第2篇 PLC编程及应用

第4章 西门子S7-1200 PLC的硬件

本章介绍常用西门子S7-1200 PLC的CPU模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、通信模块和电源模块的功能、接线与安装，该内容是后续程序设计和控制系统设计的前导知识。

4.1 西门子S7-1200 PLC概述

4.1.1 西门子PLC简介

德国西门子（Siemens）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商之一，其生产的SIMATIC（“Siemens Automation”即西门子自动化）可编程控制器在欧洲处于领先地位。

西门子公司的第一代PLC是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。之后在1979年，西门子公司将微处理器技术应用到PLC中，研制出了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，目前S5系列产品仍然有小部分在工业现场使用，20世纪末，又在S5系列的基础上推出了S7系列产品。

SIMATIC S7系列产品分为： S7-200、S7-200CN、S7-200 SMART、S7-1200、S7-300、S7-400和S7-1500共七个产品系列。S7-200 PLC是在西门子公司收购的小型PLC的基础上发展而来，因此其指令系统、程序结构和编程软件和S7-300/400 PLC有较大的区别，在西门子PLC产品系列中是一个特殊的产品。S7-200 SMART PLC是S7-200 PLC的升级版本，于2012年7月发布，其绝大多数的指令和使用方法与S7-200 PLC类似，其编程软件也和S7-200 PLC的类似，而且可以在S7-200 PLC中运行的程序，大部分也可以在S7-200 SMART PLC中运行。S7-1200 PLC是在2009年推出的新型小型PLC，定位于S7-200 PLC和S7-300 PLC产品之间。S7-300/400 PLC是由西门子S5系列发展而来，是西门子公司最具竞争力的PLC产品。2013年西门子公司又推出了新品S7-1500 PLC。

SIMATIC产品除了SIMATIC S7系列外，还有M7、C7和WinAC系列。

SIMATIC C7系列是基于S7-300 系列PLC的性能，同时集成了HMI，具有节省空间的特点。

SIMATIC M7-300/400采用了与S7-300/400相同的结构，又具有兼容计算机的功能，可以用C、C++等高级语言编程，SIMATIC M7-300/400适用于需要处理的数据量大和实时性要求高的场合。

WinAC是在个人计算机上实现PLC功能，突破了传统PLC开放性差、硬件昂贵等缺点，WinAC具有良好的开放性和灵活性，可以很方便地集成第三方的软件和硬件。

4.1.2 西门子S7-1200 PLC的性能特点

S7-1200 PLC具有集成PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性等特点，为各种工艺任务提供了简单的通信和有效的解决方案。S7-1200 PLC新的性能特点具体描述如下。

（1）集成了PROFINET接口

集成的PROFINET接口用于编程、HMI 通信和PLC间的通信。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。该接口带有一个具有自动交叉网线功能的RJ-45连接器，提供10/100 Mbit/s的数据传输速率，支持协议：TCP/IP native、ISO-on-TCP 和S7通信。其最大的连接数为23个。

（2）集成了工艺功能

高速输入。S7-1200 控制器带有多达6个高速计数器。其中3个输入为100 kHz，3个输入为30 kHz，用于计数和测量。

高速输出。S7-1200控制器集成了4个100 kHz的高速脉冲输出，用于步进电动机或伺服驱动器的速度和位置控制（使用PLCopen运动控制指令）。这4个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电机速度、阀位置或加热元件的占空比。

