基于PLC的电动机故障保护系统设计毕业设计

基于PLC的电动机故障保护系统设计学校代码：11517 学 号：200910710225 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计题 目 基于PLC的电动机故障保护系统设计学生姓名 朱二卫专业班级 电气工程及其自动化0942班学 号 200910710225系 （部） 电气信息工程学院指导教师(职称) 郭会平（讲师）完成时间 2013年6月4日河南工程学院论文版权使用授权书本人完全了解河南工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本；学校有权保存论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。论文作者签名： 年 月 日 河南工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日河南工程学院毕业设计（论文）任务书题目 基于PLC的电动机故障保护系统设计 专业 电气工程及其自动化 学号 200910710225 姓名 朱二卫 一主要内容设计一个电动机故障保护系统，分析电动机各种故障产生的原因、现象以及发生故障时采取的措施。根据电机的故障级别，设计出基于PLC的电机故障诊断系统，包括硬件部分和软件部分设计。二基本要求（1）要求分析电动机各种故障产生的原因，以电动机常用电气控制线路为例进行设计，给出电气控制线路图。（2）以西门子系列PLC作为主控制单元，要对控制系统的输入、输出进行分析，完成控制系统的输入输出分配和PLC的选型。（3）编写控制系统流程图，编写程序进行仿真调试。三主要参考资料1 杨伟,吴军基.PLC在电动机综合保护中的应用J.PLC&FA,2004,(10):1-2.2 初光华.PLC控制普通电机的应用J.科技致富向导,2011,(3):1-2. 3 黄永红.电器可编程控制与PLC应用技术M.北京:机械工业出版社,2011.132-137.4 张键.机械故障诊断技术M.北京:机械工业出版社,2008.5-7. 完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 电机故障保护系统发展状况11.3 系统总体设计方案22 三相异步电动机32.1 三相异步电动机工作原理32.2 三相异步电动机主要电气故障32.3 常用电气控制电路42.3.1 三相异步电动机正-停-反控制电路42.3.2 三相异步电动机星-三角减压启动控制电路53 系统硬件设计73.1 可编程控制器73.2 S7-300PLC概况83.2.1 S7-300的输入输出模块103.2.2 S7-300的功能模块103.3 电路中的低压保护电器113.4 I/O点分配及电气连接图133.5 系统工作原理164 系统软件设计194.1 STEP7概述194.2 STEP7块194.3 符号编辑器及硬件组态204.4 编程语言215 系统仿真与调试25结 论28致 谢29参考文献30附 录31基于PLC的电动机故障保护系统设计摘 要三相交流异步电机是工农业生产中最常见的电气设备，其常常运行在十分恶劣的环境下，容易发生故障。随着自动化程度的提高可编程控制器（PLC）既可以作为现场控制的部件，又可以作为现场更高一级管理的控制部件，作为成熟技术，可编程控制器已被广泛应用到很多领域，特别是对工厂大型电动机的控制，极大地提高了劳动生产率和自动化程度。本文主要研究了基于PLC的电动机故障保护系统，介绍了可编程控制器的工作原理、功能特点等，叙述了电动机的短路、过载、断相、超温等故障类型的特点及保护原理，阐述了保护系统的硬件构成，编程软件及仿真，并编写了PLC保护程序，给出了I/O符号表和梯形图程序。本系统采用西门子S7300PLC，故障保护信号采用开关量信号，即PLC接收到的信号均为数字量输入信号，当PLC收到保护元件传来的信号时就会执行相应的程序段，控制相应的继电器，切断电路，同时输出报警信号。关键词 电动机/PLC/故障保护PLC-based motor faultprotection system designABSTRACTThree-phase AC induction motor is the most common industrial and agricultural production electrical equipment, which often run in a very harsh environment, prone to failure. With increased automation programmable controller (PLC) either as a field control components, but also as a site higher management control unit, as a mature technology, programmable controllers have been widely applied to many fields, especially for large-scale factory motor control, greatly improved labor productivity and automation.This paper studies the PLC-based motor fault protection system, introduced the programmable controller