基于PLC內(nèi)部安全鏈的故障檢測優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘" 要：該文研究設(shè)計(jì)一種PLC內(nèi)部安全鏈，即在PLC控制系統(tǒng)內(nèi)增加一個(gè)安全鏈模塊，在CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊上分別增加一個(gè)故障自檢輸出電路，各個(gè)模塊獨(dú)立監(jiān)測自身的運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)，并將故障信號輸送至安全鏈模塊。安全鏈模塊接收其他模塊發(fā)送的故障信號后，進(jìn)一步進(jìn)行組態(tài)處理并輸出相應(yīng)等級的安全鏈信號。各個(gè)模塊獨(dú)立監(jiān)測自身故障，使得PLC故障檢測更加全面、高效。

關(guān)鍵詞：PLC；安全鏈模塊；故障檢測；通信模塊；繼電器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0113-05

Abstract： This paper studies and designs a kind of PLC internal safety chain， that is， a safety chain module is added in the PLC control system， and a fault self-check output circuit is added to the CPU module， the I/O module， the communication module and the power supply module. Each module independently monitors its own running status and communication status， and transmits the fault signal to the safety chain module. After receiving the fault signals sent by other modules， the safety chain module further carries out configuration processing and outputs the corresponding level of safety chain signals. Each module monitors its own fault independently， which makes PLC fault detection more comprehensive and efficient.

Keywords： PLC; safety chain module; fault detection; communication module; relay

PLC（可編程邏輯控制器）一般采用分布式運(yùn)行方式，在結(jié)構(gòu)上劃分為多個(gè)不同的模塊，包括通信模塊、I/O模塊及CPU模塊等，主要采用內(nèi)部通信的方式進(jìn)行有效連接。通常情況下，CPU模塊屬于核心的控制部分，需要對其他各個(gè)模塊進(jìn)行有效監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)是否存在故障問題，對于發(fā)現(xiàn)的問題可以進(jìn)行告警，或者是通過其他的方式進(jìn)行控制，避免影響到PLC的正常運(yùn)行。然而CPU模塊并不能保證絕對的可靠，無法保證對全部的故障進(jìn)行監(jiān)測，存在一定的死區(qū)。另外，有的模塊存在軟硬件故障時(shí)，難以有效地對安全鏈進(jìn)行觸發(fā)，這些模塊無法對自身的故障進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，所以一旦出現(xiàn)此類故障，極易影響到系統(tǒng)的運(yùn)行。

基于此，本文提出一種PLC內(nèi)部安全鏈，CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊各個(gè)模塊獨(dú)立監(jiān)測故障，并將故障信號輸入至安全鏈模塊，由安全鏈模塊負(fù)責(zé)對這些故障信號進(jìn)行組態(tài)處理，使得監(jiān)測方式更靈活、更全面、更高效。

1" PLC安全鏈保護(hù)工作原理

此次研究設(shè)計(jì)了一種PLC內(nèi)部安全鏈，即在PLC控制系統(tǒng)內(nèi)增加一個(gè)安全鏈模塊，在CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊上分別增加一個(gè)故障自檢輸出電路，各個(gè)模塊獨(dú)立監(jiān)測自身的運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)，并將故障信號輸送至安全鏈模塊。安全鏈模塊接收到其他模塊發(fā)送的故障信號后，進(jìn)一步進(jìn)行邏輯組合處理，可以得到相應(yīng)等級的安全鏈信號。PLC通過安全鏈模塊實(shí)現(xiàn)所有故障信號的采集和邏輯組合，即可以根據(jù)單個(gè)輸出的故障信號，輸出相應(yīng)安全等級的安全鏈信號；也可以根據(jù)多個(gè)輸入的故障信號，進(jìn)行組態(tài)處理，輸出的安全鏈信號與所有輸入的故障信號均相關(guān)。各個(gè)模塊獨(dú)立監(jiān)測自身故障，使得PLC故障檢測更加全面、高效。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2" PLC內(nèi)部安全鏈的特征