PID 控制。S7-1200控制器中提供了多达16个带自动调节功能的PID控制回路，用于简单的闭环过程控制。

（3）存储器

为用户指令和数据提供高达150 KB的共用工作内存，同时还提供了高达4 MB的集成装载内存和10 KB 的掉电保持内存。

SIMATIC存储卡是可选件，通过不同的设置可用作编程卡、传送卡和固件更新卡。

（4）智能设备

通过简单的组态，S7-1200控制器通过对I/O映射区的读写操作，实现主从架构的分布式I/O应用。

（5）通信

S7-1200 PLC提供各种各样的通信选项以满足网络通信要求，其可支持的通信协议如下。

① I-Device。

② PROFINET。

③ PROFIBUS。

④ 远距离控制通信。

⑤ 点对点（PtP）通信。

⑥ USS 通信。

⑦ Modbus RTU。

⑧ AS-I。

⑨ I/O Link MASTER。

4.2 西门子S7-1200 PLC常用模块及其接线

S7-1200 PLC的硬件主要包括电源模块、CPU模块、信号模块（SM）、通信模块（CM）和信号板（SB）。S7-1200 PLC最多可以扩展8个信号模块和3个通信模块，最大本地数字I/O点数为284个，最大本地模拟I/O点数为69个。S7-1200 PLC外形如图4-1所示，通信模块安装在CPU模块的左侧，信号模块安装在CPU模块的右侧，西门子早期的PLC产品，扩展模块只能安装在CPU模块的右侧。

4.2.1 西门子S7-1200 PLC的CPU模块及接线

S7-1200 PLC的CPU模块是S7-1200 PLC系统中最核心的成员。目前，S7-1200 PLC的CPU有5类：CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C和CPU 1217C。每类CPU模块又细分出三种规格：DC/DC/DC、DC/DC/RLY和AC/DC/RLY，印刷在CPU模块的外壳上。其含义如图4-2所示。

AC/DC/RLY的含义是：CPU模块的供电电压是交流电，范围为120～240V AC；输入电源是直流电源，范围为20.4～28.8V DC；输出形式是继电器输出。

（1）CPU模块的外部介绍

S7-1200 PLC的CPU模块将微处理器、集成电源、模拟量I/O点和多个数字量I/O点集成在一个紧凑的盒子中，形成功能比较强大的S7-1200系列微型PLC，如图4-3所示。以下按照图中序号的顺序介绍其外部的各部分功能。

① 电源接口。用于向CPU模块供电的接口，有交流和直流两种供电方式。

② 存储卡插槽。位于上部保护盖下面，用于安装SIMATIC存储卡。

③ 接线连接器。也称为接线端子，位于保护盖下面，具有可拆卸的优点，便于CPU模块的安装和维护。

④ 板载I/O的状态LED指示灯。通过板载I/O的状态LED指示灯（绿色）的点亮或熄灭，指示各输入或输出的状态。

⑤ 集成以太网口（PROFINET 连接器）。位于CPU的底部，用于程序下载、设备组网。这使得程序下载更加方便快捷，节省了购买专用通信电缆的费用。

⑥ 运行状态LED指示灯。用于显示CPU的工作状态，如运行状态、停止状态和强制状态等，详见下文介绍。

（2）CPU模块的常规规范

要掌握S7-1200 PLC的CPU具体的技术性能，必须要查看其常规规范，见表4-1。

（3）S7-1200 PLC的指示灯

① S7-1200 PLC的CPU状态LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU上有三盏状态LED指示灯，分别是STOP/RUN、ERROR和MAINT，用于指示CPU的工作状态，其亮灭状态代表一定的含义，具体见表4-2。

② 通信状态的LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU还配备了两个可指示PROFINET通信状态的LED指示灯。打开底部端子块的盖子可以看到这两个LED指示灯，分别是Link和Rx/Tx，其点亮的含义如下。

a. Link（绿色）点亮，表示通信连接成功。

b. Rx/Tx（黄色）点亮，表示通信传输正在进行。

③ 通道LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU和各数字量信号模块（SM）为每个数字量输入和输出配备了I/O通道LED指示灯。通过I/O通道LED指示灯（绿色）的点亮或熄灭，指示各输入或输出的状态。例如Q0.0通道LED指示灯点亮，表示Q0.0线圈得电。

