基础自动化控制系统设计时的PLC 选型研究

吴世祥 李家胜

（安徽给排水设计研究院有限公司，安徽合肥 230011）

1.引言

可编程序控制器（Programmable Logic Controller—PLC）是为满足工业环境应用而设计的特殊计算机系统。[1]其大体上可以分为大中小三大类型，大中型PLC 采用模块化结构，主要由中央处理单元（CPU）、数字量输入模块（DI）、 数字量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）、模拟量输入模块（AO）、数据通讯模块、特殊模块（快速计数模块等）、电源模块、机架、外部设备、编程器（或装有PLC 编程软件的电脑）等组成，小型PLC 一般是CPU 集成一定数量的输入输出接口的一体机外加各种扩展模块组成。PLC 实例图片如图1 所示，结构框图如图2 所示。

图1 PLC 实例图片[3]

图2 PLC 结构框图

PLC 常 用 的 机 种 有SIEMENS（ 西 门子） 的S7-400 系 列、S7-300 系 列、S7-200 SMAR 系列; Rockwell（罗克韦尔）公司的ControlLogix 系 列、CompactLogix 系 列、MicroLogix 系列；Schneider（施耐德）公司Modicon M580 系 列、Modicon M340 系 列、Modicon M258 系 列、Modicon M238 系 列、Modicon M218 系列。除此之外，还有很多厂家，这里没有一一罗列。每个厂家的每个系列各种模块又分为不同型号的产品，因此可供选择的PLC 产品种类多不胜数。又由于各个产品的性能、功能、参数、价格、应用场所不尽相同，因此如何选择一套合理的PLC 就成了自动化设计师需要权衡的问题。这个问题粗略地回答是这样的：根据使用场合、控制对象、工作环境、费用以及用户的特殊要求来选择机型、使得既在功能上满足要求，又经济合理。[2]但这个回答解决不了实际问题，因为从上文我们可以看出有以下几个原因使得“经济合理“四个字变得没有头绪，第一是PLC 产品品牌非常多，第二是PLC 各种模块的类型非常多，第三是PLC 更新换代非常快。经过实践及总结分析后，本文作者从以下几个方面逐步选择PLC。

2.确定需求

PLC 的主要功能是控制电器设备按工艺要求依照一定顺序、速度、角度、温度、高度以及重量运行，同时监视设备运行状态和运行数据，以及根据运行状态和运行数据提供各种保护。因此选择PLC 需要先了解工艺需求，电气接口。具体可分以下几个步骤实施：

①根据电气控制原理图和工艺图确定开关量输入总点数及电压等级；开量输出总点数及输出功率；模拟量输入/输出点数及信号类型。

②和电气及工艺设计沟通确定系统是否有高速计算、步进控制、PID 调节等控制功能及是否存在复杂的数值运算。

③了解确定自控系统响应速度。

④二期工程或改扩建工程时应和业主沟通了解前期工程所用PLC 的型号、通讯接口的类型和通讯协议；了解上位软件的设备驱动程序与配置使用情况。

⑤了解建设单位自动化工程师对PLC 的熟悉情况以及对PLC 的需求。这里宜优先选用建设单位自动化工程师熟悉PLC,以减小建设单位自动化工程师维护时的困难。

⑥确定PLC 安装环境要求。例如是否存在需要防腐蚀、防潮湿、防高温、防尘、防爆、防雷等要求。

⑦确定模拟量通道需要的分辨率。

确定需求是私人定制的过程，是缩小选择范围的过程，是非常有必要的过程，也是非常重要的过程。

3.选择可编程序控制器的CPU

目前我国市面上PLC 厂家越来越多，PLC 产品越来越丰富，其分类也越来越细。PLC 产品的可选择范围非常广泛。如果施工图中仅给出PLC 模块的几个重要参数，不给出PLC 各种模块的具体推荐型号，是起不到设计的指导性作用，达不到设计意图的，给后期施工和使用带来不便。因此笔者认为设计时必需给出PLC 的具体推荐型号，以便实施的结果能够更接近设计意图。为解决PLC 的选型困难，笔者采用逐步缩小范围工作法选择PLC 的CPU，具体步骤如下。

3.1 首先根据冗余功能缩小PLC 选择范围

为提高自控系统的可靠性，PLC 开发出冗余与热备型PLC,可以实现电源与CPU 的冗余与热备控制，在一套CPU 或电源发生故障时，可以自动切换到另一套系统，保证自控系统可以正常运行。PLC 冗余与热备机型大部分出现在大型PLC 中，中小型PLC 一般不具有冗余与热备功能，因此根据冗余与热备功能需要，可以快速缩小PLC 的选择范围。