如果只是通過CPU模塊來實(shí)現(xiàn)PLC的故障檢測，則難以保證檢測的全面性與可靠性，因?yàn)樵谶@種模式下主要利用CPU模塊來進(jìn)行故障的檢測，其他模塊處于被動(dòng)檢測的地位，無法保證獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。為了有效地解決上述問題，各個(gè)模塊檢測自己的故障問題，然后統(tǒng)一傳輸給安全鏈模塊，則保證了檢測結(jié)果的可靠性。具體的優(yōu)勢包括：①首先模塊之間彼此獨(dú)立，不會(huì)互相影響，保證了檢測結(jié)果的完整性；②根據(jù)各個(gè)模塊的故障信號得到輸出不同等級的安全鏈信號；③安全鏈模塊對各模塊輸送過來的故障信號進(jìn)行邏輯組合，故障輸出類型與所有模塊密切相關(guān)；④輸出的安全鏈信號對應(yīng)著不同的等級，為故障的監(jiān)測和處理提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

3" PLC內(nèi)部安全鏈的組成

3.1" CPU模塊

CPU模塊屬于核心的部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對其他部分的調(diào)度與控制，通過與其他部分之間的配合來實(shí)現(xiàn)整體的功能。具體到功能而言，該部分需要進(jìn)行對外輸出及通信、控制執(zhí)行及采集數(shù)據(jù)等不同的功能[1]。該模塊對于PLC整體控制功能的實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生決定性的影響。其具體需要實(shí)現(xiàn)的功能如下所示：①針對用戶輸入的數(shù)據(jù)及程序進(jìn)行存儲(chǔ)；②針對所采集或輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算，響應(yīng)用戶的請求，并將處理之后的效果返回給用戶；③針對內(nèi)部電路運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，實(shí)現(xiàn)故障告警等功能；④針對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來保存一些需要的數(shù)據(jù)；⑤與各個(gè)外設(shè)進(jìn)行交互，接收其信息，并且可以發(fā)出控制的指令，從而執(zhí)行對應(yīng)的控制功能。

CPU模塊是PLC控制系統(tǒng)中最重要的模塊，該模塊最重要的功能是執(zhí)行指令，因此可以通過核實(shí)CPU的指令執(zhí)行情況實(shí)現(xiàn)故障檢測。指令自檢具備了較高的有效性，該模塊在進(jìn)行自檢過程中可以對各種指令的編碼進(jìn)行分析，明確代表的各個(gè)指令，有助于改善效率。

CPU模塊會(huì)出現(xiàn)的故障主要包括硬件初始化不通過、內(nèi)部存儲(chǔ)器讀寫失敗、通信長時(shí)間中斷或校驗(yàn)出錯(cuò)[2]，當(dāng)CPU模塊存在上述問題時(shí)，會(huì)出現(xiàn)CPU單元停機(jī)或運(yùn)行燈不亮等現(xiàn)象。如圖2所示的電路可以應(yīng)用于CPU模塊的軟件故障信號輸出電路。該電路在監(jiān)測時(shí)利用了看門狗芯片TPS3820，在程序正常運(yùn)行或崩潰的情況下，WDIO信號分別正常取反、無法取反。當(dāng)出現(xiàn)WDIO信號無法正常取反的情況時(shí)，看門狗芯片輸出的KCJ信號會(huì)變位，導(dǎo)致光耦隔離單元K1輸出的無源接點(diǎn)變位。

3.2" I/O模塊

PLC廣泛用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，在其運(yùn)行過程中需要通過特定的I/O模塊來實(shí)現(xiàn)與外部控制過程的交互[3]，從而建立與工業(yè)生產(chǎn)過程之間的銜接。該部分總體劃分為輸入、輸出2個(gè)不同的模塊，其中前者主要用于實(shí)現(xiàn)信號的輸入及轉(zhuǎn)換，一般包括模擬量及數(shù)字量信號，針對二者進(jìn)行轉(zhuǎn)換會(huì)后即可得到特定的數(shù)字信號，并傳輸?shù)教幚砥髦羞M(jìn)行處理和運(yùn)算。后者的功能在于將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和輸出，使得調(diào)速裝置、顯示器及電磁閥等接收到這些信號之后來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。通常情況下會(huì)在輸入/輸出單元中集成專用的光電隔離裝置，由此可以提升其抗干擾能力，具備了更強(qiáng)的適用性[4]。

