基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)論文） 題 目：基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：2 專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)：電氣 指導(dǎo)教師：教授 基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要本文介紹了國(guó)內(nèi)基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了三相鼠籠式異步電機(jī)常見(jiàn)的故障及故障表現(xiàn)出的癥狀。對(duì)PLC的選型做出了論述，介紹了S7-200 CPU226的特點(diǎn)。對(duì)模塊的擴(kuò)展做出了詳細(xì)論述。對(duì)傳感器進(jìn)行相應(yīng)的選型，對(duì)輸入輸出點(diǎn)做出了相應(yīng)的分配。做出了一套基于PLC的電機(jī)多故障診斷系統(tǒng)。本文對(duì)基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)做出了詳細(xì)論述，做出了故障診斷系統(tǒng)的工藝圖及人機(jī)界面，做出了程

2、序流程圖及梯形圖。關(guān)鍵字：PLC；電機(jī)；故障診斷 Motor 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

3、selection of PLC made in this 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 ba

4、sed on PLC.In this paper, the 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IABSTRAC

5、TII目錄III緒論1第一章 三相鼠籠式異步電機(jī)31.1 鼠籠式異步電機(jī)的發(fā)展31.2 鼠籠式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理31.2.1 鼠籠式異步電機(jī)的類(lèi)型和基本結(jié)構(gòu)31.2.2 鼠籠式異步電機(jī)工作原理5第二章 可編程控制器72.1 PLC簡(jiǎn)介72.2 PLC的組成及內(nèi)部原理82.3 PLC的發(fā)展及現(xiàn)狀112.4 PLC的應(yīng)用11第三章 三相鼠籠式異步電機(jī)的故障及分析133.1 三相鼠籠式異步電機(jī)常見(jiàn)故障13 3.2 三相鼠籠式異步電機(jī)的故障分析153.3 數(shù)據(jù)采集183.3.1保護(hù)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(shè)計(jì)204.1可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則204.1.

6、1可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)原則204.1.2可編程控制器的軟件設(shè)計(jì)原則204.2可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟204.3 PLC機(jī)型選擇及擴(kuò)展21第五章 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)255.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)305.6系統(tǒng)供電31第六章 可編程控制器的軟件設(shè)計(jì)326.1軟件設(shè)計(jì)的基本要求326.2軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容326.3程序設(shè)計(jì)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(jié)論44參考文獻(xiàn)46附錄47緒論 電機(jī)是一種實(shí)現(xiàn)機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換的電磁裝置。常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流

7、電動(dòng)機(jī)。電機(jī)是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的，反過(guò)來(lái)，電動(dòng)機(jī)的發(fā)展也促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提高。從19世紀(jì)末期起，電動(dòng)機(jī)就逐漸代替蒸汽機(jī)作為拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的原動(dòng)機(jī)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，雖然電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)變化不大，但是電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型增加了許多，在運(yùn)行性能，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面也都有了很大的改進(jìn)和提高，而且隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)上又發(fā)展出許多種類(lèi)的控制電動(dòng)機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)具有高可靠性好精確度快速響應(yīng)的特點(diǎn)，已成為電動(dòng)機(jī)學(xué)科的一個(gè)獨(dú)立分支。隨著社會(huì)的發(fā)展，電機(jī)在各個(gè)行業(yè)中得到了越來(lái)越重要的應(yīng)用，所以對(duì)電機(jī)的故障也隨之越來(lái)越重視。能否以最快速度診斷出電機(jī)的故障及解決故障時(shí)現(xiàn)在電機(jī)故

8、障診斷中的重點(diǎn)所在1。PLC的問(wèn)世使得電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)得到了空前的提高。即，本文就以PLC作為電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)作出相應(yīng)設(shè)計(jì)及論述。PLC是當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用標(biāo)膠廣泛的一種控制裝置，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(cè)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。PLC已被應(yīng)用到機(jī)械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程，被人們稱(chēng)為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。PLC在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，無(wú)論是電機(jī)的控制，還是電機(jī)的故障診斷，PLC占了主導(dǎo)地位。它能以最快的速度使電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。PLC在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)樗乃俣瓤?，?/p>

9、應(yīng)靈敏，所以在電機(jī)故障診斷中得到了廣泛的應(yīng)用。PLC的介入使電機(jī)的故障率減至最低，并且使故障所帶來(lái)的負(fù)面影響及故障惡化降至最低，從而提高了電機(jī)的運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)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(lái)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)的安全可靠運(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(duì)于工業(yè)控制具有較高的意義和實(shí)用價(jià)值。第一章 三相鼠籠式異步電機(jī)1.1 鼠籠式異步電機(jī)的發(fā)展 隨著我國(guó)科技的日益發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)化的需求越

