基于PLC的电动机故障保护系统设计毕业设计.docx
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基于PLC的电动机故障保护系统设计毕业设计
学校代码：
11517
学号：
200910710225
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目基于PLC的电动机故障保护系统设计
学生姓名
朱二卫
专业班级电气工
程及其自动化0942班
学号200
910710225
系（部）电气
信息工程学院
指导教师（职称）郭会平（讲师）
完成时间2013
年6月4日
河南工程学院论文版权使用授权书
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矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
论文作者签名：
年月日
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本人郑重声明：
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对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
论文作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目基于PLC的电动机故障保护系统设计
专业电气工程及其自动化学号200910710225姓名朱二卫
一．主要内容
设计一个电动机故障保护系统，分析电动机各种故障产生的原因、现象以及发生故障时采取的措施。
根据电机的故障级别，设计出基于PLC的电机故障诊断系统，包括硬件部分和软件部分设计。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
二．基本要求
（1）要求分析电动机各种故障产生的原因，以电动机常用电气控制线路为例进行设计，给出电气控制线路图。
（2）以西门子系列PLC作为主控制单元，要对控制系统的输入、输出进行分析，完成控制系统的输入输出分配和PLC的选型。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
（3）编写控制系统流程图，编写程序进行仿真调试。
三．主要参考资料
[1]杨伟,吴军基.PLC在电动机综合保护中的应用[J].PLC&FA,2004,（10）:
1-2.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
[2]初光华.PLC控制普通电机的应用[J].科技致富向导,2011,（3）:
1-2.
[3]黄永红.电器可编程控制与PLC应用技术[M].北京:
机械工业出版社,2011.132-137.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
[4]张键.机械故障诊断技术[M].北京:
机械工业出版社,2008.5-7.
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
年月日
基于PLC的电动机故障保护系统设计
摘要
三相交流异步电机是工农业生产中最常见的电气设备，其常常运行在十分恶劣的环境下，容易发生故障。
随着自动化程度的提高可编程控制器（PLC）既可以作为现场控制的部件，又可以作为现场更高一级管理的控制部件，作为成熟技术，可编程控制器已被广泛应用到很多领域，特别是对工厂大型电动机的控制，极大地提高了劳动生产率和自动化程度。
熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
本文主要研究了基于PLC的电动机故障保护系统，介绍了可编程控制器的工作原理、功能特点等，叙述了电动机的短路、过载、断相、超温等故障类型的特点及保护原理，阐述了保护系统的硬件构成，编程软件及仿真，并编写了PLC保护程序，给出了I/O符号表和梯形图程序。
本系统采用西门子S7300PLC，故障保护信号采用开关量信号，即PLC接收到的信号均为数字量输入信号，当PLC收到保护元件传来的信号时就会执行相应的程序段，控制相应的继电器，切断电路，同时输出报警信号。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
关键词电动机/PLC/故障保护
PLC-basedmotorfault
protectionsystemdesign
ABSTRACT
Three-phaseACinductionmotoristhemostcommonindustrialandagriculturalproductionelectricalequipment,whichoftenruninaveryharshenvironment,pronetofailure.Withincreasedautomationprogrammablecontroller（PLC）eitherasafieldcontrolcomponents,butalsoasasitehighermanagementcontrolunit,asamaturetechnology,programmablecontrollershavebeenwidelyappliedtomanyfields,especiallyforlarge-scalefactorymotorcontrol,greatlyimprovedlaborproductivityandautomation.纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
ThispaperstudiesthePLC-basedmotorfaultprotectionsystem,introducedtheprogrammablecontrollerworks,features,etc.,describedthemotorshort-circuit,overload,phasefailure,over-temperatureandothercharacteristicsofthetypeoffaultandtheprotectionoftheprincipleexpoundedprotectionofthesystem'shardwareconfiguration,programmingsoftwareandsimulation,andthepreparationofthePLCsaver,givenI/Osymboltableandtheladderprogram.ThesystemusesSiemensS7300PLC,faultprotectionsignalsusingdigitalsignalthatisreceivedbyPLCsignalsaredigitalinputsignal,whenthePLCreceivessignalscomingprotectionelementswillbeexecutedwhenthecorrespondingblock,controlthecorrespondingrelay,cutoffthecircuit,whiletheoutputalarmsignal.颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
