第4章 西門子PLC系統的安裝、調試與維護

4.1 西門子PLC系統的安裝

4.1.1 西門子PLC系統的選購與安裝原則

PLC系統以其通用性強、使用方便、適用范圍廣、可靠性高、編程簡單、抗干擾能力強、易于擴展等特點，在建材、電力、機械制造、化工、交通運輸等行業得到了廣泛的應用。由于生產廠家的不斷涌現，目前市場上的PLC種類多種多樣，且都具有其各自的特性，因此在選購與安裝PLC時，應遵循一定的原則。

（1）PLC系統的選購原則

目前市場上的PLC多種多樣，用戶可根據系統的控制要求，選擇不同技術性能指標的PLC來滿足系統的需求，從而保證系統運行可靠、使用維護方便。

① 根據安裝環境選擇PLC 不同廠家生產的不同系列和型號的PLC，在其外形結構和適用環境條件上有很大的差異，在選用PLC類型時，可首先根據PLC實際工作環境的特點，進行合理的選擇。

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

② 根據機型統一的原則選擇PLC 由于機型統一的PLC，其功能和編程方法也相同，因此使用統一機型組成的PLC系統，不僅僅便于設備的采購與管理，也有助于技術人員的培訓以及對技術水平進行提高和開發。另外，由于統一機型PLC設備的通用性，其資源可以共享，使用一臺計算機，就可以將多臺PLC設備連接成一個控制系統，進行集中的管理。因此在進行PLC機型的選擇時，應盡量選擇同一機型的PLC，如圖4-2所示。

③ 根據控制復雜程度選擇PLC 不同類型的PLC其功能上也有很大的差異，選擇PLC時應根據系統控制的復雜程度進行選擇，對于控制較為簡單、控制要求不高的系統中可選用小型PLC；而對于控制較為復雜、控制要求較高的系統中可選用中大型PLC。

例如：對于控制要求不高，只需進行簡單的邏輯運算、定時、數據傳送、通信等基本控制和運算功能的系統，選用小型的PLC即可滿足控制要求；對于控制較為復雜、控制要求較高的系統，需要進行復雜的函數、PID、矩陣、遠程I/O、通信聯網等較強的控制和運算功能的系統，則應視其規模及復雜程度，選擇指令功能強大、具有較高運算速度的中大型機進行控制，如圖4-3所示。

④ 根據掃描速度選擇PLC PLC的掃描速度是PLC選用的重要指標之一，PLC的掃描速度直接影響到系統控制的誤差時間，因此在一些實時性要求較高的場合可選用高速PLC。

PLC在執行掃描程序時，是從第一條指令開始按順序逐條地執行用戶程序，直到程序結束，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間稱之為掃描時間。該掃描時間會隨著程序的復雜程度而加長，會造成PLC輸入和輸出的延時。該延時時間越長對系統控制時間所造成的誤差就越大。因此對于一些實時性要求較高的場合，不允許有較大的誤差時間，此時應選擇掃描速度較快的PLC，如圖4-4所示。

⑤ 根據編程方式選擇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的最大特點就是可以根據被控系統工藝的要求，只需對程序進行修改，便可以滿足新的控制要求，給生產帶來了極大的便利。因此可以根據被控制系統的要求，選用不同編程方式的PLC。

離線編程是指PLC的主機和編程器共用一個微處理器（CPU），通過編程器上設置有“編程/運行”的開關或按鈕，就可以對兩種狀態進行切換，如圖4-5所示。切換到編程狀態時，編程器對CPU進行控制，可以對PLC進行編程，此時PLC無法對系統進行控制。在程序編寫完畢后，再選擇運行狀態，此時CPU按照所設定的程序，對需控制的對象進行控制。由于該類PLC中的編程器和主機共用一個CPU，節省了硬件和軟件設備，價格也比較便宜，因此適用于一些中小型PLC控制系統。

在線編程是指PLC的主機擁有一個CPU，用來對系統進行控制。編程器擁有一個CPU可以隨時對程序進行編寫，輸入各種指令信號。當主機CPU執行完成一個掃描周期后會與編程器進行通信，將編程器編寫好的程序送入PLC的CPU中，在下一個掃描周期中便按照新的程序對其系統進行控制。該類PLC操作簡便、應用領域廣但價格較高，適用于一些大型的PLC控制系統，如圖4-6所示。

⑥ 根據I/O點數選擇PLC I/O點數是PLC選用的重要指標，它是衡量PLC規模大小的標志，若不加以統計，一個小的控制系統，卻選用中規模或大規模的PLC不僅會造成I/O點數的閑置，也會造成投入成本的浪費，因此在選用PLC時，應對其使用的I/O點數進行估算，合理地選用PLC。