3.2 其次根据通讯接口的类型和数量缩小PLC 选择范围

各种仪表、电气设备的通讯接口和通讯协议并不相同，目前市面上电气产品主流通讯接口分为USB 接口、RS232 串行通讯接口、RS422 串行通讯接口、RS485 串行通讯接口、并行通讯接口、以太网通讯接口、无线接口、CAN 总线接口等等。其中USB接口、RS232 串行通讯接口、并行通讯接口、无线接口是近距离通讯。CAN 总线接口、RS485 串行通讯接口、以太网通讯接口可以实现远距离通讯。因通讯距离和连接设备数量多的优势，工业控制中CAN 总线接口、RS485 串行通讯接口和以太网通讯接口使用最为广泛，其中RS485 串行通讯接口的通讯协议有MODBUS-RTU、103 规约、MPI 规 约、PROFIBUS-DP 规 约、DH-485 规约等等，以太网通讯协议有S7 通讯协议、

PROFINET 、Ethernet IP、MODBUS-TCP/IP 等等。各种协议有其独特性，不能互相通用，具有生产厂家的标签。例如MODBUSRTU、MODBUS-TCP/IP是施耐德公司支持的；DH-485、Ethernet IP 是罗克韦尔公司支持的；PROFIBUS-DP、PROFINET 是西门子公司支持的。实际使用情况说明各种通讯接口、通讯协议各有优缺点，没有最优选之说，且各种通讯协议相互不兼容，因此确定了PLC 通讯接口和通讯协议，可以有效地限定PLC 的选择范围，有助于选择成套PLC。PLC 通讯接口的确定可以从下面三个方向考虑：

①二期工程时，PLC 通讯接口与通讯协议宜与一期工程PLC 的通讯接口与通讯协议一致，如果一期工程PLC 没有被淘汰，最优选是选择一期工程的同系列（同型号）PLC。

②已知PLC 维护工程师的使用经验时，选择PLC 维护工程师最为熟悉的系列PLC，以减小维护工程师维护难度。

③以上两种情况不存在时，PLC 通讯接口和通讯协议根据仪表及电气产品选择。例如：当仪表、电气设备的通讯协议选择施耐德公司支持的通讯协议时，PLC 宜从施耐德PLC 中选择。

通过以上三种情况的确定将PLC 的选型范围缩小到某一品牌或系列能大大减小PLC的选型难度。

3.3 根据实际使用环境进一步缩小选择范围

为了应对恶劣的工业环境，PLC 厂家针对各种情况有专用的系列产品，例如Modicon M340H PLC 和Modicon M580H 是专门针对苛刻环境的加固型模块，可以在严酷的化学环境、极端气候环境、结冰环境、高海拔环境下工作，具体适用环境见产品选型手册。

3.4 根据模拟量通道需要的分辨率再次缩小选择范围

小型PLC 的模拟量分辨率一般能达到12 位，而大中型PLC 的模拟量分辨率一般能达到16 位，这是有PLC 产品的市场定位所决定，因此根据生产工艺要求确定PLC的模拟量分辨率可以有效地缩小PLC 的选择范围。

3.5 初步确定可编程控制器的CPU

PLC 的CPU 是整套PLC 的核心部件，它的确定决定了PLC 的功能、性能和价格。由于工程的多样性，各种条件的差异性，一一分析解说如何选择CPU 是非常繁琐的，这里举例说明一下，实际工作中，可参照实施。

某工程为二期工程，电气系统变频器、软启动器、电量表的通讯规约为MODBUSRTU。二期工程PLC 需与一期工程PLC 通过以太网进行数据交换,并且需要与本工程的变频器、软启动器、电量表直接通讯以节省PLC 数字信号接口和模拟量信号接口，因此本工程PLC 需要一个以太网接口，一个串行接口。再通过电气系统设计图纸、工艺仪表设计图纸确定本工程需要DI 60 通道（其中4 通道为快速计数），DO 14 通道，AI 6 通道，AO 2 通道，模拟量模块分辨率要求不小于16 位（带附号）。PLC 使用环境较好。

据了解，一期工程所用PLC 为 Modicon Premium PLC， 所 成 套CPU 为TSX P57 3623M，PLC 以太网接口的通讯规约是MODBUS-TCP/IP，且PLC 现已停售。一期上位监控软件为力控7.0 无限点，10 用户版组态软件。

根据以上情况，依据通讯接口要求条件，我们可以将PLC 的选择范围缩小到了小型PLC 中 的Modicon M218 系 列、Modicon M258 系 列, 中型PLC 中 的Modicon M340系列，大型PLC 中的Modicon M580 系列等。

