使用PLC改造继电器控制线路的故障诊断设计
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摘要：使用plc改造继电接触器线路，可以使系统的电气接线及开关接点减少到数百甚至数千分之一，具有良好的效果。除此之外，在PLC程序的设计上，用户可以为器件编写故障自诊断程序用以保护系统中除PLC以外的电路及设备。这样，整个控制系统的可靠性就得到很大的提高。
0 引言
在PLC出现之前，继电控制器在工业控制领域中一直占主导地位，从1836年继电器出现开始，人们就开始用导线将它同开关器件有效地结合，构成各种不同用途的顺序控制或逻辑控制。但是，继电接触器控制这种传统的方式存在很多缺点，其一是由于继电器控制系统是靠硬连线逻辑构成的，接线较为复杂，原有的接线和控制柜必须随着生产工艺或控制要求的变化而更换，其通用性和灵活性较差；此外，继电接触器控制还存在功能较少、可靠性不强、体积大等缺点，难以实现复杂的控制；第三，继电器自身存在的一些特点也导致了其在识别元件故障方面的能力较弱。
PLC由于具有较强的抗干扰能、较高的可靠性，同时具备编程简单、控制程序可变、使用方便、功能强、体积小等特点，被广泛应用，成为现代工业的三大支柱之一。为了提高工业设备的工作效率、使控制系统更加可靠，人们采用PLC改造继电接触器控制系统，并且也取得了良好的效果，在采用PLC改造原有继电器控制的机电设备时，需要注意在考虑完成系统工作所需要的控制功能的同时也要考虑和控制系统内电气元件本身故障的自动识别和处理，即自我诊断和调节的问题。
1 采用PLC对继电接触器控制系统进行改造的方法
利用PLC对继电接触器控制系统进行改造，在简化电气线路方面产生了巨大的作用，要完成PLC改造，必须确定整个系统的控制规模和输入输出设备总数；选择PLC机型；进行硬件设计和软件设计；然后进行系统调试。
1.1 PLC的选型 选择适当型号的PLC，要注意能满足控制要求，这是设备改造非常重要和关键的一个步骤。PLC种类繁多，选择PLC型号要综合考虑设备的控制要求、PLC的功能、存储容量、I/O点数等因素，同时还需要结合安全性能、维修方法、性能价格比等，但大多数选择的都是小型整体式PLC。在确定PLC输入、输出点时，I/O点数选择需要留一定的、恰当的余量，在选择PLC存储容量的过程中，如果系统需要进行大量数据处理或有模拟量信号，容量应大些。选择PLC输出口的输出类型时，则应根据输出设备的性质来确定，交流或直流输出设备可选用继电器输出，其优点是耐压高，带载重，缺点是反应慢；直流输出设备可选用晶体管输出，其优点是反应快，缺点是耐压低、带载轻；交流输出设备可选用晶闸管输出，其有点是反应快、带载重，但晶闸管也存在一定的局限性，其只适用于交流输出设备。
1.2 系统的硬件设计 PLC外部设备的设计称为硬件设计。它是将开关、继电器触点、按钮、接触器辅助触点这些控制电路不可或缺的元件连到PLC的输入端口，并确定各个触点相对应的输入地址；将继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、照明灯等负载元件连接到输出端口，并建立输入、输出地址分配表（I/O表），各端口地址将成为进行逻辑程序运算的重要逻辑量。
1.3 程序设计 在选择了PLC的机型和连接好硬件设备之后，为了明确各个输出端口在得电、断电时的逻辑条件，从而达到控制各输出端口相应耗能元件相应情况的目的，还需要编写控制程序。编写控制程序时需要结合原来继电器控制线路中存在的逻辑关系，此外还需以设备相应的控制要求作为依据，这样才能使编写程序满足PLC在运行时能够采集到各个输入端口的状态，进而根据程序进行运算。最终实现对各个输出端口的控制，使与输出端口相连接的各个线圈得电或者断电，进而控制液压系统、电动机和其他电气元件的工作。
1.4 系统调试 系统调试分为两个阶段：第一阶段为模拟调试，第二阶段为联机调试。这两个阶段不仅关系到控制系统设计的成败，也关系到设备和人身安全。系统调试就是系统纠错，在进行系统调试时，要做好调试记录，及时更改不合理或错误的程序或电路。
2 当PLC出现外部故障时的自诊断设计
根据大量工程实践情况发现，与PLC本身的故障率相比，PLC的诸如限位开关、接触器等外部元件的故障率通常情况下会更高，与此同时，当这些元件故障发生之时，PLC一般情况下不会当即自动停机，这种情况极易导致故障扩大，直到强电保护装置起作用才被迫停机，这可能会造成设备和人身事故，是极为危险的。同时，这样也会造成大量时间的浪费，效率低下，因为在PLC停机之后，查找故障的原因需要花费非常多的时间。为了提高发现故障的有效性和及时性，使PLC自动停机和报警以免在造成事故，另一方面，也为了提高查找故障原因速度，提高维修的精确度和降低维修时间，还需要在软件中设计故障检测程序，实现PLC程序在发生故障时可以进行自诊断和自处理。
