毕业论文-基于plc的电机故障诊断系统设计

毕业论文-基于plc的电机故障诊断系统设计内容摘要：

控级的 WinCC。 ProTool 适用于大部分 HMI硬件的组态，从操作员面板到标准 PC都可以用集成在 STEP 7中的ProTool 有效地完成组态。 ProTool/lite 用于文本显示的组态，如： OP3， OP7， OP17， TD17 等。 ProTool/Pro 用于组态标准 PC和所有西门子 HMI产品， ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于 Windows平台的监控系统。 WinCC 是一个真正开放的，面向监控与数据采集的 SCADA（ Supervisory Control and Data Acquisition）软件，可在任何标准 PC 上运行。 WinCC 操作简单，系统可靠性高，与 STEP 7 功能集成，可直接进入 PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。 它的设计适合于广泛的应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量 的通信接口和全面的过程信息和数据处理能力，其最新的 IE 浏览器动态监控生产过程。 S7200 系列 PLC 的硬件配置 S7200系列 PLC可提供 4种不同的基本单元和 6种型号的扩展单元。 其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 基本单元 S7200系列 PLC 中可提供 4 种不同的基本型号的 8种 CPU供选择使用，其输入输出点数的分配见下表： 张小波 :基于 PLC 的故障诊断系统设计 第 10 页共 24 页 型 号 输入点 输出点 可带扩展模块数 S7200CPU221 6 4 — S7200CPU222 8 6 2个扩展模块 78 路数字量 I/O 点或10路模拟量 I/O点 S7200CPU224 14 10 7个扩展模块 168路数字量 I/O点或35路模拟量 I/O点 S7200CPU226 24 16 2个扩展模块 248路数字量 I/O点或35路模拟量 I/O点 S7200CPU226XM 24 16 2个扩展模块 248路数字量 I/O点或35路模拟量 I/O点 扩展单元 S7200系列 PLC主要有 6种扩展单元，它本身没有 CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展 I/O点数， S7200系列 PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表 32所示。 表 32 S7200系列 PLC扩展单元型号及输入输出点数 类 型 型 号 输入点 输出点 数字量扩展模块 EM221 8 无 EM222 无 8 EM223 4/8/16 4/8/16 模拟量扩展模块 EM231 3 无 EM232 无 2 EM235 3 1 编程器 PLC在正式运行时，不需要编程器。 编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 第 11 页共 24 页 将用户程序送入 PLC 中，在调试过程中，进行监控和故障检测。 S7200 系列 PLC 可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。 智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7200系列 PLC的专用编程软件为 STEP7Micro/WIN。 程序存储卡 为了保证程序及重要参数的安全，一般小型 PLC设有外接 EEPROM 卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入 PLC，也可将 PLC 内的程序及重要参数传到外接 EEPROM 卡盒内作为备份。 程序存储卡 EEPROM有 6ES 72918GC000XA0和 6ES 72918GD000XA0两种，程序容量分别为 8K和 16K程序步。 写入器 写入器的功能是实现 PLC和 EEPROM之间的程序传送，是将 PLC中 RAM 区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将 PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到 RAM区。 文本显示器 文本显示器 TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入 /输出量。 文本信息的显示用选择 /确认的方法，最多可显示 80 条信息，每条信息最多 4个变量的状态。 过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。 TD200面板上的 8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。 系统框图 如下图，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。 如下图所示。 张小波 :基于 PLC 的故障诊断系统设计 第 12 页共 24 页 第四章 电机故障诊断系统设计 故障诊断系统建立在基于 PLC和上位计算机组成的控制系统上。 PLC在故障诊断系统中的功能主要是完成输煤系统设备故障信号检测、预处理，转化存储并传输给上位计算机。 上位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。 电机故障等级分类 电机的结构同时包含电气和机械两部分，也可以说是电气和机械的结合点。 所以说，它的故障要一分为二的分析。 对电机的振动故障原因也要分成两部分。 一般来讲，电机振动是由于转动部分不平衡、机械故障或电磁方面的原因引起的。 转动部分不平衡主要是转子、耦合器、联轴器、传动轮（制动轮）不平衡引起的。 处理方法是先找好转子平衡。 如果有大型传动轮、制动轮、耦合器、联轴器，应与转子分开单独找好平衡。 再有就是转动部分机械松动造成的。 如：铁心支架松动，斜键、销钉失效松动，转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡。 