KEYWORDSmotor,plc,faultprotection
1绪论
1.1课题背景和意义
三相异步电机是工农业生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为机械能，其结构简单，起步方便，体积较小，工作可靠，坚固耐用，便于维护和检修，使用非常广泛。
三相异步电动机常常运行在十分恶劣的环境下，导致过流、短路、缺相、过载等故障，对于应用于大型工业设备重要场合的大功率电动机来说，一旦发生上述故障将会造成无法估量的损失。
因此电动机的故障保护在生产中起着至关重要的作用。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
PLC作为一种成熟稳定可靠地控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用[1]。
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处理。
故障保护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。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
目前，PLC的功能增强、结构优化，I/O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系统通信能力增强，向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。
现在的PLC系统与DCS技术、现场总线I/O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。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
1.2电机故障保护系统发展状况
电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业/农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机正常运行就显得非常重要，而在使用过程中造成电机烧坏甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，无论是因为维护或者因为电机故障影响生产，都对经济的发展有很大的影响，因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。
由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化多功能化方向发展提供了硬件平台。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
传统的中小型电动机保护主要采用熔断器/接触器和断路器及热继电器等的组合来执行的，其中采用熔断器及热继电器的电动机故障保护应该说是最廉价的，但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时就会使电动机缺相运行而使事故进一步扩大，造成电动机烧毁[2]。
为了解决此种情况，人们利用现代电力电子技术，从多功能集成化方面努力，研制和推出了一批新型的电子模拟式保护器。
但由于它的抗干扰能力差，动作特性与电机热曲线不协调，反时限特性并不明显优于热继电器，容易造成拒动或误动影响产品的性能及质量。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
随着计算机技术的发展，微机保护更趋于智能化、单元化、在线化。
利用微处理器实现电动机保护的多功能化和智能化已成为今后发展的方向。
PLC在电动机故障保护上的优点：
可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
1.3系统总体设计方案
本文设计的是电动机的故障保护系统，包括硬件和软件两方面的设计，硬件有主电路及控制电路硬线连接，保护元件，PLC端子连接，软件有梯形图程序及仿真调试。
电动机的故障保护以短路、断相（错相）、过流、过载、超温为主，保护元件以低压电器为主，作为执行元件，而PLC控制保护元件的接通与断开，从而控制电动机的运行与停止，并输出报警信号。
相比单纯的继电器保护来说，有更高的准确性、快速性。
系统程序则是使用简单直观的梯形图程序，程序分段，仿真的时候输入开关量信号PLC会执行相应的程序段。
图1.1为系统设计框图：
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
图1.1系统框图
2三相异步电动机
2.1三相异步电动机工作原理
三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。
定子由定子铁心、绕组以及机座组成。
定子铁心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。
定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈。
硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。
定子绕组是电动机的电路部分，三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。
三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生旋转磁场。
机座主要用于固定与支撑定子铁心，中小型异步电动机一般采用铸铁机座，根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。
转子由铁心与绕组组成。
转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，转子铁心装在转轴上。
转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。
三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场，旋转磁场切割转子导体产生感应电动势和电流，转子载流体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
2.2三相异步电动机主要电气故障
缺相：
