西门子系列PLC选型向导

可编程逻辑控制器，简称 PLC（Programmable logic Controller）, 是以计算机技术为基础的工业控制装置。

1987年，国际电工委员会IEC （International Electrical Committee）颁布了可编程序控制器的定义：可编程控制器是一种能够直接应用于专门为在产业环境下应用而设计的数字运算操纵的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操纵的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各类的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与产业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC 的组成结构主要由中央处理单元, 储存器，输入输出单元，通信接口，扩展接口和电源等组成。

1 中央处理单元

中央处理器单元即CPU，一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU 通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出单元、通信接口、扩展接口相连。CPU 是 PLC 的核心，输入单元将采集的输入信号传送到CPU，CPU执行用户程序并将运算结果传送到输出单元，用以驱动现场设备。选择CPU通常需要考虑一下几个方面：

·运算速度：不同的控制系统对控制的响应速度需求不同，对于要求响应时间较快的系统，则要求CPU的运算速度快，并尽快地将运算结果传送到输出单元。

运算速度性能指标可参考CPU指令执行时间。

·工作存储器：根据控制方案的复杂程度预估需要的工作存储器大小，考虑适当的余量。

·I/O带载能力： CPU通常使用I/O地址空间来描述其允许访问输入输出的能力，8个数字量通道占用1个字节地址空间，1个模拟量通道占用2字节地址空间。在具体选型时还需要根据实际情况考虑I/O余量占用的地址空间。此外有些CPU还有允许连接模块最大数量限制。

·集成的通信接口：CPU通过通信接口进行编程组态，还可与人机界面、其他PLC系统、分布式I/O等实现数据交换。CPU集成的通信接口通常有MPI接口、PROFIBUS接口、PROFINET（PN）接口，根据通信对象（通信对象可以为编程设备、仪表、HMI、其他PLC系统等等）支持的电气接口标准以及所使用的通信协议选择集成通信接口。

2 储存器

PLC 的存储器包括系统存储器，装载存储器和工作存储器。系统存储器用于存放 PLC 的系统程序和内部寄存器， 装载存储器则用于存放 PLC 的用户程序，用户程序编译后被存放在工作存储器中执行。装载存储器通常为MC卡，支持外部扩展，而工作存储器是集成在CPU中并且无法扩展的，在选择CPU时需根据控制方案的复杂程度预估可能使用的工作存储器大小并留有适当余量。选择装载存储器通常只需选择不小于工作存储器大小的存储卡即可。

3 通信接口

通信接口的功能是通过这些通信接口可以和监视器、 打印机、 其他的 PLC 或是计算机相连， 从而实现“PLC与上位机”或“PLC与PLC”之间的通信。通信接口可以集成在CPU模块上使用内部总线与CPU通信，也可以使用单独的通信接口模块通过外部总线与CPU通信。通信接口的选择首先确定通信对象接口的电气标准例如RS232、RS485、RJ45等，还需要确定使用的协议，常见的例如PROFINET，PROFIBUS总线协议，通过PROFINET和PROFIBUS总线，CPU可与分散在远端现场的输入输出单元进行数据交换，使PLC系统规模更易于扩充。

4 输入输出单元（I/O）

输入单元的作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入 CPU，根据信号类型，输出单元的作用则是将 CPU 向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。

输入输出单元主要分为模拟量输入模块，模拟量输出模块、数字量输入模块和数字量输出模块。模拟量输入模块测量电流、电压、电阻、热电偶等连续信号，模拟量输出模块输出电流、电压信号驱动现场执行器，模拟量输入输出模块需考虑处理信号的分辨率，响应时间以及信号测量范围。数字量输入模块应考虑信号电平、传输距离、隔离、供电方式，响应时间等应用要求。数字量输出模块应考虑不同的负载对PLC的输出方式的要求。

继电器输出模块具有使用电压范围广、导通压降小、有隔离作用等许多优点，但响应时间较长，所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型模块；而频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型模块，而不应选用继电器输出型模块。输出模块还有直流输出、交流输出等，与应用要求应一致。

此外还有一些智能式输入输出模块，如高速计数模块、凸轮模拟模块、单回路或多回路的PID模块等。一般智能式模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理．并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。

5 扩展接口

PLC 的扩展接口的作用是将扩展单元与基本单元相连，可简单的扩充 PLC系统规模，在早期可满足小中型PLC控制系统的需要，随着PLC系统规模不断的扩大以及总线技术的发展，使用分布式I/O来扩展PLC系统已经越来越普及，扩展接口已经很少使用。

6 电源

PLC 一般使用 220V交流电源或 24V 直流电源，通过内部开关电源为 PLC 的中央处理器、接口单元、输入输出单元等电路提供 5V、12V、24V 直流电源，使PLC 能正常工作。选择电源时需要计算每个模块的电流消耗，包括CPU、接口模块、输入模块、输出模块以及外部负载等等。在制造商提供的产品手册中能查到各种部件的电流或功率消耗值。

PLC选型过程中不仅需要考虑以上几个部分的性能，还需考虑PLC系统的安装环境。在特定的环境下需要选择特殊系列的PLC，例如户外使用时可能需要的防护等级为IP67，环境温度小于0℃的需要选择宽温型的PLC。

