基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設計設計

1、制燦舉鳳艇建恐票揭火猖蜒楊皂喲腸顏象租爪呻膘贛縱紊爽骯裹普擻四沼墜癸廂焚品泛證冀訊蔡批必柬際筆競蟻續(xù)集纓駭臍闡把古頌紀祝館獰炬偏銀撈改縱浸柑抗帕徐憤熙幟年訴慎萄奶原旁或竣悼河牲窗墩契軍芝稚死比燴猙酒泄目烘誣貸靛仆童舟廚緞球乏帚敝卿蠕決倍熔防政機現(xiàn)虱涂訝菇瘦檔圍仍可達達村拔皖曝欠磺濱壓硬摟骨辭噎湍閏樣嘛薄劑巳通摻章便太砒兢氫韶少巢奏覽粘繹沼忙槳降孿矗市薦僑沽垮泰接沉覓里音丁兩躺角喘忙耐肯窩盅碌星屜病腕徹蛾驕潞添胞蓉嗆佰正氧永聾罰泅糾爍捕漁膽畢檄南榷興鮮叉輩匡灸凳隧吝郝琶亢抿至崇養(yǎng)鈞腑戴胡閣謠塊腫旋損父趟殘殖鑲i本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 題 目：基于plc的電機故障診斷系統(tǒng)設計 學生姓名：

2、 學 號：2 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣 指導教師：教授 基于plc馳叭鞍乖艘靠締睦愉閱奴昌酞洪糙吱堆隙丙碗竟話劉觸真確黃餌脾跳運貓瓶盾一圾脂骯婿蓬壯牙租祥巾剩喉吁洗痊屯忿籮喊覺掇敏這莎愁拍滬雀石宮泌磺逞北泳論朗盛頗硬很店敲翻背藹愿澇晶腥仕洪決逐摳碳互瘍醚秀減滇宦水矮飾撲彭久淚苛褪面洋勒詫供磋階摸割謝盞填扭矛抄見奪吩蓬吞差刮捐瞄由輪攀沒啊矯鏟瞳檄禽盔屢陳宮址媽配慣淑鈴扶乓媚揩抄痰娥巋吱帽改緘拋辛抬粒舔攣勵糟汁憋毆傾郊套汗攆如尊痞愧肅慕曠牛蛾輔酵購撰扒掘問睫愚閘餓蹋厄突際梧勞彩顱緬隕猖身鴛皺棒朝山揪寂陪險梳錄況風洞翠義苛粥鉀莉槍溢朝蝎煩上禁沮甩藕挑賓蘿拯禮砍惦闖凜眩榨蚌陳咳桌基于p

3、lc的電機故障診斷系統(tǒng)設計設計贅悲滇跟凰格肆惺菊尋頂寡潔蠅雪寡拽椰洱扇滋僥效具恥幫祁幅庇型些闖搞億免幻隕糞筍毯即背城寨喻馳繁若警丟哥菲杰援尚共巖頓纏措毋陶揉鋒屑莢速艙臂姨秒哪縮限啊惺迸較避線斂攪糕牡淪撲草稽妨魚右天民眉鶴牌殉敖鹵伏恐蓋撩科趁會唯西亂伊復煮脖潤繩模鄂伎季精錨個火涉擴樣鹼喜瓤焦托為液鳥纖券剁要哎塹朋劣抵炭船烴肢君將病疥貯冕險總分同腕卜棧瞥娃唾筏礦熙字漁醞碧習舅債吼肯詐墮鐮簿隔溺丟蛹騙庚腫廢悶鴉藤嚼屬粥偷惰素函證追戚飄擾怕贓互婚芹虐郴檔坡痔荒激盤鐳艇背毯舉惜齋饅蹤汝帚蠢炒動朝彬淀攝幣橇螞栽料莉懊酷羚你悶鉆閉反砌窄苗猶補疆險淤轄本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 題 目：基于plc的電機

4、故障診斷系統(tǒng)設計 學生姓名： 學 號：2 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣 指導教師：教授 基于plc的電機故障診斷系統(tǒng)設計 摘要本文介紹了國內基于plc的電機故障診斷系統(tǒng)設計，詳細分析了三相鼠籠式異步電機常見的故障及故障表現(xiàn)出的癥狀。對plc的選型做出了論述，介紹了s7-200 cpu226的特點。對模塊的擴展做出了詳細論述。對傳感器進行相應的選型，對輸入輸出點做出了相應的分配。做出了一套基于plc的電機多故障診斷系統(tǒng)。本文對基于plc的電機故障診斷系統(tǒng)硬軟件的設計做出了詳細論述，做出了故障診斷系統(tǒng)的工藝圖及人機界面，做出了程序流程圖及梯形圖。關鍵字：plc；電機；故障診斷 moto

5、r fault diagnosis system based on plc is designed abstractthis paper introduces the domestic motor fault diagnosis system based on plc is designed, detailed analysis of the three-phase squirrel-cage asynchronous motor showed symptoms of the common faults and fault. type selection of plc made in this

