西門子系列PLC選型向導

可編程邏輯控制器，簡稱 PLC（Programmable logic Controller）, 是以計算機技術為基礎的工業(yè)控制裝置。

1987年，國際電工委員會IEC （International Electrical Committee）頒布了可編程序控制器的定義：可編程控制器是一種能夠直接應用于專門為在產業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操縱的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操縱的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各類的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P的外圍設備都應按照易于與產業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。PLC 的組成結構主要由中央處理單元, 儲存器，輸入輸出單元，通信接口，擴展接口和電源等組成。

1 中央處理單元

中央處理器單元即CPU，一般由控制器、運算器和寄存器組成。CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與儲存單元、輸入輸出單元、通信接口、擴展接口相連。CPU 是 PLC 的核心，輸入單元將采集的輸入信號傳送到CPU，CPU執(zhí)行用戶程序并將運算結果傳送到輸出單元，用以驅動現(xiàn)場設備。選擇CPU通常需要考慮一下幾個方面：

·運算速度：不同的控制系統(tǒng)對控制的響應速度需求不同，對于要求響應時間較快的系統(tǒng)，則要求CPU的運算速度快，并盡快地將運算結果傳送到輸出單元。

運算速度性能指標可參考CPU指令執(zhí)行時間。

·工作存儲器：根據(jù)控制方案的復雜程度預估需要的工作存儲器大小，考慮適當?shù)挠嗔俊?/p>

·I/O帶載能力： CPU通常使用I/O地址空間來描述其允許訪問輸入輸出的能力，8個數(shù)字量通道占用1個字節(jié)地址空間，1個模擬量通道占用2字節(jié)地址空間。在具體選型時還需要根據(jù)實際情況考慮I/O余量占用的地址空間。此外有些CPU還有允許連接模塊最大數(shù)量限制。

·集成的通信接口：CPU通過通信接口進行編程組態(tài)，還可與人機界面、其他PLC系統(tǒng)、分布式I/O等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。CPU集成的通信接口通常有MPI接口、PROFIBUS接口、PROFINET（PN）接口，根據(jù)通信對象（通信對象可以為編程設備、儀表、HMI、其他PLC系統(tǒng)等等）支持的電氣接口標準以及所使用的通信協(xié)議選擇集成通信接口。

2 儲存器

PLC 的存儲器包括系統(tǒng)存儲器，裝載存儲器和工作存儲器。系統(tǒng)存儲器用于存放 PLC 的系統(tǒng)程序和內部寄存器， 裝載存儲器則用于存放 PLC 的用戶程序，用戶程序編譯后被存放在工作存儲器中執(zhí)行。裝載存儲器通常為MC卡，支持外部擴展，而工作存儲器是集成在CPU中并且無法擴展的，在選擇CPU時需根據(jù)控制方案的復雜程度預估可能使用的工作存儲器大小并留有適當余量。選擇裝載存儲器通常只需選擇不小于工作存儲器大小的存儲卡即可。

3 通信接口

通信接口的功能是通過這些通信接口可以和監(jiān)視器、 打印機、 其他的 PLC 或是計算機相連， 從而實現(xiàn)“PLC與上位機”或“PLC與PLC”之間的通信。通信接口可以集成在CPU模塊上使用內部總線與CPU通信，也可以使用單獨的通信接口模塊通過外部總線與CPU通信。通信接口的選擇首先確定通信對象接口的電氣標準例如RS232、RS485、RJ45等，還需要確定使用的協(xié)議，常見的例如PROFINET，PROFIBUS總線協(xié)議，通過PROFINET和PROFIBUS總線，CPU可與分散在遠端現(xiàn)場的輸入輸出單元進行數(shù)據(jù)交換，使PLC系統(tǒng)規(guī)模更易于擴充。

4 輸入輸出單元（I/O）

輸入單元的作用是將按鈕、行程開關或傳感器等產生的信號輸入 CPU，根據(jù)信號類型，輸出單元的作用則是將 CPU 向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執(zhí)行元件的信號，以便控制接觸器線圈等電器的通、斷電。

輸入輸出單元主要分為模擬量輸入模塊，模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。模擬量輸入模塊測量電流、電壓、電阻、熱電偶等連續(xù)信號，模擬量輸出模塊輸出電流、電壓信號驅動現(xiàn)場執(zhí)行器，模擬量輸入輸出模塊需考慮處理信號的分辨率，響應時間以及信號測量范圍。數(shù)字量輸入模塊應考慮信號電平、傳輸距離、隔離、供電方式，響應時間等應用要求。數(shù)字量輸出模塊應考慮不同的負載對PLC的輸出方式的要求。