通过产品选型手册可以得知Modicon 218系列可以配置最多7 个扩展模块，最多带248点I/O,其中最多90 点继电器输出，模拟量模块分辨率12 位（带符号）。Modicon M258 系列最多带2400 点I/O,最大可扩展250 个扩展模块，模拟量模块分辨率12 位（带符号）。Modicon M340 系列最多可连接3 个扩展机架，加上CPU 机架，共4 个机架（机架号0 ～3，CPU 为0 号机架）。最远两个机架之间的距离为30m。最多带1024 离散量通道数，256 模拟量通道数，36 个串口。模拟量模块分辨率16 位（带符号）。Modicon M580 系列最多可连接支持1 个主本地机架和最多7 个扩展机架，最多可有94 个槽位用于I/O 模块。本地最多带4096 离散量通道数，1024 模拟量通道数。模拟量模块分辨率16 位（带符号）。

通过模拟量模块分辨率要求，可以将本工程的PLC 选择范围缩小到Modicon M340系列、Modicon M580 系列。本工程电气、仪表接口数量较少，初步考虑，以从小原则暂选定Modicon M340 系列中BMX P34 2020 CPU。其参数如图3 所示。

图3 Modicon M340 CPU 选型资料[3]

Modicon M340 系列PLC 是中型PLC,价格相对较高，本工程实际I/O 通道数量并不多，如果生产工艺要求模拟量分辨率为12 位，选择Modicon M340 系列PLC 经济上是不合适的，这种工况下，本工程可编程控制器CPU 暂选择Modicon M218 系列中的M218LDAE40DRPHN 会更经济，更合理。

小结：PLC 选型的经济性是在满足工程功能需要的前提下才考虑的，不是最优先级。

3.6 复核初选CPU 的其他性能是否满足工程需要

除了通讯接口外，CPU 还有多个参数需要根据工程需要进行复核。从图3 中，可以看出PLC CPU 的主要参数有：离散量通道数、模拟量通道数、存储器容量、运算功能、处理速度等。有的参数在选型资料可以查到，有的参数在选型资料没有，在选型资料中没有的，可以致电厂家技术热线获得相关参数。如图3所示中的Modicon M340 系列CPU 选型资料中计数器数量、计时器数量没有参数，电话咨询技术热线后确定Modicon M340 系列的计数器数量、计时器数量理论上是无限的，足够项目使用。但西门子同等规模的S7-300 系列的技术资料中对CPU 的计数器数量和计时器数量有明确标注。从以上两个品牌的二个参数对比，不难看出各个品牌PLC 产品的技术参数是不同的，选型时不能用规模大小对应选择不同品牌的PLC。

小结：PLC 设计选型时需要注意各种品牌与各种型号的每个技术参数，需要对其参数进行复核其合用性。具体可以分以下几个步骤。

3.6.1 复核CPU 所带I/O 接口能否满足实际需要

当PLC 的选择范围缩小到某个CPU 后，先根据电气系统和仪表施工设计图统计出PLC 实际I/O 通道数，之后裕留10%I/O 通道数余量初步确定PLC 的I/O 通道数，之后对比CPU 技术参数能否满足工程需要。如果不能满足工程需要，需要进一步向更大一型选择或将一个工程分解成几套PLC。分解成几套PLC 时应根据生产工艺环节分解例如水厂工艺可以分为沉淀池PLC、过滤池PLC、加药加氯PLC、送水加压PLC 等。

3.6.2 复核CPU 存储器容量能否满足实际需要

没有通讯接口时CPU 存储器容量可以用下式计算：

M：内存容量，字；

K1：备用系数，一般取1.25 ～1.40；

K2： 编 程 人 员 训 练 程 度， 一 般 取0.85 ～1.15；

DI：开关量输入总点数；

DO：开关量输入总点数；

AI：模拟量输入回路数；

AO：模拟量输出回路数；

C1：开关量输入/输出内存占有率，一般取10；

C2：模拟量输入内存占有率，一般取100 ～120；

C3：模拟量输出内存占有率，一般取200 ～250；

经验估算是：128 点以下，0.5K 以下；128 ～256 点，0.5 ～1K；256 ～512 点，1 ～4K；512 点以上，4K 以上。

有通讯接口时，需要根据通讯设备的数据量以及PLC 通讯指令所占数据量确定通讯所占内存大小。之后加上式1 计算结果，估算出PLC 内存容量。

3.6.3 复核CPU 运算功能能否满足实际需要

PLC 是基于逻辑电路开发而成的工业电器产品，初始阶段中小型PLC 只具有逻辑运算、计数运算、移位运算、比较运算、加减法运算功能，不具有四则运算、函数运算功能。随着计算机技术的发展，目前PLC 功能越来越强大，中小型PLC 已经具有四则运算和函数运算功能，能够满足大部分工程的需要。当然，有特殊应用的场合，必须比对工程需要对PLC 运算功能进行复核，确保PLC 满足工艺运算需要。

