從復(fù)雜的宇宙飛船到簡單的自行車，只要是設(shè)備，就可能出現(xiàn)故障，就涉及到故障排除的問題。

對于，以PLC為核心的電氣控制系統(tǒng)，可能的故障原因多集中在三個區(qū)域：輸入側(cè)、程序本身和輸出側(cè)。輸入側(cè)指傳感器、操作元器件、信號線、輸入模塊等與PLC輸入有關(guān)的所有硬件。輸出側(cè)包括輸出模塊、信號線、指示燈、執(zhí)行器件等有關(guān)的硬件?？刂菩盘柕牧飨蛉鐖D1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)典型信號流向圖

當(dāng)故障原因不明確時，通常是按照信號的反向流程來分區(qū)判斷。當(dāng)一個執(zhí)行器件未按照設(shè)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(zhí)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，并繼續(xù)追蹤，直到查出程序問題，或者輸入問題，并準(zhǔn)確定位到故障點。

如何查程序？依據(jù)故障現(xiàn)場持續(xù)的時間，可以大致分成持續(xù)故障和短時故障兩類。

持續(xù)故障是指故障點的狀態(tài)持續(xù)不變，比如某個傳感器硬件故障，信號維持一個固定的狀態(tài)。這里繼續(xù)分兩種情況討論，如果是持續(xù)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(tài)來判斷故障點。比如說，某個設(shè)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(xù)，如果起作用的時刻比較短，則還是要按照后面說明的短時故障去判斷。比如說，某移動設(shè)備的一個位置傳感器，只有設(shè)備經(jīng)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(shè)備經(jīng)過前，故障是不會表現(xiàn)出來的。

短時故障，是指故障原因出現(xiàn)的時間很短（尤其是偶發(fā)的短時故障），比如說，某個傳感器的信號線松了，設(shè)備發(fā)生振動，信號時斷時續(xù)，甚至十天半個月來一次。或者，系統(tǒng)出現(xiàn)了干擾，某個信號偶爾會不正常反轉(zhuǎn)。短時故障也指那些故障的狀態(tài)只能在短時間顯現(xiàn)的情況（前一段描述的情況）。

對于短時故障，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(xù)狀態(tài)記錄。在出現(xiàn)故障時，回看故障時各變量的狀態(tài)記錄，結(jié)合程序邏輯，就可以判斷出故障點或者故障范圍，然后，縮小范圍繼續(xù)錄波，直到定位出故障點。

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里將需要記錄的變量都添加進去，并設(shè)置成連續(xù)記錄，然后用波形查看控件進行波形的回放。這種方法對于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(fā)，然后再運行起來，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刷新周期，PLC的程序執(zhí)行周期一般在100ms之內(nèi)，因此，會遺漏很多細節(jié)。

PLC編程軟件能記錄曲線的并不多，并且也不太容易操作。比如STEP7是無法記錄曲線的，博圖具有軌跡功能（限于S7-1200、S7-1500等），但是其本質(zhì)是PLC內(nèi)進行記錄，然后上傳顯示，優(yōu)點：可以實現(xiàn)每周期的記錄。可以進行條件觸發(fā)。缺點：不能連續(xù)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(xù)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(nèi)新出現(xiàn)的PLC-Recorder錄波軟件，與PLC-ANALYZER風(fēng)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(jù)故障現(xiàn)象持續(xù)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

對于超短時的故障，需要采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自己按照掃描周期錄波，然后事后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(shù)據(jù)緩沖，然后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），則可以采用拖尾法對于可疑的信號進行處理，讓信號的時間變長，然后利用通用錄波軟件或者HMI對于處理后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(xiàn)了高電平，則可以增加程序，對其進行斷開延時，然后記錄斷開延時后的信號即可（如下圖所示）。對于可能出現(xiàn)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

圖4 故障分類和排查方法分類

控制系統(tǒng)的故障原因非常多，本文只是討論了那些和PLC有關(guān)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。