1、内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 0 -摘 要本 文 介 绍 了 国 内 电 机 故 障 诊 断 系 统 设 计 ， 以 及 存 在 问 题 ， 同 时 介 绍 了 可编 程 控 制 器 的 工 作 原 理 ， 选 型 依 据 。 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 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
2、编 写 系统 运 行 的 梯 形 图 。 准 备 开 机 时 ， 按 下 开 机 按 钮 后 ， 首 先 检 测 断 路 器 状 态 ， 如果 断 路 器 初 始 状 态 为 闭 合 ， 电 机 无 法 启 动 ， 并 且 声 光 报 警 。 如 果 断 路 器 初 始状 态 为 断 开 ， 断 路 器 合 闸 ， 电 机 开 始 启 动 。 在 启 动 过 程 中 ， 若 发 生 一 级 故 障 ，PLC进 行 相 应 的 保 护 动 作 。 启 动 完 成 后 ， “电 机 开 /关 指 示 灯 ”亮 ， 电 机正 常 运 行 。 运 行 过 程 中 ， PLC依 次 循 环 检 测 电
3、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进 行 相 应 保护 动 作 。 关 机 时 ， PLC接 到 关 机 命 令 后 ， 断 路 器 跳 闸 ， “电 机 开 /关 机 指示 灯 ”灭 。 故 障 声 光 报 警 后 ， 按 “报 警 复 位 按 钮 ”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 内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计
4、 说 明 书 （ 论 文 ）- 1 -AbstractThis paper introduces the domestic electrical fault diagnosis system design , as well as existing problems and introduces programmable controller at the same time the working principle and selection basis A PLC-based design of the electrical fault diagnosis system design a
5、nd detail on the choice of Siemens S7-200 PLC and the same type of S7-300 S7-400 PLC and according to the design requirements of the input and output of the PLC I/O for distribution and preparation of the ladder diagram system operation Prepared to boot, press the button after boot, the circuit brea
6、ker status is detected first If the circuit breaker initial state is closed, electrical doesnt start and sound and light alarm If the circuit breaker initial state is disconnected , the circuit breaker close and the electrical start Start in the process, if a failure occurred, the protection PLC cor
7、respond action Start after the completion of “motor on/off indicator light” on , the electrical normal operate Running process, PLC followed by motorcycle test whether there has been a phase short circuit, breaking phase, low-voltage, single-phase-to-ground, overload, over-current fault and so on If
