S7-1200 PLC的硬件和硬件组态概述

1、S7-1200 PLC的硬件和硬件组态概述S7-1200 PLC 编程及应用问题的引入KM2FU1KM1M3FRQL1L3L2正反转主电路控制电路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2KM2KM1传统电气控制接线多，硬件触点多，易因触点不良造成故障。控制电路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2KM2KM1引入PLCPLC的引入大大减少了接线和硬件触点的数量，同时还可带来其它的好处。1987年2月，国际电工委员会(IEC)对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序

2、、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。PLC的定义1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司为了适应生产工艺不断更新的需要，期望找到一种新的方法，尽可能减少重新设计继电控制系统和重新接线的工作，以降低成本、缩短周期，设想把计算机通用、灵活、功能完备等优点和继电控制系统的简单易懂、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，

3、使不熟悉计算机的人也能方便地使用。1969年，美国数字设备公司研制出了第一台可编程序逻辑控制器，在通用汽车公司的自动装配线上试用获得了成功。PLC的起源-1可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，最初只能进行计数、定时及开关量逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控、通信联网等多方面的功能，它已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。于是，美国电器制造商协会将其正式命名为可编程序控制器（Programmable Controll

4、er），简称PC。由于它与个人计算机(Personal computer)的简称PC相同，所以人们习惯上仍将其称为PLC。 PLC的起源-2PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。其硬件组成与微型计算机相似。工业自动控制中使用的可编程控制器的种类很多，不同类型的产品各有特点，但可编程控制器在组成、工作原理及编程方法等许多方面是基本相同的。PLC的基本结构 目前，世界上一些著名电器生产厂家几乎都在生产PLC，产品功能日趋完善，换代周期越来越短。为了进一步扩大PLC在工业自动化领域的应用范围，适应大、中、小型企业的不同需要，PLC

5、产品大致向两个方向发展：小型PLC向体积缩小，功能增强，速度加快，价格低廉的方向发展，使之能更加广泛地取代继电器控制，更便于实现机电一体化；大、中型PLC向高可靠性、高速度、多功能、网络化的方向发展，将PLC系统的控制功能和信息管理功能融为一体，使之能对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。 PLC的发展方向PLC的基本组成 PLC控制系统示意图组合式PLC组成示意图 1. 编程方法简单易学2. 功能强，性能价格比高3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4. 可靠性高，抗干扰能力强5. 系统的设计、安装、调试工作量少6. 维修工作量小，维修方便7. 体积小，能耗低PLC的特点中央处理单元是

6、PLC的主要组成部分，是系统的控制中枢。它的主要功能是：1、接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序的语法错误。当PLC投入运行时，首先以扫描方式接收现场各输入装置的状态或数据，并分别存入I/O映像区；2、然后从用户程序存储器中逐条取指令，按指令的规定执行逻辑或算术运算任务，并将运算结果存入I/O映像区或数据寄存器内。3、等到所有用户程序扫描执行完毕后，才将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置。如此循环运行，直至停止运行为止。 CPU 1开关量输入 按照输入端电源类型的不同，开关量输入可分为直流输入和交流输

7、入。 直流输入的电路如图所示，外接的直流电源极性可任意，虚线框内是PLC内部输入电路，虚线框外为外部用户接线。 输入/输出接口直流输入电路 2开关量输出 按输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出可分为晶体管输出、双向晶闸管输出和继电器输出。 (1) 在晶体管输出电路中，负载电源只能是直流，由用户提供。输出电路负载能力小(工作电流仅0.5 A)，为无触点开关。晶体管输出接口使用寿命长，响应速度快，其延迟一般为1 ms。 输入/输出接口开关量输出(a) 晶体管输出；晶体管输出 (2) 在双向晶闸管输出电路中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，负载电源由用户提供，它使PLC的负载可以根

8、据需要选用直流或交流电源。输出电路负载能力较大(工作电流约1 A左右)，响应速度较快，一般导通延迟为12ms，关断延迟为810 ms。开关量输出开关量输出(b) 双向晶闸管输出双向晶闸管输出 (3) 继电器输出电路中，负载电源由用户提供，可以是交流也可以是直流，视负载情况而定。输出电路抗干扰能力强，负载能力大(工作电流可达25 A)，但信号响应速度较慢，其延迟一般为810 ms。 开关量输出开关量输出(c) 继电器输出 继电器输出电源部件将交流电源转换成PLC的中央处理器、存储器等电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。PLC内部使用的电源是整机的供电中心，它的优劣直接影响到PLC的功能