三相异部电动机在运行过程中，断一根火线或断一相绕组就会形成缺相运行，如果轴上负载没有改变，则电动机处于严重过载状态，定子电流将达到额定值的二倍甚至更高，时间稍长电动机就会烧毁[3]。
在各行业中，因缺相运行而烧毁的电动机所占比重最大，一般电动机缺相是由于某相熔断器的熔体接触不良，或熔丝拧的过紧而几乎压断，也可能是因为熔体电流选择过小，这样通过的电流稍大就会熔断，尤其是在电动机起动电流的冲击下，更容易发生熔体非故障性熔断。
有时电动机负荷线路断线，一般是安装不当引起的断线，特别是单芯导线放线时产生的小圈扭结，接头受损等都可能使导线在运行过程中发生断线。
电动机由于长期使用也可能使绕组的内部接头或引线松脱或者局部过热把绕组烧断，电动机出现缺相运行。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
短路：
绕组中相邻两条导线之间的绝缘损坏后，使两导体相碰，就称为绕组短路。
发生在同一绕组中的绕组短路称为匝间短路。
发生在两相绕组之间的绕组短路称为相间短路。
不论是哪一种，都会引起某一相或两相电流增加，引起局部发热，使绝缘老化损坏甚至烧坏电动机。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
过压/欠压：
电源电压偏高，激磁电流增大，电动机会过分发热，过分的高电压会危机电动机的绝缘，使其有被击穿的危险[4]。
电源电压过低时，电磁转矩就会大大降低，如果负载转距没有减小，转子转数过低，这时转差率增大造成电动机过载而发热，长时间会影响电动机的寿命。
当三相电压不对称时，即一相电压偏高或偏低时，会导致某相电流过大，电动机发热，同时转距减小会发出“翁嗡”声，时间长会损坏绕组。
总之无论电压过高过低或三相电压不对称都会使电流增加，电动机发热而损坏电动机。
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
过流：
过电流往往是由于不正确的启动和过大的负载引起的吗，一般比短路电流要小，在电动机运行中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁、反转起动的重复短时工作制电动机中更是如此。
过电流保护区别于短路保护，一般采用过电流继电器，，广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
过载：
电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆、寿命降低，严重时会使电动机损坏，过载电流越大允许升温的时间就越短。
常用的过载保护元件是热继电器。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
接地：
电动机接地是一个重要环节，因为电机不明显接地也可以运转，但这给生产及人身安全埋下了不安全隐患。
因为绝缘一旦损坏后外壳会产生危险的对地电压，这样直接威胁人身安全及设备的稳定性，所以电机一定要有安全接地。
所谓的电机接地就是将电气设备在正常情况下不带电的某一金属部分通过接地装置与大地做电气连接，而电机的接地就是金属外壳接地，这样即使设备发生接地和碰壳短路时电流也会通过接地向大地做半球形扩散，电流在向大地中流散时形成了电压降，这样保证了设备及人身安全。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
2.3常用电气控制电路
2.3.1三相异步电动机正-停-反控制电路
电动机正反转控制电路如图2.1所示，工作原理：
断路器QF作为电源引入开关，它具有短路保护、过载保护和失电保护的功能。
由于两个接触器KM1、KM2的主触点所接电源的相序不同，所以可以改变电动机的转向。
由于KM1和KM2的触点不可以同时闭合，以免发生相间短路故障，为此就需要在各自的控制电路中串接对方的常闭触点，构成互锁。
按下正向启动按钮SB2，KM1的线圈得电并自锁，KM1的常闭触点断开，电动机正转，这时即使按下反向启动按钮SB3，KM2也无法通电。
当需要反转时，先按下停止按钮SB1，令接触器KM1的线圈断电释放，KM1的常闭触点复位闭合，电动机停转，再按下反向启动按钮SB3，接触器KM2的线圈才能得电，电动机反转[5]。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
图2.1三相异步电动机正反转控制电路
2.3.2三相异步电动机星-三角减压启动控制电路
电动机星-三角减压启动控制电路如图2.2所示，工作原理：
该主电路由三只接触器进行控制，其中，KM3的主触点闭合则将电动机绕组连接成星形；KM2主触点闭合，则将电动机绕组连接成三角形；KM1的主触点用来控制电源的通断。
控制电路中，采用时间继电器来实现电动机绕组由星形联结到三角形联结的转换。
按下启动按钮SB2，时间继电器KT、接触器KM3的线圈得电，KM3的主触点闭合，将电动机绕组接成星形。
随着KM3得电吸合，KM1的线圈得电并自锁，电动机绕组在星形联结下启动，待电动机转速接近额定转速时，KT延时完毕，其常闭延时触点动作，接触器KM3失电，其常闭触点复位，KM2得电吸合，将电动机绕组接成三角形，电动机进入全压运行状态。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
时间继电器：
在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间后才动作的继电器叫做时间继电器。
时间继电器常用于按时间原则进行控制的场合。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型，通电延时型当有输入信号后延迟一定时间，输出信号才发生变化，当输入信号消失后，输出信号瞬时复原；断电延时型当有输入信号时，瞬时产生相应的输出信号，当输入信号消失后，延迟一定时间输出信号才复原。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
图2.2三相异步电动机星-三角减压启动控制电路
3系统硬件设计
3.1可编程控制器
从广义上讲，PLC是一种特殊的工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言[6]。
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类型的机械和生产过程。
PLC的基本组成为：
中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O接口）、电源（开关式稳压电源）。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
PLC的工作原理：
普通微机一般采用等待命令的工作方式，但PLC要查看的变量（输入信号）太多，采用这种等待查询的方式已经不能满足要求，因此PLC采用了“循环扫描”的工作方式，即在每一次循环扫描中采样所有的输入信号，随后转入程序执行，最后把程序执行结果输出（即信号输出）去控制现场的设备。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