works, features, etc., described the motor short-circuit, overload, phase failure, over-temperature and other characteristics of the type of fault and the protection of the principle expounded protection of the systems hardware configuration, programming software and simulation, and the preparation of the PLC saver, given I / O symbol table and the ladder program. The system uses Siemens S7300PLC, fault protection signals using digital signal that is received by PLC signals are digital input signal, when the PLC receives signals coming protection elements will be executed when the corresponding block, control the corresponding relay , cut off the circuit, while the output alarm signal.KEY WORDS motor, plc, fault protectionII1 绪论1.1 课题背景和意义三相异步电机是工农业生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为机械能，其结构简单，起步方便，体积较小，工作可靠，坚固耐用，便于维护和检修，使用非常广泛。三相异步电动机常常运行在十分恶劣的环境下，导致过流、短路、缺相、过载等故障，对于应用于大型工业设备重要场合的大功率电动机来说，一旦发生上述故障将会造成无法估量的损失。因此电动机的故障保护在生产中起着至关重要的作用。PLC作为一种成熟稳定可靠地控制器，目前已经在工业控制中得到了越来越广泛的应用1。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处理。故障保护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。目前，PLC的功能增强、结构优化，I/O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，PLC系统通信能力增强，向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。现在的PLC系统与DCS技术、现场总线I/O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。1.2 电机故障保护系统发展状况电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业/农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机正常运行就显得非常重要，而在使用过程中造成电机烧坏甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜，无论是因为维护或者因为电机故障影响生产，都对经济的发展有很大的影响，因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。由于近年来微处理器技术的发展，给电动机保护器向智能化多功能化方向发展提供了硬件平台。传统的中小型电动机保护主要采用熔断器/接触器和断路器及热继电器等的组合来执行的，其中采用熔断器及热继电器的电动机故障保护应该说是最廉价的，但当电动机发生故障或熔丝选择不当等原因使熔断器一相熔断时就会使电动机缺相运行而使事故进一步扩大，造成电动机烧毁2。为了解决此种情况，人们利用现代电力电子技术，从多功能集成化方面努力，研制和推出了一批新型的电子模拟式保护器。但由于它的抗干扰能力差，动作特性与电机热曲线不协调，反时限特性并不明显优于热继电器，容易造成拒动或误动影响产品的性能及质量。随着计算机技术的发展，微机保护更趋于智能化、单元化、在线化。利用微处理器实现电动机保护的多功能化和智能化已成为今后发展的方向。PLC在电动机故障保护上的优点：可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。1.3 系统总体设计方案本文设计的是电动机的故障保护系统，包括硬件和软件两方面的设计，硬件有主电路及控制电路硬线连接，保护元件，PLC端子连接，软件有梯形图程序及仿真调试。电动机的故障保护以短路、断相（错相）、过流、过载、超温为主，保护元件以低压电器为主，作为执行元件，而PLC控制保护元件的接通与断开，从而控制电动机的运行与停止，并输出报警信号。相比单纯的继电器保护来说，有更高的准确性、快速性。系统程序则是使用简单直观的梯形图程序，程序分段，仿真的时候输入开关量信号PLC会执行相应的程序段。图1.1为系统设计框图： 图1.1 系统框图2 三相异步电动机2.1 三相异步电动机工作原理三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分，在定子和转子之间有一定的气隙。 