1 引言 PLC作為一種成熟穩(wěn)定可靠的控制器，目前已經(jīng)在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應用。PLC系統(tǒng)的設計直接影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的安全可靠運行。一個完善的PLC系統(tǒng)除了能夠正常運行，滿足工業(yè)控制的要求，還必須能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時進行故障診斷和故障處理。故障自診斷功能是工業(yè)控制系統(tǒng)的智能化的一個重要標志，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實用價值。 故障診斷一般有兩種途徑:故障樹方法和專家系統(tǒng)方法。故障樹方法利用系統(tǒng)的故障邏輯結構進行邏輯推理，由錯誤的輸出找到可能的輸入錯誤。這種方法比較適用于系統(tǒng)結構相對簡單，各部分耦合少的情況。專家系統(tǒng)方法通過建立系統(tǒng)故障的知識庫與推理機，計算機借助現(xiàn)場的數(shù)據(jù)利用知識庫和推理機進行深入的邏輯推理，找出故障原因。這種方法適用于系統(tǒng)結構復雜，各部分耦合強的大型工業(yè)系統(tǒng)。 本文根據(jù)故障樹推理與專家經(jīng)驗規(guī)則推理相結合的方法，以某火電廠輸煤控制系統(tǒng)的設計為例，介紹了一種利用PLC和上位計算機進行故障診斷的PLC系統(tǒng)設計。 2 系統(tǒng)設計 故障診斷系統(tǒng)建立在基于PLC和上位計算機組成的控制系統(tǒng)上。PLC在故障診斷系統(tǒng)中的功能主要是完成輸煤系統(tǒng)設備故障信號檢測、預處理，轉化存儲并傳輸給上位計算機。上位計算機由于具有強大的科學計算功能，利用專家知識和專家?guī)?，完成從故障特征到故障原因的識別工作。并通過人機界面，給出故障定位，報告和解釋故障診斷結果，并為操作員給出相應的排除故障的建議。 3 PLC程序設計 在進行故障診斷設計時，首先必須對整個系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障進行分析，得到系統(tǒng)的故障層次結構，利用這種層次結構進行故障診斷部分的設計。以火電廠輸煤控制系統(tǒng)的故障結構為例。為了描述簡單，這里作了一定的簡化。圖1為系統(tǒng)的故障層次結構。 系統(tǒng)故障結構的層次性為故障診斷提供了一個合理的層次模型。在進行系統(tǒng)的PLC梯形圖程序設計時，應充分考慮到故障結構的層次，合理安排邏輯流程。在引入故障輸入點時應注意:必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測點引入PLC，以便系統(tǒng)能及時進行故障處理;應在系統(tǒng)允許的條件下盡可能多的將最底層的故障輸入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障檢測信息為系統(tǒng)的故障自診斷提供服務。 （1） 故障點的記錄 為了得到系統(tǒng)的故障情況實現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷，PLC必須將所有故障檢測點的狀態(tài)反映給內部寄存器，圖2是用來記錄故障點的部分程序。 IR4.02是輸入的IO節(jié)點，表示A側皮帶信號，當輸煤系統(tǒng)使用A側皮帶正常運行時4.02的值為1，當4.02變?yōu)?時，說明A側皮帶信號出了故障，此時利用上升沿微分指令記錄這次的信號跳變。這樣這次事故就記錄在IR31.00中。程序設計中將IR31作為記錄底層故障信息的寄存器，由于內部寄存器IR有16位，所以能夠記錄16種不同的故障原因。如果有更多的故障需要記錄，可以設置多個寄存器字。需要說明的是，有時引起故障的原因可能不止一個，往往一個故障會引起另一些故障的發(fā)生，因此還有關鍵的一點是程序要能記錄最先發(fā)生的故障。這也需要通過PLC編程實現(xiàn)，程序只對最開始發(fā)生的故障敏感。 （2） 多次故障事件的記錄 由于系統(tǒng)實際長時間的運行中，可能會出現(xiàn)多次故障，為了檢修和維護方便，還需要PLC能夠將多次故障事件記錄下來。OMRON C200H型PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)（DM區(qū)）可以間接尋址，利用這一點，可以在DM區(qū)劃出一定的區(qū)域，用來記錄每次故障事件，包括故障類型和事件發(fā)生的時間（日期，小時，分鐘，秒）。這一段DM區(qū)域可以循環(huán)記錄，實際使用中記錄了最后50次故障的情況，這些記錄是系統(tǒng)運行的重要資料，方便了運行人員了解設備情況，對其進行檢修和維護。 （3） 模擬量故障的診斷 對于模擬量信號例如犁煤車，給煤車電機電流的故障診斷，首先利用模擬量模塊，接收來自電流變送器的模擬信號，將其轉換為數(shù)字信號，然后與整定值或系統(tǒng)允許的極限值比較,若在允許范圍之內則表明對應的設備處于正常運行狀態(tài)，如果實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實際系統(tǒng)相應的參數(shù)變化范圍確定。 （4） 各種故障信息的串行通信 上位機通過串行通訊及時讀取PLC的內部寄存器區(qū)的各種故障信息。