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西門子系列PLC選型向?qū)?/p>

可編程邏輯控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（Programmable logic Controller）, 是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置。

1987年，電工委員會(huì)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(yīng)用于專門為在產(chǎn)業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操縱的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。PLC 的組成結(jié)構(gòu)主要由處理單元, 儲(chǔ)存器，輸入輸出單元，通信接口，擴(kuò)展接口和電源等組成。

1 處理單元

處理器單元即CPU，一般由控制器、運(yùn)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(chǔ)存單元、輸入輸出單元、通信接口、擴(kuò)展接口相連。CPU 是 PLC 的核心，輸入單元將采集的輸入信號(hào)傳送到CPU，CPU執(zhí)行用戶程序并將運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出單元，用以驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。選擇CPU通常需要考慮一下幾個(gè)方面：

·運(yùn)算速度：不同的控制系統(tǒng)對(duì)控制的響應(yīng)速度需求不同，對(duì)于要求響應(yīng)時(shí)間較快的系統(tǒng)，則要求CPU的運(yùn)算速度快，并盡快地將運(yùn)算結(jié)果傳送到輸出單元。

運(yùn)算速度性能指標(biāo)可參考CPU指令執(zhí)行時(shí)間。

·工作存儲(chǔ)器：根據(jù)控制方案的復(fù)雜程度預(yù)估需要的工作存儲(chǔ)器大小，考慮適當(dāng)?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(gè)數(shù)字量通道占用1個(gè)字節(jié)地址空間，1個(gè)模擬量通道占用2字節(jié)地址空間。在具體選型時(shí)還需要根據(jù)實(shí)際情況考慮I/O余量占用的地址空間。此外有些CPU還有允許連接模塊大數(shù)量限制。

·集成的通信接口：CPU通過通信接口進(jìn)行編程組態(tài)，還可與人機(jī)界面、其他PLC系統(tǒng)、分布式I/O等實(shí)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(duì)象（通信對(duì)象可以為編程設(shè)備、儀表、HMI、其他PLC系統(tǒng)等等）支持的電氣接口標(biāo)準(zhǔn)以及所使用的通信協(xié)議選擇集成通信接口。

2 儲(chǔ)存器

PLC 的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器，裝載存儲(chǔ)器和工作存儲(chǔ)器。系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于存放 PLC 的系統(tǒng)程序和內(nèi)部寄存器， 裝載存儲(chǔ)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(chǔ)器中執(zhí)行。裝載存儲(chǔ)器通常為MC卡，支持外部擴(kuò)展，而工作存儲(chǔ)器是集成在CPU中并且無法擴(kuò)展的，在選擇CPU時(shí)需根據(jù)控制方案的復(fù)雜程度預(yù)估可能使用的工作存儲(chǔ)器大小并留有適當(dāng)余量。選擇裝載存儲(chǔ)器通常只需選擇不小于工作存儲(chǔ)器大小的存儲(chǔ)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(jī)、 其他的 PLC 或是計(jì)算機(jī)相連， 從而實(shí)現(xiàn)“PLC與上位機(jī)"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(nèi)部總線與CPU通信，也可以使用單獨(dú)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(duì)象接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)的輸入輸出單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使PLC系統(tǒng)規(guī)模更易于擴(kuò)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(guān)或傳感器等產(chǎn)生的信號(hào)輸入 CPU，根據(jù)信號(hào)類型，輸出單元的作用則是將 CPU 向外輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行元件的信號(hào)，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(cè)量電流、電壓、電阻、熱電偶等連續(xù)信號(hào)，模擬量輸出模塊輸出電流、電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器，模擬量輸入輸出模塊需考慮處理信號(hào)的分辨率，響應(yīng)時(shí)間以及信號(hào)測(cè)量范圍。數(shù)字量輸入模塊應(yīng)考慮信號(hào)電平、傳輸距離、隔離、供電方式，響應(yīng)時(shí)間等應(yīng)用要求。數(shù)字量輸出模塊應(yīng)考慮不同的負(fù)載對(duì)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(dǎo)通壓降小、有隔離作用等許多優(yōu)點(diǎn)，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，所以動(dòng)作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型模塊；而頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型模塊，而不應(yīng)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(yīng)用要求應(yīng)*。

此外還有一些智能式輸入輸出模塊，如高速計(jì)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(duì)輸入或輸出信號(hào)作預(yù)先規(guī)定的處理．并將處理結(jié)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(chǔ)器的容量。

5 擴(kuò)展接口

PLC 的擴(kuò)展接口的作用是將擴(kuò)展單元與基本單元相連，可簡(jiǎn)單的擴(kuò)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(kuò)大以及總線技術(shù)的發(fā)展，使用分布式I/O來擴(kuò)展PLC系統(tǒng)已經(jīng)越來越普及，擴(kuò)展接口已經(jīng)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(nèi)部開關(guān)電源為 PLC 的處理器、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(shí)需要計(jì)算每個(gè)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(fù)載等等。在制造商提供的產(chǎn)品手冊(cè)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(gè)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(shí)可能需要的防護(hù)等級(jí)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(biāo)：

·防護(hù)等級(jí) ：IP20

·環(huán)境溫度 ：水平安裝0℃～60℃；垂直安裝0℃～40℃

·相對(duì)濕度 ：10%~95% 無冷凝

·大氣壓 ：1080 hPa 到 795 hPa，對(duì)應(yīng)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(jí) I，分區(qū) 2，組 A、B、C、D，或非危險(xiǎn)區(qū)。

