電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了國(guó)內(nèi)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及存在問題，同時(shí)介紹了可編程控制器的工作原理，選型依據(jù)。設(shè)計(jì)了一種基于PLC電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了所選用的西門子S7-200 PLC以及同類型的S7-300 S7-400PLC，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)PLC的輸入輸出I/O進(jìn)行了分配，并且編寫系統(tǒng)運(yùn)行的梯形圖。準(zhǔn)備開機(jī)時(shí)，按下開機(jī)按鈕后，

2、首先檢測(cè)斷路器狀態(tài)，如果斷路器初始狀態(tài)為閉合，電機(jī)無法啟動(dòng)，并且聲光報(bào)警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開，斷路器合閘，電機(jī)開始啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，若發(fā)生一級(jí)故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。啟動(dòng)完成后，“電機(jī)開/關(guān)指示燈”亮，電機(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)行過程中，PLC依次循環(huán)檢測(cè)電機(jī)是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過負(fù)荷、過電流等故障，若有發(fā)生，PLC進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。關(guān)機(jī)時(shí)，PLC接到關(guān)機(jī)命令后，斷路器跳閘，“電機(jī)開/關(guān)機(jī)指示燈”滅。故障聲光

3、報(bào)警后，按“報(bào)警復(fù)位按鈕”復(fù)位。本設(shè)計(jì)的選題就是基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 故障診斷 PLC 電機(jī) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper introduces the domestic electrical fault diagnosis s

4、ystem design , as well as existing problems and introduces programmable controller at the same time the working principle and selection basis．A PLC-based design of the electrical fault diagnosis system design and detail

5、on the choice of Siemens S7-200 PLC and the same type of S7-300 S7-400 PLC and according to the design requirements of the input and output of the PLC I/O for distribution and preparation of the ladder diagram system <

6、;/p><p>　　Key words：Fault Diagnosis；　PLC；　Motor</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　目　　錄

7、3</b></p><p><b>　　1 引 言5</b></p><p>　　2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的各種保護(hù)原理及故障判據(jù)6</p><p>　　2.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置常見保護(hù)形式6</p><p>　　2.2 礦用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)7</p><p>　　2

8、.2.1 過載保護(hù)7</p><p>　　2.2.2 短路故障分析及保護(hù)判據(jù)7</p><p>　　2.2.3 單相接地故障分析及保護(hù)判據(jù)8</p><p>　　2.2.4 欠壓和過壓故障分析及保護(hù)判據(jù)9</p><p>　　2.2.5 礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)10</p><p>　　3 微機(jī)保護(hù)的數(shù)

9、據(jù)采集11</p><p>　　3.1 保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集電路11</p><p>　　3.1.1 電壓形成回路11</p><p>　　3.1.2 采樣電路12</p><p>　　4 PLC原理介紹及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)介紹12</p><p>　　4.1 PLC發(fā)展歷程12</p>&

10、lt;p>　　4.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景13</p><p>　　4.3 可編程序控制器PLC的分類14</p><p>　　4.4 CPU成 15</p><p>　　4.4.1 CPU的構(gòu)成的構(gòu)15</p><p>　　4.4.2 I/O模塊16</p><p>　　4.4.3 電

11、源模塊16</p><p>　　4.4.4 PLC的工作原理17</p><p>　　4.4.5 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備18</p><p>　　5   PLC的選取與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)18</p><p>　　5.2 PLC的硬件配置

12、與選型19</p><p>　　圖5-2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖26</p><p>　　5.3 JL-400缺相繼電器27</p><p>　　5.4 熱繼電器30</p><p>　　5.4.1 熱繼電器的工作原理30</p><p>　　6 保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)32</p>&l

13、t;p>　　6.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法32</p><p>　　6.2 梯形圖語言特點(diǎn)34</p><p>　　6.3程序設(shè)計(jì)35</p><p>　　6.3.1 設(shè)計(jì)思路35</p><p>　　6.3.2控制程序流程圖36</p><p>　　7 控制電路的抗干擾設(shè)計(jì)39</p>&

14、lt;p>　　7.1電源設(shè)計(jì)39</p><p>　　7.2 信號(hào)濾波39</p><p>　　7.3 開關(guān)量輸出隔離40</p><p>　　7.4 地線設(shè)置40</p><p>　　7.5元器件的選擇40</p><p><b>　　7.6 其他40</b></p>

15、;<p><b>　　8 結(jié)束語41</b></p><p><b>　　致 謝42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b></p><p><b>　　1引 言</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用幾乎涵蓋了

16、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，電動(dòng)機(jī)常常運(yùn)行在惡劣的環(huán)境下，導(dǎo)致產(chǎn)生過流、短路、斷相、絕緣老化等事故。對(duì)于應(yīng)用于大型工業(yè)設(shè)備重要場(chǎng)合的高壓電動(dòng)機(jī)、大功率電動(dòng)機(jī)來說，一旦發(fā)生故障所造成的損失無法估量。</p><p>　　PLC（Programmable Logic Controller），是可編程邏輯控制器。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)

17、操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類：開關(guān)量的邏輯控制、模擬量的控制、運(yùn)動(dòng)控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)。</p><p>　　我國(guó)工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度普遍較低，PLC產(chǎn)品有很大的應(yīng)用空間，如機(jī)械行業(yè)80%以上的設(shè)備仍

18、采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進(jìn)行控制。因此，PLC在我國(guó)的應(yīng)用潛力遠(yuǎn)沒有得到充分發(fā)揮。目前，中國(guó)PLC市場(chǎng)的95％以上被國(guó)外產(chǎn)品占領(lǐng)。國(guó)內(nèi)曾有研究單位開發(fā)PLC產(chǎn)品，后因種種原因沒有發(fā)展起來。值得欣慰的是，國(guó)內(nèi)已有具有較強(qiáng)實(shí)力的公司開始拓展PLC業(yè)務(wù)，并在中國(guó)PLC市場(chǎng)有了一定聲音，如和利時(shí)公司、德維森公司、安控公司。</p><p>　　隨著故障診斷技術(shù)的發(fā)展，以檢測(cè)、識(shí)別、預(yù)測(cè)和干預(yù)為核心的先進(jìn)的故障診斷技術(shù)得到

