基于PLC的电动机故障保护系统设计论文例文1.docx

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基于PLC的电动机故障保护系统设计论文例文1

目录

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

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。

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。

2电动机保护装置的各种保护原理及故障判据

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的[30][31]。

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[15]

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：

…………………………………………………………（2-20）

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：

……………………………………………………………………（2-21）

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：

……………………………………………………………（2-24）

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[17][18]

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。

详细的电路和算法将在第4章硬件的温度检测模块部分进行详细介绍。

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，漏电闭锁保护将在第4章硬件的粘连漏电检测模块部分进行详细介绍。

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

Fig3-1Analogsignalprocessinghardwareflowchart

4 PLC的选取 与系统硬件设计

4.1 系统的总体结构

基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。

如下图，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。

如下图所示。

4.2 PLC机型选择及扩展

 选择PLC机型应考虑两个问题:

（1） PLC的容量应为多大？

（2） 选择什么公司的PLC及外设。

在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。

    SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:

SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

    S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。

根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。

    CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。

但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。

S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。

根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。

4.3键盘电路

此保护装置键盘形式采用的是2x4矩阵式键盘。

由82C55APB口的低四位作为列线，82C55APC口的高两位作为行线，构成一个8个按键方式的键盘。

原理接线如图4-22所示。

图4-22键盘原理接线图

Fig4-22Principlekeyboardwiringdiagram

键盘采用行扫描法，“0”为有效信号，正常时PC6、PC7口输出高电平。

接口工作原理可归纳如下：

a.检查是否有键按下，其方法是：

先后令PC6、PC7口为低电平。

然后读入PB低四位状态。

检查是否有列线为零。

如有，则表明有行线和列线接通，意味着有键按下；

b.去抖动：

当有键按下时，延时20ms左右，待抖动消失后，在稳定状态下进行被按键识别;

c.被按键识别：

顺序对所有按键编号，通过逐行扫描确定被按键的编号。

具体定位方法是：

先扫描PC7，令PC7为0，PC6为1，然后读入列线状态，检查是否有列线为0。

若无，则扫描PC6，令PC6为0，PC7为1，顺序扫描;若有，则查出状态为0的列号，由该列号和正在扫描的行号即可确定被按键的编号。

d.产生键码：

根据扫描得到的键编号查找键盘编码表，然后根据键码转去执行相应的子程序。

4.4液晶显示电路

人机接口插件设置了液晶显示电路，如图4-23所示。

液晶显示模块的设计从电路设计简单，减少功耗等角度出发，采用的是将LCD控制器（T6963C）、RAM、ROM和LCD显示器（点阵为128×64）集成在一起的液晶显示模块（MGLS12964T）。

实现全汉化的菜单显示界面、事件报告显示画面、定值整定画面、采样信息画面等的显示功能。

图4-23液晶显示器原理接线图

Fig4-23LCDprinciplewiringdiagram

液晶显示模块的引脚

挂在+5V上。

通过调节电位器Wl的大小能够改变液晶显示器的对比度。

信号接GAL16V8D的Y3，C/D信号由8051地址线A11提供。

则地址7800H为液晶显示模块的指令口地址，地址7000H为液晶显示模块的数据口地址。

液晶显示器在本保护装置中用来显示装置的告警信息、故障报告、整定值、测量值及其他命令菜单等。

5保护装置的软件设计

一个实际的应用系统通常需要从硬件、软件两个方面进行设计。

从保护装置的配置和原理进行分析，结合硬件电路的特点，运用数字滤波技术和各种微机保护的算法和判据，本章将着重介绍与硬件紧密联系的保护装置的软件实现。

考虑到本装置在硬件设计上采用的是模块化的设计思想，所以在软件设计上决定同样采用模块化的程序设计，这样可以保证各程序模块之间是相互独立的，可以单独进行编程和调试，然后再将各模块组合起来。

这种编程方法很科学合理，常常能使复杂的程序通过合理的划分模块之后变得简单。

软件编程可以采用多种语言进行编写，如汇编语言、PLM语言、C语言等，其中，C语言是目前非常流行的一种编程语言，它使用方便灵活、数据处理能力强、编程简单。

C语言具备汇编语言的大多数功能，而且比汇编语言效率高得多，用C语言编写软件开发周期短，同时它可读性强，改进和移植方便，所以经常用于规模较大、结构较为复杂的程序设计。

