基于PLC的电机故障诊断系统设计
摘要:PLC电机已经成为国内外重要的工业生产流行设备,它具有大量的可编程设备仪器,能够很方便进行操作和管理。本文从PLC电机组成和工作原理的分析出发,从对比当前传统的控制系统和PLC系统,并对电机故障作出了分析和处理方案。
关键词:可编程控制器PLC系统控制系统
在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或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)。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。国控制类产品市场PLC的占有率已超过50%,而且保持着10%～15%的发展速度。
1 电机系统的组成和工作原理
PLC电机系统的组成框图如图1所示,由上位计算机和1套PLC 测控系统组成。PLC通过外部变送器、互感器与发电机组相连,发电机机端电压U、定子电流I为三相交流电,分别经电压互感器(PT)和电流互感器(CT)转换成三相100V、5A的二次信号,发电机转子励磁电流经过分流器RS转换成75mV信号,再经过三相功率(含有功、无功)变送器、三相电压变送器、直流电流变送器转换成与其成比例的0～10V 电压信号后输入到PLC的模拟量模块。模拟量经过A/D转换,然后根据互感器、变送器的变换比例计算出机端电压U、转子电流If、有功功率P和无功功率Q的等机组运行量。
PLC每隔20ms采样一次,每40ms将采样的数据保存到故障数据区中。当发生故障后,PLC记录下故障发生以后的13s数据,故障数据记录过程结束。当PLC接收到上位机发送来的传送命令时,PLC将记录的故障数据通过串口通讯传送给上位机。上位机将数据完整的接收下来,经过数据处理显示出机组运行量U、If、P、Q、Ug(电压给定)在故障前7s、后13s的波形曲线,这样就可以对发电机故障进行分析了。
2 PLC电机系统故障诊断分析
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完成输煤系统设备故障信号检测、预处理,转化存储并传输给上位计算机。上位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。
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。
2.1 电机硬件故障
2.1.1 转动硬件故障
转动部分不平衡主要是转子、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。如果有大型传动轮、制动轮、耦合器、联轴器,应与转子分开单独找好平衡。再有就是转动部分机械松动造成的。如:铁心支架松动,斜键、销钉失效松动,转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡。
2.1.2 机械故障
机械故障主要分为以下几点:联动部分轴系不对中,中心线不重合,定心不正确。与电机相联的齿轮、联轴器有毛病。电机本身结构的缺陷和安装的问题。电机拖动的负载传导振动。
2.1.3 电气硬件故障
电气硬件故障主要是由于电磁方面发生的,其主要包括了: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。
2.2 电机软件故障
2.2.1 模拟量故障的诊断
给像犁煤车一样的模拟量信号进行电机电流诊断故障,首先将通过模拟量模块接受的电流变送器模拟信号转化为数字形式信号,再比较整定值或者系统的极限值,如果数字信号小于极限值,可以判断发出信号的设备运行正常;如果数字信号接近甚至达到极限值,发出信号的设备则出现不正常运行状态。根据各个设备相应参数的变化可以得出该设备的极限值。
2.2.2 各种故障信息的串行通信
利用串行通讯,上位机可以及时沟通PLC的内部寄存器,读取各种故障信息。上位机通过PLC的RS232通信接口进行Host Link方式串行通信。上位机在通讯时想PLC先发出一帧包括操作命令,寄存类型,起始地址和即将要读取的积存位置等信息的命令帧。PLC在收到命令帧后作出相应的反应,如果PLC没有错误则向上位机作出包含了其所需要查询的寄存器值的响应帧。上位计算机通过读取数据寄存区的值
来获取当前PLC的工作状况,同时上位计算机对PLC的控制也可通过对该区的写操作来完成。具体的通信实现可以参考相关资料,这里不作详细论述。
3 结语
PLC控制器具有功能强大的可编程控制方法,它可以针对大数据量交换以及实时性要求较高的控制系统,IT技术的应用体现了以太网发展的趋势,同时也为工业以太网的发展提供了更为广阔的空间。在上述PLC控制器中,由于用数字信号替代模拟信号,因而可实现一对电线上传输多个信号(包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息)同时又为多个设备提供电源,现场设备以外不再需要A/D、D/A转换部件,这样大大减少了导线和连接附件,提高了系统的可靠性和抗干扰能力。
参考文献
[1]冯雍明.电机的工业试验[M].北京:机械工业出版社,1990.
[2]郭仲礼.高压电工实用技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