在明確控制對象的控制要求基礎上，分析和統計所需的控制部件（輸入元件，如按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器的觸點、傳感器等）的個數和執行元件（輸出元件，如指示燈、繼電器或接觸器線圈、電磁鐵、變頻器等）的個數，根據這些元件的個數確定所需PLC的I/O點數，且一般選擇PLC的I/O數應有15%~20%的預留，以滿足生產規模的擴大和生產工藝的改進，如圖4-7所示。

例如：一個PLC控制線路需要的控制按鈕及行程開關有4個，過熱保護繼電器的保護觸點1個，則其輸入元件有5個，考慮15%~20%的預留，取整數，則需6個輸入點；輸出信號有接觸器2個，占2個輸出點，考慮15%~20%的預留，最多需要3個輸出點。

⑦ 根據用戶存儲器容量選擇PLC 用戶存儲器用于存儲開關量輸入輸出、模擬量的輸入輸出以及用戶編寫的程序等，在選用PLC時，應使選用的PLC的存儲器容量滿足用戶存儲需求。

選擇PLC用戶存儲器容量時，應參考開關量I/O的點數以及模擬量I/O點數對其存儲器容量進行估算，在估算的基礎上留有25%的余量即為應選擇的PLC用戶存儲器容量。用戶存儲器容量用字數體現，其估算公式如下：

存儲器字數＝ （開關量I/O點數×10） ＋ （模擬量I/O點數×150）

⑧ PLC輸入、輸出以及特殊模塊的選擇 當單獨的PLC主機不能滿足系統要求時，可根據系統的需要選擇一些擴展類模塊，以增大系統規模和功能。

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轉換為PLC內部所需的電信號，用以擴展主機的輸入點數，如圖4-8所示。選擇PLC的輸入模塊時應根據系統輸入信號與PLC輸入模塊的距離進行選擇，通常距離較近的設備選擇低電壓的PLC輸入模塊，距離較遠的設備選擇高電壓的PLC輸入模塊。

b. PLC輸出模塊的選擇 PLC的輸出模塊用于將PLC內部的信號轉換為外部所需的信號來驅動負載設備，用以擴展主機的輸出點數。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的輸出模塊時應根據輸出模塊的輸出方式進行選擇，且輸出模塊輸出的電流應大于負載電流的額定值。

c. PLC特殊模塊的選擇 PLC的特殊模塊用于將溫度、壓力等過程變量轉換為PLC所接收的數字信號，同時也可將其內部的數字信號轉換成模擬信號輸出。在選用PLC的特殊模塊時，可根據系統的實際需要選擇不同的PLC特殊模塊。

（2）PLC系統的安裝和接線原則

PLC屬于新型自動化控制裝置的一種，是由基本的元器件等組成的，為了保證PLC系統的穩定性，在PLC安裝和接線時應遵循PLC的基本安裝和接線原則進行操作。

① PLC系統安裝環境的要求

a.環境溫度要求 安裝PLC時應充分考慮PLC的環境溫度，使其不得超過PLC允許的溫度范圍，通常PLC環境溫度范圍在0～55℃之間，當溫度過高或過低時，均會導致內部的元器件工作失常。

b.環境濕度要求 PLC對環境濕度也有一定的要求，通常PLC的環境濕度范圍應在35%～85%之間，當濕度太大會使PLC內部元器件的導電性增強，可能導致元器件擊穿損壞。

c.環境要求 PLC應盡量安裝在避免陽光直射、無腐蝕性氣體、無易燃易爆氣體、無塵埃、無滴水、無沖擊等環境中，以免PLC內部的元器件或部件被腐蝕。

d.振動要求 PLC不能安裝在振動比較頻繁的環境中（振動頻率為10～55Hz、幅度為0.5mm），若振動過大則可能會導致PLC內部的固定螺釘或元器件脫落、焊點虛焊。

e.控制柜的通風要求 PLC硬件系統一般安裝在專門的PLC控制柜內，用以防止灰塵、油污、水滴等進入PLC內部，造成電路短路，從而造成PLC損壞。

為了保證PLC工作時其溫度保持在規定環境溫度范圍內，安裝PLC的控制柜應有足夠的通風空間，如果周圍環境超過55℃，要安裝通風扇，強迫通風，如圖4-9所示。

f. PLC在控制柜中的安裝要求 為了保證PLC工作的安全穩定以及日常維護的安全，安裝PLC控制柜時，應盡量遠離600V以上的高壓設備或動力設備，分開設置，如圖4-11所示。

