1、前言
從複雜的宇宙飛船到簡單的自行車，只要是設備，就可能出現故障，就涉及到故障排除的問題。
對於以PLC為核心的電氣控制系統，可能的故障原因多集中在三個區域：輸入側、程序本身和輸出側。輸入側指傳感器、操作元器件、信號線、輸入模塊等與PLC輸入有關的所有硬件。輸出側包括輸出模塊、信號線、指示燈、執行器件等有關的硬件。控制信號的流向如圖1所示。
圖1 PLC控制系統典型信號流向圖
2、故障分類和排查方法
當故障原因不明確時，通常是按照信號的反向流程來分區判斷。當一個執行器件未按照設計動作時，首先看PLC輸出信號是不是正常。如果PLC輸出信號正常，則是線/纜或者執行元器件的問題，本文不進行深入討論。如果PLC輸出信號不正常，則需要檢查程序，查看哪個條件不滿足，並繼續追蹤，直到查出程序問題，或者輸入問題，並準確定位到故障點。
如何查程序？依據故障現場持續的時間，可以大致分成持續故障和短時故障兩類。
持續故障是指故障點的狀態持續不變，比如某個傳感器硬件故障，信號維持一個固定的狀態。這裡繼續分兩種情況討論，如果是持續作用的信號，則可以用編程軟件直接在線查找到問題源。如果邏輯簡單，甚至可以直接查看輸入（DI）的狀態來判斷故障點。比如說，某個設備無法啟動，是可以從從容容地進行故障排查的。
即使故障原因持續，如果起作用的時刻比較短，則還是要按照後面說明的短時故障去判斷。比如說，某移動設備的一個位置傳感器，只有設備經過該位置時，信號才會短時出高電平，其他時刻都是低電平。如果這個傳感器失電，信號一直保持低電平，則設備經過前，故障是不會表現出來的。
短時故障，是指故障原因出現的時間很短（尤其是偶發的短時故障），比如說，某個傳感器的信號線鬆了，設備發生振動，信號時斷時續，甚至十天半個月來一次。或者，系統出現了干擾，某個信號偶爾會不正常反轉。短時故障也指那些故障的狀態只能在短時間顯現的情況（前一段描述的情況）。
對於短時故障，尤其是那些可能原因比較多的短時故障，無法依靠肉眼去長期跟蹤，比較好的手段就是信號錄波。基本思路：將異常的輸出及可能原因（PLC變量）都進行連續狀態記錄。在出現故障時，回看故障時各變量的狀態記錄，結合程序邏輯，就可以判斷出故障點或者故障範圍，然後，縮小範圍繼續錄波，直到定位出故障點。
3、錄波手段對比分析
常用的錄波手段包括：HMI軟件的變量記錄、編程軟件的曲線記錄、第三方通用錄波軟件。
HMI軟件的變量記錄（也指SCADA軟件），就是在HMI裡將需要記錄的變量都添加進去，並設置成連續記錄，然後用波形查看控件進行波形的回放。這種方法對於臨時查故障是極不方便的，因為，需要把HMI畫面停下來進行一次畫面開發，然後再運行起來，工作量不小，且影響操作人員的使用。另外，HMI的變量刷新速度一般較低，比如0.5s刷新週期，PLC的程序執行週期一般在100ms之內，因此，會遺漏很多細節。
PLC編程軟件能記錄曲線的並不多，並且也不太容易操作。比如STEP7是無法記錄曲線的，博圖具有軌跡功能（限於S7-1200、S7-1500等），但是其本質是PLC內進行記錄，然後上傳顯示，優點：可以實現每週期的記錄。可以進行條件觸發。缺點：不能連續跟蹤，不能脫離龐大的博圖軟件。
第三方通用錄波軟件是指那些能對多種PLC進行連續錄波的軟件，比較常見的是PLC-ANALYZER、IBA。這兩個軟件都是國外的軟件，價格昂貴，無免費使用部分。一般PLC工程師無法承受。國內新出現的PLC-Recorder錄波軟件，與PLC-ANALYZER風格、性能類似，且其大部分功能都可以長期免費使用。
簡單介紹了錄波軟件，回頭再看短時故障。根據故障現象持續的時間長短，要選擇不同的錄波手段。大家可以參照下圖選擇合適的軟件工具：
圖2 PLC錄波軟件的選擇建議
4、超短時故障的特殊方法
對於超短時的故障，需要採用特殊軟件或者特殊方法來進行故障錄波和診斷。某些軟件能讓PLC自己按照掃描週期錄波，然後事後上傳顯示的編程軟件，比如前面提到的博圖軌跡功能。也包括那些通過PLC編程進行數據緩衝，然後再打包上傳的專用軟件。
如果無法用特殊軟件進行錄波（比如型號非常老的PLC），則可以採用拖尾法對於可疑的信號進行處理，讓信號的時間變長，然後利用通用錄波軟件或者HMI對於處理後的信號進行錄波即可。比如某信號正常出低電平，懷疑其可能短時出現了高電平，則可以增加程序，對其進行斷開延時，然後記錄斷開延時後的信號即可（如下圖所示）。對於可能出現低電平的，則可以增加接通延時來進行拖尾，甚至兩種延時同時增加，進行兩個方向的拖尾。
圖3 通過斷開延時進行拖尾的時序圖
5、小結
圖4 故障分類和排查方法分類
控制系統的故障原因非常多，本文只是討論了那些和PLC有關的故障診斷方法，且僅深入討論了DI信號異常的診斷方法，其他類型信號的診斷方法，可參照這些思路進行研究。
2020年2月25日
說明：
1、本文是實踐經驗，非嚴格論文，與相關產品和理論可能不完全相符。
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3、本號堅持工控方面的原創（已有大量文章），歡迎關注。
4、本文已經在別處發表過，此處是修訂後的再發與留存。