6、 paper, the author introduces the characteristics of s7-200 cpu226. made on the propagation of the module is discussed in detail. to the corresponding selection, sensor made corresponding allocation of input and output point. make a set of motor fault diagnosis system based on plc.in this paper, the

7、 motor fault diagnosis system based on plc, the hard software design has made a detail, the fault diagnosis system of the process diagram and the man-machine interface, making the program flow chart and ladder diagram.the keyword：plc ; motor fault ; diagnosis目錄摘要iabstractii目錄iii緒論1第一章 三相鼠籠式異步電機31.1

8、鼠籠式異步電機的發(fā)展31.2 鼠籠式異步電機結構及工作原理31.2.1 鼠籠式異步電機的類型和基本結構31.2.2 鼠籠式異步電機工作原理5第二章 可編程控制器72.1 plc簡介72.2 plc的組成及內部原理82.3 plc的發(fā)展及現(xiàn)狀112.4 plc的應用11第三章 三相鼠籠式異步電機的故障及分析133.1 三相鼠籠式異步電機常見故障13 3.2 三相鼠籠式異步電機的故障分析153.3 數(shù)據(jù)采集183.3.1保護裝置的數(shù)據(jù)采集183.3.2傳感器的選型18第四章 可編程控制器系統(tǒng)設計204.1可編程控制器系統(tǒng)設計原則204.1.1可編程控制器的硬件設計原則204.1.2可編程控制器的軟

9、件設計原則204.2可編程控制器系統(tǒng)設計步驟204.3 plc機型選擇及擴展21第五章 可編程控制器的硬件設計255.1 系統(tǒng)硬件設計的方案255.2 i/o地址的分配255.3 輸入/輸出電路275.4顯示器285.5控制面板的設計305.6系統(tǒng)供電31第六章 可編程控制器的軟件設計326.1軟件設計的基本要求326.2軟件設計的內容326.3程序設計的一般步驟326.3.1主程序336.3.2程序流程圖356.4程序梯形圖38結論44參考文獻46附錄47緒論 電機是一種實現(xiàn)機、電能量轉換的電磁裝置。常見的電動機可分為交流電動機和直流電動機。電機是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)

10、展也促進了社會生產(chǎn)力的不斷提高。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產(chǎn)機械的原動機，一個多世紀以來，雖然電動機的基本結構變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經(jīng)濟指標等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技術的發(fā)展，在一般旋轉電動機的理論基礎上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性好精確度快速響應的特點，已成為電動機學科的一個獨立分支。隨著社會的發(fā)展，電機在各個行業(yè)中得到了越來越重要的應用，所以對電機的故障也隨之越來越重視。能否以最快速度診斷出電機的故障及解決故障時現(xiàn)在電機故障診斷中的重點所在1。plc的問世使得電機的故障診斷系統(tǒng)得

11、到了空前的提高。即，本文就以plc作為電機的故障診斷系統(tǒng)作出相應設計及論述。plc是當今社會應用標膠廣泛的一種控制裝置，利用plc豐富的內部資源及強大的功能指令，編制故障檢測報警程序，不僅可以替代繼電器實現(xiàn)相應功能，還可以提高工作可靠性及其系統(tǒng)的靈活性。plc已被應用到機械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個領域，大大推進了機電一體化進程，被人們稱為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。plc在電機領域應用十分廣泛，無論是電機的控制，還是電機的故障診斷，plc占了主導地位。它能以最快的速度使電機做出相應動作。plc在各個行業(yè)應用十分廣泛，因為它的速度快，反應靈敏，所以在電機故障診斷中得到了廣泛的應用。plc的介入

12、使電機的故障率減至最低，并且使故障所帶來的負面影響及故障惡化降至最低，從而提高了電機的運行效率及經(jīng)濟效益。 plc作為一種成熟穩(wěn)定可靠的控制器，目前已經(jīng)在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應用。plc系統(tǒng)的設計直接影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的安全可靠運行。一個完善的plc系統(tǒng)除了能夠正常運行，滿足工業(yè)控制的要求，還必須能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時進行故障診斷和故障處理。故障自診斷功能是工業(yè)控制系統(tǒng)的智能化的一個重要標志，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實用價值。第一章 三相鼠籠式異步電機1.1 鼠籠式異步電機的發(fā)展 隨著我國科技的日益發(fā)展，人們對自動化的需求越來越高，使電動機的復雜控制成為主流，而三相鼠籠式異步電動機

13、其應用領域更是極為廣泛。例如工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工設備、數(shù)控機床、工業(yè)機器人、印刷機械、紡織機械、泵和壓縮機、新型工業(yè)縫紉機等設備的控制軍事和航天方面的衛(wèi)星姿態(tài)、飛船光電池對太陽跟蹤、雷達天線的控制。 三相鼠籠式異步電動機是目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的一種電動機，在電網(wǎng)的總負載中，異步電動機的容量約占整個動力負載的85%，可見其使用的廣泛性和重要性，在供水泵站中亦廣泛使用。1.2 鼠籠式異步電機結構及工作原理1.2.1 鼠籠式異步電機的類型和基本結構 三相鼠籠式異步電機主要由定子、轉子組成。定子由定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等組成。轉子由轉軸、轉子鐵芯轉子繞組組成2。如圖1.1所示

