基于PLC的电机故障诊断系统设计论文(西门子S7-200)╲t25000字.doc

I 目录 摘要 III ABSTRACT IV 第 1 章 绪论 1 1 1 电机常见故障和诊断方法 1 1 1 1 电机常见故障 1 1 1 2 电机诊断方法 2 1 2 PLC 的应用以及选题的意义 3 1 2 1 PLC 控制系统故障诊断技术的基本原理 4 1 2 2 PLC 控制系统的故障类型 4 1 2 3 PLC 控制系统的故障诊断方法 4 1 3 系统的设计概要 6 第 2 章 PLC 结构工作原理和应用 7 2 1PLC 的发展历程 7 2 2 PLC 控制系统的发展前景 8 2 3 可编程序控制器 PLC 的分类 9 2 4CPU 的构成 10 2 4 1 I O 模块 11 2 4 2 电源模块 12 2 5 PLC 的选型方法 12 2 5 1 输入输出 I O 点数的估算 15 2 5 2 存储器容量的估算 15 2 6 机型的选择 15 2 7 STEP7 编程软件介绍 21 2 7 STEP7 概述 21 2 7 1 STEP7 Mirco WIN 的安装 22 2 7 2 STEP7 Mirco WIN 窗口组件 23 2 8 PLC 编程语言的基本指令系统和编程方法 26 第 3 章 电机故障诊断系统设计 29 3 1 电机故障诊断系统设计原理 29 3 2 电机故障等级分类 30 3 3 PLC 的 I O 地址分配 30 3 4 速度检测并整定 32 3 4 1 设计的基本思路 32 3 4 2 PLC 内部计数器的选择 33 3 4 3 计数器和定时器设定值的选取 33 3 4 4 硬件电路 34 第 4 章 整体硬件电路与元器件选择 35 4 1 整体电路 35 4 2 PLC 的 CPU 供电方式接线电路 36 4 3 PLC 的继电器输出电路 37 II 4 4 电动机的选择及其工作情况 38 4 5 欠电压继电器的选择 38 4 6 过电流继电器的选择 39 4 7 低压断路器的选择 41 第 5 章 系统程序设计 42 第 6 章 设计体会与总结 47 6 1 设计总结 47 6 2 毕业设计体会 47 参考文献 49 致谢 50 III 基于 PLC 的电机故障诊断系统设计 摘要 本文介绍了国内电机故障诊断系统设计方法 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 详细介绍了所选 用的西门子 S7 200PLC 系列 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 在设计中 首先是对这个系统做了整体介绍以及选题的意义 和 用 PLC 诊断系统的优点 其次 对系统中涉及到的相关内容做了初步介绍 包括 PLC 的 选型和相关参数 编程软件介绍以及在硬件电路中的相关元器件 具体选择电机的工作 情况并对其常见的故障进行分析 分别对各个故障的检测做出相应的动作 和画出各部 分的电路图 最后 对系统的整体设计进行总结 关键词 电动机 故障诊断 PLC IV Abstract This paper introduces the domestic electrical fault diagnosissystem design as well as existing problems and introduced aprogrammable controller at the same time the working principle ofselection basis A PLC based design of the electrical faultdiagnosis system design detail on the choice of Siemens S7 200 PLC according to the designrequirements of the input and output of the PLC I O fordistribution and preparation of the ladder diagram systemoperation In the design the first is the introduction of this system as a whole as well as topics of significance and diagnostic systems with the advantages of PLC Second the system involved in the relevant content to do a preliminary presentation including the selection and related parameters PLC programming software and hardware introduced in the relevant components Select the work of specific motor and its common fault analysis fault detection were made of each corresponding action and draw the various parts of the circuit Finally to sum up the overall design of the system Key words Fault Diagnosis PLC Motor 1 第 1 章 绪论 1 1 电机常见故障和诊断方法 1 