電氣控制與PLC應(yīng)用 課件 05- S7-1200PLC硬件與配置

第5章S7-1200PLC硬件與配置5.4S7-1200PLC的系統(tǒng)配置5.5S7-1200PLC硬件系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題5.3S7-1200PLC的信號(hào)擴(kuò)展模塊5.1S7-1200PLC概述5.2S7-1200PLC控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成5.1S7-1200PLC概述5.1.1S7-1200PLC的特點(diǎn)(1)設(shè)計(jì)新穎,易于使用結(jié)構(gòu)緊湊,具有集成I/O和模塊化擴(kuò)展選件,可根據(jù)具體自動(dòng)化任務(wù)進(jìn)行高度定制;集成的PROFINET接口可以和TIAPortal工程組態(tài)框架高度配合;通過(guò)模塊化板卡設(shè)計(jì),無(wú)須改變物理尺寸,即可擴(kuò)展控制器。(2)系統(tǒng)診斷錯(cuò)誤消息以普通文本形式顯示在TIAPortal中、HMI或Web服務(wù)器上,可進(jìn)行高效故障排除和快速故障定位,縮短了調(diào)試時(shí)間,并大幅縮短了停產(chǎn)時(shí)間。SIMATICS7-1200提供了已集成在系統(tǒng)中的診斷功能,無(wú)須額外編程。(3)信息安全針對(duì)未授權(quán)的代碼或過(guò)程值修改提供保護(hù),需要在運(yùn)行期間提供較高可用性。專(zhuān)有技術(shù)保護(hù)、復(fù)制保護(hù)和訪問(wèn)保護(hù)可防止各方未經(jīng)授權(quán)而打開(kāi)或復(fù)制模塊,為算法和過(guò)程提供保護(hù)。這些安全功能已集成在S7-1200和TIAPortal中。(4)安全型CPU提供了故障安全CPU,適用于機(jī)器和工廠自動(dòng)化中的標(biāo)準(zhǔn)及故障安全應(yīng)用。集成的安全功能通過(guò)PROFINET提供與PROFIsafe設(shè)備的連接。在工程組態(tài)工具STEP7SafetyBasic中,用戶(hù)通過(guò)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)和安全相關(guān)任務(wù)都相同的組態(tài)和操作方式來(lái)創(chuàng)建其程序。(5)集成工藝功能用于執(zhí)行計(jì)數(shù)和測(cè)量、調(diào)節(jié)和運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)的集成工藝功能使得SIMATICS7-1200成為一個(gè)功能多樣的系統(tǒng),非常適合完成眾多自動(dòng)化任務(wù)。集成的PID控制器,可根據(jù)具體目標(biāo)值,精確而高效地調(diào)整物理變量。所有CPU都支持跟蹤功能,這樣就能精確診斷和優(yōu)化用戶(hù)程序和運(yùn)動(dòng)應(yīng)用。(6)TIAPorta在TIAPortal中可以進(jìn)行高效組態(tài),通過(guò)TIAPortal(博途)可以全面訪問(wèn)整個(gè)數(shù)字化的自動(dòng)化系統(tǒng),從數(shù)字化規(guī)劃到集成工程組態(tài)直至透明運(yùn)行。新版本TIAPortal通過(guò)各種措施(包括使用模擬工具)來(lái)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,通過(guò)附加診斷及能源管理功能提高工廠的生產(chǎn)力,并通過(guò)連接到管理層來(lái)提高靈活性。TIAPortal提供靈活的云解決方案,通過(guò)數(shù)字孿生(DigitalTwin)進(jìn)行虛擬調(diào)試,使不同領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)之間開(kāi)展協(xié)調(diào)的團(tuán)隊(duì)工作,提高了透明度,實(shí)現(xiàn)了一體化能源管理。5.1.2S7-1200PLC的硬件模塊S7-1200PLC作為與機(jī)器設(shè)備之間的接口,提供了各種各樣的模塊:控制器模塊(CentralProcessingUnit,CPU),帶有集成PROFINET接口,用于編程設(shè)備、HMI或其他SIMATIC控制器之間通信。