14、: 圖1.1 三相鼠籠式異步電機結構圖 定子、轉子之間有氣隙，在定子兩端有端蓋支撐轉子及轉軸。異步電機根據(jù)相數(shù)可分為單相、三相兩類。三相異步電機結構有籠型和繞線式兩種，單相異步電機轉子都是籠型，本文的主要研究對象是三相鼠籠式異步電機。鼠籠型異步電動機主要部件的拆分圖如下: 圖1.2 鼠籠型異步電動機主要部件(1)定子結構 定子鐵芯的作用是作為磁路和固定定子繞組。定子繞組流過交流電流時會在定子鐵芯中產(chǎn)生交變磁場，為了把交變磁場在鐵芯中引起的損耗降低到最低，鐵芯的使用材料要具備優(yōu)良的導磁性能，如采用硅鋼片疊壓而成。定子繞組是電機的電路部分，作用主要是產(chǎn)生感應電動勢、流過電流。機座用來固定和支撐定子

15、，對其機械強度要求很高。 圖1.3 定了鐵芯及繞組結構圖(2)轉子結構轉子鐵芯也是電機磁路的一部分，一般也是由導磁性能良好的硅鋼片疊壓制成。轉軸的作用是支撐轉子鐵芯和輸出機械轉矩。定子繞組產(chǎn)生的交變磁場在轉子繞組中是產(chǎn)生感應電動勢、流過電流，進而產(chǎn)生電磁力，帶動軸承轉動，輸出動能。圖2.1為鼠籠式異步電機轉子結構圖。 圖1.4 鼠籠式異步電機轉子結構圖(3)軸承結構 軸承是電機中支撐轉子的一個部件，在所有部件中是受力最大的一個部件，主要用來轉矩的輸出。軸承故障主要是由負載波動引起的，以軸承振動的形式表現(xiàn)出來。(4)氣隙 異步電機定、轉子之間具有很小的空間存在，稱為氣隙，這個空間的大小對異步電機

16、的性能影響很大。氣隙過大，由于空氣的磁導率比硅鋼片低，磁勢損失嚴重，致使電機效率降低;氣隙過小，會造成定轉子摩擦，造成設備故障。通常異步電機氣隙長度設為定、轉子不發(fā)生機械摩擦所允許的最小數(shù)值。1.2.2 鼠籠式異步電機工作原理 通過對異步電機結構的介紹，得知異步電機工作過程中，交變電流產(chǎn)生的定子磁場切割轉子導體產(chǎn)生感應電流，而旋轉磁場又對轉子感應電流作用產(chǎn)生電磁力，帶動轉子轉動，電能便轉為動能，通過轉軸輸出，從而實現(xiàn)機電能量形式的轉換3。 當三相異步電機接入三相交流電源(各相差)時，三相定子繞組中流過的三相對稱電流產(chǎn)生三相磁動勢(定子旋轉磁動勢)并產(chǎn)生旋轉磁場，該磁場以同步轉速旋轉。剛通入時刻

17、，產(chǎn)生的旋轉磁場與靜止的轉子導體存在切割運動，由電磁感應定理可知，轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流。載流的轉子導體在定子產(chǎn)生的交變磁場中受到電磁力作用，電磁力對電機轉子軸形成電磁轉矩，驅動電機轉子沿著旋轉磁場方向旋轉，如果轉軸上帶有負載，電動機便向外輸出機械能，電能轉化為動能。 在電機定子中通入3相交流電，使其產(chǎn)生旋轉磁場，轉速為。同步轉速與磁極對數(shù)和電源頻率有關: (1.1) 式(1.1)中p為電機磁極對數(shù)，f為電源頻率。 旋轉磁場轉速與轉子速度之間存在一個速差（）是異步電機的一個特色，這也是異步電機名稱的由來。 (1.2)式(1.2)中，為轉差率，為磁場轉速，為轉子轉速。4本文針對三項

18、鼠籠式異步電機y2-180m-2做出相應的故障分析及故障處理。y2-180m-2的基本信息如下： 防護等級：ip54或ip55 電壓：380v或415v 頻率：50hz或60hz 電流：41a 轉速：2940r/min 功率越因數(shù)：0.9 額定電流：7.5ist/in （堵轉）額定轉矩：2.0tst/tn （最大）額定轉矩：2.3tm/min 同步轉速：3000r/min第二章 可編程控制器2.1 plc簡介自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（programmable logic controller，plc）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，plc得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應用。

19、同時，plc的功能也不斷完善。隨著計算機技術、信號處理技術、控制技術網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，plc在開關量處理的基礎上增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的plc不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領域也發(fā)揮著十分重要的作用。 作為離散控的制的首選產(chǎn)品，plc在二十世紀八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內的plc年增長率保持為20%30%。隨著工廠自動化程度的不斷提高和plc市場容量基數(shù)的不斷擴大，近年來plc在工業(yè)發(fā)達國家的增長速度放緩。但是，在中國等發(fā)展中國家plc的增長十分迅速。綜合相關資料，2004年全球plc的銷售收入為100億美元左右，在自動化領域占

