畢業(yè)論文---基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設計

1、-德州學院 機電工程系 2012屆 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計） 編號: 畢業(yè)論文(設計)題 目 基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設計 指導教師 賀廉云 學生姓名 周峰 學 號 201021703041 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 教學單位 德州學院機電工程系 時 間 2012年4月15日德州學院畢業(yè)論文（設計）開題報告書 2012年 4月 15日院（系）機電工程系專業(yè)機械式及制造及其自動化姓 名周峰學號201021703041論文（設計）題目基于PLC的電機故障系統(tǒng)設計一、選題目的和意義目的：絞車是配套鉆機來使用的，適用于各種井下作業(yè)。但是，在使用過程中，電子剎車經(jīng)常出現(xiàn)故障，自

2、動暴死，電機出現(xiàn)空轉(zhuǎn)容易燒壞。為了避免電機燒壞和人員傷亡，在絞車上安裝了PLC檢測系統(tǒng)。因此， 本文簡單介紹了國內(nèi)電機故障診斷系統(tǒng)設計，以及存在問題，同時介紹了可編程控制器的工作原理，選型依據(jù)。設計了一種基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)設計，詳細介紹了所選用的西門子S7-200 PLC以及同類型的S7-300 S7-400PLC，根據(jù)設計要求對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進行相應的

3、保護動作。啟動完成后，“電機開/關指示燈”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進行相應保護動作。關機時，PLC接到關機命令后，斷路器跳閘，“電機開/關機指示燈”滅。故障聲光報警后，按“報警復位按鈕”復位。本設計選題就是基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設計。二、本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1、國內(nèi)外PLC發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：PLC自問世以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。世界總銷售額不斷上升、生產(chǎn)廠家不斷涌現(xiàn)、品種不斷翻新。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價格則不斷下降。目

4、前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)PLC，較有名的：美國：AB通用電氣、莫迪康公司；日本：三菱、富士、歐姆龍、松下電工等；德國：西門子公司；法國：TE 施耐德公司；韓國：三星、LG公司等。我國的PLC產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)經(jīng)歷了三個階段：1、順序控制器（19731979）2、以微處理器為主的工業(yè)控制器（19791985）3、以微處理器為主的可編程序控制器（1985以后）。在對外開放政策的推動下，國外PLC產(chǎn)品大量進入我國市場，一部分隨成套設備進口。隨著不斷的學習與不斷開拓的精神，現(xiàn)在，我國自主生產(chǎn)的PLC在國內(nèi)的各行各業(yè)也有了極大的應用，技術含量也越來越高。PLC的發(fā)展趨勢：（1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個方

5、向發(fā)展大：I/O點數(shù)達14336點、32位為微處理器、多CPU并行工作、大容量存儲器、掃描速度高速化。?。河烧w結(jié)構(gòu)向小型模塊化結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，降低了成本。（2）PLC在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛（3）不斷加強通訊功能（4）新器件和模塊不斷推出高檔的PLC除了主要采用CPU以提高處理速度外，還有帶處理器的EPROM或RAM的智能I/O模塊、高速計數(shù)模塊、遠程I/O模塊等專用化模塊。（5）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化有各種簡單或復雜的編程器及編程軟件，采用梯形圖、功能圖、語句表等編程語言，亦有高檔的PLC指令系統(tǒng)。（6）發(fā)展容錯技術采用熱備用或并行工作、多數(shù)表

6、決的工作方式。（7）追求軟硬件的標準化。2、PLC應用于故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展現(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)控制中得到了越來越廣泛的應用。PLC系統(tǒng)的設計直接影響著工業(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)故障時及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。 3、故障診斷方法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

7、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)在應用較多的一種控制裝置，利用PLC豐富的內(nèi)部資源及強大的功能指令，編制故障檢測報警程序，不僅可以替代繼電器實現(xiàn)相應功能，還可以提高工作可靠性及其系統(tǒng)的靈活性。三、課題設計方案 主要說明：研究（設計）的基本內(nèi)容、觀點及擬采取的研究途徑和方法?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Logical Controller）是20世紀70年代以來以微處理器為核心，綜合計算機技術，自動控制技術和通信技術發(fā)展

