第2章
西門子S7-1500 PLC的硬件

2.1　CPU模塊

2.1.1　CPU模塊的特點

SIMATIC S7-1500 PLC是一種模塊化的控制器，具有不同等級性能的CPU，并配有功能眾多、種類齊全的模塊，能夠在故障安全要求比較高的應用中使用故障安全型CPU。模塊化設計可以方便用戶使用更多的模塊對控制器進行擴充，以形成強大的控制系統。其表現出的工業適應性和技術特點如下。

（1）提供了豐富的通信功能。CPU模塊集成PROFINET接口可用于編程、HMI通信及與PLC之間的通信，具有開放的以太網協議，支持第三方設備的通信，例如CPU 1516-3 PN/DP具有三個接口：兩個接口用于PROFINET通信；一個接口用于PROFIBUS通信。

（2）具有便于操作的顯示屏。SIMATIC S7-1500 PLC的所有CPU均配有純文本信息顯示屏，可顯示所有相連接模塊的訂貨號、固件版本和序列號等信息，可直接修改IP地址和其他網絡參數，無須使用編程設備。

（3）集成Web服務器，通過Web服務器可訪問相關文件信息。

（4）具有靈活的硬件擴展能力。CPU模塊最多可以連接8個模塊，最多支持3個CP或CM通信處理器和通信模塊，支持分布式I/O系統。

（5）具有強大的集成工藝功能。

（6）具有跟蹤功能，通過跟蹤功能，可對程序進行故障診斷和優化。

（7）具有強大的集成系統診斷功能。系統診斷報警由系統自動生成，并顯示在PG/PC、觸摸屏設備、Web服務器或集成的顯示屏上。CPU模塊處于STOP模式時，也會報告系統診斷信息。

（8）具有強大的集成信息安全功能，如專有技術保護、防拷貝保護、訪問保護、完整性保護等。

2.1.2　CPU模塊的分類

SIMATIC S7-1500 PLC具有不同等級性能的CPU模塊，主要型號為CPU 1511～CPU 1518。其性能按照型號由低到高逐漸增強。性能指標根據CPU模塊的內存空間、計算速度、通信資源和編程資源等有所區別。常用S7-1500 PLC的CPU模塊主要分為緊湊型、標準型、故障安全型、工藝型等。

1. 緊湊型

SIMATIC S7-1500 PLC有兩款緊湊型CPU模塊，即CPU 1511C-1 PN和CPU 1512C-1 PN，如圖2.1所示。緊湊型CPU模塊集成了模擬量和數字量I/O及大量的工藝功能，具有以下特點：集成自帶交換機功能的PROFINET端口，可以作為IO控制器帶高達128個IO設備；支持IDevice、IRT、MRP、PROFIenergy、Option handing等功能；支持開放式以太網通信（TCP/IP、 UDP、ISO-on-TCP）；集成Web服務器；集成Trace、 運動控制、閉環控制等功能。緊湊型CPU模塊的技術參數見表2.1。

2. 標準型

SIMATIC S7-1500 PLC標準型CPU模塊的主要型號有CPU 1511-1 PN、CPU 1513-1 PN、CPU 1515-2 PN、CPU 1516-3 PN/DP、CPU 1517-3 PN/DP和CPU 1518-4 PN/DP（ODK/MFP）等，如圖2.2所示。標準型CPU模塊的技術參數1見表2.2。標準型CPU模塊的技術參數2見表2.3。

3. 故障安全型

故障安全型CPU模塊在設備發生故障時能夠確保控制系統切換到安全模式，可對用戶程序編碼進行可靠性校驗。故障安全控制系統，除要求CPU模塊具有故障安全功能外，還要求輸入、輸出模塊及PROFIBUS/PROFINET通信模塊都具有故障安全功能。

S7-1500 PLC常用的故障安全型CPU模塊（F系統控制器）主要有CPU 1511F-1 PN、CPU 1513F-1 PN、CPU 1515F-2 PN、CPU 1516F-3 PN/DP、CPU 1517F-3 PN/DP和CPU 1518F-4 PN/DP（ODK\MFP）等，實物外形如圖2.3所示。