19、了廣泛的應(yīng)用，不但能夠及時(shí)準(zhǔn)確地診斷出故障，而且可以采取相應(yīng)的對(duì)策，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。電機(jī)故障可能對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工業(yè)系統(tǒng)其它機(jī)組的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響，因此，電機(jī)的故障診斷顯得非常重要，本設(shè)計(jì)的選題就是基于PLC的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　診斷系統(tǒng)建立在基于ＰＬＣ和上位計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)上。ＰＬＣ在故障診斷系統(tǒng)中的功能主要是檢測(cè)點(diǎn)擊的電流保護(hù)。計(jì)算機(jī)由于具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能，

20、利用專家知識(shí)和專家?guī)?，完成從故障特征到故障原因的識(shí)別工作。并通過人機(jī)界面，給出故障定位，報(bào)告和解釋故障診斷結(jié)果，并為操作員給出相應(yīng)的排除故障的建議。</p><p>　　2 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的各種保護(hù)原理及故障判據(jù)</p><p>　　電機(jī)保護(hù)就是給電機(jī)全面的保護(hù)，即在電機(jī)出現(xiàn)過載、缺相、堵轉(zhuǎn)、短路、過壓、欠壓、漏電、三相不平衡、過熱、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時(shí)，予以報(bào)警或保護(hù)；為電動(dòng)機(jī)提供保

21、護(hù)的裝置是電機(jī)保護(hù)器，包括熱繼電器、電子式保護(hù)器和智能型保護(hù)器。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)常見的故障可分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障兩大類。對(duì)稱故障包括:過載、堵轉(zhuǎn)和三相短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是熱效應(yīng)，使繞組發(fā)熱甚至損壞，其主要特征是電流幅值發(fā)生顯著變化;不對(duì)稱故障包括:斷相、逆相、相間短路、匝間短路等，這類故障是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中最常見的一類故障。不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是引發(fā)發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起

22、的負(fù)序效應(yīng)能造成電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。因而，對(duì)大型電動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合保護(hù)非常重要。</p><p>　　2.1 電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置常見保護(hù)形式</p><p>　　掘進(jìn)機(jī)的綜合保護(hù)主要是對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，礦用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)是掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的主要組成部分，它與液壓系統(tǒng)配合操作，可自如的實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種生產(chǎn)作業(yè)。作為電氣主設(shè)備，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行正常與否，直接關(guān)系整機(jī)的性能，所以要高度重視，除了對(duì)電機(jī)的保護(hù)外

23、，掘進(jìn)機(jī)還有很多極其重要的保護(hù)形式?，F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)常見故障和礦井下的實(shí)際需要投入的主要的保護(hù)形式介紹如下：</p><p>　　1. 低壓線路漏電保護(hù)：當(dāng)AC220V、AC120V、AC24V低壓線路對(duì)地絕緣降低到規(guī)定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作，顯示220V漏電、120V漏電或24V漏電。(參考值A(chǔ)C220V為5KΩ，AC120V為3KΩ，AC24V為2KΩ)</p><p>　　2. 電機(jī)溫度保護(hù)：由于冷

24、卻系統(tǒng)故障或環(huán)境溫度過高，油泵和截割電機(jī)繞組溫度達(dá)到155℃時(shí)，埋在電機(jī)定子繞組中的溫度繼電器動(dòng)作，保護(hù)裝置通過程序控制油泵或截割電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)冷卻后自動(dòng)復(fù)位。對(duì)應(yīng)熱敏電阻阻值為1.8KΩ～2KΩ。 </p><p>　　3. 對(duì)稱故障保護(hù)：對(duì)稱故障主要有對(duì)稱過載、堵轉(zhuǎn)、對(duì)稱穩(wěn)態(tài)短路等，這類故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害主要是由于電流增大所引起的熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力，使繞組發(fā)熱甚至損壞。 </p>&l

25、t;p>　　4. 不對(duì)稱故障保護(hù)：電動(dòng)機(jī)的不對(duì)稱故障主要有斷相、相間短路、匝間短路、不平衡運(yùn)行、接地短路等。不對(duì)稱故障對(duì)電動(dòng)機(jī)的損害不僅僅是電流增加引起的發(fā)熱，更重要的是不對(duì)稱引起負(fù)序效應(yīng)給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行帶來的隱患。因此，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行缺陷的早期診斷是非常重要。</p><p>　　2.2 礦用隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)的故障保護(hù)</p><p>　　由于礦井下工作環(huán)境比較惡劣，電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的幾

26、率也比較大，針對(duì)這種情況和用戶的實(shí)際需要投入了以下幾種保護(hù)：過載保護(hù)、短路保護(hù)、負(fù)序過流保護(hù)、單相接地保護(hù)、欠電壓和過電壓保護(hù)等保護(hù)形式。下面對(duì)幾種主要保護(hù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法分別加以詳細(xì)的闡述。</p><p>　　2.2.1 過載保護(hù)</p><p>　　由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降以提高電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)定子電流超過額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過載，如果持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱而被燒壞。

27、但是如果是短時(shí)過載，電動(dòng)機(jī)積累的熱量能夠及時(shí)散發(fā)，根據(jù)過載程度的不同，電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行是可以保持一段不同的時(shí)間。過載保護(hù)按照反時(shí)限特性動(dòng)作。</p><p>　　2.2.2 短路故障分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　由于電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流很大，可以達(dá)到額定電流的7倍以上。為了保證在起動(dòng)過程中保護(hù)可靠的不動(dòng)作，整定值在起動(dòng)和運(yùn)行過程中采用了不同的算法。</p>&l

28、t;p>　　a. 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中的速斷保護(hù)：</p><p>　　欲使電動(dòng)機(jī)能滿載地起動(dòng)，要求必須大于電動(dòng)機(jī)滿載起動(dòng)電流，即：</p><p>　　式中：——保證電動(dòng)機(jī)滿載啟動(dòng)系數(shù)，取1.2～1.4。</p><p>　　——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流系數(shù)，一般取4～7。</p><p>　　——電動(dòng)機(jī)的額定線電流。</p>&

29、lt;p>　　b. 異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的速斷保護(hù)</p><p>　　在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，的整定可不必考慮要躲過電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，短路保護(hù)可以按電動(dòng)機(jī)的額定電流的倍數(shù)整定，即：</p><p>　　式中的值一般取為8-10，這樣可以保證三相異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)結(jié)束后的運(yùn)行過程中不會(huì)頻繁跳閘，保證掘進(jìn)機(jī)的正常工作。</p><p>　　2.2.3 單相接地故障分析及

