基于PLC的電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-論文例文1

目錄TOC\o"1-1"\h\z\u摘要31.引言42電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的各種保護(hù)原理及故障判據(jù)42.1電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置常見保護(hù)形式42.2礦用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)5過載保護(hù)5短路故障分析及保護(hù)判據(jù)[15]5單相接地故障分析及保護(hù)判據(jù)6欠壓和過壓故障分析及保護(hù)判據(jù)[17][18]6礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)73微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集83.1保護(hù)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94PLC的選取與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)94.1

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)94.2

PLC機(jī)型選擇及擴(kuò)展104.3鍵盤電路114.4液晶顯示電路125保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)125.1保護(hù)裝置的軟件總體設(shè)計(jì)135.2保護(hù)模件的軟件設(shè)計(jì)145.3人機(jī)接口模件的軟件設(shè)計(jì)15主程序模塊16鍵盤掃描程序模塊165.3.3液晶顯示程序模塊176控制電路的抗干擾設(shè)計(jì)186.1電源設(shè)計(jì)186.2信號(hào)濾波196.3開關(guān)量輸出隔離196.4地線設(shè)置196.5印刷電路板布線196.6元器件的選擇206.7其他20致謝21參考文獻(xiàn)22附錄：1A1掘進(jìn)機(jī)電控系統(tǒng)1A2掘進(jìn)機(jī)綜合保護(hù)裝置實(shí)物圖3A3人機(jī)接口模件實(shí)物圖4摘要本文介紹了國內(nèi)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及存在問題，同時(shí)介紹了可編程控制器的工作原理，選型依據(jù)。設(shè)計(jì)了一種基于PLC電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了所選用的西門子S7-200PLC以及同類型的S7-300S7-400PLC，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對PLC的輸入輸出I/O進(jìn)行了分配，并且編寫系統(tǒng)運(yùn)行的梯形圖。準(zhǔn)備開機(jī)時(shí)，按下開機(jī)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(jī)無法啟動(dòng)，并且聲光報(bào)警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開，斷路器合閘，電機(jī)開始啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，假設(shè)發(fā)生一級(jí)故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。啟動(dòng)完成后，“電機(jī)開/關(guān)指示燈〞亮，電機(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)行過程中，PLC依次循環(huán)檢測電機(jī)是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過負(fù)荷、過電流等故障，假設(shè)有發(fā)生，PLC進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。關(guān)機(jī)時(shí)，PLC接到關(guān)機(jī)命令后，斷路器跳閘，“電機(jī)開/關(guān)機(jī)指示燈〞滅。故障聲光報(bào)警后，按“報(bào)警復(fù)位按鈕〞復(fù)位。本設(shè)計(jì)的選題就是基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：故障診斷PLC電機(jī)引言電動(dòng)機(jī)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(gè)領(lǐng)域，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電動(dòng)機(jī)常常運(yùn)行在惡劣的環(huán)境下，導(dǎo)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(dòng)機(jī)、大功率電動(dòng)機(jī)來說，一旦發(fā)生故障所造成的損失無法估量。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(yīng)用。PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響著工業(yè)控制系統(tǒng)的平安可靠運(yùn)行。一個(gè)完善的PLC系統(tǒng)除了能夠正常運(yùn)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(shí)及時(shí)進(jìn)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(gè)重要標(biāo)志，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實(shí)用價(jià)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(jìn)行邏輯推理，由錯(cuò)誤的輸出找到可能的輸入錯(cuò)誤。這種方法比擬適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，各局部耦合少的情況。專家系統(tǒng)方法通過建立系統(tǒng)故障的知識(shí)庫與推理機(jī)，計(jì)算機(jī)借助現(xiàn)場的數(shù)據(jù)利用知識(shí)庫和推理機(jī)進(jìn)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(fù)雜，各局部耦合強(qiáng)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豐富的內(nèi)部資源及強(qiáng)大的功能指令，編制故障檢測報(bào)警程序，不僅可以替代繼電器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，還可以提高工作可靠性及其系統(tǒng)的靈活性。