第4章 西门子PLC系统的安装、调试与维护

4.1 西门子PLC系统的安装

4.1.1 西门子PLC系统的选购与安装原则

PLC系统以其通用性强、使用方便、适用范围广、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、易于扩展等特点，在建材、电力、机械制造、化工、交通运输等行业得到了广泛的应用。由于生产厂家的不断涌现，目前市场上的PLC种类多种多样，且都具有其各自的特性，因此在选购与安装PLC时，应遵循一定的原则。

（1）PLC系统的选购原则

目前市场上的PLC多种多样，用户可根据系统的控制要求，选择不同技术性能指标的PLC来满足系统的需求，从而保证系统运行可靠、使用维护方便。

① 根据安装环境选择PLC 不同厂家生产的不同系列和型号的PLC，在其外形结构和适用环境条件上有很大的差异，在选用PLC类型时，可首先根据PLC实际工作环境的特点，进行合理的选择。

例如：在一些使用环境比较固定和维修量较少、控制规模不大的场合，可以选择整体式的PLC；而在一些使用环境比较恶劣、维修较多、控制规模较大的场合，可以选择适应性更强的模块式的PLC，如图4-1所示。

② 根据机型统一的原则选择PLC 由于机型统一的PLC，其功能和编程方法也相同，因此使用统一机型组成的PLC系统，不仅仅便于设备的采购与管理，也有助于技术人员的培训以及对技术水平进行提高和开发。另外，由于统一机型PLC设备的通用性，其资源可以共享，使用一台计算机，就可以将多台PLC设备连接成一个控制系统，进行集中的管理。因此在进行PLC机型的选择时，应尽量选择同一机型的PLC，如图4-2所示。

③ 根据控制复杂程度选择PLC 不同类型的PLC其功能上也有很大的差异，选择PLC时应根据系统控制的复杂程度进行选择，对于控制较为简单、控制要求不高的系统中可选用小型PLC；而对于控制较为复杂、控制要求较高的系统中可选用中大型PLC。

例如：对于控制要求不高，只需进行简单的逻辑运算、定时、数据传送、通信等基本控制和运算功能的系统，选用小型的PLC即可满足控制要求；对于控制较为复杂、控制要求较高的系统，需要进行复杂的函数、PID、矩阵、远程I/O、通信联网等较强的控制和运算功能的系统，则应视其规模及复杂程度，选择指令功能强大、具有较高运算速度的中大型机进行控制，如图4-3所示。

④ 根据扫描速度选择PLC PLC的扫描速度是PLC选用的重要指标之一，PLC的扫描速度直接影响到系统控制的误差时间，因此在一些实时性要求较高的场合可选用高速PLC。

PLC在执行扫描程序时，是从第一条指令开始按顺序逐条地执行用户程序，直到程序结束，再返回第一条指令开始新的一轮扫描。PLC完成一次扫描过程所需的时间称之为扫描时间。该扫描时间会随着程序的复杂程度而加长，会造成PLC输入和输出的延时。该延时时间越长对系统控制时间所造成的误差就越大。因此对于一些实时性要求较高的场合，不允许有较大的误差时间，此时应选择扫描速度较快的PLC，如图4-4所示。

⑤ 根据编程方式选择PLC PLC的编程方式主要可以分为离线编程和在线编程两种，PLC的最大特点就是可以根据被控系统工艺的要求，只需对程序进行修改，便可以满足新的控制要求，给生产带来了极大的便利。因此可以根据被控制系统的要求，选用不同编程方式的PLC。

离线编程是指PLC的主机和编程器共用一个微处理器（CPU），通过编程器上设置有“编程/运行”的开关或按钮，就可以对两种状态进行切换，如图4-5所示。切换到编程状态时，编程器对CPU进行控制，可以对PLC进行编程，此时PLC无法对系统进行控制。在程序编写完毕后，再选择运行状态，此时CPU按照所设定的程序，对需控制的对象进行控制。由于该类PLC中的编程器和主机共用一个CPU，节省了硬件和软件设备，价格也比较便宜，因此适用于一些中小型PLC控制系统。