30、保護(hù)判據(jù)</p><p>　　在變壓器中性點(diǎn)不接地的礦井下的供電系統(tǒng)中，當(dāng)一相(如A相)發(fā)生直接接地故障，便有單相接地電流在接地點(diǎn)流過，并經(jīng)其它兩相的絕緣電阻和電容流回電源。此時(shí)，A相導(dǎo)線對(duì)地電壓為零，B、C兩相對(duì)地變成了線電壓。但電源線電壓仍然平衡，并不影響負(fù)荷繼續(xù)工作。不過，從礦井的安全出發(fā)，為了防止瓦斯煤塵爆炸，要求立即切斷供電電源。由于三相電網(wǎng)對(duì)地電壓不再平衡，三相電壓之和不為零，因而出現(xiàn)了零序電壓和零序

31、電流。</p><p>　　由于我國(guó)礦井下大中型電動(dòng)機(jī)一般采用小電流接地方式，當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，故障電流很小。在中性點(diǎn)非直接接地電網(wǎng)中的高壓電動(dòng)機(jī)，當(dāng)容量小于2MW，而接地電容電流大于10A；或容量等于2MW及以上，而接地電容電流大于5A時(shí)，應(yīng)裝設(shè)接地保護(hù)。提高接地保護(hù)的靈敏度，可采用一次零序電流互感器檢測(cè)零序電流，其電流按大于被保護(hù)回路的電容電流整定，即：</p><p>　　式中： —

32、—可靠系數(shù)，取4～5；</p><p>　　——當(dāng)外部發(fā)生接地故障時(shí)，過流被保護(hù)回路的最大接地電容電流。</p><p>　　2.2.4 欠壓和過壓故障分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可知，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到定子電流的變化，從而影響到電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，

33、所以必須有欠電壓和過電壓保護(hù)。</p><p><b>　　a. 欠壓保護(hù)</b></p><p>　　當(dāng)電源電壓由于某種原因降低到額定電壓75％或長(zhǎng)時(shí)間低于額定電壓85％時(shí)，稱為系統(tǒng)欠電壓。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子電流與電壓密切相關(guān)，在電網(wǎng)電壓降低，電磁轉(zhuǎn)矩下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應(yīng)增大，

34、溫升增高，致使電動(dòng)機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成堵轉(zhuǎn)。因此，電動(dòng)機(jī)應(yīng)有欠壓保護(hù)，以保證一旦發(fā)生欠壓故障它就能夠自行脫離電源。</p><p>　　欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。</p><p><b>　　b. 過壓保護(hù)</b></p><p>　　當(dāng)電源電壓由于某種

35、原因超過額定電壓15％時(shí),稱為系統(tǒng)過電壓。過電壓通常是由電網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的，當(dāng)然有時(shí)也是伴隨其它故障而產(chǎn)生的，如果負(fù)載星形連接且無中性線的電動(dòng)機(jī)定子繞組一相短路，則會(huì)造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。電動(dòng)機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣造成破壞，從而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命，因此電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)。</p><p>　　過壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時(shí)限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)

36、進(jìn)行斷電保護(hù)。</p><p>　　2.2.5 礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)</p><p>　　礦用電動(dòng)機(jī)的其他保護(hù)還包括起動(dòng)超時(shí)保護(hù)、頻繁起動(dòng)保護(hù)、超溫保護(hù)、漏電閉鎖保護(hù)等。 </p><p>　　a. 起動(dòng)超時(shí)保護(hù)：對(duì)于直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，剛起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流比較大，經(jīng)過一段時(shí)間，電流將下降到額定電流或以下的水平。起動(dòng)超時(shí)保護(hù)設(shè)定了一個(gè)稍大于額定電流的動(dòng)作值，它在電動(dòng)機(jī)

37、起動(dòng)時(shí)投入，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)(延時(shí)時(shí)間可設(shè)定)，檢測(cè)線路的電流，并與動(dòng)作值比較，如果仍然大于動(dòng)作值，則起動(dòng)超時(shí)保護(hù)動(dòng)作，可作為短路保護(hù)的后備保護(hù)。</p><p>　　b. 頻繁起動(dòng)保護(hù)：起動(dòng)過于頻繁將使電動(dòng)機(jī)繞組長(zhǎng)時(shí)間流過數(shù)倍于額定電流的起動(dòng)電流。由于熱積累效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱，使繞組絕緣加速老化，甚至燒壞電機(jī)。頻繁起動(dòng)保護(hù)主要用于限制電動(dòng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)的起動(dòng)次數(shù)，它可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況和散熱條件來整定允許起

38、動(dòng)的次數(shù)。電動(dòng)機(jī)第一次起動(dòng)時(shí)就開始計(jì)時(shí)并記錄電動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)，如果電動(dòng)機(jī)起動(dòng)次數(shù)達(dá)到整定值，而計(jì)時(shí)未結(jié)束，電動(dòng)機(jī)將被閉鎖，直到計(jì)時(shí)結(jié)束才能再次起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并重新計(jì)時(shí)和記錄起動(dòng)次數(shù)。</p><p>　　c. 超溫保護(hù)：超溫保護(hù)是通過電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的溫度傳感器直接對(duì)繞組溫度進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)溫度達(dá)到整定的閾值時(shí)分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)線路，并報(bào)警。溫度閾值可以整定。這種保護(hù)方式適合用于井下散熱條件極差的大容量電動(dòng)機(jī)，防止電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載

39、情況下長(zhǎng)時(shí)間積熱而燒壞。</p><p>　　d. 漏電閉鎖保護(hù)：采用附加直流電源檢測(cè)回路絕緣電阻的阻值的保護(hù)原理。</p><p>　　3 微機(jī)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集</p><p>　　掘進(jìn)機(jī)綜合保護(hù)裝置采集的信號(hào)分為數(shù)字量和模擬量信號(hào)兩類。其中數(shù)字量信號(hào)包括斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的輔助接點(diǎn)以及其他繼電器接點(diǎn)的開關(guān)量信號(hào)，或者來自別的微機(jī)保護(hù)或數(shù)字設(shè)備的數(shù)字量信號(hào)。這些