2電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的各種保護(hù)原理及故障判據(jù)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行中最常見的一類故障。不對稱故障對電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引發(fā)發(fā)熱，更重要的是不對稱引起的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。因而，對大型電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)非常重要。2.1電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置常見保護(hù)形式掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)主要是對電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，礦用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)是掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的主要組成局部，它與液壓系統(tǒng)配合操作，可自如的實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)。作為電氣主設(shè)備，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行正常與否，直接關(guān)系整機(jī)的性能，所以要高度重視，除了對電機(jī)的保護(hù)外，掘進(jìn)機(jī)還有很多極其重要的保護(hù)形式。現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)常見故障和礦井下的實(shí)際需要投入的主要的保護(hù)形式介紹如下：1.低壓線路漏電保護(hù)：當(dāng)AC220V、AC120V、AC24V低壓線路對地絕緣降低到規(guī)定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作，顯示220V漏電、120V漏電或24V漏電。(參考值A(chǔ)C220V為5KΩ，AC120V為3KΩ，AC24V為2KΩ)2.電機(jī)溫度保護(hù)：由于冷卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高，油泵和截割電機(jī)繞組溫度到達(dá)155℃時(shí)，埋在電機(jī)定子繞組中的溫度繼電器動(dòng)作，保護(hù)裝置通過程序控制油泵或截割電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)冷卻后自動(dòng)復(fù)位。對應(yīng)熱敏電阻阻值為1.8KΩ～2KΩ3.對稱故障保護(hù)：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(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。4.不對稱故障保護(hù)：電動(dòng)機(jī)的不對稱故障主要有斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運(yùn)行、接地短路等。不對稱故障對電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是電流增加引起的發(fā)熱，更重要的是不對稱引起負(fù)序效應(yīng)給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行帶來的隱患。因此，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行缺陷的早期診斷是非常重要的[30][31]。2.2礦用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)由于礦井下工作環(huán)境比擬惡劣，電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的幾率也比擬大，針對這種情況和用戶的實(shí)際需要投入了以下幾種保護(hù)：過載保護(hù)、短路保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、單相接地保護(hù)、欠電壓和過電壓保護(hù)等保護(hù)形式。下面對幾種主要保護(hù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法分別加以詳細(xì)的闡述。2.2.1過載保護(hù)由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降以提高電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)定子電流超過額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過載，如果持續(xù)時(shí)間過長，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱而被燒壞。但是如果是短時(shí)過載，電動(dòng)機(jī)積累的熱量能夠及時(shí)散發(fā)，根據(jù)過載程度的不同，電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行是可以保持一段不同的時(shí)間。過載保護(hù)按照反時(shí)限特性動(dòng)作。2.2.2短路故障分析及保護(hù)判據(jù)[15]由于電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流很大，可以到達(dá)額定電流的7倍以上。為了保證在起動(dòng)過程中保護(hù)可靠的不動(dòng)作，整定值在起動(dòng)和運(yùn)行過程中采用了不同的算法。a.異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的速斷保護(hù)：欲使電動(dòng)機(jī)能滿載地起動(dòng)，要求必須大于電動(dòng)機(jī)滿載起動(dòng)電流，即：…………(2-20)式中：——保證電動(dòng)機(jī)滿載啟動(dòng)系數(shù)，取1.2～1.4?！妱?dòng)機(jī)起動(dòng)電流系數(shù)，一般取4～7?！妱?dòng)機(jī)的額定線電流。b.異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的速斷保護(hù)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，的整定可不必考慮要躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，短路保護(hù)可以按電動(dòng)機(jī)的額定電流的倍數(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(dòng)機(jī)在起動(dòng)結(jié)束后的運(yùn)行過程中不會(huì)頻繁跳閘，保證掘進(jìn)機(jī)的正常工作。