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(diǎn)

SIMATIC S7-1500 PLC是一種模塊化的控制器，具有不同等級(jí)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(yīng)用中使用故障安全型CPU。模塊化設(shè)計(jì)可以方便用戶使用更多的模塊對(duì)控制器進(jìn)行擴(kuò)充，以形成強(qiáng)大的控制系統(tǒng)。其表現(xiàn)出的工業(yè)適應(yīng)性和技術(shù)特點(diǎn)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(wǎng)協(xié)議，支持第三方設(shè)備的通信，例如CPU 1516-3 PN/DP具有三個(gè)接口：兩個(gè)接口用于PROFINET通信；一個(gè)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(hào)、固件版本和序列號(hào)等信息，可直接修改IP地址和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，無須使用編程設(shè)備。

（3）集成Web服務(wù)器，通過Web服務(wù)器可訪問相關(guān)文件信息。

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

（5）具有強(qiáng)大的集成工藝功能。

（6）具有跟蹤功能，通過跟蹤功能，可對(duì)程序進(jìn)行故障診斷和優(yōu)化。

（7）具有強(qiáng)大的集成系統(tǒng)診斷功能。系統(tǒng)診斷報(bào)警由系統(tǒng)自動(dòng)生成，并顯示在PG/PC、觸摸屏設(shè)備、Web服務(wù)器或集成的顯示屏上。CPU模塊處于STOP模式時(shí)，也會(huì)報(bào)告系統(tǒng)診斷信息。

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

2.1.2　CPU模塊的分類

SIMATIC S7-1500 PLC具有不同等級(jí)性能的CPU模塊，主要型號(hào)為CPU 1511～CPU 1518。其性能按照型號(hào)由低到高逐漸增強(qiáng)。性能指標(biāo)根據(jù)CPU模塊的內(nèi)存空間、計(jì)算速度、通信資源和編程資源等有所區(qū)別。常用S7-1500 PLC的CPU模塊主要分為緊湊型、標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字量I/O及大量的工藝功能，具有以下特點(diǎn)：集成自帶交換機(jī)功能的PROFINET端口，可以作為IO控制器帶高達(dá)128個(gè)IO設(shè)備；支持IDevice、IRT、MRP、PROFIenergy、Option handing等功能；支持開放式以太網(wǎng)通信（TCP/IP、 UDP、ISO-on-TCP）；集成Web服務(wù)器；集成Trace、 運(yùn)動(dòng)控制、閉環(huán)控制等功能。緊湊型CPU模塊的技術(shù)參數(shù)見表2.1。

2. 標(biāo)準(zhǔn)型

SIMATIC S7-1500 PLC標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊的主要型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊的技術(shù)參數(shù)1見表2.2。標(biāo)準(zhǔn)型CPU模塊的技術(shù)參數(shù)2見表2.3。

3. 故障安全型

故障安全型CPU模塊在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠確保控制系統(tǒng)切換到安全模式，可對(duì)用戶程序編碼進(jìn)行可靠性校驗(yàn)。故障安全控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(shí)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(kuò)展了中高級(jí)PLC的產(chǎn)品線，在標(biāo)準(zhǔn)型/故障安全型CPU模塊的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的運(yùn)動(dòng)控制功能，根據(jù)對(duì)工藝對(duì)象數(shù)量和性能的要求，可選擇不同等級(jí)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(shí)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(gè)由顯示屏和操作控制鍵構(gòu)成的操作顯示屏，可以顯示不同菜單中的控制信息或狀態(tài)信息，可以進(jìn)行多種不同的設(shè)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(dāng)前操作模式和診斷狀態(tài)的LED指示燈

CPU 1516F-3 PN/DP模塊操作顯示屏面板上配有三個(gè)LED指示燈，分別為停止/運(yùn)行（RUN/STOP）指示燈（雙色LED：綠/黃）、故障（ERROR）指示燈（單色LED：紅）和維護(hù)（MAINT）指示燈（單色LED：黃），用于指示當(dāng)前的操作模式和診斷狀態(tài)。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(tài)信息顯示區(qū)，狀態(tài)信息見表2.5；②主菜單，其含義見表2.6，進(jìn)入菜單后，可以對(duì)各個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行查看和設(shè)置，選項(xiàng)上帶有指示圖標(biāo)，圖標(biāo)含義見表2.7；③數(shù)據(jù)顯示域；④導(dǎo)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(gè)方向的箭頭按鈕，分別為上、下、左、右，用于選擇菜單和設(shè)置，如果按住一個(gè)箭頭按鈕2s，將生成一個(gè)自動(dòng)滾動(dòng)功能。OK鍵和ESC鍵用于確認(rèn)和退出。

