基于plc的电机故障诊断系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于plc的电机故障诊断系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

按 I/O 点数确定模块规格及数量， I/O 模块 可多可少，但其最大数受 CPU 所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 （ 4）编程器：编程器分为两种，一种是手持编程器。 另一种是 RS485/RS232接口，连接计算机，通过 NSTPGR 软件向 PLC 内部输入程序。 （ 5） PLC 电源： PLC 电源在整个系统中起着十分重要的作用。 无论是小型的 PLC，还是中、大型的 PLC，其电源的性能都是一样的，均能对 PLC 内部的所有器件提供一个稳定可靠的直流电源。 一般交流电压波动在正负 10%（ 15%）之间，因此可以直接将 PLC 接入到交流电网上去。 可编程序 控制器一般使用 220V交流电源。 可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。 某些可编程序控制器可以为输入电路和少量的外部电子检测装置（如接近开关）提供 24V 直流电源。 驱动现场执行机构的电源一般由用户提供。 PLC 工作原理 可编程序控制器是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入、输出继电器等。 这种计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理结构在功能上某些相似之处。 1. 3 PLC 的工作原理可编程 序控制器有两种基本的 10 工作状态，即运行（ RUN）状态与停止（ STOP）状态。 除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成，内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为 5 个阶段。 可编程序控制器的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 由于计算机执行指令的速度极高，从外部输入 输出关系来看，处理过程似乎是同时完成的。 在内部处理联合阶段。 可编程序控制器检查 CPU 模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智能装置通信，响应 编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。 当可编程序控制器处于停止（ STOP）状态时，只执行以上的操作。 可编程序控制起处于（ RUN）状态时，还要完成另外 3 个阶段的操作。 在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。 可编程序控制器梯形图中别的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。 在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接通 /断开（ ON/OFF）状态读入输入寄存器。 外接的输入触点电路接通时，对应的输入映像寄存 器为“ 1”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点接通，常闭触点断开。 外接的输入触点电路断开，对应的输入映像寄存器为“ 0”状态，梯形图中对应的输入继电器的常开触点断开，常闭触点接通。 在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态 也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。 可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。 在没有跳转指令时， CPU 从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序，直到用户程序结束之处。 在执行指令时，从 输入映像寄存器或别的元件映像寄存器中将有关编程元件的 0/1 状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算结果写入到对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件的映像寄存器（输入映像寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化 [7]。 在输出处理阶段， CPU 将输出映像寄存器的 0/1 状态传送到输出锁存器。 体型图某一输出继电器的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为“ 1”状态。 11 信号经输出模块隔离 和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。 若梯形图中输 出继电器线圈断电对应的输出映像寄存器为“ 0”状态，在输出处理阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。 某一编程元件对应的映像寄存器为“ 1”状态时，称该编程元件为 ON，映像寄存器为“ 0”状态时，称该编程元件为 OFF。 扫描周期可编程序控制器在 RUN 工作状态时，执行一次图 所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为 1~100ms。 指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和 CPU 执行指令的速度有很大的关系。 当用户程序较长时，指令执行时间在扫描 周期中占相当大的比例。 不过严格地来说扫描周期还包括自诊断、通信等。 PLC 的发展及现状 PLC 作为一种成熟稳定可靠的控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用。 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。 