第4章 西門子PLC系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與維護(hù)

4.1 西門子PLC系統(tǒng)的安裝

4.1.1 西門子PLC系統(tǒng)的選購(gòu)與安裝原則

PLC系統(tǒng)以其通用性強(qiáng)、使用方便、適用范圍廣、可靠性高、編程簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在建材、電力、機(jī)械制造、化工、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由于生產(chǎn)廠家的不斷涌現(xiàn)，目前市場(chǎng)上的PLC種類多種多樣，且都具有其各自的特性，因此在選購(gòu)與安裝PLC時(shí)，應(yīng)遵循一定的原則。

（1）PLC系統(tǒng)的選購(gòu)原則

目前市場(chǎng)上的PLC多種多樣，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，選擇不同技術(shù)性能指標(biāo)的PLC來(lái)滿足系統(tǒng)的需求，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便。

① 根據(jù)安裝環(huán)境選擇PLC 不同廠家生產(chǎn)的不同系列和型號(hào)的PLC，在其外形結(jié)構(gòu)和適用環(huán)境條件上有很大的差異，在選用PLC類型時(shí)，可首先根據(jù)PLC實(shí)際工作環(huán)境的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的選擇。

例如：在一些使用環(huán)境比較固定和維修量較少、控制規(guī)模不大的場(chǎng)合，可以選擇整體式的PLC；而在一些使用環(huán)境比較惡劣、維修較多、控制規(guī)模較大的場(chǎng)合，可以選擇適應(yīng)性更強(qiáng)的模塊式的PLC，如圖4-1所示。

② 根據(jù)機(jī)型統(tǒng)一的原則選擇PLC 由于機(jī)型統(tǒng)一的PLC，其功能和編程方法也相同，因此使用統(tǒng)一機(jī)型組成的PLC系統(tǒng)，不僅僅便于設(shè)備的采購(gòu)與管理，也有助于技術(shù)人員的培訓(xùn)以及對(duì)技術(shù)水平進(jìn)行提高和開發(fā)。另外，由于統(tǒng)一機(jī)型PLC設(shè)備的通用性，其資源可以共享，使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，就可以將多臺(tái)PLC設(shè)備連接成一個(gè)控制系統(tǒng)，進(jìn)行集中的管理。因此在進(jìn)行PLC機(jī)型的選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇同一機(jī)型的PLC，如圖4-2所示。

③ 根據(jù)控制復(fù)雜程度選擇PLC 不同類型的PLC其功能上也有很大的差異，選擇PLC時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度進(jìn)行選擇，對(duì)于控制較為簡(jiǎn)單、控制要求不高的系統(tǒng)中可選用小型PLC；而對(duì)于控制較為復(fù)雜、控制要求較高的系統(tǒng)中可選用中大型PLC。

例如：對(duì)于控制要求不高，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算、定時(shí)、數(shù)據(jù)傳送、通信等基本控制和運(yùn)算功能的系統(tǒng)，選用小型的PLC即可滿足控制要求；對(duì)于控制較為復(fù)雜、控制要求較高的系統(tǒng)，需要進(jìn)行復(fù)雜的函數(shù)、PID、矩陣、遠(yuǎn)程I/O、通信聯(lián)網(wǎng)等較強(qiáng)的控制和運(yùn)算功能的系統(tǒng)，則應(yīng)視其規(guī)模及復(fù)雜程度，選擇指令功能強(qiáng)大、具有較高運(yùn)算速度的中大型機(jī)進(jìn)行控制，如圖4-3所示。

④ 根據(jù)掃描速度選擇PLC PLC的掃描速度是PLC選用的重要指標(biāo)之一，PLC的掃描速度直接影響到系統(tǒng)控制的誤差時(shí)間，因此在一些實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合可選用高速PLC。

PLC在執(zhí)行掃描程序時(shí)，是從第一條指令開始按順序逐條地執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束，再返回第一條指令開始新的一輪掃描。PLC完成一次掃描過程所需的時(shí)間稱之為掃描時(shí)間。該掃描時(shí)間會(huì)隨著程序的復(fù)雜程度而加長(zhǎng)，會(huì)造成PLC輸入和輸出的延時(shí)。該延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)控制時(shí)間所造成的誤差就越大。因此對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，不允許有較大的誤差時(shí)間，此時(shí)應(yīng)選擇掃描速度較快的PLC，如圖4-4所示。