繼電器輸出模塊具有使用電壓范圍廣、導通壓降小、有隔離作用等許多優(yōu)點，但響應時間較長，所以動作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型模塊；而頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型模塊，而不應選用繼電器輸出型模塊。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出等，與應用要求應一致。

此外還有一些智能式輸入輸出模塊，如高速計數(shù)模塊、凸輪模擬模塊、單回路或多回路的PID模塊等。一般智能式模塊本身帶有處理器，可對輸入或輸出信號作預先規(guī)定的處理．并將處理結果送入CPU或直接輸出，這樣可提高PLC的處理速度并節(jié)省存儲器的容量。

5 擴展接口

PLC 的擴展接口的作用是將擴展單元與基本單元相連，可簡單的擴充 PLC系統(tǒng)規(guī)模，在早期可滿足小中型PLC控制系統(tǒng)的需要，隨著PLC系統(tǒng)規(guī)模不斷的擴大以及總線技術的發(fā)展，使用分布式I/O來擴展PLC系統(tǒng)已經越來越普及，擴展接口已經很少使用。

6 電源

PLC 一般使用 220V交流電源或 24V 直流電源，通過內部開關電源為 PLC 的中央處理器、接口單元、輸入輸出單元等電路提供 5V、12V、24V 直流電源，使PLC 能正常工作。選擇電源時需要計算每個模塊的電流消耗，包括CPU、接口模塊、輸入模塊、輸出模塊以及外部負載等等。在制造商提供的產品手冊中能查到各種部件的電流或功率消耗值。

PLC選型過程中不僅需要考慮以上幾個部分的性能，還需考慮PLC系統(tǒng)的安裝環(huán)境。在特定的環(huán)境下需要選擇特殊系列的PLC，例如戶外使用時可能需要的防護等級為IP67，環(huán)境溫度小于0℃的需要選擇寬溫型的PLC。

PLC系統(tǒng)常用環(huán)境指標：

·防護等級 ：IP20

·環(huán)境溫度 ：水平安裝0℃～60℃；垂直安裝0℃～40℃

·相對濕度 ：10%~95% 無冷凝

·大氣壓 ：1080 hPa 到 795 hPa，對應高度為-1000 m 到 2000 m

·污染物濃度：SO2： < 0.5 ppm; RH < 60%，非冷凝

H2S： < 0.1 ppm; RH < 60%，非冷凝

·適用于防爆等級 I，分區(qū) 2，組 A、B、C、D，或非危險區(qū)。

7 西門子S7-300 系列PLC選型向導

1）PLC系統(tǒng)運行環(huán)境：考慮環(huán)境溫度、濕度、海拔、震動、沖擊等等環(huán)境因素。例如運行環(huán)境溫度在0℃～60℃之間可選擇標準型產品，溫度超出此范圍，則需要選擇SIPLUS系列產品。

2）PLC系統(tǒng)通信接口：由于S7-300系列PLC主機架上最多只能連接8個I/O模塊，對于稍大規(guī)模的控制系統(tǒng)可能需要連接更多模塊，當控制系統(tǒng)信號點分布比較集中時，可選擇通過擴展模塊IM365或IM360/361擴展1個或最多3個機架，每個機架最多安裝8個模塊來擴展系統(tǒng)規(guī)模，而對于需要使用更多模塊或現(xiàn)場信號分布較分散的控制系統(tǒng)，可通過分布式I/O單元采集現(xiàn)場信號并通過PROFIBUS或PROFINET 現(xiàn)場總線與 CPU通信。使用PROFIBUS總線需選擇帶PROFIBUS接口的CPU（例如CPU 315-2 DP ）或者增加CP342-5擴展PROFIBUS接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFIBUS總線的ET200系列產品，例如ET200M、ET200S、ET200MP、ET200SP等等；使用PROFINET總線則需選擇帶PN接口的CPU（例如CPU 317-2 PN/DP）或者增加CP343-1 擴展PROFINET接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFINET總線的ET200系列產品，例如ET200M、ET200S、ET200MP、ET200SP等等。另外CPU需要與其他PLC或上位機通信時應根據(jù)通信對象實際使用的通信協(xié)議選擇相應的通信接口模塊，例如MODBUS RTU 協(xié)議選擇CP341模塊。