1 1 电机常见故障 1 过电压或欠电压 在某种情况下 电网电压会出现过高过低的情况 在短时间内 电压偏高偏低不会影响电 机 但是 若电机长时间在低电压下工作 由于铜耗增加 力矩降低 则电机会由于过载而 烧毁 电压过高 定子磁回路饱和 使电流剧增 导致电机烧毁 2 线路故障 三相交流异步电动机在缺二相或三相时 定子绕组里没有形成闭合回路 即没有电流 这 时电机不旋转 电机的损坏主要是缺一相引起的 故对电机主回路接触器及线路节点的定 期检修是十分必要的 要特别注意起动后运行中的电机断相 一旦遇到这种情况 应立即 切断电源 以保护电机 4 过负载 对于造成电机超负载的原因 是一个比较复杂的问题 有重载起动 机械转动中齿轮或铜 套失油使电机超负载 也有操作者没有按工艺要求操作使电机超负载 最终使电机设备损 坏 5 电机质量 对于由电机自身质量而产生的故障 这主要靠电机制造厂和电机修理部门 把好制造质 量和修理质量 使电机各项性能达到技术要求 从而减少因此产生的故障 6 超速 在某些条件下对电机速度有很高的要求和限制 2 1 1 2 电机诊断方法 电机故障集电气与机械于一体 在征兆的表现上呈多样性 既有机械故障的一般特性 也有电气 磁场等故障特性 长期以来 人们通过大量的故障结果分析发现 电机故障 按其原因分 轴承故障占 38 5 绕组故障占 39 两者之和达 77 5 因此 要正确判断 一台电机出现故障的原因 就要准确检测出电机轴承 绕组的状态 以便及时 准确地 排除 1 传统的电机故障诊断方法 在传统的基于数学模型的诊断方法中 经典的基于状态估计或过程参数估计的方法被应用 于电机故障检测 这种方法的优点是能深入电机系统本质的动态性质 可实现实时诊断 而 缺点是需建立精确的电机数学模型 选择适当决策方法 因此 当电机系统模型不确定或非 线性时 此类方法就难以实现了 2 基于模糊逻辑的电机故障诊断方法 为基于模糊逻辑的电机故障诊断方法框图 故障诊断部分是一个典型的模糊逻辑系统 主要 包括模糊化单元 参考电机 底层模糊规则和解模糊单元 其中 模糊推理和底层模糊规则 是模糊逻辑系统的核心 它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力 该推理过程是基于模糊 逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的 模糊规则的制定有两种基本方法 第一 启发式途 径来源于实际电机操作者的语言化的经验 第二 是采用自组织策略从正常和故障电机测量 获得的信号进行模糊故障诊断的制定 将此方法通过计算机仿真实现 对电机故障有较好的 识别能力 3 基于遗传算法的电机故障诊断方法 遗传算法是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法 它的推算过程就是不断接近最优 解的方法 因此它的特点在于并行计算与全局最优 而且 与一般的优化方法相比 遗传算 法只需较少的信息就可实现最优化控制 由于一个模糊逻辑控制器所要确定的参变量很多 专家的经验只能起到指导作用 很难根据指导准确地定出各项参数 而反复试凑的过程就是 一个寻优的过程 遗传算法可以应用于该寻优过程 较有效地确定出模糊逻辑控制器的结构 和数量 遗传算法应用于感应电机基于神经网络的故障诊断方法的框图如图4所示 设计神经网络的 关键在于如何确定神经网络的结构及连接权系数 这就是一个优化问题 其优化的目标是使 得所设计的神经网络具有尽可能好的函数估计及分类功能 具体地分 可以将遗传算法应用 3 于神经网络的设计和训练两个方面 分别构成设计遗传算法和训练遗传算法 许多神经网络的设 计细节 如隐层节点数 神经元转移函数等 都可由设计遗传算法进行优化 而神经网络的连接 权重可由训练遗传算法优化 这两种遗传算法的应用可使神经网络的结构和参数得以优化 特别 是用 DSP 来提高遗传算法的速度 可使故障响应时间小于 300 s 不仅单故障信号诊断准确率 可达 98 还可用于双故障信号的诊断 其准确率为 66 近年来 电机故障诊断的智能方法在传统方 法的基础上得到了飞速发展 新型的现代故障 诊断技术不断涌现 神经网络 模糊逻辑 模糊神经网络 遗传算法等都在电机故障诊断领 域得到成功应用 随着现代工业的发展 自动化系统的规模越来越大 使其产生故障的可能 性和复杂性剧增 仅靠一种理论或一种方法 无论是智能的还是经典的 都很难实现复杂条 件下电机故障完全 准确 及时地诊断 而多种方法综合运用 既可是经典方法与智能方法的结 合 也可是两种或多种智能方法的结合 兼顾了实时性和精确度 因此多种方法的有机融合 综 合运用这一趋势将 成为必然 也将成为电机故障在线诊断技术发展的主流方向 1 2 PLC 的应用以及选题的意义 利用 PLC 最基本的逻辑运算 定时 计数等功能实现逻辑控制 可以取代传统的继电 器控制 用于单机控制 多机群控制 生产自动线控制等 例如 机床 注塑机 印刷 机械 装配生产线 电镀流水线及电梯的控制等 这是 PLC 最基本的应用 也是 PLC 最 广泛的应用领域 2 运动控制大多数 PLC 都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位 置控制模块 3 过程控制大 中型 PLC 都具有多路模拟量 I O 模块和 PID 控制功能 有 的小型 PLC 也具有模拟量输入输出 所以 PLC 可实现模拟量控制 而且具有 PID 控制功 能的 PLC 可构成闭环控制 用于过程控制 这一功能已广泛用于锅炉 反应堆 水处理 酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面 