畢業(yè)論文---基于plc的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　編號: </p><p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</b></p><p>　　題 目 基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　

2、學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 </p><p>　　教學(xué)單位 德州學(xué)院機(jī)電工程系

3、 </p><p>　　時(shí) 間 2012年4月15日</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告書</p><p>　　2012年 4月 15日</p><p>　　德州學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中期檢查表</p><p>　　院(系)： 機(jī)電工程系 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造

4、及自動化 2012-4-15 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章緒論.......................................................1</p><p>　　1.1 PLC應(yīng)用于故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀......................

5、1</p><p>　　1.2故障診斷法.............................................1</p><p>　　第二章 PLC原理介紹及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)介紹...... ......................1</p><p>　　2.1 PLC發(fā)展歷程..............................

6、..................... 2</p><p>　　2.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景..........</p><p>　　2.3可編程序控制器PLC的分類....................................... 3</p><p>　　2.4 PLC的系統(tǒng)模塊..............................

7、............... 3</p><p>　　2.5 PLC的選型方法...............................................4</p><p>　　第三章 電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及PLC的選取...........................7</p><p>　　3.1 PLC的選取及介紹........

8、......... ........................8</p><p>　　3.2系統(tǒng)框圖.......................................................9</p><p>　　第四章 電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì).........................................11</p><p

9、>　　4.1電機(jī)故障等級分類...............................................12</p><p>　　4.2 故障診斷程序設(shè)計(jì).............................................................</p><p>　　系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)..........................

10、......................16</p><p>　　5.1 供電電源.....................................................17</p><p>　　第六章 結(jié)論.........................................................18</p><p&g

11、t;　　致謝 .............................................................19</p><p>　　參考文獻(xiàn)............................................................20</p><p>　　基于PLC的電機(jī)故障系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>

12、;<b>　　周峰</b></p><p>　　（德州學(xué)院機(jī)電系，山東德州 2530230）</p><p>　　摘要 ：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S7-200 PLC以及同類型的S7-300 S7-400PLC，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

13、器狀態(tài)，如果斷路器初始狀態(tài)為閉合，電機(jī)無法啟動，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。在啟動過程中，若發(fā)生一級故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動作。啟動完成后，“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，若有發(fā)生，PLC進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動作。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“

14、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)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 故障診斷 PLC 電機(jī) </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 PLC應(yīng)用于故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　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

15、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，對于工業(yè)控制具有較高的意義和實(shí)用價(jià)值。 </p><p><b>　　1.2故障診斷方法</b></p><p>　　故障診斷

16、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。這種方法比較適用于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，各部分耦合少的情況。</p><p>　　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。</p><p>　　第

17、二章 PLC原理介紹及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　2.1 PLC發(fā)展歷程</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)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(shí)現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼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

18、和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。 個(gè)人計(jì)算機(jī)（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(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）?！∩鲜兰o(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能

19、力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)?！?PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，</p><p>　　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。</p><

20、;p>　　2.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景</p><p>　　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(jìn)的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相當(dāng)長的一段時(shí)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(cái)力建立

21、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(fèi)。(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(luò),開發(fā)控制系統(tǒng)軟件,幫助企業(yè)實(shí)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(luò)的集成。(3) 目前, PLC 的功能增強(qiáng)、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(biāo)

22、準(zhǔn)化和高級化。(4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng), 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。(5) 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場總線IO技術(shù)相結(jié)合,結(jié)構(gòu)開放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉</p><p>　　2.3可編程序控制器PLC的分類</p><p>　　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

23、/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。</p><p>　?。?） 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。</p><p>　　1.整體式 PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。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(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?nèi)有

24、CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU。賦予基本單元和擴(kuò)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(kuò)展。</p><p>　　2.模塊式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及

25、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(diǎn)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(kuò)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(diǎn)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(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)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。

26、</p><p>　?。?） 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。</p><p>　　1.低檔PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.中檔PLC 除具

27、有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.高檔PLC 除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算及其它特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)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

28、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動化。</p><p>　?。?） 按I/O點(diǎn)數(shù)分類：根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。</p><p>　　1.小型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)小于256點(diǎn)；單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。</p><p>　　2. 中型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)256～2048點(diǎn)；雙CPU，用戶存儲器容量2～8K