4. 工藝型

S7-1500 PLC工藝型CPU模塊無縫擴展了中高級PLC的產品線，在標準型/故障安全型CPU模塊的基礎上，能夠實現更多的運動控制功能，根據對工藝對象數量和性能的要求，可選擇不同等級的工藝型CPU模塊。目前常用的類型主要有CPU 1511T-1 PN、CPU 1511TF-1 PN、CPU 1515T-2 PN、CPU 1515TF-1 PN、CPU 1517T-3 PN/DP、CPU 1517TF-3 PN/DP等，實物外形如圖2.4所示。

2.1.3　CPU 1516F-3 PN/DP模塊

1. 操作顯示屏

CPU 1516F-3 PN/DP模塊集成一個由顯示屏和操作控制鍵構成的操作顯示屏，可以顯示不同菜單中的控制信息或狀態信息，可以進行多種不同的設置及菜單之間的切換。操作顯示屏面板如圖2.5所示。

（1）指示當前操作模式和診斷狀態的LED指示燈

CPU 1516F-3 PN/DP模塊操作顯示屏面板上配有三個LED指示燈，分別為停止/運行（RUN/STOP）指示燈（雙色LED：綠/黃）、故障（ERROR）指示燈（單色LED：紅）和維護（MAINT）指示燈（單色LED：黃），用于指示當前的操作模式和診斷狀態。表2.4列出了RUN/STOP、ERROR和MAINT LED指示燈各種顏色組合的含義。

（2）顯示屏

CPU 1516F-3 PN/DP模塊有兩種操作顯示屏，如圖2.6所示：3.4英寸顯示屏和1.36英寸顯示屏。

圖中，①狀態信息顯示區，狀態信息見表2.5；②主菜單，其含義見表2.6，進入菜單后，可以對各個選項進行查看和設置，選項上帶有指示圖標，圖標含義見表2.7；③數據顯示域；④導航幫助，例如確定/退出或頁碼；⑤控制鍵。

（3）操作控制鍵

在如圖2.6所示的操作顯示屏上有4個方向的箭頭按鈕，分別為上、下、左、右，用于選擇菜單和設置，如果按住一個箭頭按鈕2s，將生成一個自動滾動功能。OK鍵和ESC鍵用于確認和退出。

【實例2.1】通過顯示屏分配IP地址和子網掩碼。

【操作步驟】

（1）瀏覽“設置”（Settings）選項。

（2）選擇“地址”（Addresses）選項。

（3）選擇接口“X1（IE/PN）”選項。

（4）選擇菜單項“IP地址”（IP Addresses）選項。

（5）設置IP地址192.168.0.10。

（6）按“右”箭頭鍵。

（7）設置子網掩碼255.255.255.0。

（8）按“下”箭頭鍵選擇菜單項“應用”（Apply），單擊“確定”（OK）按鈕確認設置。

至此，接口“X1（IE/PN）”的IP地址和子網掩碼設置完成。

2. 操作模式

（1）使用模式選擇開關切換CPU的運行狀態

通過CPU模式選擇開關可選擇RUN、STOP和MRES三種運行狀態，如圖2.7所示。模式選擇開關的含義和說明見表2.8。

（2）使用顯示屏切換CPU的運行狀態

通過CPU顯示屏中的“設置”功能來切換RUN、STOP和MRES三種運行狀態。

（3）使用博途V15軟件中的CPU操作面板切換CPU的運行狀態，如圖2.8所示

3. 不帶顯示屏的前面板及連接元器件

圖2.9為不帶顯示屏CPU 1516F-3 PN/DP模塊的前面板及主要連接元器件。

4. 背面的連接元器件

圖2.10為CPU 1516F-3 PN/DP模塊背面的連接元器件。

5. 接口端子

（1）電源連接器及接線

標準S7-1500 CPU模塊的供電電源為24V直流電壓。電源連接器和電源引腳分配如圖2.11所示。圖中，①、④是+24V直流電源電壓，導線顏色為紅色或橙色，導線截面積建議1.5mm2；②、③是電源電壓負極，導線顏色為藍色，導線截面積建議1.5mm2；⑤是開簧器（每個端子均有一個開簧器）。電源接線步驟：①拔出4孔連接插頭（位于CPU模塊的底部）；②打開開簧器，分別把紅、藍導線接入電源連接器，注意電源極性；③檢查無誤后，插回連接插座，如圖2.12所示。如果CPU通過系統PS電源供電，則無需連接24V電源電壓。