最重要的是C语言具有完善的模块化程序结构，因此本装置采用以C语言为主汇编语言为辅的混合编程的方法。

5.1保护装置的软件总体设计

保护装置的软件由保护软件和人机接口软件两部分组成。

保护模件采用8051F020芯片，人机接口模件选用8051单片机，故软件采用C51和A51语言。

保护部分软件总框图如图5-1所示。

图5-1保护软件总框图

Fig5-1Diagramofthetotalprotectionsoftware

保护部分软件主要由主程序模块、中断采样模块和继电器输出模块组成，通过各模块程序的有机组合，完成模拟量的采集、数据处理、通道换算、各种保护和输出。

人机接口部分软件总框图如图5-2所示。

图5-2人机接口软件总框图

Fig5-2Diagramofthetotalman-machineinterfacesoftware

人机接口部分软件主要完成键盘输入、液晶显示和与上位机通讯等任务，能够实现定值整定、故障查询与采样信息，以及与上位机通讯等功能。

5.2保护模件的软件设计

保护模件的主程序模块由初始化模块、自检循环模块、数据处理模块以及保护和故障处理模块组成。

其流程图如图5-3所示：

初始化的内容包括：

AD/转换器初始化、中断功能初始化以及各个标志位和内存的初始化；自检模块主要完成硬件自检功能，包括对片内用到的RAM区进行读写检查，通过向开口发跳闸指令，然后检查光耦输出侧反馈回路的电平状态，对开出回路进行检查。

电流、电压信号的采集是在中断程序中完成的，而电动机的温度检测和绝缘检测是根据电流和电压的采样值进行温升与阻值的计算获得的，采用公式见硬件设计的温度和绝缘检测部分。

根据各通道采集的数据通过各种保护程序进行计算，对真空管粘连漏电保护程序计算的结果送入故障判断，当发生故障时启动保护程序，没有故障时直接进入下一个保护程序。

图5-3主程序流程图

Fig5-3Mainprogramflowchart

5.3人机接口模件的软件设计

人机接口模件主要完成键盘输入、液晶显示和与主CPU通讯的任务。

当系统上电运行时，液晶屏显示主菜单显示界面，如图5-5所示。

主画面显示出当前系统时间和系统电压，并提示给开机信号，当给了开机信号后，画面转换到启动画面，如图所示为当前给油泵启动信号的画面，利用翻页按健可以转换画面，当电机全部启动后为运行画面信息，这时可以利用翻页键查看监控画面信息，如果出现故障，保护装置会自动切断电机，并且显示报警画面，如图为电源失压的报警画面，在运行信息里记录了上电次数、运行次数、油泵电机和截割电机的计时时间。

如果要查询故障可以在故障查询画面进行故障信息的查询。

图5-5人机接口菜单设计

Fig5-5Human-computerinterfacedesignmenu

5.3.1主程序模块

人机接口模件中的主程序模块是一个初始化、自检、循环显示、查询键盘、显示画面、通讯口的程序，其框图如图5-6所示。

图5-6人机接口主程序模块框图

Fig5-6Man-machineinterfacemoduleblockdiagramofmainprogram

5.3.2键盘扫描程序模块

键盘扫描子程序的流程图如图5-7所示：

图5-7键盘扫描程序的流程图

Fig5-7Keyboardscanningprocessflowchart

本装置中查看键盘中有无按键按下以及判断所按的是哪一个键，采用的是“扫描”的办法，其原理是：

先对各行线都送以低电平（称为“全扫描”），如读回各列线的电平值仍全为1，便说明未曾按过按键；如某列出现低电平，则说明跨接到该列的按键己有按下，因此使行线上的低电平引入到列线。

要辨别是该列的哪个按键被按下，需进一步通过“逐行扫描”（逐行送低电平），查看各列线的电平值来鉴别。

5.3.3液晶显示程序模块

本装置的显示主要是通过液晶显示器（LCD）来进行的。

在正常运行时，LCD需要显示实时时间、电流和电压模拟量的当前值、系统频率的当前值、各路开关量，主要是断路器的状态，并且需要实时刷新。

其中时间、模拟量和开关量是用字母和数字来表示的，而汉字是用图形来表示的，所以LCD采用了文本和图形合成的工作方式。

文本的显示，主要包括英文字母、数字和一些常用的符号，编程时可以通过直接调用CGROM的字符代码来显示文本的内容。

图形，主要是汉字的显示，汉字是通过点阵来显示的，本装置中采用的是16x6l点阵汉字，每个汉字点阵所需的存储空间为32字节，存储在LCD外部的EPROM中，需要显示汉字时再从其中调用。

文本和图形显示子程序的流程图如图5-8所示。

图5-8文本、图形显示子程序流程图

Fig5-8Text,graphicssubroutinef