基于PLC的电机故障诊断系统设计毕业论文

基于PLC的电机故障诊断系统设计毕业论文毕业设计论文题目基于PLC的电机故障诊断系统设计院系机电工程系专业机电一体化姓名3学号3指导教师3任务与要求任务1明确控制要求确定控制方案2选择PLC类型3输入输出设备选择及输入输出点分配4设计调试5电机故障诊断控制系统的实现要求1介绍所使用PLC及控制系统涉及其它设备的基本情况2分析所设计控制系统的控制对象的工艺流程3确定IO表4设计硬件构成及接线5设计PLC控制程序6依照上述要求撰写毕业论文毕业设计论文进度计划表摘要本文介绍了国内电机故障诊断系统设计以及存在的问题同时介绍了可编程控制器的工作原理选型依据设计了一种基于PLC电机故障诊断系统并且详细介绍了所选用的西门子S7-200PLC以及同类型的S7-300S7-400PLC根据设计要求对PLC的输入输出IO进行了分配并且编写系统运行的梯形图准备开机时按下开机按钮后首先检测断路器状态如果断路器初始状态为闭合电机无法启动并且声光报警如果断路器初始状态为断开断路器合闸电机开始启动在启动过程中若发生一级故障PLC进行相应的保护动作启动完成后电机开关指示灯亮电机正常运行运行过程中PLC依次循环检测电机是否发生相间短路断相低电压单相接地过负荷过电流等故障若有发生PLC进行相应保护动作关机时PLC接到关机命令后断路器跳闸电机开关指示灯灭故障声光报警后按报警复位按钮复位本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计关键词故障诊断PLC电机AbstractThispaperintroducesthedomesticelectricalfaultdiagnosissystemdesignaswellasexistingproblemsandintroducesprogrammablecontrolleratthesametimetheworkingprincipleandselectionbasis．APLC-baseddesignoftheelectricalfaultdiagnosissystemdesignanddetailonthechoiceofSiemensS7-200PLCandthesametypeofS7-300S7-400PLCandaccordingtothedesignrequirementsoftheinputandoutputofthePLCIOfordistributionandpreparationoftheladderdiagramsystemoperation．Preparedtobootpressthebuttonafterbootthecircuitbreakerstatusisdetectedfirst．Ifthecircuitbreakerinitialstateisclosedelectricaldoesntstartandsoundandlightalarm．Ifthecircuitbreakerinitialstateisdisconnectedthecircuitbreakercloseandtheelectricalstart．StartintheprocessifafailureoccurredtheprotectionPLCcorrespondaction．Startafterthecompletionofmotoronoffindicatorlightontheelectricalnormaloperate．RunningprocessPLCfollowedbymotorcycletestwhethertherehasbeenaphaseshortcircuitbreakingphaselow-voltagesingle-phase-to-groundoverloadover-currentfaultandsoon．IfoccurredPLCprotectionactaccordinglyshutdown．PLCreceivedshutdownorderstrippingcircuitbreakersmotoronoffindicatorlighteliminate．Faultsoundandlightalarmatthealarmresetbuttonreset．ThischoiceisbasedonthedesignofthemotorPLCfaultdiagnosissystemdesign．KEYWORDFaultDiagnosisPLCMotor

目录第一章绪论 1第二章PLC原理介绍及设备总体结构介绍 2第一节PLC发展历程 2第二节PLC的分类 3第三节PLC的工作原理 4第四节PLC的组成 5第三章可编程控制器系统设计 8第一节可编程控制器系统设计原则 8第二节可编程控制器系统设计步骤 8第三节可编程控制器控制系统的硬件设计 9第四节PLC的选取及介绍 11第五节S7-200系列PLC的硬件配置 14第四章电机故障诊断系统设计 18第一节电机的故障 18第二节电机的保护 19第三节故障诊断系统设计 21第五章系统电源设计 33结论 35致谢 36参考文献 37附录 38

第一章绪论可编程控制器在发展初期由于价格较高使它的应用受到了限制近年来PLC应用范围迅速扩大主要原因是一方面由于微处理器芯片及相关元件的价格大大下降使得PLC的成本下降另一方面随着PLC的功能大幅度提高它能解决许多复杂的计算和通信问题使得PLC的应用范围日益扩大目前PLC已广泛应用于钢铁石油化工电力建材机械制造汽车轻纺交通运输环保以及文化娱乐等行业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的要求还必须能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的智能化的一个重要标志对于工业控制具有较高的意义和实用价值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提高工作可靠性及其系统的灵活性

