2.3　S7-1200的硬件

S7-1200可编程序控制器是德国西门子公司新一代的模块化小型PLC。它具有紧凑的设计、良好的扩展性、灵活的组态及功能强大的指令系统，提供了控制各种设备的灵活性和强大功能，它已成为控制各种应用的完美解决方案。本节主要介绍S7-1200的硬件结构、CPU模块、信号板、信号模块及集成的PROFINET接口。

2.3.1　S7-1200的硬件结构

S7-1200主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成，各种模块安装在标准DIN导轨上。

1. CPU模块

S7-1200的CPU模块（如图2-3所示）将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET、高速运动控制输入／输出以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中，形成了功能强大的控制器。

CPU模块还提供一个PROFINET端口，用于通过PROFINET网络通信。还可使用通信模块通过RS485或RS232网络通信。

CPU模块相当于PLC的大脑，能根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其他智能设备的通信。

2. 信号板

每块CPU模块内可以安装一块信号板（Signal Board，SB），安装后不会改变CPU模块的外形和体积。通过信号板可以给CPU增加输入／输出。可以添加一个具有数字量或模拟量输入／输出的信号板。信号板连接在CPU的前端，如图2-4所示。

还可以扩展通信板（CB），可以为CPU增加其他通信端口以及电池板（BB），可提供长期的实时时钟备份。

3. 信号模块

信号模块（SM）是数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块的简称。数字量输入模块、数字量输出模块简称输入／输出模块或开关量模块DI/DQ，模拟量输入模块、模拟量输出模块简称AI/AQ模块。

SM连接在CPU右侧。可以为CPU增加信号的点数，最多可扩展8个信号模块。

信号模块是CPU联系外部现场设备的桥梁，输入模块用来采集与接收各种输入信号，如接收从按钮、开关、继电器等处来的数字量输入以及接收各种变送器提供的电压、电流信号以及热电阻、热电偶等信号。

输出模块用来控制现场的各种控制设备，如接触器、继电器、电磁阀等数字量控制以及调节阀、变频器等模拟量控制。

CPU模块内部工作电压一般是DC5V。为防止外部的尖峰电压和干扰噪声可能损害CPU模块，在信号模块中，常用光电隔离或继电器等器件来隔离PLC内部电路与外部的输入、输出电路。

4. 通信模块

通信模块（CM）安装在CPU模块的左侧，最多可以连接3个通信模块。通信模块和通信处理器（CP）将增加CPU的通信选项，如PROFIBUS或RS232/RS485的连接性（适用于PtP、Modbus或USS）或者AS-i主站。CP可以提供其他通信类型的功能，如通过GPRS、LTE、IEC、DNP3或WDC网络连接到CPU。

5. 精简系列面板

与S7-1200配套的第二代精简面板主要有4种，分别是4.3in、7in、9in、12in的64K色高分辨率宽屏显示器，支持垂直安装，用TIA博途中的WinCC软件组态。它们有两个接口，一个是RS-422/RS-484接口或RJ-45以太网接口，另一个是USB2.0接口。USB接口可以连接键盘、鼠标或条形码扫描仪，可用U盘实现数据记录。

6. 编程软件

TIA博途是西门子自动化的全新工程设计软件平台。S7-1200用TIA博图中的STEP 7 Basic（基本版）或STEP 7 Professional（专业版）编程。

2.3.2　CPU模块

CPU将微处理器、集成电源、输入和输出电路、内置PROFINET、高速运动控制输入／输出以及板载模拟量输入组合到一个设计紧凑的外壳中，可形成功能强大的控制器。在下载用户程序后，CPU将包含监控应用中的设备所需的逻辑。CPU根据用户程序逻辑监视输入并更改输出，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算、运动控制以及与其他智能设备的通信。

1. CPU的共性

（1）可以使用梯形图（LAD）、函数块图（FDB）和结构化控制语言（SCL）这3种编程语言。布尔运算、字传送指令和浮点运算指令的执行速度分别为0.08μs／指令、1.7μs／指令和2.3μs／指令。

（2）S7-1200工作存储器最大150KB、装载存储器最大4KB、保持性存储器10KB。CPU 1211C和CPU 1212C的位存储器（M）为4096B，其他CPU为8192B。可以选用SIMATIC存储卡扩展存储容量，还可以用存储卡传输程序到其他CPU。

