国内电机故障诊断系统设计

本文介绍了国内电机故障诊断系统设计，以及存在问题，同时介绍了可编程控制器的工作原理，选型依据。设计了一种基于PLC电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子S7-200PLC以及同类型的S7-300S7-400PLC，根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，并且编写系统运行的梯形图。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。本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。关键词：故障诊断PLC电机电机保护就是给电机全面的保护，即在电机出现过载、缺相、堵转、短路、过压、欠压、漏电、三相不平衡、过热、轴承磨损、定转子偏心时，予以报警或保护；为电动机提供保护的装置是电机保护器，包括热继电器、电子式保护器和智能型保护器。掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保护形式介绍如下：低压线路漏电保护：当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V漏电。(参考值AC220V为5KΩ，AC120V为3KΩ，AC24V为2KΩ)电机温度保护：由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到155℃时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转，电机冷却后自动复位。对应热敏电阻阻值为1.8KΩ～2KΩ。.对称故障保护：对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。不对称故障保护：电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要。由于矿井下工作环境比较恶劣，电动机发生故障的几率也比较大，针对这种情况和用户的实际需要投入了以下几种保护：过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠电压和过电压保护等保护形式。下面对几种主要保护的原理和实现方法分别加以详细的阐述。由于负载转矩过大，电动机转速下降以提高电磁转矩，电机定子电流超过额定电流，导致电动机过载，如果持续时间过长，将导致电动机过热而被烧坏。但是如果是短时过载，电动机积累的热量能够及时散发，根据过载程度的不同，电动机过载运行是可以保持一段不同的时间。过载保护按照反时限特性动作。由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7倍以上。为了保证在起动过程中保护可靠的不动作，整定值在起动和运行过程中采用了不同的算法。异步电动机起动过程中的速断保护：欲使电动机能满载地起动，要求必须大于电动机满载起动电流，即：式中：——保证电动机满载启动系数，取1.2～1.4。——电动机起动电流系数，一般取4～7。——电动机的额定线电流。异步电动机运行中的速断保护在电动机运行过程中，的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，短路保护可以按电动机的额定电流的倍数整定，即：式中的值一般取为8-10，这样可以保证三相异步电动机在起动结束后的运行过程中不会频繁跳闸，保证掘进机的正常工作。在变压器中性点不接地的矿井下的供电系统中，当一相(如A相)发生直接接地故障，便有单相接地电流在接地点流过，并经其它两相的绝缘电阻和电容流回电源。此时，A相导线对地电压为零，B、C两相对地变成了线电压。但电源线电压仍然平衡，并不影响负荷继续工作。不过，从矿井的安全出发，为了防止瓦斯煤尘爆炸，要求立即切断供电电源。由于三相电网对地电压不再平衡，三相电压之和不为零，因而出现了零序电压和零序电流。由于我国矿井下大中型电动机一般采用小电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。在中性点非直接接地电网中的高压电动机，当容量小于2MW，而接地电容电流大于10A；或容量等于2MW及以上，而接地电容电流大于5A时，应装设接地保护。提高接地保护的灵敏度，可采用一次零序电流互感器检测零序电流，其电流按大于被保护回路的电容电流整定，即：式中：——可靠系数，取4～5；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。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。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。矿用电动机的其他保护还包括起动超时保护、频繁起动保护、超温保护、漏电闭锁保护等。a.起动超时保护：对于直接起动的电动机，刚起动时，起动电流比较大，经过一段时间，电流将下降到额定电流或以下的水平。起动超时保护设定了一个稍大于额定电流的动作值，它在电动机起动时投入，经过适当的延时(延时时间可设定)，检测线路的电流，并与动作值比较，如果仍然大于动作值，则起动超时保护动作，可作为短路保护的后备保护。b.频繁起动保护：起动过于频繁将使电动机绕组长时间流过数倍于额定电流的起动电流。由于热积累效应，会导致电动机过热，使绕组绝缘加速老化，甚至烧坏电机。频繁起动保护主要用于限制电动机在一定时间内的起动次数，它可以根据电机的负载情况和散热条件来整定允许起动的次数。电动机第一次起动时就开始计时并记录电动机起动次数，如果电动机起动次数达到整定值，而计时未结束，电动机将被闭锁，直到计时结束才能再次起动电动机，并重新计时和记录起动次数。c.超温保护：超温保护是通过电动机内部安装的温度传感器直接对绕组温度进行测量，当温度达到整定的阈值时分断电动机线路，并报警。温度阈值可以整定。这种保护方式适合用于井下散热条件极差的大容量电动机，防止电动机在额定负载情况下长时间积热而烧坏。漏电闭锁保护：采用附加直流电源检测回路绝缘电阻的阻值的保护原理。所以一般采用CSP2-1500Va.c/5V型交流电压变送器检测系统电压。电压调理电路包括跟随、比例调整和硬件滤波三部分，作用是为了保证电机在额定电流以及当电机启动和过载时出现过电流情况下的检测精度(l%)，模块硬件结构如图3-1所示。图模拟信号处理硬件流程图编写PLC程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1.图解法编程图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。（1）梯形图法梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。这是一种模仿继电器控制系统的编程方法，其图形甚至元件名称都有继电器电路十分相似。这种方法很容易地把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图语言。这对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。（2）逻辑流程图法逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反映输入与输出的关系。逻辑流程图会使整个程序脉络清晰，便于分析控制程序、查找故障点及调试和维修程序。（3）时序流程图法时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把框图写成PLC程序。这种方法很适合以时间为基准的控制系统的编程方法。（4）步进顺控法步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序可以看成整个控制过程的一步。2.经验法编程经验法是运用自己的或者别人的经验进行设计。多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。3.计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件（比如STEP7--Micro/WIN）在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。使用编程软件可以很方便的在计算机上离线或在线编程、在线调试，在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。

