毕业论文---基于PLC的电机故障诊断系统设计

1、编号 : : 题目 指导教师 学生姓名 学号 专业 ( (设计设计) ) 基于 PLC 的电机故障诊断系统设计 机械设计制造及其自动化 毕业论文毕业论文 201021703041 毕业论文（设计）开题报告书 2012 年 4 月 15 日 院（系） 姓 名 论文（设计）题目 一、选题目的和意义 目的：绞车是配套钻机来使用的，适用于各种井下作业。但是，在使用过程中，电子刹车经常出现 故障，自动暴死，电机出现空转容易烧坏。为了避免电机烧坏和人员伤亡，在绞车上安装了PLC 检 测系统。因此， 本文简单介绍了国内电机故障诊断系统设计，以及存在问题，同时介绍了可编程控 制器的工作原理，选型依据。设计了一

2、种基于PLC 电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西 门子 S7-200 PLC 以及同类型的 S7-300 S7-400PLC，根据设计要求对 PLC 的输入输出 I/O 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，

3、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/关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。 本设计选题就是基于 PLC 的电机故障诊断系统设计。 机电工程系 基于 PLC 的电机故障系统设计 专业 学号 机械式及制造 二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势 1、国内外 PLC 发展现状和发展趋势： PLC 自问世以来，经过 40 多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的 产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅 度上升而价格则不断下降。目前，世界上有 200 多个厂家生产 PLC，较有名的：美国： A

4、B 通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公 司；法国：TE 施耐德公司；韩国：三星、LG 公司等。 我国的 PLC 产品的研制和生产经历了三个阶段：1、顺序控制器（19731979）2、 以微处理器为主的工业控制器 （19791985） 3、 以微处理器为主的可编程序控制器 （1985 以后） 。在对外开放政策的推动下，国外 PLC 产品大量进入我国市场，一部分随成套设 备进口。随着不断的学习与不断开拓的精神，现在，我国自主生产的PLC 在国内的各行 各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。 PLC 的发展趋势： （1）产品规模向大、小两个方向发展 大：I

5、/O 点数达 14336 点、32 位为微处理器、多 CPU 并行工作、大容量存储器、扫描速 度高速化。 小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 （2）PLC 在闭环过程控制中应用日益广泛 （3）不断加强通讯功能 （4）新器件和模块不断推出高档的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高处理速度外，还有带 处理器的 EPROM 或 RAM 的智能 I/O 模块、高速计数模块、远程 I/O 模块等专用化模块。 （5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化有各种简单或复杂的编 程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的 PLC 指令系统。

6、 （6）发展容错技术采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 （7）追求软硬件的标准化。 2、PLC 应用于故障诊断系统的发展现状 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。 3、故障诊断方法 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

7、，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。 三、课题设计方案 主要说明：研究（设计）的基本内容、观点及拟采取的研究途径和 方法。 可编程控制器（Programmable Logical

8、 Controller）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 它的优点，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，使具有完全功能的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，对于采用可编程控制器来代替传统继电器接触器电气控制的系统来改造传统机床，无论从经 济上，还是可靠性，维修性，工作寿命上来说，都是十分经济和划算的，也是可行的优选方案。 鉴于以上原因，本文设计了一个基于PLC

9、 电机故障诊断系统。 本文采用的机型是德国西门子S7-200 系列 PLC。 输 型 号 入点 输 可带扩展模块数 出点 S7-200CPU22164 2 个扩展模块 S7-200CPU2228678 路数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O 点 7 个扩展模块 S7-200CPU2241410168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 2 个扩展模块 S7-200CPU2262416248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 2 个扩展模块 S7-200CPU226XM2416248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 四、计划进度安排

10、主要说明：起止时间及分阶段的进度要求。 2011.121-2011.12.31 完成开题报告并提交 2012.1.1-2012.3.30上查询相关资料、进行课题研究，在已完成研究的基础， 撰写毕业论文初稿。 2012.4.1-2012.4.15提交初稿和期中检查表 2012.4.16-2012.4.30根据指导教师的修改意见进行论文修改，并最终定稿。 2012.5.4-2012.5.10将打印的论文交指导教师，由指导教师写评语，并由评阅 教师进行评阅，根据评阅教师意见，进一步修改论文，准 备答辩。 2012.5.15-2012.5.28毕业论文答辩 五、主要参考文献（只列出最重要的 56 种）