8、 occurred, PLC protection act accordingly shut down PLC received shutdown orders, tripping circuit breakers,“motor on /off indicator light” eliminate Fault sound and light alarm at the “alarm reset button” reset This choice is based on the design of the motor PLC fault diagnosis system designKey wor
9、ds： Fault Diagnosis； PLC； Motor内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 2 -目 录摘 要 .1Abstract .2目 录 .31 引 言 .52 电 动 机 保 护 装 置 的 各 种 保 护 原 理 及 故 障 判 据 .62.1 电 动 机 保 护 装 置 常 见 保 护 形 式 .62.2 矿 用 隔 爆 三 相 异 步 电 动 机 的 故 障 保 护 .72.2.1 过 载 保 护 .72.2.2 短 路 故 障 分 析 及 保 护 判 据 .72.2.3 单 相 接 地 故 障 分 析
10、 及 保 护 判 据 .82.2.4 欠 压 和 过 压 故 障 分 析 及 保 护 判 据 .92.2.5 矿 用 电 动 机 的 其 他 保 护 .103 微 机 保 护 的 数 据 采 集 .113.1 保 护 装 置 的 数 据 采 集 电 路 .113.1.1 电 压 形 成 回 路 .113.1.2 采 样 电 路 .114 PLC 原 理 介 绍 及 设 备 总 体 结 构 介 绍 .124.1 PLC 发 展 历 程 .124.2 PLC 控 制 系 统 的 发 展 前 景 .134.3 可 编 程 序 控 制 器 PLC 的 分 类 .134.4 CPU 成 .154.4.1
11、 CPU 的 构 成 的 构 .154.4.2 I/O 模 块 .164.4.3 电 源 模 块 .16内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 3 -4.4.4 PLC 的 工 作 原 理 .164.4.5 PLC 系 统 的 其 它 设 备 .185 PLC 的 选 取 与 系 统 硬 件 设 计 .185.1 系 统 的 总 体 结 构 .185.2 PLC 的 硬 件 配 置 与 选 型 .19图 5-2 系 统 整 体 设 计 方 案 及 硬 件 连 接 图 .265.3 JL-400 缺 相 继 电 器 .265.4
12、热 继 电 器 .305.4.1 热 继 电 器 的 工 作 原 理 .306 保 护 装 置 的 软 件 设 计 .326.1 PLC 程 序 设 计 方 法 .326.2 梯 形 图 语 言 特 点 .336.3 程 序 设 计 .346.3.1 设 计 思 路 .346.3.2 控 制 程 序 流 程 图 .367 控 制 电 路 的 抗 干 扰 设 计 .407.1 电 源 设 计 .407.2 信 号 滤 波 .417.3 开 关 量 输 出 隔 离 .417.4 地 线 设 置 .417.5 元 器 件 的 选 择 .417.6 其 他 .428 结 束 语 .42致 谢 .42参
13、 考 文 献 .43内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 4 -1 引 言电 动 机 的 应 用 几 乎 涵 盖 了 工 农 业 生 产 和 人 类 生 活 的 各 个 领 域 ， 在 这 些 应 用 领 域 中 ，电 动 机 常 常 运 行 在 恶 劣 的 环 境 下 ， 导 致 产 生 过 流 、 短 路 、 断 相 、 绝 缘 老 化 等 事 故 。 对于 应 用 于 大 型 工 业 设 备 重 要 场 合 的 高 压 电 动 机 、 大 功 率 电 动 机 来 说 ， 一 旦 发 生 故 障 所造 成 的 损 失 无
14、法 估 量 。PLC（ Programmable Logic Controller） ， 是 可 编 程 逻 辑 控 制 器 。 它 采 用 一 类 可 编 程的 存 储 器 ， 用 于 其 内 部 存 储 程 序 ， 执 行 逻 辑 运 算 ， 顺 序 控 制 ， 定 时 ， 计 数 与 算 术 操 作等 面 向 用 户 的 指 令 ， 并 通 过 数 字 或 模 拟 式 输 入 /输 出 控 制 各 种 类 型 的 机 械 或 生 产 过 程 。目 前 ， PLC 在 国 内 外 已 广 泛 应 用 于 钢 铁 、 石 油 、 化 工 、 电 力 、 建 材 、 机 械 制 造 、 汽 车