9、和可靠性，因此目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电。开关式稳压电源的输入电压范围宽，体积小，效率高，重量轻，抗干扰性能好。有的PLC还能向外部提供24 V的直流电源，给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。 电源部件PLC的工作原理PLC有3种工作模式：RUN(运行)、STOP(停止)和STARTUP(启动)。STOP(停止)：CPU不执行用户程序，所有输出被禁止或按组态时的设置提供替代值或保持最后的输出值。STARTUP(启动) ：1. 复位过程映像输入区(I存储区)；2. 用上一次RUN模型最后的值 或替化值初如化输出；3. 执行OB，首先执行OB100。启动OB中用指令对过程映象输入的

10、读访问均为0，可以用立即读指令读取物理输入点的当前状态；4. 将物理输入状态复制点I存储区；5. 将中断事个保存到队列，以便在RUN模式进行处理；6. 将过程映象输出区（Q区）的值写到物理输出。在启动阶段不进行循环时间监控。RUN(运行) ：将过程映象输出区的值写到物理输出；将物理状态复制到过程映象输入区；执行一个或多个OB，首行执行主程序OB1；处理通信请求和进行自诊断。上述任务是顺序执行的。这种周而复始的循环工作方式称为扫描循环。在扫描循环的任意阶段（阶段 5）出现中断事件时，执行中断程序。PLC的工作原理扫描过程PLC的工作原理PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描过程所需的时间称为扫描

11、周期，典型值为1100ms。扫描周期26I/O的存取通过I/O映像寄存器，而不是实际I/O，优点：1、程序执行阶段输入固定，执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统运行稳定；2、用户程序读写I/O映像寄存器比读写I/O点快得多，可以提高程序的执行速度。过程映像寄存器在程序执行的过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令写输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。立即I/O的处理S7-1200 PLC (Programmable Logic Controller) 是西门子公司推出的一款PLC，主要

12、面向简单而高精度的自动化任务。S7-1200设计紧凑、组态灵活且具有功能强大的指令集，这些特点的组合使它成为控制各种应用的完美解决方案。 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个设计紧凑的外壳中以形成功能强大的PLC。CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其它智能设备的通信。S7-1200 PLC 简介S7-1200 PLC 简介30S7-1200 PLC 简介S7-1200 PLC在西门子PLC系列产品中的定位S7-1200 的硬件电源接口可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）板载 I/O 的状态LEDPROFINET

13、连接器（CPU 的底部）指示CPU运行状态的LEDCPU模块特性CPU1211CCPU1212CCPU1214C本机数字量I/O本机模拟量输入点6I/4O28I/6O214I/10O2脉冲捕获输入点数6814扩展模块个数-28上升沿/下降沿中断点数6/68/812/12集成/可扩展的工作存储器集成/可扩展的装载存储器25KB/不可扩展1MB/24MB25KB/不可扩展1MB/24MB50KB/不可扩展2MB/24MB高速计数器点数/最高频率3点/100kHz3点/100kHz1点/30kHz3点/100kHz3点/30kHz高速脉冲输出点数/最高频率2点/100kHz(DC/DC/DC型)操作

14、员监控功能无有有传感器电源输出电流/mA300300400外形尺寸/mm901007590100751110075CPU模块技术规范CPU的共性： 集成的24V传感器/负载电源可供传感器和编码器使用，也可以用做输入回路的电源。 集成的2点模拟量输入(010V)，输入电阻100k，10位分辨率。 2点脉冲列输出(PTO)或脉宽调制(PWM)输出，最高频率为100kHz。 有16个参数自整定的PID控制器。 4个时间延迟与循环中断，分辨率为1ms。 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。CPU模块技术规范版本电源电压DI输入电压DO输出电压D

15、O输出电流DC/DC/DCDC 24VDC 24VDC 24V0.5A,MOSFETDC/DC/RelayDC 24VDC 24VDC 530VAC 5250V2A,DC30W/ AC200WAC/DC/RelayAC 85264VDC 24VDC 530VAC 5250V2A,DC30W/ AC200WCPU的3种版本：CPU模块技术规范CPU1214C AC/DC/Relay的外部接线图CPU1214C DC/DC/DC的外部接线图CPU1214C DC/DC/Relay的外部接线图通过信号板可以给 CPU 增加 I/O。 SB 连接在 CPU 的前端。 具有 4 个数字量 I/O（2 x