（2）PROFINET接口X1

PROFINET接口X1帶雙端口交換機（X1P1R和X1P2R），基于RJ45插頭的以太網標準。每個端口都配有一個LINK RX/TX LED指示燈。LINK RX/TX LED指示燈的含義見表2.9。PROFINET接口X1除了具有支持HMI通信，可與組態系統、上位網絡（骨干網、路由器、Internet）或其他設備或自動化單元進行數據通信等基本功能之外，還支持PROFINET IO RT（實時）和IRT（等時同步實時）功能，可組態PROFINET IO通信或實時設置。

（3）PROFINET接口X2

PROFINET接口X2帶1個端口（X2 P1），基于RJ45插頭的以太網標準。

（4）PROFIBUS接口X3

PROFIBUS接口X3用于連接PROFIBUS網絡。

2.1.4　CPU存儲器

CPU存儲器主要可分為內部集成的工作存儲器、保持性存儲器、其他存儲區和裝載存儲器。CPU存儲器的分布示意圖如圖2.13所示。CPU存儲器的使用情況可通過博途V15軟件、CPU顯示屏和WEB服務器等查看。圖2.14是通過博途V15軟件“項目樹”下的“程序信息”→“資源”選項卡來查看CPU存儲器的使用情況。

1. 工作存儲器

工作存儲器是易失性存儲器，用于存儲用戶程序代碼和數據塊，集成在CPU中，不能擴展。在CPU中，工作存儲器可劃分為以下兩個區域：

（1）代碼工作存儲器：保存與運行相關的程序代碼部分（如FC、FB、OB）。

（2）數據工作存儲器：保存DB數據塊和工藝對象中與運行相關的部分。

2. 保持性存儲器

保持性存儲器是非易失性存儲器，用于在發生電源故障時保存有限數量的數據。這些數據必須預先定義為具有保持功能，例如整個DB模塊、DB數據塊中的部分數據（優化數據塊）、位存儲器M區、定時器和計數器等。

3. 其他存儲區

其他存儲區包括位存儲器、定時器和計數器、本地臨時數據區及過程映像。這些存儲區的大小與CPU的類型有關。

4. 裝載存儲器

外插SIMATIC存儲卡又稱裝載存儲器。存儲卡是非易失性存儲器，用于存儲代碼塊、數據塊、工藝對象和硬件配置等，當使用CPU時，必須插入存儲卡。在博途V15軟件中建立的項目數據，首先下載到CPU的裝載存儲器中，然后復制到工作存儲器中運行。由于SIMATIC存儲卡存儲了變量的符號、注釋信息及PLC數據類型等，所以需要的存儲空間遠大于工作存儲器。

圖2.15是SIMATIC存儲卡。SIMATIC存儲卡中的文件夾及其描述見表2.10。常用SIMATIC存儲卡的技術規格見表2.11。

【實例2.2】使用CPU顯示屏格式化SIMATIC存儲卡。

【操作步驟】

（1）將SIMATIC存儲卡插入CPU中。

（2）在CPU顯示屏上選擇“設置”→“卡功能”→“格式化卡”選項。

（3）單擊“確定”按鈕。

至此，SIMATIC存儲卡被格式化，CPU中除了IP地址之外的數據均被刪除。

2.1.5　緊湊型CPU模塊

S7-1500 PLC有兩款緊湊型CPU模塊，分別是CPU 1511C-1 PN和CPU 1512C-1 PN。

1. CPU 1511C-1 PN

CPU 1511C-1 PN模塊由CPU部件、板載模擬量I/O模塊和板載數字量I/O模塊組成，如圖2.16所示。因此，在TIA博途軟件中組態時，緊湊型CPU需要占用一個共享插槽（插槽1）。