10、來(lái)越高，使電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜控制成為主流，而三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)其應(yīng)用領(lǐng)域更是極為廣泛。例如工業(yè)方面的各種加工中心、專(zhuān)用加工設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、印刷機(jī)械、紡織機(jī)械、泵和壓縮機(jī)、新型工業(yè)縫紉機(jī)等設(shè)備的控制軍事和航天方面的衛(wèi)星姿態(tài)、飛船光電池對(duì)太陽(yáng)跟蹤、雷達(dá)天線的控制。 三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)是目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最廣泛的一種電動(dòng)機(jī)，在電網(wǎng)的總負(fù)載中，異步電動(dòng)機(jī)的容量約占整個(gè)動(dòng)力負(fù)載的85%，可見(jiàn)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(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理1.2.1 鼠籠式異步電機(jī)的類(lèi)型和基本結(jié)構(gòu) 三相鼠籠式異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子組成。定子由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座、端蓋

11、等組成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子繞組組成2。如圖1.1所示: 圖1.1 三相鼠籠式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 定子、轉(zhuǎn)子之間有氣隙，在定子兩端有端蓋支撐轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸。異步電機(jī)根據(jù)相數(shù)可分為單相、三相兩類(lèi)。三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)有籠型和繞線式兩種，單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子都是籠型，本文的主要研究對(duì)象是三相鼠籠式異步電機(jī)。鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)主要部件的拆分圖如下: 圖1.2 鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)主要部件(1)定子結(jié)構(gòu) 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(guò)交流電流時(shí)會(huì)在定子鐵芯中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，為了把交變磁場(chǎng)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(dǎo)磁性能，如采用硅鋼片疊壓而成。定子繞組是電機(jī)的電路部分，

12、作用主要是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、流過(guò)電流。機(jī)座用來(lái)固定和支撐定子，對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度要求很高。 圖1.3 定了鐵芯及繞組結(jié)構(gòu)圖(2)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，一般也是由導(dǎo)磁性能良好的硅鋼片疊壓制成。轉(zhuǎn)軸的作用是支撐轉(zhuǎn)子鐵芯和輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩。定子繞組產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、流過(guò)電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力，帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出動(dòng)能。圖2.1為鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。 圖1.4 鼠籠式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖(3)軸承結(jié)構(gòu) 軸承是電機(jī)中支撐轉(zhuǎn)子的一個(gè)部件，在所有部件中是受力最大的一個(gè)部件，主要用來(lái)轉(zhuǎn)矩的輸出。軸承故障主要是由負(fù)載波動(dòng)引起的，以軸承振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。(4)氣隙 異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子

13、之間具有很小的空間存在，稱(chēng)為氣隙，這個(gè)空間的大小對(duì)異步電機(jī)的性能影響很大。氣隙過(guò)大，由于空氣的磁導(dǎo)率比硅鋼片低，磁勢(shì)損失嚴(yán)重，致使電機(jī)效率降低;氣隙過(guò)小，會(huì)造成定轉(zhuǎn)子摩擦，造成設(shè)備故障。通常異步電機(jī)氣隙長(zhǎng)度設(shè)為定、轉(zhuǎn)子不發(fā)生機(jī)械摩擦所允許的最小數(shù)值。1.2.2 鼠籠式異步電機(jī)工作原理 通過(guò)對(duì)異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的介紹，得知異步電機(jī)工作過(guò)程中，交變電流產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)又對(duì)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流作用產(chǎn)生電磁力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，電能便轉(zhuǎn)為動(dòng)能，通過(guò)轉(zhuǎn)軸輸出，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量形式的轉(zhuǎn)換3。 當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源(各相差)時(shí)，三相定子繞組中流過(guò)的三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生三相磁動(dòng)勢(shì)(定子旋

14、轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì))并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。剛通入時(shí)刻，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與靜止的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體存在切割運(yùn)動(dòng)，由電磁感應(yīng)定理可知，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中受到電磁力作用，電磁力對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)軸上帶有負(fù)載，電動(dòng)機(jī)便向外輸出機(jī)械能，電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。 在電機(jī)定子中通入3相交流電，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為。同步轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)和電源頻率有關(guān): (1.1) 式(1.1)中p為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，f為電源頻率。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子速度之間存在一個(gè)速差（）是異步電機(jī)的一個(gè)特色，這也是異步電機(jī)名稱(chēng)的由來(lái)。 (1.2)式(1