40、信號(hào)經(jīng)過干擾隔離環(huán)節(jié)，由輸入、輸出接口和保護(hù)裝置相連。而當(dāng)被采集的物理量是連續(xù)的模擬信號(hào)時(shí)，必須依據(jù)采樣定理對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，以保證原始數(shù)據(jù)不失真。模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規(guī)范輸入電壓及完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便與CPU接口，完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，因此這部分電路又稱數(shù)據(jù)采集電路。數(shù)據(jù)采集電路內(nèi)部參與運(yùn)算的信號(hào)是二進(jìn)制的離散數(shù)字信號(hào)，模擬量輸入電路是綜合保護(hù)裝置中很重要的電路。保護(hù)裝置的動(dòng)作速度和測(cè)量精確度等性能都與該電路有關(guān)。</

41、p><p>　　3.1 保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集電路</p><p>　　3.1.1 電壓形成回路</p><p>　　綜合保護(hù)裝置要從被保護(hù)的線路或設(shè)備上的電流互感器、電壓互感器或其他電壓變送設(shè)備上取得信息，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求，將互感器的二次側(cè)數(shù)值變換為4～20mA的電流信號(hào)或1～5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)，對(duì)于電流信號(hào)可以采用串聯(lián)一定阻值的電阻的方法變換為相應(yīng)

42、的電壓信號(hào)。在互感器的選擇上有鐵芯電流互感器和空芯電流互感器。其中鐵芯電流互感器受其鐵磁性能的影響，即使在設(shè)計(jì)時(shí)確定的工作很理想，在小電流時(shí)測(cè)量線性度很好，但在大電流時(shí)鐵芯易于飽和，線性度差，測(cè)量范圍小。采用空芯電流互感器準(zhǔn)確度高線性誤差在±1％以內(nèi)，測(cè)量范圍廣絕緣水平高，用于高壓大電流電動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是在小電流時(shí)，信號(hào)較小測(cè)量誤差大。轉(zhuǎn)換信號(hào)不失真這點(diǎn)對(duì)微機(jī)保護(hù)是很重要的，因?yàn)橹挥性谶@種條件下作精確的運(yùn)算或定量的分析

43、才是有意義的。至于移相、提取某一分量等，在微機(jī)保護(hù)中，根據(jù)實(shí)際需要可以容易地通過軟件來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.1.2 采樣電路</p><p>　　采樣電路由傳感器、電壓調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。電動(dòng)機(jī)的電流、電壓信號(hào)用電流傳感器和電壓變送器拾取，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛驼{(diào)理后送入單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬輸入口。列如要檢測(cè)截割電機(jī)的三相電流信號(hào)，因截割電機(jī)的額定電流比較大

44、，選用時(shí)要考慮過流的影響，所以應(yīng)選用通過電流較大的電流傳感器，一般選CT30-1400A/5V型電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)，如要檢測(cè)系統(tǒng)電壓，因系統(tǒng)電壓額定為1140V，選用時(shí)考慮過壓等因素，所以一般采用CSP2-1500Va.c/5V型交流電壓變送器檢測(cè)系統(tǒng)電壓。電壓調(diào)理電路包括跟隨、比例調(diào)整和硬件濾波三部分，作用是為了保證電機(jī)在額定電流以及當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)和過載時(shí)出現(xiàn)過電流情況下的檢測(cè)精度(l%)，模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p&g

45、t;<p>　　圖3-1 模擬信號(hào)處理硬件流程圖</p><p>　　4 PLC原理介紹及設(shè)備總體結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　4.1 PLC發(fā)展歷程</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)

46、的。1968年美國(guó)GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。 個(gè)人計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點(diǎn)，可編程序控制器定名為Programmable Logic Controller（PLC）?！∩鲜兰o(jì)8

47、0年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)?！?PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，</p><p>　　國(guó)控制類產(chǎn)

48、品市場(chǎng)PLC的占有率已超過50% , 而且保持著10%～ 15% 的發(fā)展速度。</p><p>　　4.2 PLC 控制系統(tǒng)的發(fā)展前景</p><p>　　現(xiàn)在, 雖然出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的 DCS 和 FCS 控制系統(tǒng), PLC 控制也終將會(huì)被先進(jìn)的 FCS 控制所取代,但是目前以及今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間, PLC 還會(huì)與 DCS 和 FCS 共存,這主要基于以下原因:(1) 現(xiàn)在企業(yè)的確

49、正在朝著自動(dòng)化、信息化、開放化的方向發(fā)展,但這并不意味著要將現(xiàn)有控制系統(tǒng)推倒重來。企業(yè)投入大量的人力和財(cái)力建立起來的 PLC 控制系統(tǒng)已經(jīng)成型,如果要完全推翻再建立新的 DCS 或 FCS 控制系統(tǒng),需要更大的資金投入,將造成很大的浪費(fèi)。(2) 基于以上市場(chǎng)需求,許多軟件廠商(例如: 華富惠通軟件公司) 正在考慮如何利用企業(yè)已經(jīng)成型的控制系統(tǒng)及新建的廠級(jí)網(wǎng)絡(luò),開發(fā)控制系統(tǒng)軟件,幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、信息化,為企業(yè)提供控制系統(tǒng)與管理網(wǎng)絡(luò)

50、的集成。(3) 目前, PLC 的功能增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化, IO 模塊趨向分散化、智能化,編程工具和編程語言更具標(biāo)準(zhǔn)化和高級(jí)化。(4) PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信能力增強(qiáng), 向高速度、多層次、大信息量、高可靠性及開放式的通信發(fā)展。(5) 現(xiàn)在的 PLC 系統(tǒng)與 DCS 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線IO技術(shù)相結(jié)合,結(jié)構(gòu)開放、擴(kuò)展方便、技術(shù)先進(jìn)、價(jià)格低廉</p><p>　　4.3可編程序控制器PLC的分類</p><p&

51、gt;　　PLC產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對(duì)PLC的分類，通常根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同、功能的差異和I/O點(diǎn)數(shù)的多少等進(jìn)行大致分類。</p><p>　?。?） 按結(jié)構(gòu)形式分類根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。</p><p>　　1.整體式 PLC 整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)， 具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低的特點(diǎn)。小型

52、PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點(diǎn)數(shù)的基本單元（又稱主機(jī)）和擴(kuò)展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴(kuò)展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU?；締卧蛿U(kuò)展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴(kuò)展。</p><p>　　2.模塊式PLC 模塊

53、式PLC是將PLC各組成部分，分別作成若干個(gè)單獨(dú)的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點(diǎn)是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴(kuò)展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。還有一些PLC將整體式和模塊式的特點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)成所謂疊裝式PLC。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是

