基于PLC的電動機故障保護系統(tǒng)設(shè)計論文

1、 . . . 目 錄摘要31.引言42 電動機保護裝置的各種保護原理與故障判據(jù)42.1電動機保護裝置常見保護形式42.2礦用隔爆三相異步電動機的故障保護52.2.1過載保護52.2.2短路故障分析與保護判據(jù)1562.2.3單相接地故障分析與保護判據(jù)62.2.4欠壓和過壓故障分析與保護判據(jù)171872.2.5礦用電動機的其他保護73 微機保護的數(shù)據(jù)采集83.1 保護裝置的數(shù)據(jù)采集電路83.1.1 電壓形成回路83.1.2 采樣電路94   PLC的選取 與系統(tǒng)硬件設(shè)計94.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)94.2 PLC的選型與硬件配置104.2.1PLC型號的選擇10

2、4.2.1 S7-200 CPU的選擇114.2.2 EM231模擬量輸入模塊114.2.3 I/O點分配與電氣連接圖134.3 JL-400缺相繼電器144.4 熱繼電器175 保護裝置的軟件設(shè)計195.1 PLC程序設(shè)計方法205.2 梯形圖語言特點225.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置）235.4 程序設(shè)計245.4.2控制程序流程圖266控制電路的抗干擾設(shè)計296. 1電源設(shè)計296. 2 信號濾波306. 3開關(guān)量輸出隔離306. 4地線設(shè)置306. 5印刷電路板布線306. 6 元器件的選擇316. 7 其他317 結(jié)束語31致32參考文獻33附錄：1A1掘進

3、機電控系統(tǒng)1A2掘進機綜合保護裝置實物圖3A3人機接口模件實物圖4摘要本文介紹了國電機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，以與存在問題，同時介紹了可編程控制器的工作原理，選型依據(jù)。設(shè)計了一種基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計，詳細介紹了所選用的西門子S7-200 PLC以與同類型的S7-300 S7-400PLC，根據(jù)設(shè)計要求對PLC的輸入輸出I/O進行了分配，并且編寫系統(tǒng)運行的梯形圖。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)生一級故障，PLC進行相應(yīng)的保護動作。啟動完成后，“電機開/

4、關(guān)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(yīng)保護動作。關(guān)機時，PLC接到關(guān)機命令后，斷路器跳閘，“電機開/關(guān)機指示燈”滅。故障聲光報警后，按“報警復位按鈕”復位。本設(shè)計的選題就是基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)鍵詞：故障診斷 PLC 電機1. 引言電動機的應(yīng)用幾乎涵蓋了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個領(lǐng)域，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電動機常常運行在惡劣的環(huán)境下，導致產(chǎn)生過流、短路、斷相、絕緣老化等事故。對于應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備重要場合的高壓電動機、大功率電動機來說，一旦發(fā)生故障所造成的損失無法估量。P

5、LC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(yīng)用。PLC系統(tǒng)的設(shè)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)故障時與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。故障診斷一般有兩種途徑:故障樹方法和專家系統(tǒng)方法。故障樹方法利用系統(tǒng)的故障邏輯結(jié)構(gòu)進行邏輯推理，由錯誤的輸出找到可能的輸入錯誤。這種方法比較適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，各部分耦合少的情況。專家系統(tǒng)方法通過建立系統(tǒng)故障的知識庫與推理機，計算機借助現(xiàn)場的數(shù)據(jù)利用知識庫和推理機

6、進行深入的邏輯推理，找出故障原因。這種方法適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，各部分耦合強的大型工業(yè)系統(tǒng)。PLC是現(xiàn)在應(yīng)用較多的一種控制裝置，利用PLC豐富的部資源與強大的功能指令，編制故障檢測報警程序，不僅可以替代繼電器實現(xiàn)相應(yīng)功能，還可以提高工作可靠性與其系統(tǒng)的靈活性。2 電動機保護裝置的各種保護原理與故障判據(jù)電動機常見的故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障包括:過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對電動機的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，其主要特征是電流幅值發(fā)生顯著變化;不對稱故障包括:斷相、逆相、相間短路、匝間短路等，這類故障是電動機運行中最常見的一類故障。不對稱故障對電動機的損害不僅僅是

7、引發(fā)發(fā)熱，更重要的是不對稱引起的負序效應(yīng)能造成電動機的嚴重損壞。因而，對大型電動機進行綜合保護非常重要。2.1電動機保護裝置常見保護形式掘進機的綜合保護主要是對電動機的保護，礦用隔爆型三相異步電動機是掘進機電氣系統(tǒng)的主要組成部分，它與液壓系統(tǒng)配合操作，可自如的實現(xiàn)整機的各種生產(chǎn)作業(yè)。作為電氣主設(shè)備，電動機的運行正常與否，直接關(guān)系整機的性能，所以要高度重視，除了對電機的保護外，掘進機還有很多極其重要的保護形式?，F(xiàn)對掘進機常見故障和礦井下的實際需要投入的主要的保護形式介紹如下：1. 低壓線路漏電保護：當AC220V、AC120V、AC24V低壓線路對地絕緣降低到規(guī)定值時保護動作，顯示220V漏電、