11、 1 张进秋.可编程控制器原理及应用实例.机械工业出版社M.2005 2 李名雨.电机与电器.北京理工大学出版社M.1998 3 高和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电出版社M.2004 4 韩常.PLC 编程及应用.机械工业出版社M.2005.3040 5 PLC 机电控制系统应用设计技术。电子工业出版社M.2006 6 郝鸿安.常用模拟集成电路应用手册M.人民邮电出版社.1991 指导教师意见及建议： 签名： 年月日 教学单位领导小组审批意见： 组长签名： 年月日 目目录录 第一章绪论.1 1.1 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状.1 1.2 故障诊断法.1 第二章PLC 原理

12、介绍及设备总体结构介绍. .1 2.1 PLC 发展历程. . 2 2.2 PLC 控制系统的发展前景. . 2.3 可编程序控制器 PLC 的分类. 3 2.4 PLC 的系统模块. 3 2.5 PLC 的选型方法.4 第三章电机故障诊断系统设计以及 PLC 的选取.7 3.1 PLC 的选取及介绍. .8 3.2 系统框图. . .9 第四章 电机故障诊断系统设计. .11 4.1 电机故障等级分类. .12 4.2 故障诊断程序设计. . 系统电源设计. .16 5.1供电电源. .17 第六章 结论. .18 致谢. .19 参考文献. .20 基于基于 PLCPLC 的电机故障系统设

13、计的电机故障系统设计 周峰周峰 （德州学院机电系，山东德州（德州学院机电系，山东德州 2530230 2530230） 摘要摘要 ：设计了一种基于 设计了一种基于 PLCPLC 电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子 S7-200S7-200 PLCPLC 以以 及同类型的及同类型的 S7-300 S7-400PLCS7-300 S7-400PLC，根据设计要求对，根据设计要求对 PLCPLC 的输入输出的输入输出 I/OI/O 进行了分配，并且编写系统进行了分配，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，

14、如果断路器初始状态为闭运行的梯形图。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。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，在启动过程中，若发生一级故障，PLCPLC 进行相应的保护动作。启动完成后，“电机开进行相应的保护动作。启动完成后，“电机开/ /关指示灯”关指示灯” 亮，电机正常运行。运行过程中，亮，电机正常运行。运行过程中， PLCPLC 依次循环检测电机是否发生相间短路、断相、低电压、单相依次循环检测

15、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，接地、过负荷、过电流等故障，若有发生， PLCPLC 进行相应保护动作。关机时，进行相应保护动作。关机时， PLCPLC 接到关机命令后，接到关机命令后， 断路器跳闸，“电机开断路器跳闸，“电机开/ /关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。本设计的关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。本设计的 选题就是基于选题就是基于 PLCPLC 的电机故障诊断系统设计。的电机故障诊断系统设计。 关键词：故障诊断 PLC电机 第一章 绪论 1.1 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状 PLC

16、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。 1.2 故障诊断方法 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。 PLC 是现在应用较多的一种控制装置，利用

17、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。 第二章 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 2.1 PLC 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

18、，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3040%。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

19、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。 2.2 PLC 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

20、,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

21、 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 它先进控制方式并存,共同发展。 2.3 可编程序控制器 PLC 的分类 PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。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

22、 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。赋予基本单元和扩 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，

23、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

24、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

25、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 PLCI/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 PLCI/O 点数 2562048 点；双 CPU，用户存储器容量 28K。 3.大型 PLCI/O 点数 2048 点；多 CPU，16 位、32 位处理器，用户存储器容量816K . 2.4 PLC 的系统模块 PLC 系统模块包括

26、CPU、I/O、电源模块和其他设备组成，各个模块之间又有不同的构成和结构。 2.4.1 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

27、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。在使 用者看来，不必要详细分析CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。 CPU 的控制 器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。 但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行 数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指 挥下工作。 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。 2.4.2 I/O 模块 图 PLC 与电气回路的接口，是

