S7-1200 PLC应用基础课件 第2章 S7-1200 PLC系统特性

第2章

S7-1200PLC系统特性摘要ABSTRACTSIMATICS7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务。具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能。SIMATICS7-1200是SIMATICS7可编程序控制器系列中的新型PLC，具有丰富的常规扩展模块和智能模块，如连接RFID的读卡器模块RF120C、IO-Link主站模块SM1278、静态及动态称重模块WP231/WP241/WP251、电能测量模块SM1238等。目录CONTENTS1234概述信号模块与信号板CPU本体最大I/O扩展能力与电源计算接线

2.1概述S7-1200PLC具有模块化、结构紧凑、功能全面等特点，适用于多种应用。西门子系列化的控制器家族产品满足不同应用及需求，可根据具体应用需求及预算，灵活组合、定制，如图2-1所示。2.1.1CPU特性CPU采用了模块化和紧凑型设计，将处理器、传感器电源、数字量输入/输出、高速输入/输出、模拟量输入/输出组合到一起，形成了功能强大的控制器。1）集成的以太网接口；2）以宽电压范围AC或DC电源形式集成的电源(85~264VAC或24VDC)；3）集成24VDC数字量输入/24VDC或继电器数字量输出；4）集成模拟量输入0~10V/模拟量输出0~20mA；5）频率高达100kHz的高速计数器(HSC)；6）频率高达100kHz的脉冲序列输出（PTO）/脉宽调制（PWM）输出；7）通过信号板直接在CPU上扩展模拟量或数字量信号(保持CPU原有空间)；8）可选的存储器(SIMATIC存储卡)；9）PLCopen运动控制，用于简单的运动控制；10）带自整定功能的PID控制器；11）集成实时时钟；12）密码保护；2.1.2CPU模块结构和技术指标1.CPU模块结构S7-1200现有CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C和CPU1217C五种不同配置的CPU模块，此外还有故障安全性CPU。CPU本体可以扩展1块信号板，左侧可以扩展3块通信模块，而所有信号模块都要配置在CPU的右侧，最多8块。CPU模块的外部结构大体相同，如图2-2所示。2.1.2CPU模块结构和技术指标2.CPU技术指标CPU单元主要技术参数见表2-1所示。2.1.2CPU模块结构和技术指标3.集成的数字量输入滤波器和脉冲捕捉功能。脉冲捕捉功能可以捕捉高电平脉冲或低电平脉冲。当脉冲出现的时间极短，CPU在扫描周期开始读取数字量输入时，可能无法始终读取到这个脉冲。为某一个输入点启用脉冲捕捉时，输入状态的改变被锁存，并保持至下一次输入循环更新。这样可确保捕捉到持续时间很短的脉冲。图2-3中，①在某一扫描周期中存在多个脉冲，仅锁存第一个脉冲。如果需响应在一个扫描周期中的多个脉冲，则应当使用上升沿/下降沿中断事件。②CPU也可以捕捉低电平脉冲。2.1.2CPU模块结构和技术指标4.集成的PROFINET通信接口S7-1200CPU集成的PROFINET接口可以与下列设备通信:计算机、其他S7CPU、PROFINETI/O设备（例如ET200远程和SINAMICS驱动设备），以及使用标准的TCP/IP通信协议的设备。它支持TCP/IP、ISO-on-TCP、UDP和S7通信协议。该接口使用具有自动交叉网线（Auto-Cross-Over）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。支持最多23个以太网连接，其中3个连接用于与HMI的通信，1个连接用于与编程设备（PG）的通信，8个连接用于开放式用户通信，3个连接用于使用GET/PUT指令的S7通信的服务器，8个连接用于使用GET/PUT指令的S7通信的客户端。

2.2信号模块与信号板信号模块（SM）和信号板（SB）是CPU与控制设备之间的接口，输入/输出模块统称为信号模块。信号模块主要分为两类：1）数字量模块：数字量输入、数字量输出、数字量输入/输出模块。2）模拟量模块：模拟量输入、模拟量输出、模拟量输入/输出模块。信号板（SB）可以直接插到CPU前面的插座上，扩展数字量或模拟量输入/输出，而不必改变CPU体积。信号板（SB）或通信板（CB）、通信模块（CM）、信号模块（SM）与CPU连接示意如图2-4所示。2.2.1数字信号模块（SM）数字信号模块是为解决CPU本机集成的数字量输入/输出点不足而使用。S7-1200PLC目前有8输入、16输入的数字量输入模块，8输出、16输出的数字量输出模块以及8输入/8输出、16输入/16输出混合模块。具体型号见表2-2。2.2.2数字信号板（SB）S7-1200各种CPU的正面都可以增加一块信号板，并且不会增加安装的空间，目前有4输入、4输出、2输入/2输出7种信号板，具体型号见表2-5。2.2.3模拟量概述模拟量是区别于数字量的连续变化的过程量，如温度、压力、流量、转速等，通过变送器可将传感器提供的电量或非电量转换为标准的电流或电压信号，如4~20mA、1~5V、0~10V等，然后再经过A-D转换器将其转换成数字量进行处理。D-A转换器将数字量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量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）。变送器分为电流输出型和电压输出型。电压输出型变送器具有恒压源的性质，如果变送器距离PLC较远，则通过电路间的分布电容和分布电感感应的干扰信号，在模块上将产生较高的干扰电压，所以在远程传送模拟量电压信号时，抗干扰能力很差。电流输出型变送器具有恒流源的性质，不易受到干扰，所以模拟量电流信号适用于远程传送。并非所有模拟量模块都需要专门的变送器。2.2.4模拟信号模块（SM）S7-1200PLC有4输入或8输入模拟量输入模块，2输出或4输出模拟量输出模块以及4输入/2输出模拟量混合模块，另外还有专门用于温度测量的热电偶（TC）模块和热电阻（RTD）模块，如表2-11所示。2.2.5模拟信号板（SB）S7-1200有1路模拟量输入以及1路输出模拟量输出的模拟量信号板，如表2-16所示。2.2.6热电偶（TC）和热电阻（RTD）概述1.热电偶的测温原理从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端的温度有关，只有将参考端的温度恒定，热电动势才是测量端温度的单值函数，为此必须采取一些相应的措施进行补偿或修正。S7-1200热电偶模块和信号板有两种方式用于温度补偿，在TIA博途模块属性中设置测量类型、源参考温度等。2.2.6热电偶（TC）和热电阻（RTD）概述2.热电阻的测温原理S7-1200热电阻模块和信号板有两种测量类型“电阻”和“热敏电阻”，每种类型都支持“4线制”、“3线制”、“2线制”3种接线方式，如图2-8所示。若测量类型组态为“电阻”，则只有“150欧姆”、“300欧姆”、“600欧姆”3个选择，额定范围的满量程将是十进制数27648。若测量类型组态为“热敏电阻”，需要组态热电阻类型、温度系数等参数.如果热电阻类型组态为气候型，测量值除以100即为实际温度值，如测量值为2340，实际温度为23.4℃；如果热电阻类型组态为标准型，测量值除以10即为实际温度值，如测量值为234，实际温度为23.4℃。2.2.7热电偶（TC）和热电阻（RTD）模块1.SM1231热电偶和热电阻模块技术规范2.2.7热电偶（TC）和热电阻（RTD）模块2.热电偶热电阻输入模块的抑制频率和更新时间热电偶热电阻输入模块在不同抑制频率下的更新时间，如表2-20所示。