（3）过程映像输入、过程映像输出各1024B。集成的数字量输入电路的输入类型为漏型／源型，电压额定值为DC24V，输入电流为4mA。1状态允许的最小电压／电流为DC 15V/2.5mA，0状态允许的最大电压／电流为DC 5V/1mA。输入延迟时间可以组态为0.1μs～20ms，有脉冲捕获功能。在过程输入信号的上升沿或下降沿可以产生快速响应硬件中断。

继电器输出的电压范围为DC 5-30V或AC 5-250V。最大电流为2A，阻性负载为DC 30W或AC 200W。DC/DC/DC型CPU的MOSFET场效应管的1状态最小输出电压为DC 20V，0状态最大输出为DC 0.1V，输出电流为0.5A。最大阻性负载为5W。

脉冲输出最多4路，CPU 1217支持最高1MHz的脉冲输出，其他型本机最高100kHz，通过信号板可输出200kHz的脉冲。

（4）有2点集成的模拟量输入（0～10V），10位分辨率，输入电阻不小于100kΩ。

（5）集成的DC 24V电源可供传感器和编码器使用，也可作输入回路的电源。

（6）CPU 1215C和CPU 1217C有两个带隔离的PROFINET以太网端口，其他CPU只有1个，传输速率为10M/100Mb/s。

（7）实时时钟的保存时间通常为20天，40℃时最少可达12天，最大误差为±60s／月。

2. CPU的技术规范

S7-1200现有5种型号的CPU模块，此外还有故障安全型CPU。CPU可以扩展1块信号板、3块通信模块（如表2-1所示）。

CPU模块有集成的输入／输出状态LED指示灯、3个运行状态指示灯。每种CPU有3种不同电源电压和输入、输出电压的版本，如表2-2所示。

3. CPU的外部接线图

CPU 1214C AC/DC/Rly型的外部接线图如图2-5所示。输入回路一般使用图中标有①的CPU内置的DC 24V传感器电源，漏型输入时需要去除图中标有②的外接DC电源，将输入回路的1M端子与DC 24V传感器电源的M端子连接起来，将内置的DC 24V电源的L+端子接到外部触点的公共端。源型输入时将DC 24V传感器电源的L+端子连接到1M端子，将内置的DC 24V电源的M端子接到外部触点的公共端。

CPU 1214C DC/DC/Rly型的接线图与图2-5所示的接线图的区别就在于供电电压。CPU 1214C AC/DC/Rly型供电电压为AC 220V，CPU 1214C DC/DC/Rly型供电电压为DC 24V。

CPU 1214C AC/DC/DC型的接线图如图2-6所示，其电源电压、输入回路、输出回路电压均为DC 24V。输入回路使用外接DC 24V电源，也可以使用内置的DC 24V电源。

4. CPU集成的工艺功能

S7-1200集成的工艺功能包括高速计数与频率测量、高速脉冲输出、PWM控制、运动控制和PID控制。

1）高速计数器

最多可组态6个使用CPU内置或信号板输入的高速计数器，CPU 1217C有4点最高频率为1MHz的高速计数器。其他CPU可组态的最高频率为100kHz（单项）/80kHz（互差90°的正交相位）或最高频率为30kHz（单项）/20kHz（互差90°的正交相位）的高速计数器（与输入点地址有关）。如果使用信号板，最高计数频率为200kHz（单项）/160kHz（互差90°的正交相位）。

2）高速输出

各种型号的CPU最多有4点高速脉冲输出（包括信号板的DQ输出）。CPU 1217C的高速脉冲输出最高频率为1MHz，其他CPU为100kHz，信号板为200kHz。

3）运动控制

S7-1200的高速输出可用于步进电机或伺服电机的速度和位置控制。通过一个轴工艺对象和PLCopen运动控制指令，可以输出脉冲信号控制步进电机的速度、阀位置或加热元件的占空比。除了返回原点和点动功能以外，还支持绝对位置控制、相对位置控制和速度控制。轴工艺对象有专用的组态窗口、调试窗口和诊断窗口。

4）用于闭环控制的PID功能

PID功能用于对闭环过程进行控制，建议PID控制回路的个数不要超过16个。STEP 7中的PID调试窗口提供用于参数调节的形象直观的曲线图，还支持PID参数自整定功能，可以自动计算PID参数的最佳调节值。

2.3.3　信号板与信号模块

各种CPU的正面都可以增加一块信号板。在CPU的右侧可连接信号模块，以扩展信号输入、输出的点数。CPU 1211C不能扩展信号模块，CPU 1212C只能扩展连接2个信号模块，其他CPU可以连接8个信号模块。所有S7-1200 CPU都可以在其左侧安装不超过3个通信模块。