2.1 运行时间故障检测法 没有“看门狗”指令的PLC可以设计“超节拍保护程序”，控制系统中各道工序都有其严格的运行的时间规定，因此可以利用这些时间作为参数进行故障检测。具体做法是可以在对某一道工序进行检测时，在启动这一到工序的同时设定一个定时器，观察该工序的运行时间，并将其与预期运行时间进行比较。一般情况下，检测工序在运行的定时器设定的时间值要比正常运行完成此道工序所需要的时间多，一般可以设定超出正常时间的百分之二十至百分之二十五的范围，检测工序运行完成，若动作时间比规定时间长，并且在达到对应的定时器预置时间还没有转入下一道工序，那么就说明能说明故障，定时器则就会发出延时接通的常开触点的故障信号，同时停止正常工作循环程序，并启动报警及故障显示程序，提醒并保证操作人员和维修人员可以快速地判断故障的种类及造成故障的原因，在第一时间采取措施消除故障。
图1中M10.0、M10.1、M10.2分别为第一、第二和第三工序启动信号，T1、T2分别为第一和第二工序检测时间，若T1或T2接通则表示第一工序转第二工序或第二工序转第三工序出现故障，则接通M50.0，由M50.0控制断开正常工作程序，同时启动故障显示或报警程序。I0.0为循环启动信号。此程序虽然不能确定是何种故障原因，但能有效地控制故障的继续发生。
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2.2 逻辑异常故障检测诊断法 在正常情况下，PLC控制系统中的各个输入信号和输出信号与内部继电器的信号之间存在一定的逻辑关系，当输入元器件发生故障时，就会打乱这种逻辑关系，造成逻辑错误，控制系统将不能按原设计的要求进行正常工作。因此，可以事先编好一些常见故障的异常逻辑程序加进用户程序中，一旦故障发生，这种逻辑状态为1，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。
图2所示为行程开关故障检测诊断程序。某机械运动过程时，检测3个行程开关I2.1（起点）、I2.2（快进终点）、I2.3（工进终点）是否正常的程序。Q1.0、Q1.1、Q1.2表示快进、工进、快退三个工作状态。在这三种工作状态中的任何种来说，快进、工进、快退这3个行程开关中的任意2个都不允许同时闭合，一旦出现任意两个开关同时闭合的情况，报警就会输出Q2.0接通，警告其中发生了某个行程开关失灵，需要进行停机检查以防止故障影响进一步扩大。
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图3所示为电机启动、停止控制电路。停止按钮SB2采用常闭触点，如果出现按钮故障、线头脱落或老鼠咬断线路时，输入继电器I0.2无法通电，当按下启动按钮SB1时，Q0.0不能接通。这样除了能够完成正常的停机操作功能以外，还可以保证在线路故障时，不会出现电机启动后无法停机的现象，确保电机的运行安全。因此，在控制电路中，停止按钮、急停按钮等往往使用常闭按钮。
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2.3 基于反馈的检测诊断法 设备在进行PLC改造时，为了节约输入点数，往往只根据系统控制的需要，接入最必需的外部输入元器件触点，这严重影响了系统的可靠性。因此为了提高系统的可靠性，可以尝试把部分非常重要的接触器的常开触点接到PLC的输入点上，并在软件部分加上相应的检测判断程序，以实现接触器的熔焊、卡壳和线圈断线故障的检测。
2.4 模拟信号异常情况下的故障诊断 基于PLC控制系统具备模拟量的处理功能，在改造控制系统PCL的过程中，可以考虑对一些比较重要的能反映设备工作状态的参数选用相应的传感器或变送器与PLC的专用A/D模块，这些参数如液压系统的压力、流量，重要部件的温度、振动等；同时，需要对设备工作参数进行实时检测，通过与极限要求值进行比较来判断设备的工作状态是否正常，如果不正常，则可以进行显示、报警或者停机等处理。
3 结语
继电器解除控制系统存在很多缺陷，只有对其进行改造才能满足需求，而选择采用PLC进行具有很多优点。首先，通过程序实现器件的“软连接”，节约了打量的电气元件、导线等材料；其次，减少了硬件接线的工作量，极大地缩短设计周期；第三，PLC控制系统便于进行运行监控、检查和排除故障，在很大程度上减少了平时维护的工作量；第四，是控制系统的可靠性和抗干扰能力得到了提高了，降低了故障率。
在对PLC进行改造的过程中，为提升设备的工作效率，提高系统的可靠性，改善设备的自动化程度，仅仅完成主要的控制要求设计还是不够的，还需要对PLC程序控制的诸多功能特点加以利用。
参考文献：
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[3]张发玉，王晓强.PC在机床电气故障检测及显示中的应用[J].洛阳工学院学报，1999年第4期.
作者简介：廖雄燕（1975-），女，广西天等人，讲师，研究方向为自动控制。