例，介紹幾種基于PLC和人機界面相結合的故障診斷方法。

1 PLC控制系統故障診斷

可編程控制器（簡稱“PLC”）作為一種在可靠性和通用性方面均優于單片機的新一代控制器，已被廣泛應用于各行各業。它具有強大的運算和處理能力、使用方便靈活，并具有較高的穩定性和可靠性，可以很好地滿足工業控制領域和現代船舶自動化程度的要求。其高可靠性體現在硬件采取了隔離、濾波、屏蔽和接地等一系列抗干擾措施，軟件采取了數字濾波、指令復執、差錯校驗等措施。然而，在這些常用功能以外，人們往往忽略了PLC提供的強大的故障診斷功能，利用PLC獨特的故障診斷技術對事故后的故障排查、系統恢復能起到重要的作用[6]。

在控制領域，人機界面（HMI）是包含硬件和軟件的人機交互設備，硬件部分是替代傳統鼠標、鍵盤和數碼顯示等功能，安裝在設備正面的顯示和輸入設備;軟件部分則是采用通用或專用的畫面組態工具進行二次開發的應用界面程序。一般情況下HMI與PLC配合使用，以發揮其特有的人機交互功能。

PLC控制系統的故障可分為PLC故障和控制系統故障兩大類。PLC故障又分為外部設備故障、硬件故障和軟件故障[7]，其中硬件故障是指以PLC為主的包括CPU模塊、電源模塊、信號功能模塊（DI/DO、AI/AO模塊）、通訊模塊、擴展模塊等控制器部件發生的故障，屬于控制器內部故障。控制系統故障是指PLC故障以外的其他故障，包括控制系統內傳感器故障、執行器和其他電氣線路等故障。PLC故障一般可分為：I/O錯誤、硬件錯誤、電源錯誤、中斷錯誤、程序錯誤等。一般情況下，在確保PLC硬件完好、抗干擾措施得當、程序代碼編制正確、供電電源正常、外部接口信號輸入正常的情況下，可以避免發生PLC故障，即PLC可以正常運行。一旦發生PLC故障，最主要的表現形式為：PLC無法啟動或程序運行中斷，此時PLC故障指示燈被點亮。在發生故障的瞬間，PLC可自行診斷出故障類別，并且提供用戶可查詢的相應故障代碼，以指導用戶解決故障。

除了PLC自身的故障，用戶更關心的是系統內的其他故障，該類故障的診斷方法PLC制造商雖未提供專門的解決方案，但是通過設計者對系統的分析，并結合PLC提供的強大運算處理能力，可實現多種故障診斷方法，

PLC故障診斷技術的應用前景有幾個方面內容：開發PLC控制系統故障診斷專家系統，基于人工神經網絡的PLC控制系統故障診斷技術，實現遠程監控、報警聯動、視頻監視系統等。目前，大多數的故障診斷專家系統是讀取PLC中的輸入輸出（I/O）及各種中間狀態信息，進行故障推理和診斷[4]。基于人工神經網絡的PLC診斷技術是目前較為前沿的診斷技術，但是實際應用效率低[8]。

以下結合在PLC控制系統中的實際應用，介紹幾種較為常用的PLC故障診斷方法。

（1）基于PLC系統輸入輸出信號的診斷方法

基于PLC系統的輸入、輸出信號的診斷方法是一種常用的故障判別手段，同時也能起到監視、報警和保護作用。它根據采集到由傳感器發送的系統參數值進行有效性和越限判斷，直接用于越限報警和停機保護。該診斷方法需要與人機界面配合使用，以方便觀察和提示。

（2）基于運行邏輯的故障診斷方法

PLC控制流程一旦確定，系統內的各個輸入、輸出和臨時狀態信號，相互之間必然存在一定的邏輯關系，可根據輸入信號的邏輯關系判斷故障的發生。例如，閥門執行機構的開到位和關到位信號，兩者不能同時為1（定義1為“到位”狀態），若一旦發生兩個狀態位信號同為1時，可判斷閥門執行機構故障（至少可以判斷為“到位”狀態輸出信號錯誤）。