2.2.3單相接地故障分析及保護(hù)判據(jù)在變壓器中性點(diǎn)不接地的礦井下的供電系統(tǒng)中，當(dāng)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(diǎn)流過，并經(jīng)其它兩相的絕緣電阻和電容流回電源。此時(shí)，A相導(dǎo)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(fù)荷繼續(xù)工作。不過，從礦井的平安出發(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(dòng)機(jī)一般采用小電流接地方式，當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，故障電流很小。在中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中的高壓電動(dòng)機(jī)，當(dāng)容量小于2MW，而接地電容電流大于10A；或容量等于2MW及以上，而接地電容電流大于5A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)接地保護(hù)。提高接地保護(hù)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(hù)回路的電容電流整定，即：……………(2-24)式中：——可靠系數(shù)，取4～5；——當(dāng)外部發(fā)生接地故障時(shí)，過流被保護(hù)回路的最大接地電容電流。2.2.4欠壓和過壓故障分析及保護(hù)判據(jù)[17][18]根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到定子電流的變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，所以必須有欠電壓和過電壓保護(hù)。a.欠壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長時(shí)間低于額定電壓85％時(shí)，稱為系統(tǒng)欠電壓。電動(dòng)機(jī)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(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)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(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。因此，電動(dòng)機(jī)應(yīng)有欠壓保護(hù)，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(hù)的整定原那么是：假設(shè)在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，那么認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。b.過壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因超過額定電壓15％時(shí),稱為系統(tǒng)過電壓。過電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然有時(shí)也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負(fù)載星形連接且無中性線的電動(dòng)機(jī)定子繞組一相短路，那么會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞，從而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。過壓保護(hù)的整定原那么是：假設(shè)在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，那么認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。2.2.5礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)還包括起動(dòng)超時(shí)保護(hù)、頻繁起動(dòng)保護(hù)、超溫保護(hù)、漏電閉鎖保護(hù)等。a.起動(dòng)超時(shí)保護(hù)：對于直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，剛起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流比擬大，經(jīng)過一段時(shí)間，電流將下降到額定電流或以下的水平。起動(dòng)超時(shí)保護(hù)設(shè)定了一個(gè)稍大于額定電流的動(dòng)作值，它在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)投入，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)(延時(shí)時(shí)間可設(shè)定)，檢測線路的電流，并與動(dòng)作值比擬，如果仍然大于動(dòng)作值，那么起動(dòng)超時(shí)保護(hù)動(dòng)作，可作為短路保護(hù)的后備保護(hù)。b.頻繁起動(dòng)保護(hù)：起動(dòng)過于頻繁將使電動(dòng)機(jī)繞組長時(shí)間流過數(shù)倍于額定電流的起動(dòng)電流。由于熱積累效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱，使繞組絕緣加速老化，甚至燒壞電機(jī)。頻繁起動(dòng)保護(hù)主要用于限制電動(dòng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)的起動(dòng)次數(shù)，它可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況和散熱條件來整定允許起動(dòng)的次數(shù)。電動(dòng)機(jī)第一次起動(dòng)時(shí)就開始計(jì)時(shí)并記錄電動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)，如果電動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)到達(dá)整定值，而計(jì)時(shí)未結(jié)束，電動(dòng)機(jī)將被閉鎖，直到計(jì)時(shí)結(jié)束才能再次起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并重新計(jì)時(shí)和記錄起動(dòng)次數(shù)。c.超溫保護(hù)：超溫保護(hù)是通過電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的溫度傳感器直接對繞組溫度進(jìn)行測量，當(dāng)溫度到達(dá)整定的閾值時(shí)分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)線路，并報(bào)警。溫度閾值可以整定。