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子铁心是磁路的一部分，它由0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。定子绕组是电动机的电路部分，三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，A、B、C称为首端，而X、Y、Z称为末端。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生旋转磁场。 机座主要用于固定与支撑定子铁心，中小型异步电动机一般采用铸铁机座，根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。转子由铁心与绕组组成。 转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，转子铁心装在转轴上。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场，旋转磁场切割转子导体产生感应电动势和电流，转子载流体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。2.2 三相异步电动机主要电气故障缺相：三相异部电动机在运行过程中，断一根火线或断一相绕组就会形成缺相运行，如果轴上负载没有改变，则电动机处于严重过载状态，定子电流将达到额定值的二倍甚至更高，时间稍长电动机就会烧毁3。在各行业中，因缺相运行而烧毁的电动机所占比重最大，一般电动机缺相是由于某相熔断器的熔体接触不良，或熔丝拧的过紧而几乎压断，也可能是因为熔体电流选择过小，这样通过的电流稍大就会熔断，尤其是在电动机起动电流的冲击下，更容易发生熔体非故障性熔断。有时电动机负荷线路断线，一般是安装不当引起的断线，特别是单芯导线放线时产生的小圈扭结，接头受损等都可能使导线在运行过程中发生断线。电动机由于长期使用也可能使绕组的内部接头或引线松脱或者局部过热把绕组烧断，电动机出现缺相运行。短路：绕组中相邻两条导线之间的绝缘损坏后，使两导体相碰，就称为绕组短路。发生在同一绕组中的绕组短路称为匝间短路。发生在两相绕组之间的绕组短路称为相间短路。不论是哪一种，都会引起某一相或两相电流增加，引起局部发热，使绝缘老化损坏甚至烧坏电动机。过压/欠压：电源电压偏高，激磁电流增大，电动机会过分发热，过分的高电压会危机电动机的绝缘，使其有被击穿的危险4。电源电压过低时，电磁转矩就会大大降低，如果负载转距没有减小，转子转数过低，这时转差率增大造成电动机过载而发热，长时间会影响电动机的寿命。当三相电压不对称时，即一相电压偏高或偏低时，会导致某相电流过大，电动机发热，同时转距减小会发出“翁嗡”声，时间长会损坏绕组。总之无论电压过高过低或三相电压不对称都会使电流增加，电动机发热而损坏电动机。过流：过电流往往是由于不正确的启动和过大的负载引起的吗，一般比短路电流要小，在电动机运行中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁、反转起动的重复短时工作制电动机中更是如此。过电流保护区别于短路保护，一般采用过电流继电器，广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。过载：电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆、寿命降低，严重时会使电动机损坏，过载电流越大允许升温的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。接地：电动机接地是一个重要环节，因为电机不明显接地也可以运转，但这给生产及人身安全埋下了不安全隐患。因为绝缘一旦损坏后外壳会产生危险的对地电压，这样直接威胁人身安全及设备的稳定性，所以电机一定要有安全接地。所谓的电机接地就是将电气设备在正常情况下不带电的某一金属部分通过接地装置与大地做电气连接，而电机的接地就是金属外壳接地，这样即使设备发生接地和碰壳短路时电流也会通过接地向大地做半球形扩散，电流在向大地中流散时形成了电压降，这样保证了设备及人身安全。2.3 常用电气控制电路2.3.1 三相异步电动机正-停-反控制电路电动机正反转控制电路如图2.1所示，工作原理：断路器QF作为电源引入开关，它具有短路保护、过载保护和失电保护的功能。由于两个接触器KM1、KM2的主触点所接电源的相序不同，所以可以改变电动机的转向。由于KM1和KM2的触点不可以同时闭合，以免发生相间短路故障，为此就需要在各自的控制电路中串接对方的常闭触点，构成互锁。按下正向启动按钮SB2，KM1的线圈得电并自锁，KM1的常闭触点断开，电动机正转，这时即使按下反向启动按钮SB3，KM2也无法通电。当需要反转时，先按下停止按钮SB1，令接触器KM1的线圈断电释放，KM1的常闭触点复位闭合，电动机停转，再按下反向启动按钮SB3，接触器KM2的线圈才能得电，电动机反转5。图2.1 三相异步电动机正反转控制电路2.3.2 三相异步电动机星-三角减压启动控制电路电动机星-三角减压启动控制电路如图2.2所示，工作原理：该主电路由三只接触器进行控制，其中，KM3的主触点闭合则将电动机绕组连接成星形；KM2主触点闭合，则将电动机绕组连接成三角形；KM1的主触点用来控制电源的通断。控制电路中，采用时间继电器来实现电动机绕组由星形联结到三角形联结的转换。按下启动按钮SB2，时间继电器KT、接触器KM3的线圈得电，KM3的主触点闭合，将电动机绕组接成星形。