电动机故障诊断系统设计毕业设计.doc

电动机故障诊断系统设计毕业设计电动机故障诊断系统设计毕业设计 目录目录 第一章 绪言 1 第一节 电动机的发展 1 第二节 电动机的结构及分类 2 第三节 电动机的原理 5 第二章 电动机的用途及常见故障 6 第一节 电动机的运行方式及参数 6 第二节 电动机的用途 7 第三节 电动机的常见故障及维修 8 第三章 电动机的故障诊断 15 第一节 电动机的故障诊断方法 15 第二节 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 15 第三节 电动机的故障分析 19 第四节 电动机故障检测系统设计 19 第五节 硬件设计 21 第六节 软件设计 24 第四章 电动机的电气保护及维护 28 第一节 电动机的电气装置保护 28 第二节 电动机的日常维护 31 结论 35 致谢 36 参考文献 37 附录 38 1 第一章第一章 绪言绪言 第一节第一节 电动机的发展电动机的发展 电动机是一种实现机 电能量转换的电磁装置 它是随着生产力的发展而发展 的 反过来 电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高 从 19 世纪末期起 电 动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机 一个多世纪以来 虽然电动机 的基本结构变化不大 但是电动机的类型增加了许多 在运行性能 经济指标等方 面也都有了很大的改进和提高 而且随着自动控制系统和计算机技术的发展 在一 般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机 控制电动机具有高可 靠性 好精确度 快速响应的特点 已成为电动机学科的一个独立分支 电动机的功能是将电能转换成机械能 它可以作为拖动各种生产机械的动力 是国民经济各部门应用最多的动力机械 在现代化工业生产过程中 为了实现各种生产工艺过程 需要各种各样的生产 机械 拖动各种生产机械运转 可以采用气动 液压传动和电力拖动 由于电力拖 动具有控制简单 调节性能好 耗损小 经济 能实现远距离控制和自动控制等一 系列优点 因此大多数生产机械都采用电力拖动 按照电动机的种类不同 电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动 系统两大类 纵观电力拖动的发展过程 交 直流两种拖动方式并存于各个生产领域 在交 流电出现以前 直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式 19 世纪末期 由于研制 出了经济实用的交流电动机 致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用 但随 着生产技术的发展 特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步 对电力拖动 在起动 制动 正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的 更高的要求 由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求 所以 20 世纪以来 在可逆 可调速与高精度的拖动技术领域中 相当时期内几乎都是采 用直流电力拖动 而交流电力拖动则主要用于恒转速系统 2 虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点 但是由于它具有电刷与换向 器 又称整流子 使得他的故障率较高 电动机的使用环境也受到了限制 如不 能在有易爆气体及尘埃多的场合使用 其电压等级 额定转速 单机容量的发展 也受到了限制 所以 在 20 世纪 60 年代以后 随着电力电子技术的发展 半导体 交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现 尤其是 70 年代以来 大规模集成电 路和计算机控制技术的发展 为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件 诸如交 流电动机的串级调速 各种类型的变频调速 无换向器电动机调速等 使得交流电 力拖动逐步具备了调速范围宽 稳态精度高 动态响应快以及在四象限做可逆运行 等良好的技术性能 在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美 除此之外 由于 交流电力拖动具有调速性能优良 维修费用低等优点 将广泛应用于各个工业电气 自动化领域中 并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流 第二节第二节 电动机的结构及分类电动机的结构及分类 一 三相异步电动机的结构 目前较常用的主要是交流电动机 它可分为三相异步电动机和单相交流电动机 两种 第一种多用在工业上 而第二种多用在民用电器上 三相异步电动机的结构主要由两个部分组成 一是固定不动的部分 简称定子 二是可以自由旋转的部分 简称转子 定子与转子之间有一个很小的气隙 此 外 还有机座 端盖轴承 接线盒 风扇等其他部分 异步电动机根据转子的绕组的结构不同 可分为鼠笼式和绕线式两种 鼠笼式 异步电动机的转子绕组本身自成闭合回路 整个转子形成一个坚实的整体 其结构 简单牢固 运行可靠 价格便宜 应用最为广泛 小型异步电动机绝大部分属于这 类 绕线式异步电动机的结构比鼠笼式复杂 但启动性能较好 需要时还可以调节 电动机的转速 1 定子 定子是用来产生旋转磁场的 主要由定子铁心 