29、。 </p><p>　　3.大型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)> 2048點(diǎn)；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量8～16K .</p><p>　　2.4 PLC的系統(tǒng)模塊</p><p>　　PLC系統(tǒng)模塊包括CPU、I/O、電源模塊和其他設(shè)備組成，各個(gè)模塊之間又有不同的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.4.1 CPU的構(gòu)成

30、</p><p>　　CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序的功能接收并存貯用戶程序和數(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(shí)，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(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)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(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器

31、、寄存器及實(shí)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(guān)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(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)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。但工作節(jié)奏由震蕩信號控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下

32、工作。</p><p>　　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。</p><p>　　2.4.2 I/O模塊 圖</p><p>　　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(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模

33、塊將電信號變換成數(shù)字信號進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊?！?lt;/p><p>　　常用的I/O分類如下：開關(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

34、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(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。</p><p>　　2.4.3 電源模塊</p><p>　　PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的

35、工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。</p><p>　　底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。</p><p>　　2.4.4 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備</p><p>　　編程設(shè)

36、備：編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對系統(tǒng)作一些設(shè)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(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。</p><p>　　人機(jī)界面：最簡單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)

37、界面非常普及。</p><p>　　2.5 PLC的系統(tǒng)模塊選擇方法</p><p>　　在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)，PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置

38、及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時(shí)間。</p><p>　　2.5.1 相應(yīng)模塊的估算</p><p>　　工程設(shè)計(jì)選型應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作，和求價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)最后選擇有較高性能價(jià)估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量。</p><p>　　2

39、.5.1．1 輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算</p><p>　　I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展 余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。</p><p>　　2.5.2 相應(yīng)模塊的選擇</p><p>　　估算好相應(yīng)的模塊之后，就要

40、進(jìn)行相應(yīng)模塊的選擇。包括輸入輸出模塊的選擇，電源的選擇</p><p>　　2.5.2.1 輸入輸出模塊的選擇</p><p>　　輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)

41、頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價(jià)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(yīng)用要求應(yīng)一致?？筛鶕?jù)應(yīng)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(yīng)用成本。考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。</p><p>　　2.5.2.2 電源的選擇</p><p>　　PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計(jì)和選用外，一

42、般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。</p><p>　　如果PLC本身帶有可使用電源時(shí)，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。</p><p>　　2.5.2.3存儲器的選擇<

43、/p><p>　　由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價(jià)格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。</p><p>　　第三章 電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PLC</p><p>　　3.1 PLC的選取及介紹</p><p>

44、;　　由于本文設(shè)計(jì)采用的機(jī)型是西門子生產(chǎn)的S7-200系列PLC，下面對它進(jìn)行簡單介紹。</p><p>　　德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)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(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。</p><p>　　西門子S7

45、系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，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。</p><p>　　3.1.4 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　通訊網(wǎng)絡(luò)是自動化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動化網(wǎng)絡(luò)平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMAT

46、IC NET”是全部網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的接口并且相互之間完全兼容。</p><p>　　3.1.5 人機(jī)界面（HMI）硬件</p><p>　　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

47、摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。個(gè)人計(jì)算機(jī)（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。</p><p>　　3.1.6 SIMATIC S7工業(yè)軟件</p><p>　　西門子的工業(yè)軟件分為三個(gè)不同的種類：</p><p>　?。?）編程和工程工具

48、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(hù)等控制所需的工具。STEP 7標(biāo)準(zhǔn)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(hù)的項(xiàng)目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運(yùn)行的S7-200系列PLC的編程、在線仿真軟件。</p><p>　?。?）基于PC的控制軟件 基于PC的控制系統(tǒng)W

49、inAC允許使用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為可編程序控制器（PLC）運(yùn)行用戶的程序，運(yùn)行在安裝了Windows NT4.0操作系統(tǒng)的SIMATIC工控機(jī)或其它任何商用機(jī)。WinAC提供兩種PLC，一種是軟件PLC，在用戶計(jì)算機(jī)上作為視窗任務(wù)運(yùn)行。另一種是插槽PLC（在用戶計(jì)算機(jī)上安裝一個(gè)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(yùn)行

