毕业设计（论文）-基于PLC的电机智能保护器.doc

摘要编号毕毕业业论论文文题目基于PLC的电动机智能保护器设计学生姓名学号系部电气工程系专业电气自动化班级指导教师顾问教师二一年七月摘要摘摘要要电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，据不完全统计全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。传统的电机保护装置以熔断器、热继电器为主。我们知道，热继电器具有结构简单，成本低廉，体积小，使用方便的优点。但热继电器保护功能单一，精度低，动作不稳定，发热时间常数小。简单地说，热继电器样样都好，就是保护性能不可靠，这是其致命弱点，也正因为此，保护性能可靠的电机智能保护器是最近十多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置，本文实现基于PLC的电动机智能保护系统。通过PLC的控制采用梯形图编程，通过实验实现电动机的运行稳定可靠，可以根据电机的故障做出相应的保护，从而可以有效的解决缺相，过载，欠流，相失衡，相序，接地，短路，过欠压等问题。关键词关键词：电动机智能保护PLC目录I目目录录摘摘要要.I目目录录.II第一章第一章电动机保护概述电动机保护概述.11.1电动机的概述.11.2电动机运行中出现的故障分析及处理方法.21.2.1电动机可能出现的故障.31.2.2电动机故障处理方法.31.3电动机保护器的常见类型.61.4电动机传统保护方式.71.4.1传统保护的缺点.71.4.2电动机保护的重要意义.7第二章第二章电动机智能保护电动机智能保护.92.1智能保护的概述.92.2智能保护器系列简介.92.2.1智能保护装置的工作原理.92.2.2智能保护装置的外观.102.2.3智能保护装置的安装.102.2.4智能保护装置的功能与参数.102.2.5智能保护装置的调试.112.2智能保护器的优点.122.3智能保护的发展趋势.12第三章第三章PLC用于保护器的控制设计用于保护器的控制设计.133.1可编程控制器的简介.133.1.1可编程控制器的概念.133.1.2可编程控制器的发展历史.133.1.3可编程控制器的主要特点.143.2可编程控制器的工作原理及基本结构.153.2.1可编程控制器的工作原理.153.2.2可编程控制器的基本结构.16第四章第四章系统的硬件设计系统的硬件设计.184.1PLC的选型介绍.18目录II4.2三菱FX2N-48MR编程器符号的介绍.184.3硬件连接图.194.3.1PLC的供电线路.194.3.2系统接线图.204.3.3模拟调试.21第五章第五章软件电路的设计软件电路的设计.235.1设计任务及要求.235.1.1IO分配表.235.1.2梯形图设计.23第六章第六章总结与展望总结与展望.276.1结论.276.2PLC的国内外状况及未来展望.27致致谢谢.29参考文献参考文献.30附录附录1FX2N的技术指标的技术指标.31附录附录2三相异步电动机常见故障及处理方法三相异步电动机常见故障及处理方法.330第一章第一章电动机保护概述电动机保护概述1.11.1电动机的概述电动机的概述电动机是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。按运动方式分两种类型。一种是旋转式器件它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动这些机器中有些类型可作电动机用也可作发电机用。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机，电力系统中的电动机大部分是交流电机，可以是同步电机或者是异步电机（电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速）。电动机主要由定子与转子组成。通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的做功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到兆瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、机械抱闸等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。控制电动机输入功率以调节电动机的转速。三相异步电机工作原理第一章电动机保护概述1异步电机的工作原理如下:当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。