15、.2)中，為轉(zhuǎn)差率，為磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。4本文針對(duì)三項(xiàng)鼠籠式異步電機(jī)Y2-180M-2做出相應(yīng)的故障分析及故障處理。Y2-180M-2的基本信息如下： 防護(hù)等級(jí)：IP54或IP55 電壓：380V或415V 頻率：50Hz或60Hz 電流：41A 轉(zhuǎn)速：2940r/min 功率越因數(shù)：0.9 額定電流：7.5Ist/In （堵轉(zhuǎn)）額定轉(zhuǎn)矩：2.0Tst/Tn （最大）額定轉(zhuǎn)矩：2.3TM/min 同步轉(zhuǎn)速：3000r/min第二章 可編程控制器2.1 PLC簡(jiǎn)介自二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制

16、裝置以來(lái)，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，PLC的功能也不斷完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶(hù)需求的不斷提高，PLC在開(kāi)關(guān)量處理的基礎(chǔ)上增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等領(lǐng)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(jì)八十年代至九十年代得到了迅速發(fā)展，世界范圍內(nèi)的PLC年增長(zhǎng)率保持為20%30%。隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高和PLC市場(chǎng)容量基數(shù)的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)PLC在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的增長(zhǎng)速度放緩。但是，在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家PLC的增長(zhǎng)十分迅速。綜合相關(guān)資料，200

17、4年全球PLC的銷(xiāo)售收入為100億美元左右，在自動(dòng)化領(lǐng)域占據(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(lái)的，二十世紀(jì)七十年代的PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車(chē)制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過(guò)數(shù)字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶(hù)程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過(guò)程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指

18、令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)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(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。相同I/O點(diǎn)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(méi)有專(zhuān)用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。 一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000

19、多個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。 近10年來(lái)，隨著PLC價(jià)格的不斷降低和用戶(hù)需求的不斷擴(kuò)大，越來(lái)越多的中小設(shè)備開(kāi)始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和基礎(chǔ)自動(dòng)化水平的不斷提高，今后一段時(shí)期內(nèi)PLC在我國(guó)仍將保持高速增長(zhǎng)勢(shì)頭6。 2.2 PLC的組成及內(nèi)部原理 PLC實(shí)質(zhì)上是一種被專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)和微機(jī)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(chǔ)

20、從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能檢查用戶(hù)程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接受現(xiàn)場(chǎng)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(hù)程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。并將邏輯或算術(shù)運(yùn)算等結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶(hù)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(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為止。 （2）存儲(chǔ)器：與微型計(jì)算機(jī)一樣，除了硬件以外，還必須有軟件。才能構(gòu)成一臺(tái)完整的PLC。PLC的軟件分為兩部分: 系統(tǒng)

21、軟件和應(yīng)用軟件。存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱(chēng)為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。PLC存儲(chǔ)空間的分配：雖然大、中、小型 PLC的CPU的最大可尋址存儲(chǔ)空間各不相同，但是根據(jù)PLC的工作原理， 其存儲(chǔ)空間一般包括以下三個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)（包括I/O映象區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等）和用戶(hù)程序存儲(chǔ)區(qū)。系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲(chǔ)區(qū)中存放著相當(dāng)于計(jì)算機(jī)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(hù)不能夠直接存取。它和硬件一起決定了該P(yáng)LC的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)：系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)包括I/O映象區(qū)以及各類(lèi)軟設(shè)備（例如：邏輯線圈、數(shù)

22、據(jù)寄存器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器等）存儲(chǔ)區(qū)。 （3）I/O映象區(qū)：由于PLC投入運(yùn)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(yīng)的外設(shè)。因此，它需要有一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元（RAM）以供存放I/O的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，這些存儲(chǔ)單元稱(chēng)作I/O映象區(qū)。一個(gè)開(kāi)關(guān)量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)位（bit）, 一個(gè)模擬量I/O占用存儲(chǔ)單元中的一個(gè)字（16個(gè)bit)。因此，整個(gè)I/O映象區(qū)可看作由開(kāi)關(guān)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(lèi)如下：開(kāi)關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離

23、和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類(lèi)型分，有電流型（4-20mA,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(diǎn)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(jī)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(jì)算機(jī)，通過(guò)NSTP-GR軟件向PLC內(nèi)部輸入程序。 （5）PLC電源：PLC電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。無(wú)論是小型的PLC，還

