《电气控制与S7-1200PLC应用》课件 第3章S7-1200 PLC硬件系统

第3章S7-1200PLC硬件系统本章内容3.1西门子PLC家族3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.3信号模块与信号板3.4通信接口模块3.5S7-1200PLC硬件接线3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.1西门子PLC家族3.1西门子PLC家族1987年，国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器(PLC)定义作用功能特点数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。3.1西门子PLC家族PLC的产生3.1西门子PLC家族西门子控制器家族产品非常丰富，可以满足不同应用复杂性需求。I/O扩展能力通信能力程序大小指令速度不断增强和发展3.1西门子PLC家族早期的控制器产品一般集成有PROFIBUS或RS-485的串口，应用复杂性从低到高如:LOGO0BA6S7-200S7-300S7-400现在新型控制器产品一般本体都集成PROFINET或以太网接口LOGO0BA8S7-200SMARTS7-1200S7-1500替代S7-1200是西门子公司推出的面向离散自动化系统和独立自动化系统的紧凑型PLC。小型微型中型大型3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.1S7-1200PLC的硬件组成通信模块（CM）信号板（SB）CPU模块信号模块（SM）图S7-1200PLC硬件组成模块3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.1S7-1200PLC的硬件组成CPU模块S7-1200PLC的控制核心，集成了微处理器、内存、电源和输入/输出电路等关键元件。S7-1200PLC的CPU包含1211C、1212C、1214C、1215C、1217C等型号3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.1S7-1200PLC的硬件组成信号模块数字量输入模块：用于按钮触点、接近开关、光电开关等信号的状态检测。数字量输出模块：用于控制接触器、电磁阀等执行机构。模拟量输入模块：用于温度、压力、流量、液位等物理量的检测。模拟量输出模块：用于控制电动调节阀和变频器等设备。最多可扩展8个信号模块CPU右侧可以扩展I/O模块信号模块3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.1S7-1200PLC的硬件组成通信模块最多可扩展3个通信模块CPU左侧可以扩展通信模块，包含DP通信的主站模块和从站模块，以太网通信处理器，串口通信模块。通信模块3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.1S7-1200PLC的硬件组成信号板信号板在CPU上方均可以增加一块信号板，信号板类型可以根据需要进行选择。3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU模块的内部组成①电源接口②存储卡插槽（上部保护盖下面）③可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）④输入指示灯⑤输出指示灯⑥PROFINET接口

⑦状态指示灯

图CPU1215C面板结构3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU模块的内部组成图S7-1200PLCCPU内部结构框图3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU的技术规范版本电源电压DI输入电压DO输出电压DO输出电流DC/DC/DCDC24VDC24VDC24V0.5A，MOSFETDC/DC/RelayDC24VDC24VDC5

30VAC5

250V2A，DC30W/AC200WAC/DC/RelayAC85

264VDC24VDC5

30VAC5

250V2A，DC30W/AC200W表CPU电源配置版本第1个DC代表电源电压范围为直流24V，AC代表交流85V到264V；中间DC代表直流输入;末位DC代表晶体管输出，RLY代表继电器输出。3.2S7-1200PLC的组成与工作原理CPU的技术规范型号CPU1211CCPU1212CCPU1214CCPU1215CCPU1217C