8、120V漏電或24V漏電。(參考值A(chǔ)C220V為5K，AC120V為3K，AC24V為2K)2. 電機溫度保護：由于冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高，油泵和截割電機繞組溫度達到155時，埋在電機定子繞組中的溫度繼電器動作，保護裝置通過程序控制油泵或截割電機停止運轉(zhuǎn)，電機冷卻后自動復位。對應(yīng)熱敏電阻阻值為1.8K2K。3. 對稱故障保護：對稱故障主要有對稱過載、堵轉(zhuǎn)、對稱穩(wěn)態(tài)短路等，這類故障對電動機的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)和機械應(yīng)力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。4. 不對稱故障保護：電動機的不對稱故障主要有斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運行、接地短路等。不對稱故障對電動機的損害不僅僅是電流增加

9、引起的發(fā)熱，更重要的是不對稱引起負序效應(yīng)給電動機運行帶來的隱患。因此，電動機運行缺陷的早期診斷是非常重要的3031 。2.2 礦用隔爆三相異步電動機的故障保護由于礦井下工作環(huán)境比較惡劣，電動機發(fā)生故障的幾率也比較大，針對這種情況和用戶的實際需要投入了以下幾種保護：過載保護、短路保護、負序過流保護、單相接地保護、欠電壓和過電壓保護等保護形式。下面對幾種主要保護的原理和實現(xiàn)方法分別加以詳細的闡述。2.2.1 過載保護由于負載轉(zhuǎn)矩過大，電動機轉(zhuǎn)速下降以提高電磁轉(zhuǎn)矩，電機定子電流超過額定電流，導致電動機過載，如果持續(xù)時間過長，將導致電動機過熱而被燒壞。但是如果是短時過載，電動機積累的熱量能夠與時散發(fā)，

10、根據(jù)過載程度的不同，電動機過載運行是可以保持一段不同的時間。過載保護按照反時限特性動作。2.2.2 短路故障分析與保護判據(jù)15由于電動機在起動過程中，起動電流很大，可以達到額定電流的7倍以上。為了保證在起動過程中保護可靠的不動作，整定值在起動和運行過程中采用了不同的算法。a. 異步電動機起動過程中的速斷保護：欲使電動機能滿載地起動，要求必須大于電動機滿載起動電流，即：(2-20)式中：保證電動機滿載啟動系數(shù)，取1.21.4。電動機起動電流系數(shù)，一般取47。電動機的額定線電流。b. 異步電動機運行中的速斷保護在電動機運行過程中，的整定可不必考慮要躲過電動機的起動電流，短路保護可以按電動機的額定電

11、流的倍數(shù)整定，即：(2-21)式中的值一般取為8-10，這樣可以保證三相異步電動機在起動結(jié)束后的運行過程中不會頻繁跳閘，保證掘進機的正常工作。2.2.3 單相接地故障分析與保護判據(jù)在變壓器中性點不接地的礦井下的供電系統(tǒng)中，當一相(如A相)發(fā)生直接接地故障，便有單相接地電流在接地點流過，并經(jīng)其它兩相的絕緣電阻和電容流回電源。此時，A相導線對地電壓為零，B、C兩相對地變成了線電壓。但電源線電壓仍然平衡，并不影響負荷繼續(xù)工作。不過，從礦井的安全出發(fā)，為了防止瓦斯煤塵爆炸，要求立即切斷供電電源。由于三相電網(wǎng)對地電壓不再平衡，三相電壓之和不為零，因而出現(xiàn)了零序電壓和零序電流。由于我國礦井下大中型電動機一

12、般采用小電流接地方式，當發(fā)生一點接地時，故障電流很小。在中性點非直接接地電網(wǎng)中的高壓電動機，當容量小于2MW，而接地電容電流大于10A；或容量等于2MW與以上，而接地電容電流大于5A時，應(yīng)裝設(shè)接地保護。提高接地保護的靈敏度，可采用一次零序電流互感器檢測零序電流，其電流按大于被保護回路的電容電流整定，即：(2-24)式中： 可靠系數(shù)，取45；當外部發(fā)生接地故障時，過流被保護回路的最大接地電容電流。2.2.4 欠壓和過壓故障分析與保護判據(jù)1718根據(jù)三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進而影響到定子電流的變化，從