50、在WinAC上，也可運(yùn)行在S7系列處理器上。</p><p>　?。?）人機(jī)界面軟件 人機(jī)界面軟件為用戶自動化項(xiàng)目提供人機(jī)界面（HMI）或SCADA系統(tǒng)，支持大范圍的平臺。人機(jī)界面軟件有兩種，一種是應(yīng)用于機(jī)器級的ProTool，另一種是應(yīng)用于監(jiān)控級的WinCC。</p><p>　　ProTool適用于大部分HMI硬件的組態(tài)，從操作員面板到標(biāo)準(zhǔn)PC都可以用集成在STEP 7中的ProTo

51、ol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(biāo)準(zhǔn)PC和所有西門子HMI產(chǎn)品，ProTool/Pro不只是組態(tài)軟件，其運(yùn)行版也用于Windows平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　WinCC是一個(gè)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

52、件，可在任何標(biāo)準(zhǔn)PC上運(yùn)行。WinCC操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與STEP 7功能集成，可直接進(jìn)入PLC的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項(xiàng)目開發(fā)時(shí)間。它的設(shè)計(jì)適合于廣泛的應(yīng)用，可以連接到已存在的自動化環(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。</p><p>　　3.2 S7-200系列PLC的硬件配置</p><p>

53、　　S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。</p><p>　　3.2.1 基本單元</p><p>　　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(diǎn)數(shù)的分配見下表：</p><p>　　3.2.2 擴(kuò)展單元</p&

54、gt;<p>　　S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點(diǎn)數(shù)</p><p>　　3.2.3 編程器</p><p>　　PLC在正式運(yùn)

55、行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)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(jìn)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(kuò)展單元</p><p>　　S7-200系列PLC主要有6種擴(kuò)展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)，S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點(diǎn)數(shù)的分配如表3-2所示。</p><

56、p>　　表3-2 S7-200系列PLC擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點(diǎn)數(shù)</p><p>　　3.2.3 編程器</p><p>　　PLC在正式運(yùn)行時(shí)，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)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(jìn)行監(jiān)控和故障檢測。S7-200系列PLC多種編程</p><p>　　第四章 電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)<

57、/p><p>　　故障診斷系統(tǒng)建立在基于PLC和上位計(jì)算機(jī)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(shè)備故障信號檢測、預(yù)處理，轉(zhuǎn)化存儲并傳輸給上位計(jì)算機(jī)。上位計(jì)算機(jī)由于具有強(qiáng)大</p><p>　　的科學(xué)計(jì)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(jī)界面，給出故障定位，報(bào)告和解釋故障診斷結(jié)果，并為操作員給出相應(yīng)的排除故障的建議。</p

58、><p>　　4.1電機(jī)故障等級分類</p><p>　　電機(jī)的結(jié)構(gòu)同時(shí)包含電氣和機(jī)械兩部分，也可以說是電氣和機(jī)械的結(jié)合點(diǎn)。所以說，它的故障要一分為二的分析。對電機(jī)的振動故障原因也要分成兩部分。 一般來講，電機(jī)振動是由于轉(zhuǎn)動部分不平衡、機(jī)械故障或電磁方面的原因引起的。</p><p>　　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

59、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(yīng)與轉(zhuǎn)子分開單獨(dú)找好平衡。再有就是轉(zhuǎn)動部分機(jī)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。</p><p>　　2、機(jī)械部分故障主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　圖1 系統(tǒng)故障的兩個(gè)等級圖</p><p>　?。?） 聯(lián)動部分軸系不對中，中心線不重合，定心不

60、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(dāng)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(shí)是重合一致的，但運(yùn)行一段時(shí)間后由于轉(zhuǎn)子支點(diǎn)，基礎(chǔ)等變形，中心線又被破壞，因而產(chǎn)生振動。</p><p>　?。?） 與電機(jī)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(yán)重，對輪潤滑不良，聯(lián)軸器歪斜、錯(cuò)位，齒式聯(lián)軸器齒形、齒距不對、間隙過大或磨損嚴(yán)重，都會造成一定的振動。</p