定子绕组和机座等部分组成 鼠笼 3 式 和绕线式异步电动机的定子结构是完全一样的 三相异步电动机定子结构示意图如 图 1 1 所示 图 1 1 三相异步电动机定子结构示意图 交流电机 包括异步机和同步机 其定子结构相同 定子铁芯 是磁路的一部分用 0 5mm 硅钢片迭成 且片间绝缘 定子绕组 绝缘漆包线制成 用于通三相交流电源 定子铁芯槽内嵌放三相绕组 2 转子 转子铁芯 用 0 5mm 硅钢片迭成 且片间绝缘 三相绕线式电动机转子结构示 意图如图 1 2 所示 图 1 2 三相绕线式电动机转子结构示意图 转子是异步电动机的转动部分 它在定子绕组旋转磁场的作用下获得一定的转矩 4 而旋转 通过联轴器或皮带轮带动其他机械设备做功 转子由转子铁心 转子绕组 和转轴等部分组成 3 机座 机座是电动机的外壳和支架 它的作用是固定和保护定子铁心 定子绕组并支 撑端盖 所以要求机座具有足够的机械强度和刚度 能承受运输和运行过程中的各 种作用力 中 小型异步电动机通常采用铸铁机座 定子铁心紧贴在机座的内壁 电动机 运行时铁心和绕组产生的热量主要通过机座表面散发到空气中去 因此 为了增加 散热面积 在机座表面装有散热片 对大型异步电动机 一般采用钢板焊接机座 此时为了满足通风散热的要求 机座内表面与铁心隔开适当距离 以形成空腔 作为冷却空气的通道 二 电动机的分类 电动机机应用广泛 种类繁多 性能各异 分类方法也很多 1 根据电动机工作电源的不同 可分为直流电动机和交流电动机 其中交流电 动机还分为单相电动机和三相电动机 2 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机 同步电动机还可 分为永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 异步电动机可分为感应 电动机和交流换向器电动机 感应电动机又分为三相异步电动机 单相异步电动机 和罩极异步电动机 交流换向器电动机又分为单相串励电动机 交直流两用电动机 和推斥电动机 3 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机 电容运转式电动机 电 容起动运转式电动机和分相式电动机 4 按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机 驱动用电 动机又分为电动工具用电动机 家电用电动机及其它通用小型机械设备用电动机 控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等 5 5 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机 6 电动机按运转速度可分为高速电动机 低速电动机 恒速电动机 调速电动 机 第三节第三节 电动机的原理电动机的原理 对称三相交流电流通入对称三相绕组时 便产生一个旋转磁场 下面选取各相 电流出现最大值的几个瞬间进行分析 三相异步电动机工作原理图如图 1 3 所示 图 1 3 三相异步电动机工作原理图 当磁场方向为 0 时 U 相电流达到正最大值 电流从首端 U1 流入 用 表示 从末端 U2 流出 用 表示 V 相和 W 相电流均为负 因此电流均从绕组的末端流入 首端流出 故末端 V2 和 W2 应填上 首端 V1 和 W1 应填上 合成磁场的轴线正好 位于 U 相绕组的轴线上 当磁场方向为 120 时 V 相电流为正的最大值 因此 V 相电流从首端 V1流入 用 表示 从末端 V2流出 用 表示 U 相和 W 相电流均为负 则 U1和 W1端为流出 电流 用 表示 而 U2和 W2为流入电流 用 表示 此时合成磁场的轴线正好位 于 V 相绕组的轴线上 磁场方向已从 0 时的位置沿逆时针方向旋转了 120 当磁场方向为 240 和 360 时 合成磁场的位置 当磁场方向为 360 时 合 成磁场的轴线正好位于 U 相绕组的轴线上 磁场方向从起始位置逆时针方向旋转了 360 即电流变化一个周期 合成磁场旋转一周 6 由此可见 对称三相交流电流通入对称三相绕组所形成的磁场是一个旋转磁场 旋转的方向从 U V W 正好和电流出现正的最大值顺序相同 即由电流超前相转 向电流滞后相 如果三相绕组通入负序电流 则电流出现正的最大值的顺序是 U W V 通过 图解法分析可知 旋转磁场的旋转方向也为 U W V 综上分析可知 三相异步电动机转动的基本工作原则是 1 三相对称绕组中通入三相对称电流产生圆形旋转磁场 其转速为异步转速且 n 60f p 式中 f 为电源频率 单位为 Hz p 为电机极对数 2 转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和电流 3 转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用 从而形成电磁转矩 驱使电动机 转子转动 其转速小于同步转速 异步电动机的转速不可能达到定子旋转磁场的转 速 即同步转速 因为如果到达同步转速 则转子导体与旋转磁场之间没有相对运 动 随之在转子导体中不能感应出电势和电流 也就不能产生推动转子的电磁力 因此 异步电动机的转速总是低于同步转速 即两种转速之间总是存在差异 异步 电动机因此而得名 又因为异步电动机转子电流是通过电磁感应作用产生的 所以 又称为感应电动机 4 异步电动机的旋转方向始终与旋转磁场的旋转方向一致 而旋转磁场的方向 又取决于异步电动机的三相电流相序 因此 三相异步电动机的转向与电流的相序 一致 要改变转向 只要改变电流的相序即可 即任意对调电动机的两根电源线 便可使电动机反转 7 第二章第二章 电动机的用途及常见故障电动机的用途及常见故障 