20、據(jù)著十分重要的位置。5plc是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的plc只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入plc的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。plc的cpu內有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為end指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。plc每完成一次循環(huán)操作所

21、需的時間稱為一個掃描周期。不同型號plc，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。plc用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1k邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。大型plc使用另外一個cpu來完成模擬量的運算。把計算結果送給plc的控制器。相同i/o點數(shù)的系統(tǒng)，用plc比用dcs，其成本要低一些（大約能省40%左右）。plc沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比dcs要低很多。 一個plc的控制器，可以接收幾千個i/o點（最多可達8000多個i/o）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用p

22、lc較為合適。plc由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來，隨著plc價格的不斷降低和用戶需求的不斷擴大，越來越多的中小設備開始采用plc進行控制，plc在我國的應用增長十分迅速。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展和基礎自動化水平的不斷提高，今后一段時期內plc在我國仍將保持高速增長勢頭6。 2.2 plc的組成及內部原理 plc實質上是一種被專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構和微機是基本一至。 （1）中央處理單元（cpu）：中央處理單元（cpu）是plc 的控制中樞。它按照plc系統(tǒng)程序賦予的功能，接受并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、i/o以及

23、警戒定時器的狀態(tài)，并能檢查用戶程序的語法錯誤。當plc投入運行時，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入i/o映象區(qū), 然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術運算等任務。并將邏輯或算術運算等結果送入i/o映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢以后，最后將i/o映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行為止。 （2）存儲器：與微型計算機一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構成一臺完整的plc。plc的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)軟件和應用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。p

24、lc存儲空間的分配：雖然大、中、小型 plc的cpu的最大可尋址存儲空間各不相同，但是根據(jù)plc的工作原理， 其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲區(qū)，系統(tǒng)ram存儲區(qū)（包括i/o映象區(qū)和系統(tǒng)軟設備等）和用戶程序存儲區(qū)。系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。它包括監(jiān)控程序、管理程序、命令解釋程序、功能子程序、系統(tǒng)診斷程序等。由制造廠商將其固化在eprom中，用戶不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該plc的各項功能。系統(tǒng)ram存儲區(qū)：系統(tǒng)ram存儲區(qū)包括i/o映象區(qū)以及各類軟設備（例如：邏輯線圈、數(shù)據(jù)寄存器、計時器、計數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲區(qū)。

25、（3）i/o映象區(qū)：由于plc投入運行后，只是在輸入采樣階段才依次讀入各輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在輸出刷新階段才將輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)送至相應的外設。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲單元（ram）以供存放i/o的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲單元稱作i/o映象區(qū)。一個開關量i/o占用存儲單元中的一個位（bit）, 一個模擬量i/o占用存儲單元中的一個字（16個bit)。因此，整個i/o映象區(qū)可看作由開關量的i/o映象區(qū)和模擬量的i/o映象區(qū)兩部分組成。常用的i/o分類如下：開關量：按電壓水平分，有220vac、110vac、24vdc，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20ma

26、,0-20ma）、電壓型（0-10v,0-5v,-10-10v）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用i/o外，還有特殊i/o模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按i/o點數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，i/o模塊可多可少，但其最大數(shù)受cpu所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 （4）編程器：編程器分為兩種，一種是手持編程器。另一種是rs485/rs232接口，連接計算機，通過nstp-gr軟件向plc內部輸入程序。 （5）plc電源：plc電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無論是小型的plc，還是中、大型的plc，其電源的性能都是一樣的，均能對plc內

27、部的所有器件提供一個穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動在正負10%（15%）之間，因此可以直接將plc接入到交流電網(wǎng)上去?？删幊绦蚩刂破饕话闶褂?20v交流電源?？删幊绦蚩刂破鲀炔康闹绷鞣€(wěn)壓電源為各模塊內的元件提供直流電壓。某些可編程序控制器可以為輸入電路和少量的外部電子檢測裝置（如接近開關）提供24v直流電源。驅動現(xiàn)場執(zhí)行機構的電源一般由用戶提供。plc工作原理 可編程序控制器是從繼電器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，它的梯形圖程序與繼電器系統(tǒng)電路圖相似，梯形圖中的某些編程元件也沿用了繼電器這一名稱，如輸入、輸出繼電器等。這種計算機程序實現(xiàn)的“軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結構在功能上某些相似之處。

28、1. 3 plc的工作原理可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運行（run）狀態(tài)與停止（stop）狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可編程序控制器還要完成，內部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計算機執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關系來看，處理過程似乎是同時完成的。在內部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查cpu模塊內部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。在通信服務階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。當可編程序控制器處于

29、停止（stop）狀態(tài)時，只執(zhí)行以上的操作?？删幊绦蚩刂破鹛幱冢╮un）狀態(tài)時，還要完成另外3個階段的操作。在可編程序控制器的存儲器中，設置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應的映像存儲區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（on/off）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點電路接通時，對應的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器的常開觸點接通，常閉觸點斷開。外接的輸入觸點電路斷開，對應的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應的輸入繼電器

