毕业设计（论文）基于PLC的电动机故障保护系统设计

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1、 目 录摘要31.引言42 电动机保护装置的各种保护原理及故障判据42.1 电动机保护装置常见保护形式42.2 矿用隔爆三相异步电动机的故障保护52.2.1 过载保护52.2.2 短路故障分析及保护判据1562.2.3 单相接地故障分析及保护判据62.2.4 欠压和过压故障分析及保护判据171872.2.5 矿用电动机的其他保护73 微机保护的数据采集83.1 保护装置的数据采集电路83.1.1 电压形成回路83.1.2 采样电路94 PLC的选取与系统硬件设计94.1系统的总体结构94.2PLC的选型与硬件配置104.2.1PLC型号的选择104.2.1 S7-200 CPU的选择114.2

2、.2 EM231模拟量输入模块114.2.3 I/O点分配及电气连接图134.3 JL-400缺相继电器144.4 热继电器175 保护装置的软件设计195.1 PLC程序设计方法205.2 梯形图语言特点225.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置）235.4 程序设计245.4.2控制程序流程图266 控制电路的抗干扰设计296. 1 电源设计296. 2 信号滤波306. 3 开关量输出隔离306. 4 地线设置306. 5 印刷电路板布线306. 6 元器件的选择316. 7 其他317 结束语31致 谢32参考文献33附录：1A1掘进机电控系统1A2掘进机综合保护装置

3、实物图3A3人机接口模件实物图4摘要 本文介绍了国内电机故障诊断系统设计，以及存在问题，同时介绍了可编程控制器的工作原理，选型依据。设计了一种基于PLC电机故障诊断系统设计，详细介绍了所选用的西门子S7-200 PLC以及同类型的S7-300 S7-400PLC，根据设计要求对PLC的输入输出I/O进行了分配，并且编写系统运行的梯形图。准备开机时，按下开机按钮后，首先检测断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机无法启动，并且声光报警。如果断路器初始状态为断开，断路器合闸，电机开始启动。在启动过程中，若发生一级故障，PLC进行相应的保护动作。启动完成后，“电机开/关指示灯”亮，电机正常运行。运

4、行过程中，PLC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进行相应保护动作。关机时，PLC接到关机命令后，断路器跳闸，“电机开/关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。关键词： 故障诊断 PLC 电机 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。PLC作为一种成熟稳定可靠的

5、控制器，目前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。 故障诊断一般有两种途径:故障树方法和专家系统方法。故障树方法利用系统的故障逻辑结构进行逻辑推理，由错误的输出找到可能的输入错误。这种方法比较适用于系统结构相对简单，各部分耦合少的情况。专家系统方法通过建立系统故障的知识库与推理机，计算机借助现场的数据利用知识库和推理机进行深入的逻辑推理，找出

6、故障原因。这种方法适用于系统结构复杂，各部分耦合强的大型工业系统。PLC是现在应用较多的一种控制装置，利用PLC丰富的内部资源及强大的功能指令，编制故障检测报警程序，不仅可以替代继电器实现相应功能，还可以提高工作可靠性及其系统的灵活性。2 电动机保护装置的各种保护原理及故障判据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最常见的一类故障。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

7、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。2.1 电动机保护装置常见保护形式掘进机的综合保护主要是对电动机的保护，矿用隔爆型三相异步电动机是掘进机电气系统的主要组成部分，它与液压系统配合操作，可自如的实现整机的各种生产作业。作为电气主设备，电动机的运行正常与否，直接关系整机的性能，所以要高度重视，除了对电机的保护外，掘进机还有很多极其重要的保护形式。现对掘进机常见故障和矿井下的实际需要投入的主要的保护形式介绍如下：1. 低压线路漏电保护：当AC220V、AC120V、AC24V低压线路对地绝缘降低到规定值时保护动作，显示220V漏电、120V漏电或24V

8、漏电。(参考值AC220V为5K，AC120V为3K，AC24V为2K)2. 电机温度保护：由于冷却系统故障或环境温度过高，油泵和截割电机绕组温度达到155时，埋在电机定子绕组中的温度继电器动作，保护装置通过程序控制油泵或截割电机停止运转，电机冷却后自动复位。对应热敏电阻阻值为1.8K2K。 3. 对称故障保护：对称故障主要有对称过载、堵转、对称稳态短路等，这类故障对电动机的损害主要是由于电流增大所引起的热效应和机械应力，使绕组发热甚至损坏。 4. 不对称故障保护：电动机的不对称故障主要有断相、相间短路、匝间短路、不平衡运行、接地短路等。不对称故障对电动机的损害不仅仅是电流增加引起的发热，更重

