3. PLC基础与选型：工作原理、品牌对比与厂务场景要点
可编程逻辑控制器（PLC）是厂务数据采集的底层核心设备。SCADA系统通过工业以太网或现场总线与PLC通信，读取传感器数据并下发控制指令。本章从工作原理出发，对比主流品牌特性，并给出厂务场景下的选型建议。
3.1 PLC工作原理：扫描周期与任务模型
PLC采用循环扫描的工作方式，一个完整的扫描周期包括以下阶段：
- 读取输入（Input Scan）：将物理输入模块的状态（如传感器信号）批量读入内存中的输入映像区。
- 执行用户程序（Program Scan）：CPU逐条执行用户编写的梯形图或结构化文本，更新内部寄存器和输出映像区。
- 处理通信请求（Communication Scan）：处理来自SCADA、HMI或其他PLC的通信请求，更新通信缓冲区。
- 写入输出（Output Scan）：将输出映像区的状态一次性刷新到物理输出模块，驱动执行器（如阀门、变频器）。
关键指标：扫描周期（Scan Cycle Time）直接影响SCADA数据刷新率。厂务场景中，普通模拟量监控允许50~200ms周期，高速脉冲或运动控制需<10ms。
3.2 主流PLC品牌与核心特性对比
厂务领域常见的PLC品牌包括西门子（Siemens）、罗克韦尔（Rockwell/Allen-Bradley）和三菱（Mitsubishi）。下表从通信协议、编程环境、厂务适用性三个维度进行对比：
| 对比维度 | 西门子 S7-1200/1500 | 罗克韦尔 CompactLogix | 三菱 FX5U/L 系列 |
|---|---|---|---|
| 通信协议 | Profinet（实时以太网）、Modbus TCP、S7 通信 | EtherNet/IP（CIP 协议）、ControlNet、DeviceNet | CC-Link IE Field、Modbus TCP、SLMP |
| 编程软件 | TIA Portal（博途） | Studio 5000 | GX Works3 |
| 厂务适用性 | 暖通空调、水处理、电力监控；中大型项目首选 | 汽车、半导体厂务；北美标准项目主导 | 小型水站、洁净室辅助设备；性价比高 |
| SCADA 集成难度 | 低（OPC UA 原生支持） | 中（需配置 CIP 路径） | 中低（Modbus 兼容性好） |
| 典型扫描周期 | 1~10 ms（S7-1500） | 2~20 ms（取决于任务配置） | 5~50 ms（FX5U） |
选型提示：如果厂务系统已存在西门子 PLC 生态（如 S7-300/400），升级到 S7-1200/1500 可复用 TIA Portal 工程文件，降低迁移成本。罗克韦尔在半导体厂务中占有率较高，因其与 EtherNet/IP 的深度集成。
3.3 厂务场景选型要点
厂务数据采集对PLC的选型要求不同于产线自动化，需重点关注以下五点：
- 通信接口冗余：厂务系统通常要求双网口或双总线冗余，确保单点故障不影响SCADA数据采集。西门子S7-1500支持Profinet系统冗余（S2），罗克韦尔支持DLR（设备级环网）。
- 模拟量通道精度：温度、压力、流量等模拟量信号需12~16位分辨率。选型时确认AI/AO模块的转换精度和抗干扰能力（如隔离型模块）。
- 环境适应性：厂务现场常有高温、高湿、电磁干扰。PLC应选择宽温范围（-25°C~60°C）和IP20以上防护等级，必要时加装防尘过滤网。
- 远程维护能力：厂务站点分散（如冷冻站、纯水站、空压站），PLC需支持Web服务器或VPN远程访问，便于SCADA工程师调试通信参数。
- 生命周期与备件：厂务系统运行周期通常10~15年，选择市场保有量大、备件易采购的品牌（如西门子S7-1200、三菱FX5U），避免小众型号停产风险。
3.4 通信参数调优的前置知识：PLC侧配置
在后续章节深入通信参数调优之前，需确认PLC侧已正确配置以下参数：
| 参数项 | 推荐值（厂务场景） | 说明 |
|---|---|---|
| IP 地址与子网掩码 | 静态分配，与SCADA同网段 | 避免DHCP导致地址漂移 |
| 通信协议选择 | Profinet / EtherNet/IP / Modbus TCP | 优先使用实时以太网协议 |
| 数据块（DB）访问权限 | 允许读/写，优化长度 | 仅开放SCADA所需的数据区 |
| 看门狗（Watchdog） | 100~500 ms | 防止通信死锁导致PLC停机 |
| 通信缓冲区大小 | 4~16 KB（视数据量调整） | 过大增加扫描周期，过小丢包 |
常见误区：部分工程师在PLC侧开启所有数据块的远程访问权限，导致SCADA轮询时读取大量无用数据，增加网络负载和PLC扫描周期。应遵循“最小数据原则”，只开放SCADA实际需要的变量。
3.5 厂务PLC选型清单示例
以下是一个典型厂务项目的PLC选型清单，供参考：
- 冷冻站（Chiller Plant）：西门子 S7-1500 + Profinet，控制冷冻水泵、冷却塔、阀门，模拟量通道≥16路。
- 纯水站（DI Water）：三菱 FX5U-32MT + Modbus TCP，控制RO膜、EDI模块，数字量I/O为主。
- 空压站（Compressed Air）：罗克韦尔 CompactLogix 5380 + EtherNet/IP，管理空压机群控与干燥机。
- 洁净室环境监控（Cleanroom）：西门子 S7-1200 + 远程I/O ET200SP，采集温湿度、压差、粒子计数器。
选型完成后，下一步将进入PLC与SCADA的通信链路搭建，重点优化通信参数以降低延迟和丢包率。