基于PLC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以及存在的问题，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，并且详细介绍了所选用的西门子S7-200PLC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

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基于PLC电机故障诊断系统设计

Abstract

This paper introduces the domestic electrical fault diagnosis system design , as well as existing problems and introduces programmable controller at the same time the working principle and selection basis．A PLC-based design of the electrical fault diagnosis system design and detail on the choice of Siemens S7-200 PLC and the same type of S7-300 S7-400 PLC and according to the design requirements of the input and output of the PLC I/O for distribution and preparation of the ladder diagram system operation．Prepared to boot, press the button after boot, the circuit breaker status is detected first．If the circuit breaker initial state is closed, electrical doesn’t start and sound and light alarm．If the circuit breaker initial state is disconnected , the circuit breaker close and the electrical start．Start in the process, if a failure occurred, the protection PLC correspond action．Start after the completion of “motor on/off indicator light” on , the electrical normal operate．Running process, PLC followed by motorcycle test whether there has been a phase short circuit, breaking phase, low-voltage, single-phase-to-ground, overload, over-current fault and so on．If occurred, PLC protection act accordingly shut down．PLC received shutdown orders, tripping circuit breakers,“motor on /off indicator light” eliminate． Fault sound and light alarm at the “alarm reset button” reset．This choice is based on the design of the motor PLC fault diagnosis system design． Key words：Fault Diagnosis； PLC； Motor

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目录

1 绪论 ........................................................................................................................ 5

1.1 PLC的应用以及选题的意义 ......................................................................... 5 1.2 PLC应用于故障诊断系统的发展现状 ......................................................... 6 1.3故障诊断方法 ................................................................................................. 6 2 PLC原理介绍及设备总体结构介绍 .................................................................... 7

2.1 PLC发展历程 ................................................................................................. 7 2.2 PLC控制系统的发展前景 ............................................................................. 8 2.3 PLC的分类 ..................................................................................................... 8 2.4 PLC的工作原理 ........................................................................................... 10 2.5 PLC的组成 ................................................................................................... 11 3 可编程控制器系统设计 ...................................................................................... 15

3.1 可编程控制器系统设计原则 ...................................................................... 15 3.2 可编程控制器系统设计步骤 ...................................................................... 15 3.3 可编程控制器系统设计的基本内容 .......................................................... 17 3.4 可编程控制器控制系统的硬件设计 .......................................................... 17 3.5 可编程控制器控制系统的软件设计 .......................................................... 20 3.6 PLC的选取及介绍 ....................................................................................... 21

3.6.1 SIMATIC S7-200 PLC ........................................................................ 21 3.6.2 SIMATIC S7-300 PLC ........................................................................ 22 3.6.3 SIMATIC S7-400 PLC ........................................................................ 23 3.6.4 工业通讯网络 .................................................................................... 23 3.6.5 人机界面HMI ................................................................................... 23 3.6.6 SIMATIC S7工业软件 ....................................................................... 24 3.7 S7-200系列PLC的硬件配置 ..................................................................... 25

3.7.1 CPU模块 ............................................................................................ 25 3.7.2 数字量扩展模块 ................................................................................ 26 3.7.3 模拟量扩展模块 ................................................................................ 27

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3.7.4 通信模块 ............................................................................................ 28 3.7.5 编程器 ................................................................................................ 28 3.7.6 程序存储卡 ........................................................................................ 29 3.7.7 写入器 ................................................................................................ 29 3.7.8 文本显示器 ........................................................................................ 29

4 电机故障诊断系统设计 ........................................................................................ 30

4.1电机的故障 ................................................................................................... 30 4.2 电机的保护 .................................................................................................. 31 4.3 故障诊断系统设计 ...................................................................................... 33

4.3.1 系统硬件设计 .................................................................................... 33 4.3.2 系统软件设计 .................................................................................... 36

5 系统电源设计 ........................................................................................................ 47 致谢 ............................................................................................................................ 49 参考文献 .................................................................................................................... 50 附录 ............................................................................................................................ 51

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1 绪论

1.1 PLC的应用以及选题的意义

1.PLC的应用

可编程控制器在发展初期由于价格较高，使它的应用受到了限制。近年来，PLC应用范围迅速扩大，主要原因是：一方面由于微处理器芯片及相关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降；另一方面，随着PLC的功能大幅度提高，它能解决许多复杂的计算和通信问题，使得PLC的应用范围日益扩大。目前，PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保以及文化娱乐等行业。 PLC的主要应用有如下几方面： （1） 开关量的逻辑控制 （2） 过程控制 （3） 运动及位置控制 （4） 数据处理 （5） 通信联网 （6） 特殊功能 2.选题的意义

随着故障诊断技术的发展，以检测、识别、预测和干预为核心的先进的故障诊断技术得到了广泛的应用，不但能够及时准确地诊断出故障，而且可以采取相应的对策，保证系统的安全性和可靠性。电机故障可能对电力系统的稳定性和工业系统其它机组的安全运行带来严重的影响，因此，电机的故障诊断显得非常重要，本设计的选题就是基于PLC的电机故障诊断系统设计。

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。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。

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1.2 PLC应用于故障诊断系统的发展现状

PLC作为一种成熟稳定可靠的控制器，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。

1.3故障诊断方法

（1）基于小波分析的故障诊断方法

小波分析是20世纪80年代发展起来的新的数学理论和方法，它被认为是傅里叶分析方法的突破性进展。小波分析优于傅里叶之处在于：小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质。小波分析方法是一种窗口大小固定但其形状、时间窗和频率都可以改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率。因此，小波变换被誉为分析信号的显微镜。小波分析在信号处理、图像处理、语音分析、模式识别、量子物理、生物医学工程、计算机视觉、故障诊断及众多非线性科学领域都有广泛的应用。 （2）专家系统故障诊断方法

专家系统故障诊断方法，是指计算机在采集被诊断对象的信息后，综合运用各种规则，进行一系列的推理，必要时还可以随时调用各种应用程序，运行过程中向用户索取必要的信息后，就可快速地找到最终故障或最有可能的故障，再由用户来证实。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，不仅可以代替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。

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2 PLC原理介绍及设备总体结构介绍

2.1 PLC发展历程

在PLC产生之前，工业控制设备的主流产品是以继电器、接触器为主体的控制装置，简称继电器控制系统。所谓继电器控制系统就是用导线把各种继电器、接触器、开关及其触点，按一定的逻辑关系连接起来所构成的控制系统。它具有价格低廉、对维护技术要求不高的优点，适用于工作模式固定、控制要求简单的场合。

随着工业自动化程度的不断提高，使用继电器构成工业控制系统的缺陷不断地暴露出来。首先是复杂的系统使用成百上千各种各样的继电器，成千上万根导线，只要一个电器、一根导线出现故障，系统就不能正常工作，这就大大降低了这种接线逻辑系统的可靠性；其次是这样的系统维修及改造很不容易，特别是技术改造。