61、><p>　?。?）電機(jī)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(chǔ)板、地基的某部分乃至整個(gè)電機(jī)安裝基礎(chǔ)的剛度不夠，電機(jī)與基礎(chǔ)板之間固定不牢，底腳螺栓松動，軸承座與基礎(chǔ)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。 </p><p>　?。?）電機(jī)拖動的負(fù)載傳導(dǎo)振動。例如：汽輪發(fā)電機(jī)的汽輪機(jī)振

62、動，電機(jī)拖動的風(fēng)機(jī)、水泵振動，引起電機(jī)振動。 </p><p>　　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(jī)定子接線錯(cuò)誤、繞線型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路，同步電機(jī)勵(lì)繞組匝間短路，同步電機(jī)勵(lì)磁線圈聯(lián)接錯(cuò)誤，籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子斷條，轉(zhuǎn)子鐵心變形造成定、轉(zhuǎn)子氣隙不均，導(dǎo)致氣隙磁通不平衡從而造成振動。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)故障分為兩個(gè)等級如上圖所示:一級故障為高級。當(dāng)發(fā)生此類故障，斷路器跳閘使電機(jī)停止運(yùn)行，PL

63、C禁止其他控制輸出，并聲光報(bào)警（指示燈和電鈴）。只有按報(bào)警復(fù)位按鈕后聲光報(bào)警停止。二級故障為低級。當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)，斷路器不動作，電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，只相應(yīng)聲光報(bào)警。</p><p>　　4.2 故障診斷程序設(shè)計(jì)</p><p>　　在進(jìn)行故障診斷設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須對整個(gè)系統(tǒng)可能會發(fā)生的故障進(jìn)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(jìn)行故障診斷部分的設(shè)計(jì)。以某廠電機(jī)輸送控制系統(tǒng)的故障結(jié)構(gòu)為

64、例。為了描述簡單，這里作了一定的簡化。</p><p>　　系統(tǒng)故障結(jié)構(gòu)的層次性為故障診斷提供了一個(gè)合理的層次模型。在進(jìn)行系統(tǒng)的PLC梯形</p><p><b>　　圖2 程序圖</b></p><p>　　圖程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(diǎn)時(shí)應(yīng)注意:必須將系統(tǒng)所有可能引起故障的檢測點(diǎn)引入PLC，以便

65、系統(tǒng)能及時(shí)進(jìn)行故障處理;應(yīng)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(wù)。 </p><p>　　4.2.1.故障點(diǎn)的記錄</p><p>　　為了得到系統(tǒng)的故障情況實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的故障自診斷，PLC必須將所有故障檢測點(diǎn)的狀態(tài)反映給內(nèi)部寄存器，圖2是用來記錄故障點(diǎn)的部分程序。</p><p>　　

66、IR4.02是輸入的IO節(jié)點(diǎn)，表示A側(cè)皮帶信號，當(dāng)輸煤系統(tǒng)使用A側(cè)皮帶正常運(yùn)行時(shí)4.02的值為1，當(dāng)4.02變?yōu)?時(shí)，說明A側(cè)皮帶信號出了故障，此時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)置多個(gè)寄存器字。需要說明的是，有時(shí)引起故障的原因可能不止一個(gè)，往往一個(gè)故

67、障會引起另一些故障的發(fā)生，因此還有關(guān)鍵的一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，程序只對最開始發(fā)生的故障敏感。如上圖所示。</p><p>　　4.2.2. 多次故障事件的記錄</p><p>　　由于系統(tǒng)實(shí)際長時(shí)間的運(yùn)行中，可能會出現(xiàn)多次故障，為了檢修和維護(hù)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

68、，利用這一點(diǎn)，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(shí)間(日期，小時(shí)，分鐘，秒)。這一段DM區(qū)域可以循環(huán)記錄，實(shí)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(yùn)行的重要資料，方便了運(yùn)行人員了解設(shè)備情況，對其進(jìn)行檢修和維護(hù)。</p><p>　　4.2.3. 模擬量故障的診斷</p><p>　　對于模擬量信號例如犁煤車，給煤車電機(jī)電流的故障診斷，首先

69、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(yīng)的設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)，如果實(shí)際值接近或達(dá)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(shí)際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定。</p><p>　　4.2.4. 各種故障信息的串行通信</p><p>　　診上，位機(jī)通過串行通訊及時(shí)讀取PLC的內(nèi)部寄存器區(qū)的各種