三组绕组问彼此相差120度，每一组绕组都由三相交流电源中的单相供电。电动机使用了电流的磁效应原理，发现这一原理的是丹麦物理学家奥斯特。电动机的发展1831年，美国物理学家亨利设计出最初的电子式电动机。受到亨利的启发，一位名叫威廉里奇的人设计并造出了一台可以转动的电动机。里奇的这架电动机类似于我们今天在实验室里组装的直流电动机模型。到了19世纪40年代，俄国科学家雅科比使电动机变得更为实用了。他用电磁铁替代永久磁铁进行工作。这种新型电动机当时被装在一艘游艇上，载着几名乘客驶过了涅瓦河。此事引起了极大的轰动。此后，出生于克罗地亚的美国人特斯拉于1888年，制造出了第一台感应电动机，他在各种电动机中，算是被应用最广的一种。感应电动机会将交流电快速输入一组称为“定子”的外线圈，继而产生一个旋转磁场。转轴内的一组线圈则称为“转子”，它会被定子的旋转磁场感应出电流，然后转子会因电流变化而转变成电磁铁。英国物理学家亨利于法拉第同时作出电磁感应的伟大发现，1830年8月，亨利在实验中已经观察到了电磁感应现象，这比法拉第发现电磁感应现象早一年。但是当时亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表这一实验成果，也没有及时的去申请专利，失去了发明权。可是亨利从不计较个人名利，他认为知识应该为全世界人类所共享，从未与法拉第争过发现权，仍然专心致志地献身于科学事业。亨利的高尚品德受到世人的称赞。所以最后，人们还是将电磁感应现象的发现归于法拉第。特别值得一提的是，亨利实验装置法拉第感应线圈更接近于现代通用的变压器。单相交流电动机的旋转原理单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。单相电不能产生旋转磁场.要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动.21.21.2电动机运行中出现的故障分析及处理方法电动机运行中出现的故障分析及处理方法绕组是电动机的组成部分老化受潮、受热、受侵蚀、异物侵入、外力的冲击都会造成对绕组的伤害电机过载、欠电压、过电压缺相运行也能引起绕组故障。绕组故障一般分为绕组接地、短路、开路、接线错误。现在分别说明故障的检查方法及处理方法。1.2.11.2.1电动机可能出现的故障电动机可能出现的故障（1）绕组接地（2）绕组短路（3）绕组断路（4）绕组接错（5）电动机过热甚至冒烟1.2.21.2.2电动机故障处理方法电动机故障处理方法（1）绕组接地1检查方法：a通过目测绕组端部及线槽内绝缘物观察有无损伤和焦黑的痕迹如有就是接地点。b万用表检查法。用万用表低阻档检查读数很小则为接地。c兆欧表法。根据不同的等级选用不同的兆欧表测量每组电阻的绝缘电阻若读数为零则表示该项绕组接地但对电机绝缘受潮或因事故而击穿需依据经验判定一般说来指针在“0”处摇摆不定时可认为其具有一定的电阻值。d试灯法。如果试灯亮说明绕组接地若发现某处伴有火花或冒烟则该处为绕组接地故障点。若灯微亮则绝缘有接地击穿。若灯不亮但测试棒接地时也出现火花说明绕组尚未击穿只是严重受潮。也可用硬木在外壳的止口边缘轻敲敲到某一处等一灭一亮时说明电流时通时断则该处就是接地点。e电流穿烧法。用一台调压变压器接上电源后接地点很快发热绝缘物冒烟处即为接地点。应特别注意小型电机不得超过额定电流的两倍时间不超过半分钟；大电机为额定电流的20%-50%或逐步增大电流到接地点刚冒烟时立即断电。f分组淘汰法。对于接地点在铁芯心里面且烧灼比较厉害烧损的铜线与铁芯熔在一起。采用的方法是把接地的单相绕组分成两半依此类推最后找出接地点。第一章电动机保护概述3此外还有高压试验法、磁针探索法、工频振动法等此处不一一介绍。2.绕组接地处理方法：a绕组受潮引起接地的应先进行烘干当冷却到6070左右时浇上绝缘漆后再烘干。b绕组端部绝缘损坏时在接地处重新进行绝缘处理涂漆再烘干。c绕组接地点在槽内时应重绕绕组或更换部分绕组元件。最后应用不同的兆欧表进行测量满足技术要求即可。（2）绕组短路1.检查方法：a外部观察法。观察接线盒、绕组端部有无烧焦绕组过热后留下深褐色并有臭味。b探温检查法。空载运行20分钟(发现异常时应马上停止)用手背摸绕组各部分是否超过正常温度。c通电实验法。用电流表测量若某相电流过大说明该相有短路处。d电桥检查。测量个绕组直流电阻一般相差不应超过5%以上如超过则电阻小的一相有短路故障。e短路侦察器法。被测绕组有短路则钢片就会产生振动。f万用表或兆欧表法。测任意两相绕组相间的绝缘电阻若读数极小或为零说明该两相绕组相间有短路。g电压降法。