16、 DC 输入和 2 x DC 输出）的 SB 具有 1 路模拟量输出的 SB 信号板SB (signal board)信号板SB 1221接线图信号板SB 1222接线图信号板SB 1223接线图信号板SB 1232 1x模拟量输出接线图可以使用信号模块给 CPU 增加附加功能。信号模块连接在 CPU 右侧。 信号模块 SM (signal module)可以选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，来满足不同的控制需要。数字量I/O(1) 在工业控制中，某些输入量(温度、压力、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

17、处理数字量。(2) 模拟量I/O模块的任务就是实现A/D和D/A。(3) 模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电压或电流，例如420mA，15V， 010V，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。(4) 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电压或电流，再去控制执行机构。(5) A/D和D/A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I/O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，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

18、底层的现场设备。S7-1200与编程计算机的通信集成的PROFINET接口 S7-1200与精简系列面板的通信集成的PROFINET接口 利用工业以太网交换机CSM 1277 进行多设备的连接集成的PROFINET接口 有两种通信模块：CM1241 RS232 和CM1241 RS485 CPU 最多支持 3 个通信模块 各 CM 连接在 CPU 的左侧（或连接到另一 CM 的左侧） 简介通信模块 (Communication module)1/2在编程接口模式下利用 CM1241 进行点对点连接简介通信模块 (Communication module)2/2Q & A53SIMATIC ST

19、EP 7 Basic 是西门子公司开发的高集成度工程组态系统，包括面向任务的HMI智能组态软件SIMATIC Wincc Basic。上述两个软件集成在一起，也称为TIA (Totally Integrated Automation，全集成自动化)Portal， 它提供了直观易用的编辑器，用于对S7-1200 和精简系列面板进行高效组态。除了支持编程以外，STEP 7 Basic还为硬件和网络组态、诊断等提供通用的工程组态框架。STEP 7 Basic 提供了两种编程语言(LAD 和 FBD) 。 有两种视图：Portal(门户)视图，可以概览自动化项目的所有任务；项目视图，将整个项目(包括P

20、LC和HMI)按多层结构显示在项目树中。 1.3 编程工具STEP 7 Basic特点541.3 编程工具STEP 7 Basic典型的自动化系统 1/2典型的自动化系统包含以下内容： 借助程序来控制过程的PLC； 用来操作和可视化过程的 HMI 设备。551.3 编程工具STEP 7 Basic典型的自动化系统 2/2TIA Portal 可用来帮助您创建自动化系统，关键的组态步骤为： 创建项目 配置硬件 联网设备 对PLC 编程 组态可视化 加载组态数据 使用在线和诊断功能 561.3 编程工具STEP 7 Basic工程组态系统可以使用 TIA Portal 在同一个工程组态系统中组态

21、PLC 和可视化。所有数据均存储在一个项目中，STEP 7和WinCC不是单独的程序，而是可以访问公共数据库。所有数据均存储在一个公共的项目文件中。 571.3 编程工具STEP 7 Basic数据管理在 TIA Portal 中，所有数据都存储在一个项目中。修改后的应用程序数据（如变量）会在整个项目内(甚至跨越多台设备)自动更新。 581.3 编程工具STEP 7 Basic界面总览任务卡详细视图工作区巡视区设备或网络概览区编辑器栏591.3 编程工具STEP 7 Basic创建新项目“项目”“新建”，出现“创建新项目”对话框：601.3 编程工具STEP 7 Basic添加新设备双击项目树

22、中的“添加新设备”：611.3 编程工具STEP 7 Basic参数设置“选项”“设置”：621.4 硬件组态组态的任务设备组态 (configuring)的任务就是在设备和网络编辑器中生成一个与实际的硬件系统对应的模拟系统，包括系统中的设备(PLC和HMI)，PLC各模块的型号、订货号和版本。模块的安装位置和设备之间的通信连接，都应与实际的硬件系统完全相同。此外还应设置模块的参数，即给参数赋值，或称为参数化。自动化系统启动时，CPU比较组态时生成的虚拟系统和实际的硬件系统，如果两个系统不一致，将采取相应的措施。631.4 硬件组态添加模块在硬件组态时，需要将I/O模块或通信模块放置到工作区的