28、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

29、 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I/O 点数确定模块规格及数量，I/O 模块可多可少，但其最 大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 2.4.3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）。 底板或机架大多数模块式PLC 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整

30、体。 2.4.4 PLC 系统的其它设备 编程设备：编程器是PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一 些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况， 但它不直接参与现场控制运行。 小编程器 PLC 一般 有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们系统的上位机。 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应 用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 2.5 PLC 的系统模块选择方法 在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案， 下一步工作就是 PLC 工程设计选

31、型。工艺流程的特点和 应用要求是设计选型的主要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成 一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC 应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统， PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及 有关的编程语言有利于缩短编程时间。 2.5.1 相应模块的估算 工程设计选型应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作，和求 价格比的 PLC 和设计相应的控制系统最后选择有较高性能价估算输入输出点数、所需存储器容量。 2.5.11输入输出（I/O）点数的估算 I

32、/O 点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%20%的可扩展 余 量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，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。 2.5.2 相应模块的选择 估算好相应的模块之后，就要进行相应模块的选择。包括输入输出模块的选择，电源的选择 2.5.2.1输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。 例如对输入模块， 应考虑信号电平、 信号传输距离、 信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型， 通常继电器输出模块 具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控

33、硅输出模块适用于开关频繁，电感 性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出 等，与应用要求应一致。 可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块， 以便提高控制水平和降低应 用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O 机架等。 2.5.2.2电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC 的 供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压 电源供电。 如果 PLC 本身带有可使用电源时， 应核对提供的电流是否满足应用要求， 否则应设计外接供

34、电电源。 为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二 极管或熔丝管隔离。 2.5.2.3 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降， 因此，为保证应用项目的正常投运， 一般 要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更 大，档次更高的存储器。 第三章电机故障诊断系统设计与 PLC 3.1 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，下面对它进行简单介绍。 德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的

35、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（SIEMENS）公司的 PLC 产品包括 LOGO，S7-200，S7-300，S7-400， 工业网络，HMI 人机界面，工业软件等。 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。 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。 3.1.4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

36、 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。 3.1.5人机界面（HMI）硬件 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（可显示 中文） ， 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 PC670 等。个人计算机（PC）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。

37、 3.1.6 SIMATIC S7 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。STEP 7 标准软件包 SIMATIC S7 是用于 S7-300/400，C7 PLC 和 SIMATIC WinAC 基于 PC 控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN 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作为可编程序控制器 （P

38、LC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0 操作系统的 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（在用户 计算机上安装一个 PC 卡），它具有硬件 PLC 的全部功能。WinAC 与 SIMATIC S7 系列处理器完全兼容， 其编程采用统一的 SIMATIC 编程工具（如 STEP 7），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 （HMI）或 SCADA 系统，支持大 范围的平台。人机界面

39、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WinCC。 ProTool 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 STEP 7 中的 ProTool 有效地完成组态。 ProTool/lite 用于文本显示的组态， 如： OP3， OP7， OP17， TD17 等。 ProTool/Pro 用于组态标准 PC 和所有西门子 HMI 产品，ProTool/Pro 不只是组态软件，其运行版也用于 Windows 平 台的监控系统。 WinCC 是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control

40、and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC 上运行。WinCC 操作简单，系统可靠性高，与STEP 7 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。 它的设计适合于广泛的应用， 可以连接到已存在 的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0 支持在办 公室通过 IE 浏览器动态监控生产过程。 3.2 S7-200 系列 PLC 的硬件配置 S7-200 系列 PLC 可提供 4 种不同的基本单元和 6 种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、 扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 3.2.1基

41、本单元 S7-200 系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8 种 CPU 供选择使用，其输入输出点数的分配见 下表： 输 型 号 入点 S7-200CPU2216 出点 4 2 个扩展模块 S7-200CPU2228678 路数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O 点 输 可带扩展模块数 7 个扩展模块 S7-200CPU2241410168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 2 个扩展模块 S7-200CPU2262416248 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点 2 个扩展模块 S7-200CPU226XM2416248 路数字量 I/O