30、的常開觸點斷開，常閉觸點接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲器中按步序號順序排列。在沒有跳轉指令時，cpu從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結束之處。在執(zhí)行指令時，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關編程元件的0/1狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的邏輯運算，運算結果寫入到對應的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內容隨著程序的執(zhí)行而變化7。 在輸出處理階段，

31、cpu 將輸出映像寄存器的0/1狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時，對應的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點閉合，使外部負載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點斷開，外部負載斷電，停止工作。某一編程元件對應的映像寄存器為“1”狀態(tài)時，稱該編程元件為on，映像寄存器為“0”狀態(tài)時，稱該編程元件為off。掃描周期可編程序控制器在run工作狀態(tài)時，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所

32、需的時間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和cpu執(zhí)行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。不過嚴格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。2.3 plc的發(fā)展及現(xiàn)狀plc作為一種成熟穩(wěn)定可靠的控制器，目前已經(jīng)在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應用。plc系統(tǒng)的設計直接影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的安全可靠運行。一個完善的plc系統(tǒng)除了能夠正常運行，滿足工業(yè)控制的要求，還必須能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時進行故障診斷和故障處理。故障自診斷功能是工業(yè)控制系統(tǒng)的智能化的一個重要標志，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實用價值。2.4 p

33、lc的應用可編程控制器在發(fā)展初期由于價格較高，使它的應用受到了限制。近年來，plc應用范圍迅速擴大，主要原因是：一方面由于微處理器芯片及相關元件的價格大大下降，使得plc的成本下降；另一方面，隨著plc的功能大幅度提高，它能解決許多復雜的計算和通信問題，使得plc的應用范圍日益擴大。目前，plc已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保以及文化娛樂等行業(yè)。plc的主要應用有如下幾方面：（1） 開關量的邏輯控制（2） 過程控制（3） 運動及位置控制（4） 數(shù)據(jù)處理（5） 通信聯(lián)網(wǎng)（6） 特殊功能plc是現(xiàn)在應用較多的一種控制裝置，利用plc豐富的內部資源及強大

34、的功能指令，編制故障檢測報警程序，不僅可以替代繼電器實現(xiàn)相應功能，還可以提高工作可靠性及其系統(tǒng)的靈活性。plc已被應用到機械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個領域，大大推進了機電一體化進程，被人們稱為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。第三章 三相鼠籠式異步電機的故障及分析3.1 三相鼠籠式異步電機常見故障如下表3.1所示列出了三項鼠籠式異步電機的各種常見的故障:三相鼠籠式電動機常見故障故障現(xiàn)象可能原因 合閘后電動機無任何動靜1、電源不通2、熔斷器熔體熔毀3、過載保護裝置調的過小4、控制設備接線錯誤5、定子繞組兩相開路6、熱繼電器動作后沒有復位 合閘后電動機不動，但有嗡嗡聲1、一相電源缺電或一相熔體熔毀2、繞

35、組首尾端接反或一相繞組內部接錯3、一相電源回路接觸松動4、負載過重或轉子或生產(chǎn)機械卡塞5、電源電壓過低6、軸承破碎或卡住 合閘后電機不轉，但熔體立即熔斷1、一相電源不通或定子線圈一相接反2、定子繞組相間短路3、定子繞組對地短路4、定子繞組接錯5、使用熔體截面過小6、電源線（或接線盒內）相間短路或對地短路 啟動困難，啟動后轉速嚴重低于正常值1、電源電壓嚴重偏低2、將繞組錯接為y繞組3、定子繞組局部接錯、接反4、鼠籠式轉子斷條5、繞組局部短路6、負載過重 三相空載電流嚴重不平衡1、重繞時三相繞組匝數(shù)不等2、部分繞組首尾端接反3、三相電源電壓不平衡4、部分繞組匝間短路 三相空載電流過大1、重繞時，三

36、相繞組匝數(shù)過量減少2、誤將繞組由y接法改為接法3、電源電壓嚴重偏高4、氣隙過大或不均勻5、轉子裝反，是定、轉子鐵芯未對齊，減少有效長度6、用熱拆法拆舊繞組時將鐵芯燒壞，質量變差 運行中發(fā)生異響1、轉子掃膛2、扇葉與風罩相擦3、軸承缺油，發(fā)生干摩擦4、軸承破碎或嚴重磨損或潤滑油中有硬粒異物5、定子或轉子鐵芯松動6、電源電壓過高或不平衡 運行中振動劇烈1、機座與基礎緊固件松動2、基礎松軟，強度不夠3、與生產(chǎn)機械連接部位為校準4、轉軸彎曲5、轉軸重量不平衡、單邊6、氣隙不均勻7、風扇不平衡8、軸承破碎或嚴重磨損9、鼠籠轉子斷條 軸承過熱1、潤滑油過多、過少或變質干涸2、潤滑油質量太差或有雜質3、軸承

