毕业设计（论文）-基于PLC的电机故障诊断系统.doc

安徽三联学院毕业论文 本科毕业论文（设计、创作） 题目： 基于PLC的电机故障诊断系统 学生姓名： 学号： 103402034 所在系院： 专业： 电子信息工程 入学时间： 2010 年 9 月导师姓名： 职称/学位： 副教授/硕士 导师所在单位： 完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 制基于PLC的电机故障诊断系统摘要：在工业控制过程中，需要在出现故障后，及时进行故障诊断和故障排除，设计介绍了国内电机故障诊断系统现状，以及存在问题，同时介绍了可编程控制器的工作原理，设计了具有故障自我诊断功能的智能控制系统。选用西门子S7-200 PLC，根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，并且给出了系统梯形图设计。系统通过采样设备采集电动机的电流、电压数值，并且通过模拟量输入模块与系统总线连接；数字量输入模块采集电动机状态信号和电动机的启动/停止信号；并经过系统总线到CPU存储器进行处理，最后通过数字量输出模块对电动机进行反馈。关键词：故障诊断； PLC； 电机 The Design of Motor Fault Diagnosis System Based on PLCAbstract: In the process of industrial control, fault diagnosis and troubleshooting are needed after failure in time, this paper introduced the present situation of domestic motor fault diagnosis system design, as well as the existence question, this paper introduced the working principle of the programmable controller at the same time, the design of the intelligent control system with fault self-diagnosis function. Choose the Siemens S7-200 PLC, according to the design requirements on the input and output of PLC I/O allocation, and gives the system design of ladder diagram. System by sampling equipment to collect the current and voltage values of the motor, and through the analog input module is connected to the system bus; Digital quantity input module acquisition of state signal of the motor and motor start/stop signal; And through the system bus to the CPU memory processing, finally through digital output module for motor feedback.Key words: fault diagnosis; PLC; The motor 1目录第一章 绪论11.1 PLC应用于故障诊断系统的发展现状11.2 PLC在技术上的发展特点11.3 PLC的发展趋势11.4故障诊断方法2第二章 电机故障诊断系统的硬件设计32.1 PLC的选取及介绍32.1.1 SIMATIC S7-200 PLC32.1.2 工业通讯网络42.1.3 人机界面HMI42.2 S7-200系列PLC的硬件配置42.2.1 CPU模块42.2.2 数字量扩展模块52.2.3 模拟量扩展模块52.2.4 通信模块62.2.5 编程器72.2.6 程序存储卡72.2.7 写入器72.2.8 文本显示器72.3可编程控制器系统设计步骤72.4系统硬件设计82.5 系统电源设计11第三章 电机故障诊断系统的软件设计133.1故障诊断程序设计133.2 故障诊断系统设计133.2.1程序流程图133.2.2 程序梯形图15第四章 结论20第五章 致谢21参考文献22I第一章 绪论1.1 PLC应用于故障诊断系统的发展现状广泛应用于工业控制，控制器作为一种成熟可靠的PLC。着工业控制系统可靠运行的安全性直接受 PLC系统的设计影响。一个正常运作PLC系统，除了满足工业控制的要求，也应及时进行故障诊断和故障排除，也应该在系统出现故障时，具有故障自我诊断功能。目前，随着微电子技术向着大规模和超大规模集成电路发展，PLC已由最初一位机发展到现在的以16位和32位微处理器构成的微机化PC，而且已经实现了多处理器的多通道处理。如今，PLC技术已非常成熟，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PLC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。1.2 PLC在技术上的发展特点（1） 增强功能，提高速度，从组台式的单机控制方式向灵活配置的递阶式的控制方式发展。