13、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(zhuǎn)矩和定子電流與電壓密切相關(guān)，在電網(wǎng)電壓降低，電磁轉(zhuǎn)矩下降時，電動機轉(zhuǎn)速也下降，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)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(zhuǎn)。因此，電動機應(yīng)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(yīng)進行斷電保護。b. 過壓保護當電源電壓由于某種原因超過

14、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，從而縮短電動機使用壽命，因此電動機應(yīng)裝設(shè)過電壓保護。過壓保護的整定原則是：若在一定時限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(yīng)進行斷電保護。2.2.5 礦用電動機的其他保護礦用電動機的其他保護還包括起動超時保護、頻繁起動保護、超溫保護、漏電閉鎖保護等。 a. 起動超時保護：對于直接起動的電動機，剛起動時，起動電流比較大，經(jīng)過一段時間，電流將下

15、降到額定電流或以下的水平。起動超時保護設(shè)定了一個稍大于額定電流的動作值，它在電動機起動時投入，經(jīng)過適當?shù)难訒r(延時時間可設(shè)定)，檢測線路的電流，并與動作值比較，如果仍然大于動作值，則起動超時保護動作，可作為短路保護的后備保護。b. 頻繁起動保護：起動過于頻繁將使電動機繞組長時間流過數(shù)倍于額定電流的起動電流。由于熱積累效應(yīng)，會導致電動機過熱，使繞組絕緣加速老化，甚至燒壞電機。頻繁起動保護主要用于限制電動機在一定時間的起動次數(shù)，它可以根據(jù)電機的負載情況和散熱條件來整定允許起動的次數(shù)。電動機第一次起動時就開始計時并記錄電動機起動次數(shù)，如果電動機起動次數(shù)達到整定值，而計時未結(jié)束，電動機將被閉鎖，直到計

16、時結(jié)束才能再次起動電動機，并重新計時和記錄起動次數(shù)。c. 超溫保護：超溫保護是通過電動機部安裝的溫度傳感器直接對繞組溫度進行測量，當溫度達到整定的閾值時分斷電動機線路，并報警。溫度閾值可以整定。這種保護方式適合用于井下散熱條件極差的大容量電動機，防止電動機在額定負載情況下長時間積熱而燒壞。詳細的電路和算法將在第4章硬件的溫度檢測模塊部分進行詳細介紹。d. 漏電閉鎖保護：采用附加直流電源檢測回路絕緣電阻的阻值的保護原理，漏電閉鎖保護將在第4章硬件的粘連漏電檢測模塊部分進行詳細介紹。3 微機保護的數(shù)據(jù)采集掘進機綜合保護裝置采集的信號分為數(shù)字量和模擬量信號兩類。其中數(shù)字量信號包括斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)

17、備的輔助接點以與其他繼電器接點的開關(guān)量信號，或者來自別的微機保護或數(shù)字設(shè)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)輸入電壓與完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便與CPU接口，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此這部分電路又稱數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路部參與運算的信號是二進制的離散數(shù)字信號，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(guān)。3.1 保護裝置的數(shù)據(jù)采集電路3.1.1 電壓形成回路綜合保護裝置要從被保護的線路

18、或設(shè)備上的電流互感器、電壓互感器或其他電壓變送設(shè)備上取得信息，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入圍的要求，將互感器的二次側(cè)數(shù)值變換為420mA的電流信號或15V圍的電壓信號，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(yīng)的電壓信號。在互感器的選擇上有鐵芯電流互感器和空芯電流互感器。其中鐵芯電流互感器受其鐵磁性能的影響，即使在設(shè)計時確定的工作很理想，在小電流時測量線性度很好，但在大電流時鐵芯易于飽和，線性度差，測量圍小。采用空芯電流互感器準確度高線性誤差在±1以，測量圍廣絕緣水平高，用于高壓大電流電動機具有明顯的優(yōu)點，但是在小電流時，信號較小測量誤差大。轉(zhuǎn)換信號不失真這點對微機保護是很重要

19、的，因為只有在這種條件下作精確的運算或定量的分析才是有意義的。至于移相、提取某一分量等，在微機保護中，根據(jù)實際需要可以容易地通過軟件來實現(xiàn)。3.1.2 采樣電路采樣電路由傳感器、電壓調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。電動機的電流、電壓信號用電流傳感器和電壓變送器拾取，進行適當?shù)姆糯蠛驼{(diào)理后送入單片機部集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入口。列如要檢測截割電機的三相電流信號，因截割電機的額定電流比較大，選用時要考慮過流的影響，所以應(yīng)選用通過電流較大的電流傳感器，一般選CT30-1400A/5V型電流傳感器檢測電流信號，如要檢測系統(tǒng)電壓，因系統(tǒng)電壓額定為1140V，選用時考慮過壓等因素，所以一般采用CSP2

