每周二，由老曹带领大家一步一步进入到自动化控制系统的奇妙世界；一步一步告诉大家如何从一张P & ID（Piping and Instrumentation diagram）图设计一套PLC控制系统，其中包括：IO点统计、PLC选型、IO表设计、IO端子图设计、机柜布置图设计、总线设计、网络设计、PLC程序编制、上位机画面编制、文档制作；让你轻轻松松完整以PLC为主控制器的控制系统设计。
延续前三周的内容，本周继续指导大家通讯模块选型、电源选型、附件选型以及PLC配置清单的制作：
4.4 接口模块选型
接口模块在PLC系统里面也称为通讯模块，主要分为以下三类：
- 控制器与远程IO的通信，标记为类1
- PLC与上位机的通信，标记为类2
- PLC与第三方仪表的通信，标记为类3
- AB Remote IO（用于类1）
对于AB系统来讲，比较老的PLC5与SLC500一般采用Remote IO模块，通过Remote IO接口模块实现远程IO站和控制器的数据交换；
常见的型号有1747-ASB作为SLC500远程IO适配器，1771-ASB作为PLC5的远程IO适配器，Flex IO系统可以选择1794-ASB。
说明：如果实际工程中遇到需要将PLC5或者SLC500的IO系统连接到最新的ControlLogix或者CompactLogix可以采用 RIO 接口模块。
ControlLogix可以选择1756-DHRIO模块。
CompactLogix可以选择ProSoft Technology 生产的AN-X-AB-DHRIO模块。
- AB DeviceNet（用于类1和类3）
DeviceNet是基于CAN技术的一种低成本通讯网络，至今大部分汽车行业还采用该总线，因此本文将DeviceNet也做一点简单介绍。DeviceNet主要特点是短帧传输，每帧的最大数据为8个字节；一个网络最大支持64个节点，波特率可达到512kbps，网络结构可以支持点对点，主从通讯和多主通讯，由于其廉价而且高效的特点，至今很多过程传感器，阀组，电动执行机构，条码枪，变频器等都支持DeviceNet。
1756 ControlLogix系统可选择 1756-DNB 实现和现场DeviceNet设备的连接。
1769 CompactLogix系统可选择1769-SDN实现和现场DeviceNet设备的连接。1769-ADN可以作为DeviceNet远程IO站。
1734 Point IO 也可以通过1734-ADN连接到1756-DNB或者1769-SDN实现远程IO和控制器的连接。
- AB ControlNet（用于类1和类2，也可用于类3，部分传动设备支持ControlNet）
ControlNet是Rockwell Automation主要的三大通信协议之一，ControlNet采用生产者/消费者模式进行数据通讯，因此允许一条链路上有多个控制器同时存在，支持多路发送，多节点同时接收，大大的提高了数据交换效率，而且通讯速率不会随着节点数的增加和链路长度而降低，更重要的支持冗余，一直以来都是分散控制和过程控制的首选总线方式。
1756 ControlLogix系统可选 1756-CN2R / 1756-CNBR
1794 Flex IO可选1794-ACNR15 作为远程IO适配器
1734 Point IO 可选1734-ACN15作为远程IO适配器
- AB EtherNet/IP（可用于类1，类2，类3）
EtherNet/IP协议基于TCP/IP和UDP/IP, 只是在TCP或UDP报文的数据部分嵌入了CIP封装协议，EtherNet/IP协议同样采用生产者/消费者模式，因此被广泛用于了控制器和远程IO之间的以太网环网冗余结构。由于其采用UDP传输隐形报文，保证IO数据的实时性，因此也是目前唯一可支持IO以太网环网的工业以太网协议；由于EtherNet/IP基于标准的TCP/IP，因此也被用于上位机SCADA系统和PLC系统之前的数据交换。
1756 ControlLogix系统EtherNet/IP可选用 1756-EN2TR
1769 CompactLogix系统L1x，L2x，L3x均默认配置两个EtherNet/IP端口，因此无需另配EtherNet/IP卡件。
1794 Flex IO EtherNet/IP适配器可以选择 1794-AENTR