增强功能主要表现在改进系统结构、增强运算能力、加强通讯功能、改善人机界面等。（2） PLC加速进入过程控制领域。（3） PLC的通讯能力太大增强，国外不少厂商大大提高了PLC局域网的通讯速度和通讯容量；实际导入OSI(开放系统互连)的MAP(制造自动化协议)7层规约，使不同的控制产品能纳入一个通讯网络。（4）国外PLC的编程语言向高层次发展；分散型、智能型I0子系统大量涌现，极大地扩展了PLC的应用范围。1.3 PLC的发展趋势（1）、在规模方面，向两极发展。一方面，大力发展速度更快、性价比更高的小型和超小型PLC，以适应单机及小型自动控制的需要。另一方面，向高速度、大容量、技术完善的大型PLC方向发展。随着复杂系统控制的要求越来越高和微处理器与计算机技术的不断发展，人们对PLC的信息处理速度要求也越来越高 。（2）、向通信网络化发展（3）、向模块化、智能化发展（4）、编程语言和编程工具的多样化和标准化1.4故障诊断方法故障排除一般有两种方法：故障树法和专家系统方法。故障树结构的方法使用的逻辑推理逻辑系统故障，找到不正确引起的输出电位的数据错误，这个方法被应用到结构相对简单的系统中，随机的耦合。专家系统通过建立一个知识库和推理系统故障，计算机按国家基于知识和推理机的深度逻辑推理查明病因的数据接近。PLC的应用，现在更多的控制装置，利用内部资源和丰富的PLC功能强大的指令，准备的故障检测和报警程序，不仅可以替代相应的继电器功能可以提高系统的可靠性和灵活性。第二章 电机故障诊断系统的硬件设计可编程控制器（ProgrammableLogicalController）是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置，由于它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点。使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。近年来由于微电子技术的发展和进步，超大规模集成电路的价格日趋便宜，同样也促进可编程控制器成本大大降低。2.1 PLC的选取及介绍由于本文设计采用的机型是西门子生产的S7-200系列PLC，德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。2.1.1 SIMATIC S7-200 PLCS7-200CPU的内置功能：l 高速计数器输入l 短暂脉冲捕捉功能l 高速脉冲输出l I/O硬件中断事件l 特殊功能相关的中断功能l PID控制，PID自整定功能l 支持多种生产工艺配方l 数据记录（归档）l 用户自定义库指令，便于编程l 非常完善的知识产权保护和密码功能l 在RUN状态下的在线编程能力l 直接读/写实际I/Ol 多种数据保持设置2.1.2 工业通讯网络 通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。2.1.3 人机界面HMI HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200、OP3、OP7、OP17等；图形/文本操作面板OP27、OP37等；触摸屏操作面板TP7、TP27/37、TP170A/B等；SIMATIC面板型PO670等。个人计算机也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。2.2 S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC的硬件系统配置的灵活性，可以构成一个独立的CPU模块简单的开关控制系统，也可通过I/ O扩展或通信网络构成了一个中等规模的控制系统。包括以下几个部分：2.2.1 CPU模块 S7-200系列PLC的CPU模块有两个子系列，即CPU21X和CPU22X。目前市场上CPU22X系列PLC已取代了第一代的CPU21X系列，并成为市场的主流产品。 S7-200系列PLC的CPU22X系列主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等型号，其输入输出点数的分配表如表2-1所示。表2-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200 CPU22164-S7-200 CPU222862个扩展模块 78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200 CPU22414107个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200 CPU224XP14107个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200 CPU22624167个扩展模块 248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点2.2.2 数字量扩展模块 S7-200系列PLC目前可以提供3大类共10种数字量输入/输出扩展模块，见表2-2。表2-2 S7-200系列PLC数字量输入/输出扩展模块2.2.3 模拟量扩展模块在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模块本身带有模拟量I/O外，其他CPU模块若想处理模拟信号，则需进行模拟量模块的扩展。模拟量扩展模块主要有3种，见表2-3。