把三绕组串联后通入低压安全交流电测得读数小的一组有短路故障。h电流法。电机空载运行先测量三相电流在调换两相测量并对比若不随电源调换而改变较大电流的一相绕组有短路。2.短路处理方法:a短路点在端部。可用绝缘材料将短路点隔开也可重包绝缘线再上漆重烘干。b短路在线槽内。将其软化后找出短路点修复重新放入线槽后再上漆烘干。c对短路线匝数少于112的每相绕组串联匝数时切断全部短路线将导通部分连接形成闭合回路供应急使用。d绕组短路点匝数超过112时要全部拆除重绕。（3）绕组断路1.检查方法：a观察法。断点大多数发生在绕组端部看有无碰折。4b万用表法。利用电阻档对“Y”型接法的将一根表棒接在“Y”形的中心点上另一根依次接在三相绕组的首端无穷大的一相为断点；“”型接法的断开连接后分别测每组绕组无穷大的则为断路点。c试灯法。方法同前灯不亮的一相为断路。d兆欧表法。阻值趋向无穷大(即不为零值)的一相为断路点。e电流表法。电机在运行时用电流表测三相电流若三相电流不平衡、又无短路现象则电流较小的一相绕组有部分断路故障。f电桥法。当电机某一相电阻比其他两相电阻大时说明该相绕组有部分断路故障；g电流平衡法。对于“Y”型接法的可将三相绕组并联后通入低电压大电流的交流电如果三相绕组中的电流相差大于10%时电流小的一端为断路；对于“”型接法的先将定子绕组的一个接点拆开再逐相通入低压大电流其中电流小的一相为断路。h断笼侦察器检查法。检查时如果转子断笼则毫伏表的读数应减小。2.断路处理方法:a断路在端部时连接好后焊牢包上绝缘材料套上绝缘管绑扎好再烘干。b绕组由于匝间、相间短路和接地等原因而造成绕组严重烧焦的一般应更换新绕组。c对断路点在槽内的属少量断点的做应急处理采用分组淘汰法找出断点并在绕组断部将其连接好并绝缘合格后使用。d对笼形转子断笼的可采用焊接法、冷接法或换条法修复。（4）绕组接错1.检查方法：a滚珠法。如滚珠沿定子内圆周表面旋转滚动说明正确否则绕组有接错现象。b指南针法。如果绕组没有接错则在一相绕组中指南针经过相邻的极(相)组时所指的极性应相反在三相绕组中相邻的不同相的极(相)组也相反；如极性方向不变时说明有一极(相)组反接；若指向不定则相组内有反接的线圈。c万用表电压法。按接线图如果两次测量电压表均无指示或一次有读数、一次没有读数说明绕组有接反处。d常见的还有干电池法、毫安表剩磁法、电动机转向法等。2.处理方法：a一个线圈或线圈组接反则空载电流有较大的不平衡应进厂返修。第一章电动机保护概述5b引出错误的线应正确判断首尾后重新连接。c减压启动接错的应对照接线图或原理图认真校对重新接线。d新电机下线或重接新绕组后接线错误的应送厂返修。（5）电动机过热甚至冒烟1.过热故障原因：a电源电压过高，使铁心发热大大增加。b电源电压过低，电动机又带额定负载运行，电流过大使绕组发热。c定子、转子铁心相擦，电动机过载或频繁起动。d笼形转子断条。e电动机缺相，两相运行。f.环境温度高，电动机表面污垢多，或通风道堵塞。g电动机风扇故障，通风不良。h定子绕组故障（相间、匝间短路；定子绕组内部连接错误）。2.电机过热处理方法：a降低电源电压（如调整供电变压器分接头），若是电机Y、接法错误引起，则应改正接法。b提高电源电压或换相供电导线。c消除擦点（调整气隙或锉、车转子），减载，按规定次数控制起动。d检查并消除转子绕组故障。e恢复三相运行。f清洗电动机，改善环境温度，采用降温措施。g检查并修复风扇，必要时更换。h检查定子绕组，消除故障。1.31.3电动机保护器的常见类型电动机保护器的常见类型热继电器：普通小容量交流电机，工作条件良好，不存在频繁启动等恶劣工况的场合；由于精度较差，可靠性不能保证，不推荐使用。电子型：检测三相电流值，整定电流值采用电位器或拔码开关，电路一般采用模拟式，采用反时限或定时限工作特性。保护功能包括过载、缺相、堵转等，故障类型采用指示灯显示，运行电量采用数码管显示。智能型：检测三相电流值，保护器使用单片机，实现电机智能化综合保护，集保护、测量、通讯、显示为一体。整定电流采用数字设定，通过操作面板按钮来操作，用户可以根据电机具体情况在现场对各种参数修正设定；采用数码管作为显示窗口，或采用大屏幕液晶显示，能支持多种通讯协议，如Mudbug、Provirus等，价格相对较高，用于较重要场合；目前高压电机保护均采用智能型保护装置。6热保护型：在电机中埋入热元件，根据电动机绕组的温度进行保护，保护效果好；但电机容量较大时，需与电流监测型配合使用，避免电机堵转时温度急剧上升时，由于测温元件的滞后性，导致电机绕组受损。磁场温度检测型：在电机中埋入磁场检测线圈和测温元件，根据电机内部旋转磁场的变化和温度的变化进行保护，主要功能包括过载、堵转、缺相、过热保护和磨损监测，保护功能完善，缺点是需在电机内部安装磁场检测线圈和温度传感器。