9、要的是不对称引起负序效应给电动机运行带来的隐患。因此，电动机运行缺陷的早期诊断是非常重要的3031 。2.2 矿用隔爆三相异步电动机的故障保护由于矿井下工作环境比较恶劣，电动机发生故障的几率也比较大，针对这种情况和用户的实际需要投入了以下几种保护：过载保护、短路保护、负序过流保护、单相接地保护、欠电压和过电压保护等保护形式。下面对几种主要保护的原理和实现方法分别加以详细的阐述。2.2.1 过载保护由于负载转矩过大，电动机转速下降以提高电磁转矩，电机定子电流超过额定电流，导致电动机过载，如果持续时间过长，将导致电动机过热而被烧坏。但是如果是短时过载，电动机积累的热量能够及时散发，根据过载程度的不

10、同，电动机过载运行是可以保持一段不同的时间。过载保护按照反时限特性动作。2.2.2 短路故障分析及保护判据15由于电动机在起动过程中，起动电流很大，可以达到额定电流的7倍以上。为了保证在起动过程中保护可靠的不动作，整定值在起动和运行过程中采用了不同的算法。a. 异步电动机起动过程中的速断保护：欲使电动机能满载地起动，要求必须大于电动机满载起动电流，即： (2-20)式中：保证电动机满载启动系数，取1.21.4。 电动机起动电流系数，一般取47。 电动机的额定线电流。b. 异步电动机运行中的速断保护在电动机运行过程中，的整定可不必考虑要躲过电动机的起动电流，短路保护可以按电动机的额定电流的倍数整

11、定，即： (2-21)式中的值一般取为8-10，这样可以保证三相异步电动机在起动结束后的运行过程中不会频繁跳闸，保证掘进机的正常工作。2.2.3 单相接地故障分析及保护判据在变压器中性点不接地的矿井下的供电系统中，当一相(如A相)发生直接接地故障，便有单相接地电流在接地点流过，并经其它两相的绝缘电阻和电容流回电源。此时，A相导线对地电压为零，B、C两相对地变成了线电压。但电源线电压仍然平衡，并不影响负荷继续工作。不过，从矿井的安全出发，为了防止瓦斯煤尘爆炸，要求立即切断供电电源。由于三相电网对地电压不再平衡，三相电压之和不为零，因而出现了零序电压和零序电流。由于我国矿井下大中型电动机一般采用小

12、电流接地方式，当发生一点接地时，故障电流很小。在中性点非直接接地电网中的高压电动机，当容量小于2MW，而接地电容电流大于10A；或容量等于2MW及以上，而接地电容电流大于5A时，应装设接地保护。提高接地保护的灵敏度，可采用一次零序电流互感器检测零序电流，其电流按大于被保护回路的电容电流整定，即：(2-24)式中： 可靠系数，取45； 当外部发生接地故障时，过流被保护回路的最大接地电容电流。2.2.4 欠压和过压故障分析及保护判据1718根据三相异步电动机的电磁转矩公式可知，电动机的电磁转矩与电网供电电压有关。当电网电压上下波动时，电动机的电磁转矩相应发生变化，进而影响到定子电流的变化，从而影响

13、到电动机正常运行，所以必须有欠电压和过电压保护。a. 欠压保护当电源电压由于某种原因降低到额定电压75或长时间低于额定电压85时，称为系统欠电压。电动机的转矩和定子电流与电压密切相关，在电网电压降低，电磁转矩下降时，电动机转速也下降，因此转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流都将增大。转子电流增大，定子电流必然相应增大，温升增高，致使电动机过热甚至烧坏，严重时还会造成堵转。因此，电动机应有欠压保护，以保证一旦发生欠压故障它就能够自行脱离电源。欠压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均低于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。b. 过压保护当电源电压由于某种原因超过额定

