第2章 西门子S7-1500系列PLC的硬件资源

2.1 认识西门子S7-1500系列PLC

2.1.1 知识：S7-1500系列PLC的电源选型

S7-1500 PLC中有两种电源可供选择：系统电源和负载电流电源。

1.系统电源（PS）

PS为背板总线提供内部所需的系统电压。这种系统电压将为模块电子元器件和LED（发光二极管）指示灯供电。CPU[及PROFIBUS（过程现场总线）CMs和Ethernet（以太网）CPs，PtP-CMs]或者接口模块未连接到DC 24V负载电流电源时，PS还可以为其供电。西门子（SIEMENS）目前提供3种PS，参数见表2-1。

图2-1为PS 25W DC 24V（无前盖板）和电源连接器视图。使用电源连接器对电源模块进行连接时，电源连接器通过接触防护为电源模块提供输入电压。电源连接器必须始终接线连接，其内部带有电缆夹。电源连接器必须具有反极性保护。

2.负载电流电源（PM）

PM未连接到背板总线，给模板的输入/输出回路供电。此外，可以根据需要使用PM为CPU和PS提供DC 24V电压（在通过PS为背板总线提供电压时，还可选择为CPU提供DC 24V电压），在这种情况下可以为每个CPU组态最多8个输入/输出模块。但是需要在STEP7中确认电源容量是否够用，是否需要额外再加电源。西门子目前提供两种PM，参数见表2-2。

图2-2为PM 190W AC 120V/230V（无前盖板）、电源连接器和插拔式DC 24V输出端子。

带有DC 24V输出端子的负载电源模块，具有输出端子可连接DC 24V输入设备、输出端子中有现成布线、可实现反极性保护的优点。可采用横截面积在0.5～2.5mm2之间的柔性电缆连接负载电源模块。注意：此时设备输入侧必须配备一个小型断路器或电动机保护用断路器。

3.PS和PM的应用区别

西门子S7-1500 PLC PS和PM的应用区别在以下几个方面：

1）两者功能不同。PS为模块电子元器件和LED指示灯供电，在无PM时也可为CPU等模块供电；PM为CPU模块、接口模块、输入/输出模块和PS提供DC 24V电压。

2）两者供电方式不同。PS通过U形连接器连接到CPU模块，继而传递给其他通信模块、接口模块等，需要在硬件组态中进行配置；PM不通过U形连接器连接到其他模块，而是直接通过线缆连接相应端子，因此PM不需要在硬件组态里进行配置。

3）两者输入电压不同。PS额定输入电压有DC 24V、DC 48V/60V或AC/DC 120V/230V；PM输入电压只有一种，AC 120V/230V，根据各地电网自适应电压。

4）两者固件版本有无的区别。PS有固件版本；PM无固件版本。

5）两者配置位置差异。PS在硬件组态时可以配置到CPU模块前面，也可以配置到I/O机架中；PM在硬件组态时只能组态到CPU模块或者接口模块的前面。

2.1.2 知识：S7-1500系列PLC的CPU配置与选型

1.S7-1500系列PLC的CPU模块概述

S7-1500 PLC具有标准型、紧凑型、分布式以及开放式等不同类型的CPU模块，常见类型的主要参数表见表2-3。凭借快速的响应时间、集成的CPU显示面板以及相应的调试和诊断机制，SIMATIC S7-1500 PLC的CPU极大地提升了生产效率，降低了生产成本。

（1）SIMATIC S7-1500R/H冗余控制器 SIMATIC S7-1500冗余控制器进一步扩展了SIMATIC S7-1500 PLC产品家族。S7-1500冗余控制系统可以有效避免因控制器故障引起的停机和数据丢失的风险，确保设备的高可用性，进而提高工厂效率。新的冗余控制器基于PROFINET系统冗余，与在标准系统中一样，SIMATIC S7-1500R/H可以使用所有TIA Portal STEP7编程语言进行编程，可以很容易地把程序从标准系统迁移到冗余系统中。

（2）SIMATIC S7-1500 PLC紧凑型CPU 两款紧凑型控制器CPU 1511C和CPU 1512C，进一步壮大了SIMATIC S7-1500 PLC家族阵容，以其紧凑的工业设计、卓越的性能，为空间要求苛刻的应用，尤其是OEM（原始设备生产商）机器制造等领域提供了高性价比解决方案。1500C控制器基于标准型控制器，集成了离散量、模拟量输入/输出和高达400kHz（4倍频）的高速计数功能，还可以和标准型控制器一样扩展25mm和35mm的I/O模块。

