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PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 ． PLC 型號(hào)的選擇
在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進(jìn)行控制。
在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。
目前，國(guó)內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無(wú)所適從。所以全面權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。
（ 1 ）對(duì)輸入 / 輸出點(diǎn)的選擇
盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。
要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。
另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對(duì)同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)有限制，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)不得超過總輸入點(diǎn)的 60 ％； PLC 每個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力（ A/ 點(diǎn)）也是有限的，有的 PLC 其每點(diǎn)輸出電流的大小還隨所加負(fù)載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時(shí)要考慮這些問題。
PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級(jí)，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出信號(hào)之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。
（ 2 ）對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇
對(duì)用戶存儲(chǔ)容量只能作粗略的估算。在僅對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘 10 字 / 點(diǎn)＋輸出總點(diǎn)數(shù)乘 5 字 / 點(diǎn)來(lái)估算；計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個(gè)估算；有運(yùn)算處理時(shí)按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲(chǔ)容量來(lái)估算；有通信處理時(shí)按每個(gè)接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。后，一般按估算容量的50 ～ 100 ％留有裕量。對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，選擇容量時(shí)留有裕量要大些。
（ 3 ）對(duì) I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇
PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2 ～ 3 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC 和 I/O 響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問題。
（ 4 ）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型
不同的負(fù)載對(duì) PLC 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)較便宜，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級(jí)范圍大等。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的 PLC 。
（ 5 ）對(duì)在線和離線編程的選擇
圖 1 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟
（ 1 ）深入了解和分析被控對(duì)象的工藝條件和控制要求
a ．被控對(duì)象就是受控的機(jī)械、電氣設(shè)備、生產(chǎn)線或生產(chǎn)過程。
b ．控制要求主要指控制的基本方式、應(yīng)完成的動(dòng)作、自動(dòng)工作循環(huán)的組成、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖等。對(duì)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可將控制任務(wù)分成幾個(gè)獨(dú)立部分，這種可化繁為簡(jiǎn)，有利于編程和調(diào)試。