信號(hào)模塊(SignalModule,SM),用于擴(kuò)展控制器的輸入和輸出通道,在控制器的右邊連接。通信模塊(CommunicationModule,CM),用于擴(kuò)展控制器通信接口,在控制器的左邊連接。信號(hào)板(SignalBoard,SB),直接插入控制器。S7-1200各種模塊的外形和接口如圖5-1所示。5.1.2S7-1200PLC的硬件模塊所有的S7-1200PLC硬件都具有內(nèi)置安裝夾,能夠方便地安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的35mm導(dǎo)軌上,如圖5-2所示。這些內(nèi)置的安裝夾可以咬合到某個(gè)伸出位置,以便在需要進(jìn)行背板懸掛安裝時(shí)提供安裝孔。S7-1200PLC可進(jìn)行豎直安裝或水平安裝。這些特性為用戶(hù)安裝PLC提供了靈活性,同時(shí)也使得S7-1200PLC成為眾多應(yīng)用場(chǎng)合的理想選擇。5.2S7-1200PLC控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成S7-1200PLC控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成5.2.1基本單元S7-1200CPU模塊也稱(chēng)為主機(jī)。由中央處理器(CPU)、電源、PROFINET接口、信號(hào)板(SB)接口、存儲(chǔ)器接口、數(shù)字量輸入/輸出接口以及模擬量輸入/輸出接口組成,它們都被緊湊地安裝在一個(gè)獨(dú)立的裝置中?；締卧梢詷?gòu)成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)。目前S7-1200PLC主要有CPU1221、CPU1222、CPU1224、CPU1225、CPU1227這五種規(guī)格。雖然其外形略有區(qū)別,但基本結(jié)構(gòu)相同或相似。5.2.1基本單元1.S7-1200CPU的外形5.2.1基本單元2.S7-1200CPU的性能參數(shù)5.2.1基本單元3.S7-1200CPU外部端子接線圖(以1214CDC/DC/DC為例)5.2.2編程設(shè)備(計(jì)算機(jī))編程設(shè)備的功能是編制程序、修改程序、測(cè)試程序,并將測(cè)試合格的程序下載到PLC系統(tǒng)中。為了降低編程設(shè)備的成本,目前廣泛采用計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備,但需配置西門(mén)子提供的專(zhuān)用編程軟件。S7-1200PLC的編程軟件是TIAPortal(博途),該軟件在Windows平臺(tái)上運(yùn)行。TIAPortal軟件提供了非常簡(jiǎn)便、靈活的項(xiàng)目創(chuàng)建、編輯和下載方式。不需要購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用編程電纜,僅使用以太網(wǎng)卡和以太網(wǎng)線即可實(shí)現(xiàn)對(duì)S7-1200CPU的監(jiān)控和下載。5.2.3人機(jī)界面(HMI)西門(mén)子HMI(HumanMachineInterface)定義為人機(jī)界面,是一種交互和信息交換的媒介,允許人類(lèi)與機(jī)器、系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行交互。它通常包括處理器、顯示單元、輸入單元等硬件部分,以及系統(tǒng)軟件和畫(huà)面組態(tài)軟件。西門(mén)子不同型號(hào)HMI面板如圖5-6所示。上面兩個(gè)為增強(qiáng)型HMI,下面三個(gè)為基礎(chǔ)型HMI。5.2.4智能I/O模塊SIMATICS7-1200PLC集成的PROFINET接口可以支持8個(gè)連接用于OpenIE(TCP,ISO-on-TCP、UDP、ModbusTCP)的編程通信;支持34個(gè)動(dòng)態(tài)連接,用于連接OPCUA客戶(hù)端。因此當(dāng)S7-1200PLC支持的擴(kuò)展模塊不夠使用時(shí)或需要特殊的定制功能時(shí),可以借助PROFINET接口和其他廠家支持OpenIE協(xié)議或OPCUA協(xié)議的滿(mǎn)足需要的智能I/O模塊連接,達(dá)到擴(kuò)展功能和接口數(shù)量的效果。