基于PLC內部安全鏈的故障檢測優化設計研究

摘" 要：該文研究設計一種PLC內部安全鏈，即在PLC控制系統內增加一個安全鏈模塊，在CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊上分別增加一個故障自檢輸出電路，各個模塊獨立監測自身的運行狀態和通信狀態，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送的故障信號后，進一步進行組態處理并輸出相應等級的安全鏈信號。各個模塊獨立監測自身故障，使得PLC故障檢測更加全面、高效。

關鍵詞：PLC；安全鏈模塊；故障檢測；通信模塊；繼電器

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：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）一般采用分布式運行方式，在結構上劃分為多個不同的模塊，包括通信模塊、I/O模塊及CPU模塊等，主要采用內部通信的方式進行有效連接。通常情況下，CPU模塊屬于核心的控制部分，需要對其他各個模塊進行有效監控，及時發現是否存在故障問題，對于發現的問題可以進行告警，或者是通過其他的方式進行控制，避免影響到PLC的正常運行。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行監測，存在一定的死區。另外，有的模塊存在軟硬件故障時，難以有效地對安全鏈進行觸發，這些模塊無法對自身的故障進行監測和報警，所以一旦出現此類故障，極易影響到系統的運行。

基于此，本文提出一種PLC內部安全鏈，CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊各個模塊獨立監測故障，并將故障信號輸入至安全鏈模塊，由安全鏈模塊負責對這些故障信號進行組態處理，使得監測方式更靈活、更全面、更高效。

1" PLC安全鏈保護工作原理

此次研究設計了一種PLC內部安全鏈，即在PLC控制系統內增加一個安全鏈模塊，在CPU模塊、I/O模塊、通信模塊及電源模塊上分別增加一個故障自檢輸出電路，各個模塊獨立監測自身的運行狀態和通信狀態，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送的故障信號后，進一步進行邏輯組合處理，可以得到相應等級的安全鏈信號。PLC通過安全鏈模塊實現所有故障信號的采集和邏輯組合，即可以根據單個輸出的故障信號，輸出相應安全等級的安全鏈信號；也可以根據多個輸入的故障信號，進行組態處理，輸出的安全鏈信號與所有輸入的故障信號均相關。各個模塊獨立監測自身故障，使得PLC故障檢測更加全面、高效。其原理結構如圖1所示。

2" PLC內部安全鏈的特征

如果只是通過CPU模塊來實現PLC的故障檢測，則難以保證檢測的全面性與可靠性，因為在這種模式下主要利用CPU模塊來進行故障的檢測，其他模塊處于被動檢測的地位，無法保證獲得準確的檢測結果。為了有效地解決上述問題，各個模塊檢測自己的故障問題，然后統一傳輸給安全鏈模塊，則保證了檢測結果的可靠性。具體的優勢包括：①首先模塊之間彼此獨立，不會互相影響，保證了檢測結果的完整性；②根據各個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行邏輯組合，故障輸出類型與所有模塊密切相關；④輸出的安全鏈信號對應著不同的等級，為故障的監測和處理提供了準確的依據。

3" PLC內部安全鏈的組成

3.1" CPU模塊

CPU模塊屬于核心的部分，負責實現對其他部分的調度與控制，通過與其他部分之間的配合來實現整體的功能。具體到功能而言，該部分需要進行對外輸出及通信、控制執行及采集數據等不同的功能[1]。該模塊對于PLC整體控制功能的實現會產生決定性的影響。其具體需要實現的功能如下所示：①針對用戶輸入的數據及程序進行存儲；②針對所采集或輸入的數據進行處理、計算，響應用戶的請求，并將處理之后的效果返回給用戶；③針對內部電路運行狀況進行監測分析，及時發現存在的安全隱患，實現故障告警等功能；④針對采集數據進行實時掃描，通過數據存儲器來保存一些需要的數據；⑤與各個外設進行交互，接收其信息，并且可以發出控制的指令，從而執行對應的控制功能。

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

CPU模塊會出現的故障主要包括硬件初始化不通過、內部存儲器讀寫失敗、通信長時間中斷或校驗出錯[2]，當CPU模塊存在上述問題時，會出現CPU單元停機或運行燈不亮等現象。如圖2所示的電路可以應用于CPU模塊的軟件故障信號輸出電路。該電路在監測時利用了看門狗芯片TPS3820，在程序正常運行或崩潰的情況下，WDIO信號分別正常取反、無法取反。當出現WDIO信號無法正常取反的情況時，看門狗芯片輸出的KCJ信號會變位，導致光耦隔離單元K1輸出的無源接點變位。

