1.1 S7-1500 PLC
1.1.1 概述
目前市场上主流的PLC产品为西门子S7系列PLC,包括S7-200SMART PLC、S7-1200 PLC、S7-300 PLC、S7-400 PLC、S7-1500 PLC等,具有体积小、速度快、标准化等特点,借助优秀的网络通信能力和OPC UA标准可以构成复杂多变的控制系统。图1-1为典型的自动化系统,系统的核心是S7-1500 PLC,通过在现场层、控制层和管理层分别部署S7-1500 PLC的硬件产品和博途(TIA)软件,实现管理控制一体化。
S7-1500 PLC与共用一个博途软件的S7-1200 PLC相比(见图1-2),其复杂性、系统性更高。S7-1500 PLC是高级可编程控制器;S7-1200 PLC是基本可编程控制器。
S7-1500 PLC的特点主要体现在高性能、开放性、高效的工程组态、集成运动控制功能、可靠诊断和创新型设计等方面。
图1-1 典型的自动化系统
图1-2 S7-1500 PLC与S7-1200 PLC比较
1.高性能
S7-1500 PLC的高性能体现在以下几个方面:
(1)CPU最快的位指令运行速度达1ns;
(2)采用百兆级背板总线确保极端的响应时间;
(3)强大的通信能力,CPU本体支持最多3个以太网接口;
(4)支持最快125μs的PROFINET数据刷新时间。
2.开放性
S7-1500 PLC的开放性体现在:集成标准化的OPC UA通信协议;连接控制层和IT层;可实现与上位SCADA、MES、ERP或云端的安全高效通信;通过PLC SIM Adv可将虚拟PLC的数据与仿真软件对接;通过虚拟调试可提前预知错误,缩短现场调试时间。
3.高效的工程组态
S7-1500 PLC高效的工程组态体现在:统一编程调试平台,程序通用,拓展性强;支持IEC 61131-3编程语言(LAD、FBD、STL、SCL和Graph);借助ODK可直接运行高级语言算法(C/C++)。
4.集成运动控制功能
S7-1500 PLC的集成运动控制功能体现在:可直接对速度控制轴、凸轮传动等从简单到复杂的运动控制任务进行编程;可借助I/O模块实现各种PTO等轴控制工艺功能;可进一步扩充产品线,支持绝对同步、凸轮控制等高端运动控制功能。
5.可靠诊断
S7-1500 PLC的可靠诊断体现在:借助1∶1 LED通道分配,可在现场快速定位错误;发生故障时,无需编程就可通过编程软件、触摸屏、Web Server等途径快速实现通道级诊断;使用标准化的ProDiag功能,可高效分析过程错误,甚至在触摸屏中直接查看出现错误的程序段,大大缩短调试与生产停机时间。
6.创新型设计
S7-1500 PLC的创新型设计体现在:CPU自带面板支持诊断、初始调试和维护,可以直接查看变量状态、IP地址分配、备份、趋势图,读取程序循环时间,支持自定义页面和多语言等功能;包含智能多功能型I/O模块,优化了产品线,方便用户选型与备品、备件的替换。
1.1.2 标准型和紧凑型CPU的技术指标
S7-1500 PLC是一种模块化的控制系统,采用模块化与无风扇设计,很容易实现分布式结构,主要应用在纺织机械、包装机器、通用机械、机床、汽车工程、水处理、食品饮料等行业中。S7-1500 PLC主要由电源模块、中央处理器(CPU)、导轨、信号模块、通信模块和工艺模式等部件组成。图1-3为S7-1500 PLC中标准型CPU(CPU1511-1 PN)的安装示意图。表1-1为标准型和紧凑型CPU的技术指标。
图1-3 S7-1500 PLC中标准型CPU(CPU1511-1 PN)的安装示意图
表1-1 标准型和紧凑型CPU的技术指标
1.1.3 标准型CPU1511-1 PN的硬件属性
图1-4为标准型CPU1511-1 PN的正面板标识,包括LED指示灯、CPU显示屏和按键等,与系统电源、I/O模块和带有集成DIN导轨的安装导轨组成的PLC实物图如图1-5所示。
图1-4 标准型CPU1511-1 PN的正面板标识