表2-3 S7-200系列PLC模拟量输入/输出扩展模块型号名称性能说明EM231模拟量输入扩展模块（12位）差分输入，输入范围：电压：010V，05V，2.5V，5V电流：020mA转换时间小于250us最大输入电压30VDC，最大输入电流32mAEM232模拟量输出扩展模块（12位）输出范围：电压：10V，电流：020mA数据字格式：电压：-32000+32000V电流：0+32000mA分辨率：电压12位，电流11位EM235模拟量输入/输出扩展模块输入4路，输出1路差分输入，输入范围：电压（单极性）：010V，05V，01V，0500mV，0100mV，050mV电压（双极性）：10V，5V，2.5V，1V，500mV, 250mV, 100mV, 50mV, 25mV电流: 020mA转换时间小于250us稳定时间：电压100us，电流2ms2.2.4 通信模块S7-200系列PLC除了CPU226本机集成了两个通信口以外，其他均在其内部集成了一个通信口，通信口采用了RS-485总线。此外，各PLC还可以接入通信模块，以扩大其接口的数量和联网能力。（1）EM277模块：EM277模块是PROFIBUS-DP从站模块，同时也支持MPI从站通信。（2）EM241:调制解调器通信模块。（3）CP243-1：工业以太网通信模块。（4）CP243-1 IT：工业以太网通信模块，同时提供Web/E-mail等IT应用。（5）CP243-2：AS-I主站模块，可连接最多62个AS-I从站。2.2.5 编程器PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP 7-Micro/WIN。2.2.6 程序存储卡为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8KB和16KB。2.2.7 写入器写入器的功能是实现PLC和EEPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。2.2.8 文本显示器 TD200文本显示器仅用于显示该系统信息的显示装置，所述控制单元也可以被用来作为一个量来修改的值，或直接设置输入/输出。与公认的选择/方式显示文本信息，最多可以显示80的信息，每条信息最多四个变量的状态。工艺参数可被显示在监视器上，并且可以在任何时间进行修改。在TD200面板8个可编程功能键，每一个都被分配了一个存储器位，在启动时，系统的测试这些功能键，可以设置参数和诊断。2.3可编程控制器系统设计步骤 在可编程控制器系统设计中，设计师应根据对各种方案工程研究的实际需要充分论证，然后确定可行的控制方案。该系统要求的硬件和软件工程的功能权衡和分工，分别硬件和软件设计。良好的硬件设计，装配，连接，使得电力，单独调试完毕后，然后用软件联邦调查局，发现问题及时修订和完善了系统设计，直到成功为止。可编程控制器系统设计的一般方法和步骤的流程图如图2-1所示。图2-1 PLC系统设计流程图2.4系统硬件设计在本系统中，包含以下输入/输出点，见下表2-4 PLC机型的选择及I/O地址的分配。本系统共包含15路开关量，7路模拟量。表2-4 输入/输出点统计及I/O地址分配开关量地址模拟量地址输入启动按钮I0.0Ia(a相电流)AIW0Ib(b相电流)AIW2停止按钮I0.1Ic(c相电流)AIW4I0(零序电流)AIW6电动机状态信号I0.2Ua(a相电压)AIW8Uc(c相电压)AIW10报警复位按钮I0.3I2(负序电流)AIW12马达输出Q0.1运行指示Q0.2故障指示Q0.4短路指示Q0.5断相指示uQ0.6断相指示vQ0.7断相指示wQ1.0欠压指示Q1.1过载指示Q1.2变量寄存器符号地址注释StarTimVD100电机启动/运行累计时间StopTimVD104电机停止累计时间CyclTimVD108中断程序的中断周期OverTim1VD112电机启动/运行过程累计截止时间OverTim2VD116电机停止过程累计截止时间IaVD200a相电流IbVD204b相电流IcVD208c相电流ImaxVD212三相短路电流Iop1VD216短路保护动作整定值UaVD220a相电压UcVD224c相电压UopVD228欠压保护动作整定值I0VD232零序电流Iop2VD236接地保护动作整定值IVD240到达整定时限后的电流值Iop3VD244过负荷保护动作的整定值T37定时器S7-200的CPU226集成24输入/16输出40个数字量I / O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I / O点或35路模拟量I / O点;I / O端子模块可以很容易地拆卸的控制系统，具有更多的输入/输出点，更多的模块扩展能力，更快的速度和更强大的内部整合特殊功能，可完全适应中小型复杂的控制系统整体而言，更高的要求。根据该系统，结合上述特点的实际情况，S7-200的CPU226可以被用作该系统的主机。CPU226可以扩展七个模块，它本身有24个输入/16个输出40点数字，因此没有必要数字扩展模块。但由于有7个模拟输入，因此需要选择模拟量输入模块。 S基于上述技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，可总共42=8个模拟输入扩展。综上所述，基于S7-200 CPU226PLC设计的电机故障诊断系统的总体结构图如图2-2所示图2-2 电机故障诊断系统总体结构图2.5 系统电源设计供电系统设计是指PLC控制系统CPU模块、I/O模块及相关外围设备的供电设计。供电系统的好坏直接影响整个控制系统的可靠性，因此在设计供电系统时应考虑下列因素：（1）输入电源的电压允许在一定范围内变化。