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