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基于PLC的电动机故障保护系统设计论文
摘要
本文介绍了国电机故障诊断系统设计，以与存在问题，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以与同类型的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
1.引言
电动机的应用几乎涵盖了工农业生产和人类生活的各个领域，在这些应用领域中，电动机常常运行在恶劣的环境下，导致产生过流、短路、断相、绝缘老化等事故。
对于应用于大型工业设备重要场合的高压电动机、大功率电动机来说，一旦发生故障所造成的损失无法估量。
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与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。
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，各部分耦合强的大型工业系统。
PLC是现在应用较多的一种控制装置，利用PLC丰富的部资源与强大的功能指令，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与其系统的灵活性。
2电动机保护装置的各种保护原理与故障判据
电动机常见的故障可分为对称故障和不对称故障两大类。
对称故障包括:
过载、堵转和三相短路等，这类故障对电动机的损害主要是热效应，使绕组发热甚至损坏，其主要特征是电流幅值发生显著变化;不对称故障包括:
断相、逆相、相间短路、匝间短路等，这类故障是电动机运行中最常见的一类故障。
不对称故障对电动机的损害不仅仅是引发发热，更重要的是不对称引起的负序效应能造成电动机的严重损坏。
因而，对大型电动机进行综合保护非常重要。
2.1电动机保护装置常见保护形式
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：
1.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）
2.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。
3.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。
4.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的[30][31]。
2.2矿用隔爆三相异步电动机的故障保护
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。
2.2.1过载保护
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与时散发，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。
2.2.2短路故障分析与保护判据[15]
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。
a.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：
…………………………………………………………（2-20）
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。
b.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：
……………………………………………………………………（2-21）
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。
2.2.3单相接地故障分析与保护判据
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与以上，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：
……………………………………………………………（2-24）
式中：
——可靠系数，取4～5；
——当外部发生接地故障时，过流被保护回路的最大接地电容电流。
2.2.4欠压和过压故障分析与保护判据[17][18]
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。
a.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。
b.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。
2.2.5矿用电动机的其他保护
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。
详细的电路和算法将在第4章硬件的温度检测模块部分进行详细介绍。
d.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，漏电闭锁保护将在第4章硬件的粘连漏电检测模块部分进行详细介绍。
3微机保护的数据采集
掘进机综合保护装置采集的信号分为数字量和模拟量信号两类。
其中数字量信号包括断路器、隔离开关等设备的辅助接点以与其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。
这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装置相连。
而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。
模拟量输入电路的主要作用是隔离、规输入电压与完成模数转换，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。