2.3CPU本体最大I/O扩展能力与电源计算2.3.1CPU本体最大I/O扩展能力S7-1200CPU本体最大I/O能力取决于以下几个因素，这些因素之间互相影响、制约，必须综合考虑：1）CPU输入/输出过程映像区大小。2）CPU本体的I/O点数。3）CPU带扩展模块的数目（CPU可扩展模块的数量见表2-1）。4）CPU的5VDC背板总线电源容量是否满足所有扩展模块的需要。CPU本体I/O不满足使用要求时，可以通过PROFINET或者PROFIBUS网络连接分布式I/O方式扩展。CPU通过背板总线为扩展模块提供5VDC电源，所有扩展模块的5VDC电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定值。2.3.2扩展模块电流消耗计算CPU及扩展上的每个数字量输入消耗4mA的24VDC电流，每个继电器输出消耗11mA。1.数字信号模块消耗电流2.3.2扩展模块电流消耗计算2.模拟信号模块消耗电流2.3.2扩展模块电流消耗计算3.信号板消耗电流2.3.2扩展模块电流消耗计算4.通信模块、通信板消耗电流2.3.2扩展模块电流消耗计算5.电源消耗计算实例计划采用CPU1214CAC/DC/继电器，1块CM1242-5PROFIBUSDP从站通信模块、1块SM122116×24VDC输入、2块SM122316×24VDC输入/16×继电器输出、1块SM12318×16位热电阻模拟量输入，如表2-25所示。

2.4接线2.4.1CPU供电电源接线及传感器电源接线每种CPU都有24VDC或120V-240VAC两种电源供电模式。分别有DC/DC/DC、DC/DC/RLY、AC/DC/RLY3种具有不同电源电压、输入电压、输出电压的版本。例如，CPU1212CDC/DC/DC，其中第1个DC表示CPU电源电压为24VDC，第2个DC表示输入信号控制电压为24VDC，第3个DC表示输出控制电压（负载的工作电源）为24VDC。CPU直流供电如图2-10a）所示。CPU1215CAC/DC/RLY，其中第1个AC表示CPU电源电压为120V-240VAC，第2个DC表示输入信号控制电压为24VDC，第3个RLY表示继电器输出，其触点控制的负载即可以为交流也可以为直流。CPU交流供电如图2-10b）所示。2.4.2传感器与数字量输入接线对于S7-1200所有型号的直流输入端口，既可以公共端1M接负作为源型输入；也可以公共端1M接正作为漏型输入。2.4.2传感器与数字量输入接线从传感器的输出型式角度上讲，PNP输出传感器为源型（SOURCE）输入接法，如图2-12a）所示；NPN输出传感器为漏型（SINK）输入接法，如图2-12b）所示。2.4.3数字量输出接线1.直流（晶体管）输出接线对于S7-1200PLC，只有200kHz的信号板输出既支持源型输出又支持漏型输出，其他信号板、信号模块和CPU集成的晶体管输出都只支持源型输出。接线如图2-13所示。2.4.3数字量输出接线2.继电器输出接线继电器输出将PLC与外部负载实现电路上的完全隔离，每一个继电器通过其常开机械触点实现外部电源对负载供电。因此，继电器输出可以驱动250V/2A以下交直流负载。图2-14中的1L是输出电路若干输出点的公共端。2.4.4传感器与模拟量输入接线1.传感器与电压电流型模拟量输入接线以SM12314×13位模拟量输入6ES7231-4HD32-0XB0为例，图2-15给出了模块电源和其中2路接线。2.4.4传感器与模拟量输入接线2.传感器与热电阻RTD模拟量输入接线以SM12314×16位热电阻RTD模拟量输入6ES7231-5ND32-0XB0为例，图2-16给出了模块电源和其中未使用输入、二线制、三线制、四线制接线。2.4.4传感器与模拟量输入接线3.传感器与热电偶TC模拟量输入接线以SM12314×16位热电偶TC模拟量输入6ES7231-5QD32-0XB0为例，图2-17给出了模块电源和其中2路接线。2.4.5模拟量输出接