第一节第一节 电动机的运行方式及参数电动机的运行方式及参数 一 电动机的运行方式和运行参数一 电动机的运行方式和运行参数 1 电动机在额定冷却条件下 可按照厂家的铭牌参数运行 2 电动机在额定电压值的 5 10 范围内运行其额定出力不变 3 电动机在运行中的电流变化可在 5 10 范围内 但最高不能超过额定电流 的 10 并应监视电动机的外壳温度不超过规定值 4 运行中的电动机外壳温度 A 级绝缘不得大于 75 E 级绝缘不得大于 80 B 级绝缘不得大于 85 F 级绝缘不得大于 90 超出上述范围应想办法降温 措 施无效则降低电动机的出力 5 电动机在额定出力运行时 相间电压不平衡电压不得超过 5 相间电流不平 衡不得超过额定值的 10 其中任何一相电流不得超过额定值 在电压不平衡运行 期间要特别注意电动机的温度和振动情况 6 电动机在运行中轴承间串动 滑动轴承不超过 2 4 滚动轴承不超过 0 5 二 电动机绝缘阻值的规定电动机绝缘阻值的规定 1 6KV 电动机定子线圈用 2500V 摇表测定 其阻值 6M 2 380V 电动机定子线圈用 500V 摇表测定 其阻值 0 5M 3 室内电动机喷洒上水 进汽 水淹等异常情况在启动前应摇测绝缘 4 停运 10 天以上的电动机 启动前必须摇测绝缘 5 电动机摇测绝缘要将摇表电压等级 电动机所测绝缘的数值 当时的环境温 度 测量时间和工作人员姓名要详细填入记录本内 6 摇测绝缘工作必须有两人进行 回路上不许有人工作 8 第二节第二节 电动机的用途电动机的用途 交流电动机分为交流电动机和交流发电机 其应用领域也不同 一 交流发电机的用途一 交流发电机的用途 交流发电机应用较少 主要是应用在风力发电上 但由于风力发电外界条件比 较苛刻 运行和维修比较困难 所以在技术上还有待于改革 二 交流电动机的用途二 交流电动机的用途 交流电动机尤其是交流异步电动机应用则较为广泛 如 轧钢电机 2005年我 国产钢3 4亿吨 2006年预计将超过4亿吨 钢铁产量已超过英美 我国钢铁产量在 世界排名第一 除大型钢铁厂如宝钢 首钢外还有其他很多中小型钢铁厂 可见轧 钢机的应用广泛 此外钢板的厚度对轧钢电机也提出了新的要求 日本的汽车钢板 只有0 45mm 左右 虽然钢板薄对汽车的性能带来了影响 但在这个能源紧缺的时代 日本的汽车钢板还是受欢迎的 欧美的汽车钢板最厚的也才1 2mm 左右 中国生产 中高挡汽车钢板的能力有限 大部分是靠进口 所以轧钢电机在以后的钢铁生产中 应用会更加的广泛 磨机电机也是被广泛应用在很多行业 尤其是在煤矿和水泥行业的应用 由于 我国的对煤矿和水泥的需求量高 磨机电机在煤矿行业和水泥行业的应用就很广泛 了 磨机电机工作环境差 所以对电机的要求较高 此外还有风机电机 主要是应用是风扇 鼓风机 水泵电机主要是应用是水电 站等 电机是为生产提供动力的 现代化生产离不开动力 也就离不开电机 虽然 电机在目前的应用已经相当的广泛 但相信随着人们对环境质量等的要求提高 电 机会被更加广泛的应用 第三节第三节 电动机的常见故障及维修电动机的常见故障及维修 一 通电后电动机不能转动 但无异响 也无异味和冒烟一 通电后电动机不能转动 但无异响 也无异味和冒烟 1 故障原因 电源未通 至少两相未通 熔丝熔断 至少两相熔断 过流继电器调得过小 9 控制设备接线错误 2 故障排除 检查电源回路开关 熔丝 接线盒处是否有断点 修复 检查熔丝型号 熔断原因 换新熔丝 调节继电器整定值与电动机配合 改正接线 二 通电后电动机不转 然后熔丝烧断二 通电后电动机不转 然后熔丝烧断 1 故障原因 缺一相电源 或定干线圈一相反接 定子绕组相间短路 定子绕组接地 定子绕组接线错误 熔丝截面过小 电源线短路或接地 2 故障排除 检查刀闸是否有一相未合好 可电源回路有一相断线 消除反接故障 查出短路点 予以修复 消除接地 查出误接 予以更正 更换熔丝 消除接地点 三 通电后电动机不转有嗡嗡声三 通电后电动机不转有嗡嗡声 l 故障原因 定 转子绕组有断路 一相断线 或电源一相失电 绕组引出线始末端接错或绕组内部接反 电源回路接点松动 接触电阻大 电动机负载过大或转子卡住 电源电压过低 小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬 10 轴承卡住 2 故障排除 查明断点予以修复 检查绕组极性 判断绕组末端是否正确 紧固松动的接线螺丝 用万用表判断各接头是否假接 予以修复 减载或查出并消除机械故障 检查是还把规定的 接法误接为 Y 是否由于电源导线过细使压降过大 予 以纠正 重新装配使之灵活 更换合格油脂 修复轴承 四 电动机起动困难 额定负载时 电动机转速低于额定转速较多 1 故障原因 电源电压过低 接法电机误接为 Y 笼型转子开焊或断裂 定转子局部线圈错接 接反 修复电机绕组时增加匝数过多 电机过载 2 故障排除 测量电源电压 设法改善 纠正接法 检查开焊和断点并修复 查出误接处 予以改正 恢复正确匝数 减载 五 电动机空载电流不平衡 三相相差大五 电动机空载电流不平衡 三相相差大 1 故障原因 重绕时 定子三相绕组匝数不相等 绕组首尾端接错 11 电源电压不平衡 绕组存在匝间短路 线圈反接等故障 2 故障排除 重新绕制定子绕组 检查并纠正 测量电源电压 设法消除不平衡 峭除绕组故障 六 电动机空载 过负载时 电流表指针不稳 摆动六 电动机空载 过负载时 电流表指针不稳 摆动 1 故障原因 笼型转子导条开焊或断条 绕线型转子故障 一相断路 或电刷 集电环短路装置接触不良 2 故障排除 查出断条予以修复或更换转子 检查绕转子回路并加以修复 七 电动机空载电流平衡七 电动机空载电流平衡 但数值大但数值大 1 故障原因 修复时 定子绕组匝数减少过多 电源电压过高 