（3）基于時間超限的故障診斷方法

在PLC控制流程中，可根據系統的輸入、輸出和臨時狀態信號的時序關系判斷故障的發生。該方法適合具有因果和時間順序關系的過程控制系統，且對于輸入信號的數量有一定要求，要求輸入信號能正確反映動作的執行狀態。例如：輸出電機的執行信號后，必須立即得到電機的運行狀態信號（通常該信號取自電機控制接觸器的輔助觸點），否則可判斷電機故障;處于關閉狀態的閥門，在得到開啟控制信號后，在固定的時間內閥門狀態反饋信號必須是由“全關”一“開啟中”一“全開”，一旦超出固定的執行時間未得到全開信號，可判斷閥門故障（閥門被卡或反饋狀態信號錯誤等）。

（4）基于人為操作的故障診斷方法

控制系統尤其是過程控制系統中的一些關鍵部件的啟停動作，相互之間可能存在一定的關聯性和操作原則，違反或者顛倒這些操作規則，會造成設備損壞等嚴重的后果。為了避免事故的發生，除了從執行器的硬件配置上增加必要的聯鎖保護手段外，需要人為的從軟件上采取一定的防誤操診斷措施。當不具備執行條件時，一方面禁止控制指令的發出，另一方面還可以通過彈出友好的人機界面對話框或圖像等方式，提醒或警告使用者，及時糾正錯誤。

（5）基于專家系統的故障診斷方法

由于控制系統中可能發生的故障種類很多，采用基于數學解析和以上方法很難對整個控制系統進行良好的控制。有些故障的發生很難用特定的數學模型或特定的故障模式去判定，這些故障具有不可預測性的模糊性，對于這種復雜系統的故障診斷，利用基于專家系統的故障診斷方法可以很好地解決。基于專家系統的故障診斷方法是將專家系統應用到故障診斷中去，從而利用領域知識和專家經驗提高故障診斷的效率[9]。例如系統在運行過程中，如果某一時刻發生故障，該領域的專家往往可以憑借經驗和直覺（視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等）或系統狀態參數得到一些客觀事實，并根據對系統結構和故障歷史的深刻了解迅速做出判斷，確定故障的原因和部位。這種基于專家系統的故障診斷的實施需要借助一定的數據庫工具，建立特定系統的專家知識庫和模糊模型，并綜合應用各種規則進行一系列的推理，最終得出最大可能的故障原因。

2 PLC故障診斷方法具體應用

船舶環境控制系統是針對人員活動比較密集、空間相對狹窄、環境比較惡劣的船舶艙室實施的環境自動化監控措施。通過對相關執行機構的自動和手動控制，維持環境參數在一定的范圍內，提高船員的生命力和戰斗力是控制系統的主要功能之一。

該項目中選用了目前廣泛應用的西門子公司的S7（1500和1200）系列可編程控制器和MP系列移動可觸摸面板相結合的控制系統[10]。在實現基本功能和性能的基礎上，為了提高控制系統的故障診斷能力，利用了與PLC和HMI相匹配的專用開發工具-TIA博圖軟件，采取了多種故障診斷措施，下面以艙室凈化系統為例進行說明。

艙室凈化系統自動控制流程如圖1所示，主要功能是通過控制相關設備（風機和凈化裝置）的啟停，降低空氣中的有害氣體濃度。系統檢測信號配置詳見表1，遵循如下運行原則：（1）凈化系統不工作時，2臺電動風閥必須同時保持關閉，以延長凈化裝置使用壽命;（2）凈化系統啟動時，必須先打開2臺電動風閥（開到位后），再啟動風機，以保持管道暢通;（3）停止凈化系統時，必須先停止風機，再關閉電動風閥;（4）電動風閥設置全開和全關狀態檢測，轉換時間約40 s左右。凈化系統在運行過程中必須遵循以上工作原則，否則會影響系統功能的實現，甚至造成一定的設備損壞。