比如,一個(gè)S7-1200CPU最多只能提供4個(gè)RS485串口,當(dāng)系統(tǒng)需要8個(gè)RS485串口時(shí),一個(gè)CPU肯定不夠用,再增加一個(gè)CPU,成本較高。此時(shí)就可以用串口服務(wù)器這樣的智能I/O模塊來(lái)增加串口,滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。如圖5-7所示列舉了兩款國(guó)產(chǎn)串口服務(wù)器,宇泰和三旺。5.3S7-1200PLC的信號(hào)擴(kuò)展模塊5.3.1數(shù)字量模塊數(shù)字量模塊/信號(hào)板有數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、數(shù)字量輸入/輸出三種,見(jiàn)表5-2和表5-3。5.3.1數(shù)字量模塊1.數(shù)字量模塊特性數(shù)字量輸入模塊(SM1221)、數(shù)字量信號(hào)板(SB1221)的每一個(gè)輸入點(diǎn)可接收一個(gè)來(lái)自用戶(hù)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量信號(hào)(ON/OFF),典型的輸入設(shè)備有按鈕、限位開(kāi)關(guān)、選擇開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等。每個(gè)輸入點(diǎn)與一個(gè)且僅與一個(gè)輸入電路相連,通過(guò)輸入接口電路把現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)信號(hào)變成CPU所能接收的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(0/1)。數(shù)字量輸入模塊可分為直流輸入模塊和交流輸入模塊,以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中輸入信號(hào)電平的多樣性。2.數(shù)字量模塊端子接線圖數(shù)字量的所有輸入接口支持漏型和源型兩種接線方式,漏型接線是電流方向流進(jìn)輸入接口;源型接線是電流方向流出輸入接口,如圖5-8所示。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用漏型接線方式。數(shù)字量輸出接口有晶體管和繼電器兩種輸出方式。晶體管輸出是有源輸出,在輸出模塊接線時(shí)就串接了DC24V電源;繼電器輸出是無(wú)源輸出,根據(jù)負(fù)載需要選擇對(duì)應(yīng)電源類(lèi)型和等級(jí),如圖5-9所示。5.3.2模擬量模塊模擬量模塊/信號(hào)板有模擬量輸入、模擬量輸出、模擬量輸入/輸出三種,見(jiàn)表5-4。5.3.2模擬量模塊1.模擬量模塊特性工業(yè)控制中,除了用數(shù)字量信號(hào)來(lái)控制外,有時(shí)還要用模擬量信號(hào)來(lái)進(jìn)行顯示、分析和控制。在選擇和使用模擬量模塊時(shí),首先明確兩個(gè)模擬量參數(shù):模擬量轉(zhuǎn)換的分辨率、模擬量轉(zhuǎn)換的精度(誤差)。5.3.2模擬量模塊2.模擬量輸入輸出端子接線圖如圖5-10所示為標(biāo)準(zhǔn)模擬量輸入接線圖,圖5-10(a)為直接連接電壓(-10~10V)或電流(0~20mA)信號(hào)的接線圖;圖5-10(b)為連接傳感器的接線圖,傳感器是需要供電才能工作的,因此需要串接電源。5.3.2模擬量模塊3.模擬量輸入模塊的輸入數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理量舉例說(shuō)明:量程為0~100℃的溫度傳感器轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)為4~20mA,如果PLC程序中讀到的數(shù)據(jù)是15000,那么溫度傳感器測(cè)得的溫度是多少?模擬量輸入模塊采用0~20mA的量程,因此A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值范圍是0~27648。那么4~20mA對(duì)應(yīng)的數(shù)值是5530~27648,即0~100℃對(duì)應(yīng)的數(shù)值就是5530~27648。設(shè)測(cè)得的溫度是x,根據(jù)線性轉(zhuǎn)換原理得到下式:5.3.3智能模塊1.