第2章
西门子S7-1500 PLC的硬件
2.1 CPU模块
2.1.1 CPU模块的特点
SIMATIC S7-1500 PLC是一种模块化的控制器，具有不同等级性能的CPU，并配有功能众多、种类齐全的模块，能够在故障安全要求比较高的应用中使用故障安全型CPU。模块化设计可以方便用户使用更多的模块对控制器进行扩充，以形成强大的控制系统。其表现出的工业适应性和技术特点如下。
（1）提供了丰富的通信功能。CPU模块集成PROFINET接口可用于编程、HMI通信及与PLC之间的通信，具有开放的以太网协议，支持第三方设备的通信，例如CPU 1516-3 PN/DP具有三个接口：两个接口用于PROFINET通信；一个接口用于PROFIBUS通信。
（2）具有便于操作的显示屏。SIMATIC S7-1500 PLC的所有CPU均配有纯文本信息显示屏，可显示所有相连接模块的订货号、固件版本和序列号等信息，可直接修改IP地址和其他网络参数，无须使用编程设备。
（3）集成Web服务器，通过Web服务器可访问相关文件信息。
（4）具有灵活的硬件扩展能力。CPU模块最多可以连接8个模块，最多支持3个CP或CM通信处理器和通信模块，支持分布式I/O系统。
（5）具有强大的集成工艺功能。
（6）具有跟踪功能，通过跟踪功能，可对程序进行故障诊断和优化。
（7）具有强大的集成系统诊断功能。系统诊断报警由系统自动生成，并显示在PG/PC、触摸屏设备、Web服务器或集成的显示屏上。CPU模块处于STOP模式时，也会报告系统诊断信息。
（8）具有强大的集成信息安全功能，如专有技术保护、防拷贝保护、访问保护、完整性保护等。
2.1.2 CPU模块的分类
SIMATIC S7-1500 PLC具有不同等级性能的CPU模块，主要型号为CPU 1511～CPU 1518。其性能按照型号由低到高逐渐增强。性能指标根据CPU模块的内存空间、计算速度、通信资源和编程资源等有所区别。常用S7-1500 PLC的CPU模块主要分为紧凑型、标准型、故障安全型、工艺型等。
1. 紧凑型
SIMATIC S7-1500 PLC有两款紧凑型CPU模块，即CPU 1511C-1 PN和CPU 1512C-1 PN，如图2.1所示。紧凑型CPU模块集成了模拟量和数字量I/O及大量的工艺功能，具有以下特点：集成自带交换机功能的PROFINET端口，可以作为IO控制器带高达128个IO设备；支持IDevice、IRT、MRP、PROFIenergy、Option handing等功能；支持开放式以太网通信（TCP/IP、 UDP、ISO-on-TCP）；集成Web服务器；集成Trace、 运动控制、闭环控制等功能。紧凑型CPU模块的技术参数见表2.1。
图2.1 紧凑型CPU模块的实物外形
表2.1 紧凑型CPU模块的技术参数
2. 标准型
SIMATIC S7-1500 PLC标准型CPU模块的主要型号有CPU 1511-1 PN、CPU 1513-1 PN、CPU 1515-2 PN、CPU 1516-3 PN/DP、CPU 1517-3 PN/DP和CPU 1518-4 PN/DP（ODK/MFP）等，如图2.2所示。标准型CPU模块的技术参数1见表2.2。标准型CPU模块的技术参数2见表2.3。
图2.2 标准型CPU模块的实物外形
表2.2 标准型CPU模块的技术参数1
表2.3 标准型CPU模块的技术参数2
3. 故障安全型
故障安全型CPU模块在设备发生故障时能够确保控制系统切换到安全模式，可对用户程序编码进行可靠性校验。故障安全控制系统，除要求CPU模块具有故障安全功能外，还要求输入、输出模块及PROFIBUS/PROFINET通信模块都具有故障安全功能。
S7-1500 PLC常用的故障安全型CPU模块（F系统控制器）主要有CPU 1511F-1 PN、CPU 1513F-1 PN、CPU 1515F-2 PN、CPU 1516F-3 PN/DP、CPU 1517F-3 PN/DP和CPU 1518F-4 PN/DP（ODK\MFP）等，实物外形如图2.3所示。
图2.3 故障安全型CPU模块的实物外形
4. 工艺型
S7-1500 PLC工艺型CPU模块无缝扩展了中高级PLC的产品线，在标准型/故障安全型CPU模块的基础上，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，可选择不同等级的工艺型CPU模块。目前常用的类型主要有CPU 1511T-1 PN、CPU 1511TF-1 PN、CPU 1515T-2 PN、CPU 1515TF-1 PN、CPU 1517T-3 PN/DP、CPU 1517TF-3 PN/DP等，实物外形如图2.4所示。
