可编程序控制器（简称PLC）是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制和通信技术，面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置，与DCS、IPC 并称为工业自动化工控领域的三大支柱，PLC技术代表着当前程序控制的先进水平。
随着化工、电力、冶金等工业生产装置规模的日趋大型化和复杂化，系统的经济运行已日趋重要，相应地，对实施这一目的的控制系统也提出了更高的要求。 一方面，在系统出现某些异常情况时，如何实现在许可极限条件下的继续运行，故障消除后迅速恢复到正常工作状态？另一方面，如何保证控制系统本身在一个或多个关键环节出现故障的情况下，避免停车事故，确保系统继续安全可靠的运行？这些已成为现代控制系统所面临和急需解决的重要问题。
解决上述问题的途径之一就是采用容错技术。 但是目前PLC 在这一领域仅停留在对故障的检测与显示阶段，对这类问题的研究目前见诸文献不多。 在此，本文通过阐述利用梯形图软件设计来实现系统的带故障运行，对这一领域的上述问题给予初步的探讨。
1 PLC 的故障诊断方法
在PLC 控制系统中，PLC本身的可靠性一般较高，但PLC 的外部设备，如输入元件、输出执行元件、被控设备及输入输出信号线路等的故障率却很高。 而且，这些设备一旦出现故障，都将影响整个控制系统的正常工作。 因此，在PLC程序中增加故障检测程序，及时、准确地发现故障并根据故障类型分别做出相应的处理是非常必要的。
PLC 控制系统故障诊断技术的基本原理是利用PLC 的逻辑或运算功能，把连续获得的被控过程的各种状态不断地与所存储的理想（或正确）状态进行比较，发现它们之间的差异，然后按事先预定的方式对该差异进行译码，最后以简单的、或较为完善的方式给出故障信息报警。
常用的PLC 的故障诊断方法有：逻辑故障检测诊断法、超时限故障检测诊断法、首发故障检测诊断法等。
下面重点介绍超时限故障检测诊断法机械设备在自动工作循环中，各个工步的动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时限而未完成动作，则视为设备运行出现故障。 因此可以在被检测工步动作开始时，同时启动一个定时器，定时器的设定时间比规定动作时间长25%左右，如果定时器有输出则说明已发生故障，该信号可用做故障显示、报警和故障停机信号。 图1为一个工步超时限的故障检测电路。
图1工步超时限故障检测电路
工步的正常工作时间为6S，定时器T40的定时时间为8S，当工步启动时，T40开始计时，如果工步按时完成，则完成信号切断T40的输入，T40无输出而无故障信号。 若工步超时限，T40输出故障信号，驱动输出继电器Q0.0 使之显示和报警。
但是如果每一工步都要加一个定时器，当工步多、PLC 内部的定时器不够用时，可采用阶段超时或对一些容易出现故障的关键步序进行定时的方法。
这种时限检测方法除可用于故障检测外，还可以用作原有保护措施的后备保护。 如用于电梯的过流保护电路，假定电流继电器失灵则可能烧坏电动机，如果加设了时限故障检测并采用故障检测信号来停机，则可起到后备保护的作用。目前PLC 控制系统的故障等级分类及其对应的处理方法如下：
一级故障，可能产生严重后果的故障。 要求系统立即停机，并向操作人员声光报警。 当故障检测软件检测到一级故障时，由故障处理模块直接控制PLC 输出端口的状态。
二级故障，可能对控制过程产生影响，软件无法自纠正的故障。 控制程序将转入暂停，各输出端口置为初始状态，并向操作人员声光报警，操作人员处理后，再继续运行程序。
三级故障，对控制过程不立即产生影响，由故障处理程序进行自纠正处理，并通过信号输出模块屏蔽错误信号，同时向操作人员做声音报警。 一段时间后，如故障仍存在，则故障升级。
四级故障，程序检测到的一般性错误或异常，只记忆并向操作人员做出相应的指示，控制程序继续执行。
由此看出，目前对于系统出现一级、二级故障时的处理方法仅停留在对故障的检测与报警的阶段，系统无法继续运行，解决上述问题、保证系统带故障运行的措施之一就是对故障结果进行分析，采用适当的容错技术。
2 容错技术
容错是指在系统中，当一个或多个关键部件出现故障时，系统采取相应措施，维持其规定性能或在可接受的性能指标变化下，继续、稳定可靠运行的能力。
容错控制器的设计问题是60年代为研制高性能的飞机而提出的，由于在提高系统可靠性等方面的有效性使其在化工、电力、冶金等工业控制中也得到了广泛的应用。 容错控制器的设计方法主要有硬件冗余方法和解析冗余方法两大类。 硬件冗余方法主要通过对重要部件及已发生故障部件提供备份，以提高系统的容错性能，但是这种方法存在着明显的不足：
1）增加了系统的成本、结构、重量和所需空间；
2）在某些情况下硬件技术的应用受到限制；
3）对大型复杂系统全部采用硬件冗余技术是不可能的。
这些不足必将限制硬件冗余技术的应用，随着硬件价格的降低，基于硬件的冗余技术和基于解析冗余技术相结合将是容错控制的发展方向。解析冗余技术：
解析冗余容错技术是利用控制系统不同部件之间的内在联系和功能上的冗余性，当系统的某些部件失效时，用其余完好部件部分甚至全部承担起故障部件所丧失的作用，使系统的性能维持在允许的范围之内。