Y 接电动机误接为 电机装配中 转子装反 使定子铁芯未对齐 有效长度减短 气隙过大或不均匀 大修拆除旧绕组时 使用热拆法不当 使铁芯烧损 2 故障排除 重绕定子绕组 恢复正确匝数 设法恢复额定电压 改接为 Y 重新装配 更换新转子或调整气隙 检修铁芯或重新计算绕组 适当增加匝数 12 八 电动机运行时响声不正常八 电动机运行时响声不正常 有异响有异响 1 故障原因 转子与定子绝缘纸或槽楔相擦 轴承磨损或油内有砂粒等异物 定转子铁芯松动 轴承缺油 风道填塞或风扇擦风罩 定转子铁芯相擦 电源电压过高或不平衡 定子绕组错接或短路 2 故障排除 修剪绝缘 削低槽楔 更换轴承或清洗轴承 检修定 转子铁芯 加油 清理风道 重新安装置 消除擦痕 必要时车内小转子 检查并调整电源电压 消除定子绕组故障 九 运行中电动机振动较大九 运行中电动机振动较大 1 故障原因 由于磨损轴承间隙过大 气隙不均匀 转子不平衡 转轴弯曲 铁芯变形或松动 联轴器 皮带轮 中心未校正 风扇不平衡 机壳或基础强度不够 13 电动机地脚螺丝松动 笼型转子开焊断路 绕线转子断路 加定子绕组故障 2 故障排除 检修轴承 必要时更换 调整气隙 使之均匀 校正转子动平衡 校直转轴 校正重叠铁芯 重新校正 使之符合规定 检修风扇 校正平衡 纠正其几何形状 进行加固 紧固地脚螺丝 修复转子绕组 修复定子绕组 十 轴承过热十 轴承过热 1 故障原因 滑脂过多或过少 油质不好含有杂质 轴承与轴颈或端盖配合不当 过松或过紧 轴承内孔偏心 与轴相擦 电动机端盖或轴承盖未装平 电动机与负载间联轴器未校正 或皮带过紧 轴承间隙过大或过小 电动机轴弯曲 2 故障排除 按规定加润滑脂 容积的 1 3 2 3 更换清洁的润滑滑脂 过松可用粘结剂修复 过紧应车 磨轴颈或端盖内孔 使之适合 修理轴承盖 消除擦点 14 重新装配 重新校正 调整皮带张力 更换新轴承 校正电机轴或更换转子 十一 电动机过热甚至冒烟十一 电动机过热甚至冒烟 1 故障原因 电源电压过高 使铁芯发热大大增加 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 修理拆除绕组时 采用热拆法不当 烧伤铁芯 定转子铁芯相擦 电动机过载或频繁起动 笼型转子断条 电动机缺相 两相运行 重绕后定于绕组浸漆不充分 环境温度高电动机表面污垢多 或通风道堵塞 电动机风扇故障 通风不良 定子绕组故障 相间 匝间短路 定子绕组内 部连接错误 2 故障排除 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 提高电源电压或换粗供电导线 检修铁芯 排除故障 消除擦点 调整气隙或挫 车转子 减载 按规定次数控制起动 检查并消除转子绕组故障 恢复三相运行 采用二次浸漆及真空浸漆工艺 清洗电动机 改善环境温度 采用降温措施 15 检查并修复风扇 必要时更换 检修定子绕组 消除故障 16 第三章第三章 电动机的故障诊断电动机的故障诊断 第一节第一节 电动机的故障诊断方法电动机的故障诊断方法 PLC 作为一种成熟稳定可靠的控制器 目前已经在工业控制中得到了越来越广 泛的应用 PLC 系统的设计直接影响着工业控制系统的安全可靠运行 一个完善的 PLC 系统除了能够正常运行 满足工业控制要求 还必须在系统出现故障时及时进 行故障诊断和故障处理 故障自诊断功能是工业控制系统智能化的一个重要标志 对于工业控制系统具有较高的意义和使用价值 故障诊断一般有两种途径 故障树方法和专家系统方法 故障树方法利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理 由错误的输出找到可能的 输入错误 这种方法比较适用于系统结构相对简单 各部分耦合少的情况 专家系统方法通过建立系统故障的知识库与推理机 计算机借助现场的数据利 用知识库和推理机进行深入的逻辑推理 找出故障原因 这种方法适用于系统结构 复杂 各部分耦合强的大型工业系统 PLC 是现在应用较多的一种控制装置 利用 PLC 丰富的内部资源及强大的功能指令 编制故障检测报警程序 不仅可以替代继 电器实现相应功能 还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性 第二节第二节 PLCPLC 原理介绍及设备总体结构介绍原理介绍及设备总体结构介绍 一 一 PLCPLC 发展历程发展历程 在工业生产过程中 大量的开关量顺序控制 它按照逻辑条件进行顺序动作 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制 及大量离散量的数据采集 传统上 这 些功能是通过气动或电气控制系统来实现的 1968 年美国 GM 通用汽车 公司提出 取代继电气控制装置的要求 第二年 美国数字公司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 Controller PC 个人计算机 简称 PC 发展起来后 为了方便 也为了反映可编程控制器的功 17 能特点 可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller PLC 上世 纪 80 年代至 90 年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为 30 40 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络能力得到 大幅度提高 PLC 逐渐进入过程控制领域 在某些应用上取代了在过程控制领域处 于统治地位的 DCS 系统 PLC 具有通用性强 使用方便 适应面广 可靠性高 抗干扰能力强 编程简 