4 数据处理现代的 PLC 都具有数学运算 数 据传送 转换 排序和查表等功能 可进行数据的采集 分析和处理 同时可通过通信 接口将这些数据传送给其它智能装置 如计算机数值控制 CNC 设备 进行处理 5 通信联网 PLC 的通信包括 PLC 与 PLC PLC 与上位计算机 PLC 与其它智能设备之间的通 信 PLC 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元 通信转换单元相连构成网络 以 实现信息的交换 并可构成 集中管理 分散控制 的多级分布式控制系统 满足工厂 自动化 FA 系统发展的需要 现在 PLC 已被应用到机械制造 冶金 矿业 轻工等各 个领域 大大推进了机电一体化进程 被人们称为现代工业控制三大支柱之一 4 正是基于 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 因此基于 PLC 的 电机故障诊断具有其他方法不可比拟的优势 1 2 1 PLC 控制系统故障诊断技术的基本原理 PLC 控制系统故障诊断技术的基本原理是利用 PLC 的逻辑或运算功能 把连续获得的 被控过程的各种状态不断地与所存储的理想 或正确 状态进行比较 发现它们之间的 差异 并检查差异是否在所允许的范围内 包括时间范围和数值范围 若差异超出了该 范围 则按事先设定的方式对该差异进行译码 最后以简单的 或较完善的方式给出故 障信息报警 1 2 2 PLC 控制系统的故障类型 PLC 本身因为故障可能性极小 系统的故障主要来自外围的元部件 所以它的故障可 分为如下几种 1 输入故障 即操作人员的操作失误 2 传感器故障 3 执行器故障 4 PLC 软件故障 这些故障都可以用合适的故障诊断方法进行分析和用软件进行实时监测 对故障进行 预报和处理 1 2 3 PLC 控制系统的故障诊断方法 1 宏观诊断 故障的宏观诊断就是根据经验 参照发生故障的环境和现象来确定故障的部位和原 因 2 故障自诊断 5 故障自诊断是系统可维修性设计的重要方面 是提高系统可靠性必须考虑的重要问 题 自诊断主要采用软件方法判断故障部分和原因 3 总体诊断 根据总体检查流程图找出故障点的大方向 逐渐细化 以找出具体故障 4 电源故障诊断 电源灯不亮 需对供电系统进行诊断 如果电源灯不亮 首先检查是否有电 如果 有电 则下一步就检查电源电压是否合适 不合适就调整电压 若电源电压合适 则下 一步就是检查熔丝是否烧坏 如果烧坏就更换熔丝检查电源 如果没有烧坏 下一步就 是检查接线是否有误 若接线无误 则应更换电源部件 5 运行故障诊断 电源正常 运行指示灯不亮 说明系统已因某种异常而终止了正常运行 6 输入输出故障诊断 输入输出是 PLC 与外部设备进行信息交流的通道 其是否正常工作 除了和输入输 出单元有关外 还与联接配线 接线端子 保险丝等元件状态有关 出现输入故障时 首先检查 LED 电源指示器是否响应现场元件 如按钮 行程开关 等 如果输入器件被激励 即现场元件已动作 而指示器不亮 则下一步就应检查输 入端子的端电压是否达到正确的电压值 若电压值正确 则可替换输入模块 若一个 LED 逻辑指示器变暗 而且根据编程器件监视器 处理器未识别输入 则输入模块可能存在 故障 出现输出故障时 我们首先应察看输出设备是否响应 LED 状态指示器 若输出触点 通电 模块指示器变亮 输出设备不响应 那么首先应检查保险丝或替换模块 若保险 丝完好 替换的模块未能解决问题 则应检查现场接线 7 指示诊断 LED 状态指示器能提供许多关于现场设备 连接和 I O 模块的信息 大部分输入 输 出模块至少有一个指示器 输入模块常设电源指示器 输出模块则常设一个逻辑指示器 对于输入模块 电源 LED 显示表明输入设备处于受激励状态 模块中有一信号存在 该指示器单独使用不能表明模块的故障 逻辑 LED 显示表明输入信号已被输入电路的逻 辑部分识别 如果逻辑和电源指示器不能同时显示 则表明模块不能正确地将输入信号 传递给处理器 输出模块的逻辑指示器显示时 表明模块的逻辑电路已识别出从处理器 6 来的命令并接通 除了逻辑指示器外 一些输出模块还有一只保险丝熔断指示器或电源 指示器 或二者兼有 保险丝熔断指示器只表明输出电路中的保护性保险丝的状态 输 出电源指示器显示时 表明电源已加在负载上 输入模块的电源指示器和逻辑指示器一 样 如果不能同时显示 表明输出模块就有故障了 1 3 系统的设计概要 本文介绍了电机故障诊断系统设计的方法 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 200PLC 系列 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 在本设计中选择的对象为塔式起重机 其中的笼型三相异步塔机回转电动机 塔式 起重机的回转机构是重负荷工作机构 不仅要负带很重的吊载和臂架等结构部件转动 而且还要克服很大的迎风阻力 因此 通过测速 对臂架回转速度进行控制 可使臂架 免受风力作用而反转和剧烈振动 以保证塔机正常工作 同时 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 以使整个系统趋以完善 7 第 2 章 PLC 结构工作原理和应用 2 1PLC 的发展历程 在工业生产过程中 具有大量的开关量顺序控制 要求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等 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 公司公开招标 