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

② PLC系統的安裝原則

a.安裝PLC時，應在斷電情況下進行操作，同時為了防止靜電對PLC的影響，應借助防靜電設備或用手接觸金屬物體將人體的靜電釋放后，再對PLC進行安裝。

b. PLC的安裝方式通常有底板安裝和DIN導軌安裝兩種方式，用戶在安裝時可根據安裝條件進行選擇。

底板安裝方式是指利用PLC底部外殼上的4個安裝孔進行安裝，如圖4-13所示，根據安裝孔的不同選擇不同大小規格的螺釘進行固定。

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

c.安裝PLC時，應防止雜物從PLC的通風窗掉入PLC的內部。

PLC采用垂直安裝時，應防止導線頭、鐵屑等從PLC的通風窗掉入PLC中，造成內部電路元件短路，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，用來連接一些光電開關、接近開關等傳感器件。

在電源突然斷電的情況下，PLC的工作應在小于10ms時不受影響，以免電源電壓突然的波動影響PLC工作。在電源斷開時間大于10ms時，PLC應停止工作。

PLC設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重時，則需要安裝一個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的沖擊干擾，因此在對PLC設備或PLC擴展模塊進行安裝時，應保證其良好的接地，以免脈沖信號損壞PLC設備。

PLC的接地線應使用直徑在2mm以上的專用接地線，且應盡量采用專用接地，接地極應盡量靠近PLC，以縮短接地線，如圖4-16所示。在連接PLC設備的接地端時，應盡量避免與電動機、變頻器或其他設備的接地端相連，應分別進行接地。

若無法采用專用接地時，可將PLC的接地極與其他設備的接地極相連接，構成共用接地，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、按鈕開關等進行控制，且輸入端還常與外部傳感器進行連接，因此在對PLC輸入端的接口進行接線時，應注意以下兩點。

a.輸入端的連接線不能太長，應限制在30m以內，若連接線過長，則會使輸入設備對PLC的控制能力下降，影響控制信號輸入的精度。

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造成短路故障。

⑥ PLC輸出端的接線原則 PLC設備的輸出端一般用來連接控制設備，例如繼電器、接觸器、電磁閥、變頻器、指示燈等，在對輸出端的引線或設備進行連接時，需要注意以下幾點。

a.若PLC的輸出端連接繼電器設備時，應盡量選用工作壽命比較長（內部開關動作次數）的繼電器，以免負載（電感性負載）影響到繼電器的工作壽命。

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

c.輸出元件端應安裝熔斷器進行保護，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，若錯接而將輸出端的負載短路，則可能會燒毀電路板。安裝熔斷器后，若出現短路故障則熔斷器快速熔斷，保護電路板。

d. PLC的輸出負載可能產生噪聲干擾，因此要采取措施加以控制。

e.除了使用PLC中設置控制程序防止對用戶造成傷害，還應設計外部緊急停止工作電路，在PLC出現故障后，能夠手動或自動切斷電源，防止危險發生。

f.直流輸出引線和交流輸出引線不應使用同一個電纜，且輸出端的引線要盡量遠離高壓線和動力線，避免并行或干擾。

4.1.2 西門子PLC系統的安裝規范

PLC系統通常安裝在PLC控制柜內，避免灰塵、污物等的侵入，為了增強PLC系統的工作性能，提高其使用壽命，安裝時應嚴格按照PLC的安裝要求進行安裝。

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不同型號設備的安裝尺寸。

（1）DIN導軌的安裝固定

圖4-20為DIN導軌的安裝固定，該PLC采用DIN導軌的安裝方式時，應先將其DIN導軌安裝固定在PLC控制柜的合適位置，并使用螺釘旋具將固定螺釘擰入DIN導軌和PLC控制柜的固定控制，將其DIN導軌固定在PLC控制柜上。

（2）PLC的安裝固定

DIN導軌固定完成后，接下來需要將PLC安裝固定在DIN導軌上，如圖4-21所示，將PLC底部的兩個卡扣向下推使其DIN導軌能夠安裝在PLC安裝槽內，然后將PLC安裝槽對準固定好的DIN導軌，使其PLC背部上端的卡扣卡住DIN導軌，最后再將PLC背部的兩個卡扣向上推使其卡住DIN導軌，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、輸出設備之間通過輸入、輸出接口端子排進行連接，因此在安裝前，首先應將輸入、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，向外側撬動。

（4）PLC輸入輸出接口的接線

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

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

根據預先設計的I/O分配圖，便可以進行PLC與外部輸入輸出設備的硬件連接，連接時應保證其接線牢固，如圖4-24所示。連接輸入設備時，將按鈕開關或限位開關的一個觸點與輸入端的接口進行連接，另一個觸點與供電端L＋（＋24V）進行連接；連接輸出設備時，將接觸器的一端與輸出端接口進行連接。另一端與相線端進行連接，使其線圈接入交流220V電壓中。

（5）PLC擴展接口的連接

當西門子S7-200 SMART PLC需連接擴展模塊時，應先將其擴展模塊安裝在PLC控制柜內，然后再將其擴展模塊與CPU模塊連接，如圖4-25所示。