到了20世纪60年代末，人们设想能否把计算机的通用、灵活、功能完善与“继电-接触器控制系统”的简单易懂、使用方便、生产成本低等特点结合起来，生产出一种面向生产过程顺序控制、可利用简单语言编程、能让完全不熟悉计算机的人也能方便使用的控制器。这一设想最早由美国最大的汽车制造商——通用汽车公司于1968年提出。根据以上要求，美国数字设备公司在1969年首先研制出了全世界第一台可编程序逻辑控制器，并简称为“可编程控制器”。1971年，日本从美国引进这项技术，开始生产可编程控制器。1973年，西德、法国等西欧国家也开始研制生产可编程控制器。1974年，我国开始研制可编程控制器，并在1977年应用于工业生产。

从第一台PLC诞生至今，大致经历了如下四次更新换代。

第一代PLC，多数用1位机开发，采用磁芯存储器存储，仅具有逻辑控制、定时、计数等功能。

第二代PLC，使用了8位微处理器及半导体存储器，其产品逐步系列化，功能也有所增强，已能实现数字运算、传送、比较等功能。

第三代PLC，采用了高性能微处理器及位片式中央处理单元，工作速度大

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幅度提高，同时促使其向多功能和联网方向发展，并具有较强的自诊断能力。 第四代PLC，不仅全面使用16位、32位微处理器作为CPU，内存容量也更大，可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统，而且编程语言除了可使用传统的梯形图，流程图等，还可以使用高级语言，外设也更加多样化。

2.2 PLC控制系统的发展前景

现在，虽然出现了性能更加优越的DCS和FCS控制系统，PLC控制也终将会被先进的FCS控制所取代，但是目前以及今后相当长的一段时间，PLC还会与DCS和FCS共存，这主要基于以下原因：（1）现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展，但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来，企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC控制系统已经成型，如果要完全推翻再建立新的DCS和FCS控制系统，需要更大的资金投入，将造成很大的浪费。（2）基于以上市场需求，许多软件厂商正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络，开发控制系统软件，帮助企业实现工厂自动化、信息化，为企业提供控制系统与管理网络的集成。（3）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。（4）PLC的联网通信能力增强，向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。（5）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，故PLC虽然面临其它自动化控制系统的挑战，但同时也在吸收它们的优点，互相融合，不断创新，在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存，共同发展。

2.3 PLC的分类

目前国内外PLC生产厂家众多，产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。一般说来，PLC可以根据它的结构形式、输入/输出点数以及功能范围来进行分类。

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1. 按结构形式分类

按照结构形式的不同，可分为整体式PLC和模块式PLC两种。

（1） 整体式PLC 整体式可编程控制器又称为单元式或箱体式。它将中央处理单元、存储器单元、输入/输出单元、输入/输出扩展接口单元和电源单元等集中安装在一个机箱内，这种整体式结构的可编程控制器结构紧凑、体积小、价格低，一般小型PLC如单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品都采用这种结构。小型PLC的主要型号有三菱F1、F2、FX2、FX0N等系列，OMRON C系列P型袖珍机，西门子S7系列等。

（2） 模块式PLC 模块结构形式将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块和各种其他功能模块，然后组装在机架或母板上。在机架或母板的底板上有若干个模块插座和连接这些插座的内部系统总线。一些产品的机架或母板上还安装了与输入/输出扩展机连接的接口插座。这种模块式结构的可编程控制器配置灵活、装配方便、便于扩展和维修，一般大、中型PLC都采用这种结构，适用于复杂过程控制系统的应用场合。常见的有三菱公司的A1N、A2N、A3N系列，立石公司C系列C500、C1000H及C2000H和通用电气公司的90TM-70、90TM-30等。 2. 按功能、点数分类

按功能、输入/输出点数和存储器容量不同，可分为小型、中型和大型PLC三类。 （1）小型PLC 小型PLC又称为低档PLC。这类PLC的规模较小，它的输入/输出点数一般从20点到128点。其中输入/ 输出点数小于64点的PLC又称为超小型机。用户存储容量小于2KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等功能，有些还有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送、远程I/O和通信等功能，可用于开关量控制、定时/计数控制、顺序控制及少量模拟量控制等场合，通常用来代替继电器-接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。常见的小型PLC产品有三菱公司的F1、F2、FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S5-95、S7-200等。

（2）中型PLC 中型PLC的I/O点数通常在128点至512点之间，用户程序存储器的容量为2～8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数

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字运算、过程参数调节、数据传送与比较、数值转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。中型PLC适用于既有开关量又有模拟量的复杂控制系统，如大型注塑机控制、配料和称重等中小型连续生产过程控制。常见的机型有三菱公司的A1S系列，立石公司的C200H、C500，西门子公司的S5-115U等。 （3）大型PLC 大型PLC又称为高档PLC。I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC，用户存储器容量在8KB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。由于大型PLC具有比中小型PLC更强大的功能，因此一般用于大规模过程控制、分布式控制系统和工厂自动化网络等场合。常见的如三菱公司的A3M、A3N，立石公司的C2000H，AB公司的PLC-5以及西门子公司的S5-135U、S5-155U、S7-400等。

2.4 PLC的工作原理

虽然可编程控制器的基本组成及工作原理与一般微机相同，但其工作过程与微机有很大差异。

小型PLC的工作过程有两个显著特点：①周期性顺序扫描；②集中批处理。 周期性顺序扫描是可编程控制器特有的工作方式，PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。

由于可编程控制器的I/O点数较多，采用集中批处理的方法，可以简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此，可编程控制器的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。 1.公共处理扫描阶段

公共处理包括PLC自检、执行来自外设命令、对看门狗定时器清零等。

2.输入采样扫描阶段

这是第一个集中批处理过程。在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。在当前的扫描周期

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内，用户程序依据的输入信号状态均从输入映像寄存器中去取，而不管此时外部输入信号的状态是否变化。如果此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取。 3.执行用户程序扫描阶段

这是第二个集中批处理过程。在执行用户程序阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令，所需的输入信息状态均从输入映像寄存器中读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，这样该状态马上就可以被后面将要扫描到的指令所利用。对输出继电器的扫描结果，也不是马上去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中，待输出刷新阶段集中批处理，所以执行用户程序阶段也是集中批处理过程。 4.输出刷新扫描阶段

这是第三个集中批处理过程。当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。 在输出刷新阶段结束后，CPU进入下一个扫描周期。

2.5 PLC的组成

1.中央处理单元（CPU）

与通用计算机一样，中央处理单元CPU是PLC的核心部件，它的主要作用是控制整个系统协调一致地运行。它解释并执行用户及系统程序，并通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其他功能。 PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M6800、80286、80386等；单片机常用的有8031、8051、8096等；位片式微处理器常用的有AMD2901、AMD2903等。小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采用高速位片式处理器。PLC的档次越

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高，所用的CPU的位数越多、运算速度越快、功能越强。 2.存储器

存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。根据存储器在系统中的作用，可将其分为系统程序存储器和用户存储器。

