电气工程及其自动化毕业设计：基于PLC的电机故障诊断系统设计.doc

1、 本科 毕业设计 基于 PLC 的电机故障诊断系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘要 本文主要首先介绍了国内电机故障诊断系统的发展状况和存在的问题，以及 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状，并简单地介绍了故障诊断方法。然后 介绍了可编程控制器的由来、发展历程和发展前景。从控制规模、结构形式和功能三方面对 PLC 进行了分类，介绍了 PLC的组成，以及部分系统模块和模块的估算和选择，确定电源的选择，并设计了系统电源。设计了一种基于 PLC 电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子 S7-200 PLC 以及同类

2、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。当 准备开机时，按下开机按钮后，首先检测的是断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机则无法启动，并且进行声光报警。如果 断路器的初始状态为断开，则断路器合闸，电机并开始启动。在启动过程中，若发生一级故障， PLC 则会进行相应的保护动作。待启动成功之后，“电机开 /关指示灯”保持明亮，电机保持正常运行状态。在点击正常运行过程中， PLC 会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 则会进行相应保护动作。关机时，

3、PLC 接到关机命令之后，断路器首先跳闸，“电机开 /关机指示灯”熄灭。故障声光报警之后，按“报警复位按钮”复位即可复位。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 - 1 - Abstract This paper firstly introduces the domestic electrical fault diagnosis system development situation and existing problems, and PLC application in fault diagnosis system developme

4、nt present situation, and simply introduces the fault diagnosis method. And then introduced the programmable controllers origin, development and development prospects. From the control scale, structure and function of fractional, the classification of PLC is introduced, and the composition of the pa

5、rt of PLC system modules and module estimated and choice, sure power choice, and design the system power supply. Design a fault diagnosis system based on PLC motor design, detailed introduces the selection of Siemens s7-300 PLC and the same type of 200 S7-300, s7-400plc, according to the design requ

6、irements of PLC input/output I/O, and compile the distribution of the system operation ladder diagram. When ready to boot, press boot button, the first detection circuit breaker state, if the breaker is the initial condition is closed, motor, and is unable to start sound-light alarm. If the breaker

7、initial condition is disconnected, then the breaker, motor and start. At startup process, if produce level 1 fault, PLC will make corresponding protection movement. To start after he succeeded, “motor on/off lights“ maintain bright, motor to keep the normal operation condition. In normal operation p

8、rocess, click PLC will be ordinal cycle detection if motor happen alternate with short circuit, broken phase, low voltage, phase-to-ground, overload, over-current, if there are other failures occur, PLC will corresponding protection movement. Shutdown, PLC, after receiving shutdown command, “motor c

9、ircuit breaker first trip to open/shutdown indicator“ put out. Fault sound-light alarm, according to “after police reset button“ reset can reset. This design selection of subject is based on PLC, motor fault diagnosis system design. Keywords: fault diagnosis； PLC； Motor- 1 - 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 PLC

10、应用于故障诊断系统的发展现状 . 1 1.2 故障诊断方法 . 1 第 2 章 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 . 2 2.1 PLC 的由来和发展历程 . 2 2.2 PLC 控制系统的发展前景 . 2 2.3 可编程控制器 PLC 的分类 . 3 2.3.1 按 PLC 控制规模分类 . 3 2.3.2 按 PLC 的结构形式分类 . 3 2.3.3 按 PLC 功能分类 . 3 2.4 PLC 的组成 . 4 2.4.1 CPU . 4 2.4.2 存储器 . 4 2.4.3 I/O 单元电 路 . 4 2.4.4 电源 . 4 2.4.5 其他设备 . 4 2.4.6 PLC 的通

11、信网络 . 5 2.5 PLC 的系统模块的估算与选择 . 5 2.5.1 输入输出点数的估算与选择 . 5 2.5.2 存储器容量的估算与选择 . 5 2.5.3 电源的选择 . 5 第 3 章 电机故障诊断系统设计与 PLC 选取 . 7 3.1 PLC 的选取及介绍 . 7 3.1.1 S7-200PLC . 7 3.1.2 S7-300PLC . 7 3.1.3 S7-400PLC . 7 3.1.4 工业通信网络 . 8 3.1.5 人界界面硬件 . 8 - 2 - 3.1.6 SIMATIC S7 . 8 3.2 S7-200 系列 PLC 的配置 . 9 3.2.1 S7-200

