基于PLC的电机故障诊断系统设计毕业作品.docx

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基于PLC的电机故障诊断系统设计毕业作品

基于PLC的电机故障诊断系统设计

摘要

本文主要首先介绍了国内电机故障诊断系统的发展状况和存在的问题，以及PLC应用于故障诊断系统的发展现状，并简单地介绍了故障诊断方法。

然后介绍了可编程控制器的由来、发展历程和发展前景。

从控制规模、结构形式和功能三方面对PLC进行了分类，介绍了PLC的组成，以及部分系统模块和模块的估算和选择，确定电源的选择，并设计了系统电源。

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S7-300、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。

当准备开机时，按下开机按钮后，首先检测的是断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机则无法启动，并且进行声光报警。

如果断路器的初始状态为断开，则断路器合闸，电机并开始启动。

在启动过程中，若发生一级故障，PLC则会进行相应的保护动作。

待启动成功之后，“电机开/关指示灯”保持明亮，电机保持正常运行状态。

在点击正常运行过程中，PLC会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则会进行相应保护动作。

关机时，PLC接到关机命令之后，断路器首先跳闸，“电机开/关机指示灯”熄灭。

故障声光报警之后，按“报警复位按钮”复位即可复位。

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

Thispaperfirstlyintroducesthedomesticelectricalfaultdiagnosissystemdevelopmentsituationandexistingproblems,andPLCapplicationinfaultdiagnosissystemdevelopmentpresentsituation,andsimplyintroducesthefaultdiagnosismethod.Andthenintroducedtheprogrammablecontroller'sorigin,developmentanddevelopmentprospects.Fromthecontrolscale,structureandfunctionoffractional,theclassificationofPLCisintroduced,andthecompositionofthepartofPLCsystemmodulesandmoduleestimatedandchoice,surepowerchoice,anddesignthesystempowersupply.DesignafaultdiagnosissystembasedonPLCmotordesign,detailedintroducestheselectionofSiemenss7-300PLCandthesametypeof200S7-300,s7-400plc,accordingtothedesignrequirementsofPLCinput/outputI/O,andcompilethedistributionofthesystemoperationladderdiagram.Whenreadytoboot,pressbootbutton,thefirstdetectioncircuitbreakerstate,ifthebreakeristheinitialconditionisclosed,motor,andisunabletostartsound-lightalarm.Ifthebreakerinitialconditionisdisconnected,thenthebreaker,motorandstart.Atstartupprocess,ifproducelevel1fault,PLCwillmakecorrespondingprotectionmovement.Tostartafterhesucceeded,"motoron/offlights"maintainbright,motortokeepthenormaloperationcondition.Innormaloperationprocess,clickPLCwillbeordinalcycledetectionifmotorhappenalternatewithshortcircuit,brokenphase,lowvoltage,phase-to-ground,overload,over-current,ifthereareotherfailuresoccur,PLCwillcorrespondingprotectionmovement.Shutdown,PLC,afterreceivingshutdowncommand,"motorcircuitbreakerfirsttriptoopen/shutdownindicator"putout.Faultsound-lightalarm,accordingto"afterpoliceresetbutton"resetcanreset.ThisdesignselectionofsubjectisbasedonPLC,motorfaultdiagnosissystemdesign.

Keywords:

faultdiagnosis；PLC；Motor

第1章绪论

1.1PLC应用于故障诊断系统的发展现状

对现代工业的远程监控、故障诊断技术是近几年来研究的热点。

但统计显示大多数的故障都是一般性故障，所以在解决常见以及多发故障时，尤其是在需要快速解决，甚至是需要在某些故障状态保证运行时，

PLC作为一种成熟稳定且可靠的控制器，现在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

通常情况下故障诊断有两种方法：

故障树方法和专家系统方法。

故障树方法是利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，发现错误的输出对应地找到可能的输入错误。

