论PLC控制器剩余器件在系统保护中
关键词： PLC剩余资；源;保护程序；安全可靠性；信号联锁；逻辑判断
作者简介：化明松（1976-），男，，台州职业技术学院电子电气工程系助理讲师。
在PLC（Ｐrogrammable Controller）控制的控制系统中，绝大多数故障主要来自于PLC的外部电路的电器，其次则是PLC自身的输入、输出接口电路。由于采用光电隔离、电磁隔离、电磁屏蔽等措施，PLC内部CPU、存储器等电路（硬件）与软件的故障极少。
PLC内部资源极其丰富，内部存储器（软继电器）数量往往数以千数。一般来说，除用户应用程序占用部分的内部资源外，PLC还有大量尚未被利用的内部软器件。这些剩余的资源在PLC控制系统的的安全可靠性设计方面有着十分重大意义。
在PLC控制系统设计时，在控制功能满足要求的前提下，系统的安全和可靠性是放在首位考虑的问题，一般情况下系统至少应当具备以下安全保护功能：（1）工作人员误操作时，被控设备至少不应出现设备及人身安全事故；（2）PLC系统输入器件（例如行程开关、传感器等）问题导致输入信号出错时，被控设备至少不应出现设备及人身安全事故；（3）PLC系统输出器件自身出现故障而无法按正常要求动作时，被控设备至少不应出现设备及人身安全事故。
在系统的设计时，要根据被控设备的工作特点和实际情况，提出合理的故障假设，对可能会出现的严重的设备与人身安全事故的必须采取措施加以避免。利用PLC剩余资源进行故障诊断的基本原理是利用PLC内部尚未使用的器件和运算功能，通过系统保护程序的开发与运行，使PLC能及时感知系统的故障或存在的事故隐患，并通过保护程序做出相应的反应，以防止事故发生或扩大。下面就顺序控制中如何利用PLC剩余资源提高系统的安全可靠性作一浅显探讨。
1 采用联锁提高系统的安全可靠性
在继电控制系统中，电气联锁是提高系统安全可靠性的重要方法。通过这些联锁环节避免重大事故的发生，或者将可能出现的严重故障转变为一般故障。一般情况下采用这种方法是可行的。但这种方法往往需要额外增加中间继电器和辅助触点的数量，由此带来的问题是可能导致电路结构的复杂化，带来更多的事故隐患。因此对于较为复杂的继电控制电路完全采用电气联锁这种方法是不合适的。
继电控制中的电气联锁这种设计思路可用于PLC程序设计。由于PLC是采用“软器件”、“软触点”进行联锁，它并不改变PLC外部电路的结构，因而不存使电路复杂化的问题。而这种联锁本质上是增加PLC运算的条件，使得PLC在进行输出之前需要进行更多的安全可靠性判断，从而使系统的安全可靠性得到提高。
在设计PLC应用程序时，设计者一般都会考虑采用这种方法。联锁越充分，系统就越安全可靠，但程序也就越长。这里应当指出的是，程序的长与短与PLC运行的可靠程度无关，仅仅影响PLC的扫描周期，或者说对PLC的输出响应略有影响，但这种影响十分有限，可以不予考虑。因此设计者可以充分利用“无限多的软触点”进行充分的可靠性联锁。
2 采用时间监控与保护程序提高系统的安全可靠性
一般来讲，大多数的顺序控制中，每个状态持续的时间大致有一个相对准确值，若某一状态持续的时间与正常时间有较大出入时，往往意味着系统可能出现故障，应当及时停止工作进行检查以确定原因。
时间监控与保护程序的设计思路很简单，以被监控“状态”的正常工作时间作为参考时间，在该“状态”被启动的同时也启动一个监控定时器，监控定时器的时间根据被控制设备的具体情况固定在比该“状态”参考时间长（5～30%之间）。当该“状态”的实际工作时间未超过监控定时间的监控时间时，则被认为该“状态”工作正常。若实际工作时间超过监控定时器的时间，则被认为该“状态”工作出现问题，监控定时器动作发出信号，PLC根据事先编制好的监控保护程序作出相应的动作（禁止输出、停止转移或报警显示等）。
这种设计理念是建立在对已经发生的事故现象进行检测并做作相应措施的基础上的。因此，这种监控保护程序无法事先对故障隐患进行检测，因而也就不能避免事故发生。它只能在事故障发生后做作相应处理，以避免事故的进一步扩大。这种设计方法思路简单，但存在较多的局限性，例如对采用行程控制的系统或“状态”就不适合。在实际应用中，这种方法常常作为系统的辅助性安全措施，而不作为主要的安全保护措施。
3 采用逻辑判断程序提高系统的安全可靠性
较复杂的顺序控制系统中往往有较多的外部输入信号，例如各种主令电器、转换电器、位置开关、传感器等等的输入信号。经验表明，这类PLC控制系统很多故障的原因就在于这些输入器件自身出现了问题而无法传递正确或者符合逻辑的控制信号，从而导致系统工作混乱。
