西门子成都PLC模块总代理商

 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。

    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  基于PLC的电动机综合保护 

    对电动机的保护可以分为以下几类:

    在电动机发生故障时，为了保护电动机，减轻故障的损坏程度，继电保护装置的快速性和可靠性十分重要。在单机容量日益增大的情况下，电机的额定电流可达数千甚至几万安，这就给电动机的继电保护提出了更高的要求。传统的继电保护装置已经无法满足要求，因此微机保护应运而生。 

    PLC是用来取代传统的继电器控制的，与之相比，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、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。因此，本文研究了基于可编程控制器（PLC）的电动机综合监控和保护系统的方法。 

    3  系统硬件设计 

    3.1 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。 

    3.2 PLC机型选择及扩展

    选择PLC机型应考虑两个问题:

    （1） PLC的容量应为多大？

    （2） 选择什么公司的PLC及外设。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。 

    SIMATIC S7-200系列PLC是由西门子公司生产的小型PLC，其特点是:SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测，监测及控制的自动化，S7-200系列的强大功能使得其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

    S7-200 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点,可连接7个扩展模块，大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点;13K字节程序和数据存储空间;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;1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力;I/O端子排可以很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU 224完全可以作为本系统的主机。

    CPU224可扩展7个模块，而其本身具有14输入/10输出共24点数字量，因此已无须数字量扩展模块。但由于有7路模拟量输入，故需选择模拟量输入模块。S7-200系列提供了EM231，EM232，EM235等模拟量扩展模块。根据以上技术数据，选择两个EM231作为模拟量输入模块，这样共可以扩展4×2=8路模拟量输入。 

    4  系统软件设计 

    4.1 主程序

    程序开始，从输入单元检测输入量，首先判断KM是否闭合，如果闭合，说明电动机已经处于运行状态，此时应无法按下启动按钮，若KM未曾闭合，则说明电动机处于停机状态，可以按启动按钮。接着判断启动按钮是否按下，若是，则继续下面的程序，若否，则重新检测。如果按钮已经按下，则检测电动机是否启动，若是，则继续下面的程序，若否，则转入欠压保护子程序，若是电动机已经启动，则判断起动是否成功，若是，则继续下面的程序，若否，则转入起动保护。如果电动机已经正常起动，则绿灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则程序直接结束，开始下一次扫描。

    如果停止按钮并未按下，即电动机仍然在运行中，则进行运行过程中的故障判断，首先检测是否发生短路故障，方法是:检测三相电流，再判断Imax是否大于整定值，若是则跳转至保护动作子程序段，电动机起动短路保护，警报响，并且短路故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生断相故障，方法是:检测三相电流，判断是否有某相电流为零，或者检测Umn，判断是否不为零，如果其中之一满足，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报响，并且断相故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。接着判断是否发生欠压故障，方法参见欠压保护子程序说明。接着判断是否发生接地故障，方法是:检测 I0，若大于整定值则跳转至保护动作子程序段，电动机起动接地保护，警报响，并且接地故障指示灯亮。接着判断是否发生过负荷故障，方法是:检测三相电流，若到达整定时限后，电流仍大于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动过负荷保护，警报响，并且过负荷故障指示灯亮。若判断未发生过负荷故障，则程序完成一次扫描，再次从条开始，进行第二次扫描，所以结束是指一个循环的结束，并不是整个程序的结束。

    4.2 欠压保护子程序

    在该程序段中，采集A相和C相的电压量，求出其平均值，再与整定值相比较，若小于整定值，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动欠压保护，警报响，并且欠压故障指示灯亮。若未发生欠压故障，则直接结束本次循环。

    4.3 起动时间过长保护子程序

    在该程序段中，采集三相电流量，若发现在起动过程中，电流大于整定值，或在整定时间到达后，电流仍大于另一整定值，则跳转至保护动作子程序段，起动时间过长保护动作，警报响，并且起动故障指示灯亮。 

    5  结束语 

    通过本系统设计、试验与运行，得到如下结论:

    （1） 利用PLC进行电动机综合保护硬件简单可靠。

    （2） 可以采用梯形图语言进行编程，简单易行。

    （3） 系统运行可靠，便于检修维护。

    （4） 由于采用集成综合设计，系统体积小、功耗低、使用操作方便。 

    (1)  I/O扩展结构
    PLC的硬件结构因其系统规模和特点不同可有多种结构形式。有整体形非总线结构和总线形组件结构两大类。中大型系统一般均采用组件结构，而微型以及部分小型PLC则趋向于整体形非总线结构。
    ①  整体形非总线结构  80年代，PLC的结构多为组件式，由CPU、I/O及备用模块等组合而成。现在的小型、微型PLC结构则趋向于将CPU、存储器与I/O做成一体形结构，整体做成平板薄形，以追求低价格和便于安装。这种结构的PLC往往采用非总线结构，追求低价格和小型化，其安装方法也与过去不同，大多安装到配电盘或机械之中，有的不用外壳，作成插件，以降低售价。
    ②  总线形结构　大，中型以及一部分小型PLC通常采用总线形方式，可视用户要求进行组合以满足不同要求，如图1、图2所示这种总线结构有多种形式，有采用微机总线，例如VME总线，PC总线，或开发商的总线，例如Siemens公司的S5总线等，PLC的I/O总线扩展可以有多种结构方式

   (2)　常用I/O接口及典型技术参数
    通常的PLC I/O接口分模拟量I/O和开关量（包括数字量）I/O两大类，每一类又区分为输入接口和输出接口。对于大、中、小型PLC，其I/O接口往往采用组件（即模板）式进行组合。典型模板有：
    ①  直流开关量输入模板　这是比较常用的输入模板，模板的规格是每一块模板带16点或32点输入。输入器件的形式可以是接近开关、按钮、选择开关、继电器触点等。输入电源由PLC内部或外部提供，典型值为24VDC。
    ②  直流开关量输出模板　直流输出接口模板也是经常使用的，它由大功率晶体管作为输出驱动级，与PLC之间有光电隔离，可以带的负载有电动机启动器、继电器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。
    ③  交流开关量输入模板　交流输入模板与直流输入模板一样，板上有8路或16路输入，用户提供输入器件的形式可以是按钮、选择开关、继电器触点等。每个这样的电路，使用独立的交流电源，电源由外部提供，典型值为120V或230VAC。
    ④  交流输出模板　交流输出模板可以直接用来驱动交流接触器线圈、电动机启动器、交流气动阀或液压阀等。
    ⑤  继电器输出模板　在开关量I/O中有一种的输出模板就是继电器输出模板，其输出的形式是继电器的触点，既可用来带动直流负载（直流中间继电器线圈、直流电磁阀等）又可带动交流负载（交流接触器线圈、交流气动阀等），而且输入与输出之间是电隔离的，负载电压的类型可以广泛变化（DC24V，AC120V，AC230V）。由于有这些灵活性，因此应用十分广泛。Siemens公司S7-300的6ES7 322-1HF20-0AA0继电器输出模板的技术指标如下所示。
    输出点数：8个继电器触点输出；
    光电隔离：与背板总线之间采用光电隔离；
    触点允许连续电流：5A；
    继电器类型：SIEMENS  V23127-D0006-A402；
    触点通断能力：
    电阻负载 交流250V大5A，
    电感负载 大5A；
    允许操作次数:交流230V 5A，0.1×106次；交流24V 5A， 0.1×106次；
    开关频率：大10Hz；
    允许环境温度：水平安装0~60℃，垂直安装0~40℃；
    电缆长度：大600m（1 980ft）非屏蔽电缆，大1 000m（3 300ft）屏蔽电缆；
    对继电器的供电电压：正常值DC24V，允许范围20~30V；
    电流消耗：从背板总线供电，典型45mA；从＋24V供电，典型145mA；
    模板消耗功率：2.46 W。
    ⑥  模拟量输入模板　模拟量输入模板的功能是将来自过程的模拟量信号转换成PLC的CPU能够处理的数字量信号。由于过程的模拟量类型很多，例如温度、压力、流量、电动机的电流等，所以相适应的模拟量输入模板的类型也很多。常用的有±50mV，±1V，±10V，0~5V，±20mA，4~20mA，热电耦和Pt100（铂电阻输入）。Siemens公司S7-300的6ES7 331-7KF02-0AB0模拟量输入模板的技术指标如下所示。