1734 Point IO EtherNet/IP适配器可以选择 1734-AENTR。
- Profibus-DP（主要用于类1和类3，也可通过CP5611实现和类2的数据交换
Profibus DP是欧洲几大工业自动化厂商主要支持的现场总线协议，SIEMENS不例外的只支持Profibus DP 和 ProfiNet分布式IO系统。接口采用RS485接口，最大速率可支持12Mbps，但是随着距离的增大速率会不断降低。ABB，Phoenix，Turck等IO均支持Profibus DP协议。
由于西门子每个IO机架最大支持8个IO模块（新的IM153可支持12个IO模块），因此必须通过扩展模块进行IO扩展，那么第一种方式就是通过IM360和IM361进行扩展，如果机架之间距离小于10米，可以考虑通过此种方法扩展；不过本人还是建议大家通过IM153进行远程IO扩展，使用更灵活，站点之间距离可以达到1km。而且通过控制器的Profibus DP接口就可以向下扩展。
根据第二节我们所讲的内容，本系统一共25个IO模块，因此需要扩展3个IO远程机架。因此选择3个IM153
具体型号为：Profibus-DP单网选择6ES7-153-1AA03-0XB0
Profibus-DP双网选择6ES7-153-2BA10-0XB0
说明：由于西门子自己也很少推广自己的ProfiNet IO，因此本文不做赘述。如果大家在实际项目中有设计，可以选择CP343-1作为ProfiNet IO适配器。
如果AB PLC系统设计方要求支持Profibus-DP协议，ControlLogix系统可以选择MVI56-PDPMV1，CompactLogix系统可以选择ILX69-PBM。
- Modbus RTU（主要用于类2和类3）
Modbus RTU协议最早由施耐德Modicon在1979年发明，是全球第一个应用于工业现场的现场总线协议，由于其协议的开放性和开发的简单性，是目前大部分工业厂商都支持的一种协议，也是目前应用最广泛的总线协议。整个网络中只有一个主站，最多可支持247个从站。由于本系统最初需求里提出，系统要预留Modbus RTU接口；因此我们要对Modbus RTU模块进行设备选型。
AB ControlLogix 系统 Modbus RTU模块型号为MVI56E-MCM（可以放在远程站）
AB CompactLogix系统Modbus RTU模块型号为MVI69E-MBS（可以放在远程站）
AB Flex IO Modbus RTU模块型号为MVI94-MCM（可以放在远程站）
SIEMENS S7-300系统Modbus RTU模块可选择CP340或者CP341
CP340订货号：6ES7340-1CH02-0AE0 （RS485接口）
CP341订货号：6ES7341-1CH02-0AE0（RS485接口）提供Modbus RTU驱动包。
通讯模块选型总结，通讯模块的选择主要分以下四步：
1、 确定IO模块总数
2、 确定IO远程站和PLC主站的通讯协议，一般建议选择厂家主流的通讯网络协议，AB建议采用ControlNet和EtherNet/IP; SIEMENS建议选用Profibus-DP
3、 确定PLC和HMI的通讯协议; 一般建议PLC和HMI之间采用工业以太网协议，比如EtherNet/IP，Modbus TCP/IP和 西门子工业以太网（注意西门子工业以太网并非指ProfiNet）。
4、 是否有特殊接口需求？
因此根据以上原则
- 本系统的IO模块总数为25块，
- AB CompactLogix可以带30个IO模块因此无需远程IO站，SIEMENS采用Profibus-DP通讯，需要配置3块IM153（选择最新支持12模块的接口模块）来实现主控制器和IO之间的数据交换。
- 上位机和AB PLC采用EtherNet/IP通信，由于1769-L36ER已经集成了以太网端口，因此无需另外选择以太网模块。SIEMENS选择CP343-1（6GK7-343-1EX30-0XE0）作为上位机和PLC之间的数据通讯模块。
- 本系统要求预留Modbus RTU接口，因此AB CompactLogix选用MVI69E-MBS，SIEMENS选择6ES7-341-1CH02-0AE0
4.5 电源选型