系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他管理程序。

用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和用户数据存储器两个部分。用户存储器有RAM、EPROM、EEPROM三种类型。用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序。数据存储器用来存放控制过程中不断改变的信息，如输入/输出信号、各种工作状态、计数值、定时值、运算的中间结果等。 3.输入/输出模块及特殊功能模块

(1)输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类：一类是由按钮开关、行程开关、数字拨码开关、接近开关、光电开关、压力继电器等提供的开关量输入信号；另一类是从电位器、热电、测速电机、各种变送器送来的连续变化的模拟量输入信号。输入模块还需要将这些不同的电平信号转换成CPU能够接收和处理的数字信号。

(2)输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件能接收的信号，用来控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等，控制的另一类负载是指示灯、数字显示器和报警装置等。

(3)特殊功能模块 随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，为了增强可编程控制器的功能，扩大其应用范围，生产厂家开发了许多供用户选用的特殊功能模块。

1)模拟量输入输出模块 模拟量的输入在过程中应用很广泛，如温度、压力、流量、位移等工业检测都是对应电压、电流大小的模拟量。模拟量经传感器或变送器转换为标准信号，输入模块用A/D转换器将它们转换成数字量送给CPU进行处理。因此，模拟量输入模块又叫A/D转换输入模块。模拟量的输出模块是将CPU处理后的二进制数字信号转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。

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因此，模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。

2)高速计数模块 高速计数模块是工业控制中常用的智能模块之一，它可以把过程控制变量如位置信号、速度值、流量值累计等，送入可编程控制器。这些参量的变化速度很快，脉冲宽度小于可编程控制器扫描周期，按正常扫描输入/输出信号来处理会丢失部分参量。因此，使用脱离可编程控制器独立计数的高速计数器对这些参量进行计数。高速计数模块可对几十kHz甚至上MHz的脉冲计数，当计数器的当前值等于或大于预置值时，输出被驱动。

3)PID过程控制模块 比例/积分/微分控制模块是实现对连续变化的模拟量闭环控制的智能模块，可将PID模块看作一个过程调节器。在PID模块上有输入/输出接口和进行闭环控制运算的CPU，模块一般可以控制多个闭环。 4)通信模块 可编程控制器的通信模块相当于局域网中的网络接口，通过通信模块数据总线和可编程控制器的主机连接，用硬件和软件一起来实现通信协议。可编程控制器的通信模块一般配有几种接口，可以通过通信模块上的选择开关进行接口选择，实现与别的可编程控制器、智能控制设备或计算机之间的通信。 4.电源

PLC配有开关式稳压电源模块，用来将外部供电电源转换成使PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源模块。 5.外部设备接口

外部设备接口是可编程控制器主机实现人－机对话、机－机对话的通道。通过它，可编程控制器可以和编程器、彩色图形显示器、打印机、I/O扩展单元等相连，也可以与其他可编程控制器或上位计算机连接。外部设备接口一般是RS-232C或RS-422A（或RS-485）串行通信接口，该接口的功能是串行/并行数据的转换、通信格式的识别、数据传输的出错校验、信号电平的转换等。对于一些小型可编程控制器，外部设备接口还有与专用的编程器连接的并行数据接口。

6.输入/输出扩展单元

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输入/输出扩展单元是可编程控制器输入/输出单元的扩展部件。当用户所需的输入/输出点数或类型超出主机输入/输出单元所允许的点数或类型时，可以通过加接输入/输出扩展单元来解决。输入/输出扩展单元与主机的输入/输出扩展接口相连方式有两种类型：简单型和智能型。 7.其他外部设备

编程器、外部存储器、打印机、EPROM写入器等。

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3 可编程控制器系统设计

3.1 可编程控制器系统设计原则

可编程控制器虽然是以微机技术为核心的一种控制装置，但其工作方式与微机控制系统有很大的不同，与传统的继电器控制系统相比也有本质的区别。其主要区别是可编程控制器采用的是扫描工作方式和“软继电器”元件，可编程控制器系统设计包括硬件设计与软件设计两个方面，设计时可采用硬件与软件并行开发的方法，这样可以加快整个系统的开发速度。系统设计的主要内容及原则如下： 1.硬件设计

可编程控制系统硬件设计的内容主要包括PLC的选型、输入/输出设备选择、控制柜的设计及各种图形的绘制等。系统硬件设计应遵循的原则有如下几方面。

（1） 充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足控制系统的要求。 （2） 力求控制系统经济实用、操作方便。 （3） 保证控制系统安全可靠。 （4） 控制系统要具有可扩展性。 2.软件设计

可编程控制器系统软件设计的任务就是编写出能满足生产控制要求的PLC用户应用程序，即绘制出梯形图、编制出指令语句表。软件设计应遵循的原则有如下两方面。

（1） 逻辑关系简明、易读、易改。 （2） 少占内存空间，减少扫描时间。

3.2 可编程控制器系统设计步骤

在可编程控制器系统设计中，设计人员应根据工程实际要求进行调查研究，对各种方案进行充分论证，然后确定切实可行的控制方案。按照系统工程要求

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进行硬件和软件功能权衡和划分，分别进行硬件、软件设计。对设计好的硬件进行组装、连接，在进行通电、单独调试过后，再与软件进行联调，发现问题及时修改完善，直到系统设计成功为止。

可编程控制器系统设计的一般方法和步骤的流程图如图3-1所示。 投入运行 符合功能 模拟调试 软件调整、 硬件调整 硬件电路设计与组装 软件设计与预调试 PLC的I/O地址分配 PLC选型 绘制系统流程图 分析生产工艺过程， 确定控制方案

图3-1 PLC系统设计流程图

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3.3 可编程控制器系统设计的基本内容

1.确定方案 2.PLC选型

3.选择输入/输出设备 4.系统硬件设计 5.软件设计与调试 6.组装及统调

3.4 可编程控制器控制系统的硬件设计

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，其结构形式、容量、性能、指令系统、编程方式、价格等也各不相同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

1）PLC机型的选择

PLC机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便，力争具有最佳的性能价格比，具体选择时应主要考虑以下几个方面：

（1）结构合理，机型统一

PLC主要有整体式、模块式、叠装式几种结构形式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，因此在控制规模不大、工艺过程固定、环境条件较好的场合应优先考虑采用整体式PLC。但模块式PLC在功能扩展方面优于整体式，例如，在I/O点数量、I/O点的比例、I/O模块的种类等方面，模块式PLC的选择余地都比整体式PLC大，维修更换模块、判断故障方面较方便，因此一般用于控制功能较复杂的控制系统。

（2）功能与任务相适应

对于只有开关量控制的场合，当对控制速度要求不高时，可选用一般的低

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档小型机，具有逻辑运算、定时、计数等基本功能，能满足相应的控制要求。 对于以开关量为主带有少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等，则应选用带有A/D、D/A转换的模拟量输入、输出模块，选择运算功能较强的中小型PLC或能支持模拟量扩展单元的小型机，其指令系统中有数据传送、算术运算等指令。