随着KM3得电吸合，KM1的线圈得电并自锁，电动机绕组在星形联结下启动，待电动机转速接近额定转速时，KT延时完毕，其常闭延时触点动作，接触器KM3失电，其常闭触点复位，KM2得电吸合，将电动机绕组接成三角形，电动机进入全压运行状态。时间继电器：在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间后才动作的继电器叫做时间继电器。时间继电器常用于按时间原则进行控制的场合。时间继电器可分为通电延时型和断电延时型，通电延时型当有输入信号后延迟一定时间，输出信号才发生变化，当输入信号消失后，输出信号瞬时复原；断电延时型当有输入信号时，瞬时产生相应的输出信号，当输入信号消失后，延迟一定时间输出信号才复原。图2.2 三相异步电动机星-三角减压启动控制电路3 系统硬件设计3.1 可编程控制器从广义上讲，PLC是一种特殊的工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言6。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类型的机械和生产过程。PLC的基本组成为：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出单元（I/O接口）、电源（开关式稳压电源）。PLC的工作原理：普通微机一般采用等待命令的工作方式，但PLC要查看的变量（输入信号）太多，采用这种等待查询的方式已经不能满足要求，因此PLC采用了“循环扫描”的工作方式，即在每一次循环扫描中采样所有的输入信号，随后转入程序执行，最后把程序执行结果输出（即信号输出）去控制现场的设备。初始化处理：PLC上电后，首先进行系统初始化，其中检查自身完好性是起始操作的主要工作。初始化的内容是：首先，对I/O单元和内部继电器清零，所有定时器复位（含T0），以消除各元件状态的随机性。其次，检查I/O单元连接是否正确。最后，检查自身完好性：即启动监控定时器T0，用检查程序（即一个涉及到各种指令和内存单元的专用检查程序）进行检查。系统自诊断：每次扫描前，在进行一次自诊断，检查系统的完好性，即检查硬件（如CPU、系统程序存储器、I/O口、通信口、后备锂电池电压等）和用户程序存储器等，以确保系统可靠运行。若发现故障，将有关错误标志位，再判断一下故障性质，若是一般性故障，只报警而不停机，等待处理；若是严重故障，则停止运行用户程序，PLC切断一切输出联系。通信与外设服务（含中断服务）：通信与外设服务指的是与编程器、其他设备（如终端设备，彩色图形显示器，打印机等）进行信息交换，与网络进行通信以及设备中断服务等8。如果没有外设请求，系统会自动向下循环扫描。采样输入信号：采样输入信号是指PLC在程序执行前，首先扫描各输入模块，将所有的外部输入信号的状态读入（存入）到映像存储器I中。执行用户程序：在执行用户程序前，先复位监控定时器T1，当CPU对用户程序扫描时，T1就开始计时，在无中断或跳转指令的情况下，CPU就从程序的首地址开始，按自左向右、自上而下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条，并把执行结果立即存入输入映像存储器Q中。输出刷新：输出刷新就是指CPU在执行完所有用户程序后（或下次扫描用户程序前）将输出映像存储器Q的内容送到输出锁存器中，再由输出锁存器送到输出端子上去9。刷新后的状态要保持到下次刷新。3.2 S7-300PLC概况S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求，CPU模块、信号模块和功能模块种类繁多能满足各种领域的自动控制任务，用户可根据系统的具体情况选择适合的模块，维修时更换模块也很方便。S7-300的每个CPU都有一个编程用的RS-485接口，使用西门子的MPI（多点接口）通信协议10。有的CPU还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP接口或PtP（点对点）串行通信口。S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程就可以建立一个MPI网络、通过PROFIBUS-DP接口可以建立一个DP网络。功能最强的CPU的RAM存储容量为512KB，有8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量通道最大为65536点，模拟量通道最大的为4096个。S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构。如图3.1所示一台S7-300可有以下几部分组成：导轨、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）、通信处理器（即通信模块CP）。其中电源模块、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块都安装在导轨上11。S7-300PLC还有一些辅助模块，如占位模块（DM370）、仿真模块（SM374）等。状态与故障显示及模式选择开关为：SF（系统出错/故障显示，红色）：CPU硬件故障或软件错误时亮。BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。DC5V（5V电源指示，绿色）：5V电源正常时亮。FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。