20、-1500Va.c/5V型交流電壓變送器檢測系統(tǒng)電壓。電壓調(diào)理電路包括跟隨、比例調(diào)整和硬件濾波三部分，作用是為了保證電機在額定電流以與當電機啟動和過載時出現(xiàn)過電流情況下的檢測精度(l%)，模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 模擬信號處理硬件流程圖Fig3-1 Analog signal processing hardware flow chart4   PLC的選取 與系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)基于可編程控制器（PLC）的電動機綜合監(jiān)控和保護系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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

21、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)生一級故障，PLC進行相應(yīng)的保護動作。啟動完成后，“電機開/關(guān)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(yīng)保護動作。關(guān)機時，PLC接到關(guān)機命令后，斷路器跳閘，“電機開/關(guān)機指示燈”滅。故障聲光報警后，按“報警復位按鈕”復位。如下圖所示。4.2 PLC的選型與硬件配置4.2.1PLC型號的選擇本溫度控制系統(tǒng)選擇德國西門子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC屬于小型整體式的PLC

22、, 本機自帶RS-485通信接口、置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的S7-200 CPU構(gòu)成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構(gòu)成較復雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)10。完整的S7-200系列PLC實物如圖3-2所示。圖3-2 S7-200系列PLC實物圖4.2.1 S7-200 CPU的選擇S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等類型。此系統(tǒng)選用S7-200CPU226，CPU226集成了24點輸入/16點輸出，共有40個數(shù)字量I/O?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴

23、展至248點數(shù)字量或35點模擬量I/O。還有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲空間空間，6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。配有2個RS485通訊口，具有PPI，MPI和自由方式通訊能力，波特率最高為38.4 kbit/s，可用于較高要求的中小型控制系統(tǒng)11。 本溫度控制系統(tǒng)由于輸入/輸出點數(shù)不多，本可以使用CPU224以下的類型，不過為了能調(diào)用編程軟件STEP 7 里的PID模塊，只能采用CPU226與以上機種。4.2.2 EM231模擬量輸入模塊本溫度控制系統(tǒng)中，傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成041mv的電壓信號，系統(tǒng)需要配置模擬量輸入模塊把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)

24、字信號再送入PLC中進行處理。在這里，我們選用了西門子EM231 4TC模擬量輸入模塊。EM231熱電偶模塊提供一個方便的，隔離的接口，用于七種熱電偶類型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允許連接微小的模擬量信號(±80mV圍)，所有連到模塊上的熱電偶必須是一樣類型，且最好使用帶屏蔽的熱電偶傳感器。EM231模塊需要用戶通過DIP開關(guān)進行組態(tài)： SW1SW3用于選擇熱電偶類型，SW4沒有使用，SW5用于選擇斷線檢測方向，SW6用于選擇是否進行斷線檢測，SW7用于選擇測量單位，SW8用于選擇是否進行冷端補償。本系統(tǒng)用的是K型熱電偶，所以DIP開關(guān)SW1SW8組態(tài)為00100000；E

25、M231具體技術(shù)指標見表3-1。表3-1 EM231技術(shù)指標型號EM231模擬量輸入模塊總體特性 外形尺寸：71.2mm×80mm×62mm功耗：3W輸入特性本機輸入：4路模擬量輸入電源電壓：標準DC 24V/4mA輸入類型：010V，05V，±5V,±2.5V,020mA分辨率：12 Bit轉(zhuǎn)換速度：250S隔離：有耗電從CPU的DC 5V （I/O總線）耗電10mADIP開關(guān)SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型熱電偶為例）表3-2所示為如何使用DIP開關(guān)設(shè)置EM231模塊，開關(guān)1、2和3可選擇模擬量輸入圍。所有的輸入設(shè)置成一樣的模擬量輸入圍

26、。表中，ON為接通，OFF為斷開。表3-2 EM231選擇模擬量輸入圍的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON±5V2.5mVONOFF±2.5V1.25mVEM231校準和配置位置圖如圖3-3所示。圖3-3 DIP配置EM2314.2.3 I/O點分配與電氣連接圖1）該控制系統(tǒng)中I/O點分配表如表3-4所示。在本系統(tǒng)中，包含以下輸入輸出點，見附表,本系統(tǒng)共包括12路開關(guān)量，7路模擬量。表3-4 I/O點分配表輸入觸點功能說明輸出