用户存储器工作50KB75KB100KB125KB150KB装载1MB4MB保持性10KB

本机I/O数字量6入/4出8入/6出14入/10出模拟量2入2入/2出

过程映像大小输入(I)1024B输出(Q)1024B位存储器(M)4096B8192B信号模块(SM)(右侧扩展)无2个8个信号板(SB)、电池板(BB)或通信板(CB)1个通信模块(CM)(左侧扩展)3个高速计数器3路5路6路输出脉冲4路，本体100kHz,经信号板可达200kHz(CPU1217最多支持1MHz)存储卡SIMATIC存储卡(选配)PROFINET接口(以太网接口)1个2个表S71200CPU技术特性（部分）3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU集成的工艺功能（1）高速计数器（2）高速输出（3）PLCopen运动功能块（4）用于闭环控制的PID功能最多有6个高速计数器，最高频率为1MHz（单相）或80kHz（互差90°的AB相信号）。100kHz的高速脉冲输出，最多4个。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。支持多达16个用于闭环过程控制的PID控制回路。3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU的LED组合意义表CPU的LED组合意义描述RUN/STOP(绿/橙)ERR（红）MAINT（橙）断电熄灭熄灭熄灭启动、自检测、固件更新绿色/橙色交替闪动——熄灭STOP模式橙色常亮————RUN模式绿色常亮————发出存储卡橙色常亮——闪烁出错橙色或绿色常亮闪烁——维护请求橙色或绿色常亮——常亮硬件故障橙色常亮常亮熄灭LED检测或有问题的CPU固件橙色/绿色交替闪动闪烁闪烁RUN/STOPERRORMAINT3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.3S7-1200PLC的工作原理CPU的三种工作模式停止（STOP）模式起动（STARTUP）模式运行（RUN）模式上电有故障错误CPU处理所有通信请求并执行自诊断，但不执行用户程序，过程映像也不会自动更新，用户可下载程序。进行上电诊断和系统初始化CPU将循环重复执行用户程序，以及响应各种中断事件。无故障错误3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU的三种工作模式CPU进入STARTUP模式ABCED①②③④⑤图起动与运行过程（V4.0版本以后）阶段A：将物理输入的状态复制到I存储器。阶段B：将Q输出存储区初始化为零，上一周期或组态的替换值将PB、PN和AS-i输了出设为零。阶段D：将所有中断事件存入队列，待进入RUN模式后处理。阶段E：启用Q存储器到物理输出的写入操作。阶段C：将非保持性M存储器和数据块初始化为其初始值，并启用组态的循环中断事件和时钟事件并执行启动OB。3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块CPU的三种工作模式CPU进入RUN模式ABCED①②③④⑤图起动与运行过程（V4.0版本以后）①将Q存储器写入物理输出；②将物理输入的状态复制到I存储器；③执行程序循环OB组织块；④执行自检诊断；⑤

在扫描周期的任何阶段处理中断和通信。3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块在RUN模式下处理扫描周期在每个扫描周期中，CPU都会写入输出、读取输入、执行用户程序、更新通信模块以及响应用户中断事件和通信请求。通信处理与自诊断扫描周期读取输入写入输出执行用户程序中断处理1-2ms1-2ms程序长度不同而时间不同时间被控制在一定范围10-100ms3.2S7-1200PLC的组成与工作原理3.2.2S7-1200PLC的CPU模块在RUN模式下处理扫描周期读取输入过程映像示意图输入区I输出区Q..用户程序CPU存储区位76543210字节012...CPU存储区字节012...位76543210110输入模块输出模块写入输出执行用户程序中断中断无中断，程序逐条执行有中断，插队执行程序3.3信号模块与信号板信号模块（1）S7-1200PLC的数字量输入/输出模块

数字量模块是用于连接外部机械触点和电子数字传感器，如光电开关和接近开关。数字输入模块将现场的外部数字信号电平转换为PLC的内部信号电平。图开关量直流输入模块电路S7-1200PLC的开关量输入只有DC24V一种形式。3.3信号模块与信号板信号模块（1）S7-1200PLC的数字量输入/输出模块为了适应不同负载的需求，开关量输出模块的输出接口电路有晶体管输出（DC）、继电器输出（Relay）二种不同的输出电路形式。图晶体管输出型电路图继电器输出型电路3.3信号模块与信号板信号模块（1）S7-1200PLC的数字量输入/输出模块型

号数字量输入点数数字量输出点数SM1221DI8×DC24V输入8

SM1221DI16×DC24V输入16

SM1222DQ8×DC24V输出

8SM1222DQ16×DC24V输出

16SM1222DQ16×继电器输出

16SM1222DQ8×继电器输出

8SM1222DQ8×继电器双态输出

8(双态)SM1223DI8×DC24V输入/8×继电器输出88SM1223DI8×DC24V输入/8×DC24V输出88SM1223DI16×DC24V输入/16×继电器输出1616SM1223DI16×DC24V输入/16×DC24V输出1616SM1223DI8×AC120/230V输入/8×继电器输出88表