这种办法通常应用于系统结构相对简单，各部分耦合少的情况。

另外一种办法专家系统方法则是通过建立系统故障的知识库与推理机，计算机依据现场的数据依靠知识库和推理机进行深入的逻辑推理，最终找出相应的故障的原因。

这种方法主要适用于系统结构复杂，各部分耦合强的较大型工业系统。

PLC是现在应用非常多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源以及其强大的功能指令，进行编制故障检测报警程序，不仅可以替代传统继电器能实现的相应功能，还可以提高工作可靠性以及其系统的灵活性。

第2章PLC原理介绍及设备总体结构介绍

2.1PLC的由来和发展历程

在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制系统占据领导地位，但是这种继电器控制系统也存在明显致命的缺点：

耗能多、体积大、可靠性不佳、寿命短、运行速度慢、适应性差。

特别是当生产工艺突然发生变化时，就必须要重新设计、重新安装，造成了时间和资金的巨大浪费。

正是为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司，提出要研发一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，并开始对外招标。

根据招标要求，1969年美国数字设备公司研制出世界上第一台PLC，从而开创了工业控制新时期。

从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来。

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等方面的能力得到大幅度地提高，PLC并逐渐进入过程控制领域，在某些领域上取代了一直在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

虽然PLC只有40多年的历史，但其发展势头异常迅猛，年增长率一直保持在30%-40%的这种水平，成为当今增长速度最快的工业控制器。

期间，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等方面的能力得到大幅度地提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了一直在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

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。

PLC具有可靠性搞、抗干扰能力强、通用性强、灵活性好、功能齐全、编程简单、使用方便、模块化结构、安装简便、调试方便等优点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中，在可预见的未来，是无法取代的。

2.2PLC控制系统的发展前景

现在,已经研发出了性能比PLC更好更优越的DCS和FCS两种控制系统,并且PLC控制系统也终将会被先进的控制系统--FCS--所取代,但是从现在的情况来看，今后相当长的一段时间内,PLC控制系统还是会与先进的控制系统DCS和FCS共同存在,其原因主要有以下几方面:

（1）企业的发展方向和需求。

现在大多数的企业都在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不等于要将现有PLC控制系统推倒重来。

由于现代企业已经投入了大量的人力和财力才形成的PLC控制系统已经成型,如果要完全推倒重来再建立新的DCS或FCS控制系统,不仅是重新需要大量资金的投入,还照成原来可利用资源的巨大浪费。

（2）市场需求来决定。

由于目前市场的需求,很多软件厂商（例如:

华富惠通软件公司）都在考虑如何将现在已经成型的PLC控制系统以及新建的厂级网络,以及开发控制系统所使用软件,来满足企业实现工厂自动化、信息化,从而可以为企业或工厂提供控制系统与管理网络的集成。

（3）PLC的功能和优点来决定。

PLC具有可靠性搞、抗干扰能力强、通用性强、灵活性好、功能齐全、编程简单、使用方便、模块化结构、安装简便、调试方便等优点，PLC的功能增强、结构优化,IO模块趋向智能化和分散化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。

（4）PLC的联网通信能力比较强,正在向高速化、层次化、信息化、可靠化及开放化的方面发展。

（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正在向着功能化、集成化、智能化、标准化、开放化等多方面方向发展,故PLC虽然面临其它先进自动化控制系统的挑战,但与此同时PLC控制系统也在吸收它们的优点,彼此间互相融合,不断创新,在今后可预见的一段时间内PLC控制系统将与其它先进控制系统共同存在,共同发展。

