2.3 PLC控制相关知识点

一个PLC控制系统的完整设计流程图，如图2-1所示，其中前期工作包括分析被控对象，提出并论证系统方案以及系统总体设计。被控对象的分析和描述是为了确认被控对象和明确控制任务，熟悉被控对象是设计控制系统的基础。系统方案论证和系统总体设计则是为了确定一个可行的控制系统总体构架，其中的每个细节都必须经过反复斟酌，尽量减少工程实施过程中可能遇到的阻碍。中期的工作则是进行硬件设计和软件设计，包括硬件、软件涉及的选型和编程调试。后期则是需要将软硬件组合成完整的控制系统进行调试，排除出现的故障，完成定型的PLC控制系统。

2.3.1 PLC CPU选型

1. CPU一般知识

PLC产品种类繁多，其规格和性能各不相同。其中PLC的中央处理单元（CPU）主要有接收并存储用户程序和数据，诊断电源、内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，接收现场输入设备的状态和数据并存入寄存器中，读取用户程序，按指令产生控制信号，完成规定的逻辑或算术运算；以及更新有关状态和内容，再实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。

CPU一般包括：后备电池、DC 24V连接器、模式选择开关、状态及故障指示器、RS-485编程接口、MPI。

CPU的选择是合理配置系统资源的关键，选择时必须考虑控制系统对CPU的要求，包括系统集成功能、程序块数量限制、各种位资源、MPI接口能力、是否有PROFIBUS-DP主从接口、RAM容量、温度范围等。一般情况下，可以根据设计需求的合理结构类型、合理的安装方式、设计功能要求、响应速度要求以及系统的可靠性来选择PLC的CPU。最好在西门子公司的技术支持下进行，以获得合理的、最佳的选择方案。

每种PLC都对应一个型号，型号的含义如图2-2所示。其中

（1）31x表示CPU序号，由低到高功能逐渐增强。

（2）该位表示CPU类型，C表示紧凑型，T表示技术功能型，F表示故障安全型。

（3）该位表示CPU所具有的通信接口数

（4）该位表示通信接口类型，DP表示PROFIBUS-DP接口，PN表示PROFINET接口，PtP表示点对点接口。

2. CPU存储器

其次，介绍CPU之前，需要了解几个术语。CPU的存储器包括装载存储器（Load Memory）、工作存储器（Work Memory）、系统存储器（System Memory）、微存储卡MMC（Micro Memory Card），具体用途如下。

（1）装载存储器（Load Memory）：其用途是装载用户程序。用户程序经由通信接口，从编程设备传送到CPU的装载存储器中。

（2）工作存储器（Work Memory）：物理上为CPU内置RAM的一部分，当CPU处于运行状态时，用户程序和数据从装载存储区调入工作存储区，在工作存储器中运行。

（3）系统存储器（System Memory）：S7-300系列将CPU的一部分内置RAM划分出来，用于位存储、I/O影像寄存器、计数器、定时器等。系统存储器与工作存储器同属于CPU集成的物理内存，用户程序代码和数据均在这两部分存储区中执行。

（4）微存储卡MMC（Micro Memory Card）：用于对装载存储器的扩充，CPU模块上有专用的MMC插槽，MMC可拆卸，最大容量的MMC为8MB。作为装载存储器，MMC用于对用户程序和数据的断电保护，也可存储S7-300系统程序以利于以后的系统升级。

3. CPU类型

S7-300有多种不同型号的CPU，这些CPU按性能等级划分，几乎涵盖了各种应用范围大致划分为4个系列。

（1）标准型CPU系列。包括CPU313、314、315、315-2 DP、316-2 DP、318-2。型号尾部有后缀“DP”字样的，表明该型号CPU集成有现场总线PROFIBUS-DP通信接口。此外还有几种重新定义型的CPU，包括CPU312、314、317-2 DP等。

（2）集成型CPU系列。主要有CPU 312 IFM和CPU 314 IFM两种。在这两种CPU内部集成了部分I/O点、高速计数器及某些控制功能。

（3）紧凑型CPU系列，型号后缀带有字母C，包括CPU 312C、313C、313C-2 PtP、313-2 DP、314C-2 PtP、314-2 DP。型号尾部后缀带有“PtP”字样的，表明该型号CPU集成有第二个串行口，两个串行口都有点对点（PtP）通信功能。

（4）故障安全型CPU系列。这个系列的CPU是西门子公司最新推出的具有更高可靠性的CPU，主要型号有CPU 315F、317F-2 DP。表2-1列写了几种CPU的主要技术参数。