（4）CPU的工作模式

CPU有以下三种工作模式：STOP模式、STARTUP模式和RUN模式。CPU前面的状态LED指示灯指示当前工作模式。

① 在STOP模式下，CPU不执行程序，但可以下载项目。

② 在STARTUP模式下，执行一次启动OB（如果存在）。在启动模式下，CPU不会处理中断事件。

③ 在RUN模式下，程序循环OB重复执行。可能发生中断事件，并在RUN模式中的任意点执行相应的中断事件OB。可在RUN模式下下载项目的某些部分。

CPU支持通过暖启动进入RUN模式。暖启动不包括储存器复位。执行暖启动时，CPU会初始化所有的非保持性系统和用户数据，并保留所有保持性用户数据值。

存储器复位将清除所有工作存储器、保持性及非保持性存储区，将装载存储器复制到工作存储器并将输出设置为组态的“对CPU STOP的响应”（Reaction to CPU STOP）。

存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP地址值。

注意：目前S7-1200/1500 PLC的CPU仅有暖启动模式，而部分S7-400 PLC的CPU有热启动和冷启动模式。

（5）CPU模块的接线

S7-1200 PLC的CPU规格虽然较多，但接线方式类似，因此本书仅以CPU 1215C为例进行介绍，其余规格产品请读者参考相关手册。

① CPU 1215C（AC/DC/RLY）的数字量输入端子的接线 S7-1200 PLC的CPU数字量输入端子的接线与三菱的FX系列的PLC的数字量输入端子的接线不同，后者不必接入直流电源，其电源可以由系统内部提供，而S7-1200 PLC的CPU输入端则必须接入直流电源。

下面以CPU 1215C（AC/DC/RLY）为例介绍数字量输入端子的接线。“1M”是输入端的公共端子，与24V DC电源相连，电源有两种连接方法对应PLC的NPN型和PNP型接法。当电源的负极与公共端子相连时，为PNP型接法，如图4-4所示，“N”和“L1”端子为交流电的电源接入端子，输入电压范围为120～240V AC，为PLC提供电源。“M”和“L+”端子为24V DC的电源输出端子，可向外围传感器提供电源。

② CPU 1215C（DC/DC/RLY）的数字量输入端子的接线 当电源的正极与公共端子1M相连时，为NPN型接法，其输入端子的接线如图4-5所示。

注意：在图4-5中，有两个“L+”和两个“M”端子，有箭头向CPU模块内部指向的“L+”和“M”端子是向CPU供电电源的接线端子，有箭头向CPU模块外部指向的“L+”和“M”端子是CPU向外部供电的接线端子，切记两个“L+”不要短接，否则容易烧毁CPU模块内部的电源。

初学者往往不容易区分PNP型和NPN型的接法，经常混淆，若读者掌握以下的方法，就不会出错。把PLC作为负载，以输入开关（通常为接近开关）为对象，若信号从开关流出（信号从开关流出，向PLC流入），则PLC的输入为PNP型接法；把PLC作为负载，以输入开关（通常为接近开关）为对象，若信号从开关流入（信号从PLC流出，向开关流入），则PLC的输入为NPN型接法。三菱的FX2系列PLC只支持NPN型接法。

【例4-1】 有一台CPU 1215C（AC/DC/RLY），其输入端有一只三线PNP接近开关和一只二线PNP接近开关，应如何接线？

【解】 对于CPU 1215C（AC/DC/RLY），公共端接电源的负极。而对于三线PNP接近开关，只要将其正、负极分别与电源的正、负极相连，将信号线与PLC的“I0.0”相连即可；而对于二线PNP接近开关，只要将电源的正极分别与其正极相连，将信号线与PLC的“I0.1”相连即可，如图4-6所示。

③ CPU 1215C（DC/DC/RLY）的数字量输出端子的接线 CPU 1215C的数字量输出有两种形式，一种是24V直流输出（即晶体管输出），另一种是继电器输出。标注为“CPU 1215C（DC/DC/DC）”的含义是：第一个DC表示供电电源电压为24V DC，第二个DC表示输入端的电源电压为24V DC，第三个DC表示输出为24V DC，在CPU的输出点接线端子旁边印刷有“24V DC OUTPUTS”字样，含义是晶体管输出。标注为“CPU 1215C（AC/DC/RLY）”的含义是：AC表示供电电源电压为120～240V AC，通常用220V AC，DC表示输入端的电源电压为24V DC，RLY表示输出为继电器输出，在CPU的输出点接线端子旁边印刷有“RELAY OUTPUTS”字样，含义是继电器输出。

