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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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1-15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。

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。

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。

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1-20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1-21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。

（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。

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1-24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。