基于plc的电机故障诊断系统设计.doc

毕业设计（论文）题目：基于PLC的电机故障诊断系统设计院 (系)： 机电工程系 专 业： 机电一体化 姓 名： 3 学 号： 3 指导教师： 3 任务与要求 任务：1、明确控制要求，确定控制方案。 2、选择PLC类型。3、输入输出设备选择及输入输出点分配。4、设计调试。5、电机故障诊断控制系统的实现。 要求：1、介绍所使用PLC及控制系统涉及其它设备的基本情况。2、分析所设计控制系统的控制对象的工艺流程。3、确定I/O表。4、设计硬件构成及接线。5、设计PLC控制程序。6、依照上述要求撰写毕业论文。毕业设计(论文)进度计划表摘 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AbstractThis 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 basisA 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 operationPrepared to boot, press the button after boot, the circuit breaker status is detected firstIf the circuit breaker initial state is closed, electrical doesnt start and sound and light alarmIf the circuit breaker initial state is disconnected , the circuit breaker close and the electrical startStart in the process, if a failure occurred, the protection PLC correspond actionStart after the completion of “motor on/off indicator light” on , the electrical normal operateRunning 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 onIf occurred, PLC protection act accordingly shut downPLC received shutdownorders,tripping circuit breakers,“motor on /off indicator light” eliminate Fault sound and light alarm at the “alarm reset button”resetThis choice is based on the design of the motor PLC fault diagnosis system designKEY WORD：Fault Diagnosis PLC Motor目录第一章 绪论1第二章 PLC原理介绍及设备总体结构介绍2第一节 PLC发展历程2第二节 PLC的分类3第三节 PLC的工作原理4第四节 PLC的组成5第三章 可编程控制器系统设计8第一节 可编程控制器系统设计原则8第二节 可编程控制器系统设计步骤8第三节 可编程控制器控制系统的硬件设计9第四节 PLC的选取及介绍11第五节 S7-200系列PLC的硬件配置14第四章 电机故障诊断系统设计18第一节 电机的故障18第二节 电机的保护19第三节 故障诊断系统设计21第五章 系统电源设计33结论35致谢36参考文献37附录38第一章 绪论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。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，提高工作可靠性及其系统的灵活性。第二章 PLC原理介绍及设备总体结构介绍第一节 PLC发展历程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；且系统维修及改造很不容易。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。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；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；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。第二节 PLC的分类一、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、A3N系列，立石公司C系列C500、C2000H和通用电气公司的90TM-70、90TM-30等。二、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。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、FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、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28KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字运算、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。第三节 PLC的工作原理小型PLC的工作过程有两个显著特点：周期性顺序扫描；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。一、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。二、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。三、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。四、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。第四节 PLC的组成一、中央处理单元（CPU）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的档次越高，所用的CPU的位数越多、运算速度越快、功能越强。二、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。三、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。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。四、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。五、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。六、输入/输出扩展单元输入/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。第三章 可编程控制器系统设计第一节 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，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：一、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。二、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。第二节 可编程控制器系统设计步骤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。分析生产工艺过程，确定控制方案绘制系统流程图PLC选型PLC的I/O地址分配软件设计与预调试模拟调试投入运行软件调整、硬件调整硬件电路设计与组装符合功能 图3.1 PLC系统设计流程图第三节 可编程控制器控制系统的硬件设计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。一、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，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，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。二、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。通常I/O点数是根据统计的点数数据，再加上1015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。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。三、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1030m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。四、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。五、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-1010V、010V、15V电压型及020mA、420mA电流型等。第四节 PLC的选取及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S7系列PLC体积小、速度快、标准化，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。一、SIMATIC S7-200 PLCS7-200PLC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：1.高速计数器输入；2.短暂脉冲捕捉功能；3.高速脉冲输出；4.I/O硬件中断事件；5.特殊功能相关的中断功能；6.PID控制，PID自整定功能；7.用户自定义的库指令，便于模块化编程；8.在RUN状态下的在线编程能力；9.可调整的数字量和模拟量的输入滤波；10.定义数字量和模拟量在STOP时的状态。二、SIMATIC S7-300 PLCS7-300PLC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、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。三、 SIMATIC S7-400 PLCS7-400PLC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。四、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。五、人机界面HMIHMI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。六、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。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。第五节 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：一、硬件系统配置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。二、CPU模块 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。表3.1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200 CPU22164-S7-200 CPU222862个扩展模块 78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200 CPU22414107个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200 CPU224XP14107个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200 CPU22624167个扩展模块 248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点三、数字量扩展模块S7-200系列PLC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 输入/输出扩展模块型号名称扩展模块EM221数字量输入扩展模块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EM223数字量输入/输出扩展模块24VDC输入4点/晶体管输出4点24V表3.2 S7-200系列PLC数字量输入/输出扩展模块DC输入4点/继电器输出4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点四、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EM231模拟量输入扩展模块（12位）差分输入，输入范围：电压：010V，05V，2.5V，5V电流：020mA转换时间小于250us最大输入电压30VDC，最大输入电流32mAEM232模拟量输出扩展模块（12位）输出范围：电压：10V，电流：020mA数据字格式：电压：-32000+32000V电流：0+32000mA分辨率：电压12位，电流11位EM235模拟量输入/输出扩展模块输入4路，输出1路差分输入，输入范围：电压（单极性）：010V，05V，01V，0500mV，0100mV，050mV电压（双极性）：10V，5V，2.5V，1V，500mV, 250mV, 100mV, 50mV, 25mV电流: 020mA转换时间小于250us稳定时间：电压100us，电流2ms五、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。EM277模块：EM277模块是PROFIBUS-DP从站模块，同时也支持MPI从站通信。EM241:调制解调器通信模块。CP243-1：工业以太网通信模块。CP243-1 IT：工业以太网通信模块，同时提供Web/E-mail等IT应用。CP243-2：AS-I主站模块，可连接最多62个AS-I从站。六、编程器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。七、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8K