I/O模塊通過自檢的方式來確定自身的工作狀態(tài)，自檢的結(jié)果將保存在特定的寄存器中，支持通過對這些寄存器進(jìn)行讀取來獲得自檢的狀態(tài)。在PLC工作時(shí)，為了確保I/O模塊始終處于正常的工作狀態(tài)，將對其執(zhí)行輪詢操作，可以發(fā)現(xiàn)存在的異常問題。對于出現(xiàn)的錯(cuò)誤問題將統(tǒng)一進(jìn)行記錄和管理，據(jù)此來判斷設(shè)備是否可以保持穩(wěn)定的運(yùn)行。

I/O模塊的故障可以從2個(gè)角度來考慮，分別是輸入故障和輸出故障，二者存在明顯的差異性。其中前者涉及輸入斷電等情況，后者主要是整個(gè)模塊輸出不接通或者是整個(gè)模塊全部不關(guān)斷等現(xiàn)象[5]。故障信號輸出電路采用了無源接點(diǎn)輸出方式，光耦隔離單元K1屬于該電路中的重要組成部分，連接輸入和輸出；K1的2個(gè)輸入端分別與I/O模塊、電源連接，分別與I/O模塊故障信號的接收及供電有關(guān)。考慮到需要接入模擬量輸入、數(shù)字量輸入等不同的信息，可以配置對應(yīng)的I/O模塊。故障信號輸出電路的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3" 通信模塊

通信模塊為PLC系統(tǒng)與上位機(jī)和外部系統(tǒng)的交互提供通訊組態(tài)必要支持的單元部分，該部分對于各個(gè)部分的銜接以及數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。該模塊的作用在于將各個(gè)硬件部分進(jìn)行銜接，支持通過不同的接口進(jìn)行通信，可通過專用的選擇開關(guān)來設(shè)置所需要的接口。除了各個(gè)部分之間的銜接，也能夠?qū)LC和外部計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行連通，高效完成數(shù)據(jù)傳輸以及交互的過程[6]。

通信模塊負(fù)責(zé)PLC和其他外設(shè)之間的通信，在系統(tǒng)中集成了專用的計(jì)數(shù)器，在該模塊執(zhí)行一次之后將進(jìn)行累加。如果某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，診斷程序并未發(fā)現(xiàn)累加值發(fā)生改變，則將報(bào)警，提示出現(xiàn)的錯(cuò)誤信息。在該模塊初始化的時(shí)候?qū)⒃O(shè)置計(jì)數(shù)器值為1，也就是一個(gè)初始值，后續(xù)將在該值的基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。

通信模塊輸出的外部通信故障信號是指通信模塊與外系統(tǒng)之間的通信障礙信號。通信模塊的故障輸出電路與CPU模塊和I/O模塊類似，其主要采用了無源接點(diǎn)輸出方式，將光耦隔離單元K1設(shè)置在輸入、輸出間。K1的2個(gè)輸入端同樣分別連接通信模塊、+5 V電源。該電路的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4" 電源模塊

電源模塊負(fù)責(zé)給PLC的各個(gè)模塊供電，電源在供電過程中，不可避免會(huì)遭到電壓和電流的波動(dòng)沖擊[7]，因此電源模塊是PLC運(yùn)行過程中最容易發(fā)生故障的部分，必須對其進(jìn)行合理地設(shè)置，防范可能發(fā)生的故障問題，保證供電的穩(wěn)定性?？紤]到供電的要求，一般需要添加濾波器及隔離變壓器，有助于提升供電的可靠性，降低干擾因素的不利影響。

電源故障屬于比較常見的現(xiàn)象，對此必須制定行之有效的應(yīng)對策略。掉電檢測屬于一個(gè)基本的功能，必須確保該功能有效地實(shí)現(xiàn)。在發(fā)生掉電問題時(shí)，將為PLC傳輸24 V中斷信號，CPU電源失電與24 V檢測到電源掉電存在一定的時(shí)間間隔，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)CPU可以快速響應(yīng)，執(zhí)行備份等操作，避免掉電而帶來其他的不利影響。