第二章PLC原理介绍及设备总体结构介绍第一节PLC发展历程随着工业自动化程度的不断提高使用继电器构成工业控制系统的缺陷不断地暴露出来首先是复杂的系统使用成百上千各种各样的继电器成千上万根导线只要一个电器一根导线出现故障系统就不能正常工作这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性且系统维修及改造很不容易到了20世纪60年代末人们设想能否把计算机的通用灵活功能完善与继电-接触器控制系统的简单易懂使用方便生产成本低等特点结合起来生产出一种面向生产过程顺序控制可利用简单语言编程能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器这一设想最早由美国最大的汽车制造商通用汽车公司于1968年提出根据以上要求美国数字设备公司在1969年首先研制出了全世界第一台可编程序逻辑控制器并简称为可编程控制器1971年日本从美国引进这项技术开始生产可编程控制器1973年西德法国等西欧国家也开始研制生产可编程控制器1974年我国开始研制可编程控制器并在1977年应用于工业生产从第一台PLC诞生至今大致经历了如下四次更新换代第一代PLC多数用1位机开发采用磁芯存储器存储仅具有逻辑控制定时计数等功能第二代PLC使用了8位微处理器及半导体存储器其产品逐步系列化功能也有所增强已能实现数字运算传送比较等功能第三代PLC采用了高性能微处理器及位片式中央处理单元工作速度大幅度提高同时促使其向多功能和联网方向发展并具有较强的自诊断能力第四代PLC不仅全面使用16位32位微处理器作为CPU内存容量也更大可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统而且编程语言除了可使用传统的梯形图流程图等还可以使用高级语言外设也更加多样化许多软件厂商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第二节PLC的分类一按结构形式分类按照结构形式的不同可分为整体式PLC和模块式PLC两种1．整体式PLC整体式可编程控制器又称为单元式或箱体式它将中央处理单元存储器单元输入输出单元输入输出扩展接口单元和电源单元等集中安装在一个机箱内这种整体式结构的可编程控制器结构紧凑体积小价格低一般小型PLC如单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品都采用这种结构小型PLC的主要型号有三菱F1F2FX2FX0N等系列OMRONC系列P型袖珍机西门子S7系列等2．模块式PLC模块结构形式将PLC各部分分成若干个单独的模块如CPU模块IO模块电源模块和各种其他功能模块然后组装在机架或母板上在机架或母板的底板上有若干个模块插座和连接这些插座的内部系统总线一些产品的机架或母板上还安装了与输入输出扩展机连接的接口插座这种模块式结构的可编程控制器配置灵活装配方便便于扩展和维修一般大中型PLC都采用这种结构适用于复杂过程控制系统的应用场合常见的有三菱公司的A1NA3N系列立石公司C系列C500C2000H和通用电气公司的90TM-7090TM-30等二按功能点数分类按功能输入输出点数和存储器容量不同可分为小型中型和大型PLC三类1小型PLC小型PLC又称为低档PLC这类PLC的规模较小它的输入输出点数一般从20点到128点用户存储容量小于2KB具有逻辑运算定时计数移位及自诊断监控等功能有些还有少量的模拟量IO算术运算数据传送远程IO和通信等功能可用于开关量控制定时计数控制顺序控制及少量模拟量控制等场合通常用来代替继电器-接触器控制在单机或小规模生产过程中使用常见的小型PLC产品有三菱公司的F1FX0系列欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100US7-200等2中型PLC中型PLC的IO点数通常在128点至512点之间用户程序存储器的容量为2～8KB除具有小型机的功能外还具有较强的模拟量IO数字运算过程参数调节数据传送与比较数值转换中断控制远程IO及通信联网功能中型PLC适用于既有开关量又有模拟量的复杂控制系统如大型注塑机控制配料和称重等中小型连续生产过程控制常见的机型有三菱公司的A1S系列立石公司的C200HC500西门子公司的S5-115U等3大型PLC大型PLC又称为高档PLCIO点数在512点以上其中IO点数大于8192点的又称为超大型PLC用户存储器容量在8KB以上除具有中型机的功能外还具有较强的数据处理模拟调节特殊功能函数运算监视记录打印以及强大的通信联网中断控制智能控制和远程控制等功能由于大型PLC具有比中小型PLC更强大的功能因此一般用于大规模过程控制分布式控制系统和工厂自动化网络等场合常见的如三菱公司的A3MA3N立石公司的C2000HAB公司的PLC-5以及西门子公司的S5-135US5-155US7-400等第三节PLC的工作原理小型PLC的工作过程有两个显著特点周期性顺序扫描集中批处理周期性顺序扫描是可编程控制器特有的工作方式PLC在运行过程中总是处在不断循环的顺序扫描过程中由于可编程控制器的IO点数较多采用集中批处理的方法可以简化操作过程便于控制提高系统可靠性因此可编程控制器的另一个主要特点就是对输入采样执行用户程序输出刷新实施集中批处理一公共处理扫描阶段公共处理包括PLC自检执行来自外设命令对看门狗定时器清零等二输入采样扫描阶段这是第一个集中批处理过程在这个阶段中PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