24、是中、大型的PLC，其電源的性能都是一樣的，均能對(duì)PLC內(nèi)部的所有器件提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流電源。一般交流電壓波動(dòng)在正負(fù)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。可編程序控制器內(nèi)部的直流穩(wěn)壓電源為各模塊內(nèi)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(cè)裝置（如接近開(kāi)關(guān)）提供24V直流電源。驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源一般由用戶(hù)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(lái)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(chēng)，如輸入、輸出繼電器等。這種計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的“

25、軟繼電器”，與繼電器系統(tǒng)中的物理結(jié)構(gòu)在功能上某些相似之處。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(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。除了執(zhí)行用戶(hù)程序之外，在每次循環(huán)過(guò)程中，可編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工作，一次循環(huán)可分為5個(gè)階段?？删幊绦蚩刂破鞯倪@種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來(lái)看，處理過(guò)程似乎是同時(shí)完成的。在內(nèi)部處理聯(lián)合階段?？删幊绦蚩刂破鳈z查CPU模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。在通信服務(wù)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(yīng)編

26、程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外3個(gè)階段的操作。在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來(lái)存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的狀態(tài)，它們分別稱(chēng)為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器。可編程序控制器梯形圖中別的編程元件也有對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱(chēng)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(kāi)（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開(kāi)，

27、對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入?？删幊绦蚩刂破鞯挠脩?hù)程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按步序號(hào)順序排列。在沒(méi)有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU從第一條指令開(kāi)始，逐條順序的執(zhí)行用戶(hù)程序，直到用戶(hù)程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的0/1狀態(tài)讀出來(lái)，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)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

28、存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化7。 在輸出處理階段，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(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對(duì)應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)該編程元件為ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱(chēng)該編程元件為OFF。掃描周期可編程序控制器

29、在RUN工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次圖2.5.1a所示的掃描操作所需的時(shí)間稱(chēng)為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶(hù)程序的長(zhǎng)短、指令的種類(lèi)和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶(hù)程序較長(zhǎng)時(shí)，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過(guò)嚴(yán)格地來(lái)說(shuō)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(lái)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)的安全可靠運(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)

30、重要標(biāo)志，對(duì)于工業(yè)控制具有較高的意義和實(shí)用價(jià)值。2.4 PLC的應(yīng)用可編程控制器在發(fā)展初期由于價(jià)格較高，使它的應(yīng)用受到了限制。近年來(lái)，PLC應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，主要原因是：一方面由于微處理器芯片及相關(guān)元件的價(jià)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(fù)雜的計(jì)算和通信問(wèn)題，使得PLC的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。目前，PLC已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保以及文化娛樂(lè)等行業(yè)。PLC的主要應(yīng)用有如下幾方面：（1） 開(kāi)關(guān)量的邏輯控制（2） 過(guò)程控制（3） 運(yùn)動(dòng)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

31、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(cè)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。PLC已被應(yīng)用到機(jī)械制造、冶金、礦業(yè)、輕工等各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化進(jìn)程，被人們稱(chēng)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(jī)的故障及分析3.1 三相鼠籠式異步電機(jī)常見(jiàn)故障如下表3.1所示列出了三項(xiàng)鼠籠式異步電機(jī)的各種常見(jiàn)的故障:三相鼠籠式電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障故障現(xiàn)象可能原因 合閘后電動(dòng)機(jī)無(wú)任何動(dòng)靜1、電源不通2、熔斷器熔體熔毀3、過(guò)載保護(hù)裝置調(diào)的過(guò)小4、控制設(shè)備接線錯(cuò)誤5、定子繞組兩相開(kāi)路6、熱繼電器動(dòng)作后沒(méi)有復(fù)位 合閘后

32、電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，但有嗡嗡聲1、一相電源缺電或一相熔體熔毀2、繞組首尾端接反或一相繞組內(nèi)部接錯(cuò)3、一相電源回路接觸松動(dòng)4、負(fù)載過(guò)重或轉(zhuǎn)子或生產(chǎn)機(jī)械卡塞5、電源電壓過(guò)低6、軸承破碎或卡住 合閘后電機(jī)不轉(zhuǎn)，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(duì)地短路4、定子繞組接錯(cuò)5、使用熔體截面過(guò)小6、電源線（或接線盒內(nèi)）相間短路或?qū)Φ囟搪?啟動(dòng)困難，啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速?lài)?yán)重低于正常值1、電源電壓嚴(yán)重偏低2、將繞組錯(cuò)接為Y繞組3、定子繞組局部接錯(cuò)、接反4、鼠籠式轉(zhuǎn)子斷條5、繞組局部短路6、負(fù)載過(guò)重 三相空載電流嚴(yán)重不平衡1、重繞時(shí)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