如圖5所示的電路可以應(yīng)用于電源模塊的故障信號輸出電路，該電路可以對電源板的各個(gè)電源進(jìn)行監(jiān)測，分別是3.3、5、24 V電源。K1、K2分別為光耦隔離單元、電氣隔離單元。在某個(gè)電源失電的情況下，K1輸出的無源接點(diǎn)變位，24 V作為輸入電源，利用K2實(shí)現(xiàn)與5 V電源和3.3 V電源的電氣隔離。

3.5" 安全鏈模塊

安全鏈模塊負(fù)責(zé)接收CPU模塊、I/O模塊、通信模塊和電源模塊發(fā)送過來的故障信號，并根據(jù)接收到的故障信號進(jìn)行邏輯組合，輸出相應(yīng)等級的安全鏈信號。安全鏈模塊與其他模塊的無源接點(diǎn)進(jìn)行連接，采集各個(gè)模塊的故障信號，故障信號采集電路如圖6所示。

結(jié)合先前的分析可知，安全鏈模塊屬于關(guān)鍵的部分，在輸入不同的故障信號之后進(jìn)行特定的處理，將這些故障信號進(jìn)行邏輯組合之后即可輸出對應(yīng)的安全鏈信號。這種方式的優(yōu)勢在于靈活度和可靠性較高。針對輸入的不同信號進(jìn)行組態(tài)處理，從而輸出對應(yīng)的安全鏈信號；或者是針對某個(gè)特定的故障信號進(jìn)行處理，同樣可以輸出對應(yīng)的信號。最終輸出的信號對應(yīng)著不同的安全等級。

繼電器輸出回路是保證安全鏈模塊穩(wěn)定運(yùn)行的重要部分。其他模塊輸出的故障信號進(jìn)入安全鏈模塊中進(jìn)行處理，通過組態(tài)處理之后得到對應(yīng)的輸出。為了保證安全鏈模塊信號輸出的穩(wěn)定性和可靠性，安全鏈模塊利用光耦驅(qū)動(dòng)磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出，即使出現(xiàn)設(shè)備掉電的情況依然能夠保證接點(diǎn)輸出的穩(wěn)定性。繼電器的狀態(tài)僅與輸入信號有關(guān)，當(dāng)輸入信號變化時(shí)，繼電器的開合狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。繼電器輸出回路的基本電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4" 結(jié)束語

綜上所述，本文針對PLC故障檢測問題設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部安全鏈，從而實(shí)現(xiàn)故障的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測。不同于傳統(tǒng)安全鏈PLC只有CPU模塊負(fù)責(zé)故障檢測，所有模塊均可以獨(dú)立監(jiān)測故障，彼此之間不會(huì)產(chǎn)生影響，每個(gè)模塊均設(shè)置了故障自檢多路輸出信號，由各自的控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測本模塊的運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)。各模塊將故障信號輸出至安全鏈模塊，安全鏈模塊接收到故障信號后對其進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)的邏輯組合，輸出相應(yīng)的安全等級的安全鏈信號。在實(shí)際的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，安全鏈模塊能夠有效提高故障診斷效率，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟君.基于不同冗余結(jié)構(gòu)的PLC系統(tǒng)可靠性與可用性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（9）：80-83.

[2] 劉延霞.PLC控制系統(tǒng)故障特性與診斷方法研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2021，20（9）：55-56.

[3] 王良成，汪源，張永輝.PLC技術(shù)下新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障檢測[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2022（6）：199-202，207.

[4] 周海波.PLC控制系統(tǒng)在整流系統(tǒng)中的故障診斷和問題處理探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（20）：156-157.

[5] 李明時(shí)，馬躍，尹震宇，等.一種異構(gòu)處理架構(gòu)的PLC集成安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2019，40（4）：856-860.

[6] 尚文利，尹隆，劉賢達(dá)，等.工業(yè)控制系統(tǒng)安全可信環(huán)境構(gòu)建技術(shù)及應(yīng)用[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2019（6）：1-10.

[7] 擺念宗.風(fēng)電機(jī)組安全鏈保護(hù)試驗(yàn)方法研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2020（12）：32-34.