号不论输入端子上是否接线CPU顺序读取全部输入端将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中在当前的扫描周期内用户程序依据的输入信号状态均从输入映像寄存器中去取而不管此时外部输入信号的状态是否变化如果此时外部输入信号的状态发生了变化也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取三执行用户程序扫描阶段这是第二个集中批处理过程在执行用户程序阶段CPU对用户程序按顺序进行扫描每扫描到一条指令所需的输入信息状态均从输入映像寄存器中读取而不是直接使用现场的立即输入信号对其他信息则是从PLC的元件映像寄存器中读取在执行用户程序中每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中这样该状态马上就可以被后面将要扫描到的指令所利用对输出继电器的扫描结果也不是马上去驱动外部负载而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中待输出刷新阶段集中批处理所以执行用户程序阶段也是集中批处理过程四输出刷新扫描阶段这是第三个集中批处理过程当CPU对全部用户程序扫描结束后将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载在输出刷新阶段结束后CPU进入下一个扫描周期第四节PLC的组成一中央处理单元CPUPLC常用的CPU有通用微处理器单片机和位片式微处理器通用微处理器常用的是8位机和16位机如80808086M68008028680386等单片机常用的有803180518096等位片式微处理器常用的有AMD2901AMD2903等小型PLC大多采用8位微处理器或单片机中型PLC大多采用16位微处理器或单片机大型PLC大多采用高速位片式处理器PLC的档次越高所用的CPU的位数越多运算速度越快功能越强二存储器存储器主要用来存放系统程序用户程序和数据根据存储器在系统中的作用可将其分为系统程序存储器和用户存储器系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序模块化应用功能子程序命令解释程序故障诊断程序及其他管理程序用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和用户数据存储器两个部分用户存储器有RAMEPROMEEPROM三种类型用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序数据存储器用来存放控制过程中不断改变的信息如输入输出信号各种工作状态计数值定时值运算的中间结果等三输入输出模块及特殊功能模块1输入模块用来接收和采集输入信号输入信号有两类一类是由按钮开关行程开关数字拨码开关接近开关光电开关压力继电器等提供的开关量输入信号另一类是从电位器热电测速电机各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号2输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号并把它转换成现场执行部件能接收的信号用来控制接触器电磁阀调节阀调速装置等控制的另一类负载是指示灯数字显示器和报警装置等3特殊功能模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展为了增强可编程控制器的功能扩大其应用范围生产厂家开发了许多供用户选用的特殊功能模块1模拟量输入输出模块模拟量的输入在过程中应用很广泛如温度压力流量位移等工业检测都是对应电压电流大小的模拟量模拟量经传感器或变送器转换为标准信号输入模块用AD转换器将它们转换成数字量送给CPU进行处理因此模拟量输入模块又叫AD转换输入模块模拟量的输出模块是将CPU处理后的二进制数字信号转换为模拟电压或电流再去控制执行机构因此模拟量输出模块又叫DA转换输出模块2高速计数模块高速计数模块是工业控制中常用的智能模块之一它可以把过程控制变量如位置信号速度值流量值累计等送入可编程控制器这些参量的变化速度很快脉冲宽度小于可编程控制器扫描周期按正常扫描输入输出信号来处理会丢失部分参量因此使用脱离可编程控制器独立计数的高速计数器对这些参量进行计数高速计数模块可对几十kHz甚至上MHz的脉冲计数当计数器的当前值等于或大于预置值时输出被驱动3PID过程控制模块比例积分微分控制模块是实现对连续变化的模拟量闭环控制的智能模块可将PID模块看作一个过程调节器在PID模块上有输入输出接口和进行闭环控制运算的CPU模块一般可以控制多个闭环4通信模块可编程控制器的通信模块相当于局域网中的网络接口通过通信模块数据总线和可编程控制器的主机连接用硬件和软件一起来实现通信协议可编程控制器的通信模块一般配有几种接口可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择实现与别的可编程控制器智能控制设备或计算机之间的通信四电源PLC配有开关式稳压电源模块用来将外部供电电源转换成使PLC内部的CPU存储器和IO接口等电路工作所需的直流电源PLC的电源部件有很好的稳压措施因此对外部电源的稳定性要求不高小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体大中型PLC都有专用电源模块五外部设备接口外部设备接口是可编程控制器主机实现人－机对话机－机对话的通道通过它可编程控制器可以和编程器彩色图形显示器打印机IO扩展单元等相连也可以与其他可编程控制器或上位计算机连接外部设备接口一般是RS-232C或RS-422A或RS-485串行通信接口该接口的功能是串行并行数据的转换通信格式的识别数据传输的出错校验信号电平的转换等六输入输出扩展单元输入输出扩展单元是可编程控制器输入输出单元的扩展部件当用户所需的输入输出点数或类型超出主机输入输出单元所允许的点数或类型时可以通过加接输入输出扩展单元来解决输入输出扩展单元与主机的输入输出扩展接口相连方式有两种类型简单型和智能型