【實(shí)例2.1】通過顯示屏分配IP地址和子網(wǎng)掩碼。

【操作步驟】

（1）瀏覽“設(shè)置”（Settings）選項(xiàng)。

（2）選擇“地址”（Addresses）選項(xiàng)。

（3）選擇接口“X1（IE/PN）”選項(xiàng)。

（4）選擇菜單項(xiàng)“IP地址”（IP Addresses）選項(xiàng)。

（5）設(shè)置IP地址192.168.0.10。

（6）按“右”箭頭鍵。

（7）設(shè)置子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。

（8）按“下”箭頭鍵選擇菜單項(xiàng)“應(yīng)用”（Apply），單擊“確定”（OK）按鈕確認(rèn)設(shè)置。

至此，接口“X1（IE/PN）”的IP地址和子網(wǎng)掩碼設(shè)置完成。

2. 操作模式

（1）使用模式選擇開關(guān)切換CPU的運(yùn)行狀態(tài)

通過CPU模式選擇開關(guān)可選擇RUN、STOP和MRES三種運(yùn)行狀態(tài)，如圖2.7所示。模式選擇開關(guān)的含義和說明見表2.8。

（2）使用顯示屏切換CPU的運(yùn)行狀態(tài)

通過CPU顯示屏中的“設(shè)置”功能來切換RUN、STOP和MRES三種運(yùn)行狀態(tài)。

（3）使用博途V15軟件中的CPU操作面板切換CPU的運(yùn)行狀態(tài)，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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線顏色為紅色或橙色，導(dǎo)線截面積建議1.5mm2；②、③是電源電壓負(fù)極，導(dǎo)線顏色為藍(lán)色，導(dǎo)線截面積建議1.5mm2；⑤是開簧器（每個(gè)端子均有一個(gè)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(lán)導(dǎo)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(tǒng)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(jī)（X1P1R和X1P2R），基于RJ45插頭的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)端口都配有一個(gè)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(tài)系統(tǒng)、上位網(wǎng)絡(luò)（骨干網(wǎng)、路由器、Internet）或其他設(shè)備或自動(dòng)化單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等基本功能之外，還支持PROFINET IO RT（實(shí)時(shí)）和IRT（等時(shí)同步實(shí)時(shí)）功能，可組態(tài)PROFINET IO通信或?qū)崟r(shí)設(shè)置。

（3）PROFINET接口X2

PROFINET接口X2帶1個(gè)端口（X2 P1），基于RJ45插頭的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）PROFIBUS接口X3

PROFIBUS接口X3用于連接PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。

2.1.4　CPU存儲(chǔ)器

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

1. 工作存儲(chǔ)器

工作存儲(chǔ)器是易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶程序代碼和數(shù)據(jù)塊，集成在CPU中，不能擴(kuò)展。在CPU中，工作存儲(chǔ)器可劃分為以下兩個(gè)區(qū)域：

（1）代碼工作存儲(chǔ)器：保存與運(yùn)行相關(guān)的程序代碼部分（如FC、FB、OB）。

（2）數(shù)據(jù)工作存儲(chǔ)器：保存DB數(shù)據(jù)塊和工藝對(duì)象中與運(yùn)行相關(guān)的部分。

2. 保持性存儲(chǔ)器

保持性存儲(chǔ)器是非易失性存儲(chǔ)器，用于在發(fā)生電源故障時(shí)保存有限數(shù)量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)必須預(yù)先定義為具有保持功能，例如整個(gè)DB模塊、DB數(shù)據(jù)塊中的部分?jǐn)?shù)據(jù)（優(yōu)化數(shù)據(jù)塊）、位存儲(chǔ)器M區(qū)、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等。

3. 其他存儲(chǔ)區(qū)

其他存儲(chǔ)區(qū)包括位存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器、本地臨時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)及過程映像。這些存儲(chǔ)區(qū)的大小與CPU的類型有關(guān)。