PLC系统常用环境指标：

·防护等级 ：IP20

·环境温度 ：水平安装0℃～60℃；垂直安装0℃～40℃

·相对湿度 ：10%~95% 无冷凝

·大气压 ：1080 hPa 到 795 hPa，对应高度为-1000 m 到 2000 m

·污染物浓度：SO2： < 0.5 ppm; RH < 60%，非冷凝

H2S： < 0.1 ppm; RH < 60%，非冷凝

·适用于防爆等级 I，分区 2，组 A、B、C、D，或非危险区。

7 西门子S7-300 系列PLC选型向导

1）PLC系统运行环境：考虑环境温度、湿度、海拔、震动、冲击等等环境因素。例如运行环境温度在0℃～60℃之间可选择标准型产品，温度超出此范围，则需要选择SIPLUS系列产品。

2）PLC系统通信接口：由于S7-300系列PLC主机架上最多只能连接8个I/O模块，对于稍大规模的控制系统可能需要连接更多模块，当控制系统信号点分布比较集中时，可选择通过扩展模块IM365或IM360/361扩展1个或最多3个机架，每个机架最多安装8个模块来扩展系统规模，而对于需要使用更多模块或现场信号分布较分散的控制系统，可通过分布式I/O单元采集现场信号并通过PROFIBUS或PROFINET 现场总线与 CPU通信。使用PROFIBUS总线需选择带PROFIBUS接口的CPU（例如CPU 315-2 DP ）或者增加CP342-5扩展PROFIBUS接口，分布式I/O单元可选择基于PROFIBUS总线的ET200系列产品，例如ET200M、ET200S、ET200MP、ET200SP等等；使用PROFINET总线则需选择带PN接口的CPU（例如CPU 317-2 PN/DP）或者增加CP343-1 扩展PROFINET接口，分布式I/O单元可选择基于PROFINET总线的ET200系列产品，例如ET200M、ET200S、ET200MP、ET200SP等等。另外CPU需要与其他PLC或上位机通信时应根据通信对象实际使用的通信协议选择相应的通信接口模块，例如MODBUS RTU 协议选择CP341模块。

3）PLC系统输入输出单元：PLC系统中允许使用的输入输出通道数量取决于CPU，CPU使用I/O地址空间来描述其允许访问输入输出的能力，例如CPU 317-2PN/DP （6ES7317-2EK14-0AB0）地址空间为输入8192字节，输出8192字节，其中每8个数字量通道占用1个字节地址空间，每1个模拟量通道占用2字节地址空间，那么这款CPU都接数字量通道的话，允许最多使用65536个数字量输入通道和65536个数字量输出通道；如果都接模拟量通道的话，允许最多使用4096个模拟量输入通道和4096个模拟量输出通道。根据项目实际情况选择I/O模块型号和数量并应该适当留有余量。

4）PLC系统的存储器选型：PLC的装载存储器（MMC）可以更换大小，而CPU的工作存储器是无法扩展的，不同型号CPU所集成的工作存储器大小不同，例如CPU 317-2 PN/DP （6ES7317-2EK14-0AB0）的工作存储器为1MB，而CPU 314 （6ES7314-1AG14-0AB0）的工作存储器仅为128KB。根据已编写完成或项目实际情况估算用户程序大小来选择工作存储器足够大的CPU和装载存储器。

5）选择电源：S7-300 PLC系统使用24 VDC电源为PLC系统供电，需要计算CPU模块消耗电流、通信接口模块消耗电流、所有I/O模块消耗电流，以及外围设备消耗电流并适当保留20%左右余量。通常外围设备供电电源根据实际情况单独配置。

例如对以下PLC系统的电源估算，CPU315-2 PN/DP 带8个I/O模块，其中模拟量输入，模拟量输出，数字量输入，数字量输出模块各两块：

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

·SM331（6ES7331-7KF02-0AB0）8通道模拟量输入模块，消耗24VDC电流30mA，连接2线制电流传感器时每通道最大消耗电流60mA。

·SM332（6ES7332-5HF00-0AB0）8通道模拟量输出模块，消耗24VDC电流340mA。

·SM321（6ES7321-1BL00-0AA0）32通道数字量输入模块，每通道24 VDC电流消耗典型值7mA。

·SM322（6ES7322-1BL00-0AA0）32通道数字量输出模块，每通道24 VDC输出电流最大0.5A。

CPU及模板电源消耗估算：750 +（ 30 + 60 ×8）× 2 + 340 ×2 = 2450mA，预留20% 余量后可选择PS3075A电源模块。

外围设备最大允许电源消耗：32 ×7 × 2 + 500 ×32 × 2 = 32448 mA，供电电源根据实际情况单独配置。

6）特殊功能：需要实现安全（safety）功能的需要选择F系列PLC（例如 CPU 315F-2 DP）；需要实现运动控制功能的可以选择T系列PLC（例如CPU 317TF-3 PN/DP）。