1. 信号板

S7-1200所有的CPU模块的正面都可以安装一块信号板，并且不会增加安装的空间。有时添加一块信号板，就可以增加所需的功能。例如，数字量输出信号板使继电器输出的CPU具有高速输出的功能。

安装时首先去下端子盖板，然后将信号板直接插入S7-1200 CPU正面的槽内。信号板有可拆卸的端子，因此可以很容易地更换信号板。有下列信号板和电池板。

• □　SB 1221数字量输出信号板：4点输入的最高计数频率为200kHz。数字量输入、输出信号板的额定电压有DC 24V和DC 5V两种。
• □　SB 1222数字量输入信号板：4点固态MOSFET输出的最高计数频率为200kHz。
• □　SB 1223数字量输入／输出信号板：2点输入和2点输出的最高计数频率200kHz。
• □　SB 1231热电偶信号板和RTD（热电阻）信号板：它们可选择多种量程的传感器，分辨率为0.1℃，15位+符号位。
• □　SB 1231模拟量输入信号板：有一路12位的输入，可测量电压和电流。
• □　SB 1232模拟量输出信号板：一路输出，可输出分辨率为12位的电压和11位的电流。
• □　CB 1241 RS485信号板，提供一个RS-485接口。
• □　BB 1297电池板，适用于实时时钟的长期备份。

2. 数字量输入／输出模块

数字量输入／输出（DI/DQ）模块和模拟量输入／输出（AI/AQ）模块统称为信号模块。可选用8点、16点和32点的输入／输出模块（如表2-3所示），来满足不同的控制要求。8点继电器输出（双态）的DQ模块的每一点，可以通过有公共端子的一个常闭触点和一个常开触点，在输出0和1时，分别控制两个负载。

所有的模块都能方便地安装在标准的35mmDIN导轨上。所有的硬件都配备了可拆卸的端子板，不用重新接线，就能迅速地更换组件。

3. 模拟量输入／输出模块

在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、液位等）是模拟量，某些执行机构（如电动执行器和变频器等）要求PLC输出模拟量信号来控制，而PLC的CPU只能处理数字量信号。PLC接受的模拟量信号常是传感器和变送器输出的电压或电流信号，如4～20mA、0～10V，PLC用模拟量输入模块的A/D转换将其转换为数字量。模拟量输出模块的D/A将PLC中的数字量转换为模拟量的电压或电流信号，再去控制执行机构。模拟量输入／输出模块的主要任务就是实现A/D、D/A转换。

A/D、D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率就越高。模拟量输入／输出模块的另一个重要指标是转换时间。

1）SM 1231模拟量输入模块

有4路、8路的13位模块和4路16位模块。模拟量输入可选±10V、±5V和0～20mA、4～20mA等多种量程。电压输入的输入电阻不小于9MΩ，电流输入的输入电阻为280Ω。双极性模拟量满量程转换后对应的数字为−27648～27648，单极性模拟量为0～27648。

2）SM 1231热电偶和热电阻模拟量输入模块

有4路、8路的热电偶（TC）模块和有4路、8路的热电阻（RTD）模块。可选多种量程的传感器，分辨率为0.1℃，15位+符号位。

3）SM 1232模拟量输出模块

有2路、4路的模拟量输出模块，±10V电压输出为14位，最小负载阻抗1kΩ。0～20mA或4～20mA电流输出为13位，最大负载阻抗600Ω，−27648～27648对应满量程电压，0～27648对应满量程电流。

电压输出负载为电阻时转换时间为300μs，负载为1μF电容时转换时间为750μs。

电流输出负载为1mH电感时转换时间为600μs，负载为10mH电感时为2ms。

4）SM1234 4路模拟量输入/2路模拟量输出模块

SM1234模块的模拟量输入和模拟量输出通道的性能指标分别于SM 1231 AI4×13bit模块和SM 1232 AQ2×14bit模块的相同，相当于两种模块的组合。

5）集成的通信接口与通信模块

S7-1200具有非常强大的通信功能，能提供的通信选项有I-Device（智能设备）、PROFINET、PROFIBUS、远距离控制通信、点对点（PtP）通信、USS通信、Modbus RTU、As-i和输入／输出Link MASTER。