对于控制比较复杂、控制要求较高的大中型控制系统，例如，要求实现闭环控制、PID调节、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用扫描速度快、控制功能强、联网通信能力强的中高档PLC。

（3）响应速度要求

如果设备的实时性要求高，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应考虑PLC的响应速度或响应时间，可选用扫描速度高的PLC，使用具有高速I/O处理这一类功能指令，或选用具有快速响应模块如高速计数模块和中断响应处理功能的PLC等。

（4）其他特殊要求

对可靠性要求极高的场合，应考虑是否采用冗余或热备系统。 2）PLC容量的选择

PLC的容量包括两个方面：一是I/O点数，二是用户存储器容量。 （1）I/O点数的选择

首先根据被控对象的I/O设备，对所需的I/O点数进行统计，开关量输入点数与开关量输出点数之比可按3:2估算。在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点数最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据统计的点数数据，再加上10﹪～15﹪的裕量来确定，以防系统方案的修改或功能的扩展。

（2）存储器容量的估算

用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的I/O点数、运算处理量、程序结构、控制要求等因素有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。为了设计时对程序容量有一定的估算，通常采用经验估算方法来估算，经验估算方法是根据每个功能器件类型和I/O点数统计所需程序容量的。估算公式是： 存储容量（字节）=开关量I/O点数×10+模拟量I/O通道数×100

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3）输入/输出模块的选择

输入模块的主要任务是将输入信号转换为合适的电平信号。根据输入信号的类型不同，输入模块分为直流5、12、24、48V等和交流115、220V等形式。一般情况下，信号传输距离在10m以内的可选择直流5V的输入模块；信号传输距离在10～30m可选用直流12V或24V的输入模块；48V以上的适用于信号传输距离更远的情况。

输出模块的任务是将PLC内部信号转换为外部的控制信号，输出模块的输出方式有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种，可根据实际需要选取。对开关频繁、功率因数低的电感性负载可选用晶闸管输出方式，其缺点是价格高、过载能力差。继电器输出方式适用于电压范围宽、导通压降小的负载，且价格便宜、带载能力强，其缺点是寿命短，响应速度慢。晶体管输出方式比较适合开关频繁、功率因数低、导通压降小的负载，且价格较低，缺点是过载能力差。

4）电源模块的选择

电源模块的选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其他特殊模块等消耗电流的总和，同时还考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。

5）模拟量I/O模块及特殊功能模块的选择

PLC的模拟量I/O模块的主要功能是数据转换。模拟量输入模块是将现场由传感器检测或变送器等产生的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出至变频器、阀门等装置。典型模拟量I/O模块的量程为-10～10V、0～10V、1～5V电压型及0～20mA、4～20mA电流型等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推

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基于PLC电机故障诊断系统设计

出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。设计者要结合工程实际，在选用外部控制设备的同时，合理选用合适的模块。

3.5 可编程控制器控制系统的软件设计

在完成系统控制流程图和PLC的I/O地址分配之后，即可着手进行程序的设计工作。程序设计方法通常有逻辑设计法、流程图设计法及经验法。 （1） 逻辑设计法 逻辑法使用布尔代数为基础，根据生产工艺过程中各检测元件的不同状态，列出检测元件的状态表，确定所需要的中间记忆元件，再列出各执行元件的动作节拍表。由上述状态表和节拍表写出以检测元件、中间记忆元件为输入变量，以执行元件为输出的逻辑表达式，最后将逻辑表达式转换成梯形图。这种方法是继电器控制系统常用的设计方法，所设计的梯形图简单，占用元件及内存容量少。

（2） 流程图设计法 流程图设计法是以“步”为核心，根据控制流程图，从第一步开始连续设计下去，直至完成这个程序设计为止。这种方法的关键是编写出工艺流程图。首先，将被控对象的工作过程分为若干步，每一步在图中用方框表示，方框之间用带箭头的直线相连，箭头方向表示步进方向。然后，根据工艺或生产过程，将步进的转换条件在直线的左边表示出来，并在方框的右边给出要做的动作。这种工艺流程图，集合了控制工程的全部信息，为编制程序提供了依据。

（3） 经验设计法 经验设计法是一种类似于继电器控制原理图的设计方法，即将继电器原理图中的符号用可编程控制器的编程器件或功能器件表示，并将控制器件的对应关系用梯形图表示。用这种方法设计程序的步骤为：①熟悉继电器控制线路原理图；②根据继电器控制线路图画出梯形图，并写出指令表；③用编程器将程序送入存储器；④程序调试及运行。

目前普遍采用的是流程图设计法，局部也可采用逻辑设计法和经验法，将几种方法结合起来可使程序设计更简单方便。

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3.6 PLC的选取及介绍

由于本文设计采用的是西门子公司生产的S7-200系列PLC，下面对它进行简单介绍。

德国西门子公司生产的可编程控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子公司的PLC产品包括LOGO、S7-200、S7-300、S7-400、工业网络、HMI人机界面、工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC如S7-200，小规模性能要求的PLC如S7-300和中、高性能要求的PLC如S7-400等。

3.6.1 SIMATIC S7-200 PLC

S7-200PLC是超小型化的PLC，它具有极高的可靠性、丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通信能力、丰富的扩展模块，适用于各行各业、各种场合中的检测、监测及自动化控制的需要。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行或连成网络都能实现复杂的控制功能。

S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。 S7-200CPU集成了丰富的内置功能：   高速计数器输入   短暂脉冲捕捉功能   高速脉冲输出   I/O硬件中断事件   特殊功能相关的中断功能   PID控制，PID自整定功能   支持多种生产工艺配方   数据记录（归档）

此外，S7-200还支持以下功能：

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  用户自定义的库指令，便于模块化编程   完善的密码和知识产权保护功能   在RUN状态下的在线编程能力   直接读/写实际I/O

  可调整的数字量和模拟量的输入滤波   定义数字量和模拟量在STOP时的状态   多种数据保持设置

  一个可由用户定义的LED状态指示灯

3.6.2 SIMATIC S7-300 PLC

S7-300PLC是一种通用的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在以下工业领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案：   生产制造工程   汽车工业   通用机械制造   专用机械制造

  各种类型的专用机床，如OEM   塑料加工   包装工业   食品和饮料工业   工业过程工程

S7-300具有以下显著特点：   循环周期短、处理速度高

  指令集功能强大、可用于复杂功能   产品设计紧凑、可用于空间有限的场合   模块化结构、适合密集安装

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  有不同档次的CPU、各种各样的功能   模块和I/O模块可供选择   无需电池备份，免维护

  可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型

S7-300由多种模块部件所组成，各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。各模块安装在DIN标准导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块的背后，使背板总线联成一体。在一个机架上最多可并排安装8个模块。

3.6.3 SIMATIC S7-400 PLC

S7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程控制器。

S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。

3.6.4 工业通讯网络

通讯网络是自动化系统的支柱，西门子的全集成自动化网络平台提供了从控制级一直到现场级的一致性通讯，“SIMATIC NET”是全部网络系列产品的总称，他们能在工厂的不同部门，在不同的自动化站以及通过不同的级交换数据，有标准的接口并且相互之间完全兼容。

