基于PLC的电机故障诊断系统设计

1、本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：基于PLC的电机故障诊断系统设计 学生姓名： 学 号：2 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气 指导教师：教授 基于PLC的电机故障诊断系统设计 摘要本文介绍了国内基于PLC的电机故障诊断系统设计，详细分析了三相鼠笼式异步电机常见的故障及故障表现出的症状。对PLC的选型做出了论述，介绍了S7-200 CPU226的特点。对模块的扩展做出了详细论述。对传感器进行相应的选型，对输入输出点做出了相应的分配。做出了一套基于PLC的电机多故障诊断系统。本文对基于PLC的电机故障诊断系统硬软件的设计做出了详细论述，做出了故障诊断系统的工艺图及人机界面，做出了程

2、序流程图及梯形图。关键字：PLC；电机；故障诊断 Motor fault diagnosis system based on PLC is designed AbstractThis paper introduces the domestic motor fault diagnosis system based on PLC is designed, detailed analysis of the three-phase squirrel-cage asynchronous motor showed symptoms of the common faults and fault. Type

3、selection of PLC made in this paper, the author introduces the characteristics of S7-200 CPU226. Made on the propagation of the module is discussed in detail. To the corresponding selection, sensor made corresponding allocation of input and output point. Make a set of motor fault diagnosis system ba

4、sed on PLC.In this paper, the motor fault diagnosis system based on PLC, the hard software design has made a detail, the fault diagnosis system of the process diagram and the man-machine interface, making the program flow chart and ladder diagram.The keyword：PLC ; motor fault ; diagnosis目录摘要IABSTRAC

5、TII目录III绪论1第一章 三相鼠笼式异步电机31.1 鼠笼式异步电机的发展31.2 鼠笼式异步电机结构及工作原理31.2.1 鼠笼式异步电机的类型和基本结构31.2.2 鼠笼式异步电机工作原理5第二章 可编程控制器72.1 PLC简介72.2 PLC的组成及内部原理82.3 PLC的发展及现状112.4 PLC的应用11第三章 三相鼠笼式异步电机的故障及分析133.1 三相鼠笼式异步电机常见故障13 3.2 三相鼠笼式异步电机的故障分析153.3 数据采集183.3.1保护装置的数据采集183.3.2传感器的选型18第四章 可编程控制器系统设计204.1可编程控制器系统设计原则204.1.

6、1可编程控制器的硬件设计原则204.1.2可编程控制器的软件设计原则204.2可编程控制器系统设计步骤204.3 PLC机型选择及扩展21第五章 可编程控制器的硬件设计255.1 系统硬件设计的方案255.2 I/O地址的分配255.3 输入/输出电路275.4显示器285.5控制面板的设计305.6系统供电31第六章 可编程控制器的软件设计326.1软件设计的基本要求326.2软件设计的内容326.3程序设计的一般步骤326.3.1主程序336.3.2程序流程图356.4程序梯形图38结论44参考文献46附录47绪论 电机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。常见的电动机可分为交流电动机和直流

7、电动机。电机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。随着社会的发展，电机在各个行业中得到了越来越重要的应用，所以对电机的故障也随之越来越重视。能否以最快速度诊断出电机的故障及解决故障时现在电机故

8、障诊断中的重点所在1。PLC的问世使得电机的故障诊断系统得到了空前的提高。即，本文就以PLC作为电机的故障诊断系统作出相应设计及论述。PLC是当今社会应用标胶广泛的一种控制装置，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。PLC已被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。PLC在电机领域应用十分广泛，无论是电机的控制，还是电机的故障诊断，PLC占了主导地位。它能以最快的速度使电机做出相应动作。PLC在各个行业应用十分广泛，因为它的速度快，反

9、应灵敏，所以在电机故障诊断中得到了广泛的应用。PLC的介入使电机的故障率减至最低，并且使故障所带来的负面影响及故障恶化降至最低，从而提高了电机的运行效率及经济效益。 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。第一章 三相鼠笼式异步电机1.1 鼠笼式异步电机的发展 随着我国科技的日益发展，人们对自动化的需求越