4. 裝載存儲(chǔ)器

外插SIMATIC存儲(chǔ)卡又稱裝載存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)卡是非易失性存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)代碼塊、數(shù)據(jù)塊、工藝對(duì)象和硬件配置等，當(dāng)使用CPU時(shí)，必須插入存儲(chǔ)卡。在博途V15軟件中建立的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，首先下載到CPU的裝載存儲(chǔ)器中，然后復(fù)制到工作存儲(chǔ)器中運(yùn)行。由于SIMATIC存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)了變量的符號(hào)、注釋信息及PLC數(shù)據(jù)類型等，所以需要的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn)大于工作存儲(chǔ)器。

圖2.15是SIMATIC存儲(chǔ)卡。SIMATIC存儲(chǔ)卡中的文件夾及其描述見表2.10。常用SIMATIC存儲(chǔ)卡的技術(shù)規(guī)格見表2.11。

【實(shí)例2.2】使用CPU顯示屏格式化SIMATIC存儲(chǔ)卡。

【操作步驟】

（1）將SIMATIC存儲(chǔ)卡插入CPU中。

（2）在CPU顯示屏上選擇“設(shè)置”→“卡功能”→“格式化卡”選項(xiàng)。

（3）單擊“確定”按鈕。

至此，SIMATIC存儲(chǔ)卡被格式化，CPU中除了IP地址之外的數(shù)據(jù)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(shù)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(tài)時(shí)，緊湊型CPU需要占用一個(gè)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(bǔ)救措施見表2.12，CHX狀態(tài)指示燈的含義和補(bǔ)救措施見表2.13。

2. CPU 1511C-1 PN模塊的技術(shù)指標(biāo)

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

（1）CPU通信接口（PROFINET接口X1）

CPU 1511C-1 PN帶有一個(gè)PROFINET接口（X1），配有兩個(gè)端口（P1R和P2R），不僅支持PROFINET基本功能，還支持PROFINET IO RT（實(shí)時(shí)）和IRT（等時(shí)同步實(shí)時(shí)）。用戶可以在該接口上組態(tài)PROFINET IO通信或?qū)崟r(shí)通信。在組態(tài)以太網(wǎng)中的冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)（介質(zhì)冗余）時(shí)，兩個(gè)端口可用作環(huán)網(wǎng)端口。

（2）模擬量I/O的技術(shù)性能

①CPU 1511C-1 PN有5個(gè)模擬量輸入，在默認(rèn)情況下通道0~3設(shè)置電壓（或電流）測量方式，通道4只能設(shè)置電阻（或熱電阻）測量方式。每個(gè)通道可組態(tài)診斷、可按通道設(shè)置超限時(shí)的硬件中斷和支持的值狀態(tài)（QI質(zhì)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(yīng)輸入通道的測量類型和測量范圍。

②CPU 1511C-1 PN有2個(gè)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(gè)通道可組態(tài)診斷和支持的值狀態(tài)（QI質(zhì)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(shù)字量I/O的技術(shù)性能

①CPU 1511C-1 PN有16個(gè)高速數(shù)字量快速輸入，信號(hào)頻率最高可達(dá)100kHz，既可用作標(biāo)準(zhǔn)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(guān)和2/3/4線制接近開關(guān)。每個(gè)通道可進(jìn)行參數(shù)的組態(tài)診斷、支持不同的硬件中斷和值狀態(tài)（QI質(zhì)量信息）。

②CPU 1511C-1 PN有16個(gè)數(shù)字量輸出，既可用作標(biāo)準(zhǔn)輸出，也可用作工藝功能的輸出，其中的8個(gè)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(biāo)準(zhǔn)模式時(shí)額定輸出電流為0.5A/通道，作為工藝功能時(shí)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(gè)通道可組態(tài)診斷和支持的值狀態(tài)（QI質(zhì)量信息），適用于電磁閥、直流接觸器、指示燈、信號(hào)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(duì)2線制傳感器進(jìn)行電壓短路保護(hù)，可在電路中串一個(gè)熔斷器對(duì)電源單元進(jìn)行保護(hù)。

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(hào)，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(shù)字量輸入/輸出的接線

CPU 1511C-1 PN模塊有16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，其接線如圖2.28所示。圖中，左側(cè)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(cè)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(fù)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(fù)極3M。