14、电压15时,称为系统过电压。过电压通常是由电网电压波动造成的，当然有时也是伴随其它故障而产生的，如果负载星形连接且无中性线的电动机定子绕组一相短路，则会造成其它两相负载的电压增大。电动机在过电压状态下运行，容易对电动机的绝缘造成破坏，从而缩短电动机使用寿命，因此电动机应装设过电压保护。过压保护的整定原则是：若在一定时限内采样到的线电压有效值均高于保护整定值，则认为有故障产生，应进行断电保护。2.2.5 矿用电动机的其他保护矿用电动机的其他保护还包括起动超时保护、频繁起动保护、超温保护、漏电闭锁保护等。 a. 起动超时保护：对于直接起动的电动机，刚起动时，起动电流比较大，经过一段时间，电流将下降

15、到额定电流或以下的水平。起动超时保护设定了一个稍大于额定电流的动作值，它在电动机起动时投入，经过适当的延时(延时时间可设定)，检测线路的电流，并与动作值比较，如果仍然大于动作值，则起动超时保护动作，可作为短路保护的后备保护。b. 频繁起动保护：起动过于频繁将使电动机绕组长时间流过数倍于额定电流的起动电流。由于热积累效应，会导致电动机过热，使绕组绝缘加速老化，甚至烧坏电机。频繁起动保护主要用于限制电动机在一定时间内的起动次数，它可以根据电机的负载情况和散热条件来整定允许起动的次数。电动机第一次起动时就开始计时并记录电动机起动次数，如果电动机起动次数达到整定值，而计时未结束，电动机将被闭锁，直到计

16、时结束才能再次起动电动机，并重新计时和记录起动次数。c. 超温保护：超温保护是通过电动机内部安装的温度传感器直接对绕组温度进行测量，当温度达到整定的阈值时分断电动机线路，并报警。温度阈值可以整定。这种保护方式适合用于井下散热条件极差的大容量电动机，防止电动机在额定负载情况下长时间积热而烧坏。详细的电路和算法将在第4章硬件的温度检测模块部分进行详细介绍。d. 漏电闭锁保护：采用附加直流电源检测回路绝缘电阻的阻值的保护原理，漏电闭锁保护将在第4章硬件的粘连漏电检测模块部分进行详细介绍。3 微机保护的数据采集掘进机综合保护装置采集的信号分为数字量和模拟量信号两类。其中数字量信号包括断路器、隔离开关等

17、设备的辅助接点以及其他继电器接点的开关量信号，或者来自别的微机保护或数字设备的数字量信号。这些信号经过干扰隔离环节，由输入、输出接口和保护装置相连。而当被采集的物理量是连续的模拟信号时，必须依据采样定理对模拟信号进行离散化，以保证原始数据不失真。模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数转换，以便与CPU接口，完成数据采集任务，因此这部分电路又称数据采集电路。数据采集电路内部参与运算的信号是二进制的离散数字信号，模拟量输入电路是综合保护装置中很重要的电路。保护装置的动作速度和测量精确度等性能都与该电路有关。3.1 保护装置的数据采集电路3.1.1 电压形成回路综合保护装置要从被保护

18、的线路或设备上的电流互感器、电压互感器或其他电压变送设备上取得信息，通常根据模数转换器输入范围的要求，将互感器的二次侧数值变换为420mA的电流信号或15V范围内的电压信号，对于电流信号可以采用串联一定阻值的电阻的方法变换为相应的电压信号。在互感器的选择上有铁芯电流互感器和空芯电流互感器。其中铁芯电流互感器受其铁磁性能的影响，即使在设计时确定的工作很理想，在小电流时测量线性度很好，但在大电流时铁芯易于饱和，线性度差，测量范围小。采用空芯电流互感器准确度高线性误差在1以内，测量范围广绝缘水平高，用于高压大电流电动机具有明显的优点，但是在小电流时，信号较小测量误差大。转换信号不失真这点对微机保护是

19、很重要的，因为只有在这种条件下作精确的运算或定量的分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量等，在微机保护中，根据实际需要可以容易地通过软件来实现。3.1.2 采样电路采样电路由传感器、电压调理电路和A/D转换部分组成。电动机的电流、电压信号用电流传感器和电压变送器拾取，进行适当的放大和调理后送入单片机内部集成的A/D转换模块的模拟输入口。列如要检测截割电机的三相电流信号，因截割电机的额定电流比较大，选用时要考虑过流的影响，所以应选用通过电流较大的电流传感器，一般选CT30-1400A/5V型电流传感器检测电流信号，如要检测系统电压，因系统电压额定为1140V，选用时考虑过压等因素，所以一般采用