2.3可编程控制器PLC的分类

PLC产品种类繁多，所以其性能和规格也各不相同，通常根据其控制规模的不同、结构形式的不同和功能的差异等进行分类。

按照PLC的控制规模分类，可分为小型机、中型机和大型机。

一般情况下控制点数在256点以下的是小型机，用户程序存储器的容量不大于于8K字。

通常小型机适用场合为：

单机控制场合和小型控制场合，在通信网络中通常作为从站来使用。

在小型机中，通常将控制点数小于64点的机型称为微型PLC或者超小型机。

中型机的控制点数是在256点到2048点范围之间，用户程序存储器的容量小于50K字。

中型机相比小型机来说，控制点数较多、控制功能强，所以常用于中兴控制场合，在通信网络中可视实际情况作为主站或者作为从站。

大型机的控制点数一般都是在2048点以上，用户程序存储器的容量达50K以上。

大型机相比前两者来说控制点数更多、功能更强、运算速度更快，常用于大型控制场合，在通信网络中一般常作为主站来适用。

但以上分类又没有十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，这些界限也会发生相应的变更。

按照PLC的结构类型分类，可分为整体式、模块式和叠装式三类。

整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低。

一般小型PLC采用这种结构。

整体式PLC由不通I/O点数的基本单元和拓展单元组成。

基本单元内有CPU、I/O和电源。

扩张单元内只有I/O和电源。

整体式PLC一般配备具有特殊功能单元，是PLC的功能得意扩展。

模块式PLC结构是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、I/O模块和各种功能模块。

模块式PLC由机架和各种模块组成。

模块插在机架内的插座上。

模块式PLC配置灵火，装配方便，便于扩展和维修。

一般大中型PLC宜采用模块式结构。

叠装式PLC是将整体式和模块式结合起来。

它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。

叠装式PLC集整体式PLC和模块式PLC优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。

西门子公司的S7-200PLC就是叠装式。

按照PLC的功能分类，可分为低档机、中档机和高档机。

低档机，主要功能是逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等，主要用于顺序控制、逻辑控制或少量模拟量的单机控制系统。

中档机，除具有低档机的基本功能以外，还有较强的模拟量处理、数值运算、数值的比较与传送、远程I/O及联网通信等多种功能。

而且有些中档机还可增设中断控制、PID控制等功能，其一般适用于较为复杂的控制系统中。

高档机，除具有中档机的功能外，增设有带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、以及其他特殊功能运算，如制表、表格传送等功能。

高档机具有更强的通信联网能力，可用于远程大规模过称控制，构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。

2.4PLC的组成

PLC的主要由CPU、存储器、I/O单元电路、电源和其他设备等设备组成，并且它们之间又有不通的结构和功能。

CPU是PLC的核心组成部分，在PLC的系统中它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口等连击，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来协调控制整个系统。

CPU只要由运算器、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不可或缺的组成单元。

控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令和执行指令。

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构，它也是在控制器的指挥下工作[1]。

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。

PLC系统中的存储器主要可分为两类，其中一类是系统程序存储器，另外还有一类就是用户存储器。

系统程序存储器，用来固化PLC生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。

系统程相当于个人计算机的操作系统，决定了PLC具有的基本智能，并在不断地加以改进，以提高性价比，增强市场竞争力。

用户存储器，用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，因而又包括用户程序存储器和数据存储器两种。

用户存储器的内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、增删；另一方面在一定时期内又具有相对稳定性，所以适宜使用EPROM、EEPROM、FLASHMEMORY或带后备电池的CMOSRAM来储存用户程序，在PLC技术指标中的内存容量就是指用户存储器容量，是PLC的一项只要指标，内存容量一般以“步”为单位。

I/O单元电路是CPU与现场输入、输出装置和其他外部设备之间的连接接口部件。

输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低电压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元是将中央处理器输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等[2]。

通常，输入单元类型有：

直流、交流和交直流输入单元；输出单元类型有：

晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。

电源模块是PLC的电源供给部分。

它的作用是把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。

根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电。

电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。

PLC的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量起、效率高、抗干扰性能好。

其他设备主要有编程器和人机界面。

是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，它的作用是用来编写、输入和编辑用户程序，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。

人机界面主要由键盘、显示器、工作方式选择开关及外存插口等部件组成，可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息。

目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端越来越广泛，由计算机充当人机界面非常普及。

在科技迅速发展的今天，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，所以网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著。

