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第1章多媒体技术基础知识
第1章S7-1200的硬件与硬件组态
1.1S7-1200的硬件
1.1.1S7-1200的硬件结构
本书以西门子公司新一代的模块化小型PLCS7-1200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。
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。
图1-1S7-1200PLC图1-2安装信号板
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、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DC5V，而PLC的外部输入/输出信号电压一般较高，例如DC24V或AC220V。
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IO-Link模块。
4．SIMATICHMI精简系列面板
与S7-1200配套的第二代精简面板的64K色高分辨率宽屏显示器的尺寸有4.3in、7in、9in和12in这4种，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USB2.0接口。
USB接口可连接键盘、鼠标或条形码扫描仪，可用优盘实现数据记录。
5．编程软件
TIA是TotallyIntegratedAutomation（全集成自动化）的简称，TIA博途（TIAPortal）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STEP7Basic（基本版）或STEP7Professional（专业版）编程。
1.1.2CPU模块
1．CPU的共性
1）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。
布尔运算指令、字传送指令和浮点数数学运算指令的执行速度分别为0.08μs/指令、1.7μs/和2.3μs/指令。
2）S7-1200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的掉电保持存储器。
CPU1211C和CPU1212C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DC24V，输入电流为4mA。
1状态允许的最小电压/电流为DC15V/2.5mA，0状态允许的最大电压/电流为DC5V/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中断输入。
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MOSFET（场效应管）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，CPU1217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2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DC24V电源可供传感器和编码器使用，也可以用来做输入回路的电源。
6）CPU1215C和CPU1217C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模块（简称为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
特性
CPU1211C
CPU1212C
CPU1214C
CPU1215C
CPU1217C
本机数字量I/O点数
本机模拟量I/O点数
6入/4出
2入
8入/6出
2入
14入/10出
2入
14入/10出
2入/2出
14入/10出
2入/2出
工作存储器/装载存储器
50KB/1MB
75KB/1MB
100KB/4MB
125KB/4MB
150KB/4MB
信号模块扩展个数
无
2
8
8
8
最大本地数字量I/O点数
14
82
284
284
284
最大本地模拟量I/O点数
13
19
67
69
69
高速计数器点数
单相
正交相位
3点
3点/100kHz
3点/80kHz
5点
3点/100kHz，1点/30kHz
3点/80kHz，1点/20kHz
6点
3点/100kHz，3点/30kHz
3点/80kHz，3点/20kHz
6点
4点/1MHz，2点/100kHz
3点/1MHz，3点/100kHz
脉冲输出（最多4点）
100kHz
100kHz或20kHz
100kHz或20kHz
1MHz或100kHz
上升沿/下降沿中断点数
6/6
8/8
12/12
14/14
14/14
脉冲捕获输入点数
6
8
14
14
14
传感器电源输出电流/mA
300
300
400
400
400
外形尺寸/mm
90×100×75
90×100×75
110×100×75
130×100×75
150×100×75
图1-3CPU模块
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）。
3．CPU的外部接线图
CPU1214CAC/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DC24V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DC24V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DC24V传感器电源的L+端子连接到1M端子。
表1-2S7-1200CPU的3种版本
版本
电源电压
DI输入电压
DQ输出电压
DQ输出电流
DC/DC/DC
DC24V
DC24V
DC24V
0.5A，MOSFET
DC/DC/Relay
DC24V
DC24V
DC5～30V,AC5～250V
2A，DC30W/AC200W
AC/DC/Relay
AC85～264V
DC24V
DC5～30V,AC5～250V
2A，DC30W/AC200W
CPU1214CDC/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1-4CPU1214CAC/DC/Relay的外部接线图
CPU1214CDC/DC/DC的接线图见图1-5，其电源电压、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DC24V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
CPU集成了最多6点高速计数器（与型号有关），CPU1217C有4点最高频率为1MHz的高速计数器。
其他CPU有3点最高频率为100kHz（单相）或80kHz（互差90°的正交相位信号）的高速计数器。
其余各点的最高频率为30kHz（单相）或20kHz（正交相位信号）。
如果使用信号板，还可以测量频率高达200kHz的单相脉冲信号，或最高160kHz的正交相位信号。
（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本体100kHz，信号板200kHz，CPU1217最多支持1MHz的高速脉冲输出。
图1-5CPU1214CDC/DC/DC的外部接线图
（3）运动控制
S7-1200的高速输出可以用于步进电机或伺服电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，它们可以输出脉宽调制信号来控制步进电机速度、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调试窗口提供用于调节的形象直观的曲线图。
还支持PID参数自调整功能，可以自动计算PID参数的最佳调节值。
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。
CPU1211C不能扩展信号模块，CPU1212C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S7-1200CPU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S7-1200CPU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）SB1221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DC24V和DC5V两种。