7 西門子S7-300 系列PLC選型向?qū)?/p>

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

2）PLC系統(tǒng)通信接口：由于S7-300系列PLC主機(jī)架上多只能連接8個(gè)I/O模塊，對(duì)于稍大規(guī)模的控制系統(tǒng)可能需要連接更多模塊，當(dāng)控制系統(tǒng)信號(hào)點(diǎn)分布比較集中時(shí)，可選擇通過擴(kuò)展模塊IM365或IM360/361擴(kuò)展1個(gè)或多3個(gè)機(jī)架，每個(gè)機(jī)架多安裝8個(gè)模塊來擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模，而對(duì)于需要使用更多模塊或現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(chǎng)信號(hào)并通過PROFIBUS或PROFINET 現(xiàn)場(chǎng)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(kuò)展PROFIBUS接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFIBUS總線的ET200系列產(chǎn)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(kuò)展PROFINET接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFINET總線的ET200系列產(chǎn)品，例如ET200M、ET200S、ET200MP、ET200SP等等。另外CPU需要與其他PLC或上位機(jī)通信時(shí)應(yīng)根據(jù)通信對(duì)象實(shí)際使用的通信協(xié)議選擇相應(yīng)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(gè)數(shù)字量通道占用1個(gè)字節(jié)地址空間，每1個(gè)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，允許多使用65536個(gè)數(shù)字量輸入通道和65536個(gè)數(shù)字量輸出通道；如果都接模擬量通道的話，允許多使用4096個(gè)模擬量輸入通道和4096個(gè)模擬量輸出通道。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇I/O模塊型號(hào)和數(shù)量并應(yīng)該適當(dāng)留有余量。

4）PLC系統(tǒng)的存儲(chǔ)器選型：PLC的裝載存儲(chǔ)器（MMC）可以更換大小，而CPU的工作存儲(chǔ)器是無法擴(kuò)展的，不同型號(hào)CPU所集成的工作存儲(chǔ)器大小不同，例如CPU 317-2 PN/DP （6ES7317-2EK14-0AB0）的工作存儲(chǔ)器為1MB，而CPU 314 （6ES7314-1AG14-0AB0）的工作存儲(chǔ)器僅為128KB。根據(jù)已編寫完成或項(xiàng)目實(shí)際情況估算用戶程序大小來選擇工作存儲(chǔ)器足夠大的CPU和裝載存儲(chǔ)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(jì)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(shè)備消耗電流并適當(dāng)保留20%左右余量。通常外圍設(shè)備供電電源根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)配置。

例如對(duì)以下PLC系統(tǒng)的電源估算，CPU315-2 PN/DP 帶8個(gè)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(shí)每通道大消耗電流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輸出電流大0.5A。

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

外圍設(shè)備大允許電源消耗：32 ×7 × 2 + 500 ×32 × 2 = 32448 mA，供電電源根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)配置。

6）特殊功能：需要實(shí)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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?qū)?/p>

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

2）PLC系統(tǒng)通信接口：S7-1500系列PLC主機(jī)架上多能連接32個(gè)模塊，能滿足大部分中小型控制系統(tǒng)的需求，而對(duì)于需要使用更多模塊或現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(chǎng)信號(hào)并通過PROFIBUS或PROFINET 現(xiàn)場(chǎng)總線與 CPU通信。S7-1500系列PLC默認(rèn)集成PN接口，支持開放以太網(wǎng)協(xié)議，支持通過PROFINET總線擴(kuò)展分布式I/O單元（ET200MP，ET200SP等系列產(chǎn)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(kuò)展PROFIBUS接口，分布式I/O單元可選擇基于PROFIBUS總線的ET200系列產(chǎn)品；對(duì)于需要進(jìn)行遠(yuǎn)程安全訪問的場(chǎng)合可選擇CP1543-1模板，其提供防火墻及VPN功能以保證遠(yuǎn)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(gè)數(shù)字量通道占用1個(gè)字節(jié)地址空間，每1個(gè)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，理論上允許多使用262144個(gè)數(shù)字量輸入通道和262144個(gè)數(shù)字量輸出通道；如果都接模擬量通道的話，理論上允許多使用16384個(gè)模擬量輸入通道和16384個(gè)模擬量輸出通道。

同時(shí)CPU 1516-3大允許連接的模塊為8192個(gè)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(jì)算，可以使用總共4096個(gè)數(shù)字量輸入模塊和4096個(gè)數(shù)字量輸出模塊，此時(shí)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(chǔ)器選型：PLC的裝載存儲(chǔ)器（MMC）可以更換大小，而CPU的工作存儲(chǔ)器是無法擴(kuò)展的，不同型號(hào)CPU所集成的工作存儲(chǔ)器大小不同，例如CPU 1516-3 PN/DP（6ES7 516-3AN00-0AB0）的工作存儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàng)目實(shí)際情況估算用戶程序大小來選擇工作存儲(chǔ)器足夠大的PLC和裝載存儲(chǔ)器。

5）選擇電源：S7-1500 PLC系統(tǒng)中，PM電源模塊為負(fù)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(jì)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(jī)架上所有模塊功耗之和，24 VDC電源消耗需要計(jì)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(shè)備消耗電流并適當(dāng)保留20%左右余量。

通常外圍設(shè)備供電電源根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)配置。

例如對(duì)以下PLC系統(tǒng)的電源估算，CPU1516-3 PN/DP 帶12個(gè)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(shí)每通道大消耗電流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(cè)或*個(gè)DQ模塊與第二個(gè)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(yù)留20% 余量后可選擇PM 190W 電源模塊。

外圍設(shè)備大允許電源消耗：32 × 2.5 × 3 + 500 ×32 × 3 = 48240 mA，供電電源根據(jù)實(shí)際情況單獨(dú)配置。

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

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