万涛 张海艳

摘要：故障诊断是自动控制系统设计的重要组成部分，故障检测和诊断技术的应用对于提高控制系统的可靠性、维修性和有效性具有十分重要的意义。PLC和HMI作为被广泛使用的核心控制部件，一直被重点关注于其在性能、产品自身可靠性、易用性和易扩展性方面的优点，较少涉及到其在提升系统故障诊断能力方面的应用。如何在满足系统功能和性能指标的基础上，进一步提升控制系统的故障诊断能力，是设计人员在产品后续改进优化过程中需要面临的问题。以船舶环境控制系统为例，为了实现系统故障诊断功能，从系统的工作原理和控制流程出发，介绍了几种较为常用的基于PLC和HMI的故障诊断方法，给出了详细的设计思路和设计结果，此类方法具有一定的实用性和借鉴意义。

关键词：故障诊断;PLC;HMI

中图分类号：TP39;TP273

文献标志码：A

文章编号：1009-9492（ 2022） 02-0085-05

0 引言

随着科学技术的不断发展，自动控制技术在现代舰船设计中发挥着越来越重要的作用。系统自动化水平的日益提高、复杂程度不断加大，直接导致了对可靠性、可维修性和有效性提出了更高的要求。与此同时，自动化复杂度的提高，系统故障出现的可能性也相应增加。若不能及检测系统故障，进而采取排除或隔离措施，将会对系统的正常运行产生不利影响，严重时甚至导致整个系统的失效、瘫痪，引起灾难性的后果。

通常控制系统因故障停机的时间80%以上是用于故障诊断，实际用于处理故障的时间只占用不到20%。因此，在故障发生时准确、迅速甚至是提前进行故障诊断，变得尤为重要[1]。

故障定义为使系统表现出不希望特性的任何异常现象，或动态系统中部分元器件功能失效而导致整个系统性能恶化的情况或事件[2]。故障的分类可从不同的方面进行[3]，从故障发生的部位来看，可分为仪表故障、执行器故障和元件故障;根据故障的性质，可分为突变故障和缓慢故障;从建模角度可分为乘性故障和加性故障。当系统发生故障时，系统中的各种量（可测或不可测的）或它们的一部分表现出与正常状态不同的特征，这种差异包含丰富的故障信息，故障诊断的任务就是找到这种故障的特征描述，并利用它来进行故障的检测隔离。故障诊断包括特征提取、故障的分离与估计和故障评价与决策等几方面的内容。

故障诊断方法，一般可分为硬件冗余方法和软件冗余方法。硬件冗余方法其基本原理简单，就是对可能故障的部分进行一定的冗余备份，然后通过表决器方法来管理，根据重要程度可分為双冗余备份、三冗余或四冗余，这种方法的优点是原理及设计简单，但是由于需要增加测试设备，而使系统更加复杂、成本高，所需的占用的空间也会增大[4]，所以一般采取软件冗余方法。软件冗余方法根据系统采用的特征描述和决策方法的不同，形成了两大类故障诊断方法，即依赖于模型的故障诊断方法和不依赖于模型的故障诊断方法。

依赖于模型的故障诊断技术的思想是用解析冗余取代硬件冗余，包括：（1）基于状态估计的方法;（2）基于参数估计的方法。

不依赖于模型的方法又可分为基于信号处理的诊断方法和基于知识的诊断方、法[5]，包括：（1）基于直接可测信号的故障诊断方法;（2）基于人工智能（专家系统、故障树、模式识别、模糊数学和人工神经网络）的故障诊断方法。

众所周知，采取了双备份或多备份的硬件冗余虽然在一定程度上提高了系统的可靠性，但势必会增加系统的复杂性和成本，同时也增加了故障发生机率。基于数学模型的解析冗余方法，技术已经比较成熟，它适用于能够确定其数学模型的物理对象，目前已经广泛地应用在航空航天、核电和工业生产控制领域。故障诊断方法很多，选择哪种方法适合特定的控制系统是设计人员在进行故障诊断研究和设计时面临的一个问题。故障诊断是为容错控制服务的、容错控制是故障诊断的延伸和实施。两者相辅相成，其目的都是为了提高系统的可靠性。本文以船舶环境控制系统为例，介绍几种基于PLC和人机界面相结合的故障诊断方法。