第三章可编程控制器系统设计第一节可编程控制器系统设计原则可编程控制器虽然是以微机技术为核心的一种控制装置但其工作方式与微机控制系统有很大的不同其主要区别是可编程控制器采用的是扫描工作方式和软继电器元件可编程控制器系统设计包括硬件设计与软件设计两个方面设计时可采用硬件与软件并行开发的方法这样可以加快整个系统的开发速度系统设计的主要内容及原则如下一硬件设计可编程控制系统硬件设计的内容主要包括PLC的选型输入输出设备选择控制柜的设计及各种图形的绘制等系统硬件设计应遵循的原则有如下几方面1充分发挥PLC的控制功能最大限度地满足控制系统的要求2力求控制系统经济实用操作方便3保证控制系统安全可靠4控制系统要具有可扩展性二软件设计可编程控制器系统软件设计的任务就是编写出能满足生产控制要求的PLC用户应用程序即绘制出梯形图编制出指令语句表软件设计应遵循的原则有如下两方面1逻辑关系简明易读易改2少占内存空间减少扫描时间第二节可编程控制器系统设计步骤可编程控制器系统设计的一般方法和步骤的流程图如图31所示图31PLC系统设计流程图第三节可编程控制器控制系统的硬件设计PLC的选择主要应从PLC的机型容量IO模块电源模块特殊功能模块通信联网能力等方面加以综合考虑一PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下保证可靠维护使用方便力争具有最佳的性能价格比具体选择时应主要考虑以下几个方面1结构合理机型统一PLC主要有整体式模块式叠装式几种结构形式整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜且体积相对较小因此在控制规模不大工艺过程固定环境条件较好的场合应优先考虑采用整体式PLC但模块式PLC在功能扩展方面优于整体式模块式PLC的选择余地都比整体式PLC大维修更换模块判断故障方面较方便因此一般用于控制功能较复杂的控制系统2功能与任务相适应对于只有开关量控制的场合当对控制速度要求不高时可选用一般的低档小型机具有逻辑运算定时计数等基本功能能满足相应的控制要求对于控制比较复杂控制要求较高的大中型控制系统例如要求实现闭环控制PID调节通信联网等功能时可视控制规模及复杂程度选用扫描速度快控制功能强联网通信能力强的中高档PLC3响应速度要求如果设备的实时性要求高或者某些功能或信号有特殊的速度要求时则应考虑PLC的响应速度或响应时间可选用扫描速度高的PLC或选用具有快速响应模块如高速计数模块和中断响应处理功能的PLC等二PLC容量的选择PLC的容量包括两个方面一是IO点数二是用户存储器容量1IO点数的选择首先根据被控对象的IO设备对所需的IO点数进行统计开关量输入点数与开关量输出点数之比可按32估算通常IO点数是根据统计的点数数据再加上10％～15％的裕量来确定以防系统方案的修改或功能的扩展2存储器容量的估算用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的IO点数运算处理量程序结构控制要求等因素有关而且还与功能实现的方法程序编写水平有关通常采用经验估算方法来估算经验估算方法是根据每个功能器件类型和IO点数统计所需程序容量的估算公式是存储容量字节开关量IO点数×10模拟量IO通道数×100三输入输出模块的选择输入模块的主要任务是将输入信号转换为合适的电平信号根据输入信号的类型不同输入模块分为直流5122448V等和交流115220V等形式一般情况下信号传输距离在10m以内的可选择直流5V的输入模块信号传输距离在10～30m可选用直流12V或24V的输入模块48V以上的适用于信号传输距离更远的情况输出模块的任务是将PLC内部信号转换为外部的控制信号输出模块的输出方式有继电器输出晶体管输出晶闸管输出三种可根据实际需要选取对开关频繁功率因数低的电感性负载可选用晶闸管输出方式其缺点是价格高过载能力差继电器输出方式适用于电压范围宽导通压降小的负载且价格便宜带载能力强其缺点是寿命短响应速度慢晶体管输出方式比较适合开关频繁功率因数低导通压降小的负载四电源模块的选择电源模块的选择仅对于模块式结构的PLC而言对于整体式PLC不存在电源的选择电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块IO模块和其他特殊模块等消耗电流的总和同时还考虑今后IO模块的扩展等因素电源输入电压一般根据现场的实际需要而定五模拟量IO模块及特殊功能模块的选择PLC的模拟量IO模块的主要功能是数据转换模拟量输出模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出至变频器阀门等装置典型模拟量IO模块的量程为-10～10V0～10V1～5V电压型及0～20mA4～20mA电流型等第四节PLC的选取及介绍德国西门子公司生产的可编程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功能更强可靠性更高S7系列PLC产品可分为微型PLC如S7-200小规模性能要求的PLC如S7-300和中高性能要求的PLC如S7-400等一SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC它具有极高的可靠性丰富的指令集易于掌握便捷的操作丰富的内置集成功能实时特性强劲的通信能力丰富的扩展模块适用于各种场合中的检测监测及自动化控制的需要S