8、起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，由于它具有功能強，可靠性高，配置靈活，使用方便以及體積小，重量輕等它的優(yōu)點，使其在自動化控制的各個領域得到了廣泛的應用。近年來由于微電子技術的發(fā)展和進步，使具有完全功能的超大規(guī)模集成電路的價格日趨便宜，同樣也促進可編程控制器成本大大降低，對于采用可編程控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器接觸器電氣控制的系統(tǒng)來改造傳統(tǒng)機床，無論從經(jīng)濟上，還是可靠性，維修性，工作壽命上來說，都是十分經(jīng)濟和劃算的，也是可行的優(yōu)選方案。鑒于以上原因，本文設計了一個基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)。本文采用的機型是德國西門子S7-200系列PLC。 型 號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU2216

9、4S7-200CPU222862個擴展模塊78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點S7-200CPU22414107個擴展模塊168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU22624162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU226XM24162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點四、計劃進度安排 主要說明：起止時間及分階段的進度要求。2011.121-2011.12.31 完成開題報告并提交2012.1.1-2012.3.30 上查詢相關資料、進行課題研究，在已完成研究的基礎，撰寫畢業(yè)論文初稿。2012.4.1-2012.

10、4.15 提交初稿和期中檢查表2012.4.16-2012.4.30 根據(jù)指導教師的修改意見進行論文修改，并最終定稿。2012.5.4-2012.5.10 將打印的論文交指導教師，由指導教師寫評語，并由評閱教師進行評閱，根據(jù)評閱教師意見，進一步修改論文，準備答辯。2012.5.15-2012.5.28 畢業(yè)論文答辯五、主要參考文獻（只列出最重要的56種）1 張進秋.可編程控制器原理及應用實例.機械工業(yè)出版社M.20052 李名雨.電機與電器.北京理工大學出版社M.19983 高和.可編程控制器應用技術與設計實例.人民郵電出版社M.20044 韓常.PLC編程及應用.機械工業(yè)出版社M.2005.

11、30405 PLC機電控制系統(tǒng)應用設計技術。電子工業(yè)出版社M.20066 郝鴻安.常用模擬集成電路應用手冊M.人民郵電出版社.1991指導教師意見及建議： 簽名： 年月日教學單位領導小組審批意見：   組長簽名： 年月日德州學院畢業(yè)論文（設計）中期檢查表院(系)： 機電工程系 專業(yè)：機械設計制造及自動化 2012-4-15 畢業(yè)論文題目：基于PLC的電機故障系統(tǒng)設計學生姓名周峰學 號 201021703041指導教師 賀廉云職 稱教授計劃完成時間： 2012年4月15日畢業(yè)論文（設計）的進度計劃： 2011年112012年1月 查閱相關資料，進

12、行課題研究 2012年1月2012年2 對于PLC的電機故障進行設計，搞清楚故障原因 2012年3月-2012年4月 在以研究的基礎上，撰寫論文初稿    完成情況：到現(xiàn)在為止，我通過上網(wǎng)查閱資料，了解到PLC的常見故障排除方法，對電機故障的排除有了更深的了解。     指導教師評議（指出優(yōu)點和不足，如有其它建議，可另附頁）    簽 名： 年 月 日備 注：目 錄第一章緒論.11.1 PLC應用于故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.11.2故障診斷法.1第二章 PL

13、C原理介紹及設備總體結(jié)構(gòu)介紹. .12.1 PLC發(fā)展歷程. 22.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景.2.3可編程序控制器PLC的分類. 32.4 PLC的系統(tǒng)模塊. 3 2.5 PLC的選型方法.4第三章 電機故障診斷系統(tǒng)設計以及PLC的選取.7 3.1 PLC的選取及介紹. .8 3.2系統(tǒng)框圖.9第四章 電機故障診斷系統(tǒng)設計.114.1電機故障等級分類.124.2 故障診斷程序設計. 系統(tǒng)電源設計.16 5.1 供電電源.17第六章 結(jié)論.18致謝 .19參考文獻.20基于PLC的電機故障系統(tǒng)設計周峰（德州學院機電系，山東德州 2530230）摘要 ：設計了一種基于PLC電機故障診斷系統(tǒng)設