1.41.4电动机传统保护方式电动机传统保护方式1.4.11.4.1传统保护的缺点传统保护的缺点热继电器是五十年代初引进苏联技术开发的金属片机械式电动机过载保护器。它在保护电动机过载方面具有反时限性能和结构简单的特点。但存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，扫膛、堵转、长期过载；频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。温度继电器是采用双金属片制成的盘式或其他形式的继电器，具有结构简单、动作可靠，保护范围广泛等优点，但动作缓慢，返回时间长，3KW以上的三角形接法电动机不宜使用。目前在电风扇、电冰箱、空调压缩机等方面大量使用。如图1.1所示为以往的电动机保护系统图第一章电动机保护概述7图1.1以往的电动机保护系统图1.4.21.4.2电动机保护的重要意义电动机保护的重要意义电机保护在国民经济和节能事业中的重要意义电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件。是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。据不完全统计，全国运行的1KW-320KW低压电动机数量为6000万台，占电网用电量的70%以上，是工农业及商业系统中应用最为广泛的动力设备。全国每年烧毁电动机数量约300万台，容量为10亿千瓦，每年仅电动机在烧毁过程中就耗电为数亿万度，修理费高达数100亿元左右，造成停工停产损失竟达数100亿元。仅上述费用不算，还会造成电机修理后功率下降，耗电量大，性能变差直接影响企业正常生产。在工农业生产用电动机械设备中，经常存在电动机长期“大马拉小车”和变载运行中的长期空载，造成了电能的有功和无功的严重损耗。电动机保护器（电机保护器）根据电动机在轻（空）载时，降低其端电压，能提高其功率因数和工作效率的原理。通过自动跟踪检测电机运行电压和电流的相位，根据相位分析电机负载状态，自动调整电机运行电压，使电机磁通量有效配合电机负载转矩，有效降低电机无功损耗，有功损耗、励磁损耗，提高电机工作效率，达到节能降耗目的。利用Y转换将电机轻（空）载时端电压降低为原来的33倍，电机铁损也降为原理的13（因电机的铁损与端电压的平方成正比）同时电机的电流也随之下降，因铜损与电流的平方成正比，所以铜损也随之下降，达到了节能的目的。因此，电动机保护器（电机保护器）不仅能保证工农业正常生产，提高生产效率和经济效益，而且在节能事业中也有着重要意义。8第二章第二章电动机智能保护电动机智能保护2.12.1智能保护的概述智能保护的概述目前电动机保护已由过去的机械式发展为电子式和智能型，灵敏度高，可靠性高，功能多，调试方便。可直接显示电动机的电流、电压、温度等参数，保护动作后故障种类一目了然，极大方便了故障的判断，有利于生产现场的故障处理和缩短恢复生产时间。另外，根据电动机气隙磁场进行电动机偏心检测技术使电动机磨损状态在线监测成为可能，通过曲线显示反映电动机偏心程度的值的变化趋势，记录两年时间该值的变化情况，可早期发现轴承故障，做到早发现，早处理，避免扫膛事故发生。理想的电动机保护器不是功能最多，也不是所谓最先进的，而是应该最实用的。那么何为实用呢？实用应满足可靠、经济、方便等要素，具有较高的性能价格比。那么何为可靠呢？可靠首先应满足功能的可靠，如过电流、断相功能必须对各种场合、各种过程、各种方式发生的过电流、断相均能可靠的动作。其次自身的可靠（既然保护器是保护别人的，尤其应具有很高的可靠性）必须具有对各种恶劣环境的适应性稳定性、耐久性。经济性：采用先进的设计、合理的结构，专业化、规模化的生产，降低产品成本，给用户带来极高的经济效益。方便性：必须在安装、使用、调整、接线等方面，尽可能的简易方便。2.22.2智能保护器系列简介智能保护器系列简介2.2.12.2.1智能保护装置的工作原理智能保护装置的工作原理该保护装置由电流传感器、起动电流延时电路、过载保护、断相保护、堵转速断保护、三相电流不平衡保护、故障显示记忆七个部分组成。由电流传感器取出信号，经过整流、滤波、检测、识别等环节，送到相应部分进行比较处理，推动功率电路，使继电器工作。当电动机由于驱动部分过载导致电流增大时，从电流传感器取得电压信号将增大，此电流值大于保护器的整定值时，过载电路工作，RC延时电路经过一定的延时，驱动继电器工作，使接触器切断主电源，并故障显示记忆。智能保护装置组成原理如图2-1所示。