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行或连成网络都能实现复杂的控制功能S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用S7-200CPU集成了丰富的内置功能1高速计数器输入2短暂脉冲捕捉功能3高速脉冲输出4IO硬件中断事件5特殊功能相关的中断功能6PID控制PID自整定功能7用户自定义的库指令便于模块化编程8在RUN状态下的在线编程能力9可调整的数字量和模拟量的输入滤波10定义数字量和模拟量在STOP时的状态二SIMATICS7-300PLCS7-300PLC是一种通用的PLC能适合自动化工程中的各种应用场合尤其是在生产制造工程中的应用模块化易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点使得S7-300在以下工业领域中实施各种控制任务时成为一种既经济又切合实际的解决方案三SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中高档性能范围的可编程控制器S7-400PLC采用模块化无风扇的设计可靠耐用同时可以选用多种级别的CPU并配有多种通用功能的模板这使用户能根据需要组合成不同的专用系统当控制系统规模扩大或升级时只要适当地增加一些模板便能使系统升级和充分满足需要四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SIMATICNET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五人机界面HMIHMI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TD200OP3OP7OP17等图形文本操作面板OP27OP37等触摸屏操作面板TP7TP2737TP170AB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使用六SIMATICS7工业软件西门子的工业软件分为三个不同的种类1编程和工程工具编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程组态模拟和维护等控制所需的工具STEP7标准软件包SIMATIC是用于S7-300400C7PLC和SIMATICWinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具STEP7-MicroWIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程在线仿真软件2基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机SIMATIC工控机或其它任何商用机WinAC提供两种PLC一种是软件PLC在用户计算机上作为视窗任务运行另一种是插槽PLC它具有硬件PLC的全部功能WinAC与SIMATICS7系列处理器完全兼容其编程采用统一的SIMATIC编程工具编制的程序既可运行在WinAC上也可运行在S7系列处理器上3人机界面软件人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面SCADA系统支持大范围的平台人机界面软件有两种一种是应用于机器级的ProTool另一种是应用于监控级的WinCCProTool适用于大部分HMI硬件的组态从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP7中的ProTool有效地完成组态WinCC是一个真正开放的面向监控与数据采集的SCADA软件可在任何标准PC上运行WinCC操作简单系统可靠性高与STEP7功能集成可直接进入PLC的硬件故障系统节省项目开发时间第五节S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC的硬件系统配置灵活既可用单独的CPU模块构成简单的开关量控制系统也可通过IO扩展或通信联网功能构成中等规模的控制系统主要包括如下几部分一硬件系统配置1PLC基本单元即CPU模块是PLC系统的核心包括CPU存储器系统部分输入输出接口内置5V和24V直流电源RS-485通信接口等2扩展单元用于PLC系统的IO扩展包括数字量IO模块和模拟量IO模块3编程设备可使用手持式编程器也可使用装有SIMATICS7系列PLC编程软件的计算机编程设备可实现用户程序的编制编译调试和下载4人机界面常用的有触摸屏和文本显示器也可通过装有工业组态软件的微机实现通过人机界面可实现对工业控制过程的监控5通信模块可通过CPU模块自带的RS-485接口与上位机或其他PLC通信也可通过专用的通信模块与其他网络设备组成各种通信网络以实现数据交换如通信处理器模块CP243-2或PROFIBUS-DP模块EM277等6其他设备各种特殊功能模块具有独立的运算能力能实现特定的功能如位置控制模块高速计数器模块闭环控制模块温度控制模块等二CPU模块S7-200系列PLC的CPU22X系列主要有CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226等型号其输入输出点数的分配表如表31所示表31S7-200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 S7-200CPU221 6 4 - S7-200CPU222 8 6 2个扩展模块78路数字量IO点或10路模拟量IO点 S7-200CPU224 14 10 7个扩展模块168路数字量IO点或35路模拟量IO点 S7-200CPU224XP 14 10 