3.2" I/O模塊

PLC廣泛用于工業控制領域中，在其運行過程中需要通過特定的I/O模塊來實現與外部控制過程的交互[3]，從而建立與工業生產過程之間的銜接。該部分總體劃分為輸入、輸出2個不同的模塊，其中前者主要用于實現信號的輸入及轉換，一般包括模擬量及數字量信號，針對二者進行轉換會后即可得到特定的數字信號，并傳輸到處理器中進行處理和運算。后者的功能在于將信號進行轉換和輸出，使得調速裝置、顯示器及電磁閥等接收到這些信號之后來實現對應的功能。通常情況下會在輸入/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，自檢的結果將保存在特定的寄存器中，支持通過對這些寄存器進行讀取來獲得自檢的狀態。在PLC工作時，為了確保I/O模塊始終處于正常的工作狀態，將對其執行輪詢操作，可以發現存在的異常問題。對于出現的錯誤問題將統一進行記錄和管理，據此來判斷設備是否可以保持穩定的運行。

I/O模塊的故障可以從2個角度來考慮，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，后者主要是整個模塊輸出不接通或者是整個模塊全部不關斷等現象[5]。故障信號輸出電路采用了無源接點輸出方式，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?？紤]到需要接入模擬量輸入、數字量輸入等不同的信息，可以配置對應的I/O模塊。故障信號輸出電路的具體結構如圖3所示。

3.3" 通信模塊

通信模塊為PLC系統與上位機和外部系統的交互提供通訊組態必要支持的單元部分，該部分對于各個部分的銜接以及數據傳輸至關重要。該模塊的作用在于將各個硬件部分進行銜接，支持通過不同的接口進行通信，可通過專用的選擇開關來設置所需要的接口。除了各個部分之間的銜接，也能夠將PLC和外部計算機之間進行連通，高效完成數據傳輸以及交互的過程[6]。

通信模塊負責PLC和其他外設之間的通信，在系統中集成了專用的計數器，在該模塊執行一次之后將進行累加。如果某個時間范圍內，診斷程序并未發現累加值發生改變，則將報警，提示出現的錯誤信息。在該模塊初始化的時候將設置計數器值為1，也就是一個初始值，后續將在該值的基礎上進行累加。

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輸出方式，將光耦隔離單元K1設置在輸入、輸出間。K1的2個輸入端同樣分別連接通信模塊、+5 V電源。該電路的具體結構如圖4所示。

3.4" 電源模塊

電源模塊負責給PLC的各個模塊供電，電源在供電過程中，不可避免會遭到電壓和電流的波動沖擊[7]，因此電源模塊是PLC運行過程中最容易發生故障的部分，必須對其進行合理地設置，防范可能發生的故障問題，保證供電的穩定性?？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象，對此必須制定行之有效的應對策略。掉電檢測屬于一個基本的功能，必須確保該功能有效地實現。在發生掉電問題時，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間間隔，在這個時間內CPU可以快速響應，執行備份等操作，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電源進行監測，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。在某個電源失電的情況下，K1輸出的無源接點變位，24 V作為輸入電源，利用K2實現與5 V電源和3.3 V電源的電氣隔離。

3.5" 安全鏈模塊

安全鏈模塊負責接收CPU模塊、I/O模塊、通信模塊和電源模塊發送過來的故障信號，并根據接收到的故障信號進行邏輯組合，輸出相應等級的安全鏈信號。安全鏈模塊與其他模塊的無源接點進行連接，采集各個模塊的故障信號，故障信號采集電路如圖6所示。

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

繼電器輸出回路是保證安全鏈模塊穩定運行的重要部分。其他模塊輸出的故障信號進入安全鏈模塊中進行處理，通過組態處理之后得到對應的輸出。為了保證安全鏈模塊信號輸出的穩定性和可靠性，安全鏈模塊利用光耦驅動磁保持繼電器實現穩定的輸出，即使出現設備掉電的情況依然能夠保證接點輸出的穩定性。繼電器的狀態僅與輸入信號有關，當輸入信號變化時，繼電器的開合狀態也會發生變化。繼電器輸出回路的基本電路結構如圖7所示。

4" 結束語

綜上所述，本文針對PLC故障檢測問題設計了一種內部安全鏈，從而實現故障的全面實時監測。不同于傳統安全鏈PLC只有CPU模塊負責故障檢測，所有模塊均可以獨立監測故障，彼此之間不會產生影響，每個模塊均設置了故障自檢多路輸出信號，由各自的控制器實時監測本模塊的運行狀態和通信狀態。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行串聯或并聯的邏輯組合，輸出相應的安全等級的安全鏈信號。在實際的工業化生產過程中，安全鏈模塊能夠有效提高故障診斷效率，從而提高企業生產效益。

參考文獻：

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