数据采集电路部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是综合保护装置中很重要的电路。
保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。
3.1保护装置的数据采集电路
3.1.1电压形成回路
综合保护装置要从被保护的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入围的要求，将互感器的二次侧数值变换为4～20mA的电流信号或1～5V围的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。
在互感器的选择上有铁芯电流互感器和空芯电流互感器。
其中铁芯电流互感器受其铁磁性能的影响，即使在设计时确定的工作很理想，在小电流时测量线性度很好，但在大电流时铁芯易于饱和，线性度差，测量围小。
采用空芯电流互感器准确度高线性误差在±1％以，测量围广绝缘水平高，用于高压大电流电动机具有明显的优点，但是在小电流时，信号较小测量误差大。
转换信号不失真这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。
至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件来实现。
3.1.2采样电路
采样电路由传感器、电压调理电路和A/D转换部分组成。
电动机的电流、电压信号用电流传感器和电压变送器拾取，进行适当的放大和调理后送入单片机部集成的A/D转换模块的模拟输入口。
列如要检测截割电机的三相电流信号，因截割电机的额定电流比较大，选用时要考虑过流的影响，所以应选用通过电流较大的电流传感器，一般选CT30-1400A/5V型电流传感器检测电流信号，如要检测系统电压，因系统电压额定为1140V，选用时考虑过压等因素，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与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3-1模拟信号处理硬件流程图
Fig3-1Analogsignalprocessinghardwareflowchart
4 PLC的选取 与系统硬件设计
4.1 系统的总体结构
基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的总体结构如图1所示。
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。
4.2 PLC的选型与硬件配置
4.2.1PLC型号的选择
本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。
S7-200PLC属于小型整体式的PLC,本机自带RS-485通信接口、置电源和I/O接口。
它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统[10]。
完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。
图3-2S7-200系列PLC实物图
4.2.1S7-200CPU的选择
S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。
此系统选用S7-200CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O。
还有13KB程序和数据存储空间空间，6个独立的30KHz高速计数器，2路独立的20KHz高速脉冲输出，具有PID控制器。
配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统[11]。
本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP7里的PID模块，只能采用CPU226与以上机种。
4.2.2EM231模拟量输入模块
本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成0～41mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。
在这里，我们选用了西门子EM2314TC模拟量输入模块。
EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：
J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号（±80mV围），所有连到模块上的热电偶必须是一样类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。
EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态：
SW1～SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。
本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1～SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。
表3-1EM231技术指标
型号
EM231模拟量输入模块
总体特性
外形尺寸：
71.2mm×80mm×62mm
功耗：
3W
输入特性
本机输入：
4路模拟量输入
电源电压：
标准DC24V/4mA
输入类型：
0~10V，0~5V，±5V,±2.5V,0~20mA
分辨率：
12Bit
转换速度：
250μS
隔离：
有
耗电
从CPU的DC5V（I/O总线）耗电10mA
DIP开关
SW10,SW20,SW31（以K型热电偶为例）
表3-2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入围。
所有的输入设置成一样的模拟量输入围。
表中，ON为接通，OFF为断开。