（3）SIMATIC ET 200SP CPU 这是一款兼备S7-1500 PLC的突出性能与ET 200SP I/O简单易用、身形小巧于一身的控制器，对机柜空间大小有要求的机器制造商或者分布式控制应用提供了完美解决方案。ET 200SP开放式控制器CPU 1515SP PC，是将PC-Based平台与ET 200SP控制器功能相结合的可靠、紧凑的控制系统，可以用于特定的OEM设备以及工厂的分布式控制，控制器右侧可直接扩展ET 200SP I/O模块。

（4）SIMATIC S7-1500软件控制器 采用Hypervisor（管理程序）技术，在安装到西门子工控机后，将工控机的硬件资源虚拟成两套硬件，其中一套运行Windows系统，另一套运行S7-1500 PLC实时系统，两套系统并行运行，通过SIMATIC通信的方式交换数据。软PLC与S7-1500硬PLC代码100%兼容，其运行独立于Windows系统，可以在软PLC运行时重启Windows。

（5）SIMATIC S7-1500PLC高防护等级CPU 防护等级IP65/67的SIMATIC ET200pro CPU 1513pro-2 PN和CPU 1513pro F-2 PN正式上市，进一步完善了ET200pro CPU家族产品线。ET200pro CPU具有IP65/67防护等级，不需要控制柜，适用于环境恶劣的应用，完全支持现有的ET200pro家族的I/O模块。

（6）SIMATIC S7-1500 PLC T-CPU 模块全新的工艺型CPU，S7-1500 PLC T-CPU无缝扩展了中、高级PLC的产品线，在标准型/安全型CPU功能的基础上，能够实现更多的运动控制功能。根据对工艺对象数量和性能的要求，可选择不同等级的T-CPU模块，适应从简单到复杂的应用。

S7-1500系列PLC的CPU模块基本选型流程如图2-3所示。

2.CPU 1516-3 PN/DP功能

CPU 1516-3 PN/DP的模块外形如图2-4所示。CPU 1516-3 PN/DP有3个通信接口：两个接口用于PROFINET，一个用于PROFIBUS。第1个PROFINET接口有两个端口，这两个端口具有相同的IP地址，共同形成现场总线级别的接口（开关输入功能）；第2个PROFINET接口具有一个带有自身IP地址的端口，用于集成到公司网络；第3个接口用于连接到PROFIBUS网络。

CPU 1516-3 PN/DP模块具有标准运动控制，用于通过PROFINET IO IRT和PROFIdrive接口编写具有运动控制功能的PLC开放式组织块。该功能支持速度控制轴、定位轴和外部编码器，具有集成调整的通用PID控制器或3点控制器，且集成了温度控制器，具有自动生成并持续显示的系统诊断功能。

图2-5为带有集成显示屏的CPU 1516-3 PN/DP的前面板。

卸除前面板后，无前盖板的CPU 1516-3 PN/DP，其正视图如图2-6所示。其中模式选择器开关用于设置CPU的操作模式，有三档选择：RUN档，称为RUN模式，表示CPU正在执行用户程序；STOP档，称为STOP模式，表示CPU未在执行用户程序；MRES档，称为存储器复位模式，表示CPU存储器复位的位置。

使用模式选择器开关将存储器复位时，除了少数例外情况，“存储器复位”将清除所有的内部存储器，然后再读取SIMATIC存储卡上的数据。步骤如下：

1）将模式选择器开关设置为STOP。初始结果：RUN/STOP LED指示灯黄色点亮。

2）将操作模式开关切换到MRES位置。将开关保持在此位置，直至RUN/STOP LED指示灯第二次黄色点亮并持续处于点亮状态（需要3s）。此后，松开开关。

3）在接下来3s内，将模式选择器开关切换回MRES，然后重新返回到STOP模式。此时CPU将执行存储器复位，在此期间RUN/STOP LED指示灯黄色闪烁。如果RUN/STOP LED为黄色点亮，则表示CPU已完成存储器复位。

也可使用模式选择器开关将CPU复位为出厂设置。在确保CPU中没有插入SIMATIC存储卡，而且CPU处于STOP模式（RUN/STOP LED指示灯黄色点亮）的情况下，要复位为出厂设置，则需按照以下步骤操作：

1）将模式选择器开关设置为STOP。此时RUN/STOP LED指示灯黄色点亮。

2）将模式选择器开关切换到MRES位置并保持在此位置，直至RUN/STOP LED指示灯第二次黄色点亮并持续处于点亮状态（需要3s）。此后，松开开关。

3）在接下来3s内，将模式选择器开关切换回MRES，然后重新返回到STOP模式。此时CPU将执行“复位为出厂设置”。在此过程中，RUN/STOP LED指示灯呈黄色闪烁。RUN/STOP LED指示灯黄色点亮表示CPU复位为出厂设置并处于STOP模式中。同时，“复位为出厂设置”事件进入诊断缓冲区。