①系统电源;②CPU;③I/O模块;④带有集成DIN导轨的安装导轨。
图1-5 PLC实物图
本书的大部分实例均是以标准型CPU1511-1 PN为基础进行讲解的。图1-6为配置CPU1511-1 PN的S7-1500 PLC、ET 200MP及触摸屏共同组成的自动化工程组态。
图1-6 配置CPU1511-1 PN的S7-1500 PLC、ET 200MP及触摸屏共同组成的自动化工程组态
1.1.4 电源选型
S7-1500 PLC通过负载电源(PM)进行供电,为背板总线供电的系统电源(PS)集成在CPU中。在进行电源选型时,首先根据自动化工程规模确定所需的自动化系统电源;其次根据具体系统组态,最多可选用两个附加系统电源模块,对集成的系统电源进行扩展。如果需要实施的工程项目具有较高的电力要求(如I/O负载组),则可额外连接负载电源。表1-2为S7-1500 PLC的两种电源选型。
表1-2 S7-1500 PLC的两种电源选型
1.1.5 I/O模块
1.概述
S7-1500 PLC支持各种品种I/O模块。表1-3为S7-1500 PLC选配的I/O模块,包括高速型(HS)、高性能型(HF)、标准型(ST)、基本型(BA)等四种类型。
表1-3 S7-1500 PLC选配的I/O模块
根据工程项目的复杂程度及具体的技术和功能需求,可根据如图1-7所示的方法灵活选择I/O模块的类型。
2.前连接器和屏蔽触点
前连接器用于连接I/O模块。对于支持EMC标准信号的I/O模块(如模拟量模块和工艺模块),在连接前连接器时还需要一个屏蔽触点。使用螺钉型端子和直插式端子连接时,前连接器可连接35mm的I/O模块;使用直插式端子连接时,前连接器可连接25mm的I/O模块。25mm I/O模块的前连接器是模块自带的,通过一个直插式供电元器件,即可为模拟量模块提供24V的直流电压。屏蔽触点包括屏蔽支架和屏蔽端子。屏蔽支架与屏蔽端子一起使用时,可在最短的安装时间内实现模块层级屏蔽线的低阻抗连接,且安装时无需使用工具。图1-8为前连接器和屏蔽触点的型号与外观。
图1-7 I/O模块类型的选择
①带螺钉型端子的35mm前连接器;②带直插式端子的35mm前连接器;③带直插式端子的25mm前连接器;④前连接器;⑤屏蔽支架;⑥屏蔽端子。
图1-8 前连接器和屏蔽触点的型号与外观
不带屏蔽触点前连接器的连接(见图1-9)步骤如下:
(1)断电后,将电缆束上附带的电缆固定夹(电缆扎带)放置在前连接器上[图1-9(a)]。
(2)向上旋转已连接I/O模块的前盖直至锁定[见图1-9(b)]。
(3)将前连接器接入预接线位置,即首先将前连接器挂到I/O模块底部,然后将其向上旋转直至锁定[见图1-9(c)]。
(4)在此位置,前连接器仍然从I/O模块中凸出[见图1-9(d)],前连接器和I/O模块尚未进行电气连接,方便通过预接线的位置轻松地对前连接器进行接线。
(5)将前连接器直接接入最终位置,使用固定夹将电缆束环绕,拉动固定夹将电缆束拉紧。
图1-9 不带屏蔽触点前连接器的连接
在连接带屏蔽触点的前连接器时,需要卸下前连接器下半部分的连接分离器,并插入电源部件,从下方将屏蔽支架插入前连接器的导向槽,直至锁定到位;将电缆束的附带固定夹(电缆扎带)置于前连接器,如图1-10所示。
图1-11为电源部件,端子41/42和43/44彼此电气连接。如果将电源连接到41(L+)和44(M)端,则通过42(L+)和43(M)端子可以为下一个模块供电。
使用固定夹(电缆扎带)将电缆束环绕,拉动固定夹将电缆束拉紧,再从下方将屏蔽线夹插入屏蔽支架,以连接电缆套管,如图1-12所示。
图1-10 带屏蔽触点前连接器的连接
图1-11 电源部件
3.数字量输入DI 32×24VDC BA模块
图1-13为数字量输入DI 32×24VDC BA模块(编号为6ES7521-1BL10-0AA0,该编号为订货号,下文中的编号含义相同)的外观。
图1-12 拉紧电缆束后,将屏蔽线夹插入屏蔽支架
图1-13 数字量输入DI 32×24VDC BA模块的外观