3.6.5 人机界面HMI

HMI硬件配合PLC使用，为用户提供数据、图形和事件显示，主要有文本操作面板TD200、OP3、OP7、OP17等；图形/文本操作面板OP27、OP37等；触摸屏操作面板TP7、TP27/37、TP170A/B等；SIMATIC面板型PO670等。个

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人计算机也可以作为HMI硬件使用。HMI硬件需要经过软件（如ProTool）组态才能配合PLC使用。

3.6.6 SIMATIC S7工业软件

西门子的工业软件分为三个不同的种类：

（1）编程和工程工具 编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程、组态、模拟和维护等控制所需的工具。STEP7标准软件包SIMATIC是用于S7-300/400、C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制产品的组态编程和维护的项目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的S7-200系列PLC的编程、在线仿真软件。

（2）基于PC的控制软件 基于PC的控制系统WinAC允许使用个人计算机SIMATIC工控机或其它任何商用机。WinAC提供两种PLC，一种是软件PLC，在用户计算机上作为视窗任务运行。另一种是插槽PLC，它具有硬件PLC的全部功能。WinAC与SIMATIC S7系列处理器完全兼容，其编程采用统一的SIMATIC编程工具，编制的程序既可运行在WinAC上，也可运行在S7系列处理器上。

（3）人机界面软件 人机界面软件为用户自动化项目提供人机界面 SCADA系统，支持大范围的平台。人机界面软件有两种，一种是应用于机器级的ProTool,另一种是应用于监控级的WinCC。

ProTool适用于大部分HMI硬件的组态，从操作员面板到标准PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成组态。ProTool/Lite用于文本显示的组态，如：OP3、OP7、OP17、TD17等。ProTool/Pro用于组态标准PC和所有西门子HMI产品，ProTool/Pro不只是组态软件，其运行版也用于Windows平台的监控系统。

WinCC是一个真正开放的、面向监控与数据采集的SCADA软件，可在任何标准PC上运行。WinCC操作简单，系统可靠性高，与STEP 7功能集成，可直接 进入PLC的硬件故障系统，节省项目开发时间。它的设计适合于广泛应用，可以连接到已存在的自动化环境中，有大量的通信接口和全面的过程信息

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和数据处理能力，其最新的WinCC5.0支持在办公室通过IE浏览器动态监控生产过程。

3.7 S7-200系列PLC的硬件配置

S7-200系列PLC的硬件系统配置灵活，既可用单独的CPU模块构成简单的开关量控制系统，也可通过I/O扩展或通信联网功能构成中等规模的控制系统。主要包括如下几部分：

（1） PLC基本单元（即CPU模块）：是PLC系统的核心，包括CPU、存储器系统、部分输入/输出接口、内置5V和24V直流电源、RS-485通信接口等。 （2） 扩展单元：用于PLC系统的I/O扩展，包括数字量I/O模块和模拟量I/O模块。

（3） 编程设备：可使用手持式编程器，也可使用装有 SIMATIC S7系列PLC编程软件的计算机。编程设备可实现用户程序的编制、编译、调试和下载。 （4） 人机界面：常用的有触摸屏和文本显示器，也可通过装有工业组态软件的微机实现。通过人机界面可实现对工业控制过程的监控。

（5） 通信模块：可通过CPU模块自带的RS-485接口与上位机或其他PLC通信，也可通过专用的通信模块与其他网络设备组成各种通信网络以实现数据交换，如通信处理器模块CP243-2或PROFIBUS-DP模块EM277等。 （6） 其他设备：各种特殊功能模块，具有独立的运算能力，能实现特定的功能，如位置控制模块、高速计数器模块、闭环控制模块、温度控制模块等。

3.7.1 CPU模块

S7-200系列PLC的CPU模块有两个子系列，即CPU21X和CPU22X。目前市场上CPU22X系列PLC已取代了第一代的CPU21X系列，并成为市场的主流产品。

S7-200系列PLC的CPU22X系列主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226等型号，其输入输出点数的分配表如表3-1所示。

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表3-1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元 型号 S7-200 CPU221

S7-200 CPU222

输入点 6 8

输出点 4 6

可带扩展模块数

-

2个扩展模块 78路数字量I/O点或10路模拟量I/O

点

S7-200 CPU224

14

10

7个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量

I/O点

S7-200 CPU224XP

14

10

7个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量

I/O点

S7-200 CPU226

24

16

7个扩展模块 248路数字量I/O点或35路模拟量

I/O点

3.7.2 数字量扩展模块

S7-200系列PLC目前可以提供3大类共10种数字量输入/输出扩展模块，见表3-2。

表3-2 S7-200系列PLC数字量输入/输出扩展模块 型号 EM221

名称

数字量输入扩展模块

扩展模块

8点24VDC输入，光耦隔离 16点24VDC输入，光耦隔离

EM222

数字量输出扩展模块

8点24VDC输出型 8点继电器输出型

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24VDC输入4点/晶体管输出4

点

24VDC输入4点/继电器输出4

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EM223

数字量输入/输出扩展模块

点

24VDC输入8点/晶体管输出8

点

24VDC输入8点/继电器输出8

点

24VDC输入16点/晶体管输出16

点

24VDC输入16点/继电器输出16

点

3.7.3 模拟量扩展模块

在S7-200系列PLC中，除了CPU224XP模块本身带有模拟量I/O外，其他CPU模块若想处理模拟信号，则需进行模拟量模块的扩展。模拟量扩展模块主要有3种，见表3-3。

表3-3 S7-200系列PLC模拟量输入/输出扩展模块 型号

名称

性能说明 差分输入，输入范围：

模拟量输入扩展模块（12位）

电压：0～10V，0～5V，±2.5V，±5V

电流：0～20mA 转换时间小于250us

最大输入电压30VDC，最大输入电流32mA 输出范围：电压：±10V，电流：0～20mA

EM232

模拟量输出扩展模块（12位）

数据字格式：电压：-32000～+32000V

电流：0～+32000mA 分辨率：电压12位，电流11位

EM231

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基于PLC电机故障诊断系统设计

差分输入，输入范围：

电压（单极性）：0～10V，0～5V，0～1V，

0～500mV，0～100mV，0～50mV

模拟量输入/输出

EM235

扩展模块 输入4路，输出1

路

电压（双极性）：±10V，±5V，±2.5V，±

1V，

±500mV, ±250mV, ±100mV, ±50mV, ±

25mV 电流: 0～20mA 转换时间小于250us 稳定时间：电压100us，电流2ms

3.7.4 通信模块

S7-200系列PLC除了CPU226本机集成了两个通信口以外，其他均在其内部集成了一个通信口，通信口采用了RS-485总线。此外，各PLC还可以接入通信模块，以扩大其接口的数量和联网能力。