54、各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。</p><p>　?。?） 按功能分類根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。</p><p>　　1.低檔PLC 具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于

55、邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.中檔PLC 除具有低檔PLC的功能外，還具有較強(qiáng)的模擬量輸入／輸出、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設(shè)中斷控制、PID控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.高檔PLC 除具有中檔機(jī)的功能外，還增加了帶符號(hào)算術(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、位邏輯運(yùn)算、平方根運(yùn)算

56、及其它特殊功能函數(shù)的運(yùn)算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。</p><p>　?。?） 按I/O點(diǎn)數(shù)分類根據(jù)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。</p><p>　　1.小型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)小于256點(diǎn)；單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲(chǔ)器容量4K字以下。</p&

57、gt;<p>　　2. 中型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)256～2048點(diǎn)；雙CPU，用戶存儲(chǔ)器容量2～8K。 </p><p>　　3.大型PLC——I/O點(diǎn)數(shù)> 2048點(diǎn)；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲(chǔ)器容量8～16K .</p><p>　　4.4 CPU的構(gòu)成</p><p>　　從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固

58、定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。</p><p>　　4.4.1 CPU的構(gòu)成</p><p>　　CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用

59、掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。進(jìn)入運(yùn)行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，去指揮有關(guān)的控制電路。CPU主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)程序及數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來

60、，不必要詳細(xì)分析CPU的內(nèi)部電路，但對(duì)各部分的工作機(jī)制還是應(yīng)有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由震蕩信號(hào)控制。運(yùn)算器用于進(jìn)行數(shù)字或邏輯運(yùn)算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運(yùn)算，并存儲(chǔ)運(yùn)算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。</p><p>　　CPU速度和內(nèi)存容量是PLC的重要參數(shù)，它們決定著PLC的工作速度，IO數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。<

61、;/p><p>　　4.4.2 I/O模塊</p><p>　　PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號(hào)狀態(tài)，輸出點(diǎn)反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，輸出模塊相反。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊?！?lt;/p>

62、<p>　　常用的I/O分類如下：開關(guān)量：按電壓水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號(hào)類型分，有電流型（4-20mA,0-20mA）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點(diǎn)數(shù)確定模塊規(guī)格及數(shù)量，I/O模塊可多可少，但其最

63、大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機(jī)架槽數(shù)限制。</p><p>　　4.4.3 電源模塊</p><p>　　PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時(shí)，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。</p><p>　　底板或機(jī)架大多數(shù)模塊式PLC

64、使用底板或機(jī)架，其作用是：電氣上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機(jī)械上，實(shí)現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個(gè)整體。</p><p>　　4.4 .4 PLC的工作原理</p><p>　　雖然可編程控制器的基本組成及工作原理與一般微機(jī)相同，但其工作過程與微機(jī)有很大差異。</p><p>　　小型PLC的工作過程有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：①周期性順序掃描

65、；②集中批處理。</p><p>　　周期性順序掃描是可編程控制器特有的工作方式，PLC在運(yùn)行過程中，總是處在不斷循環(huán)的順序掃描過程中。</p><p>　　由于可編程控制器的I/O點(diǎn)數(shù)較多，采用集中批處理的方法，可以簡(jiǎn)化操作過程，便于控制，提高系統(tǒng)可靠性。因此，可編程控制器的另一個(gè)主要特點(diǎn)就是對(duì)輸入采樣、執(zhí)行用戶程序、輸出刷新實(shí)施集中批處理。</p><p>　　

66、1.公共處理掃描階段</p><p>　　公共處理包括PLC自檢、執(zhí)行來自外設(shè)命令、對(duì)看門狗定時(shí)器清零等。</p><p>　　2.輸入采樣掃描階段</p><p>　　這是第一個(gè)集中批處理過程。在這個(gè)階段中，PLC按順序逐個(gè)采集所有輸入端子上的信號(hào)，不論輸入端子上是否接線，CPU順序讀取全部輸入端，將所有采集到的一批輸入信號(hào)寫到輸入映像寄存器中。在當(dāng)前的掃描周期內(nèi)

67、，用戶程序依據(jù)的輸入信號(hào)狀態(tài)均從輸入映像寄存器中去取，而不管此時(shí)外部輸入信號(hào)的狀態(tài)是否變化。如果此時(shí)外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，也只能在下一個(gè)掃描周期的輸入采樣掃描階段去讀取。</p><p>　　3.執(zhí)行用戶程序掃描階段</p><p>　　這是第二個(gè)集中批處理過程。在執(zhí)行用戶程序階段，CPU對(duì)用戶程序按順序進(jìn)行掃描。每掃描到一條指令，所需的輸入信息狀態(tài)均從輸入映像寄存器中讀取，而不是

68、直接使用現(xiàn)場(chǎng)的立即輸入信號(hào)。對(duì)其他信息，則是從PLC的元件映像寄存器中讀取。在執(zhí)行用戶程序中，每一次運(yùn)算的中間結(jié)果都立即寫入元件映像寄存器中，這樣該狀態(tài)馬上就可以被后面將要掃描到的指令所利用。對(duì)輸出繼電器的掃描結(jié)果，也不是馬上去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，而是將其結(jié)果寫入元件映像寄存器中的輸出映像寄存器中，待輸出刷新階段集中批處理，所以執(zhí)行用戶程序階段也是集中批處理過程。</p><p>　　4.輸出刷新掃描階段</p&

69、gt;<p>　　這是第三個(gè)集中批處理過程。當(dāng)CPU對(duì)全部用戶程序掃描結(jié)束后，將元件映像寄存器中各輸出繼電器的狀態(tài)同時(shí)送到輸出鎖存器中，再由輸出鎖存器經(jīng)輸出端子去驅(qū)動(dòng)各輸出繼電器所帶的負(fù)載。</p><p>　　在輸出刷新階段結(jié)束后，CPU進(jìn)入下一個(gè)掃描周期。</p><p>　　4.4.5 PLC系統(tǒng)的其它設(shè)備</p><p>　　編程設(shè)備：編程器

70、是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺少的器件，用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況，但它不直接參與現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行編程軟件）充當(dāng)編程器。也就是我們系統(tǒng)的上位機(jī)。</p><p>　　人機(jī)界面：最簡(jiǎn)單的人機(jī)界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應(yīng)用越來越廣泛，由計(jì)算機(jī)（運(yùn)行組態(tài)軟件）充當(dāng)人機(jī)界面非常普

