毕业论文基于PLC的电机故障诊断系统设计.docx
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毕业论文基于PLC的电机故障诊断系统设计
毕业论文---基于PLC的电机故障诊断系统设计
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编号:
毕业论文（设计）
题目基于PLC的电机故障诊断系统设计
指导教师贺廉云
学生姓名周峰
学号201021703041
专业机械设计制造及其自动化
教学单位德州学院机电工程系
时间2012年4月15日
德州学院毕业论文（设计）开题报告书
2012年4月15日
院（系）
机电工程系
专业
机械式及制造及其自动化
姓名
周峰
学号
201021703041
论文（设计）题目
基于PLC的电机故障系统设计
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。
本设计选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。
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：
AB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（1973～1979）2、以微处理器为主的工业控制器（1979～1985）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/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）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，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（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。
本文采用的机型是德国西门子S7-200系列PLC。
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
S7-200CPU224
14
10
7个扩展模块
168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
S7-200CPU226XM
24
16
2个扩展模块
248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点
四、计划进度安排[主要说明：
起止时间及分阶段的进度要求。
]
2011.12．1---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5—6种）
[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].2005.30～40
[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
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
机电工程系专业：
机械设计制造及自动化2012-4-15
毕业论文题目：
基于PLC的电机故障系统设计
学生姓名
周峰
学号
201021703041
指导教师
贺廉云
职称
教授
计划完成时间：
2012年4月15日
毕业论文（设计）的进度计划：
2011年112012年1月查阅相关资料，进行课题研究
2012年1月2012年2对于PLC的电机故障进行设计，搞清楚故障原因
2012年3月-2012年4月在以研究的基础上，撰写论文初稿
完成情况：
到现在为止，我通过上网查阅资料，了解到PLC的常见故障排除方法，对电机故障的排除有了更深的了解。
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）
签名：
年月日
备注：
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
2.2PLC控制系统的发展前景..........
2.4PLC的系统模块.............................................3
3.2系统框图.......................................................9
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
基于PLC的电机故障系统设计
周峰
（德州学院机电系，山东德州2530230）
摘要：
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
1.1PLC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。
1.2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。
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，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模块图
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。
2.5PLC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。
2.5.2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；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，
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