（1） EM277模块：EM277模块是PROFIBUS-DP从站模块，同时也支持MPI从站通信。

（2） EM241:调制解调器通信模块。 （3） CP243-1：工业以太网通信模块。

（4） CP243-1 IT：工业以太网通信模块，同时提供Web/E-mail等IT应用。 （5） CP243-2：AS-I主站模块，可连接最多62个AS-I从站。

3.7.5 编程器

PLC在正式运行时，不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等，并将用户程序送入PLC中，在调试过程中进行监控和故障检测。S7-200系列PLC可采用多种编程器，一般可分为简易型和智能型。

简易型编程器是袖珍型的，简单实用，价格低廉，是一种很好的现场编程

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基于PLC电机故障诊断系统设计

及监测工具，但显示功能较差，只能用指令表方式输入，使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作，将专用的编程软件装入计算机内，可直接采用梯形图语言编程，实现在线监测，非常直观，且功能强大，S7-200系列PLC的专用编程软件为STEP 7-Micro/WIN。

3.7.6 程序存储卡

为了保证程序及重要参数的安全，一般小型PLC设有外接EEPROM卡盒接口，通过该接口可以将卡盒的内容写入PLC，也可将PLC内的程序及重要参数传到外接EEPROM卡盒内作为备份。程序存储卡EEPROM有6ES 7291-8GC00-0XA0和6ES 7291-8GD00-0XA0两种，程序容量分别为8KB和16KB。

3.7.7 写入器

写入器的功能是实现PLC和EEPROM之间的程序传送，是将PLC中RAM区的程序通过写入器固化到程序存储卡中，或将PLC中程序存储卡中的程序通过写入器传送到RAM区。

3.7.8 文本显示器

文本显示器TD200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备，还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改，或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示，并可以随时修改。TD200面板上的8个可编程序的功能键，每个都分配了一个存储器位，这些功能键在启动和测试系统时，可以进行参数设置和诊断。

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基于PLC电机故障诊断系统设计

4 电机故障诊断系统设计

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最常见的一类故障。不对称故障对电动机的损坏不仅仅是引发发热，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。

4.1电机的故障

电机的结构同时包含电气和机械两部分，也可以说是电气和机械的结合点。所以说，它的故障要一分为二的分析。对电机的振动故障原因也要分成两部分。一般来讲，电机振动是由于转动部分不平衡、机械故障或电磁方面的原因引起的。

1、转动部分不平衡主要是转子、耦合器、联轴器、传动轮（制动轮）不平衡引起的。处理方法是先找好转子平衡。如果有大型传动轮、制动轮、耦合器、联轴器，应与转子分开单独找好平衡。再有就是转动部分机械松动造成的。如：铁心支架松动，斜键、销钉失效松动，转子绑扎不紧都会造成转动部分不平衡。

2、机械部分故障主要有以下几点：

（1）联动部分轴系不对中，中心线不重合，定心不正确。这种故障产生的原因主要是安装过程中，对中不良、安装不当造成的。还有一种情况，就是有的联动部分中心线在冷态时是重合一致的，但运行一段时间后由于转子支点、基础等变形，中心线又被破坏，因而产生振动。

（2）与电机相连的齿轮、联轴器有毛病。这种故障主要表现为齿轮咬合不良，

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基于PLC电机故障诊断系统设计

轮齿磨损严重，对轮润滑不良，联轴器歪斜、错位，齿式联轴器齿形、齿距不对、间隙过大或磨损严重，都会造成一定的振动。

（3）电机本身结构的缺陷和安装的问题。这种故障主要表现为轴颈椭圆，转轴弯曲，轴与轴瓦间间隙过大或过小，轴承座、基础板、地基的某部分乃至整个电机安装基础的刚度不够，电机与基础板之间固定不牢，底脚螺栓松动，轴承座与基础板之间松动等。而轴与轴瓦间间隙过大或过小，不仅可以造成振动，还可使轴瓦的润滑和温度产生异常。

（4）电机拖动的负载传导振动。例如：汽轮发电机的汽轮机振动，电机拖动的风机、水泵振动，引起电机振动。

3、电气部分的故障是由电磁方面的原因造成的，主要包括：交流电机定子接线错误，绕线型异步电动机转子绕组短路，同步电机励磁绕组匝间短路，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。

4.2 电机的保护

1）短路保护

在电气控制系统中，当电动机绕组绝缘或导线绝缘损坏，或控制线路发生故障时，都可能造成短路，因此，必须设置短路保护。常用的短路保护元件有熔断器和低压断路器。在设置短路保护时，一般应考虑下列原则： （1）对于三相供电的主电路，必须采用三相短路保护。

（2）对于小容量电动机的保护电路，可用主电路的保护装置兼作控制电路的短路保护。

（3）对于不同性质的负载或者负载容量相差较大时，应予分别保护。如主电路、控制电路、照明电路和信号电路等一般均应分别保护。 （4）对于有分支电路，保护装置动作应有选择性。

（5）对于容量较小的辅助装置，可以几个主电路共用一套保护。 （6）在直流电动机的励磁电路、接地电路以及三相电路的中性线路中不允许接入短路保护装置。

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2）过热保护

对于连续运行工作制的负载，当出现过载断相或欠电压运行时，设备可能会因过热而损坏，需设置过热保护。常用过热保护元件有热继电器和低压断路器的热脱扣器。

短时运行工作制负载不需要过热保护。断续运行工作制负载的过热保护装置，宜采用直接检测发热情况的半导体温度继电器。 3）过流保护

在电气控制系统中，有时会因为瞬时过载而产生短时过电流，但这一短时过电流却不会使过热保护装置动作。另外，用于短时负载的电动机在经常启动、制动和反转的过程中也会有较大的短时电流（启动电流和制动电流），为了限制启动电流和制动电流，可以采用一定的限流措施（如采用限流电阻），但当限流装置出现故障时，仍会出现大的电流。因此，在电路中设置过流保护装置。常用的过流保护元件有过电流继电器和低压断路器的过电流脱扣器。

过流保护常用于直流电动机和绕线式异步电动机。对于鼠笼式异步电动机，由于直接启动电流很大，而过流保护装置的动作电流整定值又必须躲开启动电流，这样，便使过流保护装置难以对不正常过电流起保护作用。因此，一般鼠笼式异步电动机控制电路中不设置过电流保护装置，但若遇有特殊情况必须设置过流保护时，则可以考虑在启动时不接入过电流保护装置，而在启动后的正常运行时接入过流保护装置。 4）过负荷保护

电机过负荷原因大致分为如下几种情况：

1、由所拖动的机械设备造成。如排灌机械水路阻塞、机轴不同心等，造成电机负荷过大，甚至堵转。

2、由于电机本身工作条件低劣而造成的。如通风不良，周围环境温度过高，电机机械部分故障等原因引起的电机过热，绝缘水平降低，甚至短路。

3、由于供电电网质量不佳，如电压过低、三相不平衡等原因造成的电机电流增加等。

电动机的过负荷保护元件可以是热继电器，小容量电动机可以是直接式，

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基于PLC电机故障诊断系统设计

大容量电动机可以是间接式，热继电器是按照电动机的额定电流的1.05倍到1.1倍整定；也可以用电流继电器，按照电动机允许过载倍数及时间来整定。这样才能保证电动机不被过热损坏。 5）零压、欠压保护