单等特点 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位 在可预见的将来 是 无法取代的 国控制类产品市场 PLC 的占有率已超过 50 而且保持着 10 15 的发展速度 二 二 PLCPLC 控制系统的发展前景控制系统的发展前景 现在 虽然出现了性能更加优越的 DCS 和 FCS 控制系统 PLC 控制也终将会 被先进的 FCS 控制所取代 但是目前以及今后相当长的一段时间 PLC 还会与 DCS 和 FCS 共存 这主要基于以下原因 1 现在企业的确正在朝着自动化 信息化 开放化的方向发展 但这并不意味 着要将现有控制系统推倒重来 企业投入大量的人力和财力建立起来的 PLC 控制系 统已经成型 如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统 需要更大的资金投 入 将造成很大的浪费 2 基于以上市场需求 许多软件厂商 例如 华富惠通软件公司 正在考虑如 何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络 开发控制系统软件 帮助企业实 现工厂自动化 信息化 为企业提供控制系统与管理网络的集成 3 目前 PLC 的功能增强 结构优化 IO 模块趋向分散化 智能化 编程工 具和编程语言更具标准化和高级化 4 PLC 的联网通信能力增强 向高速度 多层次 大信息量 高可靠性及开 放式的通信发展 5 现在的 PLC 系统与 DCS 技术 现场总线 IO 技术相结合 结构开放 扩展 方便 技术先进 价格低廉 由以上分析可以预见 未来 PLC 将朝着多功能化 集 成化 智能化 标准化 开放化的方向发展 故 PLC 虽然面临其它自动化控制系统 的挑战 但同时也在吸收它们的优点 互相融合 不断创新 在今后一段时间内将与其 18 它先进控制方式并存 共同发展 三 可编程序控制器三 可编程序控制器 PLCPLC 的分类的分类 对 PLC 的分类 通常根据其结构形式的不同 功能的差异和 I O 点数的多少等 进行大致分类 1 按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式 可将 PLC 分为整体式和模块式 两类 1 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源 CPU I O 接口等部件都集中装在一个机 箱内 具有结构紧凑 体积小 价格低的特点 小型 PLC 一般采用这种整体式结构 整体式 PLC 由不同 I O 点数的基本单元 又称主机 和扩展单元组成 基本单元内 有 CPU I O 接口 与 I O 扩展单元相连的扩展口 以及与编程器或 EPROM 写入器相 连的接口等 扩展单元内只有 I O 和电源等 没有 CPU 基本单元和扩展单元之间 一般用扁平电缆连接 整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元 如模拟量单元 位 置控制单元等 使其功能得以扩展 2 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分 分别作成若干个单独的模块 如 CPU 模块 I O 模块 电源模块 有的含在 CPU 模块中 以及各种功能模块 模块式 PLC 由框 架或基板和各种模块组成 模块装在框架或基板的插座上 这种模块式 PLC 的特点 是配置灵活 可根据需要选配不同规模的系统 而且装配方便 便于扩展和维修 大 中型 PLC 一般采用模块式结构 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起 来 构成所谓叠装式 PLC 叠装式 PLC 其 CPU 电源 I O 接口等也是各自独立的模 块 但它们之间是靠电缆进行联接 并且各模块可以一层层地叠装 这样 不但系 统可以灵活配置 还可做得体积小巧 2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同 可将 PLC 分为低档 中档 高档三类 1 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可有少量模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 主要用 于逻辑控制 顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 2 中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外 还具有较强的模拟量输入 输出 算术 运算 数据传送和比较 数制转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有些还 19 可增设中断控制 PID 控制等功能 适用于复杂控制系统 3 高档 PLC 除具有中档机的功能外 还增加了带符号算术运算 矩阵运算 位 逻辑运算 平方根运算及其它特殊功能函数的运算 制表及表格传送功能等 高档 PLC 机具有更强的通信联网功能 可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系 统 实现工厂自动化 3 按 I O 点数分类 根据 PLC 的 I O 点数的多少 可将 PLC 分为小型 中 型和大型三类 1 小型 PLC I O 点数小于 256 点 单 CPU 8 位或 16 位处理器 用户存储器 容量 4K 字以下 2 中型 PLC I O 点数 256 2048 点 双 CPU 用户存储器容量 2 8K 