CPU 1215C输出端子的接线（继电器输出）如图4-7所示。可以看出，输出是分组安排的，每组既可以是直流电源，也可以是交流电源，而且每组电源的电压大小可以不同。接直流电源时，CPU模块没有方向性要求。

在给CPU进行供电接线时，一定要特别小心，分清是哪一种供电方式，如果把220V AC接到24V DC供电的CPU上，或者不小心接到24V DC传感器的输出电源上，都会造成CPU的损坏。

④ CPU 1215C（DC/DC/DC）的数字量输出端子的接线 目前24V直流输出只有一种形式，即PNP型输出，也就是常说的高电平输出，这点与三菱FX系列PLC不同，三菱FX系列PLC（FX3U除外，FX3U有PNP型和NPN型两种可选择的输出形式）为NPN型输出，也就是低电平输出，理解这一点十分重要，特别是利用PLC进行运动控制（如控制步进电动机）时，必须考虑这一点。

CPU 1215C输出端子的接线（晶体管输出）如图4-8所示，负载电源只能是直流电源，且输出高电平信号有效，因此是PNP输出。

⑤ CPU 1215C的模拟量输入/输出端子的接线 CPU 1215C模块集成了两个模拟量输入通道和两个模拟量输出通道。模拟量输入通道的量程范围是0～10V，模拟量输出通道的量程范围是0～20mA。

CPU 1215C的模拟量输入/输出端子的接线，如图4-9所示。左侧的方框代表模拟量输出的负载，常见的负载是变频器或者各种阀门。右侧的圆框代表模拟量输入，一般与各类模拟量的传感器或者变送器相连接，圆框中的“+”和“-”代表传感器的正信号端子和负信号端子。

注意：应将未使用的模拟量输入通道短路。

4.2.2 西门子S7-1200 PLC数字量扩展模块及接线

S7-1200 PLC的数字量扩展模块比较丰富，包括数字量输入模块（SM1221）、数字量输出模块（SM1222）、数字量输入/直流输出模块（SM1223）和数字量输入/交流输出模块（SM1223）。以下将介绍几个典型的扩展模块。

（1）数字量输入模块（SM1221）

① 数字量输入模块（SM1221）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输入模块有多个规格，其部分典型模块的技术规范见表4-3。

② 数字量输入模块（SM1221）的接线 数字量输入模块有专用的插针与CPU通信，并通过此插针由CPU向扩展输入模块提供5V DC的电源。数字量输入模块（SM1221）的接线如图4-10所示，可以为PNP输入，也可以为NPN输入。

（2）数字量输出模块（SM1222）

① 数字量输出模块（SM1222）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输出模块有10多个规格，其典型模块的技术规范见表4-4。

② 数字量输出模块（SM1222）的接线 SM1222数字量继电器输出模块的接线如图4-11（a）所示，L+和M端子是模块的24V DC供电接入端子，而1L和2L可以接入直流和交流电源，是给负载供电，这点要特别注意。可以发现，数字量输入输出扩展模块的接线与CPU的数字量输入输出端子的接线是类似的。

SM1222数字量晶体管输出模块的接线如图4-11（b）所示，只能为PNP输出。

（3）数字量输入/直流输出模块（SM1223）

① 数字量输入/直流输出模块（SM1223）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输入/直流输出模块有10多个规格，其典型模块的技术规范见表4-5。

② 数字量输入/直流输出模块（SM1223）的接线 有的资料将数字量输入/直流输出模块（SM1223）称为混合模块。数字量输入/直流输出模块既可以是PNP输入，也可以是NPN输入，根据现场实际情况决定。根据不同的工况，可以选择继电器输出或者晶体管输出。在图4-12（a）中，输入为PNP输入（也可以改换成NPN输入），但输出只能是PNP输出，不能改换成NPN输出。