12、PLC 基本单元 . 9 3.2.2 扩展单元 . 9 3.2.3 个人计算机或编程器 . 10 3.2.4 程序存储卡 . 10 3.2.5 编程 /通信电缆及人机界面 . 10 3.3 系统框图 . 10 第 4 章 电机故障诊断系统设计 . 12 4.1 电机故障的分类 . 12 4.1.1 转动部分不平衡 . 12 4.1.2 机械部分故障 . 12 4.1.3 电磁方面故障 . 12 4.2 故障诊断程序设计 . 13 4.2.1 故障点的记录 . 13 4.2.2 多次故障事件的记录 . 14 4.2.3 模拟量故障的诊断 . 14 4.2.4 各种故障信息的串行通信 . 14 4

13、.3 借鉴专家系统故障诊断方法的实现 . 15 4.3.1 专家系统方法 . 15 4.3.2 对象类型与推理节点 . 16 4.3.3 故障节点的检测方式 . 16 4.3.4 各节点的注释 . 16 结论 . 17 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 18 1 第 1 章 绪论 1.1 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状 对现代工业的远程监控、故障诊断技术是近几年来研究的热点。但统计显示大多数的故障都是一般性故障，所以在解决常见以及多发故障时，尤其是在需要快速解决，甚至是需要在某些故障状态保证运行时， PLC 作为一种成熟稳定且可靠的控 制器，现在已经在工业控制中得到了越来越广

14、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 通常情况下故障诊断有两种方法：故障树方法和专家系统方法。故障树方法是利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，发现错误的输出对应地找到可能的输入错误。这种办法通常应用于系统结构相对简单，各部 分耦合少的情况。另外一种办法专家系统方法则是通过建立系统故障的知识库与推理机，计算机依据现场的数据依靠知识库和推理机进

15、行深入的逻辑推理，最终找出相应的故障的原因。这种方法主要适用于系统结构复杂，各部分耦合强的较大型工业系统。 PLC是现在应用非常多的一种控制装置，利用 PLC丰富的内部资源以及其强大的功能指令，进行编制故障检测报警程序，不仅可以替代传统继电器能实现的相应功能，还可以提高工作可靠性以及其系统的灵活性。 2 第 2 章 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 2.1 PLC 的由来和发展历程 在 PLC 问世之前，工业控制领域中是继电器控制系统占据领导地位，但是这种继电器控制系统也存在明显致命的缺点：耗能多、体积大、可靠性不佳、寿命短、运行速度慢、适应性差。特别是当生产工艺突然发生变化时，就必须要重新

16、设计、重新安装，造成了时间和资金的巨大浪费。正是为了改变这一现状， 1968 年美国最大的汽车制造商通用汽车公司，提出要研发一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，并开始对外招标。根据招标要求，1969 年美国数字设备公司研制出世界上第一台 PLC，从而开创了工业控制新时期。从此，可编程 控制器这一新的控制技术迅速发展起来。 上世纪 80 年代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力等方面的能力得到大幅度地提高， PLC 并逐渐进入过程控制领域，在某些领域上取代了一直在过程控制

17、领域处于统治地位的 DCS 系统。 虽然 PLC 只有 40 多年的历史，但其发展势头异常迅猛，年增长率一直保持在 30%-40%的这种水平，成为当今增长速度最快的工业控制器。期间， PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力 等方面的能力得到大幅度地提高， PLC 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了一直在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。控制类产品市场 PLC 的占有率已超过 50%，而且保持着 10%15%的发展速度。 PLC 具有可靠性搞、抗干扰能力强、通用性强、灵活性好、功能齐全、编程简单、使用方便、模块化结构、安装简便、调试方便等优点。 PLC 在工

18、业自动化控制特别是顺序控制中，在可预见的未来，是无法取代的。 2.2 PLC 控制系统的发展前景 现在 , 已经研发出了性能比 PLC 更好更优越的 DCS 和 FCS 两种控制系统 , 并 且 PLC 控制系统也终将会被先进的控制系统 - FCS -所取代 ,但是从现在的情况来看，今后相当长的一段时间内 , PLC 控制系统还是会与先进的控制系统 DCS 和 FCS 共同存在 ,其原因主要有以下几方面 :(1) 企业的发展方向和需求。现在大多数的企业都在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展 ,但这并不等于要将现有 PLC 控制系统推倒重来。由于现代企业已经投入了大量的人力和财力才形成的 PL

19、C 控制系统已经成型 ,如果要完全推倒重来再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统 ,不仅是重新需要大量资金的投入 ,还照成 原来可利用资源的巨大浪费。 (2) 市场需求来决定。由于目前市场的需求 ,很多软件厂商 (例如 : 华富惠通软件公司 ) 都在考虑如何将现在已经成型的 PLC 控制系统以及新建的厂级网络 ,以及开发控制系统所使用软件 ,来满足企业实现工厂自动化、信息化 ,从而可以为企业或工厂提供控制系统与管理网络的集成。 (3)PLC的功能和优点来决定。 PLC 具有可靠性搞、抗干扰能力强、通用性强、灵活性好、功能齐全、编程简单、使用方便、模块化结构、安装简便、调试方便等优点， PLC