在线编程是指PLC的主机拥有一个CPU，用来对系统进行控制。编程器拥有一个CPU可以随时对程序进行编写，输入各种指令信号。当主机CPU执行完成一个扫描周期后会与编程器进行通信，将编程器编写好的程序送入PLC的CPU中，在下一个扫描周期中便按照新的程序对其系统进行控制。该类PLC操作简便、应用领域广但价格较高，适用于一些大型的PLC控制系统，如图4-6所示。

⑥ 根据I/O点数选择PLC I/O点数是PLC选用的重要指标，它是衡量PLC规模大小的标志，若不加以统计，一个小的控制系统，却选用中规模或大规模的PLC不仅会造成I/O点数的闲置，也会造成投入成本的浪费，因此在选用PLC时，应对其使用的I/O点数进行估算，合理地选用PLC。

在明确控制对象的控制要求基础上，分析和统计所需的控制部件（输入元件，如按钮、转换开关、行程开关、继电器的触点、传感器等）的个数和执行元件（输出元件，如指示灯、继电器或接触器线圈、电磁铁、变频器等）的个数，根据这些元件的个数确定所需PLC的I/O点数，且一般选择PLC的I/O数应有15%~20%的预留，以满足生产规模的扩大和生产工艺的改进，如图4-7所示。

例如：一个PLC控制线路需要的控制按钮及行程开关有4个，过热保护继电器的保护触点1个，则其输入元件有5个，考虑15%~20%的预留，取整数，则需6个输入点；输出信号有接触器2个，占2个输出点，考虑15%~20%的预留，最多需要3个输出点。

⑦ 根据用户存储器容量选择PLC 用户存储器用于存储开关量输入输出、模拟量的输入输出以及用户编写的程序等，在选用PLC时，应使选用的PLC的存储器容量满足用户存储需求。

选择PLC用户存储器容量时，应参考开关量I/O的点数以及模拟量I/O点数对其存储器容量进行估算，在估算的基础上留有25%的余量即为应选择的PLC用户存储器容量。用户存储器容量用字数体现，其估算公式如下：

存储器字数＝ （开关量I/O点数×10） ＋ （模拟量I/O点数×150）

⑧ PLC输入、输出以及特殊模块的选择 当单独的PLC主机不能满足系统要求时，可根据系统的需要选择一些扩展类模块，以增大系统规模和功能。

a. PLC输入模块的选择 PLC的输入模块用于将输入元件输入的信号转换为PLC内部所需的电信号，用以扩展主机的输入点数，如图4-8所示。选择PLC的输入模块时应根据系统输入信号与PLC输入模块的距离进行选择，通常距离较近的设备选择低电压的PLC输入模块，距离较远的设备选择高电压的PLC输入模块。

b. PLC输出模块的选择 PLC的输出模块用于将PLC内部的信号转换为外部所需的信号来驱动负载设备，用以扩展主机的输出点数。PLC输出模块的输出方式主要有继电器输出方式、晶体管输出方式和晶闸管输出方式3种。选择PLC的输出模块时应根据输出模块的输出方式进行选择，且输出模块输出的电流应大于负载电流的额定值。

c. PLC特殊模块的选择 PLC的特殊模块用于将温度、压力等过程变量转换为PLC所接收的数字信号，同时也可将其内部的数字信号转换成模拟信号输出。在选用PLC的特殊模块时，可根据系统的实际需要选择不同的PLC特殊模块。

（2）PLC系统的安装和接线原则

PLC属于新型自动化控制装置的一种，是由基本的元器件等组成的，为了保证PLC系统的稳定性，在PLC安装和接线时应遵循PLC的基本安装和接线原则进行操作。

① PLC系统安装环境的要求

a.环境温度要求 安装PLC时应充分考虑PLC的环境温度，使其不得超过PLC允许的温度范围，通常PLC环境温度范围在0～55℃之间，当温度过高或过低时，均会导致内部的元器件工作失常。

b.环境湿度要求 PLC对环境湿度也有一定的要求，通常PLC的环境湿度范围应在35%～85%之间，当湿度太大会使PLC内部元器件的导电性增强，可能导致元器件击穿损坏。