23、机架的插槽内：用“拖放”的方法放置硬件对象；用“双击”的方法放置硬件对象。641.4 硬件组态过滤器如果激活了硬件目录的过滤器功能，则硬件目录只显示与工作区有关的硬件。例如用设备视图打开PLC的组态画面时，则硬件目录不显示HMI，只显示PLC的模块。651.4 硬件组态删除硬件组件可以删除设备视图或网络视图中的硬件组态组件，被删除的组件的地址可供其他组件使用。不能单独删除CPU和机架，只能在网络视图或项目树中删除整个PLC站。删除硬件组件后，可以对硬件组态进行编译。编译时进行一致性检查，如果有错误将会显示错误信息，应改正错误后重新进行编译。661.4 硬件组态信号模块和信号板的地址分配 1/3

24、添加了CPU、信号板或信号模块后，他们的I/O地址是自动分配的。选中“设备概览”，可以看到CPU集成的I/O模板、信号板、信号模块的地址。671.4 硬件组态信号模块和信号板的地址分配 2/3选中模块，通过巡视窗口的“I/O地址/硬件标识符”，可以修改模块的地址：也可以直接在设备概览中修改：681.4 硬件组态信号模块和信号板的地址分配 3/3DI/DO的地址以字节为单位分配，没有用完一个字节，剩余的位也不能作它用。AI/AO的地址以组为单位分配，每一组有两个输入/输出点，每个点(通道)占一个字或两个字节。建议不要修改自动分配的地址。691.4 硬件组态数字量输入点的参数设置 1/2选中设备视

25、图中的CPU、信号模块或信号板，然后选中巡视窗口，设置输入端的滤波器时间常数：701.4 硬件组态数字量输入点的参数设置 2/2可以激活输入点的上升沿和下降沿中断功能，以及设置产生中断时调用的硬件中断OB：激活输入端的脉冲捕捉(Pulse Catch)功能，即暂时保持窄脉冲的ON状态，直到下一次刷新输入过程映像 711.4 硬件组态数字量输出点的参数设置选择在CPU进入STOP时，数字量输出保持最后的值，或使用替换值。 选择“使用替换值”，可以设置替换值：选中复选框表示替换值为1，反之为0 721.4 硬件组态模拟量输入点的参数设置积分时间越长，精度越高，快速性越差，干扰抑制频率越低；为了抑制

26、工频干扰，积分时间一般选择20ms 测量种类和范围 滤波用平均值数字滤波来实现，滤波等级越高，模拟值越稳定，但快速性越差 是否启用超出上限值或低于下限值时的诊断功能 731.4 硬件组态模拟量输出点的参数设置激活电压输出的短路诊断功能 激活电流输出的断路诊断功能 超出上限值32511或下限值-32512的诊断功能 CPU进入STOP时输出点的值 模拟量输出类型(电压或电流)和范围 741.4 硬件组态模拟量如转换后模拟值表示 1/2模拟量输入输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码(整数)表示。最高位(第16位)为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。模拟量经A/D

27、转换后得到的数值的位数如果小于16，则自动左移，使其符号位在16位字的最高位，未使用的低位则填入0，称为“左对齐”。设模拟量的精度为12位加符号位，左移3位后，相对于实际的模拟值被乘以8。这种处理方法的优点在于模拟量的量程与移位处理后的数字的关系是固定的，与左对齐之前的转换值无关，便于后续的处理。范围双极性单极性十进制十六进制百分比10,5,2.5V十进制十六进制百分比020mA上溢出，断电327677FFFH118.515%11.851V327677FFFH118.515%23.70mA超出范围325117EFFH117.589%11.759V325117EFFH117.589%23.52m

28、A正常范围276486C00H100.000%10V276486C00H100.000%20mA00H0%0V00H0%0mA- 276489400H- 100.00%-10V低于范围-325128100H-117.593%-11.759V下范围，断电-327688000H-118.519-11.851V751.4 硬件组态模拟量如转换后模拟值表示 2/2761.4 硬件组态转换举例 1/3根据模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量时，应考虑变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字之间的比例关系。例：压力变送器的量程为010MPa，输出信号为010V，模拟量输入模块的量程为010V，转换后的数字量为027648。设转换后得到的数字为N，试求以kPa