当电网电压消失时，电动机就停止运行，而在电网电压恢复后，若电动机自行启动，则可能引起电动机或生产机械的损坏，甚至危及工作人员的生命安全。另外，当电网电压出现较大波动时，过低的电压可能导致电流过大（在负载功率不变时）,从而引起设备过热。因此，这时需设置零压、失压保护。常用的失压保护元件有接触器或电磁式电压继电器。 6)失磁保护

在直流电动机励磁电流消失或减小得很多时，若轻载运行则会产生超速甚至飞车，若重载运行则使电枢电流迅速增大而引起过热损坏。因此，在他励直流电动机控制电流中应设置失磁保护。一般采用的失磁保护元件为欠电流继电器。

4.3 故障诊断系统设计

4.3.1 系统硬件设计

1、PLC机型的选择及I/O地址的分配

在本系统中，包含以下输入/输出点，见下表4-1。本系统共包含15路开关量，7路模拟量。

表4-1 输入/输出点统计及I/O地址分配

输入

开关量 启动按钮

地址 I0.0

模拟量 Ia(a相电流) Ib(b相电流)

地址 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6 AIW8

停止按钮 I0.1 Ic(c相电流) I0(零序电流)

电动机状态信号 I0.2

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Ua(a相电压)

基于PLC电机故障诊断系统设计

输出

变量寄存器

报警复位按钮

继电器（用于跳闸） 电动机启/停控制 电机开/关指示灯

警报器 起动故障指示灯 停止故障指示灯 短路故障指示灯 断相故障指示灯 欠压故障指示灯 接地故障指示灯 过负荷故障指示灯

符号 StarTim StopTim CyclTim OverTim1 OverTim2

Ia Ib Ic Imax Iop1 Ua Uc Uop

Uc(c相电压)

AIW10 I0.3

I2(负序电流)

AIW12

Q0.0

Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 无 Q0.6

Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 地址 注释

VD100 电机启动/运行累计时间 VD104 电机停止累计时间 VD108 中断程序的中断周期 VD112 电机启动/运行过程累计截止时间VD116 电机停止过程累计截止时间

VD200 a相电流 VD204 b相电流 VD208 c相电流 VD212 三相短路电流 VD216 短路保护动作整定值

VD220 a相电压 VD224 c相电压 VD228

欠压保护动作整定值

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基于PLC电机故障诊断系统设计

I0

Iop2 I Iop3 T37

VD232 VD236 VD240 VD244

零序电流 接地保护动作整定值 到达整定时限后的电流值 过负荷保护动作的整定值

定时器

S7-200 CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；26K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；2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，用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。根据系统的实际情况，结合以上特点，SIMATIC S7-200 CPU226完全可以作为本系统的主机。

CPU226可扩展7个模块，而其本身具有24输入/16输出共40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。

综上所述，基于S7-200 CPU226PLC设计的电机故障诊断系统的总体结构图如图4-1所示。

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基于PLC电机故障诊断系统设计

图4-1 电机故障诊断系统总体结构图

4.3.2 系统软件设计

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，则判断是否存在电机启动/运行命令执行时电机仍然处于停止状态的情况发生。若存在，则计算电机启动/运行累计时间StarTim(StarTim=StarTim+CyclTim)，时间增加的步长为中断子程序的中断周期，然后判断电机启动/运行累计时间是否超过电机启动/运行过程累计截止时间；若不存在，则将电机启动/运行累计时间StarTim清零，然后再判断。判断电机启动/运行累计时间（StarTim）是否超过电机启动/运行过程累计截止时间（OverTim1）,若超过，则说明在电机启动/运行命令执行中，启动/运行累计截止时间内没有收到电机运行反馈信号，则判为电机启动/运行故障，跳转至启动保护子程序，电动机起动启动保护，警报器响，并且启动故障

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基于PLC电机故障诊断系统设计

指示灯亮。若没有超过，则说明电动机已经正常启动，电机开/关指示灯亮。接着判断停止按钮是否按下，若否，则继续下面的程序，若是，则判断是否存在电机停止命令执行时电机仍然处于运行状态的情况发生。若存在，则计算电机停止累计时间StopTim(StopTim=StopTim+CyclTim)，时间增加的步长为中断子程序的中断周期，然后判断电机停止累计时间是否超过电机停止过程累计截止时间；若不存在，则将电机停止累计时间StopTim清零，然后再判断。判断电机停止累计时间（StopTim）是否超过电机停止过程累计截止时间(OverTim2),若超过，则说明在电机停止命令执行中，停止累计截止时间内没有收到电机停止反馈信号，则判为电机停止故障，跳转至停止保护子程序，电动机起动停止保护，警报器响，并且停止故障指示灯亮。若没有超过，则说明电动机已经正常停止，电机开/关指示灯灭，然后按报警复位按钮，程序返回初始状态开始下一次扫描。

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，警报器响，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，若有，则跳转至保护动作子程序段，电动机起动断相保护，警报器响，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，方法是：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，警报器响，并且欠压故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。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，警报器响，并且接地故障指示灯亮。若否，则继续下面的程序。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，警报器响，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。

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基于PLC电机故障诊断系统设计

2、程序流程图 电机启动/运行故障，转入启动保护，警报器响，启动故障指示灯亮 StarTim>OverTim1 StarTim= StarTim+CyclTim StarTim=0 Q0.1= =1 AND I0.2= =0 启动按钮是否按下 可以按启动按钮 KM是否闭合 无法按启动按钮 StarTim、StopTim清零 开始 38

基于PLC电机故障诊断系统设计

电机正常启动，电机开/关指示灯亮 停止按钮按下 Q0.1= =0 AND I0.2= =1 Imax>短路电流整定值 StopTim=0 StopTim= StopTim+ CyclTim 电机跳转至短路保护子程序，起动短路保护，警报器响，短路故障指示灯亮 StarTim>OverTim2 电机开/关指示灯灭，电机停止故障，转入停止保护，警报器响，停止故障指示灯亮 按复位按钮，程序重新开始扫描 Ia==0 or Ib==0 or Ic==0 电机跳转至断相保护子程序，起动断相保护，警报器响，断相故障指示灯亮 39

基于PLC电机故障诊断系统设计

(Ua+Uc)/2<欠压保护整定值 电机跳转至欠压保护子程序，起动欠压保护，警报器响，欠压故障指示灯亮 I0>接地保护整定值 电机跳转至接地保护子程序，起动接地保护，警报器响，接地故障指示灯亮 到整定时限后的电流值>过负荷整定值 电机跳转至过负荷保护子程序，起动过负荷保护，警报器响，过负荷故障指示灯亮