這種保護(hù)方式適合用于井下散熱條件極差的大容量電動(dòng)機(jī)，防止電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載情況下長時(shí)間積熱而燒壞。詳細(xì)的電路和算法將在第4章硬件的溫度檢測模塊局部進(jìn)行詳細(xì)介紹。d.漏電閉鎖保護(hù)：采用附加直流電源檢測回路絕緣電阻的阻值的保護(hù)原理，漏電閉鎖保護(hù)將在第4章硬件的粘連漏電檢測模塊局部進(jìn)行詳細(xì)介紹。3微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集掘進(jìn)機(jī)綜合保護(hù)裝置采集的信號(hào)分為數(shù)字量和模擬量信號(hào)兩類。其中數(shù)字量信號(hào)包括斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的輔助接點(diǎn)以及其他繼電器接點(diǎn)的開關(guān)量信號(hào)，或者來自別的微機(jī)保護(hù)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字量信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過干擾隔離環(huán)節(jié)，由輸入、輸出接口和保護(hù)裝置相連。而當(dāng)被采集的物理量是連續(xù)的模擬信號(hào)時(shí)，必須依據(jù)采樣定理對模擬信號(hào)進(jìn)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、標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓及完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便與CPU接口，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此這局部電路又稱數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路內(nèi)部參與運(yùn)算的信號(hào)是二進(jìn)制的離散數(shù)字信號(hào)，模擬量輸入電路是綜合保護(hù)裝置中很重要的電路。保護(hù)裝置的動(dòng)作速度和測量精確度等性能都與該電路有關(guān)。3.1保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集電路電壓形成回路綜合保護(hù)裝置要從被保護(hù)的線路或設(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)換器輸入范圍的要求，將互感器的二次側(cè)數(shù)值變換為4～20mA的電流信號(hào)或1～5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，對于電流信號(hào)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(hào)。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(jì)時(shí)確定的工作很理想，在小電流時(shí)測量線性度很好，但在大電流時(shí)鐵芯易于飽和，線性度差，測量范圍小。采用空芯電流互感器準(zhǔn)確度高線性誤差在±1％以內(nèi)，測量范圍廣絕緣水平高，用于高壓大電流電動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是在小電流時(shí)，信號(hào)較小測量誤差大。轉(zhuǎn)換信號(hào)不失真這點(diǎn)對微機(jī)保護(hù)是很重要的，因?yàn)橹挥性谶@種條件下作精確的運(yùn)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(jī)保護(hù)中，根據(jù)實(shí)際需要可以容易地通過軟件來實(shí)現(xiàn)。采樣電路采樣電路由傳感器、電壓調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換局部組成。電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)用電流傳感器和電壓變送器拾取，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛驼{(diào)理后送入單片機(jī)內(nèi)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(jī)的三相電流信號(hào)，因截割電機(jī)的額定電流比擬大，選用時(shí)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(hào)，如要檢測系統(tǒng)電壓，因系統(tǒng)電壓額定為1140V，選用時(shí)考慮過壓等因素，所以一般采用CSP2-1500Va.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)整和硬件濾波三局部，作用是為了保證電機(jī)在額定電流以及當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)和過載時(shí)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(hào)處理硬件流程圖Fig3-1Analogsignalprocessinghardwareflowchart4PLC的選取與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)基于可編程控制器〔PLC〕的電動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。如下列圖，準(zhǔn)備開機(jī)時(shí)，按下開機(jī)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(jī)無法啟動(dòng)，并且聲光報(bào)警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開，斷路器合閘，電機(jī)開始啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，假設(shè)發(fā)生一級(jí)故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。啟動(dòng)完成后，“電機(jī)開/關(guān)指示燈〞亮，電機(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)行過程中，PLC依次循環(huán)檢測電機(jī)是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過負(fù)荷、過電流等故障，假設(shè)有發(fā)生，PLC進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。關(guān)機(jī)時(shí)，PLC接到關(guān)機(jī)命令后，斷路器跳閘，“電機(jī)開/關(guān)機(jī)指示燈〞滅。故障聲光報(bào)警后，按“報(bào)警復(fù)位按鈕〞復(fù)位。如下列圖所示。4.2