電能模塊能源效率在工業(yè)領(lǐng)域的地位日益重要。法律法規(guī)的要求、漸趨增長(zhǎng)的利潤(rùn)壓力和日益提高的氣候保護(hù)意識(shí),這三者是促使人們降低能源成本和引入能源管理系統(tǒng)的主要推動(dòng)因素。電能模塊可以采集能源數(shù)據(jù)。與SIMATICS7-1200的功能相結(jié)合,可以對(duì)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估、顯示和歸檔。S7-1200通過(guò)SM1238模塊可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)200余種不同的電氣測(cè)量以及能源計(jì)量,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備直至機(jī)器級(jí)別的各個(gè)組件的能源需求透明化。2.通信模塊S7-1200PLC的CPU本體集成了一個(gè)PROFINET接口,支持TCP/IP、UDP、OPCUA(服務(wù)器)、ISO-on-TCP、ModbusTCP以及ProfinetIO等工業(yè)以太網(wǎng)總線協(xié)議。因此通信擴(kuò)展主要是除了工業(yè)以太網(wǎng)之外的通信模塊,主要有串口模塊以及PROFIBUS模塊,見(jiàn)表5-8。S7-1200的CPU最多支持3個(gè)通信模塊,連接在CPU的左側(cè)。5.4S7-1200PLC的系統(tǒng)配置5.4.1主機(jī)加擴(kuò)展模塊/板的最大I/O配置S7-1200PLC主機(jī)帶擴(kuò)展模塊/板進(jìn)行擴(kuò)展配置時(shí)會(huì)受到相關(guān)因素的限制,最大I/O擴(kuò)展能力取決于以下幾個(gè)因素,這些因素之間互相影響、制約,必須綜合考慮:(1)CPU輸入/輸出過(guò)程映像區(qū)大小。(2)CPU本體的I/O點(diǎn)數(shù)。(3)CPU帶擴(kuò)展模塊的數(shù)目。(4)CPU的DC5V背板總線電源容量是否滿(mǎn)足所有擴(kuò)展模塊的需要。以上因素的具體參數(shù)見(jiàn)表5-1。當(dāng)然如果實(shí)際系統(tǒng)超過(guò)了主機(jī)加擴(kuò)展模塊/板的最大I/O配置,還可以通過(guò)PROFI_x0002_NET或者PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接分布式智能I/O的方式擴(kuò)展。5.4.2I/O點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展與編址編址就是對(duì)I/O模塊上的I/O點(diǎn)進(jìn)行編碼,以便程序執(zhí)行時(shí)可以唯一地識(shí)別每個(gè)I/O點(diǎn)。具體有以下幾個(gè)原則:(1)S7-1200CPU有一定數(shù)量的本機(jī)I/O,I/O的地址可以通過(guò)TIAPortal軟件自由設(shè)置。(2)數(shù)字量I/O點(diǎn)的編址是以字節(jié)長(zhǎng)(8位)為單位,采用存儲(chǔ)器區(qū)域標(biāo)識(shí)符(I或Q)、字節(jié)號(hào)、位號(hào)的組成形式,在字節(jié)號(hào)和位號(hào)之間以點(diǎn)分隔。(3)數(shù)字量擴(kuò)展模塊是以字節(jié)(8位)的方式來(lái)分配地址的,若本模塊實(shí)際位數(shù)不滿(mǎn)8位,未用位不能分配給I/O點(diǎn)的后續(xù)模塊。(4)模擬量I/O點(diǎn)的編址是以字長(zhǎng)(16位)為單位,在讀/寫(xiě)模擬量信息時(shí),模擬量I/O以字為單位讀/寫(xiě)。5.4.3內(nèi)部電源負(fù)載能力計(jì)算1.PLC內(nèi)部DC5V電源的負(fù)載能力CPU模塊和擴(kuò)展模塊正常工作時(shí),需要DC5V工作電源。S7-1200PLC內(nèi)部電源模塊提供的DC5V電源為CPU模塊和擴(kuò)展模塊提供了工作電源,其中擴(kuò)展模塊所需的DC5V工作電源是由CPU模塊通過(guò)總線連接器提供的。CPU模塊向其總線擴(kuò)展接口提供的電流值是有限制的,因此在配置擴(kuò)展模塊時(shí),應(yīng)注意CPU模塊所提供的DC5V電源的負(fù)載能力。