10、来越高，使电动机的复杂控制成为主流，而三相鼠笼式异步电动机其应用领域更是极为广泛。例如工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、印刷机械、纺织机械、泵和压缩机、新型工业缝纫机等设备的控制军事和航天方面的卫星姿态、飞船光电池对太阳跟踪、雷达天线的控制。 三相鼠笼式异步电动机是目前工农业生产中使用最广泛的一种电动机，在电网的总负载中，异步电动机的容量约占整个动力负载的85%，可见其使用的广泛性和重要性，在供水泵站中亦广泛使用。1.2 鼠笼式异步电机结构及工作原理1.2.1 鼠笼式异步电机的类型和基本结构 三相鼠笼式异步电机主要由定子、转子组成。定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖

11、等组成。转子由转轴、转子铁芯转子绕组组成2。如图1.1所示: 图1.1 三相鼠笼式异步电机结构图 定子、转子之间有气隙，在定子两端有端盖支撑转子及转轴。异步电机根据相数可分为单相、三相两类。三相异步电机结构有笼型和绕线式两种，单相异步电机转子都是笼型，本文的主要研究对象是三相鼠笼式异步电机。鼠笼型异步电动机主要部件的拆分图如下: 图1.2 鼠笼型异步电动机主要部件(1)定子结构 定子铁芯的作用是作为磁路和固定定子绕组。定子绕组流过交流电流时会在定子铁芯中产生交变磁场，为了把交变磁场在铁芯中引起的损耗降低到最低，铁芯的使用材料要具备优良的导磁性能，如采用硅钢片叠压而成。定子绕组是电机的电路部分，

12、作用主要是产生感应电动势、流过电流。机座用来固定和支撑定子，对其机械强度要求很高。 图1.3 定了铁芯及绕组结构图(2)转子结构转子铁芯也是电机磁路的一部分，一般也是由导磁性能良好的硅钢片叠压制成。转轴的作用是支撑转子铁芯和输出机械转矩。定子绕组产生的交变磁场在转子绕组中是产生感应电动势、流过电流，进而产生电磁力，带动轴承转动，输出动能。图2.1为鼠笼式异步电机转子结构图。 图1.4 鼠笼式异步电机转子结构图(3)轴承结构 轴承是电机中支撑转子的一个部件，在所有部件中是受力最大的一个部件，主要用来转矩的输出。轴承故障主要是由负载波动引起的，以轴承振动的形式表现出来。(4)气隙 异步电机定、转子

13、之间具有很小的空间存在，称为气隙，这个空间的大小对异步电机的性能影响很大。气隙过大，由于空气的磁导率比硅钢片低，磁势损失严重，致使电机效率降低;气隙过小，会造成定转子摩擦，造成设备故障。通常异步电机气隙长度设为定、转子不发生机械摩擦所允许的最小数值。1.2.2 鼠笼式异步电机工作原理 通过对异步电机结构的介绍，得知异步电机工作过程中，交变电流产生的定子磁场切割转子导体产生感应电流，而旋转磁场又对转子感应电流作用产生电磁力，带动转子转动，电能便转为动能，通过转轴输出，从而实现机电能量形式的转换3。 当三相异步电机接入三相交流电源(各相差)时，三相定子绕组中流过的三相对称电流产生三相磁动势(定子旋

14、转磁动势)并产生旋转磁场，该磁场以同步转速旋转。刚通入时刻，产生的旋转磁场与静止的转子导体存在切割运动，由电磁感应定理可知，转子绕组产生感应电动势并产生感应电流。载流的转子导体在定子产生的交变磁场中受到电磁力作用，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，如果转轴上带有负载，电动机便向外输出机械能，电能转化为动能。 在电机定子中通入3相交流电，使其产生旋转磁场，转速为。同步转速与磁极对数和电源频率有关: (1.1) 式(1.1)中p为电机磁极对数，f为电源频率。 旋转磁场转速与转子速度之间存在一个速差（）是异步电机的一个特色，这也是异步电机名称的由来。 (1.2)式(1

15、.2)中，为转差率，为磁场转速，为转子转速。4本文针对三项鼠笼式异步电机Y2-180M-2做出相应的故障分析及故障处理。Y2-180M-2的基本信息如下： 防护等级：IP54或IP55 电压：380V或415V 频率：50Hz或60Hz 电流：41A 转速：2940r/min 功率越因数：0.9 额定电流：7.5Ist/In （堵转）额定转矩：2.0Tst/Tn （最大）额定转矩：2.3TM/min 同步转速：3000r/min第二章 可编程控制器2.1 PLC简介自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代传统继电器控制