7个扩展模块168路数字量IO点或35路模拟量IO点 S7-200CPU226 24 16 7个扩展模块248路数字量IO点或35路模拟量IO点 三数字量扩展模块S7-200系列PLC可以提供3大类共10种数字量输入输出扩展模块见表32表32输入输出扩展模块型号 名称 扩展模块 EM221 数字量输入扩展模块 8点24VDC输入光耦隔离 16点24VDC输入光耦隔离 EM222 数字量输出扩展模块 8点24VDC输出型 8点继电器输出型 EM223 数字量输入输出扩展模块 24VDC输入4点晶体管输出4点 24V表32S7-200系列PLC数字量输入输出扩展模块DC输入4点继电器输出4点 24VDC输入8点晶体管输出8点 24VDC输入8点继电器输出8点 24VDC输入16点晶体管输出16点 24VDC输入16点继电器输出16点 四模拟量扩展模块在S7-200系列PLC中除了CPU224XP模块本身带有模拟量IO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33表33S7-200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0～10V0～5V±25V±5V电流0～20mA 转换时间小于250us 最大输入电压30VDC最大输入电流32mA EM232 模拟量输出扩展模块12位 输出范围电压±10V电流0～20mA 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0～10V0～5V0～1V0～500mV0～100mV0～50mV电压双极性±10V±5V±25V±1V±500mV±250mV±100mV±50mV±25mV电流0～20mA 转换时间小于250us 稳定时间电压100us电流2ms 五通信模块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EM277模块EM277模块是PROFIBUS-DP从站模块同时也支持MPI从站通信EM241调制解调器通信模块CP243-1工业以太网通信模块CP243-1IT工业以太网通信模块同时提供WebE-mail等IT应用CP243-2AS-I主站模块可连接最多62个AS-I从站六编程器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STEP7-MicroWIN七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6ES7291-8GC00-0XA0和6ES7291-8GD00-0XA0两种程序容量分别为8KB和16KB八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区九文本显示器文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改或直接设置输入输出量文本信息的显示用选择确认的方法最多可显示80条信息每条信息最多4个变量的状态过程参数可在显示器上显示并可以随时修改TD200面板上的8个可编程序的功能键每个都分配了一个存储器位这些功能键在启动和测试系统时可以进行参数设置和诊断

第四章电机故障诊断系统设计电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类对称故障包括过载堵转和三相短路等这类故障对电动机的损害主要是热效应其主要特征是电流幅值发生显著变化不对称故障包括断相逆相相间短路匝间短路等这类故障是电动机运行中最常见的一类故障不对称故障对电动机的损坏不仅仅是引发发热更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏因而对大型电动机进行综合保护非常重要第一节电机的故障电机的结构同时包含电气和机械两部分也可以说是电气和机械的结合点所以说它的故障要一分为二的分析对电机的振动故障原因也要分成两部分一般来讲电机振动是由于转动部分不平衡机械故障或电磁方面的原因引起的一转动部分不平衡主要是转子耦合器联轴器传动轮制动轮不平衡引起的处理方法是先找好转子平衡如果有大型传动轮制动轮耦合器联轴器应与转子分开单独找好平衡再有就是转动部分机械松动造成的如铁心支架松动斜键转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡二机械部分故障主要有以下几点1联动部分轴系不对中中心线不重合定心不正确这种故障产生的原因主要是安装过程中安装不当造成的还有一种情况就是有的联动部分中心线在冷态时是重合一致的但运行一段时间后由于转子支点中心线又被破坏因而产生振动2与电机相连的齿轮联轴器有毛病这种故障主要表现为齿轮咬合不良轮齿磨损严重联轴器歪斜齿式联轴器齿形齿距不对间隙过大或磨损严重都会造成一定的振动3电机本身结构的缺陷和安装的问题这种故障主要表现为轴颈椭圆转轴弯曲轴与轴瓦间间隙过大或过小轴承座基础板地基的某部分乃至整个电机安装基础的刚度不够电机与基础板之间固定不牢底脚螺栓松动轴承座与基础板之间松动等4电机拖动的负载传导振动例如汽轮发电机的汽轮机振动电机拖动的风机水泵振动引起电机振动三电气部分的故障是由电磁方面的原因造成的主要包括交流电机定子接线错误绕线型异步电动机转子绕组短路同步电机励磁绕组匝间短路同步电机励磁线圈联接错误笼型异步电动机转子断条转子铁心变形造成定转子气隙不均导致气隙磁通不平衡从而造成振动第二节电机的保护一短路保护在电气控制系统中当电动机绕组绝缘或导线绝缘损坏或控制线路发生故障时都可能造成短路因此必须设置短路保护常用的短路保护元件有熔断器和低压断路器在设置短路保护时一般应考虑下列原则1对于三相供电的主电路必须采用三相短路保护2对于小容量