14、計，詳細介紹了所選用的西門子S7-200 PLC以及同類型的S7-300 S7-400PLC，根據(jù)設計要求對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進行相應的保護動作。啟動完成后，“電機開/關指示燈”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進行相應保護動作。關機時，PLC接到關機命令后，斷路器跳閘

15、，“電機開/關機指示燈”滅。故障聲光報警后，按“報警復位按鈕”復位。本設計的選題就是基于PLC的電機故障診斷系統(tǒng)設計。關鍵詞： 故障診斷 PLC 電機 第一章 緒論1.1 PLC應用于故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展現(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)控制中得到了越來越廣泛的應用。PLC系統(tǒng)的設計直接影響著工業(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)故障時及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。 1.2故障診斷方法故障診斷一般有兩種途徑:故障樹方法和專家

16、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。PLC是現(xiàn)在應用較多的一種控制裝置，利用PLC豐富的內(nèi)部資源及強大的功能指令，編制故障檢測報警程序，不僅可以替代繼電器實現(xiàn)相應功能，還可以提高工作可靠性及其系統(tǒng)的靈活性。第二章 PLC原理介紹及設備總體結(jié)構(gòu)介紹2.1 PLC發(fā)展歷程在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼

17、電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。 個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為3040%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制

18、領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。國控制類產(chǎn)品市場PLC的占有率已超過50% , 而且保持著10% 15% 的發(fā)展速度。2.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景現(xiàn)在, 雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的 DCS 和 FCS 控制系統(tǒng), PLC 控制也終將會被先進的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相當長的一段時間, PLC 還會與 DCS 和 FCS 共存,這主要基于以下原因:(1) 現(xiàn)在企業(yè)的確正在朝著自動化、信息化、開放化的方向發(fā)展,但這并不意味著要

19、將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來。企業(yè)投入大量的人力和財力建立起來的 PLC 控制系統(tǒng)已經(jīng)成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系統(tǒng),需要更大的資金投入,將造成很大的浪費。(2) 基于以上市場需求,許多軟件廠商(例如: 華富惠通軟件公司) 正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級網(wǎng)絡,開發(fā)控制系統(tǒng)軟件,幫助企業(yè)實現(xiàn)工廠自動化、信息化,為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡的集成。(3) 目前, PLC 的功能增強、結(jié)構(gòu)優(yōu)化, IO 模塊趨向分散化、智能化,編程工具和編程語言更具標準化和高級化。(4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強, 向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。

20、(5) 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術、現(xiàn)場總線IO技術相結(jié)合,結(jié)構(gòu)開放、擴展方便、技術先進、價格低廉。由以上分析可以預見,未來 PLC 將朝著多功能化、集成化、智能化、標準化、開放化的方向發(fā)展,故 PLC 雖然面臨其它自動化控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn),但同時也在吸收它們的優(yōu)點, 互相融合,不斷創(chuàng)新,在今后一段時間內(nèi)將與其它先進控制方式并存,共同發(fā)展。2.3可編程序控制器PLC的分類PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點數(shù)的多少等進行大致分類。（1） 按結(jié)構(gòu)形式分類：根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。1.整體式

21、 PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內(nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU。賦予基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。2.模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的

22、含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。（2） 按功能分類：根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。1.低檔PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診

23、斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。2.中檔PLC 除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。3.高檔PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。（3） 按I/O

24、點數(shù)分類：根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。 1.小型PLCI/O點數(shù)小于256點；單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。2. 中型PLCI/O點數(shù)2562048點；雙CPU，用戶存儲器容量28K。 3.大型PLCI/O點數(shù)> 2048點；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量816K .2.4 PLC的系統(tǒng)模塊PLC系統(tǒng)模塊包括CPU、I/O、電源模塊和其他設備組成，各個模塊之間又有不同的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)。2.4.1 CPU的構(gòu)成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序的功能接收并存貯用

25、戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務產(chǎn)生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作

26、節(jié)奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。2.4.2 I/O模塊 圖PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：

27、開關量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，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IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數(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架槽數(shù)限制。2.4.3 電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源

28、（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。底板或機架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。2.4.4 PLC系統(tǒng)的其它設備編程設備：編程器是PLC開發(fā)應用、監(jiān)測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機。人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體

