深入了解西门子S7-1200PLC控制器

（一）西门子S7-1200 PLC简介

西门子S7－1200 PLC是西门子公司的新一代小型PLC，它设计紧凑、有集成的PROFINET接口、有功能强大的指令集和灵活的可扩展性等，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务，主要面向简单而高精度的自动化任务，为各种工艺任务提供简单的通信和有效的解决方案。

西门子S7－1200 PLC，通过集成的PROFINET接口与编程设备通信、与HMI系列面板通信，以及与其他PLC通信，如图4－1－3所示。

图4-1-3　三种基本类型的PROFINET网络接线

西门子S7－1200 PLC系统有五种不同模块，分别为CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C和CPU 1217C，如表4－1－1所示。每一种模块都可以进行扩展，以满足不同系统的需要。

表4-1-1　西门子S7-1200 PLC系统五种模块的比较

续表

1.通信模块

西门子S7－1200 PLC CPU最多可以添加三个通信模块。RS－485和RS－232通信模块为点到点的串行通信提供连接，该通信的组态和编程采用扩展指令或库功能、USS驱动协议、Modbus RTU主站和从站协议，它们都包含在编程软件TIA Portal（博途）工程组态系统中。

2.集成PROFINET接口

集成PROFINET接口用于编程、HMI通信和PLC间的通信。此外，它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。该接口带有一个具有自动交叉网线功能的RJ45连接器，提供10 Mbit/s或100 Mbit/s的数据传输速率，支持以下协议：TCP/IP Native、ISOon－TCP和S7通信。该接口的最大连接数为15个，其中，3个连接用于HMI与CPU的通信；1个连接用于编程设备（PG）与CPU的通信；8个连接用于Open IE（TCP，ISO－on－TCP）的编程通信，使用T－block指令来实现，可用于西门子S7－1200 PLC之间的通信、西门子S7－1200 PLC与西门子S7－300/400 PLC之间的通信；3个连接用于S7通信的服务器端连接，可以实现与S7－200、S7－300/400的以太网S7通信。

3.高速输入

西门子S7－1200控制器带有6个高速计数器，其中3个输入为100 kHz，3个输入为30 kHz，用于计数和测量。

4.高速输出

西门子S7－1200控制器集成了2个100 kHz的高速脉冲输出，用于步进电动机或伺服驱动器的速度和位置控制（使用PLCopen运动控制指令）。这两个输出都可以输出脉宽调制信号来控制电动机速度、阀位置或加热元件的占空比。PLCopen运动控制指令是一个国际性的运动控制标准，支持绝对运动、相对运动和在线改变速度的运动，支持找原点和爬坡控制，用于步进或伺服电动机的简单启动和试运行，提供在线检测。

5.PID控制

西门子S7－1200控制器提供了16个带自动调节功能的PID控制回路，用于简单的闭环过程控制。

（二）CPU1215C

本项目采用的是西门子S7－1200 PLC CPU1215C，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务。

（1）实训台硬件采用西门子S7－1200 PLC CPU1215C，其结构如图4－1－4所示。

(www.xing528.com)

图4-1-4　CPU1215C结构

1—电源接口；2—存储卡插槽（上部保护盖下面）；3—可拆卸用户接线连接器（保护盖下面）；4—板载I/O的状态LED；5—PROFINET连接器（CPU的底部）

（2）通信方式。

①PROFINET。PROFINET通过用户程序用于以太网与其他通信伙伴交换数据，在西门子S7－1200系统中，PROFINET支持16个具有256个子模块的IO设备，Profibus允许使用3个独立的Profibus DP主站，每个DP主站支持32个从站，每个DP主站最多具有512个模块。

此外，西门子S7－1200 PLC可以利用路由器通过成熟的S7通信协议连接到多个西门子S7－1200控制器和HMI设备，将来还可以通过PROFINET接口将分布式现场设备连接到西门子S7－1200 PLC，或者将西门子S7－1200 PLC作为一个PROFINET IO设备连接到作为PROFINET IO主控制器的PLC上。它将为西门子S7－1200系统提供从现场级到控制级的统一通信，以满足当前工业自动化的通信需求。