图2-1智能保护装置组成原理第二章电动机智能保护92.2.22.2.2智能保护装置的外观智能保护装置的外观智能保护装置的外观如下图2-2所示。图2-2ZNB系列智能保护装置的外观2.2.32.2.3智能保护装置的安装智能保护装置的安装ZNB系列保护装置有多种安装方式:可用螺丝钉安装或直接安装在35mm规格标准导轨上，也可以采用卡口式安装，可解决线鼻子穿孔难的问题，其安装尺寸和热继电器一致，可与热继电器直接互换。2.2.42.2.4智能保护装置的功能与参数智能保护装置的功能与参数（1）功能1.具有过载、断相、堵转、三相不平衡等保护功能2.具有过电流反时限延时功能，因此能根据电动机过电流倍数推算出最佳的动作时间。3.具有起动延时功能，它和过电流工作等延时分开。4.具有故障记忆显示功能。5.安装方便，可与JR-16、JR-36等热继电器互换，并可在35mm导轨上安装。（2）技术参数1.反时限过载保护特性见表2-1。表2-1反时限过载保护特性序号电流倍数动作时间序号电流倍数动作时间11.0长期不动作31.5小于1min21.2小于5min45小于10s2.断相保护。电动机电源断相时（三相电流不平衡大于60%），保护器动作。3.堵转保护。运行状态，当电机电流大于设定值6倍时，保护器动作。104.工作电源电压，220、380(115%)V，50(12%)HZ。5.电力消耗，不大于2VA。6.输出继电器触点容量，250V，7A。7.复位时间小于2s。8.电寿命大于3000次。9.功率参数，见表2-2。表2-2功率参数保护器型号规格(A)接线方式ZNB05-P0.55ZNB30-P530压线式2.2.52.2.5智能保护装置的调试智能保护装置的调试（1）调试(参见图2-3)图2-3智能保护器的调试面板及接线端子排1.用螺钉或导轨将保护器固定在交流接触器下方。2.按接线图接好线并检查无误后，送电调试。3.过电流保护整定方法。把面板上的电流电位器（0.5-A-5）调整到该电动机的额定电流位置，此时，即可电动机试运行。4.复位方法。当电动机发生故障跳闸后，故障指示灯发亮保护器处于记忆状态，按下面板上的复位按钮方可复位，复位时间小于2s。（2）注意事项1.保护器工作电源应接在控制电路，且注意标称电压与实际电压相符。2.保护器应工作在额定电流范围内。第二章电动机智能保护113.保护器各接线端子接线应正确无误，接触良好。4.应定期除尘检查，并进行人为试验，确保可靠运行。2.22.2智能保护器的优点智能保护器的优点电机智能保护器是最近十多年才发展起来一种新型电子式多功能电动机综合保护装置。它集过（轻）载保护、缺相、过（欠）压、堵转、漏电、接地三相不平衡保护等低压保护于一身，具有设定精度高、节电、动作灵敏、工作可靠等优点，是传统热继电器理想替代产品。2.32.3智能保护的发展趋势智能保护的发展趋势电子式电动机保护器已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等特点。联接后，cos由0.2996提高到0.634，效率由66.7%提高到79.7%。定子输入功率由1514W降到1255W。如每天轻载20小时，每年按300个工作日，则每年节约电能：A=（1.514-1.255）20300=1554度该装置节电效果显著，空载时，可将空载起动电流下降70%以上，使输入功率降低70%左右，空载运行功率降低47.6%，空载节电50%以上最高可达68%，特别是对那些经常处于低负载以及负载变化频繁的电动机，平均节电率在（1640）%，提高了功率因数，降低了电网线损及变压器的铜损，不失为一种较理想的电机节电起动综合装置。12第三章第三章PLCPLC用于保护器的控制设计用于保护器的控制设计电动机保护控制系统的设计是整个设计的关键和核心。它在结构和功能上的合理划分与巧妙实现，对提高保护器整体可靠性、实用性具有重要的意义，同时也是降低制造成本、缩短开发周期的有效途径。为此本章在分析了当前保护器采用的控制器结构及PLC的发展之后，提出了采用PLC的控制方法。3.13.1可编程控制器的简介可编程控制器的简介3.1.13.1.1可编程控制器的概念可编程控制器的概念可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”3.1.23.1.2可编程控制器的发展历史可编程控制器的发展历史1968年美国通用汽车公司液压自动传到部门的工程师构想出了现代化时代的一个奇迹，因为厌倦了那些大而不灵活的控制系统，他们提出建立新一代控制设备的标准，这个标准成为现代可编程控制器（PLC）的蓝本。