29、式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態(tài)軟件）充當人機界面非常普及。2.5 PLC的系統(tǒng)模塊選擇方法在PLC系統(tǒng)設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間。2.5.1 相應模塊的估算 工程設計選型應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制

30、任務和范圍確定所需的操作，和求價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)最后選擇有較高性能價估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量。2.5.11 輸入輸出（I/O）點數(shù)的估算I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%20%的可擴展 余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。2.5.2 相應模塊的選擇估算好相應的模塊之后，就要進行相應模塊的選擇。包括輸入輸出模塊的選擇，電源的選擇2.5.2.1 輸入輸出模塊的選擇輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離

31、、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致?？筛鶕?jù)應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本?？紤]是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。2.5.2.2 電源的選擇PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合，應采用不間

32、斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。2.5.2.3存儲器的選擇由于計算機集成芯片技術的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。第三章 電機故障診斷系統(tǒng)設計與PLC3.1 PLC的選取及介紹由于本文設計采用的機型是西門子生產(chǎn)的S7-200系列PLC，下面對它進行簡單介紹。德國

33、西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應用也相當廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領域都有應用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網(wǎng)絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3.1.4 工業(yè)通訊網(wǎng)絡通訊網(wǎng)絡是自動化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動化網(wǎng)絡平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMA

34、TIC NET”是全部網(wǎng)絡系列產(chǎn)品的總稱，他們能在工廠的不同部門，在不同的自動化站以及通過不同的級交換數(shù)據(jù)，有標準的接口并且相互之間完全兼容。3.1.5 人機界面（HMI）硬件HMI硬件配合PLC使用，為用戶提供數(shù)據(jù)、圖形和事件顯示，主要有文本操作面板TD200（可顯示中文），OP3，OP7，OP17等；圖形/文本操作面板OP27，OP37等，觸摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。個人計算機（PC）也可以作為HMI硬件使用。HMI硬件需要經(jīng)過軟件（如ProTool）組態(tài)才能配合PLC使用。3.1.6 SIMATIC S7工業(yè)軟件西門子的工業(yè)

35、軟件分為三個不同的種類：（1）編程和工程工具 編程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于編程、組態(tài)、模擬和維護等控制所需的工具。STEP 7標準軟件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)編程和維護的項目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的S7-200系列PLC的編程、在線仿真軟件。（2）基于PC的控制軟件 基于PC的控制系統(tǒng)WinAC允許使用個人計算機作為可編程序控制器（PLC）運行用戶的程序，運行在安裝了Windows NT4.0操作系統(tǒng)的SIMATIC工控機或其它任何商用機。Win

36、AC提供兩種PLC，一種是軟件PLC，在用戶計算機上作為視窗任務運行。另一種是插槽PLC（在用戶計算機上安裝一個PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC與SIMATIC S7系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具（如STEP 7），編制的程序既可運行在WinAC上，也可運行在S7系列處理器上。（3）人機界面軟件 人機界面軟件為用戶自動化項目提供人機界面（HMI）或SCADA系統(tǒng)，支持大范圍的平臺。人機界面軟件有兩種，一種是應用于機器級的ProTool，另一種是應用于監(jiān)控級的WinCC。ProTool適用于大部分HMI硬件的組態(tài)，從操作員面板到標準PC都可以用集成在S

37、TEP 7中的ProTool有效地完成組態(tài)。ProTool/lite用于文本顯示的組態(tài)，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于組態(tài)標準PC和所有西門子HMI產(chǎn)品，ProTool/Pro不只是組態(tài)軟件，其運行版也用于Windows平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。WinCC是一個真正開放的，面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）軟件，可在任何標準PC上運行。WinCC操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與STEP 7功能集成，可直接進入PLC的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項目開發(fā)時間。它的設計適合于廣泛的應用，可以連接到已存在的自

38、動化環(huán)境中，有大量的通信接口和全面的過程信息和數(shù)據(jù)處理能力，其最新的WinCC5.0支持在辦公室通過IE瀏覽器動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程。3.2 S7-200系列PLC的硬件配置S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。3.2.1 基本單元S7-200系列PLC中可提供4種不同的基本型號的8種CPU供選擇使用，其輸入輸出點數(shù)的分配見下表：型 號輸入點輸出點可帶擴展模塊數(shù)S7-200CPU22164S7-200CPU222862個擴展模塊78路數(shù)字量I/O點或10路模擬量I/O點S7-200CPU224141