提出研制能够取代继电器的控制装置的要求 第二年 美国数字设备公司 DEC 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 Controlle PLCPLC 现在 仍常常将 PLC 简称 PC PLC 的定义有许多种 国际电工委员会 IEC 对 PLC 的定义是 可编程控制器是一种 数字运算操作的电子系统 专为在工业环境下应用而设计 它采用可编程序的存贮器 用来在其内部存贮执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并 通过数字量 模拟量的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程序控制器 及其有关设备 都应按易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则设计 在这时期 PLC 在处理模拟量能力 数字运算能力 人机接口能力和网络能力得到大 幅度提高 在八十年代至九十年代中期 是 PLC 发展最快的时期 年增长率一直保持为 30 40 由于 PLC 人机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步 挤占了一部分 DCS 的 市场 过程控制 并逐渐垄断了污水处理等行业 但是由于工业 PC IPC 的出现 特别 是近年来现场总线技术的发展 IPC 和 FCS 也挤占了一部分 PLC 市场 所以近年来 PLC 增 长速度总的说是渐缓 目前全世界有 200 多厂家生产 300 多品种 PLC 产品 主要应用在 8 汽车 23 粮食加工 16 4 化学 制药 14 6 金属 矿山 11 5 纸浆 造纸 11 3 等行业 国内 PLC 生产厂约三十家 但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品 还有一部分 是以仿制 来件组装或 贴牌 方式生产 因此可以说 PLC 在我国未形成制造产业 作 为原理 技术和工艺均无尖端技术难度的产品 只要努力 是能形成制造产业的 我国市场上流行的有如下几家 PLC 产品 施耐德公司 包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品 目前有 Quantum Premium Momentum 等产品 罗克韦尔公司 包括 AB 公司 PLC 产品 目前有 SLC Micro Logix Control Logix 等产品 西门子公司的产品 目前有 SIMATIC S7 400 300 200 系列产品 GE 公司的产品 日本欧姆龙 三菱 富士 松下等公司产品 PLC 的市场的潜力是巨大的 不仅在我国 即使在工业发达的日本也有调查表明 PLC 配套的机电一体化产品的比例占 42 采用继电器 接触器控制尚有 24 所以说 需要 应用 PLC 的场合还很多 在我国就更是如此了 从技术创新的角度看 我国大中型企业还要大力发展 CIMS 在机械制造厂要形成 FMS 柔性制造系统 PLC 是基础 所以 PLC 市场是广阔的 高 PLCPLC 逐渐进入过程控制领域 而且在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS 系统 现今 PLCPLC 已经具有通用性强 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 在可预见的将来 PLC 在工业自动化控制特别是顺序控制中的主导地位 是其他控制技术无法取代的 2 2 PLC 控制系统的发展前景 PLC 从产生到现在 实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃 其功能从弱到强 实现了逻 辑控制到数字控制的进步 如今的 PLC 在编程 IO 扩展 通讯借口 开关量和模拟量的 调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需 求了 但随着应用需求及关联产品技术性能的提升 如步进驱动的脉冲响应频率及精度 HMI 及关联系统的通讯功能 PLC 将继续得已完善和发展 未来几年 各厂商会应客户 要求 对 PLC 的以下功能进行强化 9 1 运动控制功能 用户对 PLC 提出更高的运动控制功能要求 主要是控制性能和功能方面 这种需求在 机床工具 电子制造和包行业更加突出 未来的发展方向将是 1 脉冲频率的提高 从 10KHZ 20KHZ 发展到目前的 100KHZ 甚至更高 2 功能更强 如 FP X FX 3U CP1H EH SV 等产品都具备插补功能 同时脉冲路数 有所增加 2 3 可编程序控制器 PLC 的分类 PLC 产品种类繁多 其规格和性能也各不相同 对 PLC 的分类 通常根据其结构形式的 不同 功能的差异和 I O 点数的多少等进行大致分类 1 按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式 可将 PLC 分为整体式和模块式两类 1 整体式 PLC 整体式 PLC 是将电源 CPU I O 接口等部件都集中装在一个机箱内 具有结构紧凑 体积小 价格低的特点 小型 PLC 一般采用这种整体式结构 整体式 PLC 由不同 I O 点数的基本单元 又称主机 和扩展单元组成 基本单元内有 CPU I O 接口 与 I O 扩展单元相连的扩展口 以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等 扩展单元 内只有 I O 