PLC機(jī)型選擇及擴(kuò)展

選擇PLC機(jī)型應(yīng)考慮兩個(gè)問題:

〔1〕

PLC的容量應(yīng)為多大？

〔2〕

選擇什么公司的PLC及外設(shè)。在本系統(tǒng)中，包含以下輸入輸出點(diǎn)，見附表,本系統(tǒng)共包括12路開關(guān)量，7路模擬量。

SIMATIC

S7-200系列PLC是由西門子公司生產(chǎn)的小型PLC，其特點(diǎn)是:SIMATIC

S7-200系列PLC適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測，監(jiān)測及控制的自動(dòng)化，S7-200系列的強(qiáng)大功能使得其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此S7-200系列具有極高的性能/價(jià)格比。

S7-200

CPU

224集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn),可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn);13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間;6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz高速脈沖輸出，具有PID控制器;1個(gè)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，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合以上特點(diǎn)，SIMATIC

S7-200

CPU

224完全可以作為本系統(tǒng)的主機(jī)。

CPU224可擴(kuò)展7個(gè)模塊，而其本身具有14輸入/10輸出共24點(diǎn)數(shù)字量，因此已無須數(shù)字量擴(kuò)展模塊。但由于有7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，EM235等模擬量擴(kuò)展模塊。根據(jù)以上技術(shù)數(shù)據(jù)，選擇兩個(gè)EM231作為模擬量輸入模塊，這樣共可以擴(kuò)展4×2=8路模擬量輸入。4.3鍵盤電路此保護(hù)裝置鍵盤形式采用的是2x4矩陣式鍵盤。由82C55APB口的低四位作為列線，82C55APC口的高兩位作為行線，構(gòu)成一個(gè)8個(gè)按鍵方式的鍵盤。原理接線如圖4圖4-22鍵盤原理接線圖Fig4-22Principlekeyboardwiringdiagram鍵盤采用行掃描法，“0〞為有效信號(hào)，正常時(shí)PC6、PC7口輸出高電平。接口工作原理可歸納如下：a.檢查是否有鍵按下，其方法是：先后令PC6、PC7口為低電平。然后讀入PB低四位狀態(tài)。檢查是否有列線為零。如有，那么說明有行線和列線接通，意味著有鍵按下；b.去抖動(dòng)：當(dāng)有鍵按下時(shí)，延時(shí)20ms左右，待抖動(dòng)消失后，在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行被按鍵識(shí)別;c.被按鍵識(shí)別：順序?qū)λ邪存I編號(hào)，通過逐行掃描確定被按鍵的編號(hào)。具體定位方法是：先掃描PC7，令PC7為0，PC6為1，然后讀入列線狀態(tài)，檢查是否有列線為0。假設(shè)無，那么掃描PC6，令PC6為0，PC7為1，順序掃描;假設(shè)有，那么查出狀態(tài)為0的列號(hào)，由該列號(hào)和正在掃描的行號(hào)即可確定被按鍵的編號(hào)。d.產(chǎn)生鍵碼：根據(jù)掃描得到的鍵編號(hào)查找鍵盤編碼表，然后根據(jù)鍵碼轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的子程序。4.4液晶顯示電路人機(jī)接口插件設(shè)置了液晶顯示電路，如圖4-23所示。液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)從電路設(shè)計(jì)簡單，減少功耗等角度出發(fā)，采用的是將LCD控制器(T6963C)、RAM、ROM和LCD顯示器(點(diǎn)陣為128×64)集成在一起的液晶顯示模塊(MGLS12964T)。