2.3.4　集成的PROFINET接口

S7-1200 CPU具有一个集成的PROFINET接口，支持以太网和基于TCP/IP的通信标准。S7-1200 CPU支持以下应用协议：

• □　传输控制协议（TCP）。
• □　ISO on TCP（RFC 1006）。

S7-1200 CPU可以使用TCP通信协议与其他S7-1200 CPU、STEP 7 Basic编程设备、HMI设备和非西门子设备通信。有两种使用PROFINET通信的方法。

• □　直接连接：在使用连接到单个CPU的编程设备、HMI或另一个CPU时采用直接通信。
• □　网络连接：在连接两个以上的设备（如CPU、HMI、编程设备和非西门子设备）时采用网络通信。

编程设备或HMI与CPU之间的直接连接不需要以太网交换机。含有两个以上的CPU或HMI设备的网络需要以太网交换机。安装在机架上的西门子CSM 1277 4端口以太网交换机可用于连接CPU和HMI设备。S7-1200 CPU上的PROFINET端口不包含以太网交换设备。

CPU上的PROFINET端口支持以下并发通信连接：

• □　3个用于HMI与CP通信的连接。
• □　1个用于编程设备（PG）与CPU通信的连接。
• □　8个使用传输块（T-block）指令（TSEND_C、TRCV_C、TCON、TDISCON、TSEN、TRCV）实现S7-1200程序通信的连接。
• □　3个用于被动S7-1200 CPU与主动S7 CPU通信的连接。

主动S7 CPU使用GET和PUT指令（S7-300和S7-400）或ETHx_XFER指令（S7-200）。主动S7-1200通信连接只能使用传输块（T-block）指令。

如果使用TCON指令设置并建立被动通信连接，则下列接口地址将受到限制，不应该使用：

• □　ISOTSAP（被动）：01.00、01.01、02.00、02.01、03.00、03.01
• □　TCP接口（被动）：5001、102、123、20、21、25、34962、34963、34964、80

1. PROFIBUS通信与通信模块

PROFIBUS总线是目前国际上通用的现场总线标准之一，S7-1200 CPU固件版本V2.0以上，组态软件STEP 7版本V11.0以上，支持PROFIBUS-DP通信。

通过使用PROFIBUS-DP主站模块CM 1243-5，S7-1200可以和其他CPU、编程设备、人机界面和PROFIBUS-DP从站设备（如ET 200和SINAMICS驱动设备）通信，CM 1243-5可以做S7通信的客户机或服务器，如图2-7和图2-8所示。

通过使用PROFIBUS-DP从站模块CM 1243-5，S7-1200可以作为一个智能DP从站设备与PROFIBUS-DP主站设备通信。

2. 点对点（PtP）通信与通信模块

通过点对点通信，S7-1200可以直接发送信息到外部设备，如打印机；从其他设备接受信息，如条形码阅读器、射频识别读写器和视觉系统；可以与GPRS装置、无线电调制解调器以及其他类型的设备交换信息。

CM 1241是点对点高速串口通信模块，可执行的协议有ASCII、USS驱动协议、Modbus RTU主站协议和从站协议，可以装载其他协议。3种模块分别有RS-232、RS-485和RS-422/485通信接口。

通过CM 1241 RS485通信模块或者CB 1241 RS485通信板，可以支持Modbus RTU协议和USS协议的设备进行通信。S7-1200可以作为Modbus主站或从站。

3. AS-i通信与通信模块

AS-i是执行器传感器接口的缩写，它是用于现场自动化设备的双向数据通信网络，位于工厂自动化网络的最底层。AS-i已被列入IEC 62026标准。

AS-i是单主站主从式网络，支持总线供电，即两根电缆同时作信号线和电源线。

S7-1200的AS-i主站模块为CB 1243-2，其主站协议版本为V3.0，可配置31个标准开关量／模拟量从站或62个A/B类开关量／模拟量从站。

4. 远程控制通信与通信模块

通过使用GPRS通信处理器CP 1242-7，S7-1200 CPU可以与下列设备进行无线通信：中央控制站、其他远程站、移动设备（GSM短消息）、编程设备（远程服务）和使用开放式用户通信（UDP）的其他通信设备。通过GPRS可以实现简单的远程监控。

5. IO-Link通信与通信模块

IO-Link是IEC 61131-9中定义的用于传感器／执行器领域的点对点通信接口，使用非屏蔽的3线制标准电缆。IO-Link主站模块SM 1278用于连接S7-1200 CPU和IO-Link设备，它有4个IO-Link接口，同时具有信号模块功能和通信模块功能。