图2.4 工艺型CPU模块的实物外形
2.1.3 CPU 1516F-3 PN/DP模块
1. 操作显示屏
CPU 1516F-3 PN/DP模块集成一个由显示屏和操作控制键构成的操作显示屏，可以显示不同菜单中的控制信息或状态信息，可以进行多种不同的设置及菜单之间的切换。操作显示屏面板如图2.5所示。
图2.5 操作显示屏面板
（1）指示当前操作模式和诊断状态的LED指示灯
CPU 1516F-3 PN/DP模块操作显示屏面板上配有三个LED指示灯，分别为停止/运行（RUN/STOP）指示灯（双色LED：绿/黄）、故障（ERROR）指示灯（单色LED：红）和维护（MAINT）指示灯（单色LED：黄），用于指示当前的操作模式和诊断状态。表2.4列出了RUN/STOP、ERROR和MAINT LED指示灯各种颜色组合的含义。
表2.4 RUN/STOP、ERROR和MAINT LED指示灯各种颜色组合的含义
（2）显示屏
CPU 1516F-3 PN/DP模块有两种操作显示屏，如图2.6所示：3.4英寸显示屏和1.36英寸显示屏。
图2.6 两种操作显示屏
图中，①状态信息显示区，状态信息见表2.5；②主菜单，其含义见表2.6，进入菜单后，可以对各个选项进行查看和设置，选项上带有指示图标，图标含义见表2.7；③数据显示域；④导航帮助，例如确定/退出或页码；⑤控制键。
表2.5 状态信息
表2.6 主菜单含义
表2.7 图标含义
（3）操作控制键
在如图2.6所示的操作显示屏上有4个方向的箭头按钮，分别为上、下、左、右，用于选择菜单和设置，如果按住一个箭头按钮2s，将生成一个自动滚动功能。OK键和ESC键用于确认和退出。
提示：显示屏处于省电模式或待机模式时，可通过按任何键退出，按住ESC键3s，可跳到主页面。
【实例2.1】通过显示屏分配IP地址和子网掩码。
【操作步骤】
（1）浏览“设置”（Settings）选项。
（2）选择“地址”（Addresses）选项。
（3）选择接口“X1（IE/PN）”选项。
（4）选择菜单项“IP地址”（IP Addresses）选项。
（5）设置IP地址192.168.0.10。
（6）按“右”箭头键。
（7）设置子网掩码255.255.255.0。
（8）按“下”箭头键选择菜单项“应用”（Apply），单击“确定”（OK）按钮确认设置。
至此，接口“X1（IE/PN）”的IP地址和子网掩码设置完成。
2. 操作模式
（1）使用模式选择开关切换CPU的运行状态
通过CPU模式选择开关可选择RUN、STOP和MRES三种运行状态，如图2.7所示。模式选择开关的含义和说明见表2.8。
图2.7 模式选择开关
表2.8 模式选择开关的含义和说明
提示：使用模式选择开关选择存储器复位时应按照下列步骤操作：
①将模式选择开关扳到STOP位置，RUN/STOP的LED指示灯点亮，为黄色。
②将模式选择开关扳到MRES位置，保持约3s（该位置不能保持，需要用手按住），直至RUN/STOP的LED黄色指示灯第二次点亮并保持在点亮状态（约3s），松开模式选择开关自动回到STOP位置。
③再一次将模式选择开关从STOP位置扳到MRES位置，然后重新返回到STOP模式（此动作过程在3s内完成）。至此，CPU开始执行存储器复位，在复位过程中，RUN/STOP的LED指示灯闪烁（黄色），当不闪烁时，表示CPU存储器复位结束。
（2）使用显示屏切换CPU的运行状态
通过CPU显示屏中的“设置”功能来切换RUN、STOP和MRES三种运行状态。
（3）使用博途V15软件中的CPU操作面板切换CPU的运行状态，如图2.8所示
图2.8 博途V15软件中的“CPU操作面板”
3. 不带显示屏的前面板及连接元器件
图2.9为不带显示屏CPU 1516F-3 PN/DP模块的前面板及主要连接元器件。
图2.9 不带显示屏CPU 1516F-3 PN/DP模块的前面板及主要连接元器件
4. 背面的连接元器件
图2.10为CPU 1516F-3 PN/DP模块背面的连接元器件。
图2.10 CPU 1516F-3 PN/DP模块背面的连接元器件
5. 接口端子
（1）电源连接器及接线