3 大型 PLC I O 点数 2048 点 多 CPU 16 位 32 位处理器 用户存储器 容量 8 16K 四 四 PLCPLC 的系统模块的系统模块 PLC 系统模块包括 CPU I O 电源模块和其他设备组成 1 I O 模块 PLC 与电气回路的接口 是通过输入输出部分 I O 完成的 I O 模块集成了 PLC 的 I O 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 I O 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 I O 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 20mA 0 20mA 电压型 0 10V 0 5V 10 10V 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 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 2 电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源 同时 有的还为输入电 路提供 24V 的工作电源 电源输入类型有 交流电源 220VAC 或 110VAC 直流电 源 常用的为 24VDC 20 第三节第三节 电动机的故障分析电动机的故障分析 电机是机械设备的动力 在机械设备中占据重要的地位 因而加强电机检测是 相当必要的 电机主要有转子 定子两大部分组成 因此电机的主要故障一般产生 在轴承上 转子上和线圈上 1 电机轴承故障 电机轴承检测是电机检测很重要的一部分 大部分的电机 故障都是因为轴承出现故障而造成的 造成轴承故障的原因主要有轴承的磨损 保 持架 滚珠 的断裂 剥落 故障的直接现象表现为振动值增大 轴承故障一般通 过简易振动诊断可以判断 2 转子故障 转子的故障产生的原因一般是因为转子失衡 轴弯曲和不对中 等现象造成 故障的直接现象一般表现为电机扫膛 检测它的故障需要精密诊断中 的谱图分析 在它的转频上有一个最大的能量分布 3 线圈故障 一般的线圈故障为线圈匝间短路或断路 线圈间短路和相间短 路 绕组线圈导线的绝缘损坏 不相通的线匝间直接连通 形成低阻抗的环路 环 内产生大电流 导致周围线圈绝缘加速老化 严重时烧毁电机 电机短路故障直接 现象表现为电机启动困难或电机发热 用测温仪可以判断出短路的一相 本文选择 相间短路作为故障分析点 当出现相间短路时 报警灯闪烁 报警铃响 按下报警 响应按钮后 报警灯常亮 警铃停止报警 第四节第四节 电动机故障检测系统设计电动机故障检测系统设计 一 系统设计一 系统设计 PLC 系统设计前应分析生产工艺流程 确定被控制的对象 根据传感器和控制 对象的工作特性和技术指标 确定系统应该满足的控制要求 这些控制要求包括 1 控制的基本方式 控制的基本要求包括行程控制 时间控制 速度控制 电流电压控制 信号来自各种传感器 等 2 需要完成的动作 需要完成的动作包括动作及其顺序 动作条件 3 操作方式 包括手动 手动点动 回原点 自动 单步运行 单周期运 行 自动运行 以及必要的保护与报警 连锁与互锁 现场显示 故障诊断等 21 4 确定软件与硬件分工 控制系统的某些功能可以用硬件实现 也可以用软 件实现 可以按照技术方案 经济性 可靠性等指标 选用硬件实现 或者同时选 用 二 系统总体思路二 系统总体思路 本文设计的目的是检测电机故障 选择三相异步电机的相间短路作为故障检测 点 按下电机开关后 电机不运行 执行此检测程序 测量 UVW 三根相线 如果正 常则电机正常启动 如果出现相间短路 此时报警灯闪烁 警铃响 按下报警响应 按钮后 报警灯常亮 警铃停止 修复后电机自动启动 按下报警复位按钮监控开 始 持续监测 图 3 1 系统框图设计 三 三 短路检测方法短路检测方法 在检测接点加上交流电压 220V 用并联的方法获取接点间的电压值 如果电压 值为零 则表示此两接点间出现短路 如果电压值大于零就表示没有出现短路 电 机继续启动 UV 间短路情况的检测如图 3 2 所示 图 3 2 相线间短路情况的检测 22 第五节第五节 硬件设计硬件设计 一 一 确定系统中的确定系统中的 I OI O 设备设备 1 根据系统控制要求 确定输入设备 输入设备包括拨码开关 编码器 传 感器 和主指令开关 含按钮 转换开关 行程开关 限位开关等 2 根据控制要求 确定输出设备 输出设备包括接触器 继电器 电磁阀 信号灯 LED 等 以及步进电机 伺服电机 变频电机控制器等 并了解与输出设 备相连的电动机的控制要求 3 根据用户的 I O 设备数量 确定 PLC 的 I O 点数 系统中的输入输出设 备如表 3 1 所示 表 3 1 系统中的输入输出设备 二 二 I OI O 点数的确定及点数的确定及 PLCPLC 主单元的选型主单元的选型 1 I O 点数是 PLC 的一项重要指标 合理选择 i o 点数既可以是系统满足控 制要求 又可使系统总投资最低 PLC 的输入输出点数和种类应该根据被控对象所 需控制的模拟量 开关量等输入输出设备情况 包括模拟量 开关量等输入信号和 需控制的输入设备数目和类型 来确定 一般一个输入输出元件要占用一个输入输 出点 考虑到今后的调整和扩充 一般应在估计的总点数上加上 20 30 的备用量 实际设计时 还需根据制造厂商 PLC 的产品特点 对输入输出点数进行圆整 2 PLC 基本单元的选用 输入量输出量 电机开关报警铃 报警响应按钮报警灯 报警复位按钮电机启动继电器 23 正确选择 PLC 的型号对于保证系统的技术性 经济性 可靠性 可扩展性至关 重要 