1 PLC控制系统故障诊断

可编程控制器（简称“PLC”）作为一种在可靠性和通用性方面均优于单片机的新一代控制器，已被广泛应用于各行各业。它具有强大的运算和处理能力、使用方便灵活，并具有较高的稳定性和可靠性，可以很好地满足工业控制领域和现代船舶自动化程度的要求。其高可靠性体现在硬件采取了隔离、滤波、屏蔽和接地等一系列抗干扰措施，软件采取了数字滤波、指令复执、差错校验等措施。然而，在这些常用功能以外，人们往往忽略了PLC提供的强大的故障诊断功能，利用PLC独特的故障诊断技术对事故后的故障排查、系统恢复能起到重要的作用[6]。

在控制领域，人机界面（HMI）是包含硬件和软件的人机交互设备，硬件部分是替代传统鼠标、键盘和数码显示等功能，安装在设备正面的显示和输入设备;软件部分则是采用通用或专用的画面组态工具进行二次开发的应用界面程序。一般情况下HMI与PLC配合使用，以发挥其特有的人机交互功能。

PLC控制系统的故障可分为PLC故障和控制系统故障两大类。PLC故障又分为外部设备故障、硬件故障和软件故障[7]，其中硬件故障是指以PLC为主的包括CPU模块、电源模块、信号功能模块（DI/DO、AI/AO模块）、通讯模块、扩展模块等控制器部件发生的故障，属于控制器内部故障。控制系统故障是指PLC故障以外的其他故障，包括控制系统内传感器故障、执行器和其他电气线路等故障。PLC故障一般可分为：I/O错误、硬件错误、电源错误、中断错误、程序错误等。一般情况下，在确保PLC硬件完好、抗干扰措施得当、程序代码编制正确、供电电源正常、外部接口信号输入正常的情况下，可以避免发生PLC故障，即PLC可以正常运行。一旦发生PLC故障，最主要的表现形式为：PLC无法启动或程序运行中断，此时PLC故障指示灯被点亮。在发生故障的瞬间，PLC可自行诊断出故障类别，并且提供用户可查询的相应故障代码，以指导用户解决故障。

除了PLC自身的故障，用户更关心的是系统内的其他故障，该类故障的诊断方法PLC制造商虽未提供专门的解决方案，但是通过设计者对系统的分析，并结合PLC提供的强大运算处理能力，可实现多种故障诊断方法，

PLC故障诊断技术的应用前景有几个方面内容：开发PLC控制系统故障诊断专家系统，基于人工神经网络的PLC控制系统故障诊断技术，实现远程监控、报警联动、视频监视系统等。目前，大多数的故障诊断专家系统是读取PLC中的输入输出（I/O）及各种中间状态信息，进行故障推理和诊断[4]。基于人工神经网络的PLC诊断技术是目前较为前沿的诊断技术，但是实际应用效率低[8]。

以下结合在PLC控制系统中的实际应用，介绍几种较为常用的PLC故障诊断方法。

（1）基于PLC系统输入输出信号的诊断方法

基于PLC系统的输入、输出信号的诊断方法是一种常用的故障判别手段，同时也能起到监视、报警和保护作用。它根据采集到由传感器发送的系统参数值进行有效性和越限判断，直接用于越限报警和停机保护。该诊断方法需要与人机界面配合使用，以方便观察和提示。

（2）基于运行逻辑的故障诊断方法

PLC控制流程一旦确定，系统内的各个输入、输出和临时状态信号，相互之间必然存在一定的逻辑关系，可根据输入信号的逻辑关系判断故障的发生。例如，阀门执行机构的开到位和关到位信号，两者不能同时为1（定义1为“到位”状态），若一旦发生两个状态位信号同为1时，可判断阀门执行机构故障（至少可以判断为“到位”状态输出信号错误）。