42、 点或 35 路模拟量 I/O 点 3.2.2扩展单元 S7-200 系列 PLC 主要有 6 种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O 点数，S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数的分配如表3-2 所示。 表 3-2 S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号 EM221 数字量扩展模块EM222 EM223 EM231 模拟量扩展模块EM232 EM235 输入点 8 无 4/8/16 3 无 3 输出点 无 8 4/8/16 无 2 1 3.2.3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

43、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 3.2.2扩展单 元 S7-200 系列 PLC 主要有 6 种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O 点数，S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数的分配如表3-2 所示。 表 3-2 S7-200 系列 PLC 扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号 EM221 输入点 8 无 4/8/16 3 无 3 输出点 无 8 4/8/16 无 2 1 数字量扩展模块EM222 EM223 EM231 模拟量扩展

44、模块EM232 EM235 3.2.3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 多种编程 第四章 电机故障诊断系统设计 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

45、员给出相应的排除故障的建议。 4.1 电机故障等级分类 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。 1、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、销钉失效松动，转子绑扎不紧都会造成转动 部分不平衡。 2、机械部分故障主要有以下几点： 图

46、1 系统故障的两个等级图 （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， 对中不良、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，基础等变形，中心线又被破坏，因而产生振动。 （2） 与电机相联的齿轮、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， 对轮润滑不良，联轴器歪斜、错位，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、

47、 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。 而轴与轴瓦间间隙过大或过小不仅可以造成 振动还可使轴瓦的润滑和温度产生异常。 （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。 3、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。 本设计中系统故障分为两个 等级如上图所

48、示:一级故障为高级。当发生此类故障，断路器跳闸使电机停止运行，PLC 禁止其他控制 输出，并声光报警（指示灯和电铃）。只有按报警复位按钮后声光报警停止。二级故障为低级。当发生 此类故障时，断路器不动作，电机继续运行，只相应声光报警。 4.2 故障诊断程序设计 在进行故障诊断设计时， 首先必须对整个系统可能会发生的故障进行分析， 得到系统的故障层次结 构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。 以某厂电机输送控制系统的故障结构为例。 为了 描述简单，这里作了一定的简化。 系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型。在进行系统的PLC 梯形 图 2 程序图 图程序设计时，应充分考虑到

49、故障结构的层次，合理安排逻辑流程。在引入故障输入点时应注意: 必须将系统所有可能引起故障的检测点引入 PLC，以便系统能及时进行故障处理;应在系统允许的条件 下尽可能多的将最底层的故障输入信息引入PLC 的程序中， 以便得到更多的故障检测信息为系统的故障 自诊断提供服务。 4.2.1.故障点的记录 为了得到系统的故障情况实现系统的故障自诊断， PLC 必须将所有故障检测点的状态反映给内部寄 存器，图 2 是用来记录故障点的部分程序。 IR4.02 是输入的 IO 节点， 表示 A 侧皮带信号， 当输煤系统使用 A 侧皮带正常运行时 4.02 的值为 1， 当 4.02 变为 0 时，说明 A

50、侧皮带信号出了故障，此时利用上升沿微分指令记录这次的信号跳变。这样 这次事故就记录在 IR31.00 中。程序设计中将 IR31 作为记录底层故障信息的寄存器，由于内部寄存器 IR 有 16 位，所以能够记录 16 种不同的故障原因。如果有更多的故障需要记录，可以设置多个寄存器 字。需要说明的是， 有时引起故障的原因可能不止一个，往往一个故障会引起另一些故障的发生， 因此 还有关键的一点是程序要能记录最先发生的故障。 这也需要通过 PLC 编程实现， 程序只对最开始发生的 故障敏感。如上图所示。 4.2.2. 多次故障事件的记录 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

51、便，还需要 PLC 能够将多 次故障事件记录下来。OMRON C200H 型 PLC 的数据存储区(DM 区)可以间接寻址，利用这一点，可以在 DM 区划出一定的区域，用来记录每次故障事件，包括故障类型和事件发生的时间(日期，小时，分钟， 秒)。这一段 DM 区域可以循环记录，实际使用中记录了最后50 次故障的情况，这些记录是系统运行的 重要资料，方便了运行人员了解设备情况，对其进行检修和维护。 4.2.3. 模拟量故障的诊断 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