毕业设计论文基于PLC对变压器的检测.doc

江北师范大学本科生毕业论文第1章 绪论1.1 PLC的定义可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。IEC对PLC的定义：PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，并按照逻辑关系进行连锁保护的动作的控制，及大量离散量的数据采集。一些功能是通过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30%40%。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具有通用性强、使用方便、适应而广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。1.2 PLC控制系统的发展 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。(2)基于市场需求，许多软件厂商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，帮助企业实现工厂自功化、信息化，为企业提供控制系统与管理网络的集成。 (3)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)PLC系统现场总线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，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。1.3 PLC应用于故障诊断系统的发展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。21 江北师范大学本科生毕业论文第2章 S7-200 PLC简介可编程控制器(Programmable Logical Controller)是20世纪70年代以来以微处理器为核心，综合计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型下业自动控制装置，由于它具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便以及体积小，重量轻等优点，使其在自动化控制的各个领域得到了广泛的应用。近年来由于微电子技术的发展和进步，使具有完全功能的超人规模集成电路的价格日趋便宜，同样也促进可编程控制器成本大大降低。 2.1 PLC的选取本设计采用的机型是西门子生产的S7-200系PLC，下面对它进行简单介绍。德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC (如S7-200),小规模性能要求的PLC (如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。2.2 SIMTIC S7-200 PLC简介 S7-200是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3-1所示。计算机工业软件CPU主机EM1扩展模块EM2扩展模块EMn扩展模块文本显示器触摸屏通信及网络其他 图3-1 S7-200PLC系统组成2.3 S7-200系列PLC的配置 S7-200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、CPU、连接设备等。2.3.1 基本单元S7-200系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表1-1。表1-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量 I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU226XM24162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点2.3.2 扩展单元S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数，S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表1-2所示。表1-2 S7-200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EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM23531江北师范大学本科生毕业论文2.3.3 CPU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。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。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。SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形，如图3-2所示。图3-2 S7-200主机结构2.3.4 连接设备2.4 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PLC分为整体式和模块式两类。（2）按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低、中、高三档。（3）按I/O点数分类根据PLC的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三种。2.5 机型的选择 1PLC的类型 PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。2输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块 ,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。 江北师范大学本科生毕业论文第3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检测电机的电流保护。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。3.1电机故障 电气设备的状态通常可以分为两种情况:正常状态、异常状态。正常状态指设备的整体没有缺陷，设备的正常运行。异常状态是指设备不能正常运行。故障状态则属于异常状态。电机发生故障设备的性能指标己有明显的下降，设备己经不能维持正常的工作，包括故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障;程度尚不严重，电气设备仍可勉强“带病”运行的一般功能性故障;电气设备不能继续运行的严重故障以及已经导致灾害事故的破坏性故障等。在实际中，电气设备往往是分布，且各控制之间相距较远，当设备发生故障时，会表现出多种征兆信息，因此本文采用基于PLC技术的测量系统，将所有反映电气设备运行状态的信号采集上来，通过计算机可实时监控各电气设备运行状态，并进行信息处理，实现故障检测与诊断。 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。 