初始化处理：
PLC上电后，首先进行系统初始化，其中检查自身完好性是起始操作的主要工作。
初始化的内容是：
首先，对I/O单元和内部继电器清零，所有定时器复位（含T0），以消除各元件状态的随机性。
其次，检查I/O单元连接是否正确。
最后，检查自身完好性：
即启动监控定时器T0，用检查程序（即一个涉及到各种指令和内存单元的专用检查程序）进行检查。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
系统自诊断：
每次扫描前，在进行一次自诊断，检查系统的完好性，即检查硬件（如CPU、系统程序存储器、I/O口、通信口、后备锂电池电压等）和用户程序存储器等，以确保系统可靠运行。
若发现故障，将有关错误标志位，再判断一下故障性质，若是一般性故障，只报警而不停机，等待处理；若是严重故障，则停止运行用户程序，PLC切断一切输出联系。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
通信与外设服务（含中断服务）：
通信与外设服务指的是与编程器、其他设备（如终端设备，彩色图形显示器，打印机等）进行信息交换，与网络进行通信以及设备中断服务等[8]。
如果没有外设请求，系统会自动向下循环扫描。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
采样输入信号：
采样输入信号是指PLC在程序执行前，首先扫描各输入模块，将所有的外部输入信号的状态读入（存入）到映像存储器I中。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
执行用户程序：
在执行用户程序前，先复位监控定时器T1，当CPU对用户程序扫描时，T1就开始计时，在无中断或跳转指令的情况下，CPU就从程序的首地址开始，按自左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条，并把执行结果立即存入输入映像存储器Q中。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
输出刷新：
输出刷新就是指CPU在执行完所有用户程序后（或下次扫描用户程序前）将输出映像存储器Q的内容送到输出锁存器中，再由输出锁存器送到输出端子上去[9]。
刷新后的状态要保持到下次刷新。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
3.2S7-300PLC概况
S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求，CPU模块、信号模块和功能模块种类繁多能满足各种领域的自动控制任务，用户可根据系统的具体情况选择适合的模块，维修时更换模块也很方便。
S7-300的每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，使用西门子的MPI（多点接口）通信协议[10]。
有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PtP（点对点）串行通信口。
S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程就可以建立一个MPI网络、通过PROFIBUS-DP接口可以建立一个DP网络。
功能最强的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大的为4096个。
S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构。
如图3.1所示一台S7-300可有以下几部分组成：
导轨、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（即通信模块CP）。
其中电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块都安装在导轨上[11]。
S7-300PLC还有一些辅助模块，如占位模块（DM370）、仿真模块（SM374）等。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
状态与故障显示及模式选择开关为：
·SF（系统出错/故障显示，红色）：
CPU硬件故障或软件错误时亮。
·BATF（电池故障，红色）：
电池电压低或没有电池时亮。
·DC5V（＋5V电源指示，绿色）：
5V电源正常时亮。
·FRCE（强制，黄色）：
至少有一个I/O被强制时亮。
·RUN（运行方式，绿色）：
CPU处于RUN状态时亮。
·HOLD（单步、断点）状态时以0.5Hz的频率闪亮。
·STOP（停止方式，黄色）：
CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。
·BUSF（总线错误，红色）。
·RUN-P（运行-编程）位置：
运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。
·RUN（运行）位置：
CPU执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。
·STOP（停止）位置：
不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。
S7-300CPU的分类：
·紧凑型CPU：
CPU312C，CPU313C，CPU313C-PtP，CPU313C-2DP，CPU314C-PtP和CPU314C-2DP。
各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。
有的有定位功能，有的带有I/O。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
·标准型CPU：
CPU312，CPU313，CPU314，CPU315，CPU315-2DP和CPU316-2DP。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
·户外型CPU：
CPU312IFM，CPU314IFM，CPU314户外型和CPU315-2DP在恶劣的环境下使用。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
·高端CPU：
317-2DP和CPU318-2DP。
·故障安全型CPU：
CPU315F。
1.电源模块2.后备电池3.24VDC连接器4.模式开关5.故障状态指示灯
6.存储器卡
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