c.环境要求 PLC应尽量安装在避免阳光直射、无腐蚀性气体、无易燃易爆气体、无尘埃、无滴水、无冲击等环境中，以免PLC内部的元器件或部件被腐蚀。

d.振动要求 PLC不能安装在振动比较频繁的环境中（振动频率为10～55Hz、幅度为0.5mm），若振动过大则可能会导致PLC内部的固定螺钉或元器件脱落、焊点虚焊。

e.控制柜的通风要求 PLC硬件系统一般安装在专门的PLC控制柜内，用以防止灰尘、油污、水滴等进入PLC内部，造成电路短路，从而造成PLC损坏。

为了保证PLC工作时其温度保持在规定环境温度范围内，安装PLC的控制柜应有足够的通风空间，如果周围环境超过55℃，要安装通风扇，强迫通风，如图4-9所示。

f. PLC在控制柜中的安装要求 为了保证PLC工作的安全稳定以及日常维护的安全，安装PLC控制柜时，应尽量远离600V以上的高压设备或动力设备，分开设置，如图4-11所示。

如图4-12所示，将PLC安装在高压动力柜中，这种安装方法极易造成安全事故，因此不得在实际中这样安装。

② PLC系统的安装原则

a.安装PLC时，应在断电情况下进行操作，同时为了防止静电对PLC的影响，应借助防静电设备或用手接触金属物体将人体的静电释放后，再对PLC进行安装。

b. PLC的安装方式通常有底板安装和DIN导轨安装两种方式，用户在安装时可根据安装条件进行选择。

底板安装方式是指利用PLC底部外壳上的4个安装孔进行安装，如图4-13所示，根据安装孔的不同选择不同大小规格的螺钉进行固定。

DIN导轨安装方式是指利用PLC底部外壳上的导轨安装槽及卡扣将PLC安装在DIN导轨上，如图4-14所示。

c.安装PLC时，应防止杂物从PLC的通风窗掉入PLC的内部。

PLC采用垂直安装时，应防止导线头、铁屑等从PLC的通风窗掉入PLC中，造成内部电路元件短路，如图4-15所示。

③ PLC供电电源的安装原则 PLC若要正常的工作，最重要的一点就是要保证其供电线路的正常。一般情况下PLC供电电源的要求为交流220V/50Hz，三菱FX系列的PLC还有一路24V的直流输出引线，用来连接一些光电开关、接近开关等传感器件。

在电源突然断电的情况下，PLC的工作应在小于10ms时不受影响，以免电源电压突然的波动影响PLC工作。在电源断开时间大于10ms时，PLC应停止工作。

PLC设备本身带有抗干扰能力，可以避免交流供电电源中的轻微的干扰波形，若供电电源中的干扰比较严重时，则需要安装一个1∶1的隔离变压器，以减少干扰。

④ PLC接地原则 有效的接地可以避免脉冲信号的冲击干扰，因此在对PLC设备或PLC扩展模块进行安装时，应保证其良好的接地，以免脉冲信号损坏PLC设备。

PLC的接地线应使用直径在2mm以上的专用接地线，且应尽量采用专用接地，接地极应尽量靠近PLC，以缩短接地线，如图4-16所示。在连接PLC设备的接地端时，应尽量避免与电动机、变频器或其他设备的接地端相连，应分别进行接地。

若无法采用专用接地时，可将PLC的接地极与其他设备的接地极相连接，构成共用接地，如图4-17所示。

⑤ PLC输入端的接线原则 PLC一般使用限位开关、按钮开关等进行控制，且输入端还常与外部传感器进行连接，因此在对PLC输入端的接口进行接线时，应注意以下两点。

a.输入端的连接线不能太长，应限制在30m以内，若连接线过长，则会使输入设备对PLC的控制能力下降，影响控制信号输入的精度。

b. PLC的输入端引线和输出端引线不能使用同一根电缆，以免造成干扰，或引线绝缘层损坏时造成短路故障。

⑥ PLC输出端的接线原则 PLC设备的输出端一般用来连接控制设备，例如继电器、接触器、电磁阀、变频器、指示灯等，在对输出端的引线或设备进行连接时，需要注意以下几点。