33、不平衡4、部分繞組匝間短路 三相空載電流過(guò)大1、重繞時(shí)，三相繞組匝數(shù)過(guò)量減少2、誤將繞組由Y接法改為接法3、電源電壓嚴(yán)重偏高4、氣隙過(guò)大或不均勻5、轉(zhuǎn)子裝反，是定、轉(zhuǎn)子鐵芯未對(duì)齊，減少有效長(zhǎng)度6、用熱拆法拆舊繞組時(shí)將鐵芯燒壞，質(zhì)量變差 運(yùn)行中發(fā)生異響1、轉(zhuǎn)子掃膛2、扇葉與風(fēng)罩相擦3、軸承缺油，發(fā)生干摩擦4、軸承破碎或嚴(yán)重磨損或潤(rùn)滑油中有硬粒異物5、定子或轉(zhuǎn)子鐵芯松動(dòng)6、電源電壓過(guò)高或不平衡 運(yùn)行中振動(dòng)劇烈1、機(jī)座與基礎(chǔ)緊固件松動(dòng)2、基礎(chǔ)松軟，強(qiáng)度不夠3、與生產(chǎn)機(jī)械連接部位為校準(zhǔn)4、轉(zhuǎn)軸彎曲5、轉(zhuǎn)軸重量不平衡、單邊6、氣隙不均勻7、風(fēng)扇不平衡8、軸承破碎或嚴(yán)重磨損9、鼠籠轉(zhuǎn)子斷條 軸承過(guò)熱1、潤(rùn)

34、滑油過(guò)多、過(guò)少或變質(zhì)干涸2、潤(rùn)滑油質(zhì)量太差或有雜質(zhì)3、軸承與軸頸、端蓋軸承座配合過(guò)松，軸承走外圓或內(nèi)圓4、軸承蓋裝配不到位或內(nèi)孔偏心，內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸相擦5、端蓋未裝平6、聯(lián)軸器未校正或皮帶過(guò)緊7、軸承間隙過(guò)大或過(guò)小8、轉(zhuǎn)軸彎曲 電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，甚至冒煙冒火1、電源電壓過(guò)高或過(guò)低或三相電壓嚴(yán)重不平衡2、轉(zhuǎn)子掃膛3、電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，頻繁正反轉(zhuǎn)或負(fù)載過(guò)重4、缺相運(yùn)行（缺一相電源）5、鼠籠式轉(zhuǎn)子斷條6、定子鐵芯多次過(guò)熱，質(zhì)量變差7、環(huán)境溫度高，電動(dòng)機(jī)又散熱不好8、風(fēng)扇或風(fēng)道故障9、定子繞組短路、接錯(cuò)機(jī)殼帶電1、電源相線與中性線接錯(cuò)2、繞組受潮，絕緣老化，大電流造成對(duì)地短路3、保護(hù)接地線開(kāi)路或接觸不良3.2 三

35、相鼠籠式異步電機(jī)的故障分析（1）短路故障 三相電流的不平衡度較大（超過(guò)了5%），三相空載電流較大，電流互感器顯示有一項(xiàng)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(fù)載時(shí)低于額定值，則判斷為短路故障，即保護(hù)動(dòng)作。（2）欠壓和過(guò)壓故障分析根據(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(guò)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(zhǎng)時(shí)間低于額定電壓85時(shí)，稱(chēng)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

36、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(shì)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(guò)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)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。b. 過(guò)壓保護(hù)當(dāng)電源電壓由于某種原因超過(guò)額定電壓15時(shí),稱(chēng)為系統(tǒng)過(guò)電壓。過(guò)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(wú)中性線的電動(dòng)機(jī)定子繞組一相短路，則會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)

37、在過(guò)電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對(duì)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(guò)電壓保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。（3）單項(xiàng)接地短路有零序電流產(chǎn)生，其值為接地保護(hù)動(dòng)作整定值。（4）兩項(xiàng)接地短路 有零序電流產(chǎn)生，其值為二倍接地保護(hù)動(dòng)作整定值。（5）過(guò)負(fù)荷保護(hù)三相電流基本平衡（滿載運(yùn)行時(shí)，三相電流的不平衡度在3%以?xún)?nèi)，則可認(rèn)為基本平衡），但大于額定值，說(shuō)明負(fù)載超過(guò)了電機(jī)的額定容量，即過(guò)載。普通電機(jī)過(guò)載10%可運(yùn)行一段時(shí)間，一般不應(yīng)超過(guò)5min。所以過(guò)載保護(hù)可以按照反時(shí)限特性動(dòng)作Error! Referen