16、装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用。同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。 作为离散控的制的首选产品，PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展，世界范围内的PLC年增长率保持为20%30%。随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。综合相关资料，200

17、4年全球PLC的销售收入为100亿美元左右，在自动化领域占据着十分重要的位置。5PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指

18、令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。相同I/O点数的系统，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大约能省40%左右）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。 一个PLC的控制器，可以接收几千个I/O点（最多可达8000

19、多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用PLC较为合适。PLC由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。 近10年来，随着PLC价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内PLC在我国仍将保持高速增长势头6。 2.2 PLC的组成及内部原理 PLC实质上是一种被专用于工业控制的计算机，其硬件结构和微机是基本一至。 （1）中央处理单元（CPU）：中央处理单元（CPU）是PLC 的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能，接受并存储

20、从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能检查用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接受现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区, 然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算术运算等任务。并将逻辑或算术运算等结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕以后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为止。 （2）存储器：与微型计算机一样，除了硬件以外，还必须有软件。才能构成一台完整的PLC。PLC的软件分为两部分: 系统

21、软件和应用软件。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。PLC存储空间的分配：虽然大、中、小型 PLC的CPU的最大可寻址存储空间各不相同，但是根据PLC的工作原理， 其存储空间一般包括以下三个区域：系统程序存储区，系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）和用户程序存储区。系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能够直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的各项功能。系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备（例如：逻辑线圈、数

22、据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等）存储区。 （3）I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit）, 一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit)。因此，整个I/O映象区可看作由开关量的I/O映象区和模拟量的I/O映象区两部分组成。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

23、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I/O外，还有特殊I/O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。 （4）编程器：编程器分为两种，一种是手持编程器。另一种是RS485/RS232接口，连接计算机，通过NSTP-GR软件向PLC内部输入程序。 （5）PLC电源：PLC电源在整个系统中起着十分重要的作用。无论是小型的PLC，还

24、是中、大型的PLC，其电源的性能都是一样的，均能对PLC内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。一般交流电压波动在正负10%（15%）之间，因此可以直接将PLC接入到交流电网上去。可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源。驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。PLC工作原理 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。这种计算机程序实现的“

25、软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。1. 3 PLC的工作原理可编程序控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段。可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入-输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。在内部处理联合阶段。可编程序控制器检查CPU模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应编

26、程器键入的命令，更新编程器的显示内容。当可编程序控制器处于停止（STOP）状态时，只执行以上的操作。可编程序控制起处于（RUN）状态时，还要完成另外3个阶段的操作。在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通/断开（ON/OFF）状态读入输入寄存器。外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存器为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入触点电路断开，

27、对应的输入映像寄存器为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。在执行指令时，从输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的0/1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄

28、存器除外）的内容随着程序的执行而变化7。 在输出处理阶段，CPU 将输出映像寄存器的0/1状态传送到输出锁存器。体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“1”状态。信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。某一编程元件对应的映像寄存器为“1”状态时，称该编程元件为ON，映像寄存器为“0”状态时，称该编程元件为OFF。扫描周期可编程序控制器

29、在RUN工作状态时，执行一次图2.5.1a所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。2.3 PLC的发展及现状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

30、重要标志，对于工业控制具有较高的意义和实用价值。2.4 PLC的应用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的主要应用有如下几方面：（1） 开关量的逻辑控制（2） 过程控制（3） 运动及位置控制（4） 数据处理（5） 通信联网（6） 特殊功能PLC是

31、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。PLC已被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。第三章 三相鼠笼式异步电机的故障及分析3.1 三相鼠笼式异步电机常见故障如下表3.1所示列出了三项鼠笼式异步电机的各种常见的故障:三相鼠笼式电动机常见故障故障现象可能原因 合闸后电动机无任何动静1、电源不通2、熔断器熔体熔毁3、过载保护装置调的过小4、控制设备接线错误5、定子绕组两相开路6、热继电器动作后没有复位 合闸后