（2）当输入交流电断电时，应不破坏PLC内部程序和数据。（3）在控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余。（4）当外部设备电源断电时，应不影响PLC的供电。（5）应考虑电源系统的抗干扰性。为了提高系统的可靠性和耐用性，可隔离变压器，交流电压调节器，UPS电源在PLC的电源系统，其中进行了使用隔离变压器电源供电等措施是一种更常用的方法，如图所示2-2所示。 CPU模块，每个I / O模块和其它设备中的具有隔离变压器的电源，独立于主电源。这样做是其中电源的最大优势不会互相影响。如断开的输入和输出电路的电源，该电源将不影响CPU模块。图2-2 采用隔离变压器分别进行别供电的供电系统第三章 电机故障诊断系统的软件设计故障诊断系统建立在基于PLC和上位计算机组成的控制系统上。PLC在故障诊断系统中的功能主要是完成输煤系统设备故障信号检测、预处理，转化存储并传输给上位计算机。上位计算机由于具有强大的科学计算功能，利用专家知识和专家库，完成从故障特征到故障原因的识别工作。并通过人机界面，给出故障定位，报告和解释故障诊断结果，并为操作员给出相应的排除故障的建议。3.1故障诊断程序设计由于系统实际长时间的运行中，可能会出现多次故障，为了检修和维护方便，还需要PLC能够将多次故障事件记录下来。对于模拟量信号例如犁煤车，给煤车电机电流的故障诊断，首先利用模拟量模块，接收来自电流变送器的模拟信号，将其转换为数字信号，然后与整定值或系统允许的极限值比较,若在允许范围之内则表明对应的设备处于正常运行状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定。3.2 故障诊断系统设计3.2.1程序流程图开始正常启动电机转速是否正常电流是否正常，是否有过电流故障警报电压是否正常读取外部电压电流值3.2.2 程序梯形图1、主程序LD SM0.0LPSMOVW u电流:AIW0, VW10AENO-I +6400, VW10AENOITD VW10, VD16AENODTR VD16, VD100LRDMOVW v电流:AIW2, VW20AENO-I +6400, VW20AENOITD VW20, VD26AENODTR VD26, VD104LRDMOVW w电流:AIW4, VW30AENO-I +6400, VW30AENOITD VW30, VD36AENODTR VD36, VD108LRDMOVW u相电压:AIW8, VW40AENO-I +6400, VW40AENOITD VW40, VD46AENODTR VD46, VD112LRDMOVW v相电压:AIW10, VW50AENO-I +6400, VW50AENOITD VW50, VD56AENODTR VD56, VD116LRDMOVW w相电压:AIW12, VW60AENO-I +6400, VW60AENOITD VW60, VD66AENODTR VD66, VD120LRD/R 256.0, VD100LRD/R 256.0, VD104LRD/R 256.0, VD108LRD/R 64.0, VD112LRD/R 64.0, VD116LPP/R 64.0, VD120LD 启动:I0.0O 马达输出:Q0.1AN 停止:I0.1AN 故障指示:Q0.4= 马达输出:Q0.1= 运行指示:Q0.2LD 状态:I0.2O 堵转指示:Q1.3O 短路指示:Q0.5O 断相指示u:Q0.6O 断相指示v:Q0.7O 断相指示w:Q1.0O M0.0O Q1.4O Q1.5S 故障指示:Q0.4, 1LD 复位:I0.3R 故障指示:Q0.4, 2R 堵转指示:Q1.3, 3LD 马达输出:Q0.1LPSLDR VD100, 25.0OR VD104, 25.0OR VD108, 25.0ALDA T37= 过载指示:Q1.2LRDLDR= VD100, 30.0OR= VD104, 30.0OR= VD108, 30.0ALDA T37S 堵转指示:Q1.3, 1LRDLDR= VD100, 40.0OR= VD104, 40.0OR= VD108, 40.0ALDS 短路指示:Q0.5, 1LPPTON T37, 50LDR= VD112, 350.0OR= VD116, 350.0OR= VD120, 350.0= 欠压指示:Q1.1TON T38, 50LD T38= M0.0LD SM0.0LPSAR= VD120, 30.0= 断相指示u:Q0.6LRDAR= VD120, 30.0= 断相指示v:Q0.7LPPAR= C0, 1000S Q1.4, 1LPPAW= C0, 800S Q1.5, 1第四章 结论按以上故障诊断原理构造的PLC故障诊断控制系统，从实际运行来看，故障诊断系统能准确而迅速地判断出故障的原因，方便运行人员维护和检修，大大高了控制系统的稳定性和智能化水平。这种设计对类似的工业控制系统提供了一定的参考。第五章 致谢毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们基本功的一种训练，培养我们综合运用所学的知识独立地分析问题和解决问题的能力。经过几个月的艰苦努力，我的毕业设计终于完成了。这几个月辛苦的毕业设计，既磨练了我的意志，也对我大学期间所学的知识进行了一次综合地考察。在毕业论文付梓知己，我想向曾经给过我帮助和支持的老师、同学们表示中心的感谢。因为没有他们的帮助，我的毕业设计是不可能完成的。首先，我要感谢电信专业的老师们，他们不仅教会我专业方面的知识，