20、 的功能增强、结构优化 , IO 模块趋向智能化和分散化 ,编程工具和 编程语言更具标准化和高级化。 (4) PLC 的联网通信能力比较强 , 正在向高速化、层次化、信息化、可靠化及开放化的方面发展。 (5) 现在的 PLC 系统与 DCS 技术、现场总线 IO 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 正在向着功能化、集成化、智能化、标准化、开放化等多方面方向发展 ,故 PLC 虽然面临其它先进自动化控制系统的挑战 ,但与此同时 PLC控制3 系统也在吸收它们的优点 , 彼此间互相融合 ,不断创新 ,在今后可预见的一段时间内 PLC 控制系统将

21、与其它先进控制系统 共同存在 ,共同发展。 2.3 可编程控制器 PLC 的分类 PLC 产品种类繁多，所以其性能和规格也各不相同，通常根据其控制规模的不同、结构形式的不同和功能的差异等进行分类。 2.3.1 按 PLC 控制规模分类 按照 PLC 的控制规模分类，可分为小型机、中型机和大型机。 一般情况下控制点数在 256 点以下的是小型机，用户程序存储器的容量不大于于 8K 字。通常小型机适用场合为：单机控制场合和小型控制场合，在通信网络中通常作为从站来使用。在小型机中，通常将控制点数小于 64 点的机型称为微型 PLC 或者超小型机。 中型机的控制点 数是在 256 点到 2048 点范

22、围之间，用户程序存储器的容量小于 50K 字。中型机相比小型机来说，控制点数较多、控制功能强，所以常用于中兴控制场合，在通信网络中可视实际情况作为主站或者作为从站。 大型机的控制点数一般都是在 2048 点以上，用户程序存储器的容量达 50K 以上。大型机相比前两者来说控制点数更多、功能更强、运算速度更快，常用于大型控制场合，在通信网络中一般常作为主站来适用。 但以上分类又没有十分严格的界限，随着 PLC 技术的飞速发展，这些界限也会发生相应的变更。 2.3.2 按 PLC 的结构形式分类 按照 PLC 的结构类型分类，可分为整体式、模块式和叠装式三类。 整体式 PLC 是将电源、 CPU、

23、I/O 部件都集中在一个机箱内，其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型 PLC 采用这种结构。整体式 PLC 由不通 I/O 点数的基本单元和拓展单元组成。基本单元内有 CPU、 I/O 和电源。扩张单元内只有 I/O 和电源。整体式 PLC 一般配备具有特殊功能单元，是 PLC 的功能得意扩展。 模块式 PLC 结构是将 PLC 各部分分成若干个单独的模块，如电源模块、 CPU 模块、 I/O 模块和各种功能模块。模块式 PLC 由机架和各种模块组成。模块插在机架内的插座上。 模块式PLC 配置灵火，装配方便，便于扩展和维修。一般大中型 PLC 宜采用模块式结构。 叠装式 PLC 是将整体式和

24、模块式结合起来。它除了基本单元外还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较方便。叠装式 PLC 集整体式 PLC 和模块式 PLC 优点于一身，它结构紧凑、体积小、配置灵活、安装方便。西门子公司的 S7-200PLC 就是叠装式。 2.3.3 按 PLC 功能分类 按照 PLC 的功能分类，可分为低档机、中档机和高档机。 低档机，主要功能是逻辑运算、计时、计数、移位以及自诊断、监控等，主要用于顺序控制、逻辑控制或少量模拟量的单机控 制系统。 中档机，除具有低档机的基本功能以外，还有较强的模拟量处理、数值运算、数值的比较与传送、远程 I/O 及联网通信等多种功能。而且有些中档机还可增设中断控制、 PI

25、D 控制等功能，其一般适用于较为复杂的控制系统中。 高档机，除具有中档机的功能外，增设有带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、以及其他特殊功能运算，如制表、表格传送等功能。高档机具有更强的通信联网能力，可用于远程大规模过称控制，构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 4 2.4 PLC 的组成 PLC 的主要由 CPU、存储器、 I/O 单元电路、电源和其他设 备等设备组成，并且它们之间又有不通的结构和功能。 2.4.1 CPU CPU 是 PLC 的核心组成部分，在 PLC 的系统中它通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、 I/O 接口等连击，在整个系统中起到类似人体神经中枢的作用，来