⑤ 根據(jù)編程方式選擇PLC PLC的編程方式主要可以分為離線編程和在線編程兩種，PLC的最大特點(diǎn)就是可以根據(jù)被控系統(tǒng)工藝的要求，只需對(duì)程序進(jìn)行修改，便可以滿足新的控制要求，給生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。因此可以根據(jù)被控制系統(tǒng)的要求，選用不同編程方式的PLC。

離線編程是指PLC的主機(jī)和編程器共用一個(gè)微處理器（CPU），通過編程器上設(shè)置有“編程/運(yùn)行”的開關(guān)或按鈕，就可以對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行切換，如圖4-5所示。切換到編程狀態(tài)時(shí)，編程器對(duì)CPU進(jìn)行控制，可以對(duì)PLC進(jìn)行編程，此時(shí)PLC無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。在程序編寫完畢后，再選擇運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)CPU按照所設(shè)定的程序，對(duì)需控制的對(duì)象進(jìn)行控制。由于該類PLC中的編程器和主機(jī)共用一個(gè)CPU，節(jié)省了硬件和軟件設(shè)備，價(jià)格也比較便宜，因此適用于一些中小型PLC控制系統(tǒng)。

在線編程是指PLC的主機(jī)擁有一個(gè)CPU，用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。編程器擁有一個(gè)CPU可以隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行編寫，輸入各種指令信號(hào)。當(dāng)主機(jī)CPU執(zhí)行完成一個(gè)掃描周期后會(huì)與編程器進(jìn)行通信，將編程器編寫好的程序送入PLC的CPU中，在下一個(gè)掃描周期中便按照新的程序?qū)ζ湎到y(tǒng)進(jìn)行控制。該類PLC操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用領(lǐng)域廣但價(jià)格較高，適用于一些大型的PLC控制系統(tǒng)，如圖4-6所示。

⑥ 根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)選擇PLC I/O點(diǎn)數(shù)是PLC選用的重要指標(biāo)，它是衡量PLC規(guī)模大小的標(biāo)志，若不加以統(tǒng)計(jì)，一個(gè)小的控制系統(tǒng)，卻選用中規(guī)模或大規(guī)模的PLC不僅會(huì)造成I/O點(diǎn)數(shù)的閑置，也會(huì)造成投入成本的浪費(fèi)，因此在選用PLC時(shí)，應(yīng)對(duì)其使用的I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算，合理地選用PLC。

在明確控制對(duì)象的控制要求基礎(chǔ)上，分析和統(tǒng)計(jì)所需的控制部件（輸入元件，如按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器的觸點(diǎn)、傳感器等）的個(gè)數(shù)和執(zhí)行元件（輸出元件，如指示燈、繼電器或接觸器線圈、電磁鐵、變頻器等）的個(gè)數(shù)，根據(jù)這些元件的個(gè)數(shù)確定所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，且一般選擇PLC的I/O數(shù)應(yīng)有15%~20%的預(yù)留，以滿足生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，如圖4-7所示。

例如：一個(gè)PLC控制線路需要的控制按鈕及行程開關(guān)有4個(gè)，過熱保護(hù)繼電器的保護(hù)觸點(diǎn)1個(gè)，則其輸入元件有5個(gè)，考慮15%~20%的預(yù)留，取整數(shù)，則需6個(gè)輸入點(diǎn)；輸出信號(hào)有接觸器2個(gè)，占2個(gè)輸出點(diǎn)，考慮15%~20%的預(yù)留，最多需要3個(gè)輸出點(diǎn)。

⑦ 根據(jù)用戶存儲(chǔ)器容量選擇PLC 用戶存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)開關(guān)量輸入輸出、模擬量的輸入輸出以及用戶編寫的程序等，在選用PLC時(shí)，應(yīng)使選用的PLC的存儲(chǔ)器容量滿足用戶存儲(chǔ)需求。

選擇PLC用戶存儲(chǔ)器容量時(shí)，應(yīng)參考開關(guān)量I/O的點(diǎn)數(shù)以及模擬量I/O點(diǎn)數(shù)對(duì)其存儲(chǔ)器容量進(jìn)行估算，在估算的基礎(chǔ)上留有25%的余量即為應(yīng)選擇的PLC用戶存儲(chǔ)器容量。用戶存儲(chǔ)器容量用字?jǐn)?shù)體現(xiàn)，其估算公式如下：

存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)＝ （開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)×10） ＋ （模擬量I/O點(diǎn)數(shù)×150）