据此可以选用合适的 PLC 系列 并在该系列中选合适的型号 由表可知 本设计总共有三个开关量输入三个模拟量输入三个开关量输出 加上应该留的余量 根据 可编程控制器原理与应用 表 3 2 可以选择 FX2N 16MR 001 型号的 PLC 单元 FX2N 16MR 001 为继电器输出单元 输入点数为 8 点 输出点数为 8 点 扩展 模块可用点数为 24 32 点 三 三 系统主模块外部接线设计系统主模块外部接线设计 绘制出 PLC 模块与 I O 设备的连线图 考虑必要的安全措施 如互锁和连锁保 护 过电压保护 过电流保护 电路保护等 根据系统的 I O 设备以及控制要求 分析设计系统主模块外部电路如图 3 3 所 示 图 3 3 系统主模块外部接线图 四 四 系统特殊单元的选型及接线设计系统特殊单元的选型及接线设计 本设计需要用到模拟量输入模块 在选用时要注意一下几点 a 模拟量值得输入范围 模拟量的输入信号可以是电压信号或电流信号 标准 值为 0 5V 0 10V 2 5 2 5V 5 5V 0 20mA 4 20mA 等 在选用时一定 要注意与现场过程检测信号范围相对应 b 模拟量输入模块的分辨率 精度 转换时间等参数指标应符合具体的系统要 求 24 c 在应用中要注意抗干扰措施 模拟量输入处理模块根据 可编程控制器原理与应用 表 3 5 选用 FX2N 4AD 特 殊功能单元 FX2N 4AD 的技术指标如表 3 2 所示 表 3 2 FX2N 4AD 的技术指标 电压输入电流输入项目 4 通道模拟量输入 通过输入端子变换可选电压或电流输入 模拟量输入范围DC 10 10V 输入电阻 200k 绝对最大输入15k DC 20 20mA 输入电阻 250 绝对最大输入32mA 数字量输出范围带符号位的 16 位二进制 有效值 11 位 数值范围 2048 2047 分辨率5mV 10V 1 2000 20 A 20mA 1 1000 综合精确度1 在 10 10V 范围 1 在 20 20mA 范围 转换速度每通道 15ms 高速转换方式时为每通道 6ms 隔离方式模拟量与数字量间用光电隔离 从基本单元来的电源经 DC AC 转换器隔离 个输入端 子间不隔离 模拟量用电源DC24V10 55mA 占有的 I O 点数程序上为 8 点 作输入或输出点计算 由 PLC 供电的小号功率为 5V 30mA 根据系统控制要求模拟量输入模块有三个模拟量输入 分别是 UV 相间电压 UW 相间电压 VW 相间电压 因此模块的四个模拟量输入接口只需其三 由于输入电压 范围为 10 10V 考虑到检测的误差要尽量小 所以所加的检测电压为 220V 交流电 压 模拟量输入模块接线图如图 3 4 所示 系统总接线图见附录二所示 25 图 3 4 模拟量输入模块接线图 五 系统电源设计五 系统电源设计 PLC 控制系统的电源除交流电源以外 还包括给光电传感器和直流电机供电的 直流电源 一般情况下 交流电源可直接与电网相连 而输入设备的直流电源和输 出负载的直流电源等最好分别采用独立的直流供电电源 系统电源设计图如图 3 5 所示 图 3 5 系统电源设计图 第六节第六节 软件设计软件设计 PLC 软件的设计的基本流程如下 1 制定控制方案 2 编制 I O 分配表 3 定义模块功能 4 编写指令程序 26 5 软件调试 一 程序流程图设计一 程序流程图设计 根据系统控制对程序的要求 设计出程序 运行流程图图 3 6 所示 图 3 6 程序运行流程图 二 二 建立系统建立系统 PLCPLC 的的 I OI O 地址的分配地址的分配 I O 地址分配如表 3 4 所示 表 3 4 I O 地址分配表 输入设备输入点编号输出设备输出点编号 电机开关X000电机启动开关Y000 报警响应按钮X001报警灯Y001 报警复位按钮X002报警铃Y002 三 三 模拟量输入模块模拟量输入模块 FX2N 4ADFX2N 4AD 程序设计程序设计 27 FX2N 4AD 有四个模拟量输入通道 CH1 到 CH4 为了能完成所需完成的系统任务 应该讲 CH1 到 CH3 设置为电压输入 CH4 关闭 为了取样准确 取样四次再取平均 值 选用的模块连接在靠近基本单元的位置 编号为 0 按照控制要求设计梯形图 模拟量输入模块梯形图如图 3 7 所示 系统总程序梯形图见附录一所示 图 3 7 模拟量输入模块梯形图 四 四 系统主模块程序编制系统主模块程序编制 0LDX000 1FROMK0K30D4K1 10CMPK2010D4M0 17ANDM1 18TOK0K0H3000K1 27TOKOK1K4K3 36FROMKOK29K4M10K1 45MPS 46ANIM10 47ANIM18 48FROMK0K5D0K3 57MPP 58OUTT1K10 28 61ANDT1 62CMPK0D0M5 69CMPK0D1M10 76CMPK0D2M15 83LDM6 84ORM11 85ORM16 86OUTM200 87LDM200 88ANIT3 89OUTT2K1 92LDT2 93OUTT3K2 96LDIT2 97ORM100 98ANDM200 99OUTY001 100LDX001 101SETM77 102LDM77 103ORM100 104ANDM200 105OUTM100 106LDM200 107ANIM100 108OUTY002 109LDIM6 110ANIM11 111ANIM16 112ANDX000 113OUTY000 114LDX002 115RSTM77 116RSTM100 117END 29 五 系统的调试五 系统的调试 输入梯形图并变换后单击梯形图逻辑测试启动按钮开始仿真调试 结果如下 X000 闭合并将 0 