（3）基于时间超限的故障诊断方法

在PLC控制流程中，可根据系统的输入、输出和临时状态信号的时序关系判断故障的发生。该方法适合具有因果和时间顺序关系的过程控制系统，且对于输入信号的数量有一定要求，要求输入信号能正确反映动作的执行状态。例如：输出电机的执行信号后，必须立即得到电机的运行状态信号（通常该信号取自电机控制接触器的辅助触点），否则可判断电机故障;处于关闭状态的阀门，在得到开启控制信号后，在固定的时间内阀门状态反馈信号必须是由“全关”一“开启中”一“全开”，一旦超出固定的执行时间未得到全开信号，可判断阀门故障（阀门被卡或反馈状态信号错误等）。

（4）基于人为操作的故障诊断方法

控制系统尤其是过程控制系统中的一些关键部件的启停动作，相互之间可能存在一定的关联性和操作原则，违反或者颠倒这些操作规则，会造成设备损坏等严重的后果。为了避免事故的发生，除了从执行器的硬件配置上增加必要的聯锁保护手段外，需要人为的从软件上采取一定的防误操诊断措施。当不具备执行条件时，一方面禁止控制指令的发出，另一方面还可以通过弹出友好的人机界面对话框或图像等方式，提醒或警告使用者，及时纠正错误。

（5）基于专家系统的故障诊断方法

由于控制系统中可能发生的故障种类很多，采用基于数学解析和以上方法很难对整个控制系统进行良好的控制。有些故障的发生很难用特定的数学模型或特定的故障模式去判定，这些故障具有不可预测性的模糊性，对于这种复杂系统的故障诊断，利用基于专家系统的故障诊断方法可以很好地解决。基于专家系统的故障诊断方法是将专家系统应用到故障诊断中去，从而利用领域知识和专家经验提高故障诊断的效率[9]。例如系统在运行过程中，如果某一时刻发生故障，该领域的专家往往可以凭借经验和直觉（视觉、听觉、嗅觉、触觉等）或系统状态参数得到一些客观事实，并根据对系统结构和故障历史的深刻了解迅速做出判断，确定故障的原因和部位。这种基于专家系统的故障诊断的实施需要借助一定的数据库工具，建立特定系统的专家知识库和模糊模型，并综合应用各种规则进行一系列的推理，最终得出最大可能的故障原因。

2 PLC故障诊断方法具体应用

船舶环境控制系统是针对人员活动比较密集、空间相对狭窄、环境比较恶劣的船舶舱室实施的环境自动化监控措施。通过对相关执行机构的自动和手动控制，维持环境参数在一定的范围内，提高船员的生命力和战斗力是控制系统的主要功能之一。

该项目中选用了目前广泛应用的西门子公司的S7（1500和1200）系列可编程控制器和MP系列移动可触摸面板相结合的控制系统[10]。在实现基本功能和性能的基础上，为了提高控制系统的故障诊断能力，利用了与PLC和HMI相匹配的专用开发工具-TIA博图软件，采取了多种故障诊断措施，下面以舱室净化系统为例进行说明。

舱室净化系统自动控制流程如图1所示，主要功能是通过控制相关设备（风机和净化装置）的启停，降低空气中的有害气体浓度。系统检测信号配置详见表1，遵循如下运行原则：（1）净化系统不工作时，2台电动风阀必须同时保持关闭，以延长净化装置使用寿命;（2）净化系统启动时，必须先打开2台电动风阀（开到位后），再启动风机，以保持管道畅通;（3）停止净化系统时，必须先停止风机，再关闭电动风阀;（4）电动风阀设置全开和全关状态检测，转换时间约40 s左右。净化系统在运行过程中必须遵循以上工作原则，否则会影响系统功能的实现，甚至造成一定的设备损坏。

2.1 越限参数故障报警诊断

首先，对有害气体浓度AI-1进行越限检测。一旦越限，控制设备立即发出声、光报警，必要时在人机界面上弹出故障报警画面，操作人员确认故障信号后，在入机界面上点击进入故障诊断画面，画面中对故障名称、故障时间、故障发生时刻值都进行了保存显示。该功能提供了操作人员较详细的故障报警信息，如图2所示。

