电气自动化专业毕业设计.docx

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电气自动化专业毕业设计

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

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

目　　录

1引言

电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。

对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。

PLC（ProgrammableLogicController），是可编程逻辑控制器。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：

开关量的逻辑控制、模拟量的控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。

我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制。

因此，PLC在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。

目前，中国PLC市场的95％以上被国外产品占领。

国内曾有研究单位开发PLC产品，后因种种原因没有发展起来。

值得欣慰的是，国内已有具有较强实力的公司开始拓展PLC业务，并在中国PLC市场有了一定声音，如和利时公司、德维森公司、安控公司。

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。

诊断系统建立在基于ＰＬＣ和上位计算机组成的控制系统上。

ＰＬＣ在故障诊断系统中的功能主要是检测点击的电流保护。

计算机由于具有强大的科学计算功能，利用专家知识和专家库，完成从故障特征到故障原因的识别工作。

并通过人机界面，给出故障定位，报告和解释故障诊断结果，并为操作员给出相应的排除故障的建议。

2电动机保护装置的各种保护原理及故障判据

电机保护就是给电机全面的保护，即在电机出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，予以报警或保护；为电动机提供保护的装置是电机保护器，包括热继电器、电子式保护器和智能型保护器。

电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。

对称故障包括:

过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:

断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。

不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。

因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。

2.1电动机保护装置常见保护形式

掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。

作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。

现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保护形式介绍如下：

1.低压线路漏电保护：

当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。

（参考值AC220V为5KΩ，AC120V为3KΩ，AC24V为2KΩ）

2.电机温度保护：

由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到155℃时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转，电机冷却后自动复位。

对应热敏电阻阻值为1.8KΩ～2KΩ。

3.对称故障保护：

对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。

4.不对称故障保护：

电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。

不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。

因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要。

2.2矿用隔爆三相异步电动机的故障保护

由于矿井下工作环境比较恶劣，电动机发生故障的几率也比较大，针对这种情况和用户的实际需要投入了以下几种保护：

过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠电压和过电压保护等保护形式。

下面对几种主要保护的原理和实现方法分别加以详细的阐述。

2.2.1过载保护

由于负载转矩过大，电动机转速下降以提高电磁转矩，电机定子电流超过额定电流，导致电动机过载，如果持续时间过长，将导致电动机过热而被烧坏。

但是如果是短时过载，电动机积累的热量能够及时散发，根据过载程度的不同，电动机过载运行是可以保持一段不同的时间。

过载保护按照反时限特性动作。

2.2.2短路故障分析及保护判据

由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7倍以上。

为了保证在起动过程中保护可靠的不动作，整定值在起动和运行过程中采用了不同的算法。

a.异步电动机起动过程中的速断保护：

欲使电动机能满载地起动，要求

必须大于电动机满载起动电流

，即：

式中：

——保证电动机满载启动系数，取1.2～1.4。

——电动机起动电流系数，一般取4～7。

——电动机的额定线电流。

b.异步电动机运行中的速断保护

在电动机运行过程中，

的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，短路保护可以按电动机的额定电流的倍数整定，即：

式中

的值一般取为8-10，这样可以保证三相异步电动机在起动结束后的运行过程中不会频繁跳闸，保证掘进机的正常工作。

2.2.3单相接地故障分析及保护判据

在变压器中性点不接地的矿井下的供电系统中，当一相（如A相）发生直接接地故障，便有单相接地电流在接地点流过，并经其它两相的绝缘电阻

和电容

流回电源。

此时，A相导线对地电压为零，B、C两相对地变成了线电压。

但电源线电压仍然平衡，并不影响负荷继续工作。

不过，从矿井的安全出发，为了防止瓦斯煤尘爆炸，要求立即切断供电电源。

由于三相电网对地电压不再平衡，三相电压之和不为零，因而出现了零序电压

和零序电流

。

由于我国矿井下大中型电动机一般采用小电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。

在中性点非直接接地电网中的高压电动机，当容量小于2MW，而接地电容电流大于10A；或容量等于2MW及以上，而接地电容电流大于5A时，应装设接地保护。

提高接地保护的灵敏度，可采用一次零序电流互感器检测零序电流，其电流

按大于被保护回路的电容电流整定，即：

式中：

——可靠系数，取4～5；

——当外部发生接地故障时，过流被保护回路的最大接地电容电流。

2.2.4欠压和过压故障分析及保护判据

根据三相异步电动机的电磁转矩公式可知，电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。

当电网电压上下波动时，电动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响到电动机正常运行，所以必须有欠电压和过电压保护。