和电源等 没有 CPU 基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接 整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元 如模拟量单元 位置控制单元等 使其功能得以扩展 2 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 各组成部分 分别作成若干个单独的模块 如 CPU 模块 I O 模块 电源模块 有的含在 CPU 模块中 以及各种功能模块 模块式 PLC 由框架或基板和各种模块组成 模块装在框架或基板的插座上 这种模块式 PLC 的特点 是配置灵活 可根据需要选配不同规模的系统 而且装配方便 便于扩展和维修 大 中型 PLC 一般采用模块式结构 2 按功能分类 根据 PLC 所具有的功能不同 可将 PLC 分为低档 中档 高档三类 1 低档 PLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功能 还可 有少量模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 主要用于逻辑控 制 顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统 10 2 中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外 还具有较强的模拟量输入 输出 算术运 算 数据传送和比较 数制转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有些还可增设中 断控制 PID 控制等功能 适用于复杂控制系统 3 高档 PLC 除具有中档机的功能外 还增加了带符号算术运算 矩阵运算 位逻 辑运算 平方根运算及其它特殊功能函数的运算 制表及表格传送功能等 高档 PLC 机 具有更强的通信联网功能 可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统 实现工 厂自动化 3 按 I O 点数分类 根据 PLC 的 I O 点数的多少 可将 PLC 分为小型 中型和大型三类 1 小型 PLC I O 点数 2048 点 多 CPU 16 位 32 位处理器 用户存储器容 量 8 16K 如 S7 400 德国西门子公司 GE GE 公司 C 2000 立石公司 K3 三菱公司等 11 2 4CPU 的构成 CPU 内部结构大概可以分为控制单元 运算单元 存储单元和时钟等几个主组成部分 运算器是计算机对数据进行加工处理的中心 它主要由算术逻辑部件 ALU Arithmetic and Logic Unit 寄存器组和状态寄存器组成 ALU 主要完成对二 进制信息的定点算术运算 逻辑运算和各种移位操作 通用寄存器组是用来保存参加运 算的操作数和运算的中间结果 状态寄存器在不同的机器中有不同的规定 程序中 状 态位通常作为转移指令的判断条件 控制器是计算机的控制中心 它决定了计算机运行过程的自动化 它不仅要保证程序 的正确执行 而且要能够处理异常事件 控制器一般包括指令控制逻辑 时序控制逻辑 总线控制逻辑 中断控制逻辑等几个部分 指令控制逻辑要完成取指令 分析指令和执行指令的操作 时序控制逻辑要为每条指 令按时间顺序提供应有的控制信号 一般时钟脉冲就是最基本的时序信号 是整个机器 的时间基准 称为机器的主频 执行一条指令所需要的时间叫做一个指令周期 不同指 令的周期有可能不同 一般为便于控制 根据指令的操作性质和控制性质不同 会把指 令周期划分为几个不同的阶段 每个阶段就是一个 CPU 周期 早期 CPU 同内存在速度上 的差异不大 所以 CPU 周期通常和存储器存取周期相同 后来 随着 CPU 的发展现在速 度上已经比存储器快很多了 于是常常将 CPU 周期定义为存储器存取周期的几分之一 2 4 1 I O 模块 I O 模块是 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 其输入暂存器反映输入信号状态 输出点反映输出锁存器状态 输入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统 输出模块相反 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 开关量是指只有开和关 或 1 和 0 两种状态的信号 模拟量是指连续变化的量 常 用的 I O 分类如下 12 开关量 按电压水平分 有 220VAC 110VAC 24VDC 按隔离方式分 有继电器隔离 和晶体管隔离 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 等 按精度分 有 12bit 14bit 16bit 等 除了上述通用 IO 外 还有特殊 IO 模块 如热电阻 热电偶 脉冲等模块 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 2 4 2 电源模块 PLC 控制系统 它的 CPU 模块工作电压一般是 5V 而 PLC 的输入 输出信号电压一般较 高 如直流 24V 和交流 220V 等 PLC 一般使用 220V 交流电源或 24V 直流电源 内部的开 关电源为各模块提供 DC 5V 正负 12V 24V 等直流电源 2 5 PLC 的选型方法 在 PLC 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 