2）SB1222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）SB1223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）SB1231热电偶和热电阻模拟量输入信号板，可选多种量程的传感器，测量精度为0.1°C/0.1°F，15位+符号位。
5）SB1231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）SB1232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）CB1241RS485信号板，提供一个RS-485接口。
8）BB1297电池板，适用于实时时钟的长期备份。
各种CPU、信号板和信号模块的技术规范见随书光盘中的手册《S7-1200产品样本》和《S7-1200系统手册》。
2．数字量I/O模块
数字量输入/输出（DI/DQ）模块和模拟量输入/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/输出模块（见表1-3），来满足不同的控制需要。
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
型号
型号
SM1221，8输入DC24V
SM1223，8输入DC24V/8继电器输出，2A
SM1221，16输入DC24V
SM1223，16输入DC24V/16继电器输出，2A
SM1222，8继电器输出，2A
SM1223，8输入DC24V/8输出DC24V,0.5A
SM1222，16继电器输出，2A
SM1223，16输入DC24V/16输出DC24V,0.5A
SM1222，8输出DC24V，0.5A
SM1223，8输入AC230V/8继电器输出，2A
SM1222，16输出DC24V，0.5A
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/输出模块的另一个重要指标是转换时间。
（1）SM1231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。
模拟量满量程转换后对应的数字为-27648～27648，或0～27648。
（2）SM1231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，测量精度为0.1°C/0.1°F，15位+符号位。
（3）SM1232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。
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。
（4）SM12344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SM1231AI4x13bit和SM1232AQ2x14bit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、ModbusRTU、AS-i和I/OLinkMASTER。
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接口可以与下列设备通信：
计算机（见图1-6）、其他S7CPU、PROFINETI/O设备（例如ET200远程I/O和SINAMICS驱动器），以及使用标准的TCP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。
CSM1277是紧凑型交换机模块（见图1-7），有4个具有自检测和交叉自适应功能的RJ45连接器，能以线型、树型或星型拓扑结构，将S7-1200连接到工业以太网。
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是目前国际上通用的现场总线标准之一，已被纳入现场总线的国际标准IEC61158。
S7-1200CPU从固件版本V2.0开始，组态软件STEP7从版本V11.0开始，支持PROFIBUSDP通信。
通过使用PROFIBUS-DP主站模块CM1243-5，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ET200和SINAMICS驱动设备）通信。
CM1243-5可以做S7通信的客户机或服务器。
图1-6S7-1200与计算机的通信图1-7S7-1200与HMI的通信
通过使用PROFIBUS-DP从站模块CM1242-5，S7-1200可以作为一个智能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；从其它设备接收信息，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。
CM1241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、ModbusRTU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CM1241RS485通信模块或者CB1241RS485通信板，可以与支持ModbusRTU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（ActuatorSensorInterface）的缩写，它是用于现场自动化设备的双向数据通信网络，位于工厂自动化网络的最底层。
AS-i已被列入IEC62026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CM1243-2，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CP1242-7，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）和使用开放用户通信（UDP）的其他通信设备。
通过GPRS可实现监视和控制的简单远程控制。
6．IO-Link主站模块
IO-Link是IEC61131-9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。
IO-Link主站模块SM1278用于连接S7-1200CPU和IO-Link设备，它有4个IO-Link端口，同时具有信号模块功能和通信模块功能。
1.2软件的安装与升级
1．TIA博途中的软件
TIA博途是西门子自动化的全新工程设计软件平台，它将所有自动化软件工具集成在统一的开发环境中，是世界上第一款将所有自动化任务整合在一个工程设计环境下的软件。
S7-1200用TIA博途中的STEP7Basic（基本版）或STEP7Professional（专业版）编程。
TIA博途中的STEP7Professional（专业版）可用于S7-1200/1500、S7-300/400和WinAC的组态和编程。
TIA博途中的WinCC是用于西门子的HMI、工业PC和标准PC的组态软件，精简面板可使用WinCC的基本版。
STEP7集成了WinCC的基本版。
TIA博途中的SIMATICSTEP7Safety适用于标准和故障安全自动化的工程组态系统，支持所有的S7-1200F/1500F-CPU和老型号F-CPU。
SINAMICSStartdrive是适用于所有驱动装置和控制器的工程组态平台，集成了硬件组态、参数设置以及调试和诊断功能，可以无缝集成到SIMATIC自动化解决方案。
面向运动控制的SCOUT软件用于对SIMOTION运动控制器的组态和程序编辑。
STEP7的操作直观、上手容易、使用简单，使用户能够对项目进行快速而简单的组态。
由于具有通用的项目视图、智能的拖拽功能以及共享的数据处理等，保证了项目的质量。
2．安装TIA博途对计算机的要求
STEP 7Professional（专业版）和STEP 7Basic（基本版）安装前的大小相差不大。
安装STEP 7对计算机硬件的最低要求如下：
处理器主频3.3GHz，内存8GB，硬盘300GB，15.6in宽屏显示器，分辨率1920X1080。
可用的计算机操作系统主要有Windows7HomePremiumSP1或Windows8.1（仅对STEP7Basic），以及Windows7或Windows8.1的其他版本。
博途中的软件应按下列顺序安装：
STEP7Professional，S7-PLCSIM，WinCCProfessional，Startdrive，STEP7SafetyAdvanced。
3．安装STEP7
建议在安装博途软件之前关闭或卸载杀毒软件和360卫士之类的软件。
双击文件夹“STEP7ProfessionalV13SP1”中的“Start.ex
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