文献综述
电气工程及其自动化
基于PLC的电机故障诊断系统设计
前言
对现代工业的远程监控、故障诊断技术是近几年来研究的热点。统计显示大多数的故障都是一般性故障，通常情况下故障诊断有两种方法：故障树方法和专家系统方法。故障树方法是利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，发现错误的输出对应地找到可能的输入错误。另外一种办法专家系统方法则是通过建立系统故障的知识库与推理机，计算机依据现场的数据依靠知识库和推理机进行深入的逻辑推理，最终找出相应的故障的原因。
PLC作为一种成熟稳定且可靠的控制器，现在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及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。
PLC是现在应用非常多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源以及其强大的功能指令，进行编制故障检测报警程序，不仅可以替代传统继电器能实现的相应功能，还可以提高工作可靠性以及其系统的灵活性。
PLC控制系统部分
PLC作为控制部分的主要结构，其设计主要包括模块的估算与选取、PLC的选取、系统框图的设计。下面围绕这三方面逐一介绍。
1、PLC的系统模块估算与选取。通常在PLC的系统设计时，应该详细地分析工艺过程的各个环节的特点和控制要求，和求性价比的PLC和设计相应的控制系统最后选择有较高性能价估算输入输出点数、所需存储器容量。估算好相应的模块之后，就要进行相应模块的选择。包括输入输出模块、存储器和电源的估算与选择。对I/O点数进行估算时应当充分考虑适当的余量，一般情况下是根据统计的输入输出点数，在其基础之上再增加10%～20%的可扩展余量，作为输入输出点
数实际估算数据来使用。在实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行调整，输入输出模块的选择应当充分考虑与应用要求的统一。存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元的大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在设计初期，因为用户得应用程序还未编制，所以，程序容量在设计初期是不能确定的，只有在程序调试之后才能知道。但为了在设计选型时能对程序容量有一定估算，一般情况下是采用对存储器容量的估算来替代。PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电.
2、PLC的选取。西门子系列的PLC主要有S7-200、S7-300、S7-400三种系列PLC。S7-200PLC是超小型PLC，它适用于各个行业、各种场合中的自动检测、监测与控制等。其强大的功能使其无论单机运行或是连成网络都能实现复杂的控制能力。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。S7-300PLC 系列是模块化的小型PLC系统，其能够满足中等性能要求的应用。各个单独的模块之间可进行各种不同组合相应地构成不同要求的系统。与S7-200 PLC相比较，S7-300 PLC采用的是模块化结构，其具有高速的指令运算速度；用浮点数进行运算能够有效地实现了更为复杂的逻辑运算；一个带有标准用户接口的PLC软件工具可以使用户对各个模块进行参数赋值更加方便；简便的人机界面服务直接集成在S7-300的操作系统之内，人机对话的编程要求大为减少。SIMATIC人机界面从S7-300中获取数据，S7-300可以按照用户指定的更新速度传输这些数据。S7-300操作系统能够自主的处理数据的传输；CPU诊断系统能够智能化的诊断系统中连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户安全、有效地保护其技术机密，防止未经许可的复制和修改；S7-300 PLC同时还设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可达到了防止非法删除或改写用户程序的行为发生。同时其还具备有强大的通信功能，S7-300 PLC还可以通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常方便简单和容易。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器
来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。S7-400PLC是适用于中高档性能范围的可编程序控制器。它采用的是模块化无风扇的设计，其优点是可靠耐用，同时可以还选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，按照需求可配备多种通用功能的模板，这可以使用户能依据自身需求组合成不同的专用系统。当控制系统的规模需要扩大或者升级时，只需要适当地增加一些需求模板，便可以使系统升级和充分满足需要。
电机故障诊断系统
电机的结构同时包含电气和机械两部分，或者也可以说是电气和机械的结合点。所以说，对电机故障的分析要一分为二。对电机的振动故障原因也要分成两部分。通常来说，电机振动的原因主要是是由于转动部分不平衡、机械故障或电磁方面。
引起转动部分不平衡的因素主要包括转子、耦合器、联轴器、传动轮（制动轮）不平衡等几方面因素。机械部分故障主要可以分为以下四个方面。联动部位的轴系不对中，中心线也不重叠，不能够正确定心；与电机相联的齿轮、联轴器有毛病；电机自身存在着结构缺陷和安装问题；电机拖动的负载传导振动。电磁方面原因造成的故障类型主要有：交流电机定子接线错误，绕线型异步电动机转子绕组短路，同步电动机励绕组匝间短路，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。
在进行故障诊断设计时，首先必须对整个系统可能会发生的故障进行分析，得到系统的故障层次结构，利用这种层次结构进行故障诊断部分的设计。
系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个合理的层次模型结构。在进行系统的PLC梯形图程序设计时，应当充分考虑到故障的层次结构，合理安排逻辑流程。在故障输入点的引入时应该必须将系统全部可能引起故障的检测点都能够引入到PLC，以方便系统能及时进行故障处理；同时应当在系统条件允许的情况下尽可能多的将最底层最低级的故障输入信息引入到PLC的程序中，以便得到更多的故障检测信息，这样能够更好地为系统的故障自诊断提供服务。其诊断过称
包括故障点的记录、多次故障事件的记录、模拟量故障的诊断、各种故障信息的串行通信。
系统故障结构的层次性为故障诊断提供了一个清晰的层次模型，可以利用基于模型的故障树法。但是在进行比较详尽的故障诊断以及系统故障存在耦合时，仅仅用故障树法是不够的，还必须要借鉴专家系统的方法。
小结
本文介绍了国内电机故障诊断系统的发展状况和存在的问题，介绍了故障诊断方法。从控制规模、结构形式和功能三方面对PLC进行了分类，以及部分系统模块和模块的估算和选择。其工作原理是当准备开机时，按下开机按钮后，首先检测的是断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机则无法启动，并且进行声光报警。如果断路器的初始状态为断开，则断路器合闸，电机并开始启动。在启动过程中，若发生一级故障，PLC则会进行相应的保护动作。待启动成功之后，“电机开/关指示灯”保持明亮，电机保持正常运行状态。在点击正常运行过程中，PLC会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则会进行相应保护动作。关机时，PLC接到关机命令之后，断路器首先跳闸，“电机开/关机指示灯”熄灭。故障声光报警之后，按“报警复位按钮”复位即可复位。要求故障诊断原理构造的PLC故障诊断控制系统，从它的实际运行情况来看，故障诊断系统可以准确并迅速地判断出故障的原因，可以使运行人员很方便维护和检修，大大提高了控制系统的稳定性和智能化水平。这种设计对类似的工业控制系统提供了一定的参考。
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