PLC 工程设计选型 工艺 流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 PLC 及有关设备应是集成的 标准的 按 照易于与工业控制系统形成一个整体 易于扩充其功能的原则选型所选用 PLC 应是在相 关工业领域有投运业绩 成熟可靠的系统 PLC 的系统硬件 软件配置及功能应与装置规 模和控制要求相适应 熟悉可编程序控制器 功能表图及有关的编程语言有利于缩短编 程时间 因此 工程设计选型和估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确 控制任务和范围确定所需的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需 存储器容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和 设计相应的控制系统 一 输入输出 I O 点数的估算 二 存储器容量的估算 三 控制功能的选择 该选择包括运算功能 控制功能 通信功能 编程功能 诊断功能和处理速度等特性 的选择 13 一 运算功能 简单 PLC 的运算功能包括逻辑运算 计时和计数功能 普通 PLC 的运算功能还包括数 据移位 比较等运算功能 较复杂运算功能有代数运算 数据传送等 大型 PLC 中还有 模拟量的 PID 运算和其他高级运算功能 随着开放系统的出现 目前在 PLC 中都已具有 通信功能 有些产品具有与下位机的通信 有些产品具有与同位机或上位机的通信 有 些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能 设计选型时应从实际应用的要求出 发 合理选用所需的运算功能 大多数应用场合 只需要逻辑运算和计时计数功能 有 些应用需要数据传送和比较 当用于模拟量检测和控制时 才使用代数运算 数值转换 和 PID 运算等 要显示数据时需要译码和编码等运算 二 控制功能 控制功能包括 PID 控制运算 前馈补偿控制运算 比值控制运算等 应根据控制要求 确定 PLC 主要用于顺序逻辑控制 因此 大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决 模拟量的控制 有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能 提高 PLC 的 处理速度和节省存储器容量 例如采用 PID 控制单元 高速计数器 带速度补偿的模拟 单元 ASC 码转换单元等 三 通信功能 大中型 PLC 系统应支持多种现场总线和标准通信协议 如 TCP IP 需要时应能与工 厂管理网 TCP IP 相连接 通信协议应符合 ISO IEEE 通信标准 应是开放的通信网络 PLC 系统的通信接口应包括串行和并行通信接口 RS2232C 422A 423 485 RIO 通信口 工业以太网 常用 DCS 接口等 大中型 PLC 通信总线 含接口设备和电缆 应 1 1 冗余 配置 通信总线应符合国际标准 通信距离应满足装置实际要求 为减轻 CPU 通信任务 根据网络组成的实际需要 应选择具有不同通信功能的 如点 对点 现场总线 工业以太网 通信处理器 四 编程功能 离线编程方式 PLC 和编程器公用一个 CPU 编程器在编程模式时 CPU 只为编程器提 供服务 不对现场设备进行控制 完成编程后 编程器切换到运行模式 CPU 对现场设备 进行控制 不能进行编程 离线编程方式可降低系统成本 但使用和调试不方便 在线 编程方式 CPU 和编程器有各自的 CPU 主机 CPU 负责现场控制 并在一个扫描周期内与 编程器进行数据交换 编程器把在线编制的程序或数据发送到主机 下一扫描周期 主 14 机就根据新收到的程序运行 这种方式成本较高 但系统调试和操作方便 在大中型 PLC 中常采用 五 诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断 硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障 位置 软件诊断分内诊断和外诊断 通过软件对 PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊 断 通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断 PLC 的诊断功能的强弱 直接影响对操作和维护人员技术能力的要求 并影响平均维修 时间 六 处理速度 PLC 采用扫描方式工作 从实时性要求来看 处理速度应越快越好 如果信号持续时间 小于扫描时间 则 PLC 将扫描不到该信号 造成信号数据的丢失 处理速度与用户程序的长度 CPU 处理速度 软件质量等有关 目前 PLC 接点的响应快 速度高 每条二进制指令执行时间约 0 2 0 4Ls 因此能适应控制要求高 相应要求快 的应用需要 扫描周期 处理器扫描周期 应满足 小型 PLC 的扫描时间不大于 0 5ms K 大中型 PLC 的扫描时间不大于 0 2ms K 四 机型的选择 一 PLC 的类型 PLC 按结构分为整体型和模块型两类 按应用环境分为现场安装和控制室安装两类 按 CPU 字长分为 1 位 4 位 8 位 16 位 32 位 64 位等 从应用角度出发 通常可按 控制功能或输入输出点数选型 整体型 PLC 的 I O 点数固定 因此用户选择的余地较小 用于小型控制系统 模块 型 PLC 提供多种 I O 卡件或插卡 因此用户可较合理地选择和配置控制系统的 