电源模块选型相对简单，根据所选PLC系列选择对应电源就好，只要满足最大容量需求即可。上一节我们控制器选择了Rockwell Automation 的 CompactLogix 和 SIEMENS的S7-300，因此电源模块我们也选择CompactLogix和S7-300系列，选型手册如下：
- AB电源模块选择：
对于AB PLC来讲如果是ControlLogix则每个机架均选择一个电源模块，对于1769 CompactLogix则电源模块的选择与IO模块的功耗有关系。
16点开关量输入模块的背板电流为115mA/5V,16点开关量输出模块的背板电流为200mA/5V,8点模拟量模块的背板电流为120mA/5V,4点模拟量输出模块的背板电流为120mA/5V,MVI69E-MBS的背板电流为350mA/5V;因此总的功耗为：
12×115 7×200 4×120 2×120 350=1380 1400 480 240 350=3850mA
由于对于CompactLogix最大的1769-PA4的容量为4A/5V,因此我们选择2个1769-PA4作为本系统的供电电源。
- SIEMENS S7-300电源模块选择
西门子系统每个机架选择一个5A电源模块PA307
订货号：6ES7 307-1EA00-0AA0
4.6 其他附件选型
- 接线端子：
ControlLogix系统每一个IO模块都需要单独选择接线端子，但是CompactLogix模块和接线端子是一体的因此无需单独选择。
S7-300 IO接线端子分为40针接线端子和20针接线端子两种
6ES7392-1AJ00-0AA0 20针接线端子
6ES7392-1AM00-0AA0 40针接线端子
16点开关量输入模块 6ES7-321-7BH01-0AB0 20针
16点开关量输出模块 6ES7-322-1BH01-0AB0 20针
8点模拟量输入模块 6ES7-331-7KF02-0AB0 20针
4点模拟量输出模块 6ES7-332-5HB01-0AB0 20针
因此西门子系统需要选择接线端子6ES7392-1AJ00-0AA0 25个。
- 机架：
很多大型PLC都需要一个框架去安装PLC模块，比如ControlLogix，QUANTUM，S7-400等。
由于本系统按中性系统设计，因此无需单独的机架，但是对于CompactLogix需要单独选择右侧盖板1769-ECR。
S7-300需要单独选择安装导轨6ES7 390-1AE80-0AA0。
- 通讯电缆和接头
如果是ControlLogix系统，远程IO采用ControlNet需要选择1786-RG6同轴电缆和相关的接头和终端电阻附件。CompactLogix需要选择扩展电缆1769-CRL3进行两个机架的连接。
S7-300需要选择Profibus-DP电缆和接头。
电缆：6XV1-830-0EH10
接头：6ES7-972-0BA12
4.7 PLC配置清单：
- CompactLogix配置清单
序号 | 型号 | 名称 | 数量 |
|---|---|---|---|
1 | 1769-CRL3 | Right bank-to-left bank expansion (1m) | 1 |
2 | 1769-ECR | Right End Cap Terminator | 1 |
3 | 1769-IF8 | 8 Channel Analog Voltage/Current Input Module | 3 |
4 | 1769-IQ16 | 16 Point 24 VDC Sinking/Sourcing Input Module | 12 |
5 | 1769-L36ERM | CompactLogix 5370 L3 Controller, 3Mb Memory w/Supercap Backup, 16 Axis CIP Motion, up to 30 1769 I/O expansion modules, 48 EtherNet/IP and 120 TCP connections | |
6 | 1769-OB16 | 16 Point 24 VDC Sourcing Output Module | 9 |
7 | 1769-OF4 | 4 Channel Analog Current/Voltage Output Module | 2 |
8 | 1769-PA4 | 120/240V AC Power Supply (5V @ 4 Amp) | 2 |