32、电动机不动，但有嗡嗡声1、一相电源缺电或一相熔体熔毁2、绕组首尾端接反或一相绕组内部接错3、一相电源回路接触松动4、负载过重或转子或生产机械卡塞5、电源电压过低6、轴承破碎或卡住 合闸后电机不转，但熔体立即熔断1、一相电源不通或定子线圈一相接反2、定子绕组相间短路3、定子绕组对地短路4、定子绕组接错5、使用熔体截面过小6、电源线（或接线盒内）相间短路或对地短路 启动困难，启动后转速严重低于正常值1、电源电压严重偏低2、将绕组错接为Y绕组3、定子绕组局部接错、接反4、鼠笼式转子断条5、绕组局部短路6、负载过重 三相空载电流严重不平衡1、重绕时三相绕组匝数不等2、部分绕组首尾端接反3、三相电源电压

33、不平衡4、部分绕组匝间短路 三相空载电流过大1、重绕时，三相绕组匝数过量减少2、误将绕组由Y接法改为接法3、电源电压严重偏高4、气隙过大或不均匀5、转子装反，是定、转子铁芯未对齐，减少有效长度6、用热拆法拆旧绕组时将铁芯烧坏，质量变差 运行中发生异响1、转子扫膛2、扇叶与风罩相擦3、轴承缺油，发生干摩擦4、轴承破碎或严重磨损或润滑油中有硬粒异物5、定子或转子铁芯松动6、电源电压过高或不平衡 运行中振动剧烈1、机座与基础紧固件松动2、基础松软，强度不够3、与生产机械连接部位为校准4、转轴弯曲5、转轴重量不平衡、单边6、气隙不均匀7、风扇不平衡8、轴承破碎或严重磨损9、鼠笼转子断条 轴承过热1、润

34、滑油过多、过少或变质干涸2、润滑油质量太差或有杂质3、轴承与轴颈、端盖轴承座配合过松，轴承走外圆或内圆4、轴承盖装配不到位或内孔偏心，内孔与转轴相擦5、端盖未装平6、联轴器未校正或皮带过紧7、轴承间隙过大或过小8、转轴弯曲 电动机过热，甚至冒烟冒火1、电源电压过高或过低或三相电压严重不平衡2、转子扫膛3、电动机频繁启动，频繁正反转或负载过重4、缺相运行（缺一相电源）5、鼠笼式转子断条6、定子铁芯多次过热，质量变差7、环境温度高，电动机又散热不好8、风扇或风道故障9、定子绕组短路、接错机壳带电1、电源相线与中性线接错2、绕组受潮，绝缘老化，大电流造成对地短路3、保护接地线开路或接触不良3.2 三

35、相鼠笼式异步电机的故障分析（1）短路故障 三相电流的不平衡度较大（超过了5%），三相空载电流较大，电流互感器显示有一项电流超出额定值，温度传感器数据超出额定值，速度传感器显示为零或带负载时低于额定值，则判断为短路故障，即保护动作。（2）欠压和过压故障分析根据三相异步电动机的电磁转矩公式可知，电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行，所以必须有欠电压和过电压保护。a. 欠压保护当电源电压由于某种原因降低到额定电压75或长时间低于额定电压85时，称为系统欠电压。电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在

36、电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。b. 过压保护当电源电压由于某种原因超过额定电压15时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。电动机

37、在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。（3）单项接地短路有零序电流产生，其值为接地保护动作整定值。（4）两项接地短路 有零序电流产生，其值为二倍接地保护动作整定值。（5）过负荷保护三相电流基本平衡（满载运行时，三相电流的不平衡度在3%以内，则可认为基本平衡），但大于额定值，说明负载超过了电机的额定容量，即过载。普通电机过载10%可运行一段时间，一般不应超过5min。所以过载保护可以按照反时限特性动作Error! Referen

38、ce source not found.。（6）断相故障 电压互感器显示数据正常，电流互感器有一项或两相为零，速度传感器数据低于额定值，温度传感器数据大于额定值，则判断为单项断路，保护动作。（7）转子断条 此故障表现出电机出力不足，电流增大并按一定周期摆动，转速下降，导致转子电流与定子电流增加，损耗加大，使转子温度上升。用速度传感器及电流互感器可以诊断其故障使保护动作（安置于转子上的电流互感器测得数据增大及按一定周期摆动，安置于定子上的电流互感器测得数据增大，扭距传感器测得数据低于额定值）。（8）设备结构安装部位松动此故障表现出电机振动剧烈，但三相电流大小和平衡情况正常，并且波动不打。既可以用