3.6.4 复核CPU 系统响应时间能否满足实际需要

系统响应时间是指从输入信号状态变化时间到由此而使输出信号状态发生变化时刻的间隔时间，它不包括执行机构所需的时间[2]。系统响应时间是输入滤波时间、读写I/O的等待时间、逻辑运算时间和输出滤池时间相加之和。具体的计算方法和实列可以参见《S7-300 可编程控制器CPU 312C 至314C-2DP/PtP CPU 技术参数 参考手册》（6ES7398-8FA10-8BA0）的循环时间章节。

经过以上比对核定，最终确定CPU 型号。

4.选择可编程序控制器的I/O 模块

CPU 的确定决定了PLC 的品牌和系型，PLC 的I/O 模块的选择选择范围已经很小了。PLC 的I/O 模块分为DI、DO、AI、AO、温度测量模块、通讯模块、高速计算模块、PTO运动控制模块等等。

DI 模块根据电压等级和通道数量的不同分为各种型号，总体上来说，数字输入信号优先选用交流220V 信号模块，在外部线缆较多，容易引起电磁干扰的场所选用直流模块。

DO 模块根据通道器件不同，分为继电器输出、交流数字量输出、直流数字量输出。优先选择继电器输出，与电器系统可以自由对接。

AI 模块与AO 模块依据信号类型不同可以分为电压型和电流型两种，根据额定值不同，可以分为-10 ～+10V，0 ～+10V，1 ～+5V，0 ～20mA，4 ～20mA 等，4 ～20mA 模拟量信号受电线阻抗与环境温度的影响很小，可以实现较远距离的信号传输，零点时为4mA 有利判断信号是否正常，满量程20mA 时通断产生的能量不足以引燃瓦斯，非常安全，适合绝大部分的应用场合。从设计角度出发，电气系统与仪表系统的模拟量接口应优先使用。

DI、DO 模块根据通道数不同分为2、4、8、16、32、64 通道不等，本质上不同通道数量的模块功能没有什么不同，从经济性与可靠性优先选择16 通道与32 通道模块。

AI、AO 模块有通道隔离模块与通道非隔离模块，需要区别选择。考虑经济性选择通道非隔离模块，考虑可靠性选择通道隔离模块。

温度测量模块、通讯模块、高速计算模块、PTO 运动控制模块可选择范围非常小，根据工艺需要，根据PLC 选型手册合理选择即可。

上文工程DI 60 通道（其中4 通道为快速计数），DO 14 通道， AI 6 通道，AO 2 通道，模拟量模块分辨率要求不小于16 位（带附号）。按10%裕量设计，普通DI 需要64 通道，选择两块32 通道模块，因M340 的DI32 通道模块没有交流220 信号模块，本工程选择24V直流模块，选型BMX DDI 3202K；

4 快速计数通道选择一块BMX EHC 0800；DO 14 通道选择一块BMX DRA 1605模块；AI 6 通道选择一块BMX AMI 0800 模块；AO 2 通道选择一块BMX AMO 0410 模块。

5.选择可编程序控制器的机架

大中型PLC 设有专供I/O 模块用的机架，工程应用中，机架应预留1 ～2 个槽位，以方便后期改造扩展。上文工程，按模块配置，共需7 个槽，预留1 个槽位，可以选用8 槽位底板BMX XBP 0800H。

图4 成套PLC 配置图

6.选择可编程序控制器的电源模块

PLC 的电源选择非常重要，它的可靠性决定了PLC 的可靠性。PLC 电源根据输出功率不同，分为不同型号，见图5。选择时，应考虑满足所有模块的供电需要（包含机架空槽位假想模块的供电需要），并预留一定的余量，电源模块的选择需要计算电源模块各种电压供电的满足性，计算量较大，简单的做法是安装PLC 编程软件，通过编程软件可以非常直接的选择PLC 电源的模块，按上文举例工程通过编程软件Unity Pro XL 成套PLC 用电预算柱状图很直观地发现电源CPS2000 模块不满足工程需要，更换成电源CPS3500 模块满足工程需要。

图5 Modicon M340 电源模块选型资料[3]

图6 成套PLC 用电预算柱状图

7.结论

PLC 的选型过程非常繁锁，每一个模块的选择都要考虑其合理性、适用性、经济性。只有在充份了解工程的需要和产品技术资料的情况下，按以上步骤逐步缩小选择范围可以使PLC 的选择更有目的性和合用性。