[精选]PLC电机故障诊断分析.docx

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PLC电机故障诊断分析目录摘要2 Abstract 3第一章绪论4 1.1 PLC应用于故障诊断系统的发展现状4 1.2故障诊断方法4第二章PLC介绍及设备总体结构介绍5 2.1 PLC发展历程5 2.2 PLC控制系统的发展前景6 2.3 PLC的分类6 2.4 PLC的组成8第三章电机故障诊断系统设计与PLC的选取11 3.1 PLC的选取及介绍11 3.2 S7-200系列PLC的硬件配置13 3.3系统框图16第四章电机故障诊断系统设计17 4.1电机故障等级分类17 4.2故障诊断程序设计18 4.3借鉴专家系统故障诊断方法的实现20第五章系统电源设计23致谢25参考文献26 Fault analysis of siemens plc control motor 27摘要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 This paper introduces the domestic electrical fault diagnosis system design,as well as existing problems and introduces programmable controller at the same time the working principle and selection basis．A PLC-based design of the electrical fault diagnosis system design and detail on the choice of Siemens S7-200 PLC and the same type of S7-300 S7-400 PLC and according to the design requirements of the input and output of the PLC I/O for distribution and preparation of the ladder diagram system operation．Prepared to boot,press the button after boot,the circuit breaker status is detected first．If the circuit breaker initial state is closed,electrical doesn’t start and sound and light alarm．If the circuit breaker initial state is disconnected,the circuit breaker close and the electrical start．Start in the process,if a failure occurred,the protection PLC correspond action．Start after the completion of“motor on/off indicator light”on,the electrical normal operate．Running process,PLC followed by motorcycle test whether there has been a phase short circuit,breaking phase,low-voltage,single-phase-to-ground,overload,over-current fault and so on．If occurred,PLC protection act accordingly shut down．PLC received shutdownorders,tripping circuit breakers,“motor on/off indicator light”eliminate．Fault sound and light alarm at the“alarm reset button”reset．This choice is based on the design of the motor PLC fault diagnosis system design．Key words：Fault Diagnosis；PLC；Motor第一章绪论1.1 PLC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。1.2故障诊断方法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。第二章PLC介绍及设备总体结构介绍2.1 PLC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。2.2 PLC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。2.3 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.2.4 PLC的组成1.中央处理单元（CPU）与通用计算机一样，中央处理单元CPU是PLC的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。它解释并执行用户及系统程序，并通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M6800、80286、80386等；单片机常用的有8031、8051、8096等；位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903等。小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采用高速位片式处理器。PLC的档次越高，所用的CPU的位数越多、运算速度越快、功能越强。2.存储器存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在系统中的作用，可将其分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他管理程序。用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和用户数据存储器两个部分。用户存储器有RAM、EPROM、EEPROM三种类型。用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序。数据存储器用来存放控制过程中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。3.输入/输出模块及特殊功能模块(1)输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类：一类是由按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。(2)输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。(3)特殊功能模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，为了增强可编程控制器的功能，扩大其应用范围，生产厂家开发了许多供用户选用的特殊功能模块。1)模拟量输入输出模块模拟量的输入在过程中应用很广泛，如温度、压力、流量、位移等工业检测都是对应电压、电流大小的模拟量。模拟量经传感器或变送器转换为标准信号，输入模块用A/D转换器将它们转换成数字量送给CPU进行处理。因此，模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。模拟量的输出模块是将CPU处理后的二进制数字信号转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。因此，模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。2)高速计数模块高速计数模块是工业控制中常用的智能模块之一，它可以把过程控制变量如位置信号、速度值、流量值累计等，送入可编程控制器。这些参量的变化速度很快，脉冲宽度小于可编程控制器扫描周期，按正常扫描输入/输出信号来处理会丢失部分参量。因此，使用脱离可编程控制器独立计数的高速计数器对这些参量进行计数。高速计数模块可对几十kHz甚至上MHz的脉冲计数，当计数器的当前值等于或大于预置值时，输出被驱动。3)PID过程控制模块比例/积分/微分控制模块是实现对连续变化的模拟量闭环控制的智能模块，可将PID模块看作一个过程调节器。在PID模块上有输入/输出接口和进行闭环控制运算的CPU，模块一般可以控制多个闭环。4)通信模块可编程控制器的通信模块相当于局域网中的网络接口，通过通信模块数据总线和可编程控制器的主机连接，用硬件和软件一起来实现通信协议。可编程控制器的通信模块一般配有几种接口，可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择，实现与别的可编程控制器、智能控制设备或计算机之间的通信。4.电源PLC配有开关式稳压电源模块，用来将外部供电电源转换成使PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源模块。5.外部设备接口外部设备接口是可编程控制器主机实现人－机对话、机－机对话的通道。通过它，可编程控制器可以和编程器、彩色图形显示器、打印机、I/O扩展单元等相连，也可以与其他可编程控制器或上位计算机连接。外部设备接口一般是RS-232C或RS-422A（或RS-485）串行通信接口，该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错校验、信号电平的转换等。对于一些小型可编程控制器，外部设备接口还有与专用的编程器连接的并行数据接口。6.输入/输出扩展单元输入/输出扩展单元是可编程控制器输入/输出单元的扩展部件。当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展单元来解决。输入/输出扩展单元与主机的输入/输出扩展接口相连方式有两种类型：简单型和智能型。7.其他外部设备编程器、外部存储器、打印机、EPROM写入器等。第三章电机故障诊断系统设计与PLC的选取3.1 PLC的选取及介绍由于本文设计采用的机型是西门子生产的S7-200系列PLC，下面对它进行简单介绍。德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3.1.1 SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用3.1.2 SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。3.1.3 SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。3.1.4工业通讯网络通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。3.1.5人机界面（HMI）硬件HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200（可显示中文），OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等，触摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。个人计算机（PC）也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。3.1.6 SIMATIC S7工业软件西门子的工业软件分为三个不同的种类：（1）编程和工程工具编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP 7标准软件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。（2）基于PC的控制软件基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机作为可编程序控制器（PLC）运行用户的程序，运行在安装了Windows NT4.0操作系统的SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC（在用户计算机上安装一个PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具（如STEP 7），编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。（3）人机界面软件人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面（HMI）或SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool，另一种是应用于监控级的WinCC。ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/lite用于文本显示的组态，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。WinCC是一个真正开放的，面向监控与数据采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。3.2 S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。3.2.1基本单元S7-200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见下表：型号。