⑧ PLC輸入、輸出以及特殊模塊的選擇 當(dāng)單獨(dú)的PLC主機(jī)不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇一些擴(kuò)展類模塊，以增大系統(tǒng)規(guī)模和功能。

a. PLC輸入模塊的選擇 PLC的輸入模塊用于將輸入元件輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部所需的電信號(hào)，用以擴(kuò)展主機(jī)的輸入點(diǎn)數(shù)，如圖4-8所示。選擇PLC的輸入模塊時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)輸入信號(hào)與PLC輸入模塊的距離進(jìn)行選擇，通常距離較近的設(shè)備選擇低電壓的PLC輸入模塊，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選擇高電壓的PLC輸入模塊。

b. PLC輸出模塊的選擇 PLC的輸出模塊用于將PLC內(nèi)部的信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部所需的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備，用以擴(kuò)展主機(jī)的輸出點(diǎn)數(shù)。PLC輸出模塊的輸出方式主要有繼電器輸出方式、晶體管輸出方式和晶閘管輸出方式3種。選擇PLC的輸出模塊時(shí)應(yīng)根據(jù)輸出模塊的輸出方式進(jìn)行選擇，且輸出模塊輸出的電流應(yīng)大于負(fù)載電流的額定值。

c. PLC特殊模塊的選擇 PLC的特殊模塊用于將溫度、壓力等過程變量轉(zhuǎn)換為PLC所接收的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也可將其內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。在選用PLC的特殊模塊時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要選擇不同的PLC特殊模塊。

（2）PLC系統(tǒng)的安裝和接線原則

PLC屬于新型自動(dòng)化控制裝置的一種，是由基本的元器件等組成的，為了保證PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在PLC安裝和接線時(shí)應(yīng)遵循PLC的基本安裝和接線原則進(jìn)行操作。

① PLC系統(tǒng)安裝環(huán)境的要求

a.環(huán)境溫度要求 安裝PLC時(shí)應(yīng)充分考慮PLC的環(huán)境溫度，使其不得超過PLC允許的溫度范圍，通常PLC環(huán)境溫度范圍在0～55℃之間，當(dāng)溫度過高或過低時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的元器件工作失常。

b.環(huán)境濕度要求 PLC對(duì)環(huán)境濕度也有一定的要求，通常PLC的環(huán)境濕度范圍應(yīng)在35%～85%之間，當(dāng)濕度太大會(huì)使PLC內(nèi)部元器件的導(dǎo)電性增強(qiáng)，可能導(dǎo)致元器件擊穿損壞。

c.環(huán)境要求 PLC應(yīng)盡量安裝在避免陽(yáng)光直射、無(wú)腐蝕性氣體、無(wú)易燃易爆氣體、無(wú)塵埃、無(wú)滴水、無(wú)沖擊等環(huán)境中，以免PLC內(nèi)部的元器件或部件被腐蝕。

d.振動(dòng)要求 PLC不能安裝在振動(dòng)比較頻繁的環(huán)境中（振動(dòng)頻率為10～55Hz、幅度為0.5mm），若振動(dòng)過大則可能會(huì)導(dǎo)致PLC內(nèi)部的固定螺釘或元器件脫落、焊點(diǎn)虛焊。

e.控制柜的通風(fēng)要求 PLC硬件系統(tǒng)一般安裝在專門的PLC控制柜內(nèi)，用以防止灰塵、油污、水滴等進(jìn)入PLC內(nèi)部，造成電路短路，從而造成PLC損壞。

為了保證PLC工作時(shí)其溫度保持在規(guī)定環(huán)境溫度范圍內(nèi)，安裝PLC的控制柜應(yīng)有足夠的通風(fēng)空間，如果周圍環(huán)境超過55℃，要安裝通風(fēng)扇，強(qiáng)迫通風(fēng)，如圖4-9所示。

f. PLC在控制柜中的安裝要求 為了保證PLC工作的安全穩(wěn)定以及日常維護(hù)的安全，安裝PLC控制柜時(shí)，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離600V以上的高壓設(shè)備或動(dòng)力設(shè)備，分開設(shè)置，如圖4-11所示。

如圖4-12所示，將PLC安裝在高壓動(dòng)力柜中，這種安裝方法極易造成安全事故，因此不得在實(shí)際中這樣安裝。

② PLC系統(tǒng)的安裝原則

a.安裝PLC時(shí)，應(yīng)在斷電情況下進(jìn)行操作，同時(shí)為了防止靜電對(duì)PLC的影響，應(yīng)借助防靜電設(shè)備或用手接觸金屬物體將人體的靜電釋放后，再對(duì)PLC進(jìn)行安裝。

b. PLC的安裝方式通常有底板安裝和DIN導(dǎo)軌安裝兩種方式，用戶在安裝時(shí)可根據(jù)安裝條件進(jìn)行選擇。

底板安裝方式是指利用PLC底部外殼上的4個(gè)安裝孔進(jìn)行安裝，如圖4-13所示，根據(jù)安裝孔的不同選擇不同大小規(guī)格的螺釘進(jìn)行固定。