實(shí)現(xiàn)全漢化的菜單顯示界面、事件報(bào)告顯示畫面、定值整定畫面、采樣信息畫面等的顯示功能。圖4-23液晶顯示器原理接線圖Fig4-23LCDprinciplewiringdiagram液晶顯示模塊的引腳掛在+5V上。通過調(diào)節(jié)電位器Wl的大小能夠改變液晶顯示器的比照度。信號(hào)接GAL16V8D的Y3，C/D信號(hào)由8051地址線A11提供。那么地址7800H為液晶顯示模塊的指令口地址，地址7000H為液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口地址。液晶顯示器在本保護(hù)裝置中用來顯示裝置的告警信息、故障報(bào)告、整定值、測量值及其他命令菜單等。5保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)通常需要從硬件、軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。從保護(hù)裝置的配置和原理進(jìn)行分析，結(jié)合硬件電路的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)字濾波技術(shù)和各種微機(jī)保護(hù)的算法和判據(jù)，本章將著重介紹與硬件緊密聯(lián)系的保護(hù)裝置的軟件實(shí)現(xiàn)?？紤]到本裝置在硬件設(shè)計(jì)上采用的是模塊化的設(shè)計(jì)思想，所以在軟件設(shè)計(jì)上決定同樣采用模塊化的程序設(shè)計(jì)，這樣可以保證各程序模塊之間是相互獨(dú)立的，可以單獨(dú)進(jìn)行編程和調(diào)試，然后再將各模塊組合起來。這種編程方法很科學(xué)合理，常常能使復(fù)雜的程序通過合理的劃分模塊之后變得簡單。軟件編程可以采用多種語言進(jìn)行編寫，如匯編語言、PLM語言、C語言等，其中，C語言是目前非常流行的一種編程語言，它使用方便靈活、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、編程簡單。C語言具備匯編語言的大多數(shù)功能，而且比匯編語言效率高得多，用C語言編寫軟件開發(fā)周期短，同時(shí)它可讀性強(qiáng)，改良和移植方便，所以經(jīng)常用于規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)。最重要的是C語言具有完善的模塊化程序結(jié)構(gòu)，因此本裝置采用以C語言為主匯編語言為輔的混合編程的方法。5.1保護(hù)裝置的軟件總體設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的軟件由保護(hù)軟件和人機(jī)接口軟件兩局部組成。保護(hù)模件采用8051F020芯片，人機(jī)接口模件選用8051單片機(jī)，故軟件采用C51和A51語言。保護(hù)局部軟件總框圖如圖5-1所示。圖5-1保護(hù)軟件總框圖Fig5-1Diagramofthetotalprotectionsoftware保護(hù)局部軟件主要由主程序模塊、中斷采樣模塊和繼電器輸出模塊組成，通過各模塊程序的有機(jī)組合，完成模擬量的采集、數(shù)據(jù)處理、通道換算、各種保護(hù)和輸出。人機(jī)接口局部軟件總框圖如圖5-2所示。圖5-2人機(jī)接口軟件總框圖Fig5-2Diagramofthetotalman-machineinterfacesoftware人機(jī)接口局部軟件主要完成鍵盤輸入、液晶顯示和與上位機(jī)通訊等任務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)定值整定、故障查詢與采樣信息，以及與上位機(jī)通訊等功能。5.2保護(hù)模件的軟件設(shè)計(jì)保護(hù)模件的主程序模塊由初始化模塊、自檢循環(huán)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及保護(hù)和故障處理模塊組成。其流程圖如圖5-3所示：初始化的內(nèi)容包括：AD/轉(zhuǎn)換器初始化、中斷功能初始化以及各個(gè)標(biāo)志位和內(nèi)存的初始化；自檢模塊主要完成硬件自檢功能，包括對片內(nèi)用到的RAM區(qū)進(jìn)行讀寫檢查，通過向開口發(fā)跳閘指令，然后檢查光耦輸出側(cè)反應(yīng)回路的電平狀態(tài)，對開出回路進(jìn)行檢查。