27、觸點功能說明IO.1啟動按鈕Q0.0運行指示燈（綠）I0.2停止按鈕Q0.1停止指示燈（紅）Q0.3固態(tài)繼電器2)系統(tǒng)整體設(shè)計方案與硬件連接圖。圖3-4 系統(tǒng)框架圖4.3 JL-400缺相繼電器JL-400缺相繼電器是一種多功能三相電源系統(tǒng)或三相用電設(shè)備的監(jiān)測和保護儀器。集三相電壓顯示、過電壓保護、欠電壓保護、缺相保護（斷相保護）、電壓不平衡保護、相序保護（錯相保護）于一體，采用功能強大的微處理器芯片和非易失存儲技術(shù)，顯示采用高清晰超寬溫中文液晶，具有功能齊全，性能穩(wěn)定，顯示直觀、操作簡便的特點。JL-400缺相繼電器可實時顯示三相電源電壓、并可在電源發(fā)生過壓保護、欠壓保護、缺相保護、不平衡保

28、護、錯相保護等故障時通過繼電器輸出的形式,給用戶提供報警輸出和保護電路動作輸出的觸點控制信號，起到報警和保護作用。JL-400缺相繼電器電壓不平衡保護動作時間曲線圖：A 電壓不平衡度三相電壓中最大相的電壓三相電壓中最小相的電壓圖：JL-400缺相繼電器電壓不平衡保護的時間特性曲線JL-400缺相繼電器主要性能指標JL-400缺相繼電器輸入電源L1/L2/L3/N 電源電壓圍相電壓150 - 300V AC, 線電壓250500V AC 45-65HZ 電壓測量圍相電壓150 - 300V AC缺相保護功能有相序保護功能有過電壓保護功能有欠電壓保護功能有不平衡保護功能有顯示超寬溫中文液晶顯示輸出

29、形式獨立的常開、常閉輸出輸出負載能力電阻性負載: 5A/250V AC, 5A/30V DC電感性負載: 1.5A/250V AC, 1.5A/30V DC輸出觸點機械壽命>100,000次額定消耗功率3VA電氣隔離強度>2000VAC, 脈沖耐電壓 2.5KV(1.2/50us)測量誤差滿刻度時小于0.5%安全防護等級IP20外殼尺寸45 mm x53 mm x64 mm工作環(huán)境溫度-2565,濕度<85%，無凝露JL-400缺相繼電器操作指南1、把三相電源的三相四線分別接入JL-400缺相繼電器的L1、L2、L3、N端。2、JL-400缺相繼電器的常開、常閉輸出端，分別接

30、入控制設(shè)備的回路。詳見JL-400缺相繼電器接線示意圖3、設(shè)置參數(shù)，把連接好的JL-400缺相繼電器通上三相電，液晶屏顯示其中一相的電壓。（1）JL-400缺相繼電器正常情況下，按一下R/設(shè)置鍵，進入設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置字符閃爍，此時液晶屏上顯示設(shè)置和相序字樣，按或鍵可選擇是否啟用相序保護功能，ON表示開啟，OFF表示關(guān)閉。 （2）再按一下JL-400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，設(shè)置過電壓值，液晶屏上顯示設(shè)置和過壓字樣，按或鍵設(shè)置過電壓值，過電壓值在220V300V圍設(shè)置，步進量為1V；再按一次R/設(shè)置鍵，設(shè)置過電壓動作時間（單位為秒），動作時間 可在0.120秒圍之間設(shè)置,步進量為0.1秒。 接線示意

31、圖（3）再按一下JL-400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，設(shè)置欠電壓值，液晶屏上顯示設(shè)置和欠壓字樣，按或鍵設(shè)置欠電壓值，欠電壓值在150V220V圍設(shè)置，步進量為1V；再按一次R/ 設(shè)置鍵，設(shè)置過電壓動作時間（單位為秒），動作時間可在0.120秒圍之間設(shè)置,步進量為0.1秒。（4）再按一下JL-400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，液晶屏上顯示End字樣，本次設(shè)置完成。（5）當JL-400缺相繼電器發(fā)生電源過壓、欠壓、缺相、錯相、不平衡等故障時，液晶屏上分別閃爍顯示過壓、欠壓、缺相、相序、不平衡等字樣，如果故障時間超過設(shè)置的動作時間，過壓、欠壓、缺相、相序、不平衡等字樣保持常亮，同時顯示故障時的電壓值，這時

32、輸出觸點轉(zhuǎn)換。（6）由于JL-400缺相繼電器缺相、錯相故障屬于不可自動恢復性故障；故發(fā)生缺相、錯相故障時，缺相繼電器能記憶自鎖。即使安全切斷缺相繼電器工作電源，也會存儲故障信息；只有在排除缺相、錯相故障后，按R/設(shè)置鍵，缺相繼電器才能復位。而發(fā)生過壓、欠壓故障后，如果線路電壓又恢復了正常設(shè)置電壓圍，缺相繼電器能自動恢復。也可按R/設(shè)置鍵手動恢復。備注：（1）進入設(shè)置狀態(tài)，如果20秒無任何操作，JL-400缺相繼電器自動退出設(shè)置狀態(tài)。 （2）JL-400缺相繼電器的常開、常閉狀態(tài)，分別是指繼電器正常通電狀態(tài)；故障時常開、常閉狀態(tài)分別同時轉(zhuǎn)換。4、JL-400缺相繼電器參數(shù)設(shè)置類別參數(shù)名稱設(shè)定圍