71、及。</p><p>　　5 PLC的選取與系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于可編程控制器（PLC）的電動(dòng)機(jī)綜合監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。如下圖，準(zhǔn)備開機(jī)時(shí)，按下開機(jī)按鈕后，首先檢測(cè)斷路器狀態(tài)，如果斷路器初始狀態(tài)為閉合，電機(jī)無法啟動(dòng)，并且聲光報(bào)警。如果斷路器初始狀態(tài)為斷開，斷路器合閘，電機(jī)開

72、始啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，若發(fā)生一級(jí)故障，PLC進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。啟動(dòng)完成后，“電機(jī)開/關(guān)指示燈”亮，電機(jī)正常運(yùn)行。運(yùn)行過程中，PLC依次循環(huán)檢測(cè)電機(jī)是否發(fā)生相間短路、斷相、低電壓、單相接地、過負(fù)荷、過電流等故障，若有發(fā)生，PLC進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。關(guān)機(jī)時(shí)，PLC接到關(guān)機(jī)命令后，斷路器跳閘，“電機(jī)開/關(guān)機(jī)指示燈”滅。故障聲光報(bào)警后，按“報(bào)警復(fù)位按鈕”復(fù)位。如下圖所示。</p><p>　　圖5-1 電機(jī)故障診斷系統(tǒng)總

73、體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　5.2 PLC的硬件配置與選型</p><p>　　5.2.1 SIMATIC S7-200 PLC</p><p>　　S7-200PLC是超小型化的PLC，它具有極高的可靠性、豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內(nèi)置集成功能、實(shí)時(shí)特性、強(qiáng)勁的通信能力、豐富的擴(kuò)展模塊，適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制

74、的需要。S7-200PLC的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。</p><p>　　S7-200PLC可提供4個(gè)不同的基本型號(hào)與8種CPU可供選擇使用。</p><p>　　S7-200CPU集成了豐富的內(nèi)置功能：</p><p><b>　　?高速計(jì)數(shù)器輸入</b></p><p>　　?短

75、暫脈沖捕捉功能</p><p><b>　　?高速脈沖輸出</b></p><p>　　?I/O硬件中斷事件</p><p>　　?特殊功能相關(guān)的中斷功能</p><p>　　?PID控制，PID自整定功能</p><p>　　?支持多種生產(chǎn)工藝配方</p><p&g

76、t;　　?數(shù)據(jù)記錄（歸檔）</p><p>　　此外，S7-200還支持以下功能：</p><p>　　?用戶自定義的庫(kù)指令，便于模塊化編程</p><p>　　?完善的密碼和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)功能</p><p>　　?在RUN狀態(tài)下的在線編程能力</p><p>　　?直接讀/寫實(shí)際I/O</p>

77、<p>　　?可調(diào)整的數(shù)字量和模擬量的輸入濾波</p><p>　　?定義數(shù)字量和模擬量在STOP時(shí)的狀態(tài)</p><p>　　?多種數(shù)據(jù)保持設(shè)置</p><p>　　?一個(gè)可由用戶定義的LED狀態(tài)指示燈</p><p>　　5.2．2 S7-200系列PLC的硬件配置</p><p>　　S7-2

78、00系列PLC的硬件系統(tǒng)配置靈活，既可用單獨(dú)的CPU模塊構(gòu)成簡(jiǎn)單的開關(guān)量控制系統(tǒng)，也可通過I/O擴(kuò)展或通信聯(lián)網(wǎng)功能構(gòu)成中等規(guī)模的控制系統(tǒng)。主要包括如下幾部分：</p><p>　?。?）PLC基本單元（即CPU模塊）：是PLC系統(tǒng)的核心，包括CPU、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、部分輸入/輸出接口、內(nèi)置5V和24V直流電源、RS-485通信接口等。</p><p>　?。?）擴(kuò)展單元：用于PLC系統(tǒng)的I

79、/O擴(kuò)展，包括數(shù)字量I/O模塊和模擬量I/O模塊。</p><p>　　（3）編程設(shè)備：可使用手持式編程器，也可使用裝有 SIMATIC S7系列PLC編程軟件的計(jì)算機(jī)。編程設(shè)備可實(shí)現(xiàn)用戶程序的編制、編譯、調(diào)試和下載。</p><p>　?。?）人機(jī)界面：常用的有觸摸屏和文本顯示器，也可通過裝有工業(yè)組態(tài)軟件的微機(jī)實(shí)現(xiàn)。通過人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制過程的監(jiān)控。</p>&l

80、t;p>　?。?）通信模塊：可通過CPU模塊自帶的RS-485接口與上位機(jī)或其他PLC通信，也可通過專用的通信模塊與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成各種通信網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如通信處理器模塊CP243-2或PROFIBUS-DP模塊EM277等。</p><p>　?。?）其他設(shè)備：各種特殊功能模塊，具有獨(dú)立的運(yùn)算能力，能實(shí)現(xiàn)特定的功能，如位置控制模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、閉環(huán)控制模塊、溫度控制模塊等。</p>

81、;<p>　　5.2.3 CPU模塊</p><p>　　S7-200系列PLC的CPU模塊有兩個(gè)子系列，即CPU21X和CPU22X。目前市場(chǎng)上CPU22X系列PLC已取代了第一代的CPU21X系列，并成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。</p><p>　　S7-200系列PLC的CPU22X系列主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等型號(hào)，其輸入

82、輸出點(diǎn)數(shù)的分配表如表5-1所示。</p><p>　　表5-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本單元</p><p>　　5.2.4數(shù)字量擴(kuò)展模塊</p><p>　　S7-200系列PLC目前可以提供3大類共10種數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊，見表5-2。</p><p>　　表5-2 S7-200系列PL

83、C數(shù)字量輸入/輸出擴(kuò)展模塊</p><p>　　5.2.5模擬量擴(kuò)展模塊</p><p>　　在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模塊本身帶有模擬量I/O外，其他CPU模塊若想處理模擬信號(hào)，則需進(jìn)行模擬量模塊的擴(kuò)展。模擬量擴(kuò)展模塊主要有3種，見表5-3。</p><p>　　表5-3 S7-200系列PLC模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊</