DI 32×24VDC BA模块具有下列技术特性:
(1)32点数字量输入,漏型输入,并按每组16个进行电气隔离。
(2)额定输入电压为直流24V:信号“0”为-30~+5V,信号“1”为+11~+30V。输入电流信号“1”的典型值为2.7mA。
(3)适用于2/3/4线制接近开关,允许的最大静态电流(以2线制传感器为例)为1.5mA。
(4)当输入电压额定值时,从“0”到“1”和从“1”到“0”的输入延时都为3~4ms。
(5)与数字量输入DI 16×24VDC BA(6ES7521-1BH10-0AA0)模块兼容。
图1-14为DI 32×24VDC BA模块的接线与通道分配。
图1-14 DI 32×24VDC BA模块的接线与通道分配
图1-15为DI 32×24VDC BA模块的LED指示灯。DI 32×24VDC BA模块除了有CH0~CH31通道的通/断LED指示灯,还有RUN状态LED指示灯(绿色)和ERROR错误LED指示灯(红色)。RUN状态LED指示灯和ERROR错误LED指示灯的含义和解决方法见表1-4。
表1-4 RUN状态LED指示灯和ERROR错误LED指示灯的含义和解决方法
4.数字量输出DQ 32×24VDC/0.5A HF模块
数字量输出DQ 32×24VDC/0.5A HF模块(6ES7522-1BL01-0AB0)具有下列技术特性:
(1)输出32个数字量,且按每组8个进行电气隔离。
(2)额定输出电压为直流24V,每个通道的额定输出电流为0.5A。
(3)可组态替代值(按通道)、可组态诊断(按通道)。
(4)适用于电磁阀、直流接触器、指示灯及执行器的开关循环计数器。
(5)与DQ 16×24VDC/0.5A ST(6ES7522-1BH00-0AB0)、DQ 16×24VDC/0.5A HF(6ES7522-1BH01-0AB0)、DQ 32×24VDC/0.5A ST(6ES7522-1BL00-0AB0)等数字量输出模块兼容。
图1-16为DQ 32×24VDC/0.5A HF模块的接线与通道分配。
图1-15 DI 32×24VDC BA模块的LED指示灯
当4个负载组连接到非隔离的相同电位上时,可以使用前连接器随附的电位跳线连接,并确保每个电位跳线上的最大电流不超过8A。电位跳线操作步骤示意图如图1-17所示。
(1)将24V直流电源连接到端子19和20上。
(2)在9和29(L+)、10和30(M)、19和39(L+)、20和40(M)端子之间插入电位跳线。
(3)在端子29和39之间、30和40之间插入电位跳线。
(4)使用端子9和10为下一个模块供电。
图1-18为DQ 32×24VDC/0.5A HF模块的LED指示灯。RUN和ERROR的LED指示灯含义和解决方法见表1-5。PWR1/PWR2/PWR3/PWR4的LED指示灯含义和解决方法见表1-6。MAINT状态指示灯亮时,表示维护中断“限值警告”挂起。
表1-5 RUN和ERROR的LED指示灯含义和解决方法
图1-16 DQ 32×24VDC/0.5A HF模块的接线与通道分配
图1-17 电位跳线操作步骤示意图
图1-18 DQ 32×24VDC/0.5A HF模块的LED指示灯
表1-6 PWR1/PWR2/PWR3/PWR4的LED指示灯含义和解决方法
5.模拟量输入AI 8×U/I/RTD/TC ST模块
模拟量输入AI 8×U/I/RTD/TC ST模块(6ES7531-7KF00-0AB0)具有下列技术特性:
(1)8个模拟量输入端,按照通道设置电压的测量类型、电流的测量类型、4通道电阻的测量类型、4通道热电阻(RTD)的测量类型、热电偶(TC)的测量类型。
(2)能读取16位精度(包括符号)。
(3)可组态诊断(每个通道)。
(4)可按通道设置超限时的硬件中断(每个通道设置两个下限和两个上限)。
AI 8×U/I/RTD/TC ST模块可连接多种类型的传感器;不需要量程卡进行内部跳线;使用不同序号的端子连接不同类型的传感器;在博途软件中进行配置。该模块的优势是没有通道组的概念,相邻通道之间连接传感器的类型没有限制。例如,第一个通道连接电压信号,第二个通道可以连接电流信号。