39、振动传感器及电流互感器测得数据并使保护动作（振动传感器测得数据超过额定值很多，电流互感器显示数据正常）。（9）转子扫膛 振动传感器数据大于额定值。（10）轴承损坏扭矩传感器显示数据不稳定或周期性变动，振动传感器显示数据不稳定或周期性变动，电流互感器平衡度正常但数据不稳定，则判断为轴承损坏或缺油。（11）转子或定子铁芯松动 振动传感器显示数据不稳定，波动幅度较大。电流互感器和电压互感器显示数据基本稳定，扭矩传感器显示数据有轻微波动， 温度传感器大于额定值。则为铁芯松动。保护动作。（12）转轴损坏或弯曲 振动传感器显示数据波动较大，温度传感器显示数据大于额定值，扭矩传感器显示数据不稳定，在小于额定

40、值的范围内波动。电流互感器显示数据较大。则为转轴损坏或弯曲，保护动作。（13）机壳带电 有零序电流产生。3.3 数据采集本文所涉及传感器及互感器有电压互感器、电流互感器、温度传感器、扭矩传感器、振动传感器。三相鼠笼式异步电机所采集的信号分为数字量和模拟量两种信号，数字量信号包括断路器、隔离开关等设备的辅助接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装置相连。而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换

41、，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。数据采集电路内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是综合保护装置中很重要的电路。保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。3.3.1保护装置的数据采集综合保护装置要从被保护的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入范围的要求，将互感器的二次侧数值变换为420mA的电流信号或15V范围内的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。3.3.2传感器的选型 传感器所输出的信号必须满足模拟量输入模块所需的的信号，例如电流信号

42、为0-20mA；4-20mA，电压信号为0-5V或0-10V。 根据所选电机型号及其属性，要选择相应的传感器，Y2-180M-2电压为380V，电流为41A。本文以西门子EM231作为模拟量输入模块，EM231输入信号单极性：电流信号：020mA或420mA；电压信号：010V或05V；双极性：5V，10V。所以传感器型号：温度传感器：TR/02013测量范围：-50400输出信号：420mA；010V；05V振动传感器：HSBG-V3200-A使用环境：-35200频率响应：0.51000Hz输出信号：420mA扭矩传感器：KR-801测量范围：0NmNm适应温度：-2060输出信号：420

43、mA第四章 可编程控制器系统设计4.1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，与传统的继电器控制系统相比也有本质的区别。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：4.1.1可编程控制器的硬件设计原则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

44、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。4.1.2可编程控制器的软件设计原则 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。4.2可编程控制器系统设计步骤在改造老设备或设计新控制系统时，设计一个以可编程控制器为核心的控制系统，必须要考虑三个问题：一是保证设备的正常运行；而是合理、有效的资金投入；三是在满足可靠性和经济性的前提

45、下，应具有一定的先进性，能根据生产工艺的变化扩展部分功能。因此，设计一个符合要求的控制系统，选择负荷控制要求的可编程控制器机型，是可编程控制器应用中的关键两点。控制系统的设计步骤控制系统的设计步骤一般按下述几个步骤进行。1分析被控对象，明确控制要求。2制定电气控制方案。3确定输入/输出设备及信号特点。4选择可编程控制器。5分配输入/输出点地址。6设计电气线路。7设计控制程序。8调试。 9技术文件整理。4.3 PLC机型选择及扩展 选择PLC机型应考虑两个问题8：（1）PLC的容量应为多大。（2）选择什么公司的PLC及外设。 基于PLC的电动机故障诊断系统的总体结构如图1所示。如下图，准备开机时

46、，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/关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。 图4.1 PLC系统总体结构图 根据本设计系统总体结构图可知，此系统为集中控制系统，而且为单台控制方式。所需存储

47、容量较小，所需I/O接口较少。在本设计中一共包含32路开关量和9路模拟量。即本文所选PLC为 S7-200 SMART 系列微型可编程逻辑控制器 (Micro PLC, Micro Programmable Logic Controller)。 S7-200 SMART 系列微型可编程逻辑控制器 (Micro PLC, Micro Programmable Logic Controller)可以控制各种设备以满足您的自动化控制需要。 CPU 将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个结构紧凑的外壳中形成功能强大的 Micro PLC。 下载用户程序后，CPU 将包含监控应用中的输入和输