DIN導(dǎo)軌安裝方式是指利用PLC底部外殼上的導(dǎo)軌安裝槽及卡扣將PLC安裝在DIN導(dǎo)軌上，如圖4-14所示。

c.安裝PLC時(shí)，應(yīng)防止雜物從PLC的通風(fēng)窗掉入PLC的內(nèi)部。

PLC采用垂直安裝時(shí)，應(yīng)防止導(dǎo)線頭、鐵屑等從PLC的通風(fēng)窗掉入PLC中，造成內(nèi)部電路元件短路，如圖4-15所示。

③ PLC供電電源的安裝原則 PLC若要正常的工作，最重要的一點(diǎn)就是要保證其供電線路的正常。一般情況下PLC供電電源的要求為交流220V/50Hz，三菱FX系列的PLC還有一路24V的直流輸出引線，用來(lái)連接一些光電開關(guān)、接近開關(guān)等傳感器件。

在電源突然斷電的情況下，PLC的工作應(yīng)在小于10ms時(shí)不受影響，以免電源電壓突然的波動(dòng)影響PLC工作。在電源斷開時(shí)間大于10ms時(shí)，PLC應(yīng)停止工作。

PLC設(shè)備本身帶有抗干擾能力，可以避免交流供電電源中的輕微的干擾波形，若供電電源中的干擾比較嚴(yán)重時(shí)，則需要安裝一個(gè)1∶1的隔離變壓器，以減少干擾。

④ PLC接地原則 有效的接地可以避免脈沖信號(hào)的沖擊干擾，因此在對(duì)PLC設(shè)備或PLC擴(kuò)展模塊進(jìn)行安裝時(shí)，應(yīng)保證其良好的接地，以免脈沖信號(hào)損壞PLC設(shè)備。

PLC的接地線應(yīng)使用直徑在2mm以上的專用接地線，且應(yīng)盡量采用專用接地，接地極應(yīng)盡量靠近PLC，以縮短接地線，如圖4-16所示。在連接PLC設(shè)備的接地端時(shí)，應(yīng)盡量避免與電動(dòng)機(jī)、變頻器或其他設(shè)備的接地端相連，應(yīng)分別進(jìn)行接地。

若無(wú)法采用專用接地時(shí)，可將PLC的接地極與其他設(shè)備的接地極相連接，構(gòu)成共用接地，如圖4-17所示。

⑤ PLC輸入端的接線原則 PLC一般使用限位開關(guān)、按鈕開關(guān)等進(jìn)行控制，且輸入端還常與外部傳感器進(jìn)行連接，因此在對(duì)PLC輸入端的接口進(jìn)行接線時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

a.輸入端的連接線不能太長(zhǎng)，應(yīng)限制在30m以內(nèi)，若連接線過長(zhǎng)，則會(huì)使輸入設(shè)備對(duì)PLC的控制能力下降，影響控制信號(hào)輸入的精度。

b. PLC的輸入端引線和輸出端引線不能使用同一根電纜，以免造成干擾，或引線絕緣層損壞時(shí)造成短路故障。

⑥ PLC輸出端的接線原則 PLC設(shè)備的輸出端一般用來(lái)連接控制設(shè)備，例如繼電器、接觸器、電磁閥、變頻器、指示燈等，在對(duì)輸出端的引線或設(shè)備進(jìn)行連接時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。

a.若PLC的輸出端連接繼電器設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量選用工作壽命比較長(zhǎng)（內(nèi)部開關(guān)動(dòng)作次數(shù)）的繼電器，以免負(fù)載（電感性負(fù)載）影響到繼電器的工作壽命。

b.在連接PLC輸出端的引線時(shí)，應(yīng)將獨(dú)立輸出和公共輸出分別進(jìn)行分組連接。在不同的組中，可采用不同類型和電壓輸出等級(jí)的輸出電壓；而在同一組中，只能選擇同一種類型、同一個(gè)電壓等級(jí)的輸出電源。