a.欠压保护

当电源电压由于某种原因降低到额定电压75％或长时间低于额定电压85％时，称为系统欠电压。

电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。

转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。

因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。

欠压保护的整定原则是：

若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。

b.过压保护

当电源电压由于某种原因超过额定电压15％时,称为系统过电压。

过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。

电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。

过压保护的整定原则是：

若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。

2.2.5矿用电动机的其他保护

矿用电动机的其他保护还包括起动超时保护、频繁起动保护、超温保护、漏电闭锁保护等。

a.起动超时保护：

对于直接起动的电动机，刚起动时，起动电流比较大，经过一段时间，电流将下降到额定电流或以下的水平。

起动超时保护设定了一个稍大于额定电流的动作值，它在电动机起动时投入，经过适当的延时（延时时间可设定），检测线路的电流，并与动作值比较，如果仍然大于动作值，则起动超时保护动作，可作为短路保护的后备保护。

b.频繁起动保护：

起动过于频繁将使电动机绕组长时间流过数倍于额定电流的起动电流。

由于热积累效应，会导致电动机过热，使绕组绝缘加速老化，甚至烧坏电机。

频繁起动保护主要用于限制电动机在一定时间内的起动次数，它可以根据电机的负载情况和散热条件来整定允许起动的次数。

电动机第一次起动时就开始计时并记录电动机起动次数，如果电动机起动次数达到整定值，而计时未结束，电动机将被闭锁，直到计时结束才能再次起动电动机，并重新计时和记录起动次数。

c.超温保护：

超温保护是通过电动机内部安装的温度传感器直接对绕组温度进行测量，当温度达到整定的阈值时分断电动机线路，并报警。

温度阈值可以整定。

这种保护方式适合用于井下散热条件极差的大容量电动机，防止电动机在额定负载情况下长时间积热而烧坏。

d.漏电闭锁保护：

采用附加直流电源检测回路绝缘电阻的阻值的保护原理。

3微机保护的数据采集

掘进机综合保护装置采集的信号分为数字量和模拟量信号两类。

其中数字量信号包括断路器、隔离开关等设备的辅助接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。

这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装置相连。

而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。

模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。

数据采集电路内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是综合保护装置中很重要的电路。

保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。

3.1保护装置的数据采集电路

3.1.1电压形成回路

综合保护装置要从被保护的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入范围的要求，将互感器的二次侧数值变换为4～20mA的电流信号或1～5V范围内的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。

在互感器的选择上有铁芯电流互感器和空芯电流互感器。

其中铁芯电流互感器受其铁磁性能的影响，即使在设计时确定的工作很理想，在小电流时测量线性度很好，但在大电流时铁芯易于饱和，线性度差，测量范围小。

采用空芯电流互感器准确度高线性误差在±1％以内，测量范围广绝缘水平高，用于高压大电流电动机具有明显的优点，但是在小电流时，信号较小测量误差大。

转换信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。

至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件来实现。

3.1.2采样电路

采样电路由传感器、电压调理电路和A/D转换部分组成。

电动机的电流、电压信号用电流传感器和电压变送器拾取，进行适当的放大和调理后送入单片机内部集成的A/D转换模块的模拟输入口。

列如要检测截割电机的三相电流信号，因截割电机的额定电流比较大，选用时要考虑过流的影响，所以应选用通过电流较大的电流传感器，一般选CT30-1400A/5V型电流传感器检测电流信号，如要检测系统电压，因系统电压额定为1140V，选用时考虑过压等因素，所以一般采用CSP2-1500Va.c/5V型交流电压变送器检测系统电压。

电压调理电路包括跟随、比例调整和硬件滤波三部分，作用是为了保证电机在额定电流以及当电机启动和过载时出现过电流情况下的检测精度（l%），模块硬件结构如图3-1所示。

图3-1模拟信号处理硬件流程图

4PLC原理介绍及设备总体结构介绍

4.1PLC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。

4.2PLC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。

4.3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.

4.4CPU的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

4.4.1CPU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