RUN（运行方式，绿色）：CPU处于RUN状态时亮。 HOLD（单步、断点）状态时以0.5Hz的频率闪亮。STOP（停止方式，黄色）：CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。BUSF（总线错误，红色）。RUN-P(运行-编程)位置：运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。RUN (运行)位置：CPU 执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。STOP（停止）位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。S7-300CPU的分类：紧凑型CPU：CPU312C，CPU313C，CPU313C-PtP，CPU313C-2DP，CPU314C-PtP和CPU314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。标准型CPU：CPU312，CPU313，CPU314，CPU315，CPU315-2DP和CPU316-2DP。户外型CPU：CPU312IFM，CPU314IFM，CPU314户外型和CPU315-2DP在恶劣的环境下使用。高端CPU：317-2DP和CPU318-2DP。故障安全型CPU：CPU315F。1.电源模块 2.后备电池 3.24VDC连接器 4.模式开关 5.故障状态指示灯6.存储器卡(CPU313以上) 7.MPI多点接口 8.前连接器 9.前盖图3.1 S7-300PLC3.2.1 S7-300的输入输出模块PLC与电气回路的接口是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反应输入信号状态，输出点反应输出锁存器状态。输入模块将电信号转换成数字信号进入PLC系统，输出模块则相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常用的I/O分类如下：开关量，按电压水平分，有220VAC、110VAV、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶闸管隔离。模拟量，按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）。除了上述通用I/O之外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块12。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。3.2.2 S7-300的功能模块计数器模块：模块的计数器均为032位或31位加减计数器，可以判断脉冲的方向，模块给编码器供电。达到比较值时发出中断。可以2倍频4倍频计数。有集成的DI/DO。FM350-1是单通道计数器模块，可以检测最高达500kHz的脉冲有连续计数、单向计数、循环计数3种工作模式。FM350-2和CM35都是8通道智能型计数器模块。位置控制与位置检测模块：FM351双通道定位模块用于控制变级调速电动机或变频器。FM353是步进电机定位模块。FM354伺服电机定位模块。FM357可以用于最多4个插补轴的协同定位。FM352高速电子凸轮控制器，它有32个凸轮轨迹，13个集成的DO，采用增量式编码器或绝对式编码器。SM338超声波传感器检测位置，无磨损、保护等级高、精度稳定不变。闭环控制模块：FM355闭环控制模块有4个闭环控制通道，有自优化温度控制算法和PID算法。称重模块：SIWAREX U称重模块是紧凑型电子称，测定料仓和贮斗的料位，对吊车载荷进行监控，对传送带载荷进行测量或对工业提升机、轧机超载进行安全防护等。SIWAREX M称重模块是有校验能力的电子称重和配料单元，可以组成多料称系统，安装在易爆区域。电源模块：PS307电源模块将120/230伏交流电压转换为24V直流电压，为S7-300/400、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A或10A3种。3.3 电路中的低压保护电器接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。在功能上，接触器既能实现自动切换，而且还具有手动开关所不能实现的远距离操作功能和是电压（或欠电压）保护功能。接触器具有一定的过载能力，但却不能切断短路电流，也不具备过载保护的功能。由于接触器结构紧凑、价格低廉、工作可靠、维护方便，因而用途十分广泛。在PLC控制系统中，接触器常作为输出执行元件，用于控制电动机、电热设备、电容器组等负载。工作原理：当电磁线圈通电后，线圈电流在铁心中产生磁通，该磁通对衔铁产生克服复位弹簧反力的电磁吸力，使衔铁带动触点动作，触点动作时，常闭触点先断开，常开触点后闭合。当线圈中的电压降到某一数值（包括正常控制、欠电压、失电压故障）时，磁通下降，电磁吸力减小，当减小到不足以克服复位弹簧的反力时，衔铁在复位弹簧的反力作用下复位，使主、辅触点常开触点断开，常闭触点恢复闭合。继电器是一种根据某种输入信号的变化来接通或断开控制电路，实现自动控制和保护的电器。其输入量可以是电压、电流等电气量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电气量。热继电器是一种利用电流的热效应原理和发热元件的热膨胀原理，在出现电动机不能承受的过载时，断开电动机控制电路，实现电动机断电停车的保护电器。