84、p><p><b>　　5.2.6通信模塊</b></p><p>　　S7-200系列PLC除了CPU226本機(jī)集成了兩個(gè)通信口以外，其他均在其內(nèi)部集成了一個(gè)通信口，通信口采用了RS-485總線。此外，各PLC還可以接入通信模塊，以擴(kuò)大其接口的數(shù)量和聯(lián)網(wǎng)能力。</p><p>　?。?）EM277模塊：EM277模塊是PROFIBUS-DP從站

85、模塊，同時(shí)也支持MPI從站通信。</p><p>　?。?）EM241:調(diào)制解調(diào)器通信模塊。</p><p>　?。?）CP243-1：工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊。</p><p>　　（4）CP243-1 IT：工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊，同時(shí)提供Web/E-mail等IT應(yīng)用。</p><p>　　（5）CP243-2：AS-I主站模塊，可連接最

86、多62個(gè)AS-I從站。</p><p>　　5.2.7 I/O點(diǎn)分配及電氣連接圖</p><p>　　1）該控制系統(tǒng)中I/O點(diǎn)分配表如表5-4所示。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，包含以下輸入輸出點(diǎn)，見附表,本系統(tǒng)共包括12路開關(guān)量，7路模擬量。</p><p>　　表5-4 I/O點(diǎn)分配表</p><p>

87、　　2）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖</p><p>　　圖5-2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案及硬件連接圖</p><p>　　5.3 JL-400缺相繼電器</p><p>　　JL-400缺相繼電器是一種多功能三相電源系統(tǒng)或三相用電設(shè)備的監(jiān)測(cè)和保護(hù)儀器。集三相電壓顯示、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、缺相保護(hù)（斷相保護(hù)）、電壓不平衡保護(hù)、相序保護(hù)（錯(cuò)相保護(hù)）于一體，采用功能強(qiáng)大的

88、微處理器芯片和非易失存儲(chǔ)技術(shù)，顯示采用高清晰超寬溫中文液晶，具有功能齊全，性能穩(wěn)定，顯示直觀、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。</p><p>　　JL-400缺相繼電器可實(shí)時(shí)顯示三相電源電壓、并可在電源發(fā)生過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)、不平衡保護(hù)、錯(cuò)相保護(hù)等故障時(shí)通過繼電器輸出的形式,給用戶提供報(bào)警輸出和保護(hù)電路動(dòng)作輸出的觸點(diǎn)控制信號(hào)，起到報(bào)警和保護(hù)作用。JL-400缺相繼電器電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作時(shí)間曲線圖如5-3所示：<

89、/p><p>　　A ——電壓不平衡度</p><p>　　——三相電壓中最大相的電壓</p><p>　　——三相電壓中最小相的電壓</p><p>　　圖5-3 JL-400缺相繼電器電壓不平衡保護(hù)的時(shí)間特性曲線</p><p>　　表5-5 JL-400缺相繼電器主要性能指標(biāo)</p><p>

90、;　　JL-400缺相繼電器操作指南</p><p>　　1、把三相電源的三相四線分別接入JL-400缺相繼電器的L1、L2、L3、N端。</p><p>　　2、JL-400缺相繼電器的常開、常閉輸出端，分別接入控制設(shè)備的回路。詳見JL-400缺相繼電器接線示意圖</p><p>　　3、設(shè)置參數(shù)，把連接好的JL-400缺相繼電器通上三相電，液晶屏顯示其中一相的電

91、壓。</p><p>　?。?）JL-400缺相繼電器正常情況下，按一下R/設(shè)置鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置字符閃爍，此時(shí)液晶屏上顯示設(shè)置和相序字樣，按▲或▼鍵可選擇是否啟用相序保護(hù)功能，ON表示開啟，OFF表示關(guān)閉。 </p><p>　?。?）再按一下JL-400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，設(shè)置過

92、電壓值，液晶屏上顯示設(shè)置和過壓字樣，按▲或▼鍵設(shè)置過電壓值，過電壓值在220V～300V范圍內(nèi)設(shè)置，步進(jìn)量為1V；再按一次R/設(shè)置鍵，設(shè)置過電壓動(dòng)作時(shí)間（單位為秒），動(dòng)作時(shí)間 </p><p>　　可在0.1～20秒范圍之間設(shè)置,步進(jìn)量為0.1秒。 接線示意圖</p><p>　?。?）再按一下JL-

93、400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，設(shè)置欠電壓值，液晶屏上顯示設(shè)置和欠壓字樣，按▲或▼鍵設(shè)置欠電壓值，欠電壓值在150V～220V范圍內(nèi)設(shè)置，步進(jìn)量為1V；再按一次R/ 設(shè)置鍵，設(shè)置過電壓動(dòng)作時(shí)間（單位為秒），動(dòng)作時(shí)間可在0.1～20秒范圍之間設(shè)置,步進(jìn)量為0.1秒。</p><p>　?。?）再按一下JL-400缺相繼電器的R/設(shè)置鍵，液晶屏上顯示End字樣，本次設(shè)置完成。</p><p>　

94、?。?）當(dāng)JL-400缺相繼電器發(fā)生電源過壓、欠壓、缺相、錯(cuò)相、不平衡等故障時(shí)，液晶屏上分別閃爍顯示過壓、欠壓、缺相、相序、不平衡等字樣，如果故障時(shí)間超過設(shè)置的動(dòng)作時(shí)間，過壓、欠壓、缺相、相序、不平衡等字樣保持常亮，同時(shí)顯示故障時(shí)的電壓值，這時(shí)輸出觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換。</p><p>　?。?）由于JL-400缺相繼電器缺相、錯(cuò)相故障屬于不可自動(dòng)恢復(fù)性故障；故發(fā)生缺相、錯(cuò)相故障時(shí)，缺相繼電器能記憶自鎖。即使安全切斷缺相繼電

95、器工作電源，也會(huì)存儲(chǔ)故障信息；只有在排除缺相、錯(cuò)相故障后，按R/設(shè)置鍵，缺相繼電器才能復(fù)位。而發(fā)生過壓、欠壓故障后，如果線路電壓又恢復(fù)了正常設(shè)置電壓范圍，缺相繼電器能自動(dòng)恢復(fù)。也可按R/設(shè)置鍵手動(dòng)恢復(fù)。</p><p><b>　　備注：</b></p><p>　?。?）進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，如果20秒內(nèi)無任何操作，JL-400缺相繼電器自動(dòng)退出設(shè)置狀態(tài)。</p>