在图4-12（b）中，输入为NPN输入（也可以改换成PNP输入），输出只能是继电器输出，输出的负载电源可以是直流或者交流电源。

4.2.3 西门子S7-1200 PLC模拟量模块

S7-1200 PLC模拟量模块包括模拟量输入模块（SM1231）、模拟量输出模块（SM1232）、热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）和模拟量输入/输出模块（SM1234）。

（1）模拟量输入模块（SM1231）

① 模拟量输入模块（SM1231）的技术规范 目前S7-1200 PLC的模拟量输入模块（SM1231）有多个规格，其典型模块的技术规范见表4-6。

② 模拟量输入模块（SM1231）的接线 S7-1200 PLC的模拟量输入模块主要用于处理电流或者电压信号。模拟量输入模块（SM1231）的接线如图4-13所示，通道0和1不能同时测量电流和电压信号，只能二选其一；通道2和3也是如此。信号范围：±10 V、±5 V、±2.5 V和0～20 mA。满量程数据字格式：－27648～＋27648，这点与S7-300/400 PLC相同，但不同于S7-200 PLC。

模拟量输入模块有两个参数容易混淆，即模拟量转换的分辨率和模拟量转换的精度（误差）。分辨率是AD模拟量转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。若模拟量模块的转换分辨率是12位，能够反映模拟量变化的最小单位是满量程的1/4096。模拟量转换的精度除了取决于AD转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于AD芯片的转换误差。

当模拟量的扩展模块为正常状态时，LED指示灯为绿色显示，而当为供电时，为红色闪烁。

使用模拟量模块时，要注意以下问题。

a.模拟量模块有专用的插针接头与CPU通信，并通过此电缆由CPU向模拟量模块提供5V DC的电源。此外，模拟量模块必须外接24V DC电源。

b.每个模块能同时输入/输出电流或者电压信号，对于模拟量输入的电压或者电流信号的选择和量程的选择都是通过软件组态，如图4-14所示，模块SM1231的通道0设定为电压信号，量程为±2.5 V。而S7-200 PLC的信号类型和量程是由DIP开关设定。

双极性就是信号在变化的过程中要经过“零”，单极性不过零。由于模拟量转换为数字量是有符号整数，所以双极性信号对应的数值会有负数。在S7-1200 PLC中，单极性模拟量输入/输出信号的数值范围是0～27648；双极性模拟量信号的数值范围是
－27648～27648。

c.对于模拟量输入模块，传感器电缆线应尽可能短，而且应使用屏蔽双绞线，导线应避免弯成锐角。靠近信号源屏蔽线的屏蔽层应单端接地。

d.一般电压信号比电流信号容易受干扰，应优先选用电流信号。电压型的模拟量信号由于输入端的内阻很高，极易引入干扰。一般电压信号是用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。电流型信号不容易受到传输线沿途的电磁干扰，因而在工业现场获得广泛的应用。电流信号可以传输比电压信号远得多的距离。

e.前述的CPU和扩展模块的数字量的输入点和输出点都有隔离保护，但模拟量的输入和输出则没有隔离。如果用户的系统中需要隔离，需另行购买信号隔离器件。

f.模拟量输入模块的电源地和传感器的信号地必须连接（工作接地），否则将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值，测量结果可能是一个变动很大的不稳定的值。

g.西门子的模拟量模块的端子排是上下两排分布，容易混淆。在接线时要特别注意，先接下面端子的线，再接上面端子的线，而且不要弄错端子号。

（2）模拟量输出模块（SM1232）

① 模拟量输出模块（SM1232）的技术规范

目前S7-1200 PLC的模拟量输出模块（SM1232）有多个规格，其典型模块的技术规范见表4-7。

② 模拟量输出模块（SM1232）的接线 模拟量输出模块（SM1232）的接线如图4-15所示，两个通道的模拟输出电流或电压信号可以按需要选择。信号范围：±10 V、0～20mA和4～20mA；满量程数据字格式：－27648～＋27648，这点与S7-300/400 PLC相同，但不同于S7-200 PLC。