其主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护。目前使用最多、最普遍的是双金属片式热继电器，它结构简单、体积较小、成本较低。由于热继电器中发热元件具有热惯性，因此它不同于电流继电器和熔断器，不能作为瞬时过载保护，更不能用作短路保护13。中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量，它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中，它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小，所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。电磁式电流继电器的线圈与被测电路串联，反映电路中电流的变化动作，为降低负载效应和对被测量电路参数的影响，其线圈匝数少、导线粗、阻抗小。常用于按电流原则控制的场合，如电动机的过载及短路保护、直流电动机失磁保护等，电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。欠电流继电器在正常工作时衔铁是吸合的，只有当电流降到某一数值（一般为额定电流的20%30%）时，继电器才释放，输出信号，用于欠电流保护或控制。过电流继电器在正常工作时不动作，而当电流超过某一整定值（交流为额定电流的110%400%，直流为额定电流的70%300%）时继电器吸合动作，过电流继电器用于过电流保护或控制。熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的保护电器，它常用作电路或用电设备的严重过载和短路保护，主要用来作短路保护。熔断器主要有熔体（俗称保险丝）、安装熔体的熔座（或熔管）和支座组成。熔断器的熔体串联在被保护电路中。当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而长期不熔断；当电路严重过载时，熔体能在较短时间内熔断；当电路发生短路故障时，熔体能在瞬间熔断。 低压断路器又称自动开关或空气开关，是低压配电系统、电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器。它主要在低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对线路、电气设备及电动机等进行保护。空气开关不仅可以用来接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以不频繁的接通和分断短路电流。空气开关与接触器的区别在于：接触器能频繁地接通或分断电路，但不能分断短路电流，但空气开关不仅可以分断额定电流、一般故障电流，还能分断短路电流，但是单位时间内允许操作的次数较少。相序保护器是控制继电器的一种，能自动相序判别的保护继电器，保护一些特殊机电设备因为电源相序接反后倒转而导致事故或设备损坏。如电梯，如果电源在维修后相序出错 会导致事故的发生，必须在控制回路接入相序保护器，保证相序无误。三相电源依次接入保护器的U,V,W(或者R,S,T)三个接线点，相序保护器的辅助触点一般有一个常开一个常闭。接入控制回路中，具体接常开还是常闭根据控制原理或者接线图来接，当相序错误或者缺相的时候保护器的辅助触点动作常开变常闭，常闭变常开。相序保护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。3.4 I/O点分配及电气连接图表3.1为I/O符号表，根据I/O点数选CPU315 SM321的16位数字量输入模块6ES7 321-1BH50-0AA0和SM322的16位数字量输出模块6ES7 322-1BH01-0AA0。表3.1 I/O符号表 地址 符号显示格式 状态值 修改数值I 0.0 正向启动BOLLI 0.1 反向启动BOLLI 0.2 停止BOLLI 0.3 备用1BOLLI 0.4 正向应答BOLLI 0.5 反向应答BOLLI 0.6 备用2BOLLI 0.7 备用3BOLLI 1.0 星形应答BOLLI 1.1 三角形应答BOLLI 1.2 合闸应答BOLLI 1.3 断错相信号BOLLI 1.4 熔断信号BOLLI 1.5 过流信号BOLLI 1.6 过载信号BOLLI 1.7 超温信号BOLLQ 0.0 备用BOLLQ 0.1 正向运行BOLLQ 0.2 反向运行BOLLQ 0.3 星形运行BOLLQ 0.4 三角形运行BOLLQ 0.5 正向启动指示BOLLQ 0.6 反向启动指示BOLLQ 0.7 停止指示BOLLQ 1.0 星形运行指示BOLLQ 1.1 三角形运行指示BOLLQ 1.2 合闸应答信号BOLLQ 1.3 断错相指示BOLLQ 1.4 熔断指示BOLLQ 1.5 过流指示BOLLQ 1.6 过载指示BOLLQ 1.7 超温指示BOLLMB 3HEXM 0.0 停止信号BOLL西门子S7-300PLC的电源模块、CPU、信号模块及电源接线如图3.2所示。图3.2 PLC电源接线信号模块16位数字量输入端子连接如图3.3与3.4所示，I0.0、I0.1、I0.2分别为正向起动、反向起动和停止信号，I0.3、I0.6、I0.7作为备用，I0.4、I0.5分别是正向应答与反向应答信号，I1.0、I1.1分别是星形应答与三角形应答信号，这4个应答信号都是接触器的通断信号，是由起动信号输入程序执行后的输出信号控制的，如图3.5中间继电器的得电与失电控制接触器的得电与失电。