标准S7-1500 CPU模块的供电电源为24V直流电压。电源连接器和电源引脚分配如图2.11所示。图中，①、④是+24V直流电源电压，导线颜色为红色或橙色，导线截面积建议1.5mm2；②、③是电源电压负极，导线颜色为蓝色，导线截面积建议1.5mm2；⑤是开簧器（每个端子均有一个开簧器）。电源接线步骤：①拔出4孔连接插头（位于CPU模块的底部）；②打开开簧器，分别把红、蓝导线接入电源连接器，注意电源极性；③检查无误后，插回连接插座，如图2.12所示。如果CPU通过系统PS电源供电，则无需连接24V电源电压。
图2.11 电源连接器和电源引脚分配
图2.12 电源接线示意图
（2）PROFINET接口X1
PROFINET接口X1带双端口交换机（X1P1R和X1P2R），基于RJ45插头的以太网标准。每个端口都配有一个LINK RX/TX LED指示灯。LINK RX/TX LED指示灯的含义见表2.9。PROFINET接口X1除了具有支持HMI通信，可与组态系统、上位网络（骨干网、路由器、Internet）或其他设备或自动化单元进行数据通信等基本功能之外，还支持PROFINET IO RT（实时）和IRT（等时同步实时）功能，可组态PROFINET IO通信或实时设置。
表2.9 LINK RX/TX LED指示灯的含义
（3）PROFINET接口X2
PROFINET接口X2带1个端口（X2 P1），基于RJ45插头的以太网标准。
（4）PROFIBUS接口X3
PROFIBUS接口X3用于连接PROFIBUS网络。
2.1.4 CPU存储器
CPU存储器主要可分为内部集成的工作存储器、保持性存储器、其他存储区和装载存储器。CPU存储器的分布示意图如图2.13所示。CPU存储器的使用情况可通过博途V15软件、CPU显示屏和WEB服务器等查看。图2.14是通过博途V15软件“项目树”下的“程序信息”→“资源”选项卡来查看CPU存储器的使用情况。
图2.13 CPU存储器的分布示意图
图2.14 查看CPU存储器的使用情况
1. 工作存储器
工作存储器是易失性存储器，用于存储用户程序代码和数据块，集成在CPU中，不能扩展。在CPU中，工作存储器可划分为以下两个区域：
（1）代码工作存储器：保存与运行相关的程序代码部分（如FC、FB、OB）。
（2）数据工作存储器：保存DB数据块和工艺对象中与运行相关的部分。
2. 保持性存储器
保持性存储器是非易失性存储器，用于在发生电源故障时保存有限数量的数据。这些数据必须预先定义为具有保持功能，例如整个DB模块、DB数据块中的部分数据（优化数据块）、位存储器M区、定时器和计数器等。
3. 其他存储区
其他存储区包括位存储器、定时器和计数器、本地临时数据区及过程映像。这些存储区的大小与CPU的类型有关。
4. 装载存储器
外插SIMATIC存储卡又称装载存储器。存储卡是非易失性存储器，用于存储代码块、数据块、工艺对象和硬件配置等，当使用CPU时，必须插入存储卡。在博途V15软件中建立的项目数据，首先下载到CPU的装载存储器中，然后复制到工作存储器中运行。由于SIMATIC存储卡存储了变量的符号、注释信息及PLC数据类型等，所以需要的存储空间远大于工作存储器。
图2.15是SIMATIC存储卡。SIMATIC存储卡中的文件夹及其描述见表2.10。常用SIMATIC存储卡的技术规格见表2.11。
图2.15 SIMATIC存储卡
表2.10 SIMATIC存储卡中的文件夹及其描述
表2.11 常用SIMATIC存储卡的技术规格
【实例2.2】使用CPU显示屏格式化SIMATIC存储卡。
【操作步骤】
（1）将SIMATIC存储卡插入CPU中。
（2）在CPU显示屏上选择“设置”→“卡功能”→“格式化卡”选项。
（3）单击“确定”按钮。
至此，SIMATIC存储卡被格式化，CPU中除了IP地址之外的数据均被删除。
2.1.5 紧凑型CPU模块
S7-1500 PLC有两款紧凑型CPU模块，分别是CPU 1511C-1 PN和CPU 1512C-1 PN。
1. CPU 1511C-1 PN
CPU 1511C-1 PN模块由CPU部件、板载模拟量I/O模块和板载数字量I/O模块组成，如图2.16所示。因此，在TIA博途软件中组态时，紧凑型CPU需要占用一个共享插槽（插槽1）。
图2.16 CPU 1511C-1 PN模块实物图
（1）CPU 1511C-1 PN模块的前面板如图2.17所示。
图2.17 CPU 1511C-1 PN模块的前面板
（2）打开前盖板，CPU 1511C-1 PN模块的视图如图2.18所示。
图2.18 不带前盖板的CPU 1511C-1 PN模块视图
（3）CPU 1511C-1 PN模块背面视图如图2.19所示。
（4）指示灯如图2.20所示，RUN/ERROR LED指示灯的含义和补救措施见表2.12，CHX状态指示灯的含义和补救措施见表2.13。