電流、電壓信號(hào)的采集是在中斷程序中完成的，而電動(dòng)機(jī)的溫度檢測和絕緣檢測是根據(jù)電流和電壓的采樣值進(jìn)行溫升與阻值的計(jì)算獲得的，采用公式見硬件設(shè)計(jì)的溫度和絕緣檢測局部。根據(jù)各通道采集的數(shù)據(jù)通過各種保護(hù)程序進(jìn)行計(jì)算，對真空管粘連漏電保護(hù)程序計(jì)算的結(jié)果送入故障判斷，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)保護(hù)程序，沒有故障時(shí)直接進(jìn)入下一個(gè)保護(hù)程序。圖5-3主程序流程圖Fig5-3Mainprogramflowchart5.3人機(jī)接口模件的軟件設(shè)計(jì)人機(jī)接口模件主要完成鍵盤輸入、液晶顯示和與主CPU通訊的任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，液晶屏顯示主菜單顯示界面，如圖5-5所示。主畫面顯示出當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間和系統(tǒng)電壓，并提示給開機(jī)信號(hào)，當(dāng)給了開機(jī)信號(hào)后，畫面轉(zhuǎn)換到啟動(dòng)畫面，如下圖為當(dāng)前給油泵啟動(dòng)信號(hào)的畫面，利用翻頁按健可以轉(zhuǎn)換畫面，當(dāng)電機(jī)全部啟動(dòng)后為運(yùn)行畫面信息，這時(shí)可以利用翻頁鍵查看監(jiān)控畫面信息，如果出現(xiàn)故障，保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)切斷電機(jī)，并且顯示報(bào)警畫面，如圖為電源失壓的報(bào)警畫面，在運(yùn)行信息里記錄了上電次數(shù)、運(yùn)行次數(shù)、油泵電機(jī)和截割電機(jī)的計(jì)時(shí)時(shí)間。如果要查詢故障可以在故障查詢畫面進(jìn)行故障信息的查詢。圖5-5人機(jī)接口菜單設(shè)計(jì)Fig5-5Human-computerinterfacedesignmenu5.3.1主程序模塊人機(jī)接口模件中的主程序模塊是一個(gè)初始化、自檢、循環(huán)顯示、查詢鍵盤、顯示畫面、通訊口的程序，其框圖如圖5-6所示。圖5-6人機(jī)接口主程序模塊框圖Fig5-6Man-machineinterfacemoduleblockdiagramofmainprogram5.3.2鍵盤掃描程序模塊鍵盤掃描子程序的流程圖如圖5-7所示：圖5-7鍵盤掃描程序的流程圖Fig5-7Keyboardscanningprocessflowchart本裝置中查看鍵盤中有無按鍵按下以及判斷所按的是哪一個(gè)鍵，采用的是“掃描〞的方法，其原理是：先對各行線都送以低電平(稱為“全掃描〞)，如讀回各列線的電平值仍全為1，便說明未曾按過按鍵；如某列出現(xiàn)低電平，那么說明跨接到該列的按鍵己有按下，因此使行線上的低電平引入到列線。要區(qū)分是該列的哪個(gè)按鍵被按下，需進(jìn)一步通過“逐行掃描〞(逐行送低電平)，查看各列線的電平值來鑒別。5.3.3液晶顯示程序模塊本裝置的顯示主要是通過液晶顯示器(LCD)來進(jìn)行的。在正常運(yùn)行時(shí)，LCD需要顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、電流和電壓模擬量的當(dāng)前值、系統(tǒng)頻率的當(dāng)前值、各路開關(guān)量，主要是斷路器的狀態(tài)，并且需要實(shí)時(shí)刷新。其中時(shí)間、模擬量和開關(guān)量是用字母和數(shù)字來表示的，而漢字是用圖形來表示的，所以LCD采用了文本和圖形合成的工作方式。文本的顯示，主要包括英文字母、數(shù)字和一些常用的符號(hào)，編程時(shí)可以通過直接調(diào)用CGROM的字符代碼來顯示文本的內(nèi)容。圖形，主要是漢字的顯示，漢字是通過點(diǎn)陣來顯示的，本裝置中采用的是16x6l點(diǎn)陣漢字，每個(gè)漢字點(diǎn)陣所需的存儲(chǔ)空間為32字節(jié)，存儲(chǔ)在LCD外部的EPROM中，需要顯示漢字時(shí)再從其中調(diào)用。文本和圖形顯示子程序的流程圖如圖5-8所示。