图3.4中的合闸信号与故障信号对应图3.5中的合闸指示与故障报警指示。图3.3 数字量输入端子连接1图3.4 数字量输入端子连接2图3.5 数字量输出端子连接1图3.6 数字量输出端子连接23.5 系统工作原理电动机故障保护主电路如图3.8所示，本设计以三相异步电动机简单的正反转及星-三角降压启动控制为基础，主要针对电动机的短路、断相（错相）、过流、过载及超温故障的保护。空气开关QF1作为主电路的电源开关，熔断器FU主要用作电路的短路保护，但是如果电动机在启动或者运行过程中瞬时电流过大或者由于短路故障三相中只有一相的熔断器熔断的话，电动机仍可以在缺相的情况下运行，这样会烧坏电动机，因此电路需具有断相保护功能。相序保护器（GY）具有断相与错相保护功能，断相会烧坏电动机，如果错相同样会使电动机的正反转发生错乱造成事故，同时相序保护器还具有过压与欠压保护的能力。过电流继电器与热继电器FR分别作为电路的过流与过载保护，接触器KM1与KM2由于所接相序不同，可控制电动机的正反转，而KM3和KM4则分别对应电动机电动机的星形连接和三角形连接。电动机的温度保护则是利用温度表，在温度达到设定值时给PLC开关量信号，然后PLC执行温度保护程序。控制电路中继电器与接触器常开、常闭触点的连接如图3.7所示。SB1、SB2、SB3分别为电动机的正向、反向启动和停止按钮。按下SB1，PLC执行程序段1和程序段2，中间继电器KA1、KA3的线圈得电，中间继电器的常开触点闭合，接触器KM1和KM3的线圈得电，主触点闭合，正向应答与星形应答完成，此时电动机以星形方式运行，PLC执行程序段9，输出星形运行指示。程序段2中T1（SD）为定时线圈，延时10S后，中间继电器KA3线圈失电，常开触点恢复到断开状态，接触器KM3线圈失电主触点断开，同时中间继电器KA4得电，常开触点闭合，接触器KM4线圈得电主触点闭合，电动机由星形运行切换至三角形运行，PLC执行程序段10输出三角形运行指示，电动机在全压状态下运行，PLC执行程序段5输出正向运行指示。停止时按下停止按钮SB3，PLC执行程序段7和程序段8，则中间继电器线圈失电，常开触点断开，接触器线圈失电，主触点断开，电动机停止运行，PLC输出停止指示。反转时按下SB2，PLC执行程序段3和程序段4，中间继电器KA2、KA3的线圈得电，中间继电器的常开触点闭合，接触器KM2和KM3的线圈得电，主触点闭合反向应答与星形应答完成，此时电动机以星形方式运行，PLC执行程序段9，输出星形运行指示。程序段4中T2（SD）为定时线圈，延时10S后，中间继电器KA3线圈失电，常开触点恢复到断开状态，接触器KM3线圈失电主触点断开，接触器KM4线圈得电主触点闭合，电动机由星形运行切换至三角形运行，PLC执行程序段10输出三角形运行指示，电动机在全压状态下运行，PLC执行程序段6输出反向运行指示。当电路中发生故障时，相应的保护元件动作，切断电路，其连接在控制电路中的触点动作，并给PLC输入信号，PLC执行程序段17，程序段8和相应的故障指示程序段，使中间继电器线圈失电，接触器线圈失电，PLC输出相应的故障指示及停止指示。图3.7 三相异步电动机故障保护控制电路图3.8 三相异步电动机故障保护主电路4 系统软件设计4.1 STEP7概述S7-300PLC常用的编程软件是STEP7标准软件包，STEP7编程软件是一个用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包。STEP7标准软件包中提供一系列的应用工具，如：SIMATIC管理器、符号编辑器、硬件诊断、编程语言、硬件组态、网络组态等。STEP7编程软件可以对硬件和网络实现组态，具有简单、直观、便于修改等特点。为了适应用户程序设计的要求，STEP7为S7-300提供了三种程序设计的方法，或者说三种用户程序结构，即线性编程、分块编程和结构化编程。线性编程就是将整个用户程序都放在OBI（循环控制组织块）中，CPU循环扫描时一次不断循环顺序执行OBI中的全部指令；分块编程是将用户程序分割成一些相对独立的部分，每部分就是一个“控制分块”，每个块中包含一些指令，完成一定的功能；在为一个复杂的自动控制任务设计时，部分控制逻辑常常被重复使用，这是便可采用结构化编程方法来设计用户程序，编一些通用的指令块来控制那些相同或相似的功能，这些块就是功能块（FB）或功能（FC）。用S7-300的编程语言有：梯形图(LAD)，语句表(STL)和功能块图(FBD)。LAD是STEP7编程语言的图形表达方式。它的指令语法与一个继电器梯形逻辑图相似：当电信号通过各个触点复合元件以及输出线圈时，梯形图可以让你追踪电信号在电源示意线之间的流动。STL是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似，CPU执行程序时按每一条指令一步一步地执行。FBD是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。STEP7中提供的三种编程语言可以互相转换。4.2 STEP7块STEP 7可以将所有用户编写的程序以及程序块程序所需要的数据进行归档。由于能够在一个块内调用其他块（就像它们是子程序一样），可实现用户程序的结构化。这将大大提高PLC程序的组织透明性、可理解性和易维护性。提供以下类型的连接：组织块(OB)控制程序的执行。OB可独立于触发事件而被分为多个类别（例如，时间驱动、报警驱动）。这些类别具有各种优先级别。根据相应的优先级别，一个类别可将另一个类别中断。