33、步進量出廠設(shè)定單位電壓設(shè)定過電壓設(shè)定值OFF-221-3001 VOFFV欠電壓設(shè)定值150 -219- OFF1 VOFFV過、欠電壓恢復回值5V動作時間過、欠壓動作時間0.1- 200.1S10.0S缺相動作時間2.0S錯相動作時間0.1S4.4 熱繼電器熱繼電器是一種電氣保護元件。它是利用電流的熱效應(yīng)來推動動作機構(gòu)使觸頭閉合或斷開的保護電器，主要用于電動機的過載保護、斷相保護、電流不平衡保護以與其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)時的控制。4.4.1 熱繼電器的工作原理由電阻絲做成的熱元件，其電阻值較小，工作時將它串接在電動機的主電路中，電阻絲所圍繞的雙金屬片是由兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片壓合而成，左端

34、與外殼固定。當熱元件過的電流超過其額定值而過熱時，由于雙金屬片的上面一層熱膨脹系數(shù)小，而下面的大，使雙金屬片受熱后向上彎曲，導致扣板脫扣，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸點斷開。觸點是串接在電動機的控制電路中的，使得控制電路中的接觸器的動作線圈斷電，從而切斷電動機的主電路。交流接觸器的結(jié)構(gòu)，接觸器主要由電磁機構(gòu)、觸點系統(tǒng)和滅弧裝置等主要部件組成。電磁機構(gòu)包括吸引線圈、靜鐵心和動鐵心，動鐵心與動觸點相聯(lián)。觸頭分為主觸頭和輔助觸頭，主觸頭用于通斷電流較大的主電路，體積較大，一般由三對常開觸頭組成；輔助觸頭用于通斷電流較小的控制電路，體積較小，一般由兩對常開觸頭和兩對常閉觸頭組成。所謂觸頭的常開和常閉，是

35、指接觸器未通電動作前觸頭的原始狀態(tài)。交流接觸器的型號與含義，以CJ系列接觸器為例，型號含義如下：交流接觸器的工作原理，當吸引線圈兩端施加額定電壓時，產(chǎn)生電磁力，將動鐵心(上鐵心)吸下，動鐵心帶動動觸點一起下移，使動合觸點閉合接通電路，動斷觸點斷開切斷電路，當吸引線圈斷電時，鐵心失去電磁力，動鐵心在復位彈簧的作用下復位，觸點系統(tǒng)恢復常態(tài)。交流接觸器的種類，交流接觸器的種類很多，國產(chǎn)的有CJ0、CJ10系列和比較新的CJ20系列，引進的新產(chǎn)品有3TH系列、3TB系列。接觸器聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制電路圖QM：電源開關(guān) FU：熔斷器 EH：熱繼電器 KF/KR：交流接觸器 M：電動機 SR：正轉(zhuǎn)按鈕 SR：

36、反轉(zhuǎn)按鈕 STP：停止按鈕常閉觸頭 常開觸頭工作原理：主回路中主觸點KF和KR并聯(lián)，L1與L2互相反接，為保證接觸器KF和KR的線圈不會同時通電，KF和KR這兩副常閉輔助觸點，分別串接于正反轉(zhuǎn)控制回路中，稱為聯(lián)鎖（或互鎖）觸點。實際配電板接線圖5 保護裝置的軟件設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，上一章已經(jīng)詳細介紹了本項目硬件連接。本章在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，將詳細介紹本項目軟件設(shè)計，主要包括軟件設(shè)計的基本步驟、方法，編程軟件STEP7-Micro/WIN的介紹以與本項目程序設(shè)計。5.1 PLC程序設(shè)計方法編寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1. 圖解法

37、編程圖解法是靠畫圖進行PLC程序設(shè)計。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法。（1）梯形圖法梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。（2）邏輯流程圖法邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點與調(diào)試和維修程序。（3）時序流程圖法時序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時序圖（即到某一個時間應(yīng)該進行哪項

38、控制的控制時序圖），再根據(jù)時序關(guān)系畫出對應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時間為基準的控制系統(tǒng)的編程方法。（4）步進順控法步進順控法是在順控指令的配合下設(shè)計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序都可以分成若干個功能比較簡單的程序段，一個程序可以看成整個控制過程的一步。2. 經(jīng)驗法編程經(jīng)驗法是運用自己的或者別人的經(jīng)驗進行設(shè)計。多數(shù)是設(shè)計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結(jié)合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。3.計算機輔助設(shè)計編程計算機輔助設(shè)計是通過PLC編程軟件（比如STEP7-Micro/WIN）

