基于PLC的电机故障诊断系统设计

内容第一章引言.11.1可编程控制器在故障诊断系统中的应用发展现状.11.2故障诊断方法.1第二章介绍了可编程控制器的原理和设备的总体结构.22.1可编程逻辑控制器发展历史.22.2可编程控制器控制系统的发展前景.22.3可编程逻辑控制器的分类.32.4可编程逻辑控制器系统模块.42.5可编程逻辑控制器选择方法.4第三章电机故障诊断系统的设计及可编程控制器的选择.83.1可编程控制器的选择和介绍.103.2系统框图.12第四章电机故障诊断系统的设计.144.1电机故障分类.144.2故障诊断流程设计.154.3借鉴专家系统故障诊断方法实现.17第五章系统电源设计.205.1电源.20第六章结论.21由于.22参考.23英语摘要.24介绍了国产电机故障诊断系统的设计及存在的问题，并介绍了可编程控制器的工作原理及选用依据。设计了一种基于可编程控制器的电机故障诊断系统。详细介绍了西门子S7-200可编程控制器和同类型的S7-300 S7-400可编程控制器。根据设计要求分配可编程控制器的输入输出输入输出，并编制系统运行梯形图。准备启动时，按下启动按钮后，首先检测断路器的状态。如果断路器的初始状态为闭合，电机将无法启动，并将发出声光报警。如果断路器的初始状态为断开，断路器闭合，电机启动。在启动过程中，如果发生主要故障，可编程逻辑控制器执行相应的保护动作。启动后，“电机开/关指示灯”亮起，电机运行正常。在运行过程中，可编程控制器循环检测电机是否有相间短路、断相、低压、单相接地、过载、过流等故障。如果有，可编程逻辑控制器执行相应的保护动作。在停机期间，在可编程逻辑控制器接收到停机命令后，断路器跳闸，“电机开/关指示器”熄灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。本设计的主题是基于可编程控制器的电机故障诊断系统的设计。关键词：故障诊断机械设计、制造及自动化专业2008年毕业设计(论文)第一章导言1.2可编程控制器在故障诊断系统中的应用发展现状PLC作为一种成熟、稳定、可靠的控制器，在工业控制中得到了广泛的应用。PLC系统的设计直接影响工业控制系统的安全可靠运行。除了正常运行和满足工业控制的要求外，一个完善的PLC系统必须能够在系统出现故障时及时诊断和处理故障。故障自诊断功能是工业控制系统智能化的重要标志，对工业控制具有很高的意义和实用价值。1.3故障诊断方法故障诊断一般有两种方法：故障树法和专家系统法。故障树方法使用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，并从错误的输出中发现可能的输入错误。这种方法更适合于系统结构相对简单、各部分耦合较少的情况。专家系统方法建立系统故障的知识库和推理机，计算机利用知识库和推理机，借助现场数据进行深入的逻辑推理，找出故障原因。该方法适用于系统结构复杂、各部分耦合性强的大型工业系统。可编程控制器是目前广泛使用的一种控制装置。利用PLC丰富的内部资源和强大的功能指令编写故障检测和报警程序，不仅可以代替继电器实现相应的功能，还可以提高系统的工作可靠性和灵活性。第二章介绍了可编程控制器的原理和设备的总体结构2.1可编程逻辑控制器发展历史在工业生产过程中，大量的开关量是按顺序控制的。它根据逻辑条件按顺序运行，根据逻辑关系控制联锁保护动作，并收集大量离散数据。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统实现的。1968年，美国通用汽车公司提议更换下列电气控制装置。第二年，美国数字公司开发了一种基于集成电路和电子技术的控制装置。这是第一次，它使用编程的方式进行电气控制。这是第一代可编程控制器，称为可编程控制器。个人计算机(简称PC机)发展后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程控制器被称为可编程逻辑控制器(PLC)。从上世纪80年代到90年代中期，可编程逻辑控制器是增长最快的时期，年增长率为3040%。在此期间，可编程控制器处理模拟量、数字操作、人机界面和网络的能力得到了极大的提高。在一些应用中，可编程控制器逐渐进入过程控制领域，取代了在过程控制领域占主导地位的集散控制系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应性广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，可编程控制器在工业自动化控制，尤其是顺序控制中的地位是不可替代的。可编程控制器在中国控制产品中的市场份额已超过50%，并保持了10% 15%的发展速度。2.2可编程控制器控制系统的发展前景目前，虽然出现了性能更好的集散控制系统和集散控制系统，但PLC控制最终将被先进的集散控制系统所取代。然而，在目前和未来的很长一段时间内，可编程逻辑控制器将与分布式控制系统和现场总线系统共存。这主要是由于以下原因：(1)企业的确正在向自动化、信息化和开放性发展，但这并不意味着现有的控制系统将被拆除和取代。企业投入大量人力和财力建立的可编程控制器控制系统已经初具规模。如果新的集散控制系统或集散控制系统被完全推翻，将需要更多的资本投资，这将造成巨大的浪费。(2)基于上述市场需求，许多软件厂商(如：华富汇通软件公司)正在考虑如何利用企业已经形成的控制系统和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和信息化，为企业提供控制系统和管理网络的集成。(3)目前，可编程控制器功能得到增强，结构得到优化。信息作战模块趋向于分散化和智能化。编程工具和编程语言更加标准化和先进。(4)可编程控制器的网络通信能力增强，正在向高速、多层次、大信息量、高可靠性和开放式通信方向发展。