a.若PLC的输出端连接继电器设备时，应尽量选用工作寿命比较长（内部开关动作次数）的继电器，以免负载（电感性负载）影响到继电器的工作寿命。

b.在连接PLC输出端的引线时，应将独立输出和公共输出分别进行分组连接。在不同的组中，可采用不同类型和电压输出等级的输出电压；而在同一组中，只能选择同一种类型、同一个电压等级的输出电源。

c.输出元件端应安装熔断器进行保护，由于PLC的输出元件安装在印制电路板上，使用连接线连接到端子板，若错接而将输出端的负载短路，则可能会烧毁电路板。安装熔断器后，若出现短路故障则熔断器快速熔断，保护电路板。

d. PLC的输出负载可能产生噪声干扰，因此要采取措施加以控制。

e.除了使用PLC中设置控制程序防止对用户造成伤害，还应设计外部紧急停止工作电路，在PLC出现故障后，能够手动或自动切断电源，防止危险发生。

f.直流输出引线和交流输出引线不应使用同一个电缆，且输出端的引线要尽量远离高压线和动力线，避免并行或干扰。

4.1.2 西门子PLC系统的安装规范

PLC系统通常安装在PLC控制柜内，避免灰尘、污物等的侵入，为了增强PLC系统的工作性能，提高其使用寿命，安装时应严格按照PLC的安装要求进行安装。

下面以典型西门子S7-200 SMART PLC为例介绍安装接线方法。图4-19为西门子S7-200 SMART PLC的安装尺寸。

表4-1所列为西门子S7-200 SMART PLC不同型号设备的安装尺寸。

（1）DIN导轨的安装固定

图4-20为DIN导轨的安装固定，该PLC采用DIN导轨的安装方式时，应先将其DIN导轨安装固定在PLC控制柜的合适位置，并使用螺钉旋具将固定螺钉拧入DIN导轨和PLC控制柜的固定控制，将其DIN导轨固定在PLC控制柜上。

（2）PLC的安装固定

DIN导轨固定完成后，接下来需要将PLC安装固定在DIN导轨上，如图4-21所示，将PLC底部的两个卡扣向下推使其DIN导轨能够安装在PLC安装槽内，然后将PLC安装槽对准固定好的DIN导轨，使其PLC背部上端的卡扣卡住DIN导轨，最后再将PLC背部的两个卡扣向上推使其卡住DIN导轨，至此便完成了PLC的安装固定工作。

（3）撬开接口端子排

PLC与输入、输出设备之间通过输入、输出接口端子排进行连接，因此在安装前，首先应将输入、输出接口端子排撬开，如图4-22所示，先将PLC的输入、输出接口的护盖打开，使用一字槽螺钉旋具插入接口端子排的居中位置的缺口处，向外侧撬动。

（4）PLC输入输出接口的接线

PLC的输入接口常与输入设备（如控制按钮、过热保护继电器等）进行连接，用于控制PLC的工作状态；PLC的输出接口常与输出设备（接触器、继电器、晶体管、变频器等）进行连接，用来控制其工作。

在进行PLC输入输出接口的连接时，首先了解所选用PLC输入、输出端口的接线特点。图4-23为西门子S7-200 SMART（CPU SR40）的接线特点。

根据预先设计的I/O分配图，便可以进行PLC与外部输入输出设备的硬件连接，连接时应保证其接线牢固，如图4-24所示。连接输入设备时，将按钮开关或限位开关的一个触点与输入端的接口进行连接，另一个触点与供电端L＋（＋24V）进行连接；连接输出设备时，将接触器的一端与输出端接口进行连接。另一端与相线端进行连接，使其线圈接入交流220V电压中。

（5）PLC扩展接口的连接

当西门子S7-200 SMART PLC需连接扩展模块时，应先将其扩展模块安装在PLC控制柜内，然后再将其扩展模块与CPU模块连接，如图4-25所示。