第1章 S7-1200的硬件与硬件组态

1.1S7-1200的硬件

1.1.1 S7-1200的硬件结构

本书以西门子公司新一代的模块化小型PLC S7-1200为主要讲授对象。S7-1200主要由CPU模块（简称为CPU）、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成，各种模块安装在标准DIN导轨上。S7-1200的硬件组成具有高度的灵活性，用户可以根据自身需求确定PLC的结构，系统扩展十分方便。

1.CPU模块

S7-1200的CPU模块（见图1-1）将微处理器、电源、数字量输入/输出电路、模拟量输入/输出电路、PROFINET以太网接口、高速运动控制功能组合到一个设计紧凑的外壳中。每块CPU内可以安装一块信号板（见图1-2），安装以后不会改变CPU的外形和体积。

微处理器相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，存储器用来储存程序和数据。

图1-1 S7-1200PLC

图1-2 安装信号板

S7-1200集成的PROFINET接口用于与编程计算机、HMI（人机界面）、其他PLC或其他设备通信。此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。

2.信号模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，数字量（又称为开关量）输入模块和数字量输出模块简称为DI模块和DQ模块，模拟量输入模块和模拟量输出模块简称为AI模块和AQ模块，它们统称为信号模块，简称为SM。

信号模块安装在CPU模块的右边，扩展能力最强的CPU可以扩展8个信号模块，以增加数字量和模拟量输入、输出点。

信号模块是系统的眼、耳、手和脚，是联系外部现场设备和CPU的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号。模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号，或者直接接收热电阻、热电偶提供的温度信号。

数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。

CPU模块内部的工作电压一般是DC 5V，而PLC的外部输入/输出信号电压一般较高，例如DC 24V或AC 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

3.通信模块

通信模块安装在CPU模块的左边，最多可以添加3块通信模块，可以使用点对点通信模块、PROFIBUS模块、工业远程通信模块、AS-i接口模块和I/O-Link模块。

4.精简系列面板

第二代精简系列面板主要与S7-1200配套，64K色高分辨率宽屏显示器的尺寸为4.3in、7in、9in和12in，支持垂直安装，用TIA博途中的WinCC组态。它们有一个RS-422/RS-485接口或一个RJ45以太网接口，还有一个USB 2.0接口。

5.编程软件

TIA是Totally Integrated Automation（全集成自动化）的简称，TIA博途（TIA Portal）是西门子自动化的全新工程设计软件平台。S7-1200用TIA博途中的STEP 7 Basic（基本版）或STEP 7 Professional（专业版）编程。

1.1.2 CPU模块

1.CPU的共性

1）S7-1200可以使用梯形图（LAD）、函数块图（FDB）和结构化控制语言（SCL）这3种编程语言。每条布尔运算指令、字传送指令和浮点数数学运算指令的执行时间分别为0.08μs、1.7μs和2.3μs。

2）CPU集成了最大150KB（B是字节的缩写）的工作存储器、最大4MB的装载存储器和10KB的保持性存储器。CPU 1211C和CPU 1212C的位存储器（M）为4096B，其他CPU为8192B。可以用可选的SIMATIC存储卡扩展存储器的容量和更新PLC的固件。还可以用存储卡将程序传输到其他CPU。

3）过程映像输入、过程映像输出各1024B。集成的数字量输入电路的输入类型为漏型/源型，电压额定值为DC 24V，输入电流为4mA。1状态允许的最小电压/电流为DC 15V/2.5mA，0状态允许的最大电压/电流为DC 5V/1mA。输入延迟时间可以组态为0.1μs～20ms，有脉冲捕获功能。在过程输入信号的上升沿或下降沿可以产生快速响应的硬件中断。

继电器输出的电压范围为DC5～30V或AC5～250V。最大电流2A，白炽灯负载为DC30W或AC200W。DC/DC/DC型CPU的MOSFET场效应晶体管的1状态最小输出电压为DC20V，0状态最大输出电压为DC0.1V，输出电流0.5A。最大白炽灯负载为5W。

脉冲输出最多4路，CPU 1217支持最高1MHz的脉冲输出，其他DC/DC/DC型的CPU本机最高100kHz，通过信号板可输出200kHz的脉冲。

4）有两点集成的模拟量输入（0～10V），10位分辨率，输入电阻大于等于100kΩ。

5）集成的DC 24V电源可供传感器和编码器使用，也可以用作输入回路的电源。

6）CPU 1215C和CPU 1217C有两个带隔离的PROFINET以太网端口，其他CPU有一个以太网端口，传输速率为10M/100Mbit/s。

7）实时时钟的保存时间通常为20天，40℃时最少为12天，最大误差为±60s/月。

2.CPU的技术规范

S7-1200现在有5种型号的CPU（见表1-1），此外还有故障安全型CPU。CPU可以扩展1块信号板，左侧可以扩展3块通信模块。

表1-1S7-1200CPU技术规范

图1-3中的①是集成的I/O（输入/输出）的状态LED（发光二极管），②是3个指示CPU运行状态的LED，③是PROFINET以太网接口的RJ45连接器，④是存储卡插槽（在盖板下面），⑤是可拆卸的接线端子板。