38、ce source not found.。（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(xiàng)或兩相為零，速度傳感器數(shù)據(jù)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(xiàng)斷路，保護(hù)動(dòng)作。（7）轉(zhuǎn)子斷條 此故障表現(xiàn)出電機(jī)出力不足，電流增大并按一定周期擺動(dòng)，轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流與定子電流增加，損耗加大，使轉(zhuǎn)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(hù)動(dòng)作（安置于轉(zhuǎn)子上的電流互感器測(cè)得數(shù)據(jù)增大及按一定周期擺動(dòng)，安置于定子上的電流互感器測(cè)得數(shù)據(jù)增大，扭距傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)低于額定值）。（8）設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝部位松動(dòng)此故障表現(xiàn)出電機(jī)振動(dòng)劇烈，但三相電流大小和平衡情況正常，并且波動(dòng)不打。既可以用

39、振動(dòng)傳感器及電流互感器測(cè)得數(shù)據(jù)并使保護(hù)動(dòng)作（振動(dòng)傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)超過(guò)額定值很多，電流互感器顯示數(shù)據(jù)正常）。（9）轉(zhuǎn)子掃膛 振動(dòng)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(dòng)，振動(dòng)傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或周期性變動(dòng)，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(zhuǎn)子或定子鐵芯松動(dòng) 振動(dòng)傳感器顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，波動(dòng)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(dòng)， 溫度傳感器大于額定值。則為鐵芯松動(dòng)。保護(hù)動(dòng)作。（12）轉(zhuǎn)軸損壞或彎曲 振動(dòng)傳感器顯示數(shù)據(jù)波動(dòng)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

40、值的范圍內(nèi)波動(dòng)。電流互感器顯示數(shù)據(jù)較大。則為轉(zhuǎn)軸損壞或彎曲，保護(hù)動(dòng)作。（13）機(jī)殼帶電 有零序電流產(chǎn)生。3.3 數(shù)據(jù)采集本文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(dòng)傳感器。三相鼠籠式異步電機(jī)所采集的信號(hào)分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N信號(hào)，數(shù)字量信號(hào)包括斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備的輔助接點(diǎn)以及其他繼電器接點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，或者來(lái)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(guò)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(duì)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、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)轉(zhuǎn)換

41、，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(chēng)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(cè)量精確度等性能都與該電路有關(guān)。3.3.1保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集綜合保護(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420mA的電流信號(hào)或15V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，對(duì)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)。3.3.2傳感器的選型 傳感器所輸出的信號(hào)必須滿足模擬量輸入模塊所需的的信號(hào)，例如電流信號(hào)

42、為0-20mA；4-20mA，電壓信號(hào)為0-5V或0-10V。 根據(jù)所選電機(jī)型號(hào)及其屬性，要選擇相應(yīng)的傳感器，Y2-180M-2電壓為380V，電流為41A。本文以西門(mén)子EM231作為模擬量輸入模塊，EM231輸入信號(hào)單極性：電流信號(hào)：020mA或420mA；電壓信號(hào)：010V或05V；雙極性：5V，10V。所以傳感器型號(hào)：溫度傳感器：TR/02013測(cè)量范圍：-50400輸出信號(hào)：420mA；010V；05V振動(dòng)傳感器：HSBG-V3200-A使用環(huán)境：-35200頻率響應(yīng)：0.51000Hz輸出信號(hào)：420mA扭矩傳感器：KR-801測(cè)量范圍：0NmNm適應(yīng)溫度：-2060輸出信號(hào)：420

43、mA第四章 可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 可編程控制器雖然是以微機(jī)技術(shù)為核心的一種控制裝置，但其工作方式與微機(jī)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(zhì)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(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)時(shí)可采用硬件與軟件并行開(kāi)發(fā)的方法，這樣可以加快整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及原則如下：4.1.1可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)原則可編程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括PLC的選型、輸入/輸出設(shè)備選擇、控制柜的設(shè)計(jì)及各種圖形的繪制等。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則有如下幾方面。（1）充分發(fā)