電源超載會(huì)發(fā)生難以預(yù)料的故障或事故,因此為確保電源不超載,應(yīng)使各擴(kuò)展模塊消耗DC5V電源的電流總和不超過(guò)CPU模塊所提供的電流值。否則的話(huà),要對(duì)系統(tǒng)重新配置。因此系統(tǒng)配置后,必須對(duì)S7-1200主機(jī)內(nèi)部的DC5V電源的負(fù)載能力進(jìn)行校驗(yàn)。2.PLC內(nèi)部DC24V電源的負(fù)載能力S7-1200主機(jī)的內(nèi)部電源模塊除了提供DC5V電源外,還提供DC24V電源。DC24V電源也稱(chēng)為傳感器電源,它可以作為CPU模塊和擴(kuò)展模塊用于檢測(cè)直流信號(hào)輸入點(diǎn)狀態(tài)的電源,如果用戶(hù)使用傳感器的話(huà),也可作為傳感器的電源。一般情況下,CPU模塊和擴(kuò)展模塊的輸入、輸出點(diǎn)所用的DC24V電源是由用戶(hù)外部提供的。如果使用CPU模塊內(nèi)部的DC24V電源,應(yīng)注意該DC24V電源的負(fù)載能力,使CPU模塊及各擴(kuò)展模塊所消耗電流的總和不超過(guò)內(nèi)部DC24V電源所提供的最大電流。如果電源要求超出了CPU模塊的電源額定值,需要增加一個(gè)外部DC24V電源。5.4.4硬件配置舉例1.確定CPU主機(jī)型號(hào)S7-1200PLC的CPU型號(hào)有1211、1212、1214、1215和1217。首先可以排除1211和1212,因?yàn)?211不能擴(kuò)展模塊,1212只能擴(kuò)展2個(gè)模塊,明顯不夠。1214、1215和1217都可以擴(kuò)展8個(gè)模塊,而監(jiān)測(cè)報(bào)警需要的功能都能滿(mǎn)足,因此從成本上考慮選擇1214。但是1214有三個(gè)型號(hào):DC/DC/DC、DC/DC/RLY和AC/DC/RLY。三個(gè)型號(hào)都可以,但是筆者更傾向于選擇DC/DC/DC。電源選擇DC,一是DC24V相對(duì)安全,二是輸入輸出接口需要DC24V,可以直接采用供電的DC24V,不需要考慮CPU本體傳感器DC24V的容量問(wèn)題。數(shù)字量輸出選擇DC,參見(jiàn)如圖5-9所示輸出接口說(shuō)明。因此CPU的型號(hào)選擇1214CDC/DC/DC。5.4.4硬件配置舉例2.擴(kuò)展模塊型號(hào)和數(shù)量在功能滿(mǎn)足的前提下,主要根據(jù)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)確定擴(kuò)展模塊。在實(shí)際應(yīng)用中,不能使選擇擴(kuò)展模塊后輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和需要的完全一樣,考慮到后期接口損壞維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)的需要,應(yīng)適當(dāng)增加余量。筆者在實(shí)際應(yīng)用中每7個(gè)點(diǎn)增加一個(gè)余量,正好一個(gè)字節(jié)的輸入/輸出里有一個(gè)備用余量。分布式增加余量的好處是,在系統(tǒng)比較大,點(diǎn)數(shù)比較多時(shí),在接口需要更換時(shí),外界接線能夠連上。如果太遠(yuǎn),實(shí)際連接的硬線長(zhǎng)度有可能不夠。從表5-9中可以看出擴(kuò)展了3個(gè)通信模塊,1個(gè)通信板,滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)4個(gè)RS485接口的需要。擴(kuò)展了3個(gè)16DI和1個(gè)8DI數(shù)字量輸入模塊,一共有70個(gè)DI,滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)64個(gè)DI的需要。CPU本體集成了10個(gè)DQ,已滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)6個(gè)DQ的需要,因此不需要擴(kuò)展數(shù)字量輸出模塊。擴(kuò)展了3個(gè)8AI模擬量輸入模塊,一共有26個(gè)AI,滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)23個(gè)AI的需要。表55.4.4硬件配置舉例3.對(duì)主機(jī)內(nèi)部的DC5V電源的負(fù)載能力進(jìn)行校驗(yàn)根據(jù)表5