2.1 越限參數故障報警診斷

首先，對有害氣體濃度AI-1進行越限檢測。一旦越限，控制設備立即發出聲、光報警，必要時在人機界面上彈出故障報警畫面，操作人員確認故障信號后，在入機界面上點擊進入故障診斷畫面，畫面中對故障名稱、故障時間、故障發生時刻值都進行了保存顯示。該功能提供了操作人員較詳細的故障報警信息，如圖2所示。

2.2 運行邏輯判斷

在凈化系統控制流程中，PLC提供檢測1#電動風閥和2#電動風閥的開到位（10.0、10.2）和關到位（10.1、10.3）狀態信號。理論上講，“開到位”和“關到位”這兩個信號不能同時被檢測到為1，即：同一個閥不可能同時開和關。如圖3所示，一旦被檢測到這兩個信號（10.0、10.1）同時接通（程序中置1），則輸出故障信號（M0.0），判定為輸入信號錯誤或位置傳感器故障。

此外，系統中PLC還檢測風機的運行狀態信號（10.4）。理論上講，PLC輸出風機控制信號（即：Q0.4=1）后，風機應立即反饋狀態信號（即10.4=1）至PLC。在PLC的程序中，10.4的狀態應該以毫秒級的速度跟隨Q0.4的狀態。一旦發生兩個狀態不一致的情況，基本上可以判斷為風機電氣控制部分故障。

2.3 時間超限判斷

在凈化系統控制過程中，1#、2#電動風閥執行從“全開（或全關）”到“全關（或全開）”的過程需要一定的時間。在啟動過程中，只有閥開到位后風機才能運行;在停止過程中，只有閥關到位了風機才能停止。一旦閥超過了固定的時間，而未達到預想的狀態，就不能進入到下一個工序。如圖4所示，在PLC程序中，針對閥的啟停控制，可以使用一個（接通延時）定時器，從閥開始動作時啟動定時器，以超過閥動作時間30% -40%的定時值計時，在完成定時后，仍未檢測到閥到位信號（開到位或關到位），輸出故障信號（M0.1），判斷為閥出現故障（執行機構卡死或位置傳感器故障）。

2.4 人為誤操作信息提示

如圖5所示，在進行人為手動啟動凈化系統時，必須1#、2#全部開到位后（即10.0=1且10.1=1），才能啟動風機（按下啟動風機按鈕11.0=1），否則，輸出故障信號（M0.2），彈出如圖6所示的誤操診斷提示對話框。

2.5 故障診斷人機界面

PLC與HMI相結合的診斷方法的軟件實現分為兩部分，一是PLC程序，用于對系統輸入、輸出和中間過程狀態信號進行相應的時序和邏輯判斷，從產生故障信號，統一生成故障狀態字;另一部分是人機界面程序，包括：（1）建立與PLC中由系統或用戶白定義生成的故障狀態字的連接;（2）在HMI中定義各種故障報警變量，報警提示信息（包括故障產生的時間、故障狀態、故障名稱和消除故障的措施等）;（3）創建特殊的報警窗口或視圖，并在其中編輯相應的觸發事件，用于顯示報警診斷信息。此外，如果有需要還可以通過相應的通訊接口模塊將故障診斷信號上傳給遠程管理站的上位PC機，進行集中監視。

3 結束語

故障診斷方法的引入，對于提高PLC控制系統的自動化水平和可靠性、維修性具有重要的意義。本文以船舶環境控制系統中的凈化系統為例，介紹了幾種較常用的基于PLC和HMI的系統故障診斷方法，其特點是故障定位快速、準確，且不依賴于特定的PLC和HMI型號具，具有一定的普遍性和實用性，提高了系統的可靠性、測試性和維修性，縮短了故障停機時間。此外，在實際應用過程中，用戶還可以利用各種類型的HMI提供的強大的人機界面功能，開發出更加友好的故障診斷顯示界面。

參考文獻：

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[10] SIMATIC S7-1500，ET200MP自動化系統系統手冊[Z].