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1、1 目录目录 1 引言2 1.1 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状.2 1.2 故障诊断方法 3 2 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 3 2.1 PLC 发展历程.3 2.2 PLC 控制系统的发展前景 3 2.3 可编程序控制器 PLC 的分类 4 2.4 PLC 的系统模块.5 2.4.1 CPU 的构成.5 2.4.2 I/O 模块 5 2.4.3 电源模块 .6 2.4.4 PLC 系统的其它设备 .6 2.4.5 PLC 的通信联网 .6 3 三相异步电机的工作原理及故障点分析6 3.1 三相异步电机的基本结构 6 3.1.1 定子 6 3.1.2 转子 7 3.2 三相异步
2、电机的工作原理 7 3.3 三相异步电机的故障分析 7 4 电机故障检测系统设计8 4.1 系统设计 8 4.1.1 系统总体思路 8 4.1.2 短路检测方法 8 4.2 硬件设计 .9 4.2.1 确定系统中的 I/O 设备 .9 4.2.2 I/O 点数的确定及 PLC 主单元的选型.9 4.2.3 存储器容量的估算 .10 4.2.4 系统主模块外部接线设计 .10 4.2.5 系统特殊单元的选型及接线设计 .11 4.2.6 系统电源设计 .12 4.3 软件设计 13 4.3.1 程序流程图设计 13 4.3.2 建立系统 PLC 的 I/O 地址的分配.14 4.3.3 模拟量输
3、入模块 FX2N-4AD 程序设计.14 4.3.4 系统主模块程序编制 .15 4.4 系统的调试 17 致谢：.18 参考文献.20 附件 1：系统总程序梯形图 .21 附件 2：系统总接线图 .22 2 基于 PLC 的电机故障诊断系统设计 机械设计制造及其自动化 071 班 指导老师： 摘要：本文介绍了 PLC 应用于故障诊断系统的必要性及发展前景，同时介绍了可编程控制器的工作原理， 基本构成和选型依据，并设计了一种基于 PLC 的电机故障诊断系统。详细介绍了所选用的三菱 FX2N 系列各个型号的基本特征，以及特殊功能模块的型号和特点。根据设计要求对 PLC 的输入输出 I/O 进行
4、了分配，并且编写系统运行的梯形图。 关键词： 故障诊断 系统设计 电机故障 PLC 1 引言 1.1 PLC 应用于故障诊断系统的发展现状 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，满足工业控制要求，还必须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智能化的一个重要标志，对于工业控制系统具有较高 的意义和使用价值。 1.2 故障诊断方法 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。PL
5、C 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，满足工业控制要求，还必须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智能化的一个重要标志，对于工业控制系统具有较高 的意义和使用价值。 故障诊断一般有两种途径:故障树方法和专家系统方法。故障树方法利用系统的故障逻 辑结构进行逻辑推理，由错误的输出找到可能的输入错误。这种方法比较适用于系统结构 相对简单，各部分耦合少的情况。专家系统方法通过建立系统故障的知识库与推理机，计 算机借助现场的数据利用知识库和推理机进行深入的逻辑推理，找出故障原因。这种方法 适用于系统结构复杂，
6、各部分耦合强的大型工业系统。 3 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。 2 PLC 原理介绍及设备总体结构介绍 2.1 PLC 发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照 逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过 气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置 的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首
7、次采用 程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称 Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称 PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能 特点，可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（PLC）。 上世纪 80 年 代至 90 年代中期，是 PLC 发展最快的时期，年增长率一直保持为 3040%。在这时期，PLC 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC 逐渐 进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统。 PLC 具有通
8、用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单 等特点。PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代 的。 国控制类产品市场 PLC 的占有率已超过 50% , 而且保持着 10% 15% 的发展速度。 2.2 PLC 控制系统的发展前景 现在, 虽然出现了性能更加优越的 DCS 和 FCS 控制系统, PLC 控制也终将会被先进 的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相当长的一段时间, PLC 还会与 DCS 和 FCS 共存, 这主要基于以下原因:(1) 现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但 这并不意味着要将现有控制系统推倒
9、重来。企业投入大量的人力和财力建立起来的 PLC 控 制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系统,需要更大的资金投入, 将造成很大的浪费。(2) 基于以上市场需求,许多软件厂商(例如: 华富惠通软件公司) 正 在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业 实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。(3) 目前, PLC 的功能 增强、结构优化, IO 模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。 (4) PLC 的联网通信能力增强, 向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信 发展。(5
10、) 现在的 PLC 系统与 DCS 技术、现场总线 IO 技术相结合,结构开放、扩展方便、 技术先进、价格低廉。由以上分析可以预见,未来 PLC 将朝着多功能化、集成化、智能化、 标准化、开放化的方向发展,故 PLC 虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收 4 它们的优点, 互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。 2.3 可编程序控制器 PLC 的分类 PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分类，通常根据其结构形式 的不同、功能的差异和 I/O 点数的多少等进行大致分类。 （1） 按结构形式分类：根据 PLC 的结构形式，可将
11、PLC 分为整体式和模块式两类。 1.整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型 PLC 一般采用这种整体式结构。整体式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、I/O 接口、 与 I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等。扩展单元内 只有 I/O 和电源等，没有 CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 2.模块式 PLC
12、 是将 PLC 各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块（有的含在 CPU 模块中）以及各种功能模块。模块式 PLC 由框架或基板和 各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根 据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模 块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。叠装 式 PLC 其 CPU、电源、I/O 接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并 且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧
13、。 （2） 按功能分类：根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档三 类。 1.低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有 少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、 顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 2.中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、 数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控 制、PID 控制等功能，适用于复杂控制系统。 3.高档 PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻
14、辑运 算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档 PLC 机具有更 强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 （3） 按 I/O 点数分类：根据 PLC 的 I/O 点数的多少，可将 PLC 分为小型、中型和大 型三类。 1.小型 PLCI/O 点数小于 256 点；单 CPU、8 位或 16 位处理器、用户存储器容量 4K 字以下。 2. 中型 PLCI/O 点数 2562048 点；双 CPU，用户存储器容量 28K。 5 3.大型 PLCI/O 点数 2048 点；多 CPU，16 位、32 位处理器，用户存储器容量 816
15、K . 2.4 PLC 的系统模块 PLC 系统模块包括 CPU、I/O、电源模块和其他设备组成，各个模块之间又有不同的构 成和结构。 2.4.12.4.1 CPUCPU 的构成的构成 CPU 是 PLC 的核心，起神经中枢的作用，每套 PLC 至少有一个 CPU，它按 PLC 的系统程 序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态 或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和 PLC 内部电路的工作状态和编程过程 中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规 定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU 主要由
16、运算器、控制器、寄 存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU 单元还包括外围芯片、总线 接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是 PLC 不可缺少的组成单元。在使用者 看来，不必要详细分析 CPU 的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU 的控制器控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控 制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运 算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。 CPU 速度和内存容量是 PLC 的重要参数，它们决定着 PLC 的工作速度，IO 数量及软件 容量等，因此限制着控制规模。 2.4.22.4.2 I/OI/O 模块模块 PLC 与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电 信号变换成数字信号进入 PLC 系统，输出模块相反。I/O 分为开关量输入（DI），开关量 输出（DO），模拟量