2.2 运行逻辑判断

在净化系统控制流程中，PLC提供检测1#电动风阀和2#电动风阀的开到位（10.0、10.2）和关到位（10.1、10.3）状态信号。理论上讲，“开到位”和“关到位”这两个信号不能同时被检测到为1，即：同一个阀不可能同时开和关。如图3所示，一旦被检测到这两个信号（10.0、10.1）同时接通（程序中置1），则输出故障信号（M0.0），判定为输入信号错误或位置传感器故障。

此外，系统中PLC还检测风机的运行状态信号（10.4）。理论上讲，PLC输出风机控制信号（即：Q0.4=1）后，风机应立即反馈状态信号（即10.4=1）至PLC。在PLC的程序中，10.4的状态应该以毫秒级的速度跟随Q0.4的状态。一旦发生两个状态不一致的情况，基本上可以判断为风机电气控制部分故障。

2.3 时间超限判断

在净化系统控制过程中，1#、2#电动风阀执行从“全开（或全关）”到“全关（或全开）”的过程需要一定的时间。在启动过程中，只有阀开到位后风机才能运行;在停止过程中，只有阀关到位了风机才能停止。一旦阀超过了固定的时间，而未达到预想的状态，就不能进入到下一个工序。如图4所示，在PLC程序中，针对阀的启停控制，可以使用一个（接通延时）定时器，从阀开始动作时启动定时器，以超过阀动作时间30% -40%的定时值计时，在完成定时后，仍未检测到阀到位信号（开到位或关到位），输出故障信号（M0.1），判断为阀出现故障（执行机构卡死或位置传感器故障）。

2.4 人為误操作信息提示

如图5所示，在进行人为手动启动净化系统时，必须1#、2#全部开到位后（即10.0=1且10.1=1），才能启动风机（按下启动风机按钮11.0=1），否则，输出故障信号（M0.2），弹出如图6所示的误操诊断提示对话框。

2.5 故障诊断人机界面

PLC与HMI相结合的诊断方法的软件实现分为两部分，一是PLC程序，用于对系统输入、输出和中间过程状态信号进行相应的时序和逻辑判断，从产生故障信号，统一生成故障状态字;另一部分是人机界面程序，包括：（1）建立与PLC中由系统或用户白定义生成的故障状态字的连接;（2）在HMI中定义各种故障报警变量，报警提示信息（包括故障产生的时间、故障状态、故障名称和消除故障的措施等）;（3）创建特殊的报警窗口或视图，并在其中编辑相应的触发事件，用于显示报警诊断信息。此外，如果有需要还可以通过相应的通讯接口模块将故障诊断信号上传给远程管理站的上位PC机，进行集中监视。

3 结束语

故障诊断方法的引入，对于提高PLC控制系统的自动化水平和可靠性、维修性具有重要的意义。本文以船舶环境控制系统中的净化系统为例，介绍了几种较常用的基于PLC和HMI的系统故障诊断方法，其特点是故障定位快速、准确，且不依赖于特定的PLC和HMI型号具，具有一定的普遍性和实用性，提高了系统的可靠性、测试性和维修性，缩短了故障停机时间。此外，在实际应用过程中，用户还可以利用各种类型的HMI提供的强大的人机界面功能，开发出更加友好的故障诊断显示界面。

参考文献：

[1]刘文鹏，金建新.基于PLC和组态软件的控制系统故障诊断方法[J].机床与液压。2005（6）：186-188.

[2]胡昌华，许化龙.控制系统故障诊断与容错控制的分析和设计[M].北京：国防工业出版社，2008.

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[4]纽永胜，赵新民，孙新玮.传感器故障诊断方法研究[J].航天控制，1996（6）：47-49.

[5]周鸣岐，徐军.控制系统故障诊断[J].计算机自动测量与控制，2000，8（3）：4.

[6]蒙艳玫，刘正士。何国金，等.PLC控制系统故障诊断[J].机床电器，2002，29（2）：5.

[7]张缨.PLC的故障诊断技术与应用[J].机械与电子，2008（2）：75

[8]刘延霞.PLC控制系统故障特性与诊断方法研究[J].产业与科技论坛，2021，20（9）：2.

[9]卞玉涛，李志华.基于专家系统的故障诊断方法的研究与改进[J].电子设计工程。2013，8（16）：83.

[10] SIMATIC S7-1500，ET200MP自动化系统系统手册[Z].