2.1 S7-1200 PLC硬件

2.1.1 CPU模块

S7-1200现在有3种型号的CPU模块，在本书中统一简称为CPU，以常见的CPU1211C、CPU1212C及CPU1214C型为例其特性见表2-1。

表2-1 S7-1200 CPU技术特性

1.CPU的共性

1）集成的24V传感器/负载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。

2）2点集成的模拟量输入（0～10V），输入电阻100kΩ，10位分辨率。

3）2点脉冲列输出（PTO）或脉宽调制（PWM）输出，最高频率100kHz。

4）每条位运算、字运算和浮点数数学运算指令的执行时间分别为0.1μs、12μs和18μs。

5）最多可以设置2048B有掉电保持功能的数据区（包括位存储器、功能块的局部变量和全局数据块中的变量）。通过可选的SIMATIC存储卡，可以方便地将程序传输到其他CPU。存储卡还可以用来存储各种文件或更新PLC系统的固件。

6）过程映像输入、输出各1024B。

数字量输入电路的电压额定值为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。可组态输入延迟时间（0.2～12.8ms）和脉冲捕获功能。在过程输入信号的上升沿或下降沿可以产生快速响应的中断输入。

继电器输出的电压范围为DC 5～30V或AC 5～250V，最大电流为2A，白炽灯负载为DC30W或AC 200W。DC/DC型MOSF.ET的1状态最小输出电压为DC 20V，输出电流为0.5A。0状态最大输出电压为DC 0.1V，最大白炽灯负载为5W。

7）可以扩展3块通信模块和一块信号板，CPU可以用信号板扩展一路模拟量输出或高速数字量输入/输出。

8）时间延迟与循环中断，分辨率为1ms。

9）实时时钟的缓存时间典型值为10天，最小值为6天，25℃时的最大误差为60s/月。

10）带隔离的PROFINET以太网接口，可使用TCP/IP和ISO-on-TCP两种协议。支持S7通信，可以作服务器和客户机，传输速率为10Mbit/s、100 Mbit/s，可建立最多16个连接。自动检测传输速率，RJ-45连接器有自协商和自动交叉网线（Auto Cross Over）功能。后者是指用一条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。

11）用梯形图和功能块图这两种编程语言。

12）可选的SIMATIC存储卡扩展存储器的容量和更新PLC的固件。还可以用存储卡来方便地将程序传输到其他CPU。

13）参数自整定的PID控制器。

14）仿真器（小开关板）为数字量输入点提供输入信号来测试用户程序。

2.CPU的技术规范

S7-1200的3种CPU有着不同电源电压和输入、输出电压的版本，详情见表2-2。

表2-2 S7-1200 CPU的版本

3.CPU集成的工艺功能

S7-1200集成了高速计数与频率测量、高速脉冲输出、PWM控制、运动控制和PID控制功能。

（1）高速计数器

S7-1200的CPU最多有6个高速计数器，用于对来自增量式编码器和其他设备的频率信号计数，或对过程事件进行高速计数。3点集成的高速计数器的最高频率为100kHz（单相）或80kHz（互差90°的AB相信号）。其余各点的最高频率为30kHz（单相）或20kHz（互差90°的AB相信号）。

（2）高速输出

S7-1200集成了两个100kHz的高速脉冲输出，组态为PTO时，它们提供最高频率为100kHz的50%占空比的高速脉冲输出，可以对步进电动机或伺服驱动器进行开环速度控制和定位控制，通过两个高速计数器对高速脉冲输出进行内部反馈。

组态为PWM输出时，将生成一个具有可变占空比、周期固定的输出信号，经滤波后，得到与占空比成正比的模拟量，可以用来控制电动机速度和阀门位置等。

（3）PLCopen运动功能块

S7-1200支持使用步进电动机和伺服驱动器进行开环速度控制和位置控制。通过一个轴工艺对象和STEP 7 Basic中通用的PLCopen运动功能块，就可以实现对该功能的组态。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。

STEP 7 Basic中的驱动调试控制面板简化了步进电动机和伺服驱动器的起动和调试过程。它为单个运动轴提供了自动和手动控制，以及在线诊断信息。

（4）用于闭环控制的PID功能

S7-1200支持多达16个用于闭环过程控制的PID控制回路（S7-200只支持8个回路）。

这些控制回路可以通过一个PID控制器工艺对象和STEP 7 Basic中的编辑器轻松地进行组态。除此之外，S7-1200还支持PID参数自调整功能，可以自动计算增益、积分时间和微分时间的最佳调节值。

STEP 7 Basic中的PID调试控制面板简化了控制回路的调节过程，可以快速精确地调节PID控制回路。它除了提供自动调节和手动控制方式之外，还提供用于调节过程的趋势图。

2.1.2 信号模块及信号板

S7-1200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，并且每一个正面都可以增加一块信号板，以扩展数字量或模拟量I/O。CPU 1212C只能连接两个信号模块，CPU 1214C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。

S7-1200所有的模块都具有内置的安装夹，能方便地安装在一个标准的35mm DIN导轨上。S7-1200的硬件可以竖直安装或水平安装。所有的S7-1200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。

1.信号板

信号板可以用于只需要少量附加I/O的情况。所有的S7-1200 CPU模块都可以安装一块信号板，并且不会增加安装的空间。在某些情况下使用信号板，可以提高控制系统的性能价格比。只需要添加一块信号板，就可以根据需要增加CPU的数字量或模拟量I/O点。