数字量信号模块3.3信号模块与信号板信号模块（2）S7-1200PLC的模拟量输入/输出模块模拟量输入模块：是采集表示事物的电压、电流或者频率等模拟量参数。驱动硬件输出和相关数据通路，按照运行方式选择当前的设定值，也可根据需要反向并提供结果给硬件输出或软件输出。模拟量的输出模块：是将CPU处理后的二进制数字信号转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。因此，模拟量输出模块又叫D/A转换输出模块。3.3信号模块与信号板信号模块（1）S7-1200PLC的数字量输入/输出模块表

模拟量信号模块型

号模拟量输入点数模拟量输出点数SM1231AI4×13位模拟量输入4

SM1231AI4×16位模拟量输入4

SM1231AI8×13位模拟量输入8

SM1231AI4×热电阻（RTD）模拟量输入4

SM1231AI8×热电阻（RTD）模拟量输入8

SM1231AI4×热电偶（TC）模拟量输入4

SM1231AI8×热电偶（TC）模拟量输入8

SM1232AQ2×14位模拟量输出

2SM1232AQ4×14位模拟量输出

4SM1234AI4×13位模拟量输入/AQ2×14位模拟量输出423.3信号模块与信号板信号板信号板是西门子S7-1200PLC的紧凑型扩展模块，直接安装于CPU本体前端，无需额外导轨空间，用于低成本、小规模扩展输入/输出（I/O）点数或增加通信功能，适用于空间受限的小型自动化项目。表

信号板（SB）3.3信号模块与信号板信号板型

号输入点数输出点数SB1221200kHz4×24VDC输入（源型）4

SB1221200kHz4×5VDC输入（源型）4

SB1222200kHz4×24VDC输出（漏型/源型）

4SB1222200kHz4×5VDC输出（漏型/源型）

4SB12232×24VDC输入（源型）/2×24VDC输出（源型）22SB1223200kHz2×24VDC输入（源型）/2×24VDC输出（漏型/源型）22SB1223200kHz2×5VDC输入（源型）/2×5VDC输出（漏型/源型）22SM12321路模拟量输出

1SM12311路模拟量输入1

SM12311路模拟量输入热电偶1

SM12311路模拟量输入RTD1

S7-1200PLC提供PROFINET、PROFIBUS、远距离控制通信、点对点通信、USS通信、ModbusRTU（远程终端单元）、执行器传感器接口(AS-i通信)等通信功能。通信模块和通信处理器（CP）将扩展CPU的通信接口，S7-1200PLC最多可扩展3个通信模块（CM或CP），它们安装在CPU模块的左侧。型号功

能CM1241提供点对点（PtP）通信，RS485/RS422/RS232CM1243-2As-i主站CM1243-5PROFIBUSDP主站通信模块CM1242-5PROFIBUSDP从站通信模块CM1242-7GPRS模块，提供远程控制功能CM1243-1以太网模块，用于连接至调度台，支持远程协议（DNP3、IEC60870、TeleControlBasic）表通信模块与通信处理器的型号与功能3.4通信接口模块数字量输出通道模拟量输入通道数字量输入通道3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.1CPU模块的接线电源通道PROFINET通信通道3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.1CPU模块的接线图CPU1215CDC/DC/DC的外部端子图图

漏型输入外部接线图图

源型输入外部接线图3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.1CPU模块的接线图CPU1215CAC/DC/Relay的外部端子图3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.2数字量模块的接线数字量输入模块的接线图SM1221DI8×24VDC接线图图SM1221DI16×24VDC接线图3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.2数字量模块的接线PNP/NPN传感器与PLC数字量输入模块的连接图PNP型、NPN型传感器与开关量输入的连接PNP型传感器棕色黑色蓝色电源24VS7-1200PLCI0.01M+-数字量输入NPN型传感器棕色黑色蓝色+-电源24VS7-1200PLCI0.01M数字量输入3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.2数字量模块的接线数字量输出模块的接线图SM1222DQ8×24VDC接线图SM1222DQ8×继电器