输入信号逻辑判断程序设计的思路是：通过编制和运行输入信号逻辑判断程序，对系统输入的实时信号进行逻辑分析（运算），从而判断出输入信号正确与否。当需要判断的输入信号较多时，还可以编制数据传输程序将顺序控制中各状态应有的、符合逻辑的正确的输入信息事先存入PLC内部字或位寄存器列表中；通过编制和运行数据逻辑判断程序，将每一状态的实时输入信号与该状态事先已经存入的正确信号进行比较。根据比较结果决定PLC是否开始工作，或决定其当前状态、下一状态的工作情况等。
逻辑判断程序的运行视被控系统的特点与要求决定，可以安排每个扫描周期都运行，也可安排在被控设备运行开始时扫描逻辑判断程序，还可采用诸如中断、定时等运行方式。
由于是采用对输入信号进行检测比较，从某种程度上讲是对部分事故的隐患进行检测。而这种检测通常安排在事故发生前进行。因此，采用这种方法可以部分避免事故的发生，起到防患于未然的作用。
一个系统中若对所有的输入信号都进行正确性逻辑判断的话，则必将引起判断程序的复杂化，同时也大增加程序编制的难度，事实上也没有这个必要。逻辑判断程序的编制往往是具有针对性的，一般情况下，我们只对某些发生错误后可能引起设备或人身事故的输入信号进行正确性判断就可以了。判断保护程序的编制没有固定的模式，编制过程非常常灵活，因此在实际应用中使用较多。
图一是某一锅炉房运煤车的工作示意图，其工作流程如下：工人在存煤库装好煤→发出运行指令后煤车向前运行→运行到终点后进行自动卸煤→T1时间后自动返回→到存煤库后自动停止。（图中0SQ、1SQ分别为原始位置开关和超限位开关，2SQ、3SQ分别为终点位置开关和超限位开关，SB1起动信号）
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这是一个简单“步进”控制，与自动循环有关的输入信号有起动信号(SB1→X0)、行程信号（0SQ→X1、1SQ→X2）。其它信号（停止信号、超限位信号等）因与自动循环控制无关而未列出。
煤车工作的状态转移图直接设计成附图二所示。显然，我们在设计该状态转移图时未考虑系统的安全可靠性问题；因此，对应的控制程序（或梯形图）就缺乏安全可靠性，所以煤车运行是存在事故隐患的。
通过对该系统的分析可知，可能出现的最严重事故是：
①煤车运行到极限位置后无法正常停车，②煤车运行时的工作流程发生混乱。引起这两种事故的主要原因是位置开关（0SQ、2SQ）出现故障。
位置开关0SQ和2SQ的故障不外乎两种，即不动作或不能复位。若开关不动作，则煤车到位后就不能自动停止，就可能引发更大的事故（因此必须加装超限位保护）；若开关动作后不能复位，则煤车运行流程将发生混乱。因此，若要提高该系统的安全可靠性，则必须设法避免由于0SQ和2SQ问题可能引起的事故。
4.1 采用联锁的办法解决
若在设计状态转移图时，对上述由于输入电器故障可能引发的安全可靠性问题一并考虑在内，则状态转移图就可以设计成附图三所示。在这里，将联锁条件也作为系统转移条件的一部分出现在转移条件中；从本质上讲这种方法就是通过联锁，当输入电器出现故障时，其传达的信号在一定阶段就会反映出电器的这种故障，从而输入一个不符合正常逻辑的信号，使转移条件得不到满足，状态转移停止，从而达到安全保护的目的。联锁信号出现的位置，则可以根据具体设备工作情况而定，切不可随意确定。
4.2 用输入信号逻辑判断法解决
为此必须要分析出不同状态下的输入信号的正确的逻辑关系，这是至关重要的，它直接影响到系统的安全可靠性。此例中正确的逻辑关系应当是：
① 煤车在原始位置和终点（卸煤）位置时，0SQ、2SQ不可能同时动作。
② 煤车在前进运行运行过程中2SQ不应当动作；在后退运行过程中0SQ不应当动作。
任何与上述逻辑不相符的状态出现，都意味系统的输入信号出现了问题。据此设计出图四所示判断与保护程序。图中辅助继电器M10为“1”时，则说明输入信号混乱，并将此信号作为启动保护信号使PLC根据设备特点和要求采取相应的保护措施。（图四中采用禁止输出继电器M8034使系统停止工作，主程序依然采用状态转移图二）。
5 结束语
电气控制安全可靠性设计的方法很多，往往是一种综合设计。利用PLC内部剩余资源提高系统的安全可靠性是众多设计方法中的一种，这种方法一般情况下不必增加PLC的I/O点数，也不必改变外部连线，具有简单实用，经济可靠等特点，是一种值得推荐使用的方法。
参考文献
［1］ 凌忠兴.小型PC控制系统故障检测设计方法.机床电器,2001,4.
［2］ 付家才主编.工业控制工程实践技术.化学工业出版社,2003,7.
［3］ 上海起重电器厂.FX2系列可编程控制器使用手册.1992,7.
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