电动机的保护电路可用主电路的保护装置兼作控制电路的短路保护3对于不同性质的负载或者负载容量相差较大时应予分别保护4对于有分支电路保护装置动作应有选择性5对于容量较小的辅助装置可以几个主电路共用一套保护6在直流电动机的励磁电路接地电路以及三相电路的中性线路中不允许接入短路保护装置二过热保护对于连续运行工作制的负载当出现过载断相或欠电压运行时设备可能会因过热而损坏需设置过热保护常用过热保护元件有热继电器和低压断路器的热脱扣器短时运行工作制负载不需要过热保护断续运行工作制负载的过热保护装置宜采用直接检测发热情况的半导体温度继电器三过流保护在电气控制系统中有时会因为瞬时过载而产生短时过电流但这一短时过电流却不会使过热保护装置动作另外用于短时负载的电动机在经常启动制动和反转的过程中也会有较大的短时电流启动电流和制动电流为了限制启动电流和制动电流可以采用一定的限流措施如采用限流电阻但当限流装置出现故障时仍会出现大的电流因此在电路中设置过流保护装置常用的过流保护元件有过电流继电器和低压断路器的过电流脱扣器对于鼠笼式异步电动机由于直接启动电流很大而过流保护装置的动作电流整定值又必须躲开启动电流这样便使过流保护装置难以对不正常过电流起保护作用因此一般鼠笼式异步电动机控制电路中不设置过电流保护装置但若遇有特殊情况必须设置过流保护时则可以考虑在启动时不接入过电流保护装置而在启动后的正常运行时接入过流保护装置四过负荷保护电机过负荷原因大致分为如下几种情况1由所拖动的机械设备造成如排灌机械水路阻塞机轴不同心等造成电机负荷过大甚至堵转2由于电机本身工作条件低劣而造成的如通风不良周围环境温度过高电机机械部分故障等原因引起的电机过热绝缘水平降低甚至短路3由于供电电网质量不佳如电压过低三相不平衡等原因造成的电机电流增加等电动机的过负荷保护元件可以是热继电器小容量电动机可以是直接式大容量电动机可以是间接式热继电器是按照电动机的额定com也可以用电流继电器按照电动机允许过载倍数及时间来整定这样才能保证电动机不被过热损坏五零压欠压保护当电网电压消失时电动机就停止运行而在电网电压恢复后若电动机自行启动则可能引起电动机或生产机械的损坏甚至危及工作人员的生命安全另外当电网电压出现较大波动时过低的电压可能导致电流过大在负载功率不变时从而引起设备过热因此这时需设置零压失压保护常用的失压保护元件有接触器或电磁式电压继电器六失磁保护在直流电动机励磁电流消失或减小得很多时若轻载运行则会产生超速甚至飞车若重载运行则使电枢电流迅速增大而引起过热损坏因此在他励直流电动机控制电流中应设置失磁保护一般采用的失磁保护元件为欠电流继电器第三节故障诊断系统设计一系统硬件设计1PLC机型的选择及IO地址的分配在本系统中包含以下输入输出点见下表41本系统共包含15路开关量7路模拟量表41输入输出点统计及IO地址分配 开关量 地址 模拟量 地址 输入 启动按钮 I00 Iaa相电流 AIW0 Ibb相电流 AIW2 停止按钮 I01 Icc相电流 AIW4 I0零序电流 AIW6 电动机状态信号 I02 Uaa相电压 AIW8 Ucc相电压 AIW10 报警复位按钮 I03 I2负序电流 AIW12 输出 继电器用于跳闸 Q00 无 电动机启停控制 Q01 电机开关指示灯 Q02 警报器 Q03 起动故障指示灯 Q04 停止故障指示灯 Q05 短路故障指示灯 Q06 断相故障指示灯 Q07 欠压故障指示灯 Q10 接地故障指示灯 Q11 过负荷故障指示灯 Q12 变量寄存器 符号 地址 注释 StarTim VD100 电机启动运行累计时间 StopTim VD104 电机停止累计时间 CyclTim VD108 中断程序的中断周期 OverTim1 VD112 电机启动运行过程累计截止时间 OverTim2 VD116 电机停止过程累计截止时间 Ia VD200 a相电流 Ib VD204 b相电流 Ic VD208 c相电流 I VD212 三相短路电流 Iop1 VD216 短路保护动作整定值 Ua VD220 a相电压 Uc VD224 c相电压 Uop VD228 欠压保护动作整定值 I0 VD232 零序电流 Iop2 VD236 接地保护动作整定值 I VD240 到达整定时限后的电流值 Iop3 VD244 过负荷保护动作的整定值 T37 定时器 S7-200CPU226集成24输入16输出共40个数字量IO点可连接7个扩展模块最大扩展至248路数字量IO点或35路模拟量IO点26K字节程序和数据存储空间6个独立的30KHz高速计数器2路独立的20KHz高速脉冲输出具有PID控制器2个RS485通讯编程口具有PPI通讯协议MPI通讯协议和自由方式通讯能力IO端子排可以很容易地整体拆卸用于较高要求的控制系统具有更多的输入输出点更强的模块扩展能力更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能可完全适应于一些复杂的中小型控制系统根据系统的实际情况结合以上特点SIMATICS7-200CPU226完全可以作为本系统的主机CPU226可扩展7个模块而其本身具有24输入16输出共40点数字量因此已无须数字量扩展模块但由于有7路模拟量输入故需选择模拟量输入模块S7-200系列提供了EM231EM232EM235等模拟量扩展模块根据以上技术数据选择两个EM231作为模拟量输入模块这样共可以扩展4×28路模拟量输入综上所述基于S7-200CPU226PLC设计的电机故障诊断系统的总体结构图如图41所示图41电机故障诊断系统总体结构图二系统软件设计1主程序程序开始从输入单元检测输入量首先判断KM是否闭合如果闭合说明电动机已经处于运行状态此时应无法按下启动按钮若KM未曾闭合则说明电动机处于停机状态可以按启动按钮接着判断启动按钮是否按下若是则继续下面的程序若否则重新检测如果按钮已经按下则判断