在启动一个OB时，将提供关于引发这次启动的事件的详细信息。此信息可在用户程序中进行分析。功能块(FB)中包含实际用户程序。功能块每次被调用时可被提供不同数据（所谓“实例”）。这些数据以及内部变量（例如，用于中间值）和结果存储在指定的实例数据块中，并由系统自动管理。在调用一个FB/SFB时，实例数据块（实例DB）被分配给该块。它们是在编译这些块时自动生成的。用户可从其用户程序中的任意点或从一个HMI系统过来访问这些数据（当然也可以是符号形式）。功能（FC）中包含经常使用的功能的例行程序。每个功能都有一个固定的功能值（除IEC标准外，还可具有多个初始参数）。调用之后，必须立即对输出参数进行处理。这样，功能就不需要任何实例数据块。数据块（DB）是用于存储用户数据的数据区域。除了在每种情况下分配给一个功能块的数据（实例数据）之外，还可定义全局数据，且全局数据可由任何软件模块（如用于配方的模块）使用。一个基本或结构化数据类型可被分配给一个数据块的组件。例如，基本数据类型为布尔(BOOL)、实型(REAL)或整型 (INTEGER)。结构化数据类型（字段与结构）包含基本数据类型（例如，一个配方）。数据块中的数据可以符号方式被寻址。这样就促进了编程，改善了程序的可读性。系统功能块(SFB)：集成到CPU操作系统中的功能块（参见上面），如 SEND、RECEIVE14、控制器。SFB的变量也归档在 IDB 中。系统功能(SFC)：集成在CPU操作系统中的功能（参见上面），如时间功能、块传输。系统数据块(SDB)：用于CPU操作系统的数据，包含了系统设置，如模块参数。4.3 符号编辑器及硬件组态通过Symbol Editor工具，可对所有全局变量进行管理（与在对块进行编程时声明的局部形式参数不同）。具有下列功能：针对过程信号（输入/输出）、标志和块定义符号名称和备注、分类功能、方便同其它基于Windows的系统进行数据交换。使用此工具时生成的符号表可供所有应用程序使用。因此，对一个符号参数进行的更改将由所有工具自动识别。Hardware Configuration15工具用于对自动化项目中所使用的硬件进行组态和参数化。具有下列功能：自动化系统的组态：从一个电子产品目录中选择机架，并将所选模块分配给机架中的插槽。分布式I/O的组态方式与非分布式I/O的组态方式相同，还支持按通道分配I/O模块。CPU参数分配：重启特性和循环时间监视等属性可通过菜单来设定。支持多重计算。输入的数据归档于CPU中的系统数据块中。模块参数分配：用户可在输入屏幕上指定模块的所有可调参数。无需通过DIP开关进行调节。硬件模块的参数化是在CPU启动过程中自动完成的。这样，不用进行另外的参数化即可更换一个模块。功能模块(FM)和通讯处理器(CP)参数分配：这种参数化还可在硬件组态内以与其他模块参数化相同的方式完成。对于这种参数化，针对每个FM和CP提供了硬件模块相关屏幕与规则（包含于FM/CP功能包中）。系统通过在参数分配屏幕上仅提供允许的输入选项来防止错误输入。4.4 编程语言梯形图(LAD)、功能块图(FBD)和指令表(IL)等使用成熟的编程语言可用于编程。符合DIN EN 6.1131-3的程序可在传统PLC编程语言梯形图(LAD)和功能块图(FBD)中创建。用户友好的像素图形LAD和FBD编辑器为编程人员提供以下支持：简便、直观的操作：梯形图/功能块图的创建具有人们已熟悉的PC用户友好性的特点，如拖放、剪切、粘贴。预定义复杂功能（如PID控制器）或用户相关标准解决方案的库：通过语句表(STL)文本化编程语言，用户可以创建运行时间和存储位置都得到优化且“与硬件切近”的程序。在创建这些程序时，编程人员得到以下用户友好编程功能的支持。增量模式或自由文本模式输入选项：用户可以“增量”方式立即检查每个输入是否正确，或者在一个文本编辑器中创建整个程序，然后再通过适宜的符号表将其转换。以过载故障保护为例，图4.1为过载保护程序流程图：PLC上电，初始化，经系统自诊断后，当接收到外部输入的启动信号后PLC执行启动程序段，然后控制执行电器接通电路，若没有出现过载故障电动机正常运行，若电动机过载则PLC接收过载信号，控制执行电器切断电路，并给出故障报警指示。4.1 程序流程图为过载指示程序段如图4.2所示:当电动机发生过载时执行程序段15，过载报警指示灯亮。图4.2 过载指示图4.3和图4.4为故障当PLC获得过载信号时先后执行程序段17和程序段7电动机停止运转。同时执行程序段8，输出停止指示,如图4.5。图4.3 故障停止信号图4.4 故障停止图4.5 故障停止指示5 系统仿真与调试使用STEP7仿真软件对程序进行仿真调试，步骤如下：打开软件，然后打开项目/库，选择目标文件点击确定。在所建项目中找到程序的块，从中打开编程界面和变量表，然后在窗口的图标中找到仿真器图标并打开。根据I/O设置建立相应的输入输出位逻辑变量表，在编程界面点击下载图标后即可对程序进行监视。手动输入相应的信号，然后观察程序段及变量表的变化。STEP7的界面如图5.1所示,此界面可以打开编程界面、I/O符号编辑,打开或关闭仿真器。图5.1 STEP7界面以过载保护的仿真过程为例：首先输入启动信号如图5.2所示，待电动机正常运转时，输入过载信号则电动机停止运转，PLC执行图5.3与图5.4和图5.5所示程序段，输出停止信号及过载报警信号。图5.2 输入过载信号图5.3 停止信号图5.4 电动机停止运行图5.5 停止指示结 论本设计已经实现了对文中所列出的电动机的常见故障的保护，在做PLC程序仿真过程中曾出现过几个小的错误，后经改正，程序正常运行。由于一些原因，不能把电动机所有的故障保护都写出，而且缺乏实际的操作经验，只有理论是远