接线3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.3模拟量模块的接线图SM1231AI4×13位

接线图SM1231AI8×13位

接线模拟量输入模块的接线3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.3模拟量模块的接线模拟量输出模块的接线

图SM1232AQ2×14位

接线

图SM1232AQ4×14位

接线3.5S7-1200PLC硬件接线3.5.3模拟量模块的接线2线/4线传感器与模拟量输入模块的接线图传感器与模拟量输入模块连接图3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.1物品输送系统控制电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：物品输送系统3D场景3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.1物品输送系统控制电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：物品输送系统3D场景入口输送电机缓冲输送电机光电传感器控制箱急停按钮停止按钮（带灯）起动按钮（带灯）复位按钮（带灯）发射器（FactoryIO仿真用）3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.1物品输送系统控制电路设计I/O信号及地址分配表

物品输送系统的I/O信号地址分配输入信号名称数据类型触点类型地址输出信号名称数据类型地址物品检测光电传感器BoolPNP、NCI0.0发射器BoolQ0.0入口光电传感器BoolPNP、NCI0.1入口输送电机BoolQ0.1出口光电传感器BoolPNP、NCI0.2缓冲输送电机BoolQ0.2起动按钮BoolNOI0.3起动按钮指示灯BoolQ0.3复位按钮BoolNOI0.4停止按钮指示灯BoolQ0.4停止按钮BoolNCI0.5复位按钮指示灯BoolQ0.5急停按钮BoolNCI0.6

3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.1物品输送系统控制电路设计PLCI/O电路设计CPU1215CDC/DC/DC图

物品输送系统I/O电路3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.2机械手控制电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：机械手抓放物品的3D场景3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.2机械手控制电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：机械手抓放物品的3D场景控制箱急停按钮停止按钮（带灯）起动按钮（带灯）复位按钮（带灯）自动/手动选择开关发射器（FactoryIO仿真用）入口输送电机抓取X轴移动Z轴移动出口输送电机光电传感器3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.2机械手控制电路设计I/O信号及地址分配输入信号名称数据类型触点类型地址输出信号名称数据类型地址入口物品光电检测BoolPNP、NOI0.0入口输送机BoolQ0.0出口物品光电检测BoolPNP、NOI0.1出口输送机BoolQ0.1X轴移动状态BoolNOI0.2X轴移动BoolQ0.2Z轴移动状态BoolNOI0.3Z轴移动BoolQ0.3物品检测状态BoolNOI0.4抓取BoolQ0.4启动按钮BoolNOI0.5启动指示灯BoolQ0.5复位按钮BoolNOI0.6复位指示灯BoolQ0.6停止按钮BoolNCI0.7停止指示灯BoolQ0.7急停按钮BoolNCI1.0发射器BoolQ1.0自动BoolNOI1.1接收器BoolQ1.1手动BoolNCI1.2

表

机械手控制I/O信号地址分配表3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.2机械手控制电路设计PLCI/O电路设计图

机械手抓放物品I/O电路CPU1215CDC/DC/DC3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.3物品分拣电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：双路物品分拣系统3D场景3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.3物品分拣电路设计FactoryIO虚拟仿真环境：双路物品分拣系统3D场景控制箱急停按钮停止按钮（带灯）起动按钮（带灯）复位按钮（带灯）发射器蓝/绿物品入口输送带出口输送带推杆推出到位缩回到位视觉传感器（PROFINET通信）光电传感器3.6S7-1200PLC控制的硬件电路设计实例3.6.3物品分拣电路设计I/O信号及地址分配表

双路物品分拣控制系统I/O信号地址分配表输入信号名称数据类型触点类型地址输出信号名称数据类型地址传感器1BoolPNP、NOI0.0入口输送带1BoolQ0.0推杆1推出到位BoolNOI0.1推杆1BoolQ0.