基于PLC的电机故障诊断系统设计.docx

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基于PLC的电机故障诊断系统设计

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S7-300、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，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

Abstract

Thispaperintroducesthedomesticelectricalfaultdiagnosissystemdesign,aswellasexistingproblemsandintroducesprogrammablecontrolleratthesametimetheworkingprincipleandselectionbasis．APLC-baseddesignoftheelectricalfaultdiagnosissystemdesignanddetailonthechoiceofSiemensS7-200PLCandthesametypeofS7-300S7-400PLCandaccordingtothedesignrequirementsoftheinputandoutputofthePLCI/Ofordistributionandpreparationoftheladderdiagramsystemoperation．Preparedtoboot,pressthebuttonafterboot,thecircuitbreakerstatusisdetectedfirst．Ifthecircuitbreakerinitialstateisclosed,electricaldoesn’tstartandsoundandlightalarm．Ifthecircuitbreakerinitialstateisdisconnected,thecircuitbreakercloseandtheelectricalstart．Startintheprocess,ifafailureoccurred,theprotectionPLCcorrespondaction．Startafterthecompletionof“motoron/offindicatorlight”on,theelectricalnormaloperate．Runningprocess,PLCfollowedbymotorcycletestwhethertherehasbeenaphaseshortcircuit,breakingphase,low-voltage,single-phase-to-ground,overload,over-currentfaultandsoon．Ifoccurred,PLCprotectionactaccordinglyshutdown．PLCreceivedshutdown　orders,　trippingcircuitbreakers,“motoron/offindicatorlight”eliminate．Faultsoundandlightalarmatthe“alarmresetbutton”　reset．ThischoiceisbasedonthedesignofthemotorPLCfaultdiagnosissystemdesign．

KEYWORD：

FaultDiagnosisPLCMotor

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，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F1、F2、FX2、FX0N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、I/O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A1N、A3N系列，立石公司C系列C500、C2000H和通用电气公司的90TM-70、90TM-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I/O、算术运算、数据传送、远程I/O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F1、FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S7-200等。

2.中型PLC中型PLC的I/O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I/O、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I/O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C200H、C500，西门子公司的S5-115U等。

3.大型PLC大型PLC又称为高档PLC。

I/O点数在512点以上，其中I/O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A3M、A3N，立石公司的C2000H，AB公司的PLC-5以及西门子公司的S5-135U、S5-155U、S7-400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I/O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（CPU）

PLC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8080、8086、M6800、80286、80386等；单片机常用的有8031、8051、8096等；位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903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RAM、EPROM、EEPROM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A/D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A/D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D/A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。

（3）PID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I/O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、I/O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3.1所示。

图3.1PLC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、I/O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I/O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PLC。

3.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I/O点数，二是用户存储器容量。

1.I/O点数的选择

首先根据被控对象的I/O设备，对所需的I/O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3:

2估算。

通常I/O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I/O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I/O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I/O点数×10+模拟量I/O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5、12、24、48V等和交流115、220V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、I/O模块和其他特殊模块等消耗电流的总和，同时还考虑今后I/O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I/O模块及特殊功能模块的选择

PLC的模拟量I/O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I/O模块的量程为-10～10V、0～10V、1～5V电压型及0～20mA、4～20mA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、SIMATICS7-200PLC

S7-200PLC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