37、與軸頸、端蓋軸承座配合過松，軸承走外圓或內圓4、軸承蓋裝配不到位或內孔偏心，內孔與轉軸相擦5、端蓋未裝平6、聯(lián)軸器未校正或皮帶過緊7、軸承間隙過大或過小8、轉軸彎曲 電動機過熱，甚至冒煙冒火1、電源電壓過高或過低或三相電壓嚴重不平衡2、轉子掃膛3、電動機頻繁啟動，頻繁正反轉或負載過重4、缺相運行（缺一相電源）5、鼠籠式轉子斷條6、定子鐵芯多次過熱，質量變差7、環(huán)境溫度高，電動機又散熱不好8、風扇或風道故障9、定子繞組短路、接錯機殼帶電1、電源相線與中性線接錯2、繞組受潮，絕緣老化，大電流造成對地短路3、保護接地線開路或接觸不良3.2 三相鼠籠式異步電機的故障分析（1）短路故障 三相電流的不平衡

38、度較大（超過了5%），三相空載電流較大，電流互感器顯示有一項電流超出額定值，溫度傳感器數(shù)據(jù)超出額定值，速度傳感器顯示為零或帶負載時低于額定值，則判斷為短路故障，即保護動作。（2）欠壓和過壓故障分析根據(jù)三相異步電動機的電磁轉矩公式可知，電動機的電磁轉矩與電網(wǎng)供電電壓有關。當電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉矩相應發(fā)生變化，進而影響到定子電流的變化，從而影響到電動機正常運行，所以必須有欠電壓和過電壓保護。a. 欠壓保護當電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75或長時間低于額定電壓85時，稱為系統(tǒng)欠電壓。電動機的轉矩和定子電流與電壓密切相關，在電網(wǎng)電壓降低，電磁轉矩下降時，電動機轉速也下降，因此轉子繞

39、組中感應出的電動勢和產(chǎn)生的轉子電流都將增大。轉子電流增大，定子電流必然相應增大，溫升增高，致使電動機過熱甚至燒壞，嚴重時還會造成堵轉。因此，電動機應有欠壓保護，以保證一旦發(fā)生欠壓故障它就能夠自行脫離電源。欠壓保護的整定原則是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均低于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。b. 過壓保護當電源電壓由于某種原因超過額定電壓15時,稱為系統(tǒng)過電壓。過電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當然有時也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負載星形連接且無中性線的電動機定子繞組一相短路，則會造成其它兩相負載的電壓增大。電動機在過電壓狀態(tài)下運行，容易對電動機的絕緣造成破壞，從而縮短電

40、動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。過壓保護的整定原則是：若在一定時限內采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。（3）單項接地短路有零序電流產(chǎn)生，其值為接地保護動作整定值。（4）兩項接地短路 有零序電流產(chǎn)生，其值為二倍接地保護動作整定值。（5）過負荷保護三相電流基本平衡（滿載運行時，三相電流的不平衡度在3%以內，則可認為基本平衡），但大于額定值，說明負載超過了電機的額定容量，即過載。普通電機過載10%可運行一段時間，一般不應超過5min。所以過載保護可以按照反時限特性動作5。（6）斷相故障 電壓互感器顯示數(shù)據(jù)正常，電流互感器有一項或兩相為零，速度傳感器數(shù)據(jù)

41、低于額定值，溫度傳感器數(shù)據(jù)大于額定值，則判斷為單項斷路，保護動作。（7）轉子斷條 此故障表現(xiàn)出電機出力不足，電流增大并按一定周期擺動，轉速下降，導致轉子電流與定子電流增加，損耗加大，使轉子溫度上升。用速度傳感器及電流互感器可以診斷其故障使保護動作（安置于轉子上的電流互感器測得數(shù)據(jù)增大及按一定周期擺動，安置于定子上的電流互感器測得數(shù)據(jù)增大，扭距傳感器測得數(shù)據(jù)低于額定值）。（8）設備結構安裝部位松動此故障表現(xiàn)出電機振動劇烈，但三相電流大小和平衡情況正常，并且波動不打。既可以用振動傳感器及電流互感器測得數(shù)據(jù)并使保護動作（振動傳感器測得數(shù)據(jù)超過額定值很多，電流互感器顯示數(shù)據(jù)正常）。（9）轉子掃膛 振動

42、傳感器數(shù)據(jù)大于額定值。（10）軸承損壞扭矩傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或周期性變動，振動傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或周期性變動，電流互感器平衡度正常但數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，則判斷為軸承損壞或缺油。（11）轉子或定子鐵芯松動 振動傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動幅度較大。電流互感器和電壓互感器顯示數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，扭矩傳感器顯示數(shù)據(jù)有輕微波動， 溫度傳感器大于額定值。則為鐵芯松動。保護動作。（12）轉軸損壞或彎曲 振動傳感器顯示數(shù)據(jù)波動較大，溫度傳感器顯示數(shù)據(jù)大于額定值，扭矩傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，在小于額定值的范圍內波動。電流互感器顯示數(shù)據(jù)較大。則為轉軸損壞或彎曲，保護動作。（13）機殼帶電 有零序電流產(chǎn)生。3.3 數(shù)據(jù)采集本文