39、07個擴展模塊168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU22624162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點S7-200CPU226XM24162個擴展模塊248路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點3.2.2 擴展單元S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù)，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表3-2所示。表3-2 S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)類 型型 號輸入點輸出點數(shù)字量擴展模塊EM2218無EM222無8EM2234/8/164/8/16模擬量擴

40、展模塊EM2313無EM232無2EM235313.2.3 編程器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC可采用多種編程3.2.2 擴展單元S7-200系列PLC主要有6種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù)，S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表3-2所示。表3-2 S7-200系列PLC擴展單元型號及輸入輸出點數(shù)類 型型 號輸入點輸出點數(shù)字量擴展模塊EM2218無EM222無8EM2234/8/164/8/16模

41、擬量擴展模塊EM2313無EM232無2EM235313.2.3 編程器PLC在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入PLC中，在調(diào)試過程中，進行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC多種編程第四章 電機故障診斷系統(tǒng)設計故障診斷系統(tǒng)建立在基于PLC和上位計算機組成的控制系統(tǒng)上。PLC在故障診斷系統(tǒng)中的功能主要是完成輸煤系統(tǒng)設備故障信號檢測、預處理，轉(zhuǎn)化存儲并傳輸給上位計算機。上位計算機由于具有強大的科學計算功能，利用專家知識和專家?guī)?，完成從故障特征到故障原因的識別工作。并通過人機界面，給出故障定位，報告和解釋故障診斷結(jié)果，并為操作員給出相應的

42、排除故障的建議。4.1電機故障等級分類電機的結(jié)構(gòu)同時包含電氣和機械兩部分，也可以說是電氣和機械的結(jié)合點。所以說，它的故障要一分為二的分析。對電機的振動故障原因也要分成兩部分。 一般來講，電機振動是由于轉(zhuǎn)動部分不平衡、機械故障或電磁方面的原因引起的。 1、轉(zhuǎn)動部分不平衡主要是轉(zhuǎn)子、耦合器、聯(lián)軸器、傳動輪（制動輪）不平衡引起的。 處理方法是先找好轉(zhuǎn)子平衡。如果有大型傳動輪、制動輪、耦合器、聯(lián)軸器，應與轉(zhuǎn)子分開單獨找好平衡。再有就是轉(zhuǎn)動部分機械松動造成的。如：鐵心支架松動，斜鍵、銷釘失效松動，轉(zhuǎn)子綁扎不緊都會造成轉(zhuǎn)動部分不平衡。 2、機械部分故障主要有以下幾點：圖1 系統(tǒng)故障的兩個等級圖（1） 聯(lián)動

43、部分軸系不對中，中心線不重合，定心不正確。這種故障產(chǎn)生的原因主要是安裝過程中，對中不良、安裝不當造成的。還有一種情況，就是有的聯(lián)動部分中心線在冷態(tài)時是重合一致的，但運行一段時間后由于轉(zhuǎn)子支點，基礎等變形，中心線又被破壞，因而產(chǎn)生振動。 （2） 與電機相聯(lián)的齒輪、聯(lián)軸器有毛病。這種故障主要表現(xiàn)為齒輪咬合不良，輪齒磨損嚴重，對輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴重，都會造成一定的振動。 （3）電機本身結(jié)構(gòu)的缺陷和安裝的問題。這種故障主要表現(xiàn)為軸頸橢圓，轉(zhuǎn)軸彎曲，軸與軸瓦間間隙過大或過小，軸承座、基礎板、地基的某部分乃至整個電機安裝基礎的剛度不夠，電機與基礎板之間