注意：“复位为出厂设置”功能可以将CPU恢复为“出厂状态”，这意味着将删除CPU存储器中存储的所有数据。

CPU 1516-3 PN/DP的后视图，如图2-7所示。

CPU 1516-3 PN/DP的LED指示灯如图2-8所示。CPU 1516-3 PN/DP上有3个LED指示灯，可以指示当前操作状态和诊断状态。RUN/STOP、ERROR（错误）和MAINT LED指示灯的各种颜色组合的含义见表2-4。

接口LED指示灯的含义：X1 P1、X1 P2和X2 P1每个端口都有LINK RX/TX-LED，CPU 1516-3 PN/DP端口的各种“LED指示灯的情况”见表2-5。

2.1.3 知识：S7-1500系列PLC的信号模块的硬件配置

S7-1500系列PLC的信号模块种类更加优化，集成了更多功能并支持通道级诊断，采用统一的前连接器，具有预接线功能，这些模块既可以直接在CPU上进行集中式处理，也可以通过ET 200MP系统进行分布式处理。其有以下特点：

1.量身定做，灵活扩展模块具有不同的通道数量和功能

设计紧凑，I/O模板最窄至25mm。集成DIN导轨，安装更加灵活。中央机架最多可扩展32个模板。全新的高密度信号模块——64通道数字量和16通道模拟量，支持热插拔功能。

2.能够实现快速处理，确保控制质量

数字量输入模块，具有50μs的超短输入延时；模拟量模块，8通道转换时间低至125μs。提供多功能模拟量输入模块，具有自动线性化特性，适用于温度测量和限值监测，且背板总线通信速度提升40倍，为400Mbit/s。

3.高效诊断，快速识别

通道级诊断消息，支持快速故障修复，同时提供可读取电子识别码功能，快速识别所有组件。

4.人性化设计，组装方便

采用统一40针前连接器，集成短接片，简化接线操作。全新盖板设计，双卡位可最大化扩展电缆存放空间，并且自带电路接线图，方便接线。

5.可靠的设计确保设备无错运行

模拟量模块自带电缆屏蔽附件，电源线与信号线分开走线，增强抗电磁干扰能力。

信号模块是CPU与控制设备之间的接口，通过输入模块将信号传送至CPU进行计算或者逻辑处理。然后将逻辑结果和控制命令通过输出模块把信号输出，以达到控制外界设备的目的。

信号模块根据信号类型分为数字量模块和模拟量模块，所以信号模块有：数字量输入模块（DI）SM521、数字量输出模块（DO）SM522、数字量输入输出混合模块（DIDO）SM523、模拟量输入模块（AI）SM531、模拟量输出模块（AO）SM532以及模拟量输入输出混合模块（AIAO）SM534。

S7-1500 PLC的信号模块分为35mm和25mm两种宽度，35mm宽的模块前连接器需要单独订货，统一为40针（S7-1500 PLC前连接器均为40针）。25mm宽的模块自带前连接器。常用的模块类型为35mm宽度。

常见35mm宽数字量输入模块类型和技术参数见表2-6。常见25mm宽数字量输入模块类型和技术参数见表2-7。

常见35mm宽数字量输出模块类型和技术参数见表2-8。常见25mm宽数字量输出模块类型和技术参数见表2-9。

2.1.4 知识：S7-1500系列PLC的通信模块与接口模块

通信模块集成有各种接口，可与不同接口类型设备进行通信，而通过具有安全功能的工业以太网模块，可以极大提高连接的安全性，常见的有以下几种：

1.CM PtP：通过点到点连接实现串行通信

可连接数据读卡器或特殊传感器，可集中使用，也可在分布式ET 200MP I/O系统中使用；带有各种物理接口，如RS232、RS422或者RS485，可预定义各种协议，如3964（R）、Modbus RTU或USS（通用串行接口）；支持使用基于自由口的应用特定协议（ASCII），采用诊断报警可用于简单故障修复。

2.CP 1543-1：带有安全功能的工业以太网连接

安全上支持基于防火墙的访问保护，支持VPN、FTPS Server/Client和SNMP V1、V3；支持IPv6（同样支持IPv4）、FTP Server/Client、FETCH/WRITE访问（CP作为服务器），可发送Email（电子邮件），支持网络分割、支持Webserver访问（http/https）以及S7通信和开放的用户通信。