39、在計算機上進行程序設(shè)計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等。使用編程軟件可以很方便的在計算機上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計算機上進行程序的存取、加密以與形成EXE文件14。編程軟件STEP7-Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為s7-200系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)，它功能強大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時也可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。它是西門子s7-200用戶不可缺少的開發(fā)工具?，F(xiàn)在加上中文程序后，可在全中文的界面下進行操作，用戶使用起來更加方便。操作主界面如圖4-1所示。STEP7-Micro/WIN簡單介紹

40、以STEP7-Micro/WIN創(chuàng)建程序，為接通STEP 7-Micro/WIN，可雙擊STEP 7-Micro/WIN圖標，或選擇開始（Start）> SIMATIC >STEP 7 Micro/WIN 4.0菜單命令。如圖4-1所示，STEP 7-Micro/WIN項目窗口將提供用于創(chuàng)建控制程序的便利工作空間。工具欄將提供快捷鍵按鈕，用于經(jīng)常使用的菜單命令，可顯示或隱藏工具欄的任何按鈕。瀏覽條給出了多組圖標，用于訪問STEP 7-Micro/WIN的不同編程特性。指令樹將顯示用于創(chuàng)建控制程序的所有項目對象和指令?？蓪蝹€的指令從指令樹拖放到程序中，或雙擊某個指令，以便將其插入到

41、程序編輯器中光標的當前位置。程序編輯器包括程序邏輯和局部變量表，可在其中分配臨時局部變量的符號名。子程序和中斷程序在程序編輯器窗口的底部均按標簽顯示。單擊標簽可在子程序、中斷程序和主程序之間來回變換15。STEP 7-Micro/WIN提供了用于創(chuàng)建程序的三個編輯器：梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能塊圖（FBD）。盡管有某些限制，在這些程序編輯器的任何一個中編寫的程序均可用其它程序編輯器進行瀏覽和編輯。用的比較多的是梯形圖（LAD）編程語言。下面詳細介紹梯形圖的特點。圖4-1 編程軟件STEP7-Micro/WIN主界面5.2 梯形圖語言特點 梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為P

42、LC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計稱為編程。梯形圖程序設(shè)計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設(shè)計語言。采用梯形圖程序設(shè)計語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個梯級是一個因果關(guān)系。在梯級中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計語言是最常用的一種程序設(shè)計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控

43、制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計語言的特點是：（1）與電氣操作原理圖相對應(yīng)，具有直觀性和對應(yīng)性；（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學習；（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點是，梯形圖中的能流（Power FLow）不是實際意義的電流，部的繼電器也不是實際存在的繼電器，因此，應(yīng)用時，需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對待；（4）與布爾助記符程序設(shè)計語言有一一對應(yīng)關(guān)系，便于相互的轉(zhuǎn)換和程序的檢查16。5.3 STEP7-Micro/WIN參數(shù)設(shè)置（通訊設(shè)置） 本項目中PLC要與電腦正確通信，安裝完STEP7-

44、Micro/WIN編程軟件且設(shè)置好硬件后，可以按下列步驟進行通訊設(shè)置。 （1）在STEP7-Micro/WIN運行時單擊通訊圖標，或從“視圖”菜單中選擇選項“通信”，則會出現(xiàn)一個通信對話框（如圖4-2所示）。 圖4-2 通信參數(shù)設(shè)置（2）在對話框中雙擊PC/PPI電纜的圖標，將出現(xiàn)PG/PC接口對話框或者直接單擊“檢視”欄中單擊“設(shè)置PG/PC接口”也行。如圖4-3所示。圖4-3 PG/PC接口對話框（3）單擊Properties按鈕，將出現(xiàn)接口屬性對話框，檢查各參數(shù)的屬性是否正確，其信波特率默認值為9.6kbps（如圖4-4所示）。圖4-4 通信參數(shù)設(shè)置5.4 程序設(shè)計5.4.1 設(shè)計思路&

45、#160;   程序開始，從輸入單元檢測輸入量，首先判斷KM是否閉合，如果閉合，說明電動機已經(jīng)處于運行狀態(tài)，此時應(yīng)無法按下啟動按鈕，若KM未曾閉合，則說明電動機處于停機狀態(tài)，可以按啟動按鈕。接著判斷啟動按鈕是否按下，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則重新檢測。如果按鈕已經(jīng)按下，則檢測電動機是否啟動，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則轉(zhuǎn)入欠壓保護子程序，若是電動機已經(jīng)啟動，則判斷起動是否成功，若是，則繼續(xù)下面的程序，若否，則轉(zhuǎn)入起動保護。如果電動機已經(jīng)正常起動，則綠燈亮。接著判斷停止按鈕是否按下，若否，則繼續(xù)下面的程序，若是，則程序直接結(jié)束，開始下一次掃描。 