I O 点数 功能扩展方便灵活 一般用于大中型控制系统 二 输入输出模块的选择 输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一 例如对输入模块 应考虑信号电平 信号传输距离 信号隔离 信号供电方式等应用要求 对输出模块 应考虑选用的输出 模块类型 通常继电器输出模块具有价格低 使用电压范围广 寿命短 响应时间较长 等特点 可控硅输出模块适用于开关频繁 电感性低功率因数负荷场合 但价格较贵 过载能力较差 输出模块还有直流输出 交流输出和模拟量输出等 与应用要求应一致 15 可根据应用要求 合理选用智能型输入输出模块 以便提高控制水平和降低应用成本 三 电源的选择 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 如果 PLC 本身带有可使用电源时 应核对提供的电流是否满足应用要求 否则应设计 外接供电电源 为防止外部高压电源因误操作而引入 PLC 对输入和输出信号的隔离是必 要的 有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离 四 存储器的选择 由于计算机集成芯片技术的发展 存储器的价格已下降 因此 为保证应用项目的正常 投运 一般要求 PLC 的存储器容量 按 256 个 I O 点至少选 8K 存储器选择 需要复杂控 制功能时 应选择容量更大 档次更高的存储器 五 冗余功能的选择 六 经济性的考虑 选择 PLC 时 应考虑性能价格比 考虑经济性时 应同时考虑应用的可扩展性 可操 作性 投入产出比等因素 进行比较和兼顾 最终选出较满意的产品 2 5 1 输入输出 I O 点数的估算 I O 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据统计的输入输出点数 再增加 10 20 的可扩展 余量后 作为输入输出点数估算数据 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圆整 2 5 2 存储器容量的估算 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 设计阶段 由于 用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 需在程序调试之后才知 道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用存储器容量的估算来替代 16 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体上都 是按数字量 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 以此数为内存的总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 2 6 机型的选择 由于许多厂家都有 PLC 产品 根据本设计的控制要求选择西门子公司的 S7 200 系 型产品中 S7 224XP 型的 其主要参数如下 图 2 1 S7 224XP 外观图片 1 输入输出电源 24V DC 电源 24V DC 输入 24V DC 输出 100 230V AC 电源 24V DC 输入 继电器输出 2 S7 224XP 的技术规范 1 物理特性 尺寸 W X H X D 140 x80 x62mm 重量 440g 功耗 11W 2 存储器特性 表 2 1 S7 224XP 的存储器特性 程序存储 器 在线程序 12288 bytes 16384 bytes 12288 bytes 16384 bytes 17 编辑时 非在线程 序编辑时 数据存储 器 可选电池 10240 bytes 100 小时 典型值 40 C 时最少 70 小时 200 天 典型值 10240 bytes 100 小时 典型值 40 C 时最少 70 小时 200 天 典型值 3 I O 特性 表 2 2 S7 224XP 的 I O 特性 本机数字量输入 本机数字量输出 本机模拟量输入 本机模拟量输出 数字 I O 映象区 模拟 I O 映象区 允许最大的扩展 I O 模块 允许最大的智能模 块 脉冲捕捉输入 高速计数器 总数 单相计数器 两相计数器 脉冲输出 14 输入 10 输出 2 输入 1 输出 256 128 输入 128 输出 64 32 输入 32 输出 7 个模块 7 个模块 14 6 个 4 每个 30KHz 2 每个 200KHz 3 每个 20KHz 1 每个 100KHz 2 个 100KHz 仅限于 DC 14 输入 10 输出 2 输入 1 输出 256 128 输入 128 输出 64 32 输入 32 输出 7 个模块 7 个模块 14 6 个 4 每个 30KHz 2 每个 200KHz 3 每个 20KHz 1 每个 100KHz 2 个 100KHz 仅限于 DC 18 输出 输出 4 常规特性 表 2 3 S7 224XP 的常规特性 定时器总数 1ms 10ms 100ms 计数器总数 内部存储器位掉 电保持 时间中断 边沿中断 模拟电位器 布尔量运算执行 时间 时钟 卡件选项 256 个 4 个 16 个 236 个 256 由超级电容或电 池 备份 256 由超级电容或电 池 备份 112 存储在 EEPROM 2 个 1ms 分辨率 4 个上升沿和 或 4 个 下降沿 2 个 8 位分辨率 0 22 s 内置 存储卡和电池卡 256 个 4 个 16 个 236 个 