15、 、轻 纺 、 交 通 运 输 、 环 保 及 文 化 娱 乐 等 各 个 行 业 ， 使 用 情 况 大 致 可 归 纳 为 如 下 几 类 ： 开 关量 的 逻 辑 控 制 、 模 拟 量 的 控 制 、 运 动 控 制 、 过 程 控 制 、 数 据 处 理 、 通 信 及 联 网 。我 国 工 业 企 业 的 自 动 化 程 度 普 遍 较 低 ， PLC 产 品 有 很 大 的 应 用 空 间 ， 如 机 械 行 业80%以 上 的 设 备 仍 采 用 传 统 的 继 电 器 和 接 触 器 进 行 控 制 。 因 此 ， PLC 在 我 国 的 应 用 潜 力远 没 有 得 到 充
16、 分 发 挥 。 目 前 ， 中 国 PLC 市 场 的 95 以 上 被 国 外 产 品 占 领 。 国 内 曾 有 研究 单 位 开 发 PLC 产 品 ， 后 因 种 种 原 因 没 有 发 展 起 来 。 值 得 欣 慰 的 是 ， 国 内 已 有 具 有 较强 实 力 的 公 司 开 始 拓 展 PLC 业 务 ， 并 在 中 国 PLC 市 场 有 了 一 定 声 音 ， 如 和 利 时 公 司 、德 维 森 公 司 、 安 控 公 司 。随 着 故 障 诊 断 技 术 的 发 展 ， 以 检 测 、 识 别 、 预 测 和 干 预 为 核 心 的 先 进 的 故 障 诊 断技 术
17、 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 不 但 能 够 及 时 准 确 地 诊 断 出 故 障 ， 而 且 可 以 采 取 相 应 的 对 策 ，保 证 系 统 的 安 全 性 和 可 靠 性 。 电 机 故 障 可 能 对 电 力 系 统 的 稳 定 性 和 工 业 系 统 其 它 机 组的 安 全 运 行 带 来 严 重 的 影 响 ， 因 此 ， 电 机 的 故 障 诊 断 显 得 非 常 重 要 ， 本 设 计 的 选 题 就是 基 于 PLC 的 电 机 故 障 诊 断 系 统 设 计 。诊 断 系 统 建 立 在 基 于 和 上 位 计 算 机 组 成 的 控 制 系 统 上 。 在
18、 故障 诊 断 系 统 中 的 功 能 主 要 是 检 测 点 击 的 电 流 保 护 。 计 算 机 由 于 具 有 强 大 的 科 学 计 算 功能 ， 利 用 专 家 知 识 和 专 家 库 ， 完 成 从 故 障 特 征 到 故 障 原 因 的 识 别 工 作 。 并 通 过 人 机 界面 ， 给 出 故 障 定 位 ， 报 告 和 解 释 故 障 诊 断 结 果 ， 并 为 操 作 员 给 出 相 应 的 排 除 故 障 的 建议 。内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 5 -2 电 动 机 保 护 装 置 的 各
19、种 保 护 原 理 及 故 障 判 据电机保护就是给电机全面的保护，即在电机出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，予以报警或保护；为电动机提供保护的装置是电机保护器，包括热继电器、电子式保护器和智能型保护器。电 动 机 常 见 的 故 障 可 分 为 对 称 故 障 和 不 对 称 故 障 两 大 类 。 对 称 故 障 包 括 :过 载 、 堵转 和 三 相 短 路 等 ， 这 类 故 障 对 电 动 机 的 损 害 主 要 是 热 效 应 ， 使 绕 组 发 热 甚 至 损 坏 ， 其主 要 特 征 是 电 流 幅 值 发 生 显 著 变
20、化 ;不 对 称 故 障 包 括 :断 相 、 逆 相 、 相 间 短 路 、 匝 间 短路 等 ， 这 类 故 障 是 电 动 机 运 行 中 最 常 见 的 一 类 故 障 。 不 对 称 故 障 对 电 动 机 的 损 害 不 仅仅 是 引 发 发 热 ， 更 重 要 的 是 不 对 称 引 起 的 负 序 效 应 能 造 成 电 动 机 的 严 重 损 坏 。 因 而 ，对 大 型 电 动 机 进 行 综 合 保 护 非 常 重 要 。2.1 电 动 机 保 护 装 置 常 见 保 护 形 式掘 进 机 的 综 合 保 护 主 要 是 对 电 动 机 的 保 护 ， 矿 用 隔 爆 型