1、转动部分不平衡上要是转子、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。2、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。(2)、与电机相联的齿轮、联轴器有毛病。(3)、电机本身结构的缺陷和安装的问题。(4)、电机拖动的负载传导振动。 3、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，同步电机励磁绕组匝间短路，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：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。当发此类故障时，断路器不动作，电机继续运行，只是相应光报警。3.2 PLC程序设计3.2.1 系统框图如下图，准备开机时，按下开机按钮后，断路器闭合，电机开始启动。在启动过程中，若发生故障PLC进行相应的检测动作。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依次循环检测各电机是否发生欠电流或过电流故障，若有发生，PLC进行相应动作。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。 如图3-1所示。断路器电机存储器CPU输出模块电源输入模块状态信号控制信号指示灯电铃PLC图3-1 系统框图3.2.2 故障程序设计指令说明1.时钟指令利用时钟指令可以调用系统实时时钟或根据需要设定时钟，这对控制系统运行监视、运行记录及和实时时间有关的控制等。时钟指令有两条：读实时时钟和设定实时时钟。指令格式如下表1-3所示。表1-3 读实时时钟指令格式LAD功能说明 读取实时时钟指令：系统读取实时 当前时间和日期，并将其载入以地址T起始的8个字节的缓冲区2. 8个字节缓冲区（T）的格式如表1-4所示。表1-4 8字节缓冲区的格式地址TT+1T+2T+3T+4T+5T+6T+7含义年月日小时分钟秒0星期范围00990112013100230059005907注：1）所有日期和时间值必须采用BCD码表示；2) S7-200 CPU不根据日期核实星期是否正确，不检查无效日期，所以必须确保输入正确的日期；3）在使用时钟指令前，要设置“实时时钟”菜单，通过与CPU的链接对PLC时钟进行设定，然后才能开始使用实时指令。3. 七段显示译码指令七段译码指令SEG将输入字节16# 0F转换成七段显示码。指令格式如表1-5所示。表1-5 七段显示译码指令LAD功能说明 功能:将输入字节IN的低4位确定的十六进制的十六进制数（16# 0F），产生相应的七段显示码，送入输出字节OUT3.2.3.梯形图 本设计是对某电机电流故障的监测系统，如下图所示。江北师范大学本科生毕业论文3.2.4 指令表江北师范大学本科生毕业论文3.2.5 工作原理将已存入VW100的电流值和电机电流的额定值100A比较，这里监控电流额定值10%范围内和超过极限值的电流监测。当电流为额定值100A时，电机正常工作，指示灯、报警器不动作；当电流不为额定值且在额定值±10%内时指示灯(Q1.0)闪烁；当电流超过电流极限值时，指示灯(Q1.2)闪烁，报警器(Q1.3)报警；当电流在启动时刻超过极限值时，指示灯（Q1.1）闪烁，报警器（Q1.4）报警。实时时钟记录时间并以BCD码显示（秒，分，小时）。程序的时间显示：根据表1-4可知使时钟缓冲区从VB0开始，则VB5为秒钟，第一次用SEG指令将字节VB100的秒钟低4位转换成七段显示码由QB0输出，接着用右移位指令将VB100右移4位，将其高4位变成低4位，再次使用SEG指令，将秒钟的高4位转换成七段显示码由QB1输出。分钟，小时记录显示同理。3.2.6 模拟量故障的诊断对于模拟量信号，给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，然后与额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，如果实际值接近或超过极限值，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。第4章 系统电源设计 PLC控制系统的电源除交流电源以外，还包括给光电传感器和直流电机供电的直流电源。一般情况下，交流电源可直接与电网相连，而输入设备的直流电源和输出负载的直流电源等最好分别采用独立的直流供电电源，如下图4-1所示。 220VPLC电源(DC)输入设备输出负载电源(DC)图4-1 系统电源设计图可编程控制器采用市电（220V，50Hz）。电网的波动直接影响可编程控制器系统实时控制的度和可靠性，有时电网的冲击可能给系统带来毁灭性的破坏。电网的瞬间变化也是经常不断发生的，由此产生的干扰也会传播到可编程控制器系统中。为了提高系统的可靠性和抗干扰性，PLC的供电系统中一般采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性。PLC电源单元的连接:接线时，在电源单元和供电电源之间连接隔离变压器，变压器的副边不接地，这样可以减少PLC和大地之间的噪声，还可以保证人员的安全。电源单元的外部接线不多，在接线时要注意以下问题：根据所使用的外部电压数值正确选择电压选择器；在接线过程中不要移去单元顶部的保护标签，直到配线完成，这个标签可以防止绞线和其他异物进入单，配线结束后把标签移去，否则标签将会堵住冷却通道，阻碍空气流通；RUN输出上要用于紧急停车的控制，使用时RUN接点应与被控电源串联；使用隔离变压器可提高电源的抗干扰能力为了改善隔离变压器的抗干扰效果，一是将屏蔽层良好接地；二是变压器的次级输出线采用双绞线，可减少电源线间的干扰。江北师范大学本科生毕业论文第5章 结论可编程控制器技术是一门理论性、趣味性、实践性都很强的课程，而它又与电气控制电路有着密不可分的紧密联系。PLC自身程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、数字寄存器、复杂数学运算以及其它智能模块通讯等指令内容。通过软件编制，从而能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。PLC紧凑的结构、灵活的配置、低廉的价格和强大的指令集能够满足各工艺要求和控制要求。只要坚持从实践出发，抓好专业学习的基础训练，以职业能力为根本立足点，注重学生学习兴趣和能力的培养，就一定能确保学习质量。致谢本论文是在我的导师李淑娥老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过这段时间的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至我的设计能够顺利完成。       从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无私的帮助，在这里我对给予过我帮助的所有人表示最诚挚的谢意！谢谢！参考文献1张进秋.可编程控制器原理及应用实例.机械工业出版M.20052李名雨.电机与电器.北京理工大学出版社M.19983高和.可编程控制器应用技术与设计实例.人民邮电出版社M.20014韩常.PLC编程及应用.机械工业出版M.20055PLC机电控制系统应用设计技术.电子工业出版社l.2006 6周乐挺.PLC控制系统编程与实现.北京邮电大学出版社M.2008