工程师们的要求：（1）编程方便，可在现场修改程序；（2）维护方便，最好是插件式；（3）可靠性高于继电器控制柜；（4）体积小于继电器控制柜；（5）可将数据直接送入管理计算机；（6）在成本上可与继电器控制柜竞争；（7）输入为交流115V；（8）输出为交流115V2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；（9）在扩展时原有系统改变最少；（10）用户程序存储器至少可扩展到4KB。第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable是世界上公认的第一台PLC。第三章PLC用于保护器的控制设计133.1.33.1.3可编程控制器的主要特点可编程控制器的主要特点可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。143.23.2可编程控制器的工作原理及基本结构可编程控制器的工作原理及基本结构3.2.13.2.1可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理基于扫描技术：当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入IO映像区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，IO映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在IO映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在IO映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在IO映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即IO指令则可以直接存取IO点。即使用IO指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从IO模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照IO映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。如下图3-1为PLC的工作原理图第三章PLC用于保护器的控制设计15输入端子输入映像区各软元件映像区输出锁存区输出端子4.读入输入处理程序处理输出处理X0X1X21.读入2.读入3.写入5.写入反复执行6.输出X0Y0Y0mo输入处理可编程控制器在执行程序之前，将可编程控制器的所有输入端子ONOFF状态，读入输入映像区。在执行程序的过程中，即使输入变化，输入映像区的内容也不变，而在下一周期的输入处理时读入该变化。程序处理可编程控制器根据程序存储的指令内容，从输入映像区或其他元件的映像区中读出各种元件的ONOFF状态，从0步开始依次运算，然后将结果写入映像区，因此，各软元件映像区随着程序的执行逐步改变内容。而且，输出继电器的内部触电根据输出映像存储区的内容执行动作。输出处理一旦所有指令执行结束，将输出Y的映像存储区的ONOFF状态传输至输出锁存存储区，可编程控制器的实际输出。可编程控制器内的外部输出用触点按照输出用软元件的响应滞后时间动作。Y0Y1Y2图3-1PLC的工作原理图3.2.23.2.2可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、IO板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的16整体。模块式PLC包括CPU模块、IO模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。IO模块PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（IO）完成的。IO模块集成了PLC的IO电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。IO分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的IO分类如下：开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA0-20mA）、有电压型（0-10V0-5V-10-10V）等，按精度分，有12bit14bit16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块按IO点数确定模块规格及数量，IO模块可