可編程序控制器（簡稱PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制和通信技術，面向控制過程、面向用戶、適應工業環境、操作方便、可靠性高的新一代通用工業控制裝置，與DCS、IPC 并稱為工業自動化工控領域的三大支柱，PLC技術代表著當前程序控制的先進水平。
隨著化工、電力、冶金等工業生產裝置規模的日趨大型化和復雜化，系統的經濟運行已日趨重要，相應地，對實施這一目的的控制系統也提出了更高的要求。 一方面，在系統出現某些異常情況時，如何實現在許可極限條件下的繼續運行，故障消除后迅速恢復到正常工作狀態？另一方面，如何保證控制系統本身在一個或多個關鍵環節出現故障的情況下，避免停車事故，確保系統繼續安全可靠的運行？這些已成為現代控制系統所面臨和急需解決的重要問題。
解決上述問題的途徑之一就是采用容錯技術。 但是目前PLC 在這一領域僅停留在對故障的檢測與顯示階段，對這類問題的研究目前見諸文獻不多。 在此，本文通過闡述利用梯形圖軟件設計來實現系統的帶故障運行，對這一領域的上述問題給予初步的探討。
1 PLC 的故障診斷方法
在PLC 控制系統中，PLC本身的可靠性一般較高，但PLC 的外部設備，如輸入元件、輸出執行元件、被控設備及輸入輸出信號線路等的故障率卻很高。 而且，這些設備一旦出現故障，都將影響整個控制系統的正常工作。 因此，在PLC程序中增加故障檢測程序，及時、準確地發現故障并根據故障類型分別做出相應的處理是非常必要的。
PLC 控制系統故障診斷技術的基本原理是利用PLC 的邏輯或運算功能，把連續獲得的被控過程的各種狀態不斷地與所存儲的理想（或正確）狀態進行比較，發現它們之間的差異，然后按事先預定的方式對該差異進行譯碼，最后以簡單的、或較為完善的方式給出故障信息報警。
常用的PLC 的故障診斷方法有：邏輯故障檢測診斷法、超時限故障檢測診斷法、首發故障檢測診斷法等。
下面重點介紹超時限故障檢測診斷法機械設備在自動工作循環中，各個工步的動作都要求在一定的時間內完成，超過了規定的時限而未完成動作，則視為設備運行出現故障。 因此可以在被檢測工步動作開始時，同時啟動一個定時器，定時器的設定時間比規定動作時間長25%左右，如果定時器有輸出則說明已發生故障，該信號可用做故障顯示、報警和故障停機信號。 圖1為一個工步超時限的故障檢測電路。
圖1工步超時限故障檢測電路
工步的正常工作時間為6S，定時器T40的定時時間為8S，當工步啟動時，T40開始計時，如果工步按時完成，則完成信號切斷T40的輸入，T40無輸出而無故障信號。 若工步超時限，T40輸出故障信號，驅動輸出繼電器Q0.0 使之顯示和報警。
但是如果每一工步都要加一個定時器，當工步多、PLC 內部的定時器不夠用時，可采用階段超時或對一些容易出現故障的關鍵步序進行定時的方法。
這種時限檢測方法除可用于故障檢測外，還可以用作原有保護措施的后備保護。 如用于電梯的過流保護電路，假定電流繼電器失靈則可能燒壞電動機，如果加設了時限故障檢測并采用故障檢測信號來停機，則可起到后備保護的作用。目前PLC 控制系統的故障等級分類及其對應的處理方法如下：
一級故障，可能產生嚴重后果的故障。 要求系統立即停機，并向操作人員聲光報警。 當故障檢測軟件檢測到一級故障時，由故障處理模塊直接控制PLC 輸出端口的狀態。
二級故障，可能對控制過程產生影響，軟件無法自糾正的故障。 控制程序將轉入暫停，各輸出端口置為初始狀態，并向操作人員聲光報警，操作人員處理后，再繼續運行程序。
三級故障，對控制過程不立即產生影響，由故障處理程序進行自糾正處理，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。 一段時間后，如故障仍存在，則故障升級。
四級故障，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的指示，控制程序繼續執行。
由此看出，目前對于系統出現一級、二級故障時的處理方法僅停留在對故障的檢測與報警的階段，系統無法繼續運行，解決上述問題、保證系統帶故障運行的措施之一就是對故障結果進行分析，采用適當的容錯技術。
2 容錯技術
容錯是指在系統中，當一個或多個關鍵部件出現故障時，系統采取相應措施，維持其規定性能或在可接受的性能指標變化下，繼續、穩定可靠運行的能力。
容錯控制器的設計問題是60年代為研制高性能的飛機而提出的，由于在提高系統可靠性等方面的有效性使其在化工、電力、冶金等工業控制中也得到了廣泛的應用。 容錯控制器的設計方法主要有硬件冗余方法和解析冗余方法兩大類。 硬件冗余方法主要通過對重要部件及已發生故障部件提供備份，以提高系統的容錯性能，但是這種方法存在著明顯的不足：
1）增加了系統的成本、結構、重量和所需空間；
2）在某些情況下硬件技術的應用受到限制；
3）對大型復雜系統全部采用硬件冗余技術是不可能的。
這些不足必將限制硬件冗余技術的應用，隨著硬件價格的降低，基于硬件的冗余技術和基于解析冗余技術相結合將是容錯控制的發展方向。解析冗余技術：
解析冗余容錯技術是利用控制系統不同部件之間的內在聯系和功能上的冗余性，當系統的某些部件失效時，用其余完好部件部分甚至全部承擔起故障部件所喪失的作用，使系統的性能維持在允許的范圍之內。