44、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(jì)實(shí)用、操作方便。（3）保證控制系統(tǒng)安全可靠。（4）控制系統(tǒng)要具有可擴(kuò)展性。4.1.2可編程控制器的軟件設(shè)計(jì)原則 可編程控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)就是編寫(xiě)出能滿足生產(chǎn)控制要求的PLC用戶(hù)應(yīng)用程序，即繪制出梯形圖、編制出指令語(yǔ)句表。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則有如下兩方面。（1）邏輯關(guān)系簡(jiǎn)明、易讀、易改。（2）少占內(nèi)存空間，減少掃描時(shí)間。4.2可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟在改造老設(shè)備或設(shè)計(jì)新控制系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)以可編程控制器為核心的控制系統(tǒng)，必須要考慮三個(gè)問(wèn)題：一是保證設(shè)備的正常運(yùn)行；而是合理、有效的資金投入；三是在滿足可靠性和經(jīng)濟(jì)性的前提

45、下，應(yīng)具有一定的先進(jìn)性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化擴(kuò)展部分功能。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的控制系統(tǒng)，選擇負(fù)荷控制要求的可編程控制器機(jī)型，是可編程控制器應(yīng)用中的關(guān)鍵兩點(diǎn)。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟一般按下述幾個(gè)步驟進(jìn)行。1分析被控對(duì)象，明確控制要求。2制定電氣控制方案。3確定輸入/輸出設(shè)備及信號(hào)特點(diǎn)。4選擇可編程控制器。5分配輸入/輸出點(diǎn)地址。6設(shè)計(jì)電氣線路。7設(shè)計(jì)控制程序。8調(diào)試。 9技術(shù)文件整理。4.3 PLC機(jī)型選擇及擴(kuò)展 選擇PLC機(jī)型應(yīng)考慮兩個(gè)問(wèn)題8：（1）PLC的容量應(yīng)為多大。（2）選擇什么公司的PLC及外設(shè)。 基于PLC的電動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。如下圖，準(zhǔn)備開(kāi)機(jī)時(shí)

46、，按下開(kāi)機(jī)按鈕后，首先檢測(cè)斷路器狀態(tài)，如果斷路器初始狀態(tài)為閉合，電機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，并且聲光報(bào)警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開(kāi)，斷路器合閘，電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中，若發(fā)生故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。啟動(dòng)完成后，“電機(jī)開(kāi)/關(guān)指示燈”亮，電機(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中，PLC依次循環(huán)檢測(cè)電機(jī)是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過(guò)負(fù)荷、過(guò)電流等故障，若有發(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(kāi)/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。 圖4.1 PLC系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖可知，此系統(tǒng)為集中控制系統(tǒng)，而且為單臺(tái)控制方式。所需存儲(chǔ)

47、容量較小，所需I/O接口較少。在本設(shè)計(jì)中一共包含32路開(kāi)關(guān)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(shè)備以滿足您的自動(dòng)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(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的外殼中形成功能強(qiáng)大的 Micro PLC。 下載用戶(hù)程序后，CPU 將包含監(jiān)控應(yīng)用中的輸入和輸

48、出設(shè)備所需的邏輯。CPU 具有不同型號(hào)，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(hù)針對(duì)不同的應(yīng)用創(chuàng)建有效的解決方案9。 以下顯示 CPU 的不同型號(hào)。 表4.1 CPU型號(hào)型號(hào)S7-221S7-222 CNS7-224 CNS7-224XP CNS7-226 CN內(nèi)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(30KHz)支持A/B模式脈沖輸

49、出2(20KHz)2(20KHz)2(20KHz)2(100KHz)2(20KHz) CPU 根據(jù)用戶(hù)程序控制邏輯監(jiān)視輸入并更改輸出狀態(tài)，用戶(hù)程序可以包含布爾邏輯、計(jì)數(shù)、定時(shí)、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其它智能設(shè)備的通信。 S7-200 SMART 結(jié)構(gòu)緊湊、組態(tài)靈活且具有功能強(qiáng)大的指令集，這些優(yōu)勢(shì)的組合使它成為控制各種應(yīng)用的完美解決方案。S7-200 CPU226集成24輸入/16輸出共40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248路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)；26K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；2個(gè)

50、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(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能，可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，結(jié)合以上特點(diǎn)，SIMATIC S7-200 CPU226完全可以作為本系統(tǒng)的主機(jī)。CPU226可擴(kuò)展7個(gè)模塊，而其自身具有24輸入/16輸出共40點(diǎn)數(shù)字量，因此已無(wú)須數(shù)字量輸入擴(kuò)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、EM235等模擬量擴(kuò)展模塊。本設(shè)計(jì)中可