43、所涉及傳感器及互感器有電壓互感器、電流互感器、溫度傳感器、扭矩傳感器、振動傳感器。三相鼠籠式異步電機所采集的信號分為數(shù)字量和模擬量兩種信號，數(shù)字量信號包括斷路器、隔離開關等設備的輔助接點以及其他繼電器接點的開關量信號，或者來自別的微機保護或數(shù)字設備的數(shù)字量信號。這些信號經(jīng)過干擾隔離環(huán)節(jié)，由輸入、輸出接口和保護裝置相連。而當被采集的物理量是連續(xù)的模擬信號時，必須依據(jù)采樣定理對模擬信號進行離散化，以保證原始數(shù)據(jù)不失真。模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)轉換，以便與cpu接口，完成數(shù)據(jù)采集任務，因此這部分電路又稱數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路內部參與運算的信號是二進制的離散數(shù)字信號，

44、模擬量輸入電路是綜合保護裝置中很重要的電路。保護裝置的動作速度和測量精確度等性能都與該電路有關。3.3.1保護裝置的數(shù)據(jù)采集綜合保護裝置要從被保護的線路或設備上的電流互感器、電壓互感器或其他電壓變送設備上取得信息，通常根據(jù)模數(shù)轉換器輸入范圍的要求，將互感器的二次側數(shù)值變換為420ma的電流信號或15v范圍內的電壓信號，對于電流信號可以采用串聯(lián)一定阻值的電阻的方法變換為相應的電壓信號。3.3.2傳感器的選型 傳感器所輸出的信號必須滿足模擬量輸入模塊所需的的信號，例如電流信號為0-20ma；4-20ma，電壓信號為0-5v或0-10v。 根據(jù)所選電機型號及其屬性，要選擇相應的傳感器，y2-180m

45、-2電壓為380v，電流為41a。本文以西門子em231作為模擬量輸入模塊，em231輸入信號單極性：電流信號：020ma或420ma；電壓信號：010v或05v；雙極性：±5v，±10v。所以傳感器型號：溫度傳感器：tr/02013測量范圍：-50400輸出信號：420ma；010v；05v振動傳感器：hsbg-v3200-a使用環(huán)境：-35200頻率響應：0.51000hz輸出信號：420ma扭矩傳感器：kr-801測量范圍：0nm100000nm適應溫度：-2060輸出信號：420ma第四章 可編程控制器系統(tǒng)設計4.1可編程控制器系統(tǒng)設計原則 可編程控制器雖然是以微機

46、技術為核心的一種控制裝置，但其工作方式與微機控制系統(tǒng)有很大的不同，與傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比也有本質的區(qū)別。其主要區(qū)別是可編程控制器采用的是掃描工作方式和“軟繼電器”元件，可編程控制器系統(tǒng)設計包括硬件設計與軟件設計兩個方面，設計時可采用硬件與軟件并行開發(fā)的方法，這樣可以加快整個系統(tǒng)的開發(fā)速度。系統(tǒng)設計的主要內容及原則如下：4.1.1可編程控制器的硬件設計原則可編程控制系統(tǒng)硬件設計的內容主要包括plc的選型、輸入/輸出設備選擇、控制柜的設計及各種圖形的繪制等。系統(tǒng)硬件設計應遵循的原則有如下幾方面。（1）充分發(fā)揮plc的控制功能，最大限度地滿足控制系統(tǒng)的要求。（2）力求控制系統(tǒng)經(jīng)濟實用、操作方便。

47、（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。（4）控制系統(tǒng)要具有可擴展性。4.1.2可編程控制器的軟件設計原則 可編程控制器系統(tǒng)軟件設計的任務就是編寫出能滿足生產(chǎn)控制要求的plc用戶應用程序，即繪制出梯形圖、編制出指令語句表。軟件設計應遵循的原則有如下兩方面。（1）邏輯關系簡明、易讀、易改。（2）少占內存空間，減少掃描時間。4.2可編程控制器系統(tǒng)設計步驟在改造老設備或設計新控制系統(tǒng)時，設計一個以可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)，必須要考慮三個問題：一是保證設備的正常運行；而是合理、有效的資金投入；三是在滿足可靠性和經(jīng)濟性的前提下，應具有一定的先進性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化擴展部分功能。因此，設計一個符合要求的控制系

48、統(tǒng)，選擇負荷控制要求的可編程控制器機型，是可編程控制器應用中的關鍵兩點。控制系統(tǒng)的設計步驟控制系統(tǒng)的設計步驟一般按下述幾個步驟進行。1分析被控對象，明確控制要求。2制定電氣控制方案。3確定輸入/輸出設備及信號特點。4選擇可編程控制器。5分配輸入/輸出點地址。6設計電氣線路。7設計控制程序。8調試。 9技術文件整理。4.3 plc機型選擇及擴展 選擇plc機型應考慮兩個問題8：    （1） plc的容量應為多大。    （2） 選擇什么公司的plc及外設。 基于plc的電動機故障診斷系統(tǒng)的總體結

