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PLC的看门狗电路失效

    失效是看门狗电路常见的故障，表现为系统在无干扰场合，CPU可以正常执行监控程序，而一旦干扰出现或干扰严重时，即发生程序“跑飞”，而看门狗电路无动作，导致系统“死机”。

    程序“跑飞”处理就是在程序由软件陷阱检测到“跑飞”后，转入“跑飞”处理程序。“跑飞”处理程序判断“跑飞”影响的程度，根据影响程度的不同，决定是报警复位还是自动恢复现场。如自动恢复现场，则需根据程序运行状态标记进行。具体如何进行程序“跑飞”处理，要根据控制系统的设计要求进行。

    常见的失效原因在于程序“跑飞”后，看门狗电路仍收到不应再出现的定时“复位”信号，因此，不论程序何时何地“跑飞”系统监控程序，均应封锁定时“复位”信号。为此应根据CPU与看门狗电路的连接形式进行全面考虑和设计。经实践证明采取下列措施非常有效：

    ①各中断服务子程序中均不可写入RST指令，因为CPU运行到何处“跑飞”、“跑飞”到何处及干扰对CPU片内寄存器（中断寄存器）RAM输入/输出端口破坏情况等均有很大的随机性。而在程序“跑飞”时，只要CPU片内中断允许（控制）寄存器不受破坏，不论程序“跑飞”到什么地方，CPU仍能正常响应和执行中断服务子程序。

    ②不要在局部循环圈内写入RST指令，否则一旦出现程序“跑飞”，非正常进入该循环圈的程序将会由于看门狗电路无法接受“复位”信号而使系统无法恢复正常运行。

    ③排除看门狗电路非正常“复位”的隐患，程序“跑飞”原因为PC值变成一个新的随机值，此时CPU执行的可能是随机“程序”，在这随机程序中，如果形成死循环，其循环中又构造有“复位”指令，就会使看门狗电路意外失效。

    ④编程过程中用一条或几条其他指令代替可能会引起“复位”的指令，特别是程序的数据表格、字符表格中有RST字符机器码的，可用表格中不可能出现的字符代替，在程序读入该字符时，作该代码处理。

 在PLC控制系统中，A/D、D/A、显示等输入/输出接口电路是*的，这些接口与CPU之间采用查询或中断方式工作，而这些设备或接口对干扰很敏感，干扰信号一旦破坏了某一接口的状态字，就会导致CPU误认为该接口有输入/输出请求而停止现行工作，转去执行相应的输入/输出服务程序；由于该接口本身并没有输入/输出数据，CPU资源被该服务程序*占用，而不释放，其他任务程序无法执行，使整个系统出现“死锁”。对这种干扰造成的“死锁”问题，在软件编程中，可采用“时间片”的方法来解决，其具体步骤为：

    ①根据不同的输入/输出外设对时间的要求，分配相应的大正常的输入/输出时间；

    ②在每一输入/输出的任务模块中，加入相应的超时判断程序，这样当干扰破坏了接口的状态造成CPU误操作后，由于该外设准备好信息*无效，经一定时间后，系统会从该外设的服务程序中自动返回，保证整个软件的周期性不受影响，从而避免“死锁”情况的发生。

PLC控制系统的“死机”是指系统进入死循环或停机状态。防止“死机”是对在线运行的PLC控制系统的基本要求，有效的方法是设计完善的看门狗电路，使系统在进入“死机”状态后能重新启动，回到正常的状态下运行。看门狗硬件可以采用的集成电路，关键在于软件程序，不仅要考虑干扰对系统造成影响产生的结果，还要分析这种结果可能造成的程序运行的改变。

    看门狗电路的核心是一个可反复触发的单稳电路。一旦发生程序“跑飞”，看门狗电路触发翻转，保证程序恢复运行。在线路及CPU接口无误的条件下，电路必须保证具有以下功能：

    ①CPU正常执行程序期间，定时给看门狗电路发送触发脉冲使其复位，一旦干扰使CPU程序“跑飞”，看门狗电路不应再收到定时触发脉冲；

    ②看门狗电路在暂态过程结束后发生翻转，输出非屏蔽中断的脉冲信号，其宽度足以引起CPU复位。

PLC的CPU内部具有WDT，可使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍长于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作，只要程序正常运行，定时器不会出现定时中断。当程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数而导致定时中断时，可利用定时中断服务程序将系统复位。

    PLC正常运行时，其PC值一定在程序区内，如果PC值跑出程序区，PLC肯定已发生了程序跑飞。检查程序计数器PC值是否在程序区内的方法是，在一个经常要产生外部中断的中断服务程序中，读取转入该中断时压入堆栈的断点地址，如果该地址在程序区内，则认为PC值正常，否则一定是程序跑飞了。此时，程序跳转到PLC的重启动入口或复位入口，PLC重新启动。如果没有合适的中断源，可以专门设置一个定时中断或者几个定时中断，在中断服务程序中检查PC值是否合法，一旦发现不对就立即转入PLC的重启动入口。定时器中断的时间常数，可视PLC的繁忙程度和重要性设定，一般几毫秒到几十毫秒都可以。

    在设计应用程序时，可以利用看门狗技术实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件，编程时可定义一个定时器作看门狗用，对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值为运动部件所需要的大可能时间。在发出该部件的动作指令的同时启动看门狗定时器，若运动部件在规定时间内达到位置，发出一个动作完成信号，使定时器清零，说明监控对象工作正常；否则，说明监控对象工作不正常，发出报警或停止工作信号。

    这个方法的局限性是不能查出PC值在程序区内的乱跳，即此时PC值虽受干扰却并没有超出程序区，而是将指令错位乱拼而造成一些莫名其妙的操作，或者死循环。

为实现看门狗的目标，需要解决两个方面的问题，一是硬件电路问题，二是软件编程问题。看门狗的实现形式可以分为硬件看门狗和软件看门狗两种。看门狗必须拥有独立的计数器（即硬件看门狗）。现在很多芯片都提供了内部看门狗定时器。

    在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断，万一干扰导致中断被屏蔽了，可在主程序中反复刷新中断使能标志，保证不让中断被屏蔽。但万一程序飞到某个死循环中去了，将不再执行“刷新中断使能标志”，也就不能保证中断不被屏蔽，所以这一功能也不完善。采用软件看门狗可有效地解决这类问题。软件看门狗相当于软件的一种自律行为，通常都是通过设立一个计数器，在计时中断时对其加1，在主程序的适当地方对其清零。如果程序失控了，清零指令未被执行，但中断正常发生，则计数器溢出。

    在实际应用中，采用环形中断监视系统，用定时器T0监视定时器T1，用定时器T1监视主程序，主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件看门狗具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性。对于需经常使用T1定时器进行串口通信的系统，则定时器T1不能进行中断，可改由串口中断进行监控。这种软件看门狗的监视原理是：在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量，假设为MWatch、T0Watch、T1Watch；主程序每循环一次，MWatch加1，同样，T0、T1中断服务程序执行一次，T0Watch、T1Watch加1；在T0中断服务程序中通过检测T1Watch的变化情况判定T1运行是否正常，在T1中断服务程序中检测MWatch的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通过检测T0Watch的变化情况判别T0是否正常工作；若检测到某观测变量变化不正常，比如应当加1而未加1，则转到出错处理程序作排除故障处理。当然，对主程序大循环周期、定时器T0和T1定时周期应予以全盘合理考虑。

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