20、CSP2-1500Va.c/5V型交流电压变送器检测系统电压。电压调理电路包括跟随、比例调整和硬件滤波三部分，作用是为了保证电机在额定电流以及当电机启动和过载时出现过电流情况下的检测精度(l%)，模块硬件结构如图3-1所示。图3-1 模拟信号处理硬件流程图Fig3-1 Analog signal processing hardware flow chart4 PLC的选取与系统硬件设计4.1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。如下图，准备开机时，按下开机按钮后，首先检测断路器状态，如果断路器初始状态为闭合，电机无法启动，并且声光报警。如果断路

21、器初始状态为断开，断路器合闸，电机开始启动。在启动过程中，若发生一级故障，PLC进行相应的保护动作。启动完成后，“电机开/关指示灯”亮，电机正常运行。运行过程中，PLC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进行相应保护动作。关机时，PLC接到关机命令后，断路器跳闸，“电机开/关机指示灯”灭。故障声光报警后，按“报警复位按钮”复位。如下图所示。4.2PLC的选型与硬件配置4.2.1PLC型号的选择本温度控制系统选择德国西门子公司的S7-200系列的PLC。S7-200 PLC属于小型整体式的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源

22、和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统10。完整的S7-200系列PLC实物如图3-2所示。图3-2 S7-200系列PLC实物图4.2.1 S7-200 CPU的选择S7-200系列的PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等类型。此系统选用S7-200 CPU226，CPU226集成了24点输入/16点输出，共有40个数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至248点数字量或35点模拟量I/O

23、。还有13KB程序和数据存储空间空间，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。配有2个RS485通讯口，具有PPI，MPI和自由方式通讯能力，波特率最高为38.4 kbit/s，可用于较高要求的中小型控制系统11。 本温度控制系统由于输入/输出点数不多，本可以使用CPU224以下的类型，不过为了能调用编程软件STEP 7 里的PID模块，只能采用CPU226及以上机种。4.2.2 EM231模拟量输入模块本温度控制系统中，传感器将检测到的温度转换成041mv的电压信号，系统需要配置模拟量输入模块把电压信号转换成数字信号再送入PLC中进行处理。在这里，

24、我们选用了西门子EM231 4TC模拟量输入模块。EM231热电偶模块提供一个方便的，隔离的接口，用于七种热电偶类型：J、K、E、N、S、T和R型，它也允许连接微小的模拟量信号(80mV范围)，所有连到模块上的热电偶必须是相同类型，且最好使用带屏蔽的热电偶传感器。EM231模块需要用户通过DIP开关进行组态： SW1SW3用于选择热电偶类型，SW4没有使用，SW5用于选择断线检测方向，SW6用于选择是否进行断线检测，SW7用于选择测量单位，SW8用于选择是否进行冷端补偿。本系统用的是K型热电偶，所以DIP开关SW1SW8组态为00100000；EM231具体技术指标见表3-1。表3-1 EM2

25、31技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性 外形尺寸：71.2mm80mm62mm 功耗：3W输入特性本机输入：4路模拟量输入电源电压：标准DC 24V/4mA输入类型：010V，05V，5V,2.5V,020mA分辨率：12 Bit转换速度：250S隔离：有耗电从CPU的DC 5V （I/O总线）耗电10mADIP开关SW1 0, SW2 0, SW3 1（以K型热电偶为例）表3-2所示为如何使用DIP开关设置EM231模块，开关1、2和3可选择模拟量输入范围。所有的输入设置成相同的模拟量输入范围。表中，ON为接通，OFF为断开。表3-2 EM231选择模拟量输入范围的开关表单极性满量

26、程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV0到20mA5uA双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mVONOFF2.5V1.25mVEM231校准和配置位置图如图3-3所示。图3-3 DIP配置EM2314.2.3 I/O点分配及电气连接图1）该控制系统中I/O点分配表如表3-4所示。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。表3-4 I/O点分配表输入触点功能说明输出触点功能说明IO.1启动按钮Q0.0运行指示灯（绿）I0.2停止按钮Q0.1停止指示灯（红）Q0.3固态继电器2