c.輸出元件端應(yīng)安裝熔斷器進(jìn)行保護(hù)，由于PLC的輸出元件安裝在印制電路板上，使用連接線連接到端子板，若錯(cuò)接而將輸出端的負(fù)載短路，則可能會(huì)燒毀電路板。安裝熔斷器后，若出現(xiàn)短路故障則熔斷器快速熔斷，保護(hù)電路板。

d. PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生噪聲干擾，因此要采取措施加以控制。

e.除了使用PLC中設(shè)置控制程序防止對(duì)用戶造成傷害，還應(yīng)設(shè)計(jì)外部緊急停止工作電路，在PLC出現(xiàn)故障后，能夠手動(dòng)或自動(dòng)切斷電源，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

f.直流輸出引線和交流輸出引線不應(yīng)使用同一個(gè)電纜，且輸出端的引線要盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，避免并行或干擾。

4.1.2 西門子PLC系統(tǒng)的安裝規(guī)范

PLC系統(tǒng)通常安裝在PLC控制柜內(nèi)，避免灰塵、污物等的侵入，為了增強(qiáng)PLC系統(tǒng)的工作性能，提高其使用壽命，安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照PLC的安裝要求進(jìn)行安裝。

下面以典型西門子S7-200 SMART PLC為例介紹安裝接線方法。圖4-19為西門子S7-200 SMART PLC的安裝尺寸。

表4-1所列為西門子S7-200 SMART PLC不同型號(hào)設(shè)備的安裝尺寸。

（1）DIN導(dǎo)軌的安裝固定

圖4-20為DIN導(dǎo)軌的安裝固定，該P(yáng)LC采用DIN導(dǎo)軌的安裝方式時(shí)，應(yīng)先將其DIN導(dǎo)軌安裝固定在PLC控制柜的合適位置，并使用螺釘旋具將固定螺釘擰入DIN導(dǎo)軌和PLC控制柜的固定控制，將其DIN導(dǎo)軌固定在PLC控制柜上。

（2）PLC的安裝固定

DIN導(dǎo)軌固定完成后，接下來(lái)需要將PLC安裝固定在DIN導(dǎo)軌上，如圖4-21所示，將PLC底部的兩個(gè)卡扣向下推使其DIN導(dǎo)軌能夠安裝在PLC安裝槽內(nèi)，然后將PLC安裝槽對(duì)準(zhǔn)固定好的DIN導(dǎo)軌，使其PLC背部上端的卡扣卡住DIN導(dǎo)軌，最后再將PLC背部的兩個(gè)卡扣向上推使其卡住DIN導(dǎo)軌，至此便完成了PLC的安裝固定工作。

（3）撬開接口端子排

PLC與輸入、輸出設(shè)備之間通過輸入、輸出接口端子排進(jìn)行連接，因此在安裝前，首先應(yīng)將輸入、輸出接口端子排撬開，如圖4-22所示，先將PLC的輸入、輸出接口的護(hù)蓋打開，使用一字槽螺釘旋具插入接口端子排的居中位置的缺口處，向外側(cè)撬動(dòng)。

（4）PLC輸入輸出接口的接線

PLC的輸入接口常與輸入設(shè)備（如控制按鈕、過熱保護(hù)繼電器等）進(jìn)行連接，用于控制PLC的工作狀態(tài)；PLC的輸出接口常與輸出設(shè)備（接觸器、繼電器、晶體管、變頻器等）進(jìn)行連接，用來(lái)控制其工作。

在進(jìn)行PLC輸入輸出接口的連接時(shí)，首先了解所選用PLC輸入、輸出端口的接線特點(diǎn)。圖4-23為西門子S7-200 SMART（CPU SR40）的接線特點(diǎn)。

根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的I/O分配圖，便可以進(jìn)行PLC與外部輸入輸出設(shè)備的硬件連接，連接時(shí)應(yīng)保證其接線牢固，如圖4-24所示。連接輸入設(shè)備時(shí)，將按鈕開關(guān)或限位開關(guān)的一個(gè)觸點(diǎn)與輸入端的接口進(jìn)行連接，另一個(gè)觸點(diǎn)與供電端L＋（＋24V）進(jìn)行連接；連接輸出設(shè)備時(shí)，將接觸器的一端與輸出端接口進(jìn)行連接。另一端與相線端進(jìn)行連接，使其線圈接入交流220V電壓中。

（5）PLC擴(kuò)展接口的連接

當(dāng)西門子S7-200 SMART PLC需連接擴(kuò)展模塊時(shí)，應(yīng)先將其擴(kuò)展模塊安裝在PLC控制柜內(nèi)，然后再將其擴(kuò)展模塊與CPU模塊連接，如圖4-25所示。