号特殊模块缓冲寄存器中第 30 个寄存器赋值为 k2010 则辅助 继电器 M1 闭合 模拟量输入模块开始工作 1s 后系统读取缓冲寄存器中的相应值 此时对 BFM 5 6 7 进行设定值 设定值分别为 5 6 7 时 Y000 闭合 设定值为 4 0 5 时 M11 闭合 报警继电器 M200 闭合 Y001 闪烁 Y002 闭合 再置 X001 为 ON Y001 常亮 Y002 闭合 重新设置值后重新判定 如果都不为 0 则 Y000 闭合 再置 X002 为 ON M77 M200 复位 30 第四章第四章 电动机的电气保护及维护电动机的电气保护及维护 第一节第一节 电动机的电气装置保护电动机的电气装置保护 异步电动机的保护是个复杂的问题 在实际使用中 应按照电动机的容量 型 式 控制方式和配电设备等不同来选择相适应的保护装置及起动设备 电动机的保护往往与其控制方式有一定关系 即保护中有控制 控制中有保护 如电动机直接起动时 往往产生 4 7 倍额定电流的起动电流 若由接触器或断路器 来控制 则电器的触头应能承受起动电流的接通和分断考核 即使是可频繁操作的 接触器也会引起触头磨损加剧 以致损坏电器 对塑料外壳式断路器 即使是不频 繁操作 也很难达到要求 因此 使用中往往与起动器串联在主回路中一起使用 此时由起动器中的接触器来承载接通起动电流的考核 而其他电器只承载通常运转 中出现的电动机过载电流分断的考核 至于保护功能 由配套的保护装置来完成 此外 对电动机的控制还可以采用无触点方式 即采用软起动控制系统 电动 机主回路由晶闸管来接通和分断 有的为了避免在这些元件上的持续损耗 正常运 行中采用真空接触器承载主回路 并联在晶闸管上 负载 这种控制有程控或非程控 近控或远控 慢速起动或快速起动等多种方式 另外 依赖电子线路 很容易做到 如电子式继电器那样的各种保护功能 电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的 而绕组的过热往往是流 经绕组的电流过大引起的 对电动机的保护主要有电流 温度检测两大类型 一 一 电流检测型保护装置电流检测型保护装置 1 热继电器利用负载电流流过经校准的电阻元件 使双金属热元件加热后产生 弯曲 从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作 其动作特性与电动机绕组 的允许过载特性接近 热继电器虽则动作时间准确性一般 但对电动机可以实现有 效的过载保护 随着结构设计的不断完善和改进 除有温度补偿外 它还具有断相 保护及负载不平衡保护功能等 例如从 ABB 公司引进的 T 系列双金属片式热过载继 31 电器 从西门子引进的 3UA5 3UA6 系列双金属片式热过载继电器 JR20 型 JR36 型热过载继电器 其中 Jn36 型为二次开发产品 可取代淘汰产品 JRl6 型 2 带有热 磁脱扣的电动机保护用断路器热式作过载保护用 结构及动作原理 同热继电器 其双金属热元件弯曲后有的直接顶脱扣装置 有的使触点接通 最后 导致断路器断开 电磁铁的整定值较高 仅在短路时动作 其结构简单 体积小 价格低 动作特性符合现行标准 保护可靠 故日前仍被大量采用 特别是小容量 断路器尤为显著 例如从 ABB 公司引进的 M611 型电动机保护用断路器 国产 DWl5 低压万能断路器 200 630A S 系列塑壳断路器 100 200 400 入 3 电子式过电流继电器通过内部各相电流互感器检测故障电流信号 经电子电 路处理后执行相应的动作 电子电路变化灵活 动作功能多样 能广泛满足各种类 型的电动机的保护 其特点是 多种保护功能 主要有三种 过载保护 过载保护十断相保护 过载保护十 断相保护 反相保护 动作时间可选择 符合 GBl4048 4 93 标准 标准型 10 级 7 2In In 为电动机额定电流 4 1Os 动作 用于标准电动 机过载保护 速动型 10A 级 7 2In 时 2 1Os 动作 用于潜水电动机或压缩电 动机过载保护 慢动型 30 级 7 2In 时 9 30s 动作 用于如鼓风机电机等起 动时间长的电动机过载保护 电流整定范围广 其最大值与最小值之比一般可达 3 4 倍 甚至更大倍数 热继电器为 1 56 倍 特别适用于电动机容量经常变动的场合 例如矿井等 有故障显示 由发光二极管显示故障类别 便于检修 4 固态继电器它是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功 能的微处理器装置 其成本和价格随功能而异 最复杂的继电器实际上只能用于较 大型 较昂贵的电动机或重要场合 它监视 测量和保护的主要功能有 最大的起动冲击电流和时间 热记忆 大惯性负载的长时间加速 断相或不平衡相电流 32 相序 欠电压或过电压 过电流 过载 运行 堵转 失载 机轴断裂 传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌 电动机绕组温度和负载的轴承温度 上述每一种信息均可编程输入微处理器 主要是加上需要的时限 以确保在电动机起动或运转过程中产生损坏之前 将电源 切断 还可用发光二极管或数字显示故障类别和原因 也可以对外向计算机输出数 据 5 带有电子式脱扣的电动机保护用断路器其动作原理类同上述电子式过电流继 电器或固态继电器 功能主要有 电路参量显示 电流 电压 功率 功率因数等 负载监控 按规定切除或投入负载 多种保护特性 指数曲线反时限 I2t 曲线反时 限 定时限或其组合 故障报警 试验功能 自诊断功能 通信功能等 产品如施 耐德电气公司生产的 M 系列低压断路器 6 软起动器软起动器的主电路采用晶闸管 控制其分断或接通的保护装置一般 做成故障检测模块 用来完成