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基于PLC的电机故障诊断系统设计
摘要
本文介绍了国内基于PLC的电机故障诊断系统设计,详细分析了三相鼠笼式异步电机常见的故障及故障表现出的症状。
对PLC的选型做出了论述,介绍了S7-200CPU226的特点。
对模块的扩展做出了详细论述。
对传感器进行相应的选型,对输入输出点做出了相应的分配。
做出了一套基于PLC的电机多故障诊断系统。
本文对基于PLC的电机故障诊断系统硬软件的设计做出了详细论述,做出了故障诊断系统的工艺图及人机界面,做出了程序流程图及梯形图。
关键字:
PLC;
电机;
故障诊断
MotorfaultdiagnosissystembasedonPLCisdesigned
Abstract
ThispaperintroducesthedomesticmotorfaultdiagnosissystembasedonPLCisdesigned,detailedanalysisofthethree-phasesquirrel-cageasynchronousmotorshowedsymptomsofthecommonfaultsandfault.TypeselectionofPLCmadeinthispaper,theauthorintroducesthecharacteristicsofS7-200CPU226.Madeonthepropagationofthemoduleisdiscussedindetail.Tothecorrespondingselection,sensormadecorrespondingallocationofinputandoutputpoint.MakeasetofmotorfaultdiagnosissystembasedonPLC.Inthispaper,themotorfaultdiagnosissystembasedonPLC,thehardsoftwaredesignhasmadeadetail,thefaultdiagnosissystemoftheprocessdiagramandtheman-machineinterface,makingtheprogramflowchartandladderdiagram.
Thekeyword:
PLC;
motorfault;
diagnosis
绪论
电机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。
常见的电动机可分为交流电动机和直流电动机。
电机是随着生产力的发展而发展的,反过来,电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。
从19世纪末期起,电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机,一个多世纪以来,虽然电动机的基本结构变化不大,但是电动机的类型增加了许多,在运行性能,经济指标等方面也都有了很大的改进和提高,而且随着自动控制系统和计算机技术的发展,在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机,控制电动机具有高可靠性﹑好精确度﹑快速响应的特点,已成为电动机学科的一个独立分支。
随着社会的发展,电机在各个行业中得到了越来越重要的应用,所以对电机的故障也随之越来越重视。
能否以最快速度诊断出电机的故障及解决故障时现在电机故障诊断中的重点所在[1]。
PLC的问世使得电机的故障诊断系统得到了空前的提高。
即,本文就以PLC作为电机的故障诊断系统作出相应设计及论述。
PLC是当今社会应用标胶广泛的一种控制装置,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。
PLC在电机领域应用十分广泛,无论是电机的控制,还是电机的故障诊断,PLC占了主导地位。
它能以最快的速度使电机做出相应动作。
PLC在各个行业应用十分广泛,因为它的速度快,反应灵敏,所以在电机故障诊断中得到了广泛的应用。
PLC的介入使电机的故障率减至最低,并且使故障所带来的负面影响及故障恶化降至最低,从而提高了电机的运行效率及经济效益。
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。
第一章三相鼠笼式异步电机
一.1鼠笼式异步电机的发展
随着我国科技的日益发展,人们对自动化的需求越来越高,使电动机的复杂控制成为主流,而三相鼠笼式异步电动机其应用领域更是极为广泛。
例如工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、印刷机械、纺织机械、泵和压缩机、新型工业缝纫机等设备的控制军事和航天方面的卫星姿态、飞船光电池对太阳跟踪、雷达天线的控制。
三相鼠笼式异步电动机是目前工农业生产中使用最广泛的一种电动机,在电网的总负载中,异步电动机的容量约占整个动力负载的85%,可见其使用的广泛性和重要性,在供水泵站中亦广泛使用。
一.2鼠笼式异步电机结构及工作原理
一.2.1鼠笼式异步电机的类型和基本结构
三相鼠笼式异步电机主要由定子、转子组成。
定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等组成。
转子由转轴、转子铁芯转子绕组组成[2]。
如图1.1所示:
图1.1三相鼠笼式异步电机结构图
定子、转子之间有气隙,在定子两端有端盖支撑转子及转轴。
异步电机根据相数可分为单相、三相两类。
三相异步电机结构有笼型和绕线式两种,单相异步电机转子都是笼型,本文的主要研究对象是三相鼠笼式异步电机。
鼠笼型异步电动机主要部件的拆分图如下:
图1.2鼠笼型异步电动机主要部件
(1)定子结构
定子铁芯的作用是作为磁路和固定定子绕组。
定子绕组流过交流电流时会在定子铁芯中产生交变磁场,为了把交变磁场在铁芯中引起的损耗降低到最低,铁芯的使用材料要具备优良的导磁性能,如采用硅钢片叠压而成。