256 由超级电容或电 池 备份 256 由超级电容或电 池 备份 112 存储在 EEPROM 2 个 1ms 分辨率 4 个上升沿和 或 4 个 下降沿 2 个 8 位分辨率 0 22 s 内置 存储卡和电池卡 接口 PPI DP T 波特 率 自由口波特率 每段最大电缆长 度 最大站点数 最大主站数 点到点 PPI 主站 模式 MPI 连接 2 个 RS 485 接口 9 6 19 2 和 187 5kbaud 1 2kbaud 至 115 2kbaud 使用隔离的中继器 187 5kbaud 可达 1000 米 38 4kbaud 可达 1200 米 未使用隔离中继器 50 米 每段 32 个站 每个 网络 126 个站 32 2 个 RS 485 接口 9 6 19 2 和 187 5kbaud 1 2kbaud 至 115 2kbaud 使用隔离的中继器 187 5kbaud 可达 1000 米 38 4kbaud 可达 1200 米 未使用隔离中继器 50 米 每段 32 个站 每个 网络 126 个站 32 19 是 NETR NETW 共 4 个 2 个保留 1 个给 PG 1 个给 OP 是 NETR NETW 共 4 个 2 个保留 1 个给 PG 1 个给 OP 电源特性电源特性 输入电源输入电源 输入电压 输入电流 冲击电流 隔离 现场与逻 辑 保持时间 掉电 保险 不可替换 20 4 至 28 8V DC 120mA 仅 CPU 24V DC 900mA 最大负载 24V DC 12A 28 8V DC 时 不隔离 10ms 24V DC 时 3A 250V 时慢速熔断 85 至 264V AC 47 至 63Hz 70 35mA 仅 CPU 120 240V AC 220 100mA 最大负载 120 240V AC 20A 264V AC 时 1500V AC 20 80ms 120 240V AC 时 2A 250V 时慢速熔 断 2424 VDCVDC 传感器电源传感器电源 传感器电压 电流限定 纹波噪声 隔离 传感器与 逻辑 L 减 5V 1 5A 峰值 终端限定 非破 坏性 来自输入电源 非隔离 20 4 至 28 8 VDC 1 5A 峰值 终端限 定非破 坏性 小于 1V 峰分值 非隔离 数字量输入特性数字量输入特性 本机集成数字量 输入点 数 输入类型 额定电压 最大持续允许电 压 浪涌电压 逻辑 1 信号 最 小 逻辑 0 信号 最 大 14 输入 漏型 源型 IEC 类型 1 漏 型 除 I0 3 到 I0 5 24VDC 4mA 典型值时 30VDC 35VDC 0 5 秒 15VDC 2 5mA I0 0 至 I0 2 和 I0 6 至 I1 5 4VDC 8mA I0 3 至 I0 5 5VDC 1mA I0 0 至 I0 2 和 I0 6 至 I1 5 1VDC 1mA I0 3 至 14 输入 漏型 源型 IEC 类型 1 漏 型 除 I0 3 到 I0 5 24 VDC 4mA 典型值 时 30 VDC 35 VDC 0 5 秒 15 VDC 2 5mA I0 0 至 I0 2 和 I0 6 至 I1 5 4 VDC 8mA I0 3 至 I0 5 5 VDC 1mA I0 0 至 I0 2 和 20 输入延迟 连接 2 线接近开 关传感 器 Bero 允许漏 电流最大 隔离 现场与逻 辑 光电隔离 隔离组 高速输入速率 高速计数器逻辑 1 15 30V DC 高速计数器逻辑 1 15 26V DC HC4 和 HC5 逻辑 1 4VDC 同时接通的输入 电缆长度最大 屏蔽 非屏蔽 I0 5 可选 0 2 至 12 8ms 1mA 500VAC 1 分钟 见接线图 20KHz 单相 10KHz 两相 30KHz 单相 20KHz 两相 200KHz 单相 100KHz 两相 所有 500 米 标准输入 50 米 高速计数器输 入 300 米 标准输入 I0 6 至 I1 5 1 VDC 1mA I0 3 至 I0 5 可选 0 2 至 12 8ms 1mA 500VAC 1 分钟 见接线图 20KHz 单相 10KHz 两相 30KHz 单相 20KHz 两相 200KHz 单相 100KHz 两相 55 C 时所有的 DC 输入 最大 26VDC 50 C 时所有的 DC 输入 最大 30VDC 500 米 标准输入 50 米 高速计数器输 入 300 米 标准输入 数字量输出特性数字量输出特性 本机集成数字量 输出 点数 输出类型 额定电压 电压范围 浪涌电流 最大 逻辑 1 最小 逻辑 0 最大 每点额定电流 最大 每个公共端的额 定电流 10 输出 固态 MOSFET 源型 24VDC 5 至 28 8VDC Q0 0 至 Q0 4 20 4 至 28 8VDC Q0 5 至 Q1 1 8A 100ms L 减 0 4V 最大电流 时 0 1VDC 10K 负载 0 75A 3 75A 10 输出 干触点 24 VDC 或 250 VAC 5 至 30 VDC 或 5 至 250 VAC 5A 4s 10 工作率时 2 0A 10A 21 最大 漏电流 最大 灯负载 最大 感性嵌位电压 接通电阻 接点 10 A 5W L 减 48VDC 1W 功耗 0 3 典型值 0 6 最大值 30WDC 200WAC 0 2 新的时候最大 值 图 2 2 CPU 224 XP 端子链接图 2 7 STEP7 编程软件介绍 2 7 STEP7 概述 S7 200 系列可编程控制器使用 STEP7 Micro WIN32 编程软件进行编程 STEP7 22 Micro WIN32 编程软件是基于 Window