每种CPU有3种具有不同电源电压和输入、输出电压的版本（见表1-2）。

图1-3 CPU模块

3.CPU的外部接线图

CPU 1214C AC/DC/Rly（继电器）型的外部接线图见图1-4。输入回路一般使用图中标有①的CPU内置的DC 24V传感器电源，漏型输入时需要去除图1-4中标有②的外接DC电源，将输入回路的1M端子与DC 24V传感器电源的M端子连接起来，将内置的24V电源的L+端子接到外接触点的公共端。源型输入时将DC 24V传感器电源的L+端子连接到1M端子。

表1-2 S7-1200CPU的3种版本

CPU 1214C DC/DC/Rly的接线图与图1-4的区别在于前者的电源电压为DC24V。

图1-4 CPU 1214CAC/DC/Relay的外部接线图

CPU 1214C DC/DC/DC的电源电压、输入回路电压和输出回路电压均为DC24V。输入回路也可以使用内置的DC 24V电源。

4.CPU集成的工艺功能

S7-1200集成的工艺功能包括高速计数与频率测量、高速脉冲输出、PWM控制、运动控制和PID控制。

（1）高速计数器

最多可组态6个使用CPU内置或信号板输入的高速计数器，CPU 1217C有4点最高频率为1MHz的高速计数器。其他CPU可组态最高频率为100kHz（单相）/80kHz（互差90°的正交相位）或最高频率为30kHz（单相）/20kHz（正交相位）的高速计数器（与输入点地址有关）。如果使用信号板，最高计数频率为200kHz（单相）/160kHz（正交相位）。

（2）高速输出

各种型号的CPU最多4点高速脉冲输出（包括信号板的DQ输出）。CPU 1217C的高速脉冲输出最高频率为1MHz，其他CPU 100kHz，信号板200kHz。

（3）运动控制

S7-1200的高速输出可以用于步进电动机或伺服电动机的速度和位置控制。通过一个轴工艺对象和PLCopen运动控制指令，它们可以输出脉冲信号来控制步进电动机速度、阀位置或加热元件的占空比。除了返回原点和点动功能以外，还支持绝对位置控制、相对位置控制和速度控制。轴工艺对象有专用的组态窗口、调试窗口和诊断窗口。

（4）用于闭环控制的PID功能

PID功能用于对闭环过程进行控制，建议PID控制回路的个数不要超过16个。STEP7中的PID调试窗口提供用于参数调节的形象直观的曲线图，支持PID参数自整定功能。

1.1.3 信号板与信号模块

各种CPU的正面都可以增加一块信号板。信号模块连接到CPU的右侧，以扩展其数字量或模拟量I/O的点数。CPU 1211C不能扩展信号模块，CPU 1212C只能连接两个信号模块，其他CPU可以连接8个信号模块。所有的S7-1200 CPU都可以在CPU的左侧安装最多3个通信模块。

1.信号板

S7-1200所有的CPU模块的正面都可以安装一块信号板，并且不会增加安装的空间。有时添加一块信号板，就可以增加需要的功能。例如数字量输出信号板使继电器输出的CPU具有高速输出的功能。

安装时首先取下端子盖板，然后将信号板直接插入S7-1200 CPU正面的槽内（见图1-2）。信号板有可拆卸的端子，因此可以很容易地更换信号板。有下列信号板和电池板：

1）SB 1221数字量输入信号板，4点输入的最高计数频率为200kHz。数字量输入、数字量输出信号板的额定电压有DC 24V和DC 5V两种。

2）SB 1222数字量输出信号板，4点固态MOSFET输出的最高计数频率为200kHz。

3）SB 1223数字量输入/输出信号板，2点输入和2点输出的最高频率均为200kHz。

4）SB 1231热电偶信号板和RTD（热电阻）信号板，它们可选多种量程的传感器，分辨率为0.1℃/0.1°F，15位+符号位。

5）SB 1231模拟量输入信号板，有一路12位的输入，可测量电压和电流。

6）SB 1232模拟量输出信号板，一路输出，可输出分辨率为12位的电压和11位的电流。

7）CB 1241 RS485信号板，提供一个RS-485接口。

8）BB 1297电池板，适用于实时时钟的长期备份。

2.数字量I/O模块

数字量输入/数字量输出（DI/DQ）模块和模拟量输入/模拟量输出（AI/AQ）模块统称为信号模块。可以选用8点、16点和32点的数字量输入/数字量输出模块（见表1-3），来满足不同的控制需要。8继电器输出（双态）的DQ模块的每一点，可以通过有公共端子的一个常闭触点和一个常开触点，在输出值为0和1时，分别控制两个负载。

所有的模块都能方便地安装在标准的35mmDIN导轨上。所有的硬件都配备了可拆卸的端子板，不用重新接线，就能迅速地更换组件。

表1-3 数字量输入/输出模块

3.模拟量I/O模块

在工业控制中，某些输入量（例如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（例如电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟量信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，例如4～20mA，±0～10V，PLC用模拟量输入模块的A-D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A-D转换后用二进制补码来表示。模拟量输出模块的D-A转换器将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A-D转换（模拟量输入）和D-A转换（模拟量输出）。