机械部分故障主要有以下几点： （ 1） 联动部分轴系不对中，中心线不重合，定心不正确。 这种故障产生的原因主要是安装过程中，对中不良、安装不当造成的。 还有一种情况，就是有的联动部分中心线在冷态时是重合一致的，但运行一段时间后由于转子支点，基础等变形，中心线又被破坏，因而产生振动。 （ 2） 与电机相联的齿轮 、联轴器有毛病。 这种故障主要表现为齿轮咬合不良，轮齿磨损严重，对轮润滑不良，联轴器歪斜、错位，齿式联轴器齿形、齿距不对、间隙过大或磨损严重，都会造成一定的振动。 （ 3）电机本身结构的缺陷和安装的问题。 这种故障主要表现为轴颈椭圆，转轴弯曲，轴与轴瓦间间隙过大或过小，轴承座、基础板、地基的某部分乃至整个电机安装基础的刚度不够，电机与基础板之间固定不牢，底脚螺栓松动，轴承座与基础板之间松动等。 而轴与轴瓦间间隙过大或过小不仅可以造成振动还可使轴瓦的润滑和温度产生异常。 （ 4）电机拖动的负载传导振动。 例如：汽轮发 电机的汽轮机振动，电机拖动的风机、水泵振动，引起电机振动。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 第 13 页共 24 页 电气部分的故障是由电磁方面的原因造成的 主要包括：交流电机定子接线错误、绕线型异步电动机转子绕组短路，同步电机励绕组匝间短路，同步电机励磁线圈联接错误，笼型异步电动机转子断条，转子铁心变形造成定、转子气隙不均，导致气隙磁通不平衡从而造成振动。 本设计中系统故障分为两个等级如上图所示 :一级故障为高级。 当发生此类故障，断路器跳闸使电机停止运行，PLC禁止其他控制输出，并声光报警（指示灯和电铃）。 只有按报警复位按钮后声光报警停止。 二级故障为低级。 当 发生此类故障时，断路器不动作，电机继续运行，只相应声光报警。 故障诊断程序设计 在进行故障诊断设计时，首先必须对整个系统可能会发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。 以某厂电机输送控制系统的故障结构为例。 为了描述简单，这里作了一定的简化。 系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型。 在进行系统的 PLC梯形图程序设计时，应充分考虑到故障结构的层次，合理安排逻辑流程。 在引入故障输入点时应注意 :必须将系统所有可能引起故障的检测点引入 PLC，以便系统能及时进行故障处理。 应在系统允许的条件下尽可能多的将最底层的故障输入信息引入 PLC的程序中，以便得到更多的故障检测信息为系统的故障自诊断提供服务。 为了得到系统的故障情况实现系统的故障自诊断， PLC必须将所有故障检测点的状态反映给内部寄存器，图。 是输入的 IO 节点，表示 A 侧皮带信号，当输煤系统使用 A侧皮带正常运行时 值为 1，当 0 时，说明 A侧皮带信号出了故障，此时利用上升沿微分指令记录这次的信号跳变。 这样这次事故就记录在。 程序设计中将 IR31作为记录底层故障信息的寄存器，由于内部寄存器 IR有 16 位，所以能够记录 16 种不同的故障原因。 如果有更多的故障需要记录，可以设置多个寄存器字。 需要说明的是，有时引起故障的原因可能不止一个，往往一个故障会引起另一些故障的发生，因此还有关键的一点是程序要能记录最先发生的故障。 这也需要通过 PLC编程张小波 :基于 PLC 的故障诊断系统设计 第 14 页共 24 页 实现，程序只对最开始发生的故障敏感。 如下图所示。 . 多次故障事件的记录 由于 系统实际长时间的运行中，可能会出现多次故障，为了检修和维护方便，还需要 PLC 能够将多次故障事件记录下来。 OMRON C200H 型 PLC的数据存储区 (DM区 )可以间接寻址，利用这一点，可以在 DM区划出一定的区域，用来记录每次故障事件，包括故障类型和事件发生的时间 (日期，小时，分钟，秒 )。 这一段 DM 区域可以循环记录，实际使用中记录了最后 50 次故障的情况，这些记录是系统运行的重要资料，方便了运行人员了解设备情况，对其进行检修和维护。 . 模拟量故障的诊断 对于模拟量信号例如犁煤车，给煤车电机电流的故障诊断，首先利用模拟量模块，接收来自电流变送器的模拟信号，将其转换为数字信号，然后与整定值或系统允许的极限值比较 ,若在允许范围之内则表明对应的设备处于正常运行状态，如果实际值接近或达到极限值，则为不正常状态。 判断故障发生与否的极限值根据实际系统相应的参数变化范围确定。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 第 15 页共 24 页 . 各种故障信息的串行通信 上位机通过串行通讯及时读取 PLC的内部寄存器区的各种故障信息。 利用 PLC的 RS232通信接口，可与上位计算机进行 Host Link方式串行通信。 通信时，上位计算 机首先向 PLC发出一帧命令帧，包括操作命令、寄存器类型、起始地址与要读取的寄存区数目等。 PLC收到命令帧后会做出响应，如果没有错误则向上位计算机发出响应帧，响应帧中包含了上位机需要查询的寄存器值。 上位计算机通过读取数据寄存区的值来获取当前 PLC的工作状况，同时上位计算机对 PLC的控制也可通过对该区的写操作来完成。 具体的通信实现可以参考相关资料，这里不作详细论述。 借鉴专家系统故障诊断方法的实现 系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个清晰的层次模型，可以利用基于模型的故障树法。 但是在进行比较详尽的故障诊断以及系统故障存在耦合时，仅仅使用故障树法是不够的，必须借鉴专家系统的方法。 . 专家系统方法 在传统的专家系统中，知识被组织成知识库的形式，推理机进行推理时，要从知识库表示的所有空间中搜索所需的知识。 这种方法有搜索空间大，推理效率低的缺点。 “知识对象”的概念可以解决这一问题。 “知识对象”是一个逻辑概念，它利用面向对象的方法，将知识源和黑板都表达为对象，在知识对象的内部封装了专家 系统和推理机、解释器。 当相应的知识对象被激活后，就在对象内部进行推理，大大提高了推理效率。 根据系统的实际情况和故障推理的过程，在这里知识对象被具体化为故障节点。 故障节点是进行诊断推理的基本单位，诊断信息在故障节点间层层传递，故障节点内部利用这些信息进行推理并最终确定故障原因。 上图为系统部分故障节点的层次结构。 图中可以看出，故障节点在结构上以虚线为分界线分张小波 :基于 PLC 的故障诊断系统设计 第 16 页共 24 页 为两个部分。 上一部分层次清晰，在这一部分可以采用基于故障模型。