在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；

（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；

（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power

FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；

（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查

程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。

如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从第一条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。

1）欠压保护子程序

在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。

2）起动时间过长保护子程序

在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮综合保护装置是掘进机电气系统上的受干扰设备，必须对电路板上的元件布置、布线、电源配置等进行合理设计，尽可能地阻断干扰耦合通道，降低电子控制电路的电磁敏感性，可以从硬件和软件两方面采取抗干扰措施。在每块电路板的电源输入端跨接一个10~100的电解电容和一个0.01~0.1的瓷片电容，用于滤除供电电流中的脉冲成分和高次谐波。所有芯片的+5V电源和地之间并接一个0.1μF的去耦电容和一个瞬态抑制二极管(又称TVS管)SA5.0A。去耦电容将可以进一步消除由电源线窜入的干扰通过耦合方式影响PCB板的其他信号线；瞬态抑制二极管可以有效抑制由静电放电引起的瞬变脉冲干扰或其他原因引起的瞬间过电压，有效防止集成电路的高压击穿。在直流信号输入通道中加入前置模拟低通滤波器，从而可以减少直流信号中叠加的高频分量信号的干扰。从抗干扰的角度考虑，RC滤波器较LC滤波器好，因RC滤波器是耗散式滤波器，它将噪声能量变成热能耗散掉了，而LC滤波器则会产生附加的磁场干扰，所以电感要加屏蔽罩。本系统采用的是RC滤波器。在跳闸出口，虽然继电器本身己有隔离作用，但是为了使继电器驱动电源与单片机电源之间不要有电的联系，以防止线圈电感回路切换产生干扰影响单片机工作，在开关量输出通道采用了光电耦合器件。光电耦合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使过程通道的信噪比大大提高。系统的地线包括数字地、模拟地、电源地等。合理的地线结构可以显著提高系统的抗干扰能力：将系统的机壳与输入输出线的屏蔽层接三相电源地(大地)，通过大地给高频干扰电压形成低阻通路