(5)目前的可编程序控制器系统结合了集散控制系统技术和现场总线信息输出技术，结构开放，扩展方便，技术先进，价格低廉。从以上分析可以预见，可编程控制器将朝着多功能、集成化、集成化的方向发展可编程控制器产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。可编程逻辑控制器的分类通常根据其结构、功能和输入输出点进行粗略分类。(1)按结构形式分类：根据可编程逻辑控制器的结构形式，可将可编程逻辑控制器分为整体式和模块式。1.整体式可编程逻辑控制器通过将电源、中央处理器、输入输出接口等部件集中在一个机柜内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体结构。整体式可编程逻辑控制器由基本单元(也称为主机)和具有不同输入/输出点的扩展单元组成。基本单元包括中央处理器、输入/输出接口、连接到输入/输出扩展单元的扩展端口、以及连接到编程器或EPROM写入器的接口。扩展单元只有输入/输出、电源等。没有中央处理器。基本单元和扩展单元通常通过扁平电缆连接。整体式可编程逻辑控制器还可以配备特殊的功能单元，如模拟量单元和位置控制单元，以扩展其功能。2.模块化可编程逻辑控制器是将可编程逻辑控制器的每个组件分成若干个独立的模块，如中央处理器模块、输入/输出模块、电源模块(部分包含在中央处理器模块中)和各种功能模块。模块化可编程逻辑控制器由框架或基板和各种模块组成。该模块安装在框架或基板的插座上。这种模块化可编程逻辑控制器的特点是配置灵活，可根据需要选择不同尺寸的系统，组装方便，易于扩展和维护。大中型PLC一般采用模块化结构。也有一些可编程逻辑控制器结合了整体式和模块化的特点，形成了所谓的堆叠式可编程逻辑控制器。堆叠式可编程逻辑控制器的中央处理器、电源和输入/输出接口也是独立的模块，但它们是通过电缆连接的，每个模块可以一层一层地堆叠。这样，不仅可以灵活地配置系统，而且可以使体积变小。(2)按功能分类：根据可编程控制器的不同功能，可编程控制器可分为三类：低级、中级和高级。1.低级可编程控制器具有逻辑运算、定时、计数、移位、自诊断、监控等基本功能。它还可以有少量的模拟输入/输出、算术运算、数据传输和比较、通信等。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟控制的单机控制系统。2.除了低级可编程控制器的功能外，中级可编程控制器还具有强大的模拟输入/输出、算术运算、数据传输与比较、数字系统转换、远程输入/输出、子程序、通信组网等功能。有些还可以增加中断控制、PID控制等功能，适用于复杂的控制系统。3.除了中级机的功能外，高级可编程逻辑控制器还增加了符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算和其他特殊功能运算、制表和表格传输功能等。高档PLC具有较强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或形成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。(3)输入输出点分类：根据输入输出点的数量，可编程逻辑控制器可分为小型、中型和大型。1.小程序代码输入输出点少于256点；单个中央处理器，8位或16位处理器，4K字下的用户内存容量。2.中等进/出点256 2048点；双CPU，用户内存容量2 8K。3.大功率激光器输入输出点2048点；多处理器，16位和32位处理器，用户内存容量8 16k。2.4可编程逻辑控制器系统模块PLC系统模块包括CPU、I/O、电源模块和其他设备，每个模块有不同的组成和结构。2.4.1中央处理器的组成中央处理器是可编程逻辑控制器的核心，起着神经中枢的作用。每个可编程逻辑控制器至少有一个中央处理器。它根据可编程逻辑控制器系统程序给出的功能接收和存储用户程序和数据。它使用扫描方法收集现场输入设备发送的状态或数据，并将其存储到指定的寄存器中。同时，对电源和PLC内部电路的工作状态以及编程过程中的语法错误进行诊断。进入操作后，从用户程序存储器中逐个读取指令，经过分析后，根据指令中指定的任务产生相应的控制信号，以命令相关的控制电路。中央处理器主要由运算单元、控制器、寄存器和数据、控制和状态总线组成，实现它们之间的连接。中央处理器单元还包括外围芯片、总线接口和相关电路。存储器主要用于存储程序和数据，是可编程控制器不可缺少的组成部分。从用户的角度来看，没有必要详细分析中央处理器的内部电路，但应该充分了解各部分的工作机理。中央处理器的控制器控制中央处理器工作，并读取、解释和执行指令。然而，工作节奏是由振荡信号控制的。算术单元用于数字或逻辑运算，并在控制器的命令下工作。寄存器参与操作并存储操作的中间结果。他们也在控制员的指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定了PLC的工作速度、输入输出数量和软件容量，从而限制了控制规模。2.4.2输入输出模块可编程控制器和电路之间的接口通过输入输出部分完成。输入输出模块集成了可编程逻辑控制器的输入输出电路，输入寄存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存状态。输入模块将电信号转换成数字信号并进入可编程逻辑控制器系统，而输出模块则相反。输入输出分为开关输入、开关输出、模拟输入、模拟输出等模块。常用的输入输出类别如下：开关值：分压电平，220伏交流电，110伏交流电，24伏直流电，分隔离模式，继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型、电流类型(4-