3）PLC系統(tǒng)輸入輸出單元：PLC系統(tǒng)中允許使用的輸入輸出通道數(shù)量取決于CPU，CPU使用I/O地址空間來描述其允許訪問輸入輸出的能力，例如CPU 317-2PN/DP （6ES7317-2EK14-0AB0）地址空間為輸入8192字節(jié)，輸出8192字節(jié)，其中每8個數(shù)字量通道占用1個字節(jié)地址空間，每1個模擬量通道占用2字節(jié)地址空間，那么這款CPU都接數(shù)字量通道的話，允許最多使用65536個數(shù)字量輸入通道和65536個數(shù)字量輸出通道；如果都接模擬量通道的話，允許最多使用4096個模擬量輸入通道和4096個模擬量輸出通道。根據(jù)項目實際情況選擇I/O模塊型號和數(shù)量并應該適當留有余量。

4）PLC系統(tǒng)的存儲器選型：PLC的裝載存儲器（MMC）可以更換大小，而CPU的工作存儲器是無法擴展的，不同型號CPU所集成的工作存儲器大小不同，例如CPU 317-2 PN/DP （6ES7317-2EK14-0AB0）的工作存儲器為1MB，而CPU 314 （6ES7314-1AG14-0AB0）的工作存儲器僅為128KB。根據(jù)已編寫完成或項目實際情況估算用戶程序大小來選擇工作存儲器足夠大的CPU和裝載存儲器。

5）選擇電源：S7-300 PLC系統(tǒng)使用24 VDC電源為PLC系統(tǒng)供電，需要計算CPU模塊消耗電流、通信接口模塊消耗電流、所有I/O模塊消耗電流，以及外圍設備消耗電流并適當保留20%左右余量。通常外圍設備供電電源根據(jù)實際情況單獨配置。

例如對以下PLC系統(tǒng)的電源估算，CPU315-2 PN/DP 帶8個I/O模塊，其中模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出模塊各兩塊：

·CPU 315-2PN/DP（6ES7315-2EH14-0AB0）24 VDC電流消耗典型值為750mA。

·SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）8通道模擬量輸入模塊，消耗24VDC電流30mA，連接2線制電流傳感器時每通道最大消耗電流60mA。

·SM332（6ES7332-5HF00-0AB0）8通道模擬量輸出模塊，消耗24VDC電流340mA。

·SM321（6ES7321-1BL00-0AA0）32通道數(shù)字量輸入模塊，每通道24 VDC電流消耗典型值7mA。

·SM322（6ES7322-1BL00-0AA0）32通道數(shù)字量輸出模塊，每通道24 VDC輸出電流最大0.5A。

CPU及模板電源消耗估算：750 +（ 30 + 60 ×8）× 2 + 340 ×2 = 2450mA，預留20% 余量后可選擇PS3075A電源模塊。

外圍設備最大允許電源消耗：32 ×7 × 2 + 500 ×32 × 2 = 32448 mA，供電電源根據(jù)實際情況單獨配置。

6）特殊功能：需要實現(xiàn)安全（safety）功能的需要選擇F系列PLC（例如 CPU 315F-2 DP）；需要實現(xiàn)運動控制功能的可以選擇T系列PLC（例如CPU 317TF-3 PN/DP）。

8 西門子S7-1500 系列PLC選型向導

1）PLC系統(tǒng)運行環(huán)境：考慮環(huán)境溫度、濕度、海拔、震動、沖擊等等環(huán)境因素。例如運行環(huán)境溫度在0℃～60℃之間可選擇標準型產品，溫度超出此范圍，則需要選擇SIPLUS系列產品。

2）PLC系統(tǒng)通信接口：S7-1500系列PLC主機架上最多能連接32個模塊，能滿足大部分中小型控制系統(tǒng)的需求，而對于需要使用更多模塊或現(xiàn)場信號分布較分散的控制系統(tǒng)，可通過分布式I/O單元采集現(xiàn)場信號并通過PROFIBUS或PROFINET 現(xiàn)場總線與 CPU通信。S7-1500系列PLC默認集成PN接口，支持開放以太網協(xié)議，支持通過PROFINET總線擴展分布式I/O單元（ET200MP，ET200SP等系列產品）；使用PROFIBUS總線，則需要選擇帶PROFIBUS接口的CPU（例如CPU1516-3 PN/DP ）或者增加CP1542-5或CM1542-5擴展PROFIBUS接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFIBUS總線的ET200系列產品；對于需要進行遠程安全訪問的場合可選擇CP1543-1模板，其提供防火墻及VPN功能以保證遠程訪問安全。