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的系统模块的估算与选择

通常在PLC的系统设计时，第一步就是要确定控制方案，然后就是PLC工程设计选型，工艺流程的特点和要求是设计选型的主要依据。

工程设计时应该详细地分析工艺过程的各个环节的特点和控制要求，确定控制范围和任务以及所需要进行的控制操作，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。

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、存储器和电源的估算与选择。

对I/O点数进行估算时应当充分考虑适当的余量，一般情况下是根据统计的输入输出点数，在其基础之上再增加10%～20%的可扩展余量，作为输入输出点数实际估算数据来使用。

在实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整。

输入输出模块的选择应当充分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，首先应当考虑所选用的输出模块类型，不同的模块类型的特点不同；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使用频繁，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，但要保持与应用要求一致。

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[3]。

考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

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的大小，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。

在设计初期，因为用户得应用程序还未编制，所以，程序容量在设计初期是不能确定的，只有在程序调试之后才能知道[4]。

但为了在设计选型时能对程序容量有一定估算，一般情况下是采用对存储器容量的估算来替代。

由于计算机集成芯片技术的不断发展，存储器的价格一直在下降，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。

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[5]。

PLC控制系统的电源除交流电源以外，还包括给光电传感器和直流电机供电的直流电源。

一般情况下，交流电源可直接与电网相连，而输入设备的直流电源和输出负载的直流电源等最好分别采用独立的直流供电电源，如下图所示：

图2-1电源供电图

PLC电源单元的连接：

接线时，在电源单元和供电电源之间连接隔离变压器，变压器的副边不接地，这样可以减少PLC和大地之间的噪声，还可以保证人员的安全。

电源单元的外部接线不多，在接线时要注意以下问题：

根据所使用的外部电压数值正确选择电压选择器；

在接线过程中不要移去单元顶部的保护标签，直到配线完成。

这个标签可以防止绞线和其他异物进入单元。

配线结束偶把标签移去，否则标签将会堵住冷却通道，阻碍空气流通；

RUN输出主要用于紧急停车的控制，使用时RUN接点应与被控电源串联；

使用隔离变压器可提高电源的抗干扰能力。

为了改善隔离变压器的抗干扰效果，一是将屏蔽层良好接地，二是变压器的次级输出线采用双绞线，可减少电源线间的干扰；

可编程控制器采用市电（220V，50HZ）。

电网的波动直接影响可编程控制器系统实时控制的精度和可靠性，有时电网的冲击可能给系统带来毁灭性的破坏。

电网的瞬间变化也是经常不断发生的，由此产生的干扰也会传播到可编程控制器系统中。

为了提高系统的可靠性和抗干扰性，PLC的供电系统中一般采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高抗干扰能力。

第3章电机故障诊断系统设计与PLC选取

可编程序控制器（ProgrammableLogicController,PLC）是以传统的顺序控制器为基础，同时它又综合了包括计算机技术、微电子技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术等技术而形成的通用工业自动控制装置。

PLC作为现代工业的自动控制装置，它具有很多优点，包括适应工业环境、操作与编程简单、可靠性高、配置方便灵活、面向过称、面向用户等，是现代工业控制的重要支柱。

因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，有较强的工作寿命。

另外，无论从经济，还是维修和可靠性上，都是十分划算的，所以是最佳选择。

鉴于以上原因，现设计一个基于PLC的电机故障诊断系统。

3.1PLC的选取及介绍

鉴于设计要求的机型是西门子生产的S7-200系列PLC，所以下面对它进行一些简单的介绍。

西门子可编程序控制器广泛应用于我国各行各业，在水利、电力、热网、汽车制造、矿产、钢铁、烟草、化工、饮料加工等行业，都是西门子PLC。

西门子公司的PLC产品主要有S7-200、S7-300、S7-400、工业网络、HMI人机界面、工业软件等。

S7-200PLC是超小型PLC，它适用于各个行业、各种场合中的自动检测、监测与控制等。

其强大的功能使其无论单机运行或是连成网络都能实现复杂的控制能力。

S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。

S7-300PLC系列是模块化的小型PLC系统，其能够满足中等