PLC 的应用 可编程控制器在发展初期由于价格较高，使它的应用受到了限制。 近年来，PLC 应用范围迅速扩大，主要原因是：一方面由于微处理器芯片及相关元件的价格大大下降，使得 PLC 的成本下降；另一方面，随着 PLC 的功能大幅度提高，它能解决许多复杂的计算和通信问题，使得 PLC 的应用范围日益扩大。 目前，PLC 已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等行业。 PLC 的主要应用有如下几方面： （ 1） 开关量的逻辑控制 （ 2） 过程控制 （ 3） 运动及位置控制 12 （ 4） 数据处理 （ 5） 通信联网 （ 6） 特殊功能 PLC 是现在应用较多的一种控制装置，利用 PLC 丰富的内部资源及强大的功能指令， 编制故障检测报警程序，不仅可以替代继电器实现相应功能，还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性。 PLC 已被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。 13 第三章 三相鼠笼式异步电机的故障及分析 三相鼠笼式异步电机常见故障 如下表 所示列出了三项鼠笼式异步电机的各种常见的故障 : 三相鼠笼式电动机常见故障 故障现象 可能原因 合闸后电动机无任何动静 电源不通 熔断器熔体熔毁 过载 保护装置调的过小 控制设备接线错误 定子绕组两相开路 热继电器动作后没有复位 合闸后电动机不动，但有嗡嗡声 一相电源缺电或一相熔体熔毁 绕组首尾端接反或一相绕组内部接错 一相电源回路接触松动 负载过重或转子或生产机械卡塞 电源电压过低 轴承破碎或卡住 合闸后电机不转，但熔体立即熔断 一相电源不通或定子线圈一相接反 定子绕组相间短路 定子绕组对地短路 定子绕组接错 使用熔体截面过小 电源 线（或接线盒内）相间短路或对地短路 14 启动困难，启动后转速严重低于正常值 电源电压严重偏低 将 △ 绕组错接为 Y 绕组 定子绕组局部接错、接反 鼠笼式转子断条 绕组局部短路 负载过重 三相空载电流严重不平衡 重绕时三相绕组匝数不等 部分绕组首尾端接反 三相电源电压不平衡 部分绕组匝间短路 三相空载电流过大 重绕时，三相绕组匝数过量减少 误将绕组由 Y 接法改为 △ 接法 电源电压严重偏高 气隙过大或不均匀 转子装反，是定、转子铁芯未对齐，减少有效长度 用热拆法拆旧绕组时将铁芯烧坏，质量变差 运行中发生异响 转子扫膛 扇叶与风罩相擦 轴承缺油，发生干摩擦 轴承破碎或严重磨损或润滑油中有硬粒异物 定子或转子铁芯松动 电源电压过高或不平衡 运行中振动剧烈 机座与基础紧固件松动 基础松软，强度不够 与生产机械连接部位为校准 转轴弯曲 转轴重量不平衡、单边 气隙不均匀 15 风扇不平衡 轴承破碎或 严重磨损 鼠笼转子断条 轴承过热 润滑油过多、过少或变质干涸 润滑油质量太差或有杂质 轴承与轴颈、端盖轴承座配合过松，轴承走外圆或内圆 轴承盖装配不到位或内孔偏心，内孔与转轴相擦 端盖未装平 联轴器未校正或皮带过紧 轴承间隙过大或过小 转轴弯曲 电动机过热，甚至冒烟冒火 电源电压过高或过低或三相电压严重不平衡 转子扫膛 电动机频繁启动，频繁正反转或负载过重 缺相运行（缺一相电源） 鼠笼式转子断 条 定子铁芯多次过热，质量变差 环境温度高，电动机又散热不好 风扇或风道故障 定子绕组短路、接错 机壳带电 电源相线与中性线接错 绕组受潮，绝缘老化，大电流造成对地短路 保护接地线开路或接触不良 三相鼠笼式异步电机的故障分析 （ 1）短路故障 三相电流的不平衡度较大（超过了 5%），三相空载电流较大，电流互感器显示有一项电流超出额定值，温度传感器数据超出额定值，速度传感器显示为零或带负载时低于额定值，则判断为短路故障，即保护动作。 16 （ 2）欠压和过压故障分析 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，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动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。 电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝 缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。 过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高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。 （ 3）单项接地短路 有零序电流产生，其值为接地保护动作整定值。 （ 4）两项接地短路 有零序电流产生，其值为二倍接地保护动作整定值。 （ 5）过负荷保护 三相电流基本平衡（满载运行时，三相电流的不平衡度在 3%以内，则可认为基本平衡），但大于额定值，说明负载超过了电机的额定容量，即过载。 普通电机过载 10%可运行一段时间，一般不应超过 5min。 所以过载保护可以按照反 17 时限特性动作 5。 （ 6）断相故障 电压互感器显示数据正常，电流互感器有一项或两相为零，速度传感器数据低于额定值，温度传感器数据大于额定值，则判断为单项断路，保护动作。 （ 7）转子断条 此故障表现出电机出力不足，电流增大并按一定周期摆动，转速下降，导致转子电流与定子电流增加，损耗加大，使转子温度上升。 用速度传感器及电流互感器可以诊断其故障使保护动作（安置于转子上的电流互感 器测得数据增大及按一定周期摆动，安置于定子上的电流互感器测得数据增大，扭距传感器测得数据低于额定值）。 （ 8）设备结构安装部位松动 此故障表现出电机振动剧烈，但三相电流大小和平衡情况正常，并且波动不打。 既可以用振动传感器及电流互感器测得数据并使保护动作（振动传感器测得数据超过额定值很多，电流互感器显示数据正常）。 （ 9）转子扫膛 振动传感器数据大于额定值。 （ 10）轴承损坏 扭矩传感器显示数据不稳定或周期性变动，振动传感器显示数据不稳定或周期性变动，电流互感器平衡度正常但数据不稳定，则判断为轴承损坏或 缺油。 （ 11）转子或定子铁芯松动 振动传感器显示数据不稳定，波动幅度较大。 电流互感器和电压互感器显示数据基本稳定，扭矩传感器显示数据有轻微波动， 温度传感器大于额定值。 则为铁芯松动。 保护动作。 （ 12。