70、故障信息。利用PLC的RS232通信接口，可與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行Host Link方式串行通信。通信時(shí)，上位計(jì)算機(jī)首先向PLC發(fā)出一幀命令幀，包括操作命令、寄存器類型、起始地址與要讀取的寄存區(qū)數(shù)目等。PLC收到命令幀后會做出響應(yīng)，如果沒有錯(cuò)誤則向上位計(jì)算機(jī)發(fā)出響應(yīng)幀，響應(yīng)幀中包含了上位機(jī)需要查詢的寄存器</p><p>　　第五章 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的電源除交流

71、電源以外，還包括給光電傳感器和直流電機(jī)供電的直流電源。一般情況下，交流電源可直接與電網(wǎng)相連，而輸入設(shè)備的直流電源和輸出負(fù)載的直流電</p><p>　　圖4系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)圖 </p><p>　　源等最好分別采用獨(dú)立的直流供電電源，如上圖所示：</p><p>　　PLC電源單元的連接：</p><p>　　接線時(shí)，在電源單元和供電電源之間連

72、接隔離變壓器，變壓器的副邊不接地，這樣可以減少PLC和大地之間的噪聲，還可以保證人員的安全。電源單元的外部接線不多，在接線時(shí)要注意以下問題：根據(jù)所使用的外部電壓數(shù)值正確選擇電壓選擇器；在接線過程中不要移去單元頂部的保護(hù)標(biāo)簽，直到配線完成。這個(gè)標(biāo)簽可以防止絞線和其他異物進(jìn)入單元。配線結(jié)束偶把標(biāo)簽移去，否則標(biāo)簽將會堵住冷卻通道，阻礙空氣流通；</p><p>　　RUN輸出主要用于緊急停車的控制，使用時(shí)RUN接點(diǎn)應(yīng)與

73、被控電源串聯(lián)；使用隔離變壓器可提高電源的抗干擾能力。為了改善隔離變壓器的抗干擾效果，一是將屏蔽層良好接地，二是變壓器的次級輸出線采用雙絞線，可減少電源線間的干擾；</p><p><b>　　5.1 供電電源</b></p><p>　　可編程控制器采用市電（220V，50HZ）。電網(wǎng)的波動直接影響可編程控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的精度和可靠性，有時(shí)電網(wǎng)的沖擊可能給系統(tǒng)帶來

74、毀滅性的破壞。電網(wǎng)的瞬間變化也是經(jīng)常不斷發(fā)生的，由此產(chǎn)生的干擾也會傳播到可編程控制器系統(tǒng)中。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性，PLC的供電系統(tǒng)中一般采用隔離變壓器，這樣可以隔離掉供電電源中的各種干擾信號，從而提高抗干擾能力。</p><p><b>　　第六章 結(jié)論</b></p><p>　　按以上故障診斷原理構(gòu)造的PLC故障診斷控制系統(tǒng)，從實(shí)際運(yùn)行來看，故障診斷系統(tǒng)

75、能準(zhǔn)確而迅速地判斷出故障的原因，方便運(yùn)行人員維護(hù)和檢修，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和智能化水平。這種設(shè)計(jì)對類似的工業(yè)控制系統(tǒng)提供了一定的參考。同時(shí)，在這次畢業(yè)論文的資料查閱和整理中，自己學(xué)會了很多課本當(dāng)中沒有學(xué)到的東西，是自己對于PLC又有了更深刻的認(rèn)識。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程期間，我得到了賀廉云老師的悉心指

76、導(dǎo)，這才使我能夠順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在老師身上，體現(xiàn)著作為科研工作者所特有的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的教學(xué)作風(fēng)，勇于探索的工作態(tài)度和求同思變、不斷創(chuàng)新的治學(xué)理念。老師不知疲倦的敬業(yè)精神和精益求精的治學(xué)態(tài)度，端正了我的學(xué)習(xí)態(tài)度，使我受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張進(jìn)秋.可編程控制器原理及應(yīng)用實(shí)例.機(jī)械工業(yè)出版社[M].2005&l

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