目前解析冗余的容错控制大致分为两大类：重构容错控制和鲁棒容错控制。 由于系统故障的多样性和对系统性能的高要求，鲁棒容错控制实现容错的种类有限，局限了它的应用，下面重点介绍重构容错控制。
重构容错控制包括动态故障诊断和控制器重构两个方面。 具体做法是利用故障诊断机构实时地监测并定位故障，然后根据系统所处的新工作状态重新配置工作点，利用某种控制器设计策略动态地重新构造一个控制器，使控制系统在新工作状态下，仍能保证一定的稳定性和控制效果。 重构容错控制是在线控制，方案一般有两种：
1）在线重构———根据检测到的故障状态重新设计控制器或故障补偿机构。 这种方式适合于故障模式事先不确定，控制律需要在线调整的情况；
2）离线重构———根据检测到的故障把控制器切换到事先设计好的相应的容错控制器中，这种方案适合于可能的故障模式事先已经知道，控制律可以事先离线确定的情况。
通过以上分析可以看出，重构容错控制的设计方法只要实时而准确地检测和隔离出故障，就可以采用人们所熟悉的各种方法重构控制器，控制器的设计策略主要有极点配置、最优控制、模糊控制等。
本文根据PLC 控制系统工作循环的特点，在充分考虑系统可能出现的故障类型的基础上，利用故障诊断程序隔离出故障之后，通过离线重构的设计，即根据故障诊断的结果，编写梯形图软件控制新的输出点，来实现利用信号输出模块屏蔽故障点，使系统带故障运行。
但是这些方法依赖于故障检测分离机构，一旦从故障发生到检测分离机构检测出故障这段延时时间过长，就可能使系统的性能变坏。
3 容错技术应用实例
随着国民经济的飞速发展及人们物质生活需求的提高，电梯不但已成为高层建筑不可缺少的垂直交通运输设备，也将成为低层建筑中的代步工具，因此对电梯故障处理的研究日渐重要。 有些电梯在设计硬件电路时，就考虑到了故障的自处理功能。
本文将重点研究高层电梯工作过程中当其某层平层控制回路出现故障时，利用软件实现故障诊断及容错控制，保证电梯工作任务完成的方法。具体的，将以四层的电梯模型为例，探讨该方法的实施问题。 该电梯模型利用轿厢附有的永久磁铁与立柱上的干簧管的吸合来实现平层，该平层信号经过电源线与PLC的输入端子进行连接。 一旦平层线路出现故障，轿厢就会出现越位，还可能出现轿厢冲顶或蹲底的严重后果，根据故障等级分类方法，此时应为一级故障，在检测出故障之后，系统应立即停机。 但是在实际的故障检测中，当故障被识别后，往往轿厢位于两层楼之间，如果这时停机，势必给乘客带来了麻烦，在电梯维修人员未到来之前，无法安全走出电梯。 基于以上分析，本文实现故障诊断与容错的设计思路如下：
3.1 故障检测与分离
在该系统中，平层信号经电源线与PLC 的输入端子（10。4 ~10。7）相连，系统无故障运行时，轿厢进入楼层，对应的输入寄存器置1，离开楼层时，置0，若轿厢能够正常停靠在指定层，则认为该层平层线路无故障。 正常情况下轿厢在层间的运行时间不超过6s，定时器T40的定时时间为8s，通过上述分析我们可以利用平层信号的下降沿信号来确定轿厢离开楼层启动定时器，利用相邻楼层的平层信号的上升沿信号来确定轿厢进入相邻楼层切断定时器的输入，工作正常时，定时器没有输出，但是当相邻层的平层信号出现故障时，轿厢虽然进入楼层，由于检测不到平层信号上升沿的到来，定时器继续计时，直到定时器的输出为1，同时依据前向经过的楼层与运行方向，即可实现故障楼层的识别，至此实现了系统的故障检测与分离，如图2。
图2 故障检测与分离
3.2 系统加入容错后的控制策略
这类故障通常为间歇故障，是由于接触不良或局部有缺陷的元部件造成的。 基于这一特点，根据PLC 控制循环工作的特性，当检测分离出这些故障之后，可充分利用其他完好部件按照如图的策略对其进行屏蔽，即通过梯形图指令实现对相邻楼层的自动呼梯，控制轿厢先停靠到运行前方的相邻楼层（底层与顶层除外，若底层平层信号出现故障，控制轿厢停靠到二层；顶层出现故障，控制轿厢停靠到三层），之后系统继续按正常情况运行，同时对对应楼层出现故障的次数分别进行累计，超过一定次数之后，认为该故障已转为永久故障，故障升级。
图3 为中间某楼层平层信号出现故障后的容错控制策略。
图3 容错控制策略
经过这样的设计之后，该一级故障就已转化为四级故障，只需向操作人员做出相应的指示，电梯除不能实现对该层的呼叫之外，并不影响其它楼层的运行。 并且这种设计方法通过实时地检测平层信号，还可实现对故障的早期报警。
除此之外，此种方法还可应用于电梯的开关门故障自处理中，如有的电梯在平层后不能开门时，则自动上行一层试开门，如能打开则恢复正常工作，如不能打开则再上行一层，直至顶层后再一层层下行至基站报警。
4 结束语
容错技术是提高控制系统的可靠性的有效措施之一，在系统硬件设计的基础上，本文根据PLC控制系统的特点，对这一领域的问题进行了初步的探讨，通过梯形图软件的设计，实现了故障的检测与容错处理功能。 PLC控制系统的故障检测程序还有很多，在软件开发时，通过充分考虑系统可能出现的故障，并设计相应的防范程序，是避免和减少这些故障对系统产生影响的重要措施。
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