27、)系统整体设计方案及硬件连接图。 图3-4 系统框架图4.3 JL-400缺相继电器JL-400缺相继电器是一种多功能三相电源系统或三相用电设备的监测和保护仪器。集三相电压显示、过电压保护、欠电压保护、缺相保护（断相保护）、电压不平衡保护、相序保护（错相保护）于一体，采用功能强大的微处理器芯片和非易失存储技术，显示采用高清晰超宽温中文液晶，具有功能齐全，性能稳定，显示直观、操作简便的特点。JL-400缺相继电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

28、用。JL-400缺相继电器电压不平衡保护动作时间曲线图：A 电压不平衡度三相电压中最大相的电压三相电压中最小相的电压图：JL-400缺相继电器电压不平衡保护的时间特性曲线JL-400缺相继电器主要性能指标JL-400缺相继电器输入电源L1/L2/L3/N 电源电压范围相电压150 - 300V AC, 线电压250500V AC 45-65HZ 电压测量范围相电压150 - 300V AC缺相保护功能有相序保护功能有过电压保护功能有欠电压保护功能有不平衡保护功能有显示超宽温中文液晶显示输出形式独立的常开、常闭输出输出负载能力电阻性负载: 5A/250V AC, 5A/30V DC电感性负载:

29、1.5A/250V AC, 1.5A/30V DC输出触点机械寿命100,000次额定消耗功率3VA电气隔离强度2000VAC, 脉冲耐电压 2.5KV(1.2/50us)测量误差满刻度时小于0.5%安全防护等级IP20外壳尺寸45 mm x53 mm x64 mm工作环境温度-2565,湿度 SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 4.0菜单命令。如图4-1所示，STEP 7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7-Micro/WIN的不

30、同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换15。STEP 7-Micro/WIN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（LAD）编程语言。下面详细介绍梯形图

31、的特点。图4-1 编程软件STEP7-Micro/WIN主界面5.2 梯形图语言特点 梯形图是使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种

32、程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检

33、查16。5.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置） 本项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。 （1）在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图4-2所示）。 图4-2 通信参数设置（2）在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置PG/PC接口”也行。如图4-3所示。图4-3 PG/PC接口对话框（3）单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否

34、正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps（如图4-4所示）。图4-4 通信参数设置5.4 程序设计5.4.1 设计思路程序开始，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，

35、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

36、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，再次从第一条开始，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。1）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

37、发生欠压故障，则直接结束本次循环。2）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。5.4.2控制程序流程图6 控制电路的抗干扰设计综合保护装置是掘进机电气系统上的受干扰设备，必须对电路板上的元件布置、布线、电源配置等进行合理设计，尽可能地阻断干扰耦合通道，降低电子控制电路的电磁敏感性，可以从硬件和软件两方面采取抗干扰措施。6. 1 电源设计在每块电路板的电源输入端跨接一个10100的电解电容和一个0.010.1的瓷片电容，用于滤除供

38、电电流中的脉冲成分和高次谐波。所有芯片的+5V电源和地之间并接一个0.1F的去耦电容和一个瞬态抑制二极管(又称TVS管)SA5.0A。去耦电容将可以进一步消除由电源线窜入的干扰通过耦合方式影响PCB板的其他信号线；瞬态抑制二极管可以有效抑制由静电放电引起的瞬变脉冲干扰或其他原因引起的瞬间过电压，有效防止集成电路的高压击穿。6. 2 信号滤波在直流信号输入通道中加入前置模拟低通滤波器，从而可以减少直流信号中叠加的高频分量信号的干扰。从抗干扰的角度考虑，RC滤波器较LC滤波器好，因RC滤波器是耗散式滤波器，它将噪声能量变成热能耗散掉了，而LC滤波器则会产生附加的磁场干扰，所以电感要加屏蔽罩。本系统

