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

第一章绪论........................................................1

1.1PLC应用于故障诊断系统的发展现状................................1

1.2故障诊断法......................................................1

2.4PLC的系统模块........................................................4

摘要本文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S7-200PLC以及同类型的S7-300S7-400PLC，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PLC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

1.2PLC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。

1.3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，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。

第二章PLC原理介绍及设备总体结构介绍

2.1PLC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，称ProgrammableController（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ProgrammableLogicController（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30~40%。

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。

2.2PLC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,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。

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，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PLC——I/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PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K。

3.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K.

2.4PLC的系统模块

PLC系统模块包括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。

2.4.1CPU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的系统程序赋予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。

2.4.2I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（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体。

2.4.4PLC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。

2.4.5PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。

因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。

PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。

多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。

PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS或工业以太网进行联网。

2.5PLC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。

2.5.1．1输入输出（I/O）点数的估算

I/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。

2.5.1.2存储器容量的估算 

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。

设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。

为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

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，电源的选择及存储器的选择。

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的选取

可编程控制器（ProgrammableLogicalController）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电机故障诊断系统。

3.1PLC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。

3.1.1SIMATICS7-200PLC

S7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。

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

3.1.2SIMATICS7-300PLC

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：

超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。

具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。

S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。

3.1.3SIMATICS7-400PLC

S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。

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（功能逐步升级）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。

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，“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。

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。

3.1.6SIMATICS7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SIMATICS7是用于S7-300/400，C7PLC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-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（PLC）运行用户的程序，运行在安装了WindowsNT4.0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SIMATICS7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP7），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STEP7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（SupervisoryControlandDataAcquisition）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。

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。

3.2S7-200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：

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I/O点或10路模拟量I/O点

S7-2