3.CM 1542-1：功能强大的PROFINET模块

可以连接128个IO设备的I/O控制器，实现实时通信（RT）、等时实时通信（IRT）和介质冗余（MRP）。设备更换不需要可交换存储介质，支持I/O控制器、等时实时功能，支持开放式通信、S7通信。

4.CM 1542-5：高性能的PROFIBUS模块

CM 1542-5符合IEC 61158/61784，支持PROFIBUS DP（分布式外设）主站和从站功能，可使用附加的PROFIBUS电缆，实现系统快速扩展；可为单个自动化任务分隔不同的PROFIBUS子网，可连接其他供应商提供的PROFIBUS从站。

5.接口模块

SIMATIC ET 200MP通过接口模块进行分布式I/O扩展，和S7-1500 PLC中央机架采用相同的I/O模块，为整个系统提供更好的扩展性能；改进的硬件设计、功能组合，使得选型更加简单，相同的模板类型使用相同的针脚定义、螺钉压线方式；提供高速背板通信，支持PROFINET和PROFIBUS。

2.1.5 知识：S7-1500系列PLC的分布式I/O

1.PROFINET IO开放式传输系统

当设计一个工厂时，过程输入和输出往往需要集中安装在自动化系统中。当输入/输出距离自动化系统较远时，接线可能会变得范围宽泛且十分复杂。在这种情况下分布式I/O系统就非常适用于这类工厂，此时将控制器CPU放在中央位置，I/O系统（输入和输出）以分布式方式在现场操作。

PROFINET IO是一种开放式传输系统，具有按照PROFINET标准定义的实时功能，该标准定义了跨制造商的通信、自动化和组态模型。PROFINET组件接线采用工业级强度连接；PROFINET摒弃了层级式的PROFIBUS主站/从站方案，而是采用发布/索取方案；组态过程是指定I/O控制器（如SIMATIC S7-1500 PLC CPU）对I/O设备（如ET 200SP）进行操作控制的过程。数量结构可以按照PROFINET IO的可用数量进行扩展，组态不能超出参数的限制，传输速率为100Mbit/s。

图2-9为PROFINET IO的一种典型网络组态可以使用IE/PB连接器集成现有PROFIBUS从站。

PROFIBUS DP是一种使用“DP”传输协议的开放式总线系统。实际上，PROFIBUS DP是一种使用屏蔽双绞线电缆连接的电气网络，DP是用于在CPU和分布式I/O系统之间进行循环数据交换的高速协议。DP主站用于连接控制器CPU和分布式I/O系统，通过PROFIBUS DP与分布式I/O系统进行数据交换并监视PROFIBUS DP。分布式I/O系统（DP从站）在本地收集传感器和执行器数据，并通过PROFIBUS DP将数据传送到控制器CPU。

图2-10为PROFIBUS DP网络的典型组态。DP主站通常集成在相应的设备中，而DP从站则是通过PROFIBUS DP与DP主站相连接的分布式I/O系统。

2.ET 200MP分布式I/O

ET 200MP分布式I/O系统可安装在安装导轨上，并使用PROFINET接口模块（IM 155-5 PN），可与符合PROFINET IEC 61158标准的所有I/O控制器通信。此时使用一个可选的电源模块PS，可安装在接口模块前面，在接口模块后面可安装最多30个模块（最多包含两个电源模块PS），该设置最多可实现3个功率段。图2-11为带电源的IM 155-5 PN ST的ET 200MP分布式I/O系统的组态。

也可采用PROFIBUS接口模块（IM 155-5 DP），与符合PROFIBUS IEC 61784标准的所有DP主站通信。此时接口模块后面最多可包含12个I/O模块，最多包含1个功率段。图2-12为不带电源的IM 155-5 DP ST的ET 200MP分布式I/O系统的组态。

3.ET 200SP分布式I/O

ET 200SP分布式I/O系统是一个高度灵活的可扩展分布式I/O系统，通过现场总线将过程信号连接到中央控制器。由于ET 200SP的功能强大，因此适用于各种应用领域；同时，其较高的可扩展性可以按照具体需要进行组态定制。ET 200SP分布式I/O系统通过防护等级IP20认证，可安装在控制柜中；也可安装在安装导轨上，且包含与所有设备进行通信的接口模块，即符合PROFINET标准IEC 61158的I/O控制器、符合PROFIBUS标准IEC 61784的DP主站；最多可连接32/64个I/O模块（取决于接口模块），可按任意组合方式插入无源基座单元（BaseUnit）中。图2-13为ET 200SP分布式I/O系统的组态示例。