（1）CPU 1511C-1 PN模塊的前面板如圖2.17所示。

（2）打開前蓋板，CPU 1511C-1 PN模塊的視圖如圖2.18所示。

（3）CPU 1511C-1 PN模塊背面視圖如圖2.19所示。

（4）指示燈如圖2.20所示，RUN/ERROR LED指示燈的含義和補救措施見表2.12，CHX狀態指示燈的含義和補救措施見表2.13。

2. CPU 1511C-1 PN模塊的技術指標

緊湊型CPU集成了模擬量I/O、數字量I/O及大量的工藝功能，可完美應用于各種中小型自動化系統。表2.14列出了兩種緊湊型CPU的技術性能。

（1）CPU通信接口（PROFINET接口X1）

CPU 1511C-1 PN帶有一個PROFINET接口（X1），配有兩個端口（P1R和P2R），不僅支持PROFINET基本功能，還支持PROFINET IO RT（實時）和IRT（等時同步實時）。用戶可以在該接口上組態PROFINET IO通信或實時通信。在組態以太網中的冗余環網結構（介質冗余）時，兩個端口可用作環網端口。

（2）模擬量I/O的技術性能

①CPU 1511C-1 PN有5個模擬量輸入，在默認情況下通道0~3設置電壓（或電流）測量方式，通道4只能設置電阻（或熱電阻）測量方式。每個通道可組態診斷、可按通道設置超限時的硬件中斷和支持的值狀態（QI質量信息）。

輸入通道的測量類型或測量范圍可使用博途V15軟件。表2.15列出了相應輸入通道的測量類型和測量范圍。

②CPU 1511C-1 PN有2個模擬量輸出，可按通道選擇不同的電壓輸出方式和電流輸出方式。每個通道可組態診斷和支持的值狀態（QI質量信息）。輸出通道的測量類型或測量范圍可使用博途V15軟件更改。表2.16列出了輸出通道的輸出類型、輸出范圍。

（3）數字量I/O的技術性能

①CPU 1511C-1 PN有16個高速數字量快速輸入，信號頻率最高可達100kHz，既可用作標準輸入，也可用作工藝功能的輸入，額定輸入電壓為24VDC，適用于開關和2/3/4線制接近開關。每個通道可進行參數的組態診斷、支持不同的硬件中斷和值狀態（QI質量信息）。

②CPU 1511C-1 PN有16個數字量輸出，既可用作標準輸出，也可用作工藝功能的輸出，其中的8個輸出可用作工藝功能的高速輸出，額定輸出電壓為24VDC，作為標準模式時額定輸出電流為0.5A/通道，作為工藝功能時輸出電流介于最大0.5A的輸出電流（輸出頻率最大為10kHz）與最低0.1A的降額輸出電流（輸出頻率可增大為最高100kHz）之間。每個通道可組態診斷和支持的值狀態（QI質量信息），適用于電磁閥、直流接觸器、指示燈、信號傳輸、比例閥。

3. CPU 1511C-1 PN模塊的接線

（1）模擬量輸入的接線

①模擬量輸入電壓的接線（通道CH0~CH3）如圖2.21所示。

②模擬量輸入電流的4線制傳感器接線（通道CH0~CH3）如圖2.22所示。

③模擬量輸入電流的2線制傳感器接線如圖2.23所示。出于安全要求，需要對2線制傳感器進行電壓短路保護，可在電路中串一個熔斷器對電源單元進行保護。

④電阻傳感器或熱電阻（RTD）的4線制接線，如圖2.24所示。圖中，電阻測量只能接通道CH4，為測量輸入通道（僅電阻型變送器或熱敏電阻RTD），為電流輸入通道（僅電流）。

⑤電阻傳感器或熱電阻（RTD）的3線制接線，如圖2.25所示。

⑥電阻傳感器或熱電阻（RTD）的2線制接線，如圖2.26所示。

（2）模擬量輸出的接線

CPU 1511C-1 PN有2路模擬量輸出通道，輸出只能是電壓或電流信號，其接線也類似，模擬量電壓輸出接線如圖2.27所示。圖中QV0、QV1表示輸出電壓通道。

（3）數字量輸入/輸出的接線

CPU 1511C-1 PN模塊有16路數字量輸入和16路數字量輸出，其接線如圖2.28所示。圖中，左側是輸入端子，輸入端子9是公共端，輸入端子19、20用于連接24V直流電壓，注意直流電源的極性不能接反；右側是輸出端子，分兩組輸出，端子29外接24V直流電壓的3L+正極，輸出端子30接電壓負極2M，輸出端子39外接24V直流電壓的3L+正極，輸出端子40接電壓負極3M。