9 | MVI69E-MBS | Modbus RTU/ASCII Communication Module | 1 |
CompactLogix 硬件结构图
- 西门子设备清单
序号 | 型号 | 描述 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
主站 | ||||
1 | 6ES7 307-1EA00-0AA0 | PA307 5A电源模块 | 1 | |
2 | 6ES7-315-6FF04-0AB0 | CPU315-2DP CPU模块 | 1 | |
3 | 6GK7-343-1EX30-0XE0 | CP343-1以太网模块 | 1 | |
4 | 6ES7341-1CH02-0AE0 | RS485串口通讯模块 | 1 | Modbus RTU |
4 | 6ES7-321-1BH01-0AB0 | SM321 16点DI模块 | 4 | |
5 | 6ES7 390-1AE80-0AA0 | 480mm导轨 | 1 | |
6 | 6XV1-830-0EH10 | Profibus-DP电缆 | 1 | |
7 | 6ES7-972-0BA12 | F接头 | 1 | |
8 | 6ES7392-1AJ00-0AA0 | 20针接线端子 | 4 | |
#1 IO站 | ||||
1 | 6ES7-153-1AA03-0XB0 | IM153-1 接口模块 | 1 | |
2 | 6ES7-321-1BH01-0AB0 | SM321 16点DI模块 | 7 | 预留一个空槽 |
3 | 6ES7 390-1AE80-0AA0 | 480mm导轨 | 1 | |
4 | 6ES7-972-0BA12 | F接头 | 1 | |
5 | 6ES7392-1AJ00-0AA0 | 20针接线端子 | 7 | |
#2 IO站 | ||||
1 | 6ES7-153-1AA03-0XB0 | IM153-1 接口模块 | 1 | |
2 | 6ES7-321-1BH01-0AB0 | SM321 16点DI模块 | 1 | |
3 | 6ES7-322-1BH01-0AB0 | SM322 16点DO模块 | 6 | |
4 | 6ES7 390-1AE80-0AA0 | 480mm导轨 | 1 | |
5 | 6ES7-972-0BA12 | F接头 | 1 | |
6 | 6ES7392-1AJ00-0AA0 | 20针接线端子 | 7 | 预留一个空槽 |
#3 IO站 | ||||
1 | 6ES7-153-1AA03-0XB0 | IM153-1 接口模块 | 1 | |
2 | 6ES7-321-1BH01-0AB0 | SM322 16点DO模块 | 1 | |
3 | 6ES7-331-7KF02-0AB0 | SM331 8点AI模块 | 4 | |
4 | 6ES7-332-5HB01-0AB0 | SM332 4点AO模块 | 2 | |
5 | 6ES7 390-1AE80-0AA0 | 480mm导轨 | 1 | |
6 | 6ES7-972-0BA12 | F接头 | 1 | |
7 | 6ES7392-1AJ00-0AA0 | 20针接线端子 | 7 | |
注：SIEMENS配置中，每个机架预留了一个空槽位，以备将来的扩展用。另外本文章不介绍编程软件的选择，编程软件可根据不同的PLC系统选择对应软件即可，如果为AB系统可选择FactoryTalk RSLogix5000或者FactoryTalk Studio 5000；SIEMENS系统可选择Step7或者TIA Portal。
本节内容较多，下节介绍以PLC为主控制器的控制系统设备构成，包括电源系统，输入隔离继电器，输出驱动继电器，机柜以及完整IO表等，敬请期待！
作者介绍
曹俊义：资深工业网络通讯专家，工业自动化控制系统专家，ProSoft产品顶级技术专家。
工业通讯领域沉浸十数年，深喑各种工业通讯协议和工业网络架构以及国内外多种主流PLC应用和操作、熟知罗克韦尔、施耐德、西门子、GE等知名品牌的冗余系统，对工业无线通讯、工业物联网、工业IT与OT的融合，有着前瞻性的独到见解和务实的实践经验。
现任伟联科技董事长。努力为中国工业信息化、数字化、智能化的深入发展做出贡献。