②PROFINET IO控制器。作为采用PROFINET IO的IO控制器可与本地PN网络上或通过PN/PN耦合器（连接器）连接的最多16台PN设备通信，如图4－1－5所示。

图4-1-5　CPU1215C扩展模块

说明：

（1）目前现场总线存在的问题。

现场总线控制系统发展至今，虽然已经渗透到了工业生产的各个角落，但是不可避免地存在一些问题。西门子公司于1996年提出了全集成自动化，它把SIMATIC NET作为网络核心，在SIMATIC NET中工业以太网和Profibus是主要的成员。其中，工业以太网采用普通以太网的介质访问控制方式，符合IEEE802.3国际标准，可以提供100 M的网络带宽，可以在控制器之间提供较大数据量的通信服务。目前工业以太网已经基本替代了Profibus－FMS的功能。但是，由于工业以太网采用了CSMA/CD（载波监听/冲突检测）的控制协议，不能保证其数据传输的实时性。因此，在现场控制中的使用有较大的局限性。

Profibus采用令牌总线的控制协议，其令牌的循环时间是固定的，能够保证一定的实时性。但由于在通信过程中需要对各个站点进行轮询，如果网络中站点过多，会影响数据通信的实时性，同时由于Profibus的通信带宽较窄（不大于12 M），使Profibus的使用同样受限，Profibus国际组织在Profibus和工业以太网的基础上推出了新的网络标准——PROFINET。

（2）PROFINET。

PROFINET是由Profibus国际组织推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通信领域提供了一套完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、以太网络安全等当前自动化领域的热点。

（3）PROFINET的实时性。

为了保证通信的实时性，根据响应时间的不同，PROFINET支持以下通信方式。

①TCP/IP标准通信：PROFINET基于工业以太网技术，使用TCP/IP和IT标准。TCP/IP标准是IT领域关于通信协议方面的标准，尽管其响应时间大概在100 ms量级，不过对于工厂级控制的应用来说，这个响应时间足够了。

②实时（RT）通信：对于传感器和执行设备之间的数据交换，系统对响应时间的要求更为严格，需要5～10 ms的响应时间。目前现场总线技术可以达到这个响应时间，如Profibus－DP。对于基于TCP/IP的工业以太网技术来说，使用标准通信栈来处理过程数据报需要很长的时间。因此，PROFINET提供了一个优化的、基于以太网第二层（Layer2）的实时通信通道。通过该实时通道，极大地减少了数据在通信栈中的处理时间。因此，PROFINET获得了同等甚至超过现场总线系统的实时性能。

③等时同步实时（IRT）通信：在现场级通信中，对通信实时性要求最高的是运动控制（Motion Control）。伺服运动控制对通信网络提出了极高的要求，在100个节点以下时，其响应时间要小于1 ms，抖动误差要小于1 μs，以此来保证及时、准确的响应。PROFINET使用等时同步实时技术来满足如此苛刻的响应时间要求。为了保证高质量的等时通信，所有网络节点必须很好地实现同步，这样才能保证数据在精确相等的时间间隔内被传输，网络上所有站点必须通过精确的时钟同步以实现等时同步实时。通过规律的同步数据，其通信循环同步的精度可以达到微秒级。

（4）PROFINET的主要应用。

PROFINET主要有如下两种应用方式。

①PROFINET－IO：适合模块化分布式的应用，与Profibus－DP方式相似，在PROFIBUS－DP应用中分为主站和从站，在PROFINET－IO应用中有IO控制器和IO设备。

②PROFINET－CBA：适合分布式智能站点之间通信的应用，如CBA（Component Based Automation，基于组件的自动化）。把大的控制系统分成不同功能、分布式、智能的小控制系统，使用组件自动化（COM/COM＋＋）技术生成功能组件，利用IMAP工具软件连接各个组件组成通信。