46、   如果停止按鈕并未按下，即電動機仍然在運行中，則進行運行過程中的故障判斷，首先檢測是否發(fā)生短路故障，方法是:檢測三相電流，再判斷Imax是否大于整定值，若是則跳轉(zhuǎn)至保護動作子程序段，電動機起動短路保護，警報響，并且短路故障指示燈亮。若否，則繼續(xù)下面的程序。接著判斷是否發(fā)生斷相故障，方法是:檢測三相電流，判斷是否有某相電流為零，或者檢測Umn，判斷是否不為零，如果其中之一滿足，則跳轉(zhuǎn)至保護動作子程序段，電動機起動斷相保護，警報響，并且斷相故障指示燈亮。若否，則繼續(xù)下面的程序。接著判斷是否發(fā)生欠壓故障，方法參見欠壓保護子程序說明。接著判斷是否發(fā)生接地故障，方法是:

47、檢測I0，若大于整定值則跳轉(zhuǎn)至保護動作子程序段，電動機起動接地保護，警報響，并且接地故障指示燈亮。接著判斷是否發(fā)生過負荷故障，方法是:檢測三相電流，若到達整定時限后，電流仍大于整定值，則跳轉(zhuǎn)至保護動作子程序段，電動機起動過負荷保護，警報響，并且過負荷故障指示燈亮。若判斷未發(fā)生過負荷故障，則程序完成一次掃描，再次從第一條開始，進行第二次掃描，所以結(jié)束是指一個循環(huán)的結(jié)束，并不是整個程序的結(jié)束。    1）欠壓保護子程序    在該程序段中，采集A相和C相的電壓量，求出其平均值，再與整定值相比較，若小于整定值，則跳轉(zhuǎn)至保

48、護動作子程序段，電動機起動欠壓保護，警報響，并且欠壓故障指示燈亮。若未發(fā)生欠壓故障，則直接結(jié)束本次循環(huán)。    2）起動時間過長保護子程序    在該程序段中，采集三相電流量，若發(fā)現(xiàn)在起動過程中，電流大于整定值，或在整定時間到達后，電流仍大于另一整定值，則跳轉(zhuǎn)至保護動作子程序段，起動時間過長保護動作，警報響，并且起動故障指示燈亮。5.4.2控制程序流程圖6 控制電路的抗干擾設(shè)計綜合保護裝置是掘進機電氣系統(tǒng)上的受干擾設(shè)備，必須對電路板上的元件布置、布線、電源配置等進行合理設(shè)計，盡可能地阻斷干擾耦合通道，降低電子控制電

49、路的電磁敏感性，可以從硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施。6. 1 電源設(shè)計在每塊電路板的電源輸入端跨接一個10100的電解電容和一個0.010.1的瓷片電容，用于濾除供電電流中的脈沖成分和高次諧波。所有芯片的+5V電源和地之間并接一個0.1F的去耦電容和一個瞬態(tài)抑制二極管(又稱TVS管)SA5.0A。去耦電容將可以進一步消除由電源線竄入的干擾通過耦合方式影響PCB板的其他信號線；瞬態(tài)抑制二極管可以有效抑制由靜電放電引起的瞬變脈沖干擾或其他原因引起的瞬間過電壓，有效防止集成電路的高壓擊穿。6. 2 信號濾波在直流信號輸入通道中加入前置模擬低通濾波器，從而可以減少直流信號中疊加的高頻分量信號的干擾。

50、從抗干擾的角度考慮，RC濾波器較LC濾波器好，因RC濾波器是耗散式濾波器，它將噪聲能量變成熱能耗散掉了，而LC濾波器則會產(chǎn)生附加的磁場干擾，所以電感要加屏蔽罩。本系統(tǒng)采用的是RC濾波器。6. 3 開關(guān)量輸出隔離在跳閘出口，雖然繼電器本身己有隔離作用，但是為了使繼電器驅(qū)動電源與單片機電源之間不要有電的聯(lián)系，以防止線圈電感回路切換產(chǎn)生干擾影響單片機工作，在開關(guān)量輸出通道采用了光電耦合器件。光電耦合器的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖與各種噪聲的干擾，從而使過程通道的信噪比大大提高。6. 4 地線設(shè)置系統(tǒng)的地線包括數(shù)字地、模擬地、電源地等。合理的地線結(jié)構(gòu)可以顯著提高系統(tǒng)的抗干擾能力：將系統(tǒng)的機殼與輸入輸出線