（3）热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）

① 热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）的技术规范 如果没有热电偶和热电阻模拟量输入模块，那么也可以使用前述介绍的模拟量输入模块测量温度，工程上通常需要在模拟量输入模块和热电阻或者热电偶之间加专用变送器。目前S7-1200 PLC的热电偶和热电阻模拟量输入模块有多个规格，其典型模块的技术规范见表4-8。

② 热电偶模拟量输入模块（SM1231）的接线 限于篇幅，本书只介绍热电偶模拟量输入模块的接线，如图4-16所示。

4.2.4 西门子S7-1200 PLC信号板及接线

S7-1200 PLC的CPU上可安装信号板，S7-200/300/400 PLC没有信号板。目前有模拟量输入板、模拟量输出板、数字量输入板、数字量输出板、数字量输入/输出板和通信板，以下分别介绍。

（1）数字量输入板（SB 1221）

数字量输入板安装在CPU模块面板的上方，节省了安装空间，其接线如图4-17所示，目前只能采用NPN输入接线，其电源可以是24V DC或者5V DC。HSC时钟输入最大频率，单相为200kHz，正交相位为160kHz。

（2）数字量输出板（SB1222）

数字量输出板安装在CPU模块面板的上方，节省了安装空间，其接线如图4-18所示，目前只能采用PNP输出方式，其电源可以是24V DC或者5V DC。脉冲串输出频率：最大200kHz，最小2Hz。

（3）数字量输入/输出板（SB1223）

数字量输入/输出板（SB1223）有2个数字量输入点和2个数字量输出点，输入点只能是NPN输入，输出点是PNP输出，其电源可以是24V DC或者5V DC。数字量输入/输出板的接线如图4-19所示。

（4）模拟量输入板（SB1231）

模拟量输入板（SB1231）的量程范围为±10V、±5V、±2.5V和0～20mA。模拟量输入板的接线如图4-20所示。

（5）模拟量输出板（SB1232）

模拟量输出板（SB1232）只有一个输出点，由CPU供电，不需要外接电源。其输出电压或者电流，电流范围是0～20mA，对应满量程为0～27648，电压范围是±10V，对应满量程为－27648～27648。模拟量输出板（SB1232）的接线如图4-21所示。

（6）通信板（CB1241）

通信板（CB1241）可以作为RS-485模块使用，它集成的协议有：自由端口、ASCII、Modbus和USS。通信板（CB1241）接线如图4-22所示。自由口通信一般与第三方设备通信时采用，而USS通信则是西门子PLC与西门子变频器专用的通信协议。

4.2.5 西门子S7-1200 PLC通信模块

S7-1200 PLC通信模块安装在CPU模块的左侧，而一般扩展模块安装在CPU模块的
右侧。

S7-1200 PLC通信模块规格较为齐全，主要有串行通信模块CM1241、紧凑型交换机模块CSM1277、PROFIBUS-DP主站模块CM1243-5、PROFIBUS-DP从站模块CM1242-5、GPRS模块CP1242-7和I/O主站模块CM1278。S7-1200 PLC通信模块的基本功能见表4-9。

4.2.6 其他模块

（1）电源模块（PM1207）

电源模块是S7-1200 PLC系统中的一员。为S7-1200 PLC提供稳定电源，其输入为120/230V AC（自动调整输入电压范围），输出为24V DC/2.5A。

（2）存储卡

存储卡可以组态为多种形式。

① 程序卡。将存储卡作为 CPU的外部装载存储器，可以提供一个更大的装载存储区。

② 传送卡。复制一个程序到一个或多个 CPU的内部装载存储区而不必使用 STEP 7 Basic编程软件。

③ 固件更新卡。更新S7-1200 PLC的CPU固件版本（对V3.0及之后的版本不适用）。

此外，还有TS模块和仿真模块，限于篇幅，在此不再赘述。