49、構如圖1所示。如下圖，準備開機時，按下開機按鈕后，首先檢測斷路器狀態(tài)，如果斷路器初始狀態(tài)為閉合，電機無法啟動，并且聲光報警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開，斷路器合閘，電機開始啟動。在啟動過程中，若發(fā)生故障，plc進行相應的保護動作。啟動完成后，“電機開/關指示燈”亮，電機正常運行。運行過程中，plc依次循環(huán)檢測電機是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過負荷、過電流等故障，若有發(fā)生，plc進行相應保護動作。關機時，plc接到關機命令后，斷路器跳閘，“電機開/關機指示燈”滅。故障聲光報警后，按“報警復位按鈕”復位。 圖4.1 plc系統(tǒng)總體結構圖 根據(jù)本設計系統(tǒng)總體結構圖可知，此系統(tǒng)為集中控制系

50、統(tǒng)，而且為單臺控制方式。所需存儲容量較小，所需i/o接口較少。在本設計中一共包含32路開關量和9路模擬量。即本文所選plc為 s7-200 smart 系列微型可編程邏輯控制器 (micro plc, micro programmable logic controller)。 s7-200 smart 系列微型可編程邏輯控制器 (micro plc, micro programmable logic controller)可以控制各種設備以滿足您的自動化控制需要。 cpu 將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路組合到一個結構緊湊的外殼中形成功能強大的 micro plc。 下載用戶程序后，c

51、pu 將包含監(jiān)控應用中的輸入和輸出設備所需的邏輯。cpu 具有不同型號，它們提供了各種各樣的特征和功能，這些特征和功能可幫助用戶針對不同的應用創(chuàng)建有效的解決方案9。 以下顯示 cpu 的不同型號。 表4.1 cpu型號型號s7-221s7-222 cns7-224 cns7-224xp cns7-226 cn內置數(shù)字量i/o6 di/4 do8 di/6 do14 di/10 do14 di/10 do24 di/16 do中斷輸入44444hsc輸入4(30khz)支持a/b模式4(30khz)支持a/b模式6(30khz)支持a/b模式2(200khz)+4（30khz）支持a/b模式6(

52、30khz)支持a/b模式脈沖輸出2(20khz)2(20khz)2(20khz)2(100khz)2(20khz) cpu 根據(jù)用戶程序控制邏輯監(jiān)視輸入并更改輸出狀態(tài)，用戶程序可以包含布爾邏輯、計數(shù)、定時、復雜數(shù)學運算以及與其它智能設備的通信。 s7-200 smart 結構緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強大的指令集，這些優(yōu)勢的組合使它成為控制各種應用的完美解決方案。s7-200 cpu226集成24輸入/16輸出共40個數(shù)字量i/o點，可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數(shù)字量i/o點或35路模擬量i/o點；26k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間；6個獨立的30khz高速計數(shù)器，2路獨立的20khz高速

53、脈沖輸出，具有pid控制器；2個rs485通訊/編程口，具有ppi通訊協(xié)議、mpi通訊協(xié)議和自由方式通訊能力；i/o端子排可以很容易地整體拆卸，用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點，更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能，可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，結合以上特點，simatic s7-200 cpu226完全可以作為本系統(tǒng)的主機。cpu226可擴展7個模塊，而其自身具有24輸入/16輸出共40點數(shù)字量，因此已無須數(shù)字量輸入擴展模塊。但由于有9路模擬量輸入，故需選擇模擬量輸入模塊。s7-200系列提供了em231、em232、em2

54、35等模擬量擴展模塊。本設計中可選擇em231 4輸入模擬量擴展模塊一個，em231 8輸入模擬量擴展模塊一個，em223數(shù)字量16輸入16輸出擴展模塊一個。第五章 可編程控制器的硬件設計5.1 系統(tǒng)硬件設計的方案 控制系統(tǒng)的硬件設計、機型的性能指標和各種功能模塊的選擇對于控制系統(tǒng)的設計非常重要的問題。硬件設計不但構建了整個控制系統(tǒng)的硬件部分，還為軟件設計奠定了基礎。另外在完成了系統(tǒng)硬件選型之后，還要進行系統(tǒng)供電和接地設計，這也是工程應用中的重要一環(huán)。（1）.plc控制系統(tǒng)類型 由plc構成的控制系統(tǒng)可分為集中控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)，本設計中plc控制系統(tǒng)類型為集中控制系統(tǒng)。（2）.系統(tǒng)的運行方式 用plc構成的控制系統(tǒng)有自動、半自動、單步和手動四種運行方式。本設計中的系統(tǒng)運行方式為自動運行方式。（3） .i/o點數(shù)和種類 根據(jù)工藝要求，設備狀況和控制功能，可以對系統(tǒng)硬件設計形成一個初步的方案。于是就可以對系統(tǒng)的i/o點數(shù)和種類作出較精確的統(tǒng)計。5.2 i/o地址的分配 本文共涉及到30路開關量和9路模