是否存在电机启动运行命令执行时电机仍然处于停止状态的情况发生若存在则计算电机启动运行累计时间StarTimStarTimStarTimCyclTim时间增加的步长为中断子程序的中断周期然后判断电机启动运行累计时间是否超过电机启动运行过程累计截止时间若不存在则将电机启动运行累计时间StarTim清零然后再判断判断电机启动运行累计时间StarTim是否超过电机启动运行过程累计截止时间OverTim1若超过则说明在电机启动运行命令执行中启动运行累计截止时间内没有收到电机运行反馈信号则判为电机启动运行故障跳转至启动保护子程序电动机起动启动保护警报器响并且启动故障指示灯亮若没有超过则说明电动机已经正常启动电机开关指示灯亮接着判断停止按钮是否按下若否则继续下面的程序若是则判断是否存在电机停止命令执行时电机仍然处于运行状态的情况发生若存在则计算电机停止累计时间StopTimStopTimStopTimCyclTim时间增加的步长为中断子程序的中断周期然后判断电机停止累计时间是否超过电机停止过程累计截止时间若不存在则将电机停止累计时间StopTim清零然后再判断判断电机停止累计时间StopTim是否超过电机停止过程累计截止时间OverTim2若超过则说明在电机停止命令执行中停止累计截止时间内没有收到电机停止反馈信号则判为电机停止故障跳转至停止保护子程序电动机起动停止保护警报器响并且停止故障指示灯亮若没有超过则说明电动机已经正常停止电机开关指示灯灭然后按报警复位按钮程序返回初始状态开始下一次扫描如果停止按钮并未按下即电动机仍然在运行中则进行运行过程中的故障判断首先检测是否发生短路故障方法是检测三相电流再判断I是否大于整定值若是则跳转至保护动作子程序段电动机起动短路保护警报器响并且短路故障指示灯亮若否则继续下面的程序接着判断是否发生断相故障方法是检测三相电流判断是否有某相电流为零若有则跳转至保护动作子程序段电动机起动断相保护警报器响并且断相故障指示灯亮若否则继续下面的程序接着判断是否发生欠压故障方法是采集A相和C相的电压量求出其平均值再与整定值相比较若小于整定值则跳转至保护动作子程序段电动机起动欠压保护警报器响并且欠压故障指示灯亮若否则继续下面的程序接着判断是否发生接地故障方法是检测I0若大于整定值则跳转至保护动作子程序段电动机起动接地保护警报器响并且接地故障指示灯亮若否则继续下面的程序接着判断是否发生过负荷故障方法是检测三相电流若到达整定时限后电流仍大于整定值则跳转至保护动作子程序段电动机起动过负荷保护警报器响并且过负荷故障指示灯亮若判断未发生过负荷故障则程序完成一次扫描再次从第一条开始进行第二次扫描所以结束是指一个循环的结束并不是整个程序2程序流程图图42诊断系统控制流程图3程序梯形图指令表1主程序Network1LDSM01MOVR00StarTimVD100MOVR00StopTimVD114MOVR00IaVD200MOVR00IbVD204MOVR00IcVD208MOVR00UaVD220MOVR00UcVD224MOVR00I0VD232MOVR00IVD240RT371Network2LBL5Network3LDQ00OQ01Q01JMP2Network4LBL0Network5LDI00LPSAQ01ANI02RCyclTimVD108StarTimVD100NOTMOVR00StarTimVD100LPPNOTJMP0Network6LDRStarTimVD100OverTim1VD112CALLSBR_0SBR0NOTSQ021Network7LDI01JMP1Network8LBL2Network9LDRIVD212Iop1VD216CALLSBR_1SBR1NOTTONT3720Network10LDRIaVD20000ORIbVD20400ORIcVD20800CALLSBR_2SBR2NOTRUaVD220UcVD224R20UcVD224Network11LDRUcVD224UopVD228CALLSBR_3SBR3Network12LDRI0VD232Iop2VD236CALLSBR_4SBR4Network13LDT37ARIVD240Iop3VD244CALLSBR_5SBR5NOTJMP2Network14LBL1Network15LDNQ01AI02RCyclTimVD108StopTimVD114NOTMOVR00StopTimVD114Network16LDRStopTimVD114OverTim2VD116CALLSBR_6SBR6NOTRQ021Network17LBL4Network18LDI03EUMOVR00StarTimVD100MOVR00StopTimVD114MOVR00IaVD200MOVR00IbVD204MOVR00IcVD208MOVR00UaVD220MOVR00UcVD224MOVR00I0VD232MOVR00IVD240RQ038RT371JMP5Network192子程序①启动保护子程序LDRStarTimVD100OverTim1VD112RQ002SQ032JMP4②短路保护子程序LDRIVD212Iop1VD216RQ002SQ031SQ061JMP4③断相保护子程序LDRIaVD20000ORIbVD20400ORIcVD20800RQ002SQ031SQ071JMP4④欠压保护子程序LDRUaVD220UopVD228RQ002SQ031SQ101JMP4⑤接地保护子程序LDRI0VD232Iop2VD236RQ002SQ031SQ111JMP4⑥过负荷保护子程序LDRIVD240Iop3VD244RQ002SQ031SQ121JMP4⑦停止保护子程序LDRStopTimVD114OverTim2VD116RQ002SQ031SQ051JMP4

第五章系统电源设计供电系统设计是指PLC控制系统C