安装时将信号板直接插入S7-1200 CPU正面的槽内即可。信号板有可拆卸的端子，因此可以很容易地更换信号板。

常见的信号板有两种：

1）SB 1223数字量输入/输出信号板如图2-1所示。它的两点DC 24V输入有上升沿、下降沿中断和脉冲捕获功能。输入参数与CPU集成的输入点的基本上相同。用作高速计数器的时钟输入时，最高输入频率为30kHz。

两个DC 24V MOSFET输出点的最大输出电流为0.5A，最大白炽灯负载为DC 5W，可以输出最高20kHz的脉冲列。

2）SB 1232模拟量输出信号板如图2-2所示。其输出分辨率为12位的-10～+10V电压，负载阻抗大于等于1000Ω；或输出分辨率为11位的0～20mA电流信号，负载阻抗小于等于600Ω，不需要附加的放大器。25℃满量程的最大误差为±0.5%，0～55℃满量程的最大误差为±1.0%。有超上限/超下限、电压模式对地短路和电流模式断线的诊断功能。

图2-1 2DI/2DO信号板

图2-2 SB1232模拟量输出信号板

2.数字量I/O模块

数字量输入/输出（DI/DO）模块和模拟量输入/输出（AI/AO）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/输出模块（见表2-3），来满足不同的控制需要。

表2-3 数字量输入/输出模块

3.PLC对模拟量的处理

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，1～5V，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/输出模块的另一个重要指标是转换时间。

4.模拟量模块

S7-1200现在有5种模拟量模块，此外还有后来增加的热电阻模块和热电偶模块。

（1）4通道模拟量输入模块SM 1231 AI 4×13bit

此模块的模拟量输入可选±10V、±5V和±2.5V电压，或0～20mA电流。分辨率为12位加上符号位，电压输入的输入电阻大于或等于9MΩ，电流输入的输入电阻为250Ω，模块有中断和诊断功能，可监视电源电压和断线故障。所有通道的最大循环时间为625μs。

额定范围的电压转换后对应的数字为-27648～27648。25℃或0～55℃满量程的最大误差为±0.1%或±0.2%。可按弱、中、强3个级别对模拟量信号做平滑（滤波）处理，也可以选择不做平滑处理。模拟量模块的电源电压均为DC 24V。

（2）2通道模拟量输出模块SM 1232AO 2×14bit

此模块的输入电压为-10～+10 V时，分辨率为14位，最小负载阻抗为10000Ω。输出电流为0～20mA时，分辨率为13位，最大负载阻抗600Ω有中断和诊断功能，可监视电源电压、短路和断线故障。数字-27648～27648被转换为-10～+10V的电压，数字0～27648被转换为0～20mA的电流。

电压输出负载为电阻时转换时间为300μs，负载为1μF电容时转换时间为750μs。

电流输出负载为1mH电感时转换时间为600μs，负载为10mH电感时为2ms。

（3）4通道模拟量输入/2通道模拟量输出模块

模块SM 1234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 4×13bit和SM 1232AO 2×14bit的相同，相当于这两种模块的组合。

2.1.3 集成通信接口及通信模块

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（IEC 61158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。

通过TCP/IP标准，S7-1200提供的集成PROFINET接口可用于与编程软件STEP 7 Basic通信（见图2-3），以及与SIMATIC HMI精简系列面板通信，或与其他PLC通信（见图2-4）。

图2-3 S7-1200与计算机的通信

图2-4 S7-1200与HMI的通信

此外它还通过开放的以太网协议TCP/IP和ISO-on-TCP支持与第三方设备的通信。该接口的RJ-45连接器具有自动交叉网线（Auto-Cross-Over）功能，数据传输速率为10Mbit/s、100Mbit/s，支持最多16个以太网连接。该接口能实现快速、简单、灵活的工业通信。

S7-1200可以通过成熟的S7通信协议连接到多个S7控制器和HMI设备。将来还可以通过PROFINET接口将分布式现场设备连接到S7-1200，或将S7-1200作为一个PROFINET IO设备，连接到作为PROFINET IO主控制器的PLC。它将为S7-1200系统提供从现场级到控制级的统一通信，以满足当前工业自动化的通信需求。

STEP 7 Basic中的网络视图使用户能够轻松地对网络进行可视化组态。

为了使布线最少并提供最大的组网灵活性，可以将紧凑型交换机模块CSM 1277和S7-1200一起使用，以便组建成一个具有线形、树形或星形拓扑结构的网络。CSM 1277是一个4端口的紧凑型交换机，用户可以通过它将S7-1200连接到最多3个附加设备。除此之外，如果将S7-1200和SIMATIC NET工业无线局域网组件一起使用，还可以构建一个全新的网络。

2.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。

RS-485和RS-232通信模块为点对点（P2P）的串行通信提供连接（见图2-5）。STEP 7Basic工程组态系统提供了扩展指令或库功能、USS驱动协议、Modbus RTU主站协议和Modbus RTU从站协议，用于串行通信的组态和编程。

此外还有计划中的PROFINET（控制器/IO设备）模块和PROFIBUS主站/从站模块。

图2-5 使用通信模块的串行通信