基于PLC电机故障诊断系统研究设计.docx

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基于PLC电机故障诊断系统研究设计

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．

Keywords：

FaultDiagnosis；　PLC；　Motor

1　绪论

1.1PLC的应用以及选题的意义

1.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

2.选题的意义

随着故障诊断技术的发展，以检测、识别、预测和干预为核心的先进的故障诊断技术得到了广泛的应用，不但能够及时准确地诊断出故障，而且可以采取相应的对策，保证系统的安全性和可靠性。

电机故障可能对电力系统的稳定性和工业系统其它机组的安全运行带来严重的影响，因此，电机的故障诊断显得非常重要，本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。

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。

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。

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

（1）基于小波分析的故障诊断方法

小波分析是20世纪80年代发展起来的新的数学理论和方法，它被认为是傅里叶分析方法的突破性进展。

小波分析优于傅里叶之处在于：

小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质。

小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状、时间窗和频率都可以改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率。

因此，小波变换被誉为分析信号的显微镜。

小波分析在信号处理、图像处理、语音分析、模式识别、量子物理、生物医学工程、计算机视觉、故障诊断及众多非线性科学领域都有广泛的应用。

（2）专家系统故障诊断方法

专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种规则，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行过程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由用户来证实。

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，不仅可以代替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。

2　PLC原理介绍及设备总体结构介绍

2.1PLC发展历程

在PLC产生之前，工业控制设备的主流产品是以继电器、接触器为主体的控制装置，简称继电器控制系统。

所谓继电器控制系统就是用导线把各种继电器、接触器、开关及其触点，按一定的逻辑关系连接起来所构成的控制系统。

它具有价格低廉、对维护技术要求不高的优点，适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。

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；其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造。

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。

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和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，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。

（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，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。

2.3PLC的分类

目前国内外PLC生产厂家众多，产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。

一般说来，PLC可以根据它的结构形式、输入/输出点数以及功能范围来进行分类。

1.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、A2N、A3N系列，立石公司C系列C500、C1000H及C2000H和通用电气公司的90TM-70、90TM-30等。

2.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。

其中输入/输出点数小于64点的PLC又称为超小型机。

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、F2、FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S5-95、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。

2.4PLC的工作原理

虽然可编程控制器的基本组成及工作原理与一般微机相同，但其工作过程与微机有很大差异。

小型PLC的工作过程有两个显著特点：

①周期性顺序扫描；②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。

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

2.5PLC的组成

1.中央处理单元（CPU）

与通用计算机一样，中央处理单元CPU是PLC的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。

它解释并执行用户及系统程序，并通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。

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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

对于一些小型可编程控制器，外部设备接口还有与专用的编程器连接的并行数据接口。

6.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。

7.其他外部设备

编程器、外部存储器、打印机、EPROM写入器等。

3　可编程控制器系统设计

3.1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：

1.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。

2.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。

3.2可编程控制器系统设计步骤

在可编程控制器系统设计中，设计人员应根据工程实际要求进行调查研究，对各种方案进行充分论证，然后确定切实可行的控制方案。

按照系统工程要求进行硬件和软件功能权衡和划分，分别进行硬件、软件设计。

对设计好的硬件进行组装、连