96、;<p>　?。?）JL-400缺相繼電器的常開、常閉狀態(tài)，分別是指繼電器正常通電狀態(tài)；故障時(shí)常開、常閉狀態(tài)分別同時(shí)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4、JL-400缺相繼電器參數(shù)設(shè)置</p><p><b>　　5.4 熱繼電器</b></p><p>　　熱繼電器是一種電氣保護(hù)元件。它是利用電流的熱效應(yīng)來推動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)使觸頭閉合或斷

97、開的保護(hù)電器，主要用于電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)、斷相保護(hù)、電流不平衡保護(hù)以及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)時(shí)的控制。</p><p>　　5.4.1 熱繼電器的工作原理</p><p>　　圖5-4 熱繼電器原理圖</p><p>　　由電阻絲做成的熱元件，其電阻值較小，工作時(shí)將它串接在電動(dòng)機(jī)的主電路中，電阻絲所圍繞的雙金屬片是由兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片壓合而成，左端與外殼固定。當(dāng)

98、熱元件中通過的電流超過其額定值而過熱時(shí)，由于雙金屬片的上面一層熱膨脹系數(shù)小，而下面的大，使雙金屬片受熱后向上彎曲，導(dǎo)致扣板脫扣，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸點(diǎn)斷開。觸點(diǎn)是串接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中的，使得控制電路中的接觸器的動(dòng)作線圈斷電，從而切斷電動(dòng)機(jī)的主電路。</p><p>　　交流接觸器的結(jié)構(gòu)，接觸器主要由電磁機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)系統(tǒng)和滅弧裝置等主要部件組成。電磁機(jī)構(gòu)包括吸引線圈、靜鐵心和動(dòng)鐵心，動(dòng)鐵心與動(dòng)觸點(diǎn)相聯(lián)。觸頭

99、分為主觸頭和輔助觸頭，主觸頭用于通斷電流較大的主電路，體積較大，一般由三對(duì)常開觸頭組成；輔助觸頭用于通斷電流較小的控制電路，體積較小，一般由兩對(duì)常開觸頭和兩對(duì)常閉觸頭組成。所謂觸頭的常開和常閉，是指接觸器未通電動(dòng)作前觸頭的原始狀態(tài)。交流接觸器的型號(hào)及含義，以CJ系列接觸器為例，型號(hào)含義如下：</p><p>　　交流接觸器的工作原理，當(dāng)吸引線圈兩端施加額定電壓時(shí)，產(chǎn)生電磁力，將動(dòng)鐵心(上鐵心)吸下，動(dòng)鐵心帶動(dòng)動(dòng)觸

100、點(diǎn)一起下移，使動(dòng)合觸點(diǎn)閉合接通電路，動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開切斷電路，當(dāng)吸引線圈斷電時(shí)，鐵心失去電磁力，動(dòng)鐵心在復(fù)位彈簧的作用下復(fù)位，觸點(diǎn)系統(tǒng)恢復(fù)常態(tài)。</p><p>　　交流接觸器的種類，交流接觸器的種類很多，國(guó)產(chǎn)的有CJ0、CJ10系列和比較新的CJ20系列，引進(jìn)的新產(chǎn)品有3TH系列、3TB系列。</p><p>　　圖5-4 接觸器聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制電路圖</p><p>

101、;　　QM：電源開關(guān) FU：熔斷器 EH：熱繼電器 </p><p>　　KF/KR：交流接觸器 M：電動(dòng)機(jī) </p><p>　　SR：正轉(zhuǎn)按鈕 SR：反轉(zhuǎn)按鈕 STP：停止按鈕</p><p><b>　　常閉觸頭 </b></p><p><b>　　常開觸頭

102、</b></p><p>　　工作原理：主回路中主觸點(diǎn)KF和KR并聯(lián)，L1與L2互相反接，為保證接觸器KF和KR的線圈不會(huì)同時(shí)通電，KF和KR這兩副常閉輔助觸點(diǎn)，分別串接于正反轉(zhuǎn)控制回路中，稱為聯(lián)鎖（或互鎖）觸點(diǎn)。</p><p>　　6 保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　6.1 PLC程序設(shè)計(jì)方法</p><p>　　編

103、寫PLC程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。</p><p><b>　　1. 圖解法編程</b></p><p>　　圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。</p><p><b>　　（1）梯形圖法</b></p><p>　

104、　梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法，其圖形甚至元件名稱都有繼電器電路十分相似。這種方法很容易地把原繼電器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對(duì)于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。</p><p><b>　　（2）邏輯流程圖法</b></p><p>　　邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序的執(zhí)行過程，反映輸

105、入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖會(huì)使整個(gè)程序脈絡(luò)清晰，便于分析控制程序、查找故障點(diǎn)及調(diào)試和維修程序。</p><p><b>　?。?）時(shí)序流程圖法</b></p><p>　　時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把框圖寫成PLC程序。這種方法很適合以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程

106、方法。</p><p><b>　　（4）步進(jìn)順控法</b></p><p>　　步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計(jì)復(fù)雜的控制程序。一般比較復(fù)雜的程序都可以分成若干個(gè)功能比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序可以看成整個(gè)控制過程的一步。</p><p><b>　　2. 經(jīng)驗(yàn)法編程</b></p><p>　　

107、經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或者別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗(yàn)程序”。結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這些“試驗(yàn)程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。</p><p>　　3.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程</p><p>　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC編程軟件（比如STEP7--Micro/WIN）在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試

108、等。使用編程軟件可以很方便的在計(jì)算機(jī)上離線或在線編程、在線調(diào)試，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE文件[14]。</p><p>　　6.2 梯形圖語言特點(diǎn)</p><p>　　梯形圖是使用得最多的圖形編程語言，被稱為PLC的第一編程語言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為電路或程序，梯形圖的

109、設(shè)計(jì)稱為編程。</p><p>　　梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是用梯形圖的圖形符號(hào)來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語言，程序采用梯形圖的形式描述。這種程序設(shè)計(jì)語言采用因果關(guān)系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果。每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)中，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。　　在工業(yè)過程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人

110、員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉，因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來的梯形圖受到了歡迎，并得到了廣泛的應(yīng)用。梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：</p><p>　　（1）與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；（2）與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，對(duì)電氣技術(shù)人員來說，易于撐握和學(xué)習(xí)；（3）與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同點(diǎn)是，梯形圖中的能流（Power FLow）不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際