44、固定不牢，底腳螺栓松動，軸承座與基礎板之間松動等。而軸與軸瓦間間隙過大或過小不僅可以造成振動還可使軸瓦的潤滑和溫度產(chǎn)生異常。 （4）電機拖動的負載傳導振動。例如：汽輪發(fā)電機的汽輪機振動，電機拖動的風機、水泵振動，引起電機振動。 3、電氣部分的故障是由電磁方面的原因造成的 主要包括：交流電機定子接線錯誤、繞線型異步電動機轉(zhuǎn)子繞組短路，同步電機勵繞組匝間短路，同步電機勵磁線圈聯(lián)接錯誤，籠型異步電動機轉(zhuǎn)子斷條，轉(zhuǎn)子鐵心變形造成定、轉(zhuǎn)子氣隙不均，導致氣隙磁通不平衡從而造成振動。本設計中系統(tǒng)故障分為兩個等級如上圖所示:一級故障為高級。當發(fā)生此類故障，斷路器跳閘使電機停止運行，PLC禁止其他控制輸出，并聲

45、光報警（指示燈和電鈴）。只有按報警復位按鈕后聲光報警停止。二級故障為低級。當發(fā)生此類故障時，斷路器不動作，電機繼續(xù)運行，只相應聲光報警。4.2 故障診斷程序設計在進行故障診斷設計時，首先必須對整個系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障進行分析，得到系統(tǒng)的故障層次結(jié)構(gòu)，利用這種層次結(jié)構(gòu)進行故障診斷部分的設計。以某廠電機輸送控制系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)為例。為了描述簡單，這里作了一定的簡化。系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)的層次性為故障診斷提供了一個合理的層次模型。在進行系統(tǒng)的PLC梯形圖2 程序圖圖程序設計時，應充分考慮到故障結(jié)構(gòu)的層次，合理安排邏輯流程。在引入故障輸入點時應注意:必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測點引入PLC，以便系統(tǒng)能及時進

46、行故障處理;應在系統(tǒng)允許的條件下盡可能多的將最底層的故障輸入信息引入PLC的程序中，以便得到更多的故障檢測信息為系統(tǒng)的故障自診斷提供服務。 4.2.1.故障點的記錄為了得到系統(tǒng)的故障情況實現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷，PLC必須將所有故障檢測點的狀態(tài)反映給內(nèi)部寄存器，圖2是用來記錄故障點的部分程序。IR4.02是輸入的IO節(jié)點，表示A側(cè)皮帶信號，當輸煤系統(tǒng)使用A側(cè)皮帶正常運行時4.02的值為1，當4.02變?yōu)?時，說明A側(cè)皮帶信號出了故障，此時利用上升沿微分指令記錄這次的信號跳變。這樣這次事故就記錄在IR31.00中。程序設計中將IR31作為記錄底層故障信息的寄存器，由于內(nèi)部寄存器IR有16位，所以能夠

47、記錄16種不同的故障原因。如果有更多的故障需要記錄，可以設置多個寄存器字。需要說明的是，有時引起故障的原因可能不止一個，往往一個故障會引起另一些故障的發(fā)生，因此還有關鍵的一點是程序要能記錄最先發(fā)生的故障。這也需要通過PLC編程實現(xiàn)，程序只對最開始發(fā)生的故障敏感。如上圖所示。4.2.2. 多次故障事件的記錄    由于系統(tǒng)實際長時間的運行中，可能會出現(xiàn)多次故障，為了檢修和維護方便，還需要PLC能夠?qū)⒍啻喂收鲜录涗浵聛?。OMRON C200H型PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)(DM區(qū))可以間接尋址，利用這一點，可以在DM區(qū)劃出一定的區(qū)域，用來記錄每次故障事件，包括故障類型和事件發(fā)生的時間(日期，小時，分鐘，秒)。這一段DM區(qū)域可以循環(huán)記錄，實際使用中記錄了最后50次故障的情況，這些記錄是系統(tǒng)運行的重要資料，方便了運行人員了解設備情況，對其進行檢修和維護。4.2.3. 模擬量故障的診斷對于模擬量信號例如犁煤車，給煤車電機電流的故障診斷，首先利用模擬量模塊，接收來自電流變送器的模擬信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后與整定值或系統(tǒng)允許的極限值比較,若在允許范圍之內(nèi)則表明對應的設備處于正常運行狀態(tài)，如果實際值接近或達到極限值，則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實際系統(tǒng)相應的參數(shù)變化范圍確定。4.2.4. 各種故障信息