表3-2EM231选择模拟量输入围的开关表
单极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
ON
OFF
ON
0到10V
2.5mV
ON
OFF
0到5V
1.25mV
0到20mA
5uA
双极性
满量程输入
分辨率
SW1
SW2
SW3
OFF
OFF
ON
±5V
2.5mV
ON
OFF
±2.5V
1.25mV
EM231校准和配置位置图如图3-3所示。
图3-3DIP配置EM231
4.2.3I/O点分配与电气连接图
1）该控制系统中I/O点分配表如表3-4所示。
在本系统中，包含以下输入输出点，见附表,本系统共包括12路开关量，7路模拟量。
表3-4I/O点分配表
输入触点
功能说明
输出触点
功能说明
IO.1
启动按钮
Q0.0
运行指示灯（绿）
I0.2
停止按钮
Q0.1
停止指示灯（红）
Q0.3
固态继电器
2）系统整体设计方案与硬件连接图。
图3-4系统框架图
4.3JL-400缺相继电器
JL-400缺相继电器是一种多功能三相电源系统或三相用电设备的监测和保护仪器。
集三相电压显示、过电压保护、欠电压保护、缺相保护（断相保护）、电压不平衡保护、相序保护（错相保护）于一体，采用功能强大的微处理器芯片和非易失存储技术，显示采用高清晰超宽温中文液晶，具有功能齐全，性能稳定，显示直观、操作简便的特点。
JL-400缺相继电器可实时显示三相电源电压、并可在电源发生过压保护、欠压保护、缺相保护、不平衡保护、错相保护等故障时通过继电器输出的形式,给用户提供报警输出和保护电路动作输出的触点控制信号，起到报警和保护作用。
JL-400缺相继电器电压不平衡保护动作时间曲线图：
A——电压不平衡度
——三相电压中最大相的电压
——三相电压中最小相的电压
图：
JL-400缺相继电器电压不平衡保护的时间特性曲线
JL-400缺相继电器主要性能指标
JL-400缺相继电器
输入电源
L1/L2/L3/N
电源电压围
相电压150-300VAC,线电压250～500VAC45-65HZ
电压测量围
相电压150-300VAC
缺相保护功能
有
相序保护功能
有
过电压保护功能
有
欠电压保护功能
有
不平衡保护功能
有
显示
超宽温中文液晶显示
输出形式
独立的常开、常闭输出
输出负载能力
电阻性负载:
5A/250VAC,5A/30VDC
电感性负载:
1.5A/250VAC,1.5A/30VDC
输出触点机械寿命
>100,000次
额定消耗功率
3VA
电气隔离强度
>2000VAC,脉冲耐电压2.5KV（1.2/50us）
测量误差
满刻度时小于0.5%
安全防护等级
IP20
外壳尺寸
45mmx53mmx64mm
工作环境
温度-25℃～65℃,湿度<85%，无凝露
JL-400缺相继电器操作指南
1、把三相电源的三相四线分别接入JL-400缺相继电器的L1、L2、L3、N端。
2、JL-400缺相继电器的常开、常闭输出端，分别接入控制设备的回路。
详见JL-400缺相继电器接线示意图
3、设置参数，把连接好的JL-400缺相继电器通上三相电，液晶屏显示其中一相的电压。
（1）JL-400缺相继电器正常情况下，按一下R/设置键，进入设置状态，设置字符闪烁，此时液晶屏上显示设置和相序字样，按▲或▼键可选择是否启用相序保护功能，ON表示开启，OFF表示关闭。
（2）再按一下JL-400缺相继电器的R/设置键，设置过电压值，液晶屏上显示设置和过压字样，按▲或▼键设置过电压值，过电压值在220V～300V围设置，步进量为1V；再按一次R/设置键，设置过电压动作时间（单位为秒），动作时间
可在0.1～20秒围之间设置,步进量为0.1秒。
接线示意图
（3）再按一下JL-400缺相继电器的R/设置键，设置欠电压值，液晶屏上显示设置和欠压字样，按▲或▼键设置欠电压值，欠电压值在150V～220V围设置，步进量为1V；再按一次R/设置键，设置过电压动作时间（单位为秒），动作时间可在0.1～20秒围之间设置,步进量为0.1秒。
（4）再按一下JL-400缺相继电器的R/设置键，液晶屏上显示End字样，本次设置完成。
（5）当JL-400缺相继电器发生电源过压、欠压、缺相、错相、不平衡等故障时，液晶屏上分别闪烁显示过压、欠压、缺相、相序、不平衡等字样，如果故障时间超过设置的动作时间，过压、欠压、缺相、相序、不平衡等字样保持常亮，同时显示故障时的电压值，这时输出触点转换。
（6）由于JL-400缺相继电器缺相、错相故障属于不可自动恢复性故障；故发生缺相、错相故障时，缺相继电器能记忆自锁。
即使安全切断缺相继电器工作电源，也会存储故障信息；只有在排除缺相、错相故障后，按R/设置键，缺相继电器才能复位。
而发生过压、欠压故障后，如果线路电压又恢复了正常设置电压围，缺相继电器能自动恢复。
也可按R/设置键手动恢复。
备注：
（1）进入设置状态，如果20秒无任何操作，JL-400缺相继电器自动退出设置状态。
（2）JL-400缺相继电器的常开、常闭状态，分别是指继电器正常通电状态；故障时常开、常闭状态分别同时转换。
4、JL-400缺相继电器参数设置
类别
参数名称
设定围
步进量
出厂设定
单位
电压设定
过电压设定值
OFF-221-300
1V
OFF
V
欠电压设定值
150-219-OFF
1V
OFF
V
过、欠电压恢复回值
5
V
动作时间
过、欠压动作时间
0.1--20
0.1S
10.0
S
缺相动作时间
2.0
S
错相动作时间
0.1
S
4.4热继电器
热继电器是一种电气保护元件。
它是利用电流的热效应来推动动作机构使触头闭合或断开的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以与其他电气设备发热状态时的控制。
4.4.1热继电器的工作原理
由电阻丝做成的热元件，其电阻值较小，工作时将它串接在电动机的主电路中，电阻丝所围绕的双金属片是由两片线膨胀系数不同的金属片压合而成，左端与外壳固定。
当热元件过的电流超过其额定值而过热时，由于双金属片的上面一层热膨胀系数小，
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