51、選擇EM231 4輸入模擬量擴(kuò)展模塊一個(gè)，EM231 8輸入模擬量擴(kuò)展模塊一個(gè)，EM223數(shù)字量16輸入16輸出擴(kuò)展模塊一個(gè)。第五章 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的方案控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、機(jī)型的性能指標(biāo)和各種功能模塊的選擇對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要的問(wèn)題。硬件設(shè)計(jì)不但構(gòu)建了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件部分，還為軟件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。另外在完成了系統(tǒng)硬件選型之后，還要進(jìn)行系統(tǒng)供電和接地設(shè)計(jì)，這也是工程應(yīng)用中的重要一環(huán)。（1）.PLC控制系統(tǒng)類(lèi)型 由PLC構(gòu)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(shè)計(jì)中PLC控制系統(tǒng)類(lèi)型為集中控制系統(tǒng)。（2）.系統(tǒng)的運(yùn)行方式 用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)有自

52、動(dòng)、半自動(dòng)、單步和手動(dòng)四種運(yùn)行方式。本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)運(yùn)行方式為自動(dòng)運(yùn)行方式。（3） .I/O點(diǎn)數(shù)和種類(lèi) 根據(jù)工藝要求，設(shè)備狀況和控制功能，可以對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)形成一個(gè)初步的方案。于是就可以對(duì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和種類(lèi)作出較精確的統(tǒng)計(jì)。5.2 I/O地址的分配 本文共涉及到30路開(kāi)關(guān)量和9路模擬量。如下表所示，為本設(shè)計(jì)中I/O點(diǎn)的分配。 表5.1 輸入/輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)及I/O地址分配開(kāi)關(guān)量地址模擬量地址輸入啟動(dòng)按鈕(SB1)I0.0Ia(a相電流)AIW0Ib(b相電流)AIW2停止按鈕(SB2)I0.1Ic(c相電流)AIW4I0(零序電流)AIW6電動(dòng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)I0.2Ua(a相電壓)AIW8Uc(c相

53、電壓)AIW10報(bào)警復(fù)位按鈕（SB3）I0.3溫度傳感器AIW12振動(dòng)傳感器AIW14扭矩傳感器AIW16輸出電動(dòng)機(jī)啟/?？刂?KJQ0.0無(wú)電機(jī)狀態(tài)指示燈Q0.1電機(jī)開(kāi)/關(guān)指示燈Q0.2警報(bào)器Q0.3短路故障指示燈Q0.4斷相故障指示燈Q0.5欠壓故障指示燈Q0.6兩項(xiàng)接地故障指示燈Q0.7單項(xiàng)接地故障指示燈Q1.0過(guò)負(fù)荷故障指示燈Q1.1過(guò)壓指示燈Q1.2轉(zhuǎn)子斷條指示燈Q1.3轉(zhuǎn)子掃膛指示燈Q1.4設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝松動(dòng)指示燈Q1.5軸承損壞或缺油指示燈Q2.0轉(zhuǎn)子或定子鐵芯故障指示燈Q2.1轉(zhuǎn)軸損壞指示燈Q2.2機(jī)殼帶電指示燈Q2.3A1Q2.4B1Q2.5C1Q2.6D1Q2.7A2Q3.0

54、B2Q3.1C2Q3.2D2Q3.3變量寄存器符號(hào)地址注釋IaVD100a相電流IbVD104b相電流IcVD108c相電流ImaxVD112三相短路電流Iop1VD116短路保護(hù)動(dòng)作整定值UaVD120a相電壓UcVD124c相電壓UopVD128欠壓保護(hù)動(dòng)作整定值I0VD132零序電流Iop2VD136接地保護(hù)動(dòng)作整定值IVD140到達(dá)整定時(shí)限后的電流值Iop3VD144過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作的整定值WopVD148溫度傳感器整定值NopVD152扭矩傳感器整定值ZopVD156振動(dòng)傳感器整定值5.3 輸入/輸出電路（1）.輸入電路在生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中，常用的輸入信號(hào)有開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量和模擬量等。若為開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，應(yīng)注意開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率。當(dāng)頻率較高時(shí)，應(yīng)選用高速計(jì)數(shù)模塊。若為數(shù)字量輸入信號(hào)，應(yīng)合理選擇電壓等級(jí)。電壓等級(jí)一般可分為交、直流24V，交、直流120V和交、直流230V或使用TTL或與TTL兼容的電平。若為模擬量信號(hào)，應(yīng)首先