用PLC录波排除控制系统疑难故障的方法

从复杂的宇宙飞船到简单的自行车，只要是设备，就可能出现故障，就涉及到故障排除的问题。

对于，以PLC为核心的电气控制系统，可能的故障原因多集中在三个区域：输入侧、程序本身和输出侧。输入侧指传感器、操作元器件、信号线、输入模块等与PLC输入有关的所有硬件。输出侧包括输出模块、信号线、指示灯、执行器件等有关的硬件。控制信号的流向如图1所示。

图1 PLC控制系统典型信号流向图

当故障原因不明确时，通常是按照信号的反向流程来分区判断。当一个执行器件未按照设计动作时，首先看PLC输出信号是不是正常。如果PLC输出信号正常，则是线/缆或者执行元器件的问题，本文不进行深入讨论。如果PLC输出信号不正常，则需要检查程序，查看哪个条件不满足，并继续追踪，直到查出程序问题，或者输入问题，并准确定位到故障点。

如何查程序？依据故障现场持续的时间，可以大致分成持续故障和短时故障两类。

持续故障是指故障点的状态持续不变，比如某个传感器硬件故障，信号维持一个固定的状态。这里继续分两种情况讨论，如果是持续作用的信号，则可以用编程软件直接在线查找到问题源。如果逻辑简单，甚至可以直接查看输入（DI）的状态来判断故障点。比如说，某个设备无法启动，是可以从从容容地进行故障排查的。

即使故障原因持续，如果起作用的时刻比较短，则还是要按照后面说明的短时故障去判断。比如说，某移动设备的一个位置传感器，只有设备经过该位置时，信号才会短时出高电平，其他时刻都是低电平。如果这个传感器失电，信号一直保持低电平，则设备经过前，故障是不会表现出来的。

短时故障，是指故障原因出现的时间很短（尤其是偶发的短时故障），比如说，某个传感器的信号线松了，设备发生振动，信号时断时续，甚至十天半个月来一次。或者，系统出现了干扰，某个信号偶尔会不正常反转。短时故障也指那些故障的状态只能在短时间显现的情况（前一段描述的情况）。

对于短时故障，尤其是那些可能原因比较多的短时故障，无法依靠肉眼去长期跟踪，比较好的手段就是信号录波。基本思路：将异常的输出及可能原因（PLC变量）都进行连续状态记录。在出现故障时，回看故障时各变量的状态记录，结合程序逻辑，就可以判断出故障点或者故障范围，然后，缩小范围继续录波，直到定位出故障点。

常用的录波手段包括：HMI软件的变量记录、编程软件的曲线记录、第三方通用录波软件。

HMI软件的变量记录（也指SCADA软件），就是在HMI里将需要记录的变量都添加进去，并设置成连续记录，然后用波形查看控件进行波形的回放。这种方法对于临时查故障是极不方便的，因为，需要把HMI画面停下来进行一次画面开发，然后再运行起来，工作量不小，且影响操作人员的使用。另外，HMI的变量刷新速度一般较低，比如0.5s刷新周期，PLC的程序执行周期一般在100ms之内，因此，会遗漏很多细节。

PLC编程软件能记录曲线的并不多，并且也不太容易操作。比如STEP7是无法记录曲线的，博图具有轨迹功能（限于S7-1200、S7-1500等），但是其本质是PLC内进行记录，然后上传显示，优点：可以实现每周期的记录。可以进行条件触发。缺点：不能连续跟踪，不能脱离庞大的博图软件。

第三方通用录波软件是指那些能对多种PLC进行连续录波的软件，比较常见的是PLC-ANALYZER、IBA。这两个软件都是国外的软件，价格昂贵，无免费使用部分。一般PLC工程师无法承受。国内新出现的PLC-Recorder录波软件，与PLC-ANALYZER风格、性能类似，且其大部分功能都可以长期免费使用。

简单介绍了录波软件，回头再看短时故障。根据故障现象持续的时间长短，要选择不同的录波手段。大家可以参照下图选择合适的软件工具：

图2 PLC录波软件的选择建议

对于超短时的故障，需要采用特殊软件或者特殊方法来进行故障录波和诊断。某些软件能让PLC自己按照扫描周期录波，然后事后上传显示的编程软件，比如前面提到的博图轨迹功能。也包括那些通过PLC编程进行数据缓冲，然后再打包上传的专用软件。

如果无法用特殊软件进行录波（比如型号非常老的PLC），则可以采用拖尾法对于可疑的信号进行处理，让信号的时间变长，然后利用通用录波软件或者HMI对于处理后的信号进行录波即可。比如某信号正常出低电平，怀疑其可能短时出现了高电平，则可以增加程序，对其进行断开延时，然后记录断开延时后的信号即可（如下图所示）。对于可能出现低电平的，则可以增加接通延时来进行拖尾，甚至两种延时同时增加，进行两个方向的拖尾。

图3 通过断开延时进行拖尾的时序图

图4 故障分类和排查方法分类

控制系统的故障原因非常多，本文只是讨论了那些和PLC有关的故障诊断方法，且仅深入讨论了DI信号异常的诊断方法，其他类型信号的诊断方法，可参照这些思路进行研究。