目前解析冗余的容錯控制大致分為兩大類：重構容錯控制和魯棒容錯控制。 由于系統故障的多樣性和對系統性能的高要求，魯棒容錯控制實現容錯的種類有限，局限了它的應用，下面重點介紹重構容錯控制。
重構容錯控制包括動態故障診斷和控制器重構兩個方面。 具體做法是利用故障診斷機構實時地監測并定位故障，然后根據系統所處的新工作狀態重新配置工作點，利用某種控制器設計策略動態地重新構造一個控制器，使控制系統在新工作狀態下，仍能保證一定的穩定性和控制效果。 重構容錯控制是在線控制，方案一般有兩種：
1）在線重構———根據檢測到的故障狀態重新設計控制器或故障補償機構。 這種方式適合于故障模式事先不確定，控制律需要在線調整的情況；
2）離線重構———根據檢測到的故障把控制器切換到事先設計好的相應的容錯控制器中，這種方案適合于可能的故障模式事先已經知道，控制律可以事先離線確定的情況。
通過以上分析可以看出，重構容錯控制的設計方法只要實時而準確地檢測和隔離出故障，就可以采用人們所熟悉的各種方法重構控制器，控制器的設計策略主要有極點配置、最優控制、模糊控制等。
本文根據PLC 控制系統工作循環的特點，在充分考慮系統可能出現的故障類型的基礎上，利用故障診斷程序隔離出故障之后，通過離線重構的設計，即根據故障診斷的結果，編寫梯形圖軟件控制新的輸出點，來實現利用信號輸出模塊屏蔽故障點，使系統帶故障運行。
但是這些方法依賴于故障檢測分離機構，一旦從故障發生到檢測分離機構檢測出故障這段延時時間過長，就可能使系統的性能變壞。
3 容錯技術應用實例
隨著國民經濟的飛速發展及人們物質生活需求的提高，電梯不但已成為高層建筑不可缺少的垂直交通運輸設備，也將成為低層建筑中的代步工具，因此對電梯故障處理的研究日漸重要。 有些電梯在設計硬件電路時，就考慮到了故障的自處理功能。
本文將重點研究高層電梯工作過程中當其某層平層控制回路出現故障時，利用軟件實現故障診斷及容錯控制，保證電梯工作任務完成的方法。具體的，將以四層的電梯模型為例，探討該方法的實施問題。 該電梯模型利用轎廂附有的永久磁鐵與立柱上的干簧管的吸合來實現平層，該平層信號經過電源線與PLC的輸入端子進行連接。 一旦平層線路出現故障，轎廂就會出現越位，還可能出現轎廂沖頂或蹲底的嚴重后果，根據故障等級分類方法，此時應為一級故障，在檢測出故障之后，系統應立即停機。 但是在實際的故障檢測中，當故障被識別后，往往轎廂位于兩層樓之間，如果這時停機，勢必給乘客帶來了麻煩，在電梯維修人員未到來之前，無法安全走出電梯。 基于以上分析，本文實現故障診斷與容錯的設計思路如下：
3.1 故障檢測與分離
在該系統中，平層信號經電源線與PLC 的輸入端子（10。4 ~10。7）相連，系統無故障運行時，轎廂進入樓層，對應的輸入寄存器置1，離開樓層時，置0，若轎廂能夠正常停靠在指定層，則認為該層平層線路無故障。 正常情況下轎廂在層間的運行時間不超過6s，定時器T40的定時時間為8s，通過上述分析我們可以利用平層信號的下降沿信號來確定轎廂離開樓層啟動定時器，利用相鄰樓層的平層信號的上升沿信號來確定轎廂進入相鄰樓層切斷定時器的輸入，工作正常時，定時器沒有輸出，但是當相鄰層的平層信號出現故障時，轎廂雖然進入樓層，由于檢測不到平層信號上升沿的到來，定時器繼續計時，直到定時器的輸出為1，同時依據前向經過的樓層與運行方向，即可實現故障樓層的識別，至此實現了系統的故障檢測與分離，如圖2。
圖2 故障檢測與分離
3.2 系統加入容錯后的控制策略
這類故障通常為間歇故障，是由于接觸不良或局部有缺陷的元部件造成的。 基于這一特點，根據PLC 控制循環工作的特性，當檢測分離出這些故障之后，可充分利用其他完好部件按照如圖的策略對其進行屏蔽，即通過梯形圖指令實現對相鄰樓層的自動呼梯，控制轎廂先停靠到運行前方的相鄰樓層（底層與頂層除外，若底層平層信號出現故障，控制轎廂停靠到二層；頂層出現故障，控制轎廂停靠到三層），之后系統繼續按正常情況運行，同時對對應樓層出現故障的次數分別進行累計，超過一定次數之后，認為該故障已轉為永久故障，故障升級。
圖3 為中間某樓層平層信號出現故障后的容錯控制策略。
圖3 容錯控制策略
經過這樣的設計之后，該一級故障就已轉化為四級故障，只需向操作人員做出相應的指示，電梯除不能實現對該層的呼叫之外，并不影響其它樓層的運行。 并且這種設計方法通過實時地檢測平層信號，還可實現對故障的早期報警。
除此之外，此種方法還可應用于電梯的開關門故障自處理中，如有的電梯在平層后不能開門時，則自動上行一層試開門，如能打開則恢復正常工作，如不能打開則再上行一層，直至頂層后再一層層下行至基站報警。
4 結束語
容錯技術是提高控制系統的可靠性的有效措施之一，在系統硬件設計的基礎上，本文根據PLC控制系統的特點，對這一領域的問題進行了初步的探討，通過梯形圖軟件的設計，實現了故障的檢測與容錯處理功能。 PLC控制系統的故障檢測程序還有很多，在軟件開發時，通過充分考慮系統可能出現的故障，并設計相應的防范程序，是避免和減少這些故障對系統產生影響的重要措施。
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