图2.19 CPU 1511C-1 PN模块背面视图
图2.20 指示灯
表2.12 RUN/ERROR LED指示灯的含义和补救措施
表2.13 CHX LED指示灯的含义和补救措施
2. CPU 1511C-1 PN模块的技术指标
紧凑型CPU集成了模拟量I/O、数字量I/O及大量的工艺功能，可完美应用于各种中小型自动化系统。表2.14列出了两种紧凑型CPU的技术性能。
表2.14 两种紧凑型CPU的技术性能
（1）CPU通信接口（PROFINET接口X1）
CPU 1511C-1 PN带有一个PROFINET接口（X1），配有两个端口（P1R和P2R），不仅支持PROFINET基本功能，还支持PROFINET IO RT（实时）和IRT（等时同步实时）。用户可以在该接口上组态PROFINET IO通信或实时通信。在组态以太网中的冗余环网结构（介质冗余）时，两个端口可用作环网端口。
（2）模拟量I/O的技术性能
①CPU 1511C-1 PN有5个模拟量输入，在默认情况下通道0~3设置电压（或电流）测量方式，通道4只能设置电阻（或热电阻）测量方式。每个通道可组态诊断、可按通道设置超限时的硬件中断和支持的值状态（QI质量信息）。
输入通道的测量类型或测量范围可使用博途V15软件。表2.15列出了相应输入通道的测量类型和测量范围。
表2.15 相应输入通道的测量类型和测量范围
②CPU 1511C-1 PN有2个模拟量输出，可按通道选择不同的电压输出方式和电流输出方式。每个通道可组态诊断和支持的值状态（QI质量信息）。输出通道的测量类型或测量范围可使用博途V15软件更改。表2.16列出了输出通道的输出类型、输出范围。
表2.16 输出通道的输出类型和输出范围
（3）数字量I/O的技术性能
①CPU 1511C-1 PN有16个高速数字量快速输入，信号频率最高可达100kHz，既可用作标准输入，也可用作工艺功能的输入，额定输入电压为24VDC，适用于开关和2/3/4线制接近开关。每个通道可进行参数的组态诊断、支持不同的硬件中断和值状态（QI质量信息）。
②CPU 1511C-1 PN有16个数字量输出，既可用作标准输出，也可用作工艺功能的输出，其中的8个输出可用作工艺功能的高速输出，额定输出电压为24VDC，作为标准模式时额定输出电流为0.5A/通道，作为工艺功能时输出电流介于最大0.5A的输出电流（输出频率最大为10kHz）与最低0.1A的降额输出电流（输出频率可增大为最高100kHz）之间。每个通道可组态诊断和支持的值状态（QI质量信息），适用于电磁阀、直流接触器、指示灯、信号传输、比例阀。
3. CPU 1511C-1 PN模块的接线
（1）模拟量输入的接线
①模拟量输入电压的接线（通道CH0~CH3）如图2.21所示。
图2.21 模拟量输入电压的接线（通道CH0~CH3）
②模拟量输入电流的4线制传感器接线（通道CH0~CH3）如图2.22所示。
图2.22 模拟量输入电流的4线制传感器接线（通道CH0~CH3）
③模拟量输入电流的2线制传感器接线如图2.23所示。出于安全要求，需要对2线制传感器进行电压短路保护，可在电路中串一个熔断器对电源单元进行保护。
图2.23 模拟量输入电流的2线制传感器接线
④电阻传感器或热电阻（RTD）的4线制接线，如图2.24所示。图中，电阻测量只能接通道CH4，
为测量输入通道（仅电阻型变送器或热敏电阻RTD），
为电流输入通道（仅电流）。
⑤电阻传感器或热电阻（RTD）的3线制接线，如图2.25所示。
图2.24 4电阻传感器或热电阻（RTD）的4线制接线
图2.25 3电阻传感器热电阻（RTD）的3线制接线
⑥电阻传感器或热电阻（RTD）的2线制接线，如图2.26所示。
图2.26 电阻传感器或热电阻（RTD）的2线制接线
（2）模拟量输出的接线
CPU 1511C-1 PN有2路模拟量输出通道，输出只能是电压或电流信号，其接线也类似，模拟量电压输出接线如图2.27所示。图中QV0、QV1表示输出电压通道。
图2.27 模拟量电压输出接线
（3）数字量输入/输出的接线
CPU 1511C-1 PN模块有16路数字量输入和16路数字量输出，其接线如图2.28所示。图中，左侧是输入端子，输入端子9是公共端，输入端子19、20用于连接24V直流电压，注意直流电源的极性不能接反；右侧是输出端子，分两组输出，端子29外接24V直流电压的3L+正极，输出端子30接电压负极2M，输出端子39外接24V直流电压的3L+正极，输出端子40接电压负极3M。
图2.28 数字量输入/输出的接线