定子绕组是电机的电路部分,作用主要是产生感应电动势、流过电流。
机座用来固定和支撑定子,对其机械强度要求很高。
图1.3定了铁芯及绕组结构图
(2)转子结构
转子铁芯也是电机磁路的一部分,一般也是由导磁性能良好的硅钢片叠压制成。
转轴的作用是支撑转子铁芯和输出机械转矩。
定子绕组产生的交变磁场在转子绕组中是产生感应电动势、流过电流,进而产生电磁力,带动轴承转动,输出动能。
图2.1为鼠笼式异步电机转子结构图。
图1.4鼠笼式异步电机转子结构图
(3)轴承结构
轴承是电机中支撑转子的一个部件,在所有部件中是受力最大的一个部件,主要用来转矩的输出。
轴承故障主要是由负载波动引起的,以轴承振动的形式表现出来。
(4)气隙
异步电机定、转子之间具有很小的空间存在,称为气隙,这个空间的大小对异步电机的性能影响很大。
气隙过大,由于空气的磁导率比硅钢片低,磁势损失严重,致使电机效率降低;
气隙过小,会造成定转子摩擦,造成设备故障。
通常异步电机气隙长度设为定、转子不发生机械摩擦所允许的最小数值。
一.2.2鼠笼式异步电机工作原理
通过对异步电机结构的介绍,得知异步电机工作过程中,交变电流产生的定子磁场切割转子导体产生感应电流,而旋转磁场又对转子感应电流作用产生电磁力,带动转子转动,电能便转为动能,通过转轴输出,从而实现机电能量形式的转换[3]。
当三相异步电机接入三相交流电源(各相差)时,三相定子绕组中流过的三相对称电流产生三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场,该磁场以同步转速旋转。
刚通入时刻,产生的旋转磁场与静止的转子导体存在切割运动,由电磁感应定理可知,转子绕组产生感应电动势并产生感应电流。
载流的转子导体在定子产生的交变磁场中受到电磁力作用,电磁力对电机转子轴形成电磁转矩,驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转,如果转轴上带有负载,电动机便向外输出机械能,电能转化为动能。
在电机定子中通入3相交流电,使其产生旋转磁场,转速为。
同步转速与磁极对数和电源频率有关:
(1.1)
式((1.1)中p为电机磁极对数,f为电源频率。
旋转磁场转速与转子速度之间存在一个速差()是异步电机的一个特色,这也是异步电机名称的由来。
(1.2)
式(1.2)中,为转差率,为磁场转速,为转子转速。
[4]
本文针对三项鼠笼式异步电机Y2-180M-2做出相应的故障分析及故障处理。
Y2-180M-2的基本信息如下:
防护等级:
IP54或IP55
电压:
380V或415V
频率:
50Hz或60Hz
电流:
41A
转速:
2940r/min
功率越因数:
0.9
额定电流:
7.5Ist/In
(堵转)额定转矩:
2.0Tst/Tn
(最大)额定转矩:
2.3TM/min
同步转速:
3000r/min
第二章可编程控制器
二.1PLC简介
自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)取代传统继电器控制装置以来,PLC得到了快速发展,在世界各地得到了广泛应用。
同时,PLC的功能也不断完善。
随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高,PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。
今天的PLC不再局限于逻辑控制,在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。
作为离散控的制的首选产品,PLC在二十世纪八十年代至九十年代得到了迅速发展,世界范围内的PLC年增长率保持为20%~30%。
随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大,近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。
但是,在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。
综合相关资料,2004年全球PLC的销售收入为100亿美元左右,在自动化领域占据着十分重要的位置。
[5]
PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。
它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;
并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。
用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。
运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。
PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。
不同型号PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
PLC用梯形图编程,在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。
它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。
大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。
把计算结果送给PLC的控制器。
相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。
PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。
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