图1-19为AI 8×U/I/RTD/TC ST模块用于电压测量的引脚分配。图中,将电源部件插入前连接器为模块供电,即通过端子41(L+)和44(M)供电,通过端子42(L+)和43(M)为下一个模块供电。
图1-19 AI 8×U/I/RTD/TC ST模块用于电压测量的引脚分配
图1-20为AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的2线制变送器电流测量示意图,共有8个通道。
图1-20 AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的2线制变送器电流测量示意图
图1-21为AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的RTD测量示意图,共有3种接线方式,分别对应2线制连接、3线制连接、4线制连接。图1-22为AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的接地型热电偶测量示意图。
AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的连接总结如下:
(1)连接电压类型传感器时,使用通道4个端子中的第3、第4端子连接。
(2)连接4线制电流信号时,仪表的电源与信号线分开,使用通道4个端子中的第2、第4端子连接。
(3)连接2线制电流信号时,仪表的电源与信号线共用,使用通道4个端子中的第1、第2端子连接。
图1-21 AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的RTD测量示意图
(4)连接热电阻信号时,使用1、3、5、7通道4个端子中的第3、第4端子向传感器提供恒流源信号IC+和IC-,在热电阻上产生电压信号,使用相应0、2、4、6通道4个端子中的第3、第4端子作为测量端。测量2线制、3线制、4线制热电阻信号的原理相同,都需要占用两个通道。考虑到导线电阻对测量阻值的影响,使用4线制连接和3线制连接可以补偿测量电缆中由于电阻而引起的偏差,使测量结果更精确。
(5)连接热电偶时,使用通道4个端子中的第3、第4端子连接。热电偶由传感器及安装和连接所需部件组成。热电偶的两根导线可以使用不同金属或金属合金,根据材料的成分可以分为几种热电偶,例如K型、J型和N型热电偶。不管类型如何,所有热电偶的测量原理都相同。
图1-22 AI 8×U/I/RTD/TC ST模块的接地型热电偶测量示意图
6.模拟量输出AQ 8×U/I HS模块
模拟量输出AQ 8×U/I HS(6ES7532-5HF00-0AB0)模块具有下列技术特性:
(1)基于通道有8个模拟量输出可供选择,可以选择电流输出的通道、电压输出的通道。
(2)精度为16位(包含符号)。
(3)可组态诊断(每个通道)。
(4)可快速更新输出值。
图1-23为AQ 8×U/I HS模块的电压输出接线示意图,可以采用2线制连接,也可以采用4线制连接。
图1-23 AQ 8×U/I HS模块的电压输出接线示意图
图1-24为AQ 8×U/I HS模块的电流输出接线示意图。
AQ 8×U/I HS模块的接线总结如下:
(1)连接2线制电压负载时,使用通道4个端子中的第1、第4端子连接负载,第1和第2端子需要短接,第3和第4端子需要短接。
(2)连接4线制电压负载时,使用通道4个端子中的第1、第4端子连接负载,第2和第3端子同样需要连接负载。连接负载的电缆会产生分压作用,加在负载两端的电压可能不准确。使用通道中的S+、S-端子连接相同的电缆到负载侧,测量电缆实际的阻值,并在输出端加以补偿,可保证输出的准确性。
(3)连接电流负载时,使用通道4个端子中的第1和第4端子连接。
图1-24 AQ 8×U/I HS模块的电流输出接线示意图