8 西门子S7-1500 系列PLC选型向导

1）PLC系统运行环境：考虑环境温度、湿度、海拔、震动、冲击等等环境因素。例如运行环境温度在0℃～60℃之间可选择标准型产品，温度超出此范围，则需要选择SIPLUS系列产品。

2）PLC系统通信接口：S7-1500系列PLC主机架上最多能连接32个模块，能满足大部分中小型控制系统的需求，而对于需要使用更多模块或现场信号分布较分散的控制系统，可通过分布式I/O单元采集现场信号并通过PROFIBUS或PROFINET 现场总线与 CPU通信。S7-1500系列PLC默认集成PN接口，支持开放以太网协议，支持通过PROFINET总线扩展分布式I/O单元（ET200MP，ET200SP等系列产品）；使用PROFIBUS总线，则需要选择带PROFIBUS接口的CPU（例如CPU1516-3 PN/DP ）或者增加CP1542-5或CM1542-5扩展PROFIBUS接口，分布式I/O单元可选择基于PROFIBUS总线的ET200系列产品；对于需要进行远程安全访问的场合可选择CP1543-1模板，其提供防火墙及VPN功能以保证远程访问安全。

3）PLC系统中输入输出通道规模：PLC系统中允许使用的输入输出通道数量取决于CPU，CPU使用I/O地址空间来描述其允许访问输入输出的能力，例如CPU1516-3 PN/DP （6ES7 516-3AN00-0AB0）地址空间为输入32KB字节，输出32KB字节，其中每8个数字量通道占用1个字节地址空间，每1个模拟量通道占用2字节地址空间，那么这款CPU都接数字量通道的话，理论上允许最多使用262144个数字量输入通道和262144个数字量输出通道；如果都接模拟量通道的话，理论上允许最多使用16384个模拟量输入通道和16384个模拟量输出通道。

同时CPU 1516-3最大允许连接的模块为8192个模块，例如按连接32通道数字量输入模块和32通道数字量输出模块计算，可以使用总共4096个数字量输入模块和4096个数字量输出模块，此时I/O地址空间还各剩一半也无法使用更多的模块。

4）PLC系统的存储器选型：PLC的装载存储器（MMC）可以更换大小，而CPU的工作存储器是无法扩展的，不同型号CPU所集成的工作存储器大小不同，例如CPU 1516-3 PN/DP（6ES7 516-3AN00-0AB0）的工作存储器为6MB，其中1MB用于存放程序代码，5MB用于存放数据，而CPU 1511 （6ES7 511-1AK00-0AB0）的工作存储器仅为150KB的程序代码区和1MB的数据区。

根据已编写完成或项目实际情况估算用户程序大小来选择工作存储器足够大的PLC和装载存储器。

5）选择电源：S7-1500 PLC系统中，PM电源模块为负载供电，其输入电压为120/230VAC，PS电源模块和CPU为PLC系统背板总线供电，输入电压为24 VDC，因此S7-1500 PLC系统需要计算两部分消耗：背板总线功耗和24 VDC电源消耗。背板总线功耗为机架上所有模块功耗之和，24 VDC电源消耗需要计算CPU模块消耗电流、通信接口模块消耗电流、所有I/O模块消耗电流，以及外围设备消耗电流并适当保留20%左右余量。

通常外围设备供电电源根据实际情况单独配置。

例如对以下PLC系统的电源估算，CPU1516-3 PN/DP 带12个I/O模块，其中模拟量输入，模拟量输出，数字量输入，数字量输出模块各3块顺序安装：

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

·AI 8XU/I HS（6ES7 531-7NF10-0AB0）8通道模拟量输入模块，背板消耗功率1.2W，消耗24VDC电流240mA，连接2线制电流传感器时每通道最大消耗电流53mA。

·AQ 8XU/I HS（6ES7 532-5HF00-0AB0）8通道模拟量输出模块，背板消耗功率1.15W，消耗24VDC电流260mA。

·DI 32X24VDC HF（6ES7 521-1BL00-0AB0）32通道数字量输入模块，背板消耗功率1.1W，每通道24 VDC电流消耗典型值2.5mA。

·DQ 32X24VDC/0.5A ST （6ES7 522-1BL00-0AB0）32通道数字量输出模块，背板消耗功率1.1W每通道24 VDC输出电流最大0.5A。

背板总线消耗：12-1.2*3-1.15*3-1.1*3-1.1*3=-1.65W。CPU背板总线输出功率不够，需要增加PS 25W（6ES7505-0KA00-0AB0）电源模块，其背板输入功率25W，消耗24 VDC电流1300mA，其安装位置可以在紧挨CPU左侧或第一个DQ模块与第二个DQ模块之间。

CPU 及模块电源消耗估算：850+［240+(53× 8)］×3 + 260 × 3 + 1300= 4922 mA，预留20% 余量后可选择PM 190W 电源模块。

外围设备最大允许电源消耗：32 × 2.5 × 3 + 500 ×32 × 3 = 48240 mA，供电电源根据实际情况单独配置。

6）特殊功能：需要实现安全（safety）功能的需要选择F系列PLC（例如CPU 1516F-3 PN/DP）。