21、 三 相 异 步 电 动 机是 掘 进 机 电 气 系 统 的 主 要 组 成 部 分 ， 它 与 液 压 系 统 配 合 操 作 ， 可 自 如 的 实 现整 机 的 各 种 生 产 作 业 。 作 为 电 气 主 设 备 ， 电 动 机 的 运 行 正 常 与 否 ， 直 接 关 系整 机 的 性 能 ， 所 以 要 高 度 重 视 ， 除 了 对 电 机 的 保 护 外 ， 掘 进 机 还 有 很 多 极 其重 要 的 保 护 形 式 。 现 对 掘 进 机 常 见 故 障 和 矿 井 下 的 实 际 需 要 投 入 的 主 要 的 保护 形 式 介 绍 如 下 ：1. 低 压 线 路
22、漏 电 保 护 ： 当 AC220V、 AC120V、 AC24V低 压 线 路 对 地 绝 缘降 低 到 规 定 值 时 保 护 动 作 ， 显 示 220V漏 电 、 120V漏 电 或 24V漏 电 。 (参 考值 AC220V为 5K ， AC120V为 3K ， AC24V为 2K )2. 电 机 温 度 保 护 ： 由 于 冷 却 系 统 故 障 或 环 境 温 度 过 高 ， 油 泵 和 截 割 电机 绕 组 温 度 达 到 155 时 ， 埋 在 电 机 定 子 绕 组 中 的 温 度 继 电 器 动 作 ， 保 护 装内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院
23、 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 6 -置 通 过 程 序 控 制 油 泵 或 截 割 电 机 停 止 运 转 ， 电 机 冷 却 后 自 动 复 位 。 对 应 热 敏电 阻 阻 值 为 1.8K 2K 。 3. 对 称 故 障 保 护 ： 对 称 故 障 主 要 有 对 称 过 载 、 堵 转 、 对 称 稳 态 短 路 等 ，这 类 故 障 对 电 动 机 的 损 害 主 要 是 由 于 电 流 增 大 所 引 起 的 热 效 应 和 机 械 应 力 ，使 绕 组 发 热 甚 至 损 坏 。 4. 不 对 称 故 障 保 护 ： 电 动 机 的 不 对 称 故 障 主 要
24、有 断 相 、 相 间 短 路 、 匝间 短 路 、 不 平 衡 运 行 、 接 地 短 路 等 。 不 对 称 故 障 对 电 动 机 的 损 害 不 仅 仅 是 电流 增 加 引 起 的 发 热 ， 更 重 要 的 是 不 对 称 引 起 负 序 效 应 给 电 动 机 运 行 带 来 的 隐患 。 因 此 ， 电 动 机 运 行 缺 陷 的 早 期 诊 断 是 非 常 重 要 。2.2 矿 用 隔 爆 三 相 异 步 电 动 机 的 故 障 保 护由 于 矿 井 下 工 作 环 境 比 较 恶 劣 ， 电 动 机 发 生 故 障 的 几 率 也 比 较 大 ， 针 对这 种 情 况 和
25、用 户 的 实 际 需 要 投 入 了 以 下 几 种 保 护 ： 过 载 保 护 、 短 路 保 护 、 负序 过 流 保 护 、 单 相 接 地 保 护 、 欠 电 压 和 过 电 压 保 护 等 保 护 形 式 。 下 面 对 几 种主 要 保 护 的 原 理 和 实 现 方 法 分 别 加 以 详 细 的 阐 述 。2.2.1 过 载 保 护由 于 负 载 转 矩 过 大 ， 电 动 机 转 速 下 降 以 提 高 电 磁 转 矩 ， 电 机 定 子 电 流 超过 额 定 电 流 ， 导 致 电 动 机 过 载 ， 如 果 持 续 时 间 过 长 ， 将 导 致 电 动 机 过 热 而
26、 被烧 坏 。 但 是 如 果 是 短 时 过 载 ， 电 动 机 积 累 的 热 量 能 够 及 时 散 发 ， 根 据 过 载 程度 的 不 同 ， 电 动 机 过 载 运 行 是 可 以 保 持 一 段 不 同 的 时 间 。 过 载 保 护 按 照 反 时限 特 性 动 作 。2.2.2 短 路 故 障 分 析 及 保 护 判 据由 于 电 动 机 在 起 动 过 程 中 ， 起 动 电 流 很 大 ， 可 以 达 到 额 定 电 流 的 7倍以 上 。 为 了 保 证 在 起 动 过 程 中 保 护 可 靠 的 不 动 作 ， 整 定 值 在 起 动 和 运 行 过 程中 采 用 了
27、 不 同 的 算 法 。a. 异 步 电 动 机 起 动 过 程 中 的 速 断 保 护 ：内 蒙 古 科 技 大 学 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 7 -欲 使 电 动 机 能 满 载 地 起 动 ， 要 求 必 须 大 于 电 动 机 满 载 起 动 电 流 ，1dI qdI即 ：eqdbqdbdIKI1式 中 ： 保 证 电 动 机 满 载 启 动 系 数 ， 取 1.2 1.4。电 动 机 起 动 电 流 系 数 ， 一 般 取 4 7。qd电 动 机 的 额 定 线 电 流 。eIb. 异 步 电 动 机 运 行 中 的 速 断 保 护