A-D转换器和D-A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。模拟量输入/模拟量输出模块的另一个重要指标是转换时间。

（1）SM 1231模拟量输入模块

有4路、8路的13位模块和4路的16位模块。模拟量输入可选±10V、±5V和0～20mA、4～20mA等多种量程。电压输入的输入电阻大于等于9MΩ，电流输入的输入电阻为280Ω。双极性模拟量满量程转换后对应的数字为-27648～27648，单极性模拟量对应的为0～27648。

（2）SM 1231热电偶和热电阻模拟量输入模块

有4路、8路的热电偶（TC）模块和4路、8路的热电阻（RTD）模块。可选多种量程的传感器，分辨率为0.1℃/0.1°F，15位+符号位。

（3）SM 1232模拟量输出模块

有2路和4路的模拟量输出模块，-10～+10V电压输出为14位，最小负载阻抗1000Ω。0～20mA或4～20mA电流输出为13位，最大负载阻抗600Ω。-27648～27648对应满量程电压，0～27648对应满量程电流。

（4）SM 12344路模拟量输入/2路模拟量输出模块

SM1234模块的模拟量输入和模拟量输出通道的性能指标分别与SM 1231 AI 4x 13bit模块和SM 1232AQ2x 14bit模块的相同，相当于这两种模块的组合。

1.1.4 集成的通信接口与通信模块

S7-1200具有非常强大的通信功能，提供下列的通信选项：I-Device（智能设备）、PROFINET、PROFIBUS、远距离控制通信、点对点（PtP）通信、USS通信、Modbus RTU、AS-i和I/OLink MASTER。

1.集成的PROFINET接口

实时工业以太网是现场总线发展的趋势，PROFINET是基于工业以太网的现场总线（IEC61158现场总线标准的类型10），是开放式的工业以太网标准，它使工业以太网的应用扩展到了控制网络最底层的现场设备。

S7-1200CPU集成的PROFINET接口可以与计算机、其他S7CPU、PROFINETI/O设备（例如ET200远程I/O和SINAMICS驱动器）通信。该接口使用具有自动交叉网线功能的RJ45连接器，用直通网线或者交叉网线都可以连接CPU和其他以太网设备或交换机，数据传输速率为10M/100Mbit/s。

CSM1277是紧凑型交换机模块，有4个具有自检测和交叉自适应功能的RJ45连接器。它安装在S7-1200的安装导轨上，不需要组态。

2.PROFIBUS通信与通信模块

S7-1200最多可以增加3个通信模块，它们安装在CPU模块的左边。

PROFIBUS是国际现场总线标准之一，已被纳入现场总线的国际标准IEC 61158。

通过使用PROFIBUS-DP主站模块CM 1243-5，S7-1200可以和其他CPU、编程设备、人机界面和PROFIBUS-DP从站设备（例如ET 200和SINAMICS驱动设备）通信。CM 1243-5可以做S7通信的客户机或服务器。

通过使用PROFIBUS-DP从站模块CM 1242-5，S7-1200可以作为智能DP从站设备与PROFIBUS-DP主站设备通信。

3.点对点（PtP）通信与通信模块

通过点对点通信，S7-1200可以直接发送信息到外部设备，例如打印机；从其他设备接收信息，例如条形码阅读器、RFID（射频识别）读写器和视觉系统；可以与GPS装置、无线电调制解调器以及其他类型的设备交换信息。

CM 1241是点对点高速串行通信模块，可执行的协议有ASCII、USS驱动协议、Modbus RTU主站协议和从站协议，可以装载其他协议。3种模块分别有RS-232、RS-485和RS-422/485通信接口。

通过CM 1241通信模块或者CB 1241 RS485通信板，可以与支持Modbus RTU协议和USS协议的设备进行通信。S7-1200可以作为Modbus主站或从站。

4.AS-i通信与通信模块

AS-i是执行器传感器接口（Actuator Sensor Interface）的缩写，位于工厂自动化网络的最底层。AS-i已被列入IEC 62026标准。AS-i是单主站主从式网络，支持总线供电，即两根电缆同时作信号线和电源线。S7-1200的AS-i主站模块为CM 1243-2，其主站协议版本为V3.0，可配置31个标准开关量/模拟量从站或62个A/B类开关量/模拟量从站。

5.远程控制通信与通信模块

通过使用GPRS通信处理器CP 1242-7，S7-1200CPU可以与下列设备进行无线通信：中央控制站、其他远程站、移动设备（SMS短消息）、编程设备（远程服务）和使用开放式用户通信的其他通信设备。通过GPRS可以实现简单的远程监控。

6.I/O-Link主站模块

I/O-Link是IEC 61131-9中定义的用于传感器/执行器领域的点对点通信接口，使用非屏蔽的3线制标准电缆。I/O-Link主站模块SM 1278用于连接S7-1200 CPU和I/O-Link设备，它有4个I/O-Link端口，同时具有信号模块功能和通信模块功能。