图4-2 诊断系统控制流程图

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基于PLC电机故障诊断系统设计

3、程序梯形图（指令表） （1）主程序： Network 1 LD SM0.1

MOVR 0.0, StarTim:VD100 MOVR 0.0, StopTim:VD114 MOVR 0.0, Ia:VD200 MOVR 0.0, Ib:VD204 MOVR 0.0, Ic:VD208 MOVR 0.0, Ua:VD220 MOVR 0.0, Uc:VD224 MOVR 0.0, I0:VD232 MOVR 0.0, I:VD240 R T37, 1 Network 2 LBL 5 Network 3 LD Q0.0 O Q0.1 = Q0.1 JMP 2 Network 4 LBL 0 Network 5 LD I0.0 LPS A Q0.1 AN I0.2

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+R CyclTim:VD108, StarTim:VD100 NOT

MOVR 0.0, StarTim:VD100 LPP NOT JMP 0 Network 6

LDR>= StarTim:VD100, OverTim1:VD112 CALL SBR_0:SBR0 NOT

S Q0.2, 1 Network 7 LD I0.1 JMP 1 Network 8 LBL 2 Network 9

LDR>= Imax:VD212, Iop1:VD216 CALL SBR_1:SBR1 NOT

TON T37, 20 Network 10

LDR= Ia:VD200, 0.0 OR= Ib:VD204, 0.0 OR= Ic:VD208, 0.0 CALL SBR_2:SBR2 NOT

+R Ua:VD220, Uc:VD224

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/R 2.0, Uc:VD224 Network 11

LDR<= Uc:VD224, Uop:VD228 CALL SBR_3:SBR3 Network 12

LDR>= I0:VD232, Iop2:VD236 CALL SBR_4:SBR4 Network 13 LD T37

AR>= I:VD240, Iop3:VD244 CALL SBR_5:SBR5 NOT JMP 2 Network 14 LBL 1 Network 15 LDN Q0.1 A I0.2

+R CyclTim:VD108, StopTim:VD114 NOT

MOVR 0.0, StopTim:VD114 Network 16

LDR>= StopTim:VD114, OverTim2:VD116 CALL SBR_6:SBR6 NOT

R Q0.2, 1 Network 17 LBL 4

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基于PLC电机故障诊断系统设计

Network 18 LD I0.3 EU

MOVR 0.0, StarTim:VD100 MOVR 0.0, StopTim:VD114 MOVR 0.0, Ia:VD200 MOVR 0.0, Ib:VD204 MOVR 0.0, Ic:VD208 MOVR 0.0, Ua:VD220 MOVR 0.0, Uc:VD224 MOVR 0.0, I0:VD232 MOVR 0.0, I:VD240 R Q0.3, 8 R T37, 1 JMP 5 Network 19 （2）子程序： ①启动保护子程序：

LDR>= StarTim:VD100, OverTim1:VD112 R Q0.0, 2 S Q0.3, 2 JMP 4

②短路保护子程序：

LDR>= Imax:VD212, Iop1:VD216 R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q0.6, 1 JMP 4

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③断相保护子程序： LDR= Ia:VD200, 0.0 OR= Ib:VD204, 0.0 OR= Ic:VD208, 0.0 R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q0.7, 1 JMP 4

④欠压保护子程序：

LDR<= Ua:VD220, Uop:VD228 R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q1.0, 1 JMP 4

⑤接地保护子程序：

LDR>= I0:VD232, Iop2:VD236 R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q1.1, 1 JMP 4

⑥过负荷保护子程序： LDR>= I:VD240, Iop3:VD244 R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q1.2, 1 JMP 4

⑦停止保护子程序：

LDR>= StopTim:VD114, OverTim2:VD116

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R Q0.0, 2 S Q0.3, 1 S Q0.5, 1 JMP 4

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5 系统电源设计

供电系统设计是指PLC控制系统CPU模块、I/O模块及相关外围设备的供电设计。供电系统的好坏直接影响整个控制系统的可靠性，因此在设计供电系统时应考虑下列因素：

（1） 输入电源的电压允许在一定范围内变化。

（2） 当输入交流电断电时，应不破坏PLC内部程序和数据。 （3） 在控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余。 （4） 当外部设备电源断电时，应不影响PLC的供电。 （5） 应考虑电源系统的抗干扰性。

为提高系统的可靠性和抗干扰性能，在PLC供电系统中可采用隔离变压器、交流稳压器、UPS电源等措施，其中，采用隔离变压器进行分别供电是较为常用的方法，如图5-1所示。CPU模块、各I/O模块及其他设备分别由具有隔离功能的变压器供电，与主电源分离。这样做最大的好处是各电源间不会相互影响。如断开输入、输出回路的供电电源时，不会影响到CPU模块的供电。

图5-1 采用隔离变压器分别进行别供电的供电系统

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PLC电源单元的连接：

接线时，在电源单元和供电电源之间连接隔离变压器，变压器的副边不接地，这样可以减少PLC和大地之间的噪声，还可以保证人员的安全。

电源单元的外部接线不多，在接线时要注意以下问题： （1）根据所使用的外部电压数值正确选择电压选择器；

（2）在接线过程中不要移去单元顶部的保护标签，直到配线完成。这个标签可以防止绞线和其他异物进入单元。配线结束便把标签移去，否则标签将会堵住冷却通道，阻碍空气流通。

（3）RUN输出主要用于紧急停车的控制，使用时RUN接点应与被控电源串联。

（4）使用隔离变压器可提高电源的抗干扰能力。为了改善隔离变压器的抗干扰效果，一是将屏蔽层良好接地，二是变压器的次级输出线采用双绞线，可减少电源线间的干扰。

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致谢

毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和进行相关方面的工作打下良好的基础。

经过几个月的艰苦努力，我的毕业设计终于完成了。这几个月辛苦的毕业设计，既磨练了我的意志，也对我大学期间所学的知识进行了一次综合地考察。在毕业论文付梓知己，我想向曾经给过我帮助和支持的老师、同学们表示中心的感谢。因为没有他们的帮助，我的毕业设计是不可能完成的。

首先，我要感谢成栋学院的老师们，他们不仅教会我专业方面的知识，而且教会我做人做事的道理。尤其要感谢我的毕业设计指导老师宋伟先老师，她给予了我极大的帮助。每有问题，宋老师总能够耐心地解答，不厌其烦地为我讲解，使我受益匪浅。在唐老师的指导下，我明晰了论文的关键所在以及文章的主旨思路，学到了很多知识，专业水平也有了很大提高。并且老师还在百忙之中抽空认真地为我修改毕业设计论文，我真的要在这里对唐老师真诚地说一声谢谢。

其次，我要感谢我亲爱的同学们，是他们伴我度过了人生中最为关键、最美好的大学时光，和他们日常相处的点点滴滴让我印象深刻。是同学们对我的启发和帮助，为我营造了和谐的学习氛围，给予了我战胜困难的勇气和信心。

最后，再次衷心地感谢我的老师和同学们。

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参考文献

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[14]周东华，孙优贤等.控制系统的故障检测与诊断技术.北京：清华大学出版社，1994.

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附录

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