39、采用的是RC滤波器。6. 3 开关量输出隔离在跳闸出口，虽然继电器本身己有隔离作用，但是为了使继电器驱动电源与单片机电源之间不要有电的联系，以防止线圈电感回路切换产生干扰影响单片机工作，在开关量输出通道采用了光电耦合器件。光电耦合器的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声的干扰，从而使过程通道的信噪比大大提高。6. 4 地线设置系统的地线包括数字地、模拟地、电源地等。合理的地线结构可以显著提高系统的抗干扰能力：将系统的机壳与输入输出线的屏蔽层接三相电源地(大地)，通过大地给高频干扰电压形成低阻通路，以抑制其对保护器的干扰;数字电路和模拟电路尽量分开，两者的地线不能相混，数字电路和模拟电路分别

40、“一点”接地;数字电路的地线做成闭环回路，可明显提高系统的抗干扰能力。6. 5 印刷电路板布线印制电路板布线设计的优劣，对系统的抗干扰性能影响也很大。合理的布线就是力求将系统中各元件之间，电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度，使由于电路的分布电容、磁漏、电磁互感以及其它由噪声引起的干扰得到抑制。a. 电路板元器件面和焊接面印制引线应互相垂直，以减少寄生电容;b. 电源线和地线应尽量粗短，尽量靠近;其走向应与信号传输方向一致;c. 信号线布线不应过长或过细，并合理加大线与线之间的距离;布线方向尽量与电源线和大电流控制线方向垂直;信号输入输出不得平行走线，且要远离电源线;d. 印刷电路板上的每

41、个集成电路芯片接入一个0.010.lFu的瓷片去藕电容。电路板布线时电源线尽量宽，以减少导线阻抗，抑制传导型干扰；数字地和模拟地先分开布线，最后在一点接地，防止数字信号对模拟电路的干扰；电路板进行覆铜。6. 6 元器件的选择元器件的质量对系统影响很大。应选择正品元器件，使用前还要进行必要的筛选。对于接插件应选择抗振性好，接合可靠，防松的接插件。传输电缆应具有性能良好的屏蔽层，耐老化，抗损伤，不易断线。6. 7 其他晶振与单片机0引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定;尽可能把干扰源与敏感元件远离单片机和大功率器件的地线单独接地;大功率器件尽可能放在电路板边缘，以减小相互干扰。

42、7 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。致 谢两年半的研究生生活即将结束，我的校园生活也将告一段落。即将踏入社会的我对学生的生活依然眷恋，感谢这两年半的硕士生活，它使我受益良多，这里，我要对一直以来帮助我、关心我的老师和同学们，亲人和朋友们表示衷心的感谢!一直以来我都深深的感谢我的导师李文江教授，是他给我们创造了很多宝贵的学习和实践的机会，在学习和生活中给了我们无微不至的关怀和照

43、顾。李老师平易近人，治学严谨，知识丰富，对工作充满热情，对学生体贴照顾。他的治学态度、工作作风、待人之道，让我们深深的感受到了他的人格魅力，使我们从他身上不仅学到了丰富的知识，而且学到了很多做人的道理。最后要感谢我的父母家人，是他们长期以来在我的身后默默的关心我，照顾我，给我精神和物质上的支持，我一定不会辜负他们的期望，在以后的人生道路上我会一如既往的努力，用我的成功来回馈社会。 作者： 2008年10月参考文献1汤蕴谬，史乃.电机学.北京：机械工业出版社，1999.2S.E.Zocholl.Motor Analysis and Thermal Protection.IEEE Transact

44、ions on Power Delivery，1990，5(3)：1275-1280.3陈德树.计算机继电保护原理与技术.北京：中国电力出版社，1992.4俞卞章，李志钧，金明录.数字信号处理.第一版.西安：西北工业大学出版社，2002.5高婧，郑建勇，潘震东.电力系统微机保护中改进傅氏算法综合性能研究.继电器，2002，30(10)：16-20.6刘毅，温渤婴.差分与傅氏变换相结合算法在微机电流保护中的应用.继电器，2000，28(8)：36-38.7李漩华，黄益庄，唐晓泉，张楠.电动机故障分析和综合保护配置.继电器，2001，29(12)：30-34.8黄开胜.三相异步电动机断相运行分析.中小型电机，1998，1.9朱长安.电动机保护的现状及发展趋势.继电器，1993，2.10方抿.智能电动机软起动器的设计.中小型电机，1999，l.附录：A1掘进机电控系统电器系统方框图A2掘进机综合保护装置实物图A3人机接口模件实物图