利用PLC的RS232通信接口，可與上位計算機進行Host Link方式串行通信。通信時，上位計算機首先向PLC發(fā)出一幀命令幀，包括操作命令、寄存器類型、起始地址與要讀取的寄存區(qū)數(shù)目等。PLC收到命令幀后會做出響應，如果沒有錯誤則向上位計算機發(fā)出響應幀，響應幀中包含了上位機需要查詢的寄存器值。 上位計算機通過讀取數(shù)據(jù)寄存區(qū)的值來獲取當前PLC的工作狀況，同時上位計算機對PLC的控制也可通過對該區(qū)的寫操作來完成。具體的通信實現(xiàn)可以參考相關資料，這里不作詳細論述。 4 借鑒專家系統(tǒng)故障診斷方法的實現(xiàn) 系統(tǒng)故障結構的層次性為故障診斷提供了一個清晰的層次模型，可以利用基于模型的故障樹法。但是在進行比較詳盡的故障診斷以及系統(tǒng)故障存在耦合時，僅僅使用故障樹法是不夠的，必須借鑒專家系統(tǒng)的方法。 （1） 面向對象的“知識對象”, 大大提高了故障診斷的推理效率 在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中，知識被組織成知識庫的形式，推理機進行推理時，要從知識庫表示的所有空間中搜索所需的知識。這種方法有搜索空間大，推理效率低的缺點?！爸R對象”的概念可以解決這一問題。“知識對象”是一個邏輯概念，它利用面向對象的方法，將知識源和黑板都表達為對象，在知識對象的內部封裝了專家系統(tǒng)和推理機、解釋器。當相應的知識對象被激活后，就在對象內部進行推理，大大提高了推理效率。根據(jù)系統(tǒng)的實際情況和故障推理的過程，在這里知識對象被具體化為故障節(jié)點。故障節(jié)點是進行診斷推理的基本單位，診斷信息在故障節(jié)點間層層傳遞，故障節(jié)點內部利用這些信息進行推理并最終確定故障原因。 圖3為系統(tǒng)部分故障節(jié)點的層次結構。圖3可以看出，故障節(jié)點在結構上以虛線為分界線分為兩個部分。上一部分層次清晰，在這一部分可以采用基于故障模型的故障樹方法;下一部分由于結構復雜，耦合性較強，構造模型困難，可采用專家系統(tǒng)的推導方法。 故障節(jié)點呈網(wǎng)狀分布，1個節(jié)點可能有1個或多個父節(jié)點，也可能有1個或多個子節(jié)點。子節(jié)點和父節(jié)點之間的關系由故障層次和子節(jié)點故障層次來表示。如節(jié)點1的子節(jié)點故障層次為1，而節(jié)點2和節(jié)點3的故障層次為1，則節(jié)點2和節(jié)點3是節(jié)點1的子節(jié)點。故障層次和子節(jié)點故障層次不僅指明了故障節(jié)點結構上的層次，而且也隱含了推理規(guī)則。 （2） 對象類型與推理節(jié)點 對象類型表示該故障節(jié)點在故障推理中的作用，它可分為3類:根節(jié)點，葉節(jié)點，推理節(jié)點。根節(jié)點的故障由它的子節(jié)點產生，應到其子節(jié)點中去繼續(xù)推理。葉節(jié)點是底層故障。葉節(jié)點沒有子節(jié)點。推理節(jié)點是故障診斷規(guī)則最為集中的節(jié)點，檢測節(jié)點可以視為推理節(jié)點的子節(jié)點，它為推理節(jié)點的推理過程提供相關的信息。我們在推理節(jié)點并不是判斷該節(jié)點是否存在故障，而是利用推理節(jié)點封裝的規(guī)則庫與推理機，結合檢測節(jié)點提供的信息進行故障推理，找出故障原因。 （3） 故障節(jié)點的檢測方式 地址段是節(jié)點的位置（本系統(tǒng)中是PLC中的寄存器）。數(shù)據(jù)段根據(jù)用戶的需要可以為一個或幾個，數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)的定義與節(jié)點的性質有關。檢測方式表明在該節(jié)點系統(tǒng)進行何種操作。主程序根據(jù)故障節(jié)點的檢測方式選取相應的處理函數(shù)。該函數(shù)是檢測手段與推理規(guī)則的結合，故可稱之為檢測/推理函數(shù)。一方面它可以檢測故障節(jié)點本身的狀態(tài)，另一方面使用推理機制進一步推斷故障原因。性質類似的節(jié)點使用相同的檢測/推理函數(shù)，利用地址段和數(shù)據(jù)段中的值加以區(qū)別。 （4） 各節(jié)點的注釋段要有相應幫助信息 各節(jié)點的注釋段不僅能記錄故障的原因和維修方法，還可以記錄其他的幫助信息。有時因系統(tǒng)的檢測手段不完備，或規(guī)則不完全，推導過程要進行人機對話。這時候如果節(jié)點的注釋段中有相應幫助信息，可以給用戶以提示或指導用戶進行操作，使推理能順利進行。 本系統(tǒng)的故障診斷通過在上位計算機上用VC6.0開發(fā)的應用程序實現(xiàn)，集成在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中。在運行中給操作人員提示，指導用戶進行操作，了解設備狀態(tài)，判斷故障發(fā)生原因，并可給出相應的維修建議。用戶也可以對故障診斷進行指導和修正。 5 結束語 按以上故障診斷原理構造的故障診斷系統(tǒng)在火電廠輸煤PLC控制系統(tǒng)中得到了應用。從實際運行來看，故障診斷系統(tǒng)能準確而迅速地判斷出故障的原因，方便運行人員維護和檢修，大大地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平。這種設計對類似的工業(yè)控制系統(tǒng)提供了一定的參考。