26、协调控制整个系统。 CPU 只要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可或缺的组成单元。控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令和执行指令。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控 制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结构，它也是在控制器的指挥下工作 1。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度， IO 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 2.4.2 存储器 PLC 系统中的存储器主要可分为两类，其中一类是系统程序存储

27、器，另外还有一类就是用户存储器。 系统程序存储器，用来固化 PLC 生产厂家在研制系统时编写的各种系统工作程序。系统程相当于个人计算机的操作系统，决定了 PLC 具有的基本智能，并在不断地加以改进，以提高性价比，增强市场竞争力。 用户存储器 ，用来存放从编程器或个人计算机输入的用户程序和数据，因而又包括用户程序存储器和数据存储器两种。用户存储器的内容由用户根据控制需要可读可写，可任意修改、增删；另一方面在一定时期内又具有相对稳定性，所以适宜使用 EPROM、 EEPROM、 FLASH MEMORY 或带后备电池的 CMOS RAM 来储存用户程序，在 PLC 技术指标中的内存容量就是指用户存

28、储器容量，是 PLC 的一项只要指标，内存容量一般以“步”为单位。 2.4.3 I/O 单元电路 I/O 单元电路是 CPU 与现场输入、输出装置和其他外部设备之间的连接接口部件。输 入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接受和识别的低电压信号，送给中央处理器进行运算；输出单元是将中央处理器输出的低电压信号变换为控制器件所能接受的电压、电流信号，以驱动信号灯、电磁阀、电磁开关等 2。 通常，输入单元类型有：直流、交流和交直流输入单元；输出单元类型有：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。 2.4.4 电源 电源模块是 PLC 的电源供给部分。它的作用是

29、把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。根据型号的不同，有的采用交流供电，有的采用直流供电 。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持 RAM 在外部电源断电后存储的内容不丢失。 PLC 的电源一般采用开关电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量起、效率高、抗干扰性能好。 2.4.5 其他设备 其他设备主要有编程器和人机界面。是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，它的作用是用来编写、输入和编辑用户程序，但它不直接参与现场控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就是我们5 系统的上位机。人机界面主要由键盘、

30、显示器、工作方式选择开关及外存插 口等部件组成，可以在线监视可编程控制器运行时各种元器件的工作状态，查找故障，显示出错信息。目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端越来越广泛，由计算机充当人机界面非常普及。 2.4.6 PLC 的通信网络 在科技迅速发展的今天，依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据，所以网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著。 PLC 具有通信联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、 PLC 与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数 PLC 具有 RS-232 接口，还有一些内置有支持各自通信协

31、议的接口。 PLC 的通信现在主要采用通过多点接口（ MPI）的数据通讯、 PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 2.5 PLC 的系统模块的估算与选择 通常在 PLC 的系统设计时，第一步就是要确定控制方案，然后就是 PLC 工程设计选型，工艺流程的特点和要求是设计选型的主要依据。工程设计时应该详细地分析工艺过程的各个环节的特点和控制要求，确定控制范围和任务以及所需要进行的控制操作，和求价格比的 PLC和设计相应的控制系统最后选择有较高性能价估算输入输出点数、所需存储器容量。 估算好相应的模块之后，就要进行相应模块的选择。包括输入输出模块、存储器和电源的估算与选择。 2.5.1 输入输出

32、点数的估算与选择 对 I/O 点数进行估算时应当充分考虑适当的余量，一般情况下是根据统计的输入输出点数，在其基础之上再增加 10% 20%的可扩展余量，作为输入输出点数实际估算数据来使用。在实际订货时，还需根据制造厂商 PLC 的产品特点，对输入输出点数进行调整。 输入输出模块的选择应当充分考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，首先 应当考虑所选用的输出模块类型，不同的模块类型的特点不同；通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关使用频繁，电感性低功率因数负荷场合

33、，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，但要保持与应用要求一致。可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本 3。考虑是否需要扩展机架或远程 I/O 机架等。 2.5.2 存储器容量的估算与选择 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元的大小，程序容量 是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在设计初期，因为用户得应用程序还未编制，所以，程序容量在设计初期是不能确定的，只有在程序调试之后才能知道 4。但为了在设计选型时能对程序容量有一定估算，一般情况下是采用对存储器容量的估算来替代。 由于计算机集成芯片技术的不断发展，存储器的价格一直在下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求 PLC 的存储器容量，按 256 个 I/O 点至少选 8K 存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。 2.5.3 电源的选择 PLC 的供电电源，除了引进设备时同时引进 PLC 应根据产品说明书要求设计和选用外，一般 PLC 的供电电源应设计选用 220VAC 电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用