S7-400系列的CPU集成有MPI和DP通信接口，有很强的通信功能，有PROFIBUS-DP和工业以太网通信模块，以及点到点通信模块。通过PROFIBUS-DP或AS-i现场总线，可以周期性地自动交换I/O模块的数据。在自动化系统之间，PLC与计算机和HMI站之间，均可以交换数据。数据通信可以周期性地自动进行或基于事件驱动，由用户程序调用。

S7-400有7种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的控制要求。不同型号的CPU面板上的元件不完全相同，CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED，方式选择钥匙开关和通信接口。大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可插入多达数兆字节的存储器卡。

CPU417工作存储器可以扩展，在CPU模块的存储器卡插槽内插入RAM存储卡，可以增加装载存储器的程序容量。Flash EPROM（快闪存储器）卡用来存储程序和数据，即使在没有后备电池的情况下，其内容也不会丢失。可以在编程器或CPU上编写Flash卡的内容，Flash卡也可以扩展CPU装载存储区的容量。CPU417-4和CPU417-4H还有存储器扩展接口，可以扩展工作存储器。集成式RAM不能扩展，集成装载存储器为256KB（RAM），用存储器卡扩展FEPROM和RAM最大各64KB。电池可以对所有的数据提供后备电源。

2.3.2 PLC扩展模块选型

西门子S7系列的PLC扩展了CPU的能力，提供了各种扩展模块（包括信号模块SM、通信模块CM或通信板CP）和信号板（SB）用于扩展CPU的能力，通过增加的I/O和通信接口，可以极好地满足客户的众多应用需求。S7-300/400有多种拓展方式，实际选用时，可通过控制系统接口模块扩展机架、PROFIBUS-DP现场总线、通信模块、远程I/O及PLC子站等来扩展PLC或预留扩展口。PLC扩展模块使用时，需要同时加载在硬件和软件上，如图2-3和图2-4所示。

在选择扩展模块时，应该注意以下几个问题。

（1）模块的电压等级。可根据现场设备与模块之间的距离来确定。当外部线路较长时，可选用AC 220V电源；当外部线路较短且控制设备相对集中时，可以选用DC 24V电源。

（2）数字量输出模块的输出类型。数字量输出有继电器、晶闸管、晶体管三种形式。在通断不频繁的场合应该选择继电器输出；在通断频繁的场合，应该选用晶闸管或晶体管输出，注意晶闸管只能用于交流负载，晶体管只能用于直流负载。

（3）模拟量信号类型。模拟量信号传输应尽量采用电流型信号传输。因为电压量信号极易引入干扰，一般电压信号仅用于控制设备柜内电位器的设置，或距离较近、电磁环境好的场合。

2.3.3 控制系统传感器选型

传感器相当于整个控制系统的“五官”，它的确定对系统有至关重要的影响。一般来说，选择一个传感器时，应注意以下几个问题。

（1）测量范围；

（2）测量精度；

（3）可靠性；

（4）接口类型。

2.3.4 控制系统执行器及控制器选型

1. 执行器选型

执行器相当于整个控制系统的“手”和“脚”，决定了系统的实际工作效果，其重要性不言而喻。与传感器相对应，在选择执行器时，应考虑以下几个问题。

（1）输出范围：

（2）输出精度；

（3）可靠性；

（4）接口类型。

其中，执行器—传感器接口（Actuator Sensor Interface，AS-i）符合EN50295标准，这是是一种开放标准，世界上领先的执行器和传感器制造商都支持AS-i。

2. 控制器选型

现阶段，市场上的控制器类型有很多，其中西门子公司从2007年10月1日后投放市场的SIMATIC S7模块化控制器最具有竞争力。这个系列主要包括S7-300、S7-400、S7-1200，类型丰富，可以满足用户的各种应用需求，用户可以根据实际需求，选择合适的控制器。

2.3.5 PLC分配表及外部接线图

控制系统硬件设计的一个要点就是PLC的I/O分配表和外部I/O接线图的设计，这一部分内容继承自电气控制电路分析与设计，是一个设计人员必须掌握的内容。在分配I/O端口时，应查阅相关的I/O模块以及传感器和执行器的手册资料，对其连接的方式应予以充分了解，这样在设计时才不会出现问题。同时还应考虑到裕量问题，即留出一部分I/O端口作备用，以便以后维修或者扩展之用。

以使用CPU312控制步进电机为例，设计时考虑到有“启动”、“停止”、“急停”、“正转”、“反转”、“快速”、“慢速”7个输入，以及方向和PWM波两个输出。表2-2所示PLCI/O分配表。

其中，PLC与驱动器使用共阴极接法，CP-（脉冲-）与DIR-（方向-）接在一起作为共阴极，接在PLC的GND上，PLC脉冲输出接CP+，PLC方向输出接在DIR+上。外部I/O接线如图2-5所示。