（ 2 ）確定 I/O 設(shè)備
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SIMATIC S7-200 SMART， 延長(zhǎng)電纜 兩行結(jié)構(gòu) 用于 EM，SR CPU，1m S7-200 SMART144 系統(tǒng)手冊(cè), V2.5, 01/2020, A5E03822234-AI硬件配置 “系統(tǒng)塊”(System Block) 對(duì)話框的頂部顯示已經(jīng)組態(tài)的模塊，并允許您添加或刪除模塊。
使用下拉列表更改、添加或刪除 CPU 型號(hào)、信號(hào)板和擴(kuò)展模塊。添加模塊時(shí)，輸入列和輸出列顯示已分配的輸入地址和輸出地址。
說明
*選擇系統(tǒng)塊中的 CPU 型號(hào)和固件版本（V1 或 V2）作為真正要使用的 CPU 型號(hào)和固件版本。下載項(xiàng)目時(shí)，如果項(xiàng)目中的 CPU 型號(hào)或固件版本與所連接的 CPU 型號(hào)或固件版本不匹配，STEP 7-Micro/WIN SMART 將發(fā)出警告消息。您可繼續(xù)下載，但如果連接的 CPU 不支持項(xiàng)目需要的資源和功能，將發(fā)生下載錯(cuò)誤。
模塊選項(xiàng)
系統(tǒng)塊對(duì)話框底部顯示在頂部選擇的模塊選項(xiàng)。單擊組態(tài)選項(xiàng)樹中的任意節(jié)點(diǎn)均可修改所選模塊的項(xiàng)目組態(tài)。
系統(tǒng)塊包括 CPU 模塊的以下組態(tài)選項(xiàng)：
通信 (頁(yè) 145) 數(shù)字量輸入和脈沖捕捉位 (頁(yè) 147) 數(shù)字量輸出 (頁(yè) 150) 保持范圍 (頁(yè) 151) 安全 (頁(yè) 153) 啟動(dòng) (頁(yè) 157)其它設(shè)備（如模擬量輸入 (頁(yè) 158)、模擬量輸出 (頁(yè) 161)、RTD 模擬量輸入 (頁(yè) 163)、熱電偶 (TC) 模擬量輸入 (頁(yè) 167)、RS485/RS232 CM01 通信信號(hào)板 (頁(yè) 171)、電池 BA01 信號(hào)板 (頁(yè) 172)以及附加數(shù)字量輸入和輸出）的特定組態(tài)選項(xiàng)可在添加這些模塊時(shí)從系統(tǒng)塊進(jìn)行訪問。
在下載或上傳系統(tǒng)塊之前，必須在 STEP 7-Micro/WIN SMART 與 CPU 之間建立通信。
然后即可下載一個(gè)修改的系統(tǒng)塊，以便為 CPU 提供新系統(tǒng)組態(tài)。您所輸入的新屬性在將修改內(nèi)容下載 (頁(yè) 47)到 CPU 時(shí)生效。
您也可以從 CPU 上傳一個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)塊，以使 STEP 7-Micro/WIN SMART 項(xiàng)目組態(tài)與CPU 組態(tài)相匹配。
PLC 設(shè)備組態(tài)
6.1 組態(tài) PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行
S7-200 SMART
系統(tǒng)手冊(cè), V2.5, 01/2020, A5E03822234-AI 145
6.1.2 對(duì)通信進(jìn)行組態(tài)
單擊“系統(tǒng)塊”(System Block) (頁(yè) 143) 對(duì)話框的“通信”(Communication) 節(jié)點(diǎn)組態(tài)以太網(wǎng)端口、背景時(shí)間和 RS485 端口。
說明
CPU 型號(hào) CPU CR20s、CPU CR30s、CPU CR40s 和 CPU CR60s 無(wú)以太網(wǎng)端口，不支持與使用以太網(wǎng)通信相關(guān)的所有功能。
以太網(wǎng)端口
若要使 CPU 從項(xiàng)目中獲取其以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)端口的相關(guān)信息，則請(qǐng)單擊“IP 地址數(shù)據(jù)固定為下面的值，不能通過其它方式更改”(IP address data is fixed to the values below and cannot be changed by other means) 復(fù)選框。然后便可輸入以下以太網(wǎng)信息： “IP 地址”(IP Address)：每個(gè)設(shè)備必須有一個(gè) Internet 協(xié)議 (IP) 地址。設(shè)備使用此地址在更加復(fù)雜的路由網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)。 “子網(wǎng)掩碼”(Subnet Mask)：子網(wǎng)是已連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯分組。在局域網(wǎng) (LAN) 中，子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)彼此之間的物理位置通常相對(duì)接近。子網(wǎng)掩碼定義 IP 子網(wǎng)的邊界。子網(wǎng)掩碼 255.255.255.0 通常適用于本地網(wǎng)絡(luò)。 “默認(rèn)網(wǎng)關(guān)”(Default Gateway)：網(wǎng)關(guān)（或 IP 路由器）是 LAN 之間的鏈路。LAN 中的計(jì)算機(jī)可使用網(wǎng)關(guān)向其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息，這些網(wǎng)絡(luò)可能還隱含著其它 LAN。如果數(shù)據(jù)PLC 設(shè)備組態(tài)6.1 組態(tài) PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行S7-200 SMART146 系統(tǒng)手冊(cè), V2.5, 01/2020, A5E03822234-AI的目的地不在 LAN 內(nèi)，網(wǎng)關(guān)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給可將數(shù)據(jù)傳送到其目的地的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)組。網(wǎng)關(guān)依靠 IP 地址來(lái)傳送和接收數(shù)據(jù)包。 “站名稱”(Station Name)：站名稱是在網(wǎng)絡(luò)上定義的 CPU 名稱。在“通 信”(Communications) 對(duì)話框中，請(qǐng)使用有助于識(shí)別 CPU 的名稱。
說明 站名稱遵守標(biāo)準(zhǔn) DNS（域名系統(tǒng)）命名規(guī)范。S7-200 SMART CPU 將站名稱限制為*多 63 個(gè)字符，其中包括小寫字母 a 到 z、數(shù)字 0 到 9、連字符（減號(hào)）和句號(hào)。CPU 禁用某些名稱：? 站名稱不能有 n.n.n.n 格式，其中 n 取 0 到 999 中的值。? 站名不能以字符串 port-nnn 或字符串 port-nnn-nnnnn 開始，其中 n 是 0 到 9 的數(shù)字。例如，port-123 和 port-123-45678 為無(wú)效站名。站名稱不能以連字符或句號(hào)開始或結(jié)束。
背景時(shí)間
可組態(tài)專門用于處理通信請(qǐng)求的掃描周期時(shí)間百分比。增加專門用于處理通信請(qǐng)求的時(shí)間百分比時(shí)，亦會(huì)增加掃描時(shí)間，從而減慢控制過程的運(yùn)行速度。掃描時(shí)間僅在過程通信請(qǐng)求需要處理時(shí)增加。
專門用于處理通信請(qǐng)求的默認(rèn)掃描時(shí)間百分比被設(shè)為 10%。該設(shè)置在處理編譯/狀態(tài)監(jiān)控操作和盡量減小對(duì)控制過程的影響之間進(jìn)行了合理的折衷。您可以調(diào)整該設(shè)置，每次增加5%，*為 50%。
隨著 S7-200 SMART CPU 通信伙伴的增多，將需要更多的后臺(tái)時(shí)間來(lái)處理這些伙伴的請(qǐng)求。GET 和 PUT 指令需要額外資源來(lái)創(chuàng)建并保持與其它設(shè)備間的連接。如果有 HMI 設(shè)備或其它的 CPU 通過 EM DP01 與 S7-200 SMART CPU 通信，則 EM DP01 PROFIBUS DP 模塊需要額外的后臺(tái)通信時(shí)間。開放式用戶通信 (OUC) 還會(huì)給 CPU 增加額外負(fù)荷，并可能需要額外的后臺(tái)時(shí)間。
RS485 端口 使用以下設(shè)置對(duì)板載 RS485 端口調(diào)整系統(tǒng)協(xié)議通信參數(shù)。連接編程設(shè)備或 HMI 設(shè)備時(shí)使用系統(tǒng)協(xié)議：RS485 端口地址：?jiǎn)螕魸L動(dòng)按鈕輸入所需 CPU 地址 (1-126)。默認(rèn)端口地址為 2。 波特率：從下拉列表中選擇所需數(shù)據(jù)波特率（9.6 Kbps、19.2 Kbps 或 187.5 Kbps）。
PLC 設(shè)備組態(tài)6.1 組態(tài) PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行S7-200 SMART系統(tǒng)手冊(cè), V2.5, 01/2020, A5E03822234-AI 147
說明 對(duì)于 S7-200 SMART CPU，可執(zhí)行以下 RS485 通信連接：? 使用 USB-PPI 電纜通過任意串行端口（包括 RS485 端口、信號(hào)板端口和 DP01 PROFIBUS 端口）對(duì)所有型號(hào)的 CPU 進(jìn)行編程。? 使用 RS485 和 RS232 端口進(jìn)行 HMI 訪問（數(shù)據(jù)讀/寫）和自由端口通信。
說明 CPU 型號(hào) CPU CR20s、CPU CR30s、CPU CR40s 和 CPU CR60s 不支持使用擴(kuò)展模塊或信號(hào)板。6.1.3 組態(tài)數(shù)字量輸入 單擊“系統(tǒng)塊”(System Block) (頁(yè) 143) 對(duì)話框的“數(shù)字量輸入”(Digital Inputs) 節(jié)點(diǎn)組態(tài)數(shù)字量輸入濾波器和脈沖捕捉位。