圖5-8文本、圖形顯示子程序流程圖Fig5-8Text,graphicssubroutineflowchart程序?qū)CD的控制是通過對其內(nèi)部的處理器T6963C的指令系統(tǒng)主要集中于顯示功能的設(shè)置上，T6963C的控制來完成的。共有10類指令，一般每條指令可以帶一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)，也有的指令沒有參數(shù)。指令的執(zhí)行都是先送參數(shù)到T6963C的數(shù)據(jù)口，再送指令到指令口。地址7800H為液晶顯示模塊的指令口地址，地址7000H為液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)口地址。6控制電路的抗干擾設(shè)計(jì)綜合保護(hù)裝置是掘進(jìn)機(jī)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(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡可能地阻斷干擾耦合通道，降低電子控制電路的電磁敏感性，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(jì)在每塊電路板的電源輸入端跨接一個(gè)10~100的電解電容和一個(gè)0.01~0.1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(gè)0.1μF的去耦電容和一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管(又稱TVS管)SA5.0A。去耦電容將可以進(jìn)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(hào)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(hào)濾波在直流信號(hào)輸入通道中參加前置模擬低通濾波器，從而可以減少直流信號(hào)中疊加的高頻分量信號(hào)的干擾。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濾波器那么會(huì)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(dòng)電源與單片機(jī)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(jī)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(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲的干擾，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(jī)殼與輸入輸出線的屏蔽層接三相電源地(大地)，通過大地給高頻干擾電壓形成低阻通路，以抑制其對保護(hù)器的干擾;數(shù)字電路和模擬電路盡量分開，兩者的地線不能相混，數(shù)字電路和模擬電路分別“一點(diǎn)〞接地;數(shù)字電路的地線做成閉環(huán)回路，可明顯提高系統(tǒng)的抗干擾能力。6.5印刷電路板布線印制電路板布線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對系統(tǒng)的抗干擾性能影響也很大。合理的布線就是力求將系統(tǒng)中各元件之間，電路之間可能產(chǎn)生的不利影響限制在最低程度，使由于電路的分布電容、磁漏、電磁互感以及其它由噪聲引起的干擾得到抑制。a.電路板元器件面和焊接面印制引線應(yīng)互相垂直，以減少寄生電容;b.電源線和地線應(yīng)盡量粗短，盡量靠近;其走向應(yīng)與信號(hào)傳輸方向一致;c.信號(hào)線布線不應(yīng)過長或過細(xì)，并合理加大線與線之間的距離;布線方向盡量與電源線和大電流控制線方向垂直;信號(hào)輸入輸出不得平行走線，且要遠(yuǎn)離電源線;d.印刷電路板上的每個(gè)集成電路芯片接入一個(gè)0.01~0.lFu的瓷片去藕電容。電路板布線時(shí)電源線盡量寬，以減少導(dǎo)線阻抗，抑制傳導(dǎo)型干擾；數(shù)字地和模擬地先分開布線，最后在一點(diǎn)接地，防止數(shù)字信號(hào)對模擬電路的干擾；電路板進(jìn)行覆銅。6.6元器件的選擇元器件的質(zhì)量對系統(tǒng)影響很大。應(yīng)選擇正品元器件，使用前還要進(jìn)行必要的篩選。對于接插件應(yīng)