3）PLC系統(tǒng)中輸入輸出通道規(guī)模：PLC系統(tǒng)中允許使用的輸入輸出通道數(shù)量取決于CPU，CPU使用I/O地址空間來描述其允許訪問輸入輸出的能力，例如CPU1516-3 PN/DP （6ES7 516-3AN00-0AB0）地址空間為輸入32KB字節(jié)，輸出32KB字節(jié)，其中每8個數(shù)字量通道占用1個字節(jié)地址空間，每1個模擬量通道占用2字節(jié)地址空間，那么這款CPU都接數(shù)字量通道的話，理論上允許最多使用262144個數(shù)字量輸入通道和262144個數(shù)字量輸出通道；如果都接模擬量通道的話，理論上允許最多使用16384個模擬量輸入通道和16384個模擬量輸出通道。

同時CPU 1516-3最大允許連接的模塊為8192個模塊，例如按連接32通道數(shù)字量輸入模塊和32通道數(shù)字量輸出模塊計算，可以使用總共4096個數(shù)字量輸入模塊和4096個數(shù)字量輸出模塊，此時I/O地址空間還各剩一半也無法使用更多的模塊。

4）PLC系統(tǒng)的存儲器選型：PLC的裝載存儲器（MMC）可以更換大小，而CPU的工作存儲器是無法擴展的，不同型號CPU所集成的工作存儲器大小不同，例如CPU 1516-3 PN/DP（6ES7 516-3AN00-0AB0）的工作存儲器為6MB，其中1MB用于存放程序代碼，5MB用于存放數(shù)據(jù)，而CPU 1511 （6ES7 511-1AK00-0AB0）的工作存儲器僅為150KB的程序代碼區(qū)和1MB的數(shù)據(jù)區(qū)。

根據(jù)已編寫完成或項目實際情況估算用戶程序大小來選擇工作存儲器足夠大的PLC和裝載存儲器。

5）選擇電源：S7-1500 PLC系統(tǒng)中，PM電源模塊為負載供電，其輸入電壓為120/230VAC，PS電源模塊和CPU為PLC系統(tǒng)背板總線供電，輸入電壓為24 VDC，因此S7-1500 PLC系統(tǒng)需要計算兩部分消耗：背板總線功耗和24 VDC電源消耗。背板總線功耗為機架上所有模塊功耗之和，24 VDC電源消耗需要計算CPU模塊消耗電流、通信接口模塊消耗電流、所有I/O模塊消耗電流，以及外圍設備消耗電流并適當保留20%左右余量。

通常外圍設備供電電源根據(jù)實際情況單獨配置。

例如對以下PLC系統(tǒng)的電源估算，CPU1516-3 PN/DP 帶12個I/O模塊，其中模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字量輸入，數(shù)字量輸出模塊各3塊順序安裝：

·CPU 1516-3PN/DP（6ES7516-3AN00-0AB0）背板輸入功率12W，消耗24 VDC電流850mA。

·AI 8XU/I HS（6ES7 531-7NF10-0AB0）8通道模擬量輸入模塊，背板消耗功率1.2W，消耗24VDC電流240mA，連接2線制電流傳感器時每通道最大消耗電流53mA。

·AQ 8XU/I HS（6ES7 532-5HF00-0AB0）8通道模擬量輸出模塊，背板消耗功率1.15W，消耗24VDC電流260mA。

·DI 32X24VDC HF（6ES7 521-1BL00-0AB0）32通道數(shù)字量輸入模塊，背板消耗功率1.1W，每通道24 VDC電流消耗典型值2.5mA。

·DQ 32X24VDC/0.5A ST （6ES7 522-1BL00-0AB0）32通道數(shù)字量輸出模塊，背板消耗功率1.1W每通道24 VDC輸出電流最大0.5A。

背板總線消耗：12-1.2*3-1.15*3-1.1*3-1.1*3=-1.65W。CPU背板總線輸出功率不夠，需要增加PS 25W（6ES7505-0KA00-0AB0）電源模塊，其背板輸入功率25W，消耗24 VDC電流1300mA，其安裝位置可以在緊挨CPU左側或第一個DQ模塊與第二個DQ模塊之間。

CPU 及模塊電源消耗估算：850+［240+(53× 8)］×3 + 260 × 3 + 1300= 4922 mA，預留20% 余量后可選擇PM 190W 電源模塊。

外圍設備最大允許電源消耗：32 × 2.5 × 3 + 500 ×32 × 3 = 48240 mA，供電電源根據(jù)實際情況單獨配置。

6）特殊功能：需要實現(xiàn)安全（safety）功能的需要選擇F系列PLC（例如CPU 1516F-3 PN/DP）。