48、出设备所需的逻辑。CPU 具有不同型号，它们提供了各种各样的特征和功能，这些特征和功能可帮助用户针对不同的应用创建有效的解决方案9。 以下显示 CPU 的不同型号。 表4.1 CPU型号型号S7-221S7-222 CNS7-224 CNS7-224XP CNS7-226 CN内置数字量I/O6 DI/4 DO8 DI/6 DO14 DI/10 DO14 DI/10 DO24 DI/16 DO中断输入44444HSC输入4(30KHz)支持A/B模式4(30KHz)支持A/B模式6(30KHz)支持A/B模式2(200KHz)+4（30KHz）支持A/B模式6(30KHz)支持A/B模式脉冲输

49、出2(20KHz)2(20KHz)2(20KHz)2(100KHz)2(20KHz) CPU 根据用户程序控制逻辑监视输入并更改输出状态，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。 S7-200 SMART 结构紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些优势的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。S7-200 CPU226集成24输入/16输出共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；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

50、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；I/O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，SIMATIC S7-200 CPU226完全可以作为本系统的主机。CPU226可扩展7个模块，而其自身具有24输入/16输出共40点数字量，因此已无须数字量输入扩展模块。但由于有9路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231、EM232、EM235等模拟量扩展模块。本设计中可

51、选择EM231 4输入模拟量扩展模块一个，EM231 8输入模拟量扩展模块一个，EM223数字量16输入16输出扩展模块一个。第五章 可编程控制器的硬件设计5.1 系统硬件设计的方案控制系统的硬件设计、机型的性能指标和各种功能模块的选择对于控制系统的设计非常重要的问题。硬件设计不但构建了整个控制系统的硬件部分，还为软件设计奠定了基础。另外在完成了系统硬件选型之后，还要进行系统供电和接地设计，这也是工程应用中的重要一环。（1）.PLC控制系统类型 由PLC构成的控制系统可分为集中控制系统和分布式控制系统，本设计中PLC控制系统类型为集中控制系统。（2）.系统的运行方式 用PLC构成的控制系统有自

52、动、半自动、单步和手动四种运行方式。本设计中的系统运行方式为自动运行方式。（3） .I/O点数和种类 根据工艺要求，设备状况和控制功能，可以对系统硬件设计形成一个初步的方案。于是就可以对系统的I/O点数和种类作出较精确的统计。5.2 I/O地址的分配 本文共涉及到30路开关量和9路模拟量。如下表所示，为本设计中I/O点的分配。 表5.1 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(SB1)I0.0Ia(a相电流)AIW0Ib(b相电流)AIW2停止按钮(SB2)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

53、电压)AIW10报警复位按钮（SB3）I0.3温度传感器AIW12振动传感器AIW14扭矩传感器AIW16输出电动机启/停控制 KJQ0.0无电机状态指示灯Q0.1电机开/关指示灯Q0.2警报器Q0.3短路故障指示灯Q0.4断相故障指示灯Q0.5欠压故障指示灯Q0.6两项接地故障指示灯Q0.7单项接地故障指示灯Q1.0过负荷故障指示灯Q1.1过压指示灯Q1.2转子断条指示灯Q1.3转子扫膛指示灯Q1.4设备结构安装松动指示灯Q1.5轴承损坏或缺油指示灯Q2.0转子或定子铁芯故障指示灯Q2.1转轴损坏指示灯Q2.2机壳带电指示灯Q2.3A1Q2.4B1Q2.5C1Q2.6D1Q2.7A2Q3.0

54、B2Q3.1C2Q3.2D2Q3.3变量寄存器符号地址注释IaVD100a相电流IbVD104b相电流IcVD108c相电流ImaxVD112三相短路电流Iop1VD116短路保护动作整定值UaVD120a相电压UcVD124c相电压UopVD128欠压保护动作整定值I0VD132零序电流Iop2VD136接地保护动作整定值IVD140到达整定时限后的电流值Iop3VD144过负荷保护动作的整定值WopVD148温度传感器整定值NopVD152扭矩传感器整定值ZopVD156振动传感器整定值5.3 输入/输出电路（1）.输入电路在生产过程控制系统中，常用的输入信号有开关量、数字量和模拟量等。若为开关量输入信号，应注意开关信号频率。当频率较高时，应选用高速计数模块。若为数字量输入信号，应合理选择电压等级。电压等级一般可分为交、直流24V，交、直流120V和交、直流230V或使用TTL或与TTL兼容的电平。若为模拟量信号，应首先