28、在 电 动 机 运 行 过 程 中 ， 的 整 定 可 不 必 考 虑 要 躲 过 电 动 机 的 起 动 电 流 ，2dI短 路 保 护 可 以 按 电 动 机 的 额 定 电 流 的 倍 数 整 定 ， 即 ：edKI2式 中 的 值 一 般 取 为 8-10， 这 样 可 以 保 证 三 相 异 步 电 动 机 在 起 动 结 束 后的 运 行 过 程 中 不 会 频 繁 跳 闸 ， 保 证 掘 进 机 的 正 常 工 作 。2.2.3 单 相 接 地 故 障 分 析 及 保 护 判 据在 变 压 器 中 性 点 不 接 地 的 矿 井 下 的 供 电 系 统 中 ， 当 一 相 (如
29、A相 )发 生直 接 接 地 故 障 ， 便 有 单 相 接 地 电 流 在 接 地 点 流 过 ， 并 经 其 它 两 相 的 绝 缘 电 阻和 电 容 流 回 电 源 。 此 时 ， A相 导 线 对 地 电 压 为 零 ， B、 C两 相 对 地 变 成 了rc线 电 压 。 但 电 源 线 电 压 仍 然 平 衡 ， 并 不 影 响 负 荷 继 续 工 作 。 不 过 ， 从 矿 井 的安 全 出 发 ， 为 了 防 止 瓦 斯 煤 尘 爆 炸 ， 要 求 立 即 切 断 供 电 电 源 。 由 于 三 相 电 网对 地 电 压 不 再 平 衡 ， 三 相 电 压 之 和 不 为 零
30、， 因 而 出 现 了 零 序 电 压 和 零0U序 电 流 。0I由 于 我 国 矿 井 下 大 中 型 电 动 机 一 般 采 用 小 电 流 接 地 方 式 ， 当 发 生 一 点 接地 时 ， 故 障 电 流 很 小 。 在 中 性 点 非 直 接 接 地 电 网 中 的 高 压 电 动 机 ， 当 容 量 小于 2MW， 而 接 地 电 容 电 流 大 于 10A； 或 容 量 等 于 2MW及 以 上 ， 而 接 地 电 容 电流 大 于 5A时 ， 应 装 设 接 地 保 护 。 提 高 接 地 保 护 的 灵 敏 度 ， 可 采 用 一 次 零 序 电内 蒙 古 科 技 大 学
31、 高 等 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）- 8 -流 互 感 器 检 测 零 序 电 流 ， 其 电 流 按 大 于 被 保 护 回 路 的 电 容 电 流 整 定 ， 即 ：dzI.0max.0.03CdzIKI式 中 ： 可 靠 系 数 ， 取 4 5；当 外 部 发 生 接 地 故 障 时 ， 过 流 被 保 护 回 路 的 最 大 接 地 电 容ax.0I电 流 。2.2.4 欠 压 和 过 压 故 障 分 析 及 保 护 判 据根 据 三 相 异 步 电 动 机 的 电 磁 转 矩 公 式 可 知 ， 电 动 机 的 电 磁 转 矩 与 电 网 供
32、电 电 压 有 关 。 当 电 网 电 压 上 下 波 动 时 ， 电 动 机 的 电 磁 转 矩 相 应 发 生 变 化 ， 进而 影 响 到 定 子 电 流 的 变 化 ， 从 而 影 响 到 电 动 机 正 常 运 行 ， 所 以 必 须 有 欠 电 压和 过 电 压 保 护 。a. 欠 压 保 护当 电 源 电 压 由 于 某 种 原 因 降 低 到 额 定 电 压 75 或 长 时 间 低 于 额 定 电 压85 时 ， 称 为 系 统 欠 电 压 。 电 动 机 的 转 矩 和 定 子 电 流 与 电 压 密 切 相 关 ， 在电 网 电 压 降 低 ， 电 磁 转 矩 下 降 时
33、 ， 电 动 机 转 速 也 下 降 ， 因 此 转 子 绕 组 中 感 应出 的 电 动 势 和 产 生 的 转 子 电 流 都 将 增 大 。 转 子 电 流 增 大 ， 定 子 电 流 必 然 相 应增 大 ， 温 升 增 高 ， 致 使 电 动 机 过 热 甚 至 烧 坏 ， 严 重 时 还 会 造 成 堵 转 。 因 此 ，电 动 机 应 有 欠 压 保 护 ， 以 保 证 一 旦 发 生 欠 压 故 障 它 就 能 够 自 行 脱 离 电 源 。欠 压 保 护 的 整 定 原 则 是 ： 若 在 一 定 时 限 内 采 样 到 的 线 电 压 有 效 值 均 低 于保 护 整 定 值 ， 则 认 为 有 故 障 产 生 ， 应 进 行 断 电 保 护 。b. 过 压 保 护当 电 源 电 压 由 于 某 种 原 因 超 过 额 定 电 压 15 时 ,称 为 系 统 过 电 压 。 过电 压 通 常 是 由 电 网 电 压 波 动 造 成 的 ， 当 然 有 时 也 是 伴 随 其 它 故 障 而 产 生 的 ，如 果 负 载 星 形 连 接 且 无 中 性 线 的 电