數(shù)字量輸入濾波器 通過設(shè)置輸入延時(shí)，您可以過濾數(shù)字量輸入信號(hào)。 該延遲幫助過濾輸入接線上可能對(duì)輸入狀態(tài)造成不良改動(dòng)的噪音。 輸入狀態(tài)改變時(shí)，輸入必須在時(shí)延期限內(nèi)保持在新狀態(tài)，才能被認(rèn)為有效。 濾波器會(huì)消除噪音脈沖，并強(qiáng)制輸入線在數(shù)據(jù)被接受之前穩(wěn)定下來(lái)。
PLC 設(shè)備組態(tài)6.1 組態(tài) PLC 系統(tǒng)的運(yùn)行S7-200 SMART148 系統(tǒng)手冊(cè), V2.5, 01/2020, A5E03822234-AI使用 S7-200 SMART CPU，用戶可以為其所有數(shù)字量輸入點(diǎn)選擇一個(gè)輸入延遲。 可用輸入點(diǎn)數(shù)取決于 CPU 型號(hào) (頁(yè) 21)。四個(gè)輸入點(diǎn)（I0.0 到 I0.7 以及 I1.0 到 I1.5）支持延遲時(shí)間選項(xiàng)的擴(kuò)展設(shè)置（可在 0.2 ms 至 12.8 ms 范圍內(nèi)的七個(gè)設(shè)置中任選其一，或在 0.2 μs 至 12.8 μs 范圍內(nèi)的七個(gè)設(shè)置中任選其一）。 其余輸入點(diǎn)（I1.6 及以上）僅支持輸入延遲選項(xiàng)的限定設(shè)置（6.4 ms、12.8 ms 或者不過濾）。例如，CPU SR20 的所有十二個(gè)輸入點(diǎn)均支持輸入延遲設(shè)置的擴(kuò)展列表。 對(duì)于 CPU ST40，輸入延遲選項(xiàng)的擴(kuò)展列表適用于其四個(gè)輸入點(diǎn)，其余十個(gè)輸入點(diǎn)則僅支持限定列表。所有輸入點(diǎn)的默認(rèn)濾波時(shí)間均為 6.4 ms。要設(shè)置輸入延遲，請(qǐng)按以下步驟操作：1. 從一個(gè)或多個(gè)輸入旁的下拉列表中選擇延遲時(shí)間。2. 單擊“確定”(OK) 按鈕，輸入選項(xiàng)。
西門子PLC程序中常用的幾個(gè)指令介紹
串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接指令OLD
兩個(gè)或兩個(gè)以上的接點(diǎn)串聯(lián)連接的電路叫串聯(lián)電路塊。串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時(shí)，分支開始用LD、LDN指令，分支結(jié)束用OLD指令。OLD指令與后述的ALD指令均為無(wú)目標(biāo)元件指令，而兩條無(wú)目標(biāo)元件指令的步長(zhǎng)都為一個(gè)程序步。OLD有時(shí)也簡(jiǎn)稱或塊指令。
2、并聯(lián)電路的串聯(lián)連接指令A(yù)LD
兩個(gè)或兩個(gè)以上接點(diǎn)并聯(lián)電路稱為并聯(lián)電路塊，分支電路并聯(lián)電路塊與前面電路串聯(lián)連接時(shí)，使用ALD指令。分支的起點(diǎn)用LD、LDN指令，并聯(lián)電路結(jié)束后，使用ALD指令與前面電路串聯(lián)。ALD指令也簡(jiǎn)稱與塊指令，ALD也是無(wú)操作目標(biāo)元件，是一個(gè)程序步指令。
3、輸出指令 =
1、= 輸出指令是將繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等的線圈與梯形圖右邊的母線直接連接，線圈的右邊不允許有觸點(diǎn)，在編程中，觸點(diǎn)以重復(fù)使用，且類型和數(shù)量不受限制。
4、置位與復(fù)位指令S、R
S為置位指令，使動(dòng)作保持；R為復(fù)位指令，使操作保持復(fù)位。從的位置開始的N個(gè)點(diǎn)的寄存器都被置位或復(fù)位,N=1～255如果被復(fù)位的是定時(shí)器位或計(jì)數(shù)器位,將清除定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值。
5、跳變觸點(diǎn)EU,ED
正跳變觸點(diǎn)檢測(cè)到一次正跳變(觸點(diǎn)的入信號(hào)由0到1)時(shí),或負(fù)跳變觸點(diǎn)檢測(cè)到一次負(fù)跳變(觸點(diǎn)的入信號(hào)由1到0)時(shí),觸點(diǎn)接通到一個(gè)掃描周期.正/負(fù)跳變的符號(hào)為EU和ED,他們沒有操作數(shù),觸點(diǎn)符號(hào)中間的”P”和”N”分別表示正跳變和負(fù)跳變
6、空操作指令NOP
NOP指令是一條無(wú)動(dòng)作、無(wú)目標(biāo)元件的一個(gè)序步指令。空操作指令使該步序?yàn)榭詹僮?。用NOP指令可替代已寫入指令，可以改變電路。在程序中加入NOP指令，在改動(dòng)或追加程序時(shí)可以減少步序號(hào)的改變。
7、程序結(jié)束指令END
END是一條無(wú)目標(biāo)元件的一序步指令。PLC反復(fù)進(jìn)行輸入處理、程序運(yùn)算、輸出處理，在程序的后寫入END指令，表示程序結(jié)束，直接進(jìn)行輸出處理。在程序調(diào)試過程中，可以按段插入END指令，可以按順序擴(kuò)大對(duì)各程序段動(dòng)作的檢查。采用END指令將程序劃分為若干段，在確認(rèn)處于前面電路塊的動(dòng)作正確無(wú)誤之后，依次刪去END指令。要注意的是在執(zhí)行END指令時(shí)，也刷新監(jiān)視時(shí)鐘。
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