0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加快，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越完善，自動化程度越來越高?；赑LC的控制系統(tǒng)在國防武器裝備上也得到了廣泛的應(yīng)用，武器性能的提高，也帶來了維修保障的諸多問題。其典型問題是檢測流程復(fù)雜、故障診斷有效手段缺乏、維護(hù)保障成本高，這些問題嚴(yán)重影響著武器裝備的完好性和壽命周期費用。為了解決這些難題，本文以某武器電氣控制系統(tǒng)為例，對PLC控制系統(tǒng)故障模式進(jìn)行深入研究，建立了控制系統(tǒng)的通用故障模型，為PLC控制系統(tǒng)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

1 通用化故障模型

　　根據(jù)控制系統(tǒng)故障的輕重緩急以及響應(yīng)故障的時間要求，對PLC控制系統(tǒng)的故障分類如下：

　　(1)一級故障：可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果的故障，要求系統(tǒng)立即停機(jī)并向操作人員聲光報警。

　　(2)二級故障：對控制過程不利，即產(chǎn)生影響。由故障處理程序進(jìn)行自糾正處理，并通過信號輸出模塊屏蔽錯誤信號，同時向操作人員做聲音報警；若一段時間后故障仍存在，則故障升級。

　　(3)三級故障：程序檢測到的一般性錯誤或異常，只記憶并向操作人員做出相應(yīng)的指示，控制程序繼續(xù)執(zhí)行。

　　根據(jù)上述PLC控制系統(tǒng)的故障模式，可建立一種通用故障模型，如圖1所示。

　　當(dāng)PLC提取到故障征兆，根據(jù)當(dāng)前故障所屬等級，通過中斷選擇相應(yīng)的響應(yīng)方式。武器設(shè)備的故障信號作為PLC的輸人中斷源，一旦出現(xiàn)故障信號，CPU立即響應(yīng)，停止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)到中斷子程序中去，即可方便地對故障進(jìn)行處理。它與直接利用PLC的內(nèi)部邏輯完成故障診斷的不同之處在于：采用輸入中斷處理故障可停止PLC主程序的執(zhí)行過程，而直接利用PLC的輸入和內(nèi)部邏輯處理故障時PLC的主程序仍處于運(yùn)行狀態(tài)。

2 故障樹的應(yīng)用

　　2.1 故障樹的構(gòu)建

　　故障樹分析法(Fault Tree Analysis，簡記為FTA)通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境和人為因素等)由總體至部分按樹狀分支進(jìn)行逐級細(xì)化分析，畫出邏輯框圖(即故障樹)，從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式及其對系統(tǒng)的影響。在對某武器裝備控制系統(tǒng)進(jìn)行失效分析后，將制冷機(jī)不工作定義為一級故障。制冷機(jī)系統(tǒng)由冷凝器、變頻器、電動機(jī)、電源裝置等組成。建立該制冷機(jī)系統(tǒng)的故障樹，如圖2所示。其中，丁為制冷機(jī)不工作；A為電源故障；B為交流電源故障；C為直流電源故障；D為散熱器故障；E為散熱片溫度高；F為冷卻風(fēng)扇不轉(zhuǎn)；G為變頻器故障；H為回路無電，變頻器不工作；J為保險絲斷；J為回路有電，變頻器不工作；K為接觸器未閉合；L為線圈斷路；M為接觸器卡?。籒為電動機(jī)不工作；O為溫度控制器故障；P為電動機(jī)繞組線圈故障。

　　2.2 故障樹定性分析

　　故障樹定性分析的主要任務(wù)也就是確定系統(tǒng)的最小割集。割集指的是故障樹中的一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件同時發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生。最小割集指的是滿足以下條件的割集：若將割集所含的底事件任意去掉一個它就不能再稱為割集，否則該割集就不是最小割集。確定最小割集的意義就在于確定了系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，同時指出了系統(tǒng)的故障原因。

3 故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建

　　3.1 系統(tǒng)流程

　　圖3為故障診斷系統(tǒng)流程?？刂葡到y(tǒng)狀態(tài)的特征信號一般分為3種形式：①以能量形式來表現(xiàn)特征信號，如溫度、壓力、流量等；②以數(shù)字形式來表現(xiàn)特征信號，如總線數(shù)據(jù)流、數(shù)字信號流等；③以直接的物理狀態(tài)來表現(xiàn)特征信號，如開關(guān)的閉合、電機(jī)的啟停等。當(dāng)PLC提取到故障征兆后，即進(jìn)入模式識別程序。將提取到的待檢模型與預(yù)先設(shè)定好的參考模型相對比，從而判斷出待檢模型應(yīng)劃分為哪一類故障。當(dāng)故障類別判定后，PLC程序產(chǎn)生對應(yīng)故障的決策機(jī)制，并通過中斷程序，執(zhí)行預(yù)定處理程序，將其響應(yīng)作用于武器控制系統(tǒng)。

　　3.2 程序設(shè)計

　　PLC故障診斷系統(tǒng)工作過程就是將采集到的各元件狀態(tài)信息與參考模型相對比的過程。下面還以制冷機(jī)故障為例，部分程序如下。

(1)一級故障：圖4為一級故障梯形圖，程序中的元件就是對應(yīng)一級故障制冷機(jī)不工作的系統(tǒng)最小割集中的底事件，其對應(yīng)情況如表1所示，當(dāng)最少一個最小割集出現(xiàn)故障時，程序跳轉(zhuǎn)到一級故障的處理子程序。P5子程序就是對應(yīng)一級故障的處理措施。

　　(2)二級故障：系統(tǒng)檢測到故障后，與通用故障模型對比后，如果確定為二級故障，則程序中斷，跳轉(zhuǎn)到二級故障處理子程序P6，二級故障梯形圖如圖5所示。當(dāng)程序收到故障標(biāo)志位置位的信號后，啟動聲光報警裝置Y021，同時啟動定時器T10，如果在5S內(nèi)故障仍未清除，則二級故障升級為一級故障，程序立即跳轉(zhuǎn)到一級故障處理子程序P5。各元件地址定義見表2。

4 結(jié)束語

　　由于PLC的最大程序容量、內(nèi)部繼電器、定時器、計數(shù)器數(shù)量都相當(dāng)大，即使中小型PLC在現(xiàn)實應(yīng)用中，都有相當(dāng)?shù)挠嗔?。本文基于上述思想，將PLC的這部分潛力充分挖掘，采用FTA方法對故障進(jìn)行診斷，不僅提高了維修效率，而且節(jié)約了經(jīng)費，對于民用控制系統(tǒng)設(shè)備同樣具有一定的現(xiàn)實意義。