强悍的西门子S7-1500PLC,武装起来!!

博图TIA

西门子S7-1500PLC是替代S7-300/400的新一代PLC，其软件平台为TIA博途。


1.可供用户使用的充足的资源
作为新一代大中型PLC，S7-1500比S7-300/400的各项指标有很大的提高。CPU1516-3PN编程用的块的总数最多为6000个，数据块最大5MB，FB、FC、OB最大512KB。用于程序的工作存储器5MB，用于数据的工作存储器1MB。

• 插槽式装载存储器（SIMATIC存储卡）最大2GB，可存储项目数据、归档、配方和有关的文档。
• S7定时器、计数器分别有2048个，IEC定时器、计数器的数量不受限制。位存储器（M）16KB。
• I/O模块最多8192个，过程映像分区最多32个，过程映像输入、输出分别为32KB。每个机架最多32个模块。
• 运动控制功能最多支持20个速度控制轴、定位轴和外部编码器，有高速计数和测量功能。
  

2.超高速的运算处理速度

• 位操作指令的处理时间典型值为10ns，换句话说，每一微秒可处理10万条位操作指令。浮点数运算指令的处理时间典型值为64ns。
• S7-1500采用当前最快的背板总线和高效的传输协议，保证了快速信号处理。点到点的反应时间不到500μs。
• AI、AO模块的分辨率均为16位，8点AI模块每个模块的转换时间为125μs。数字量输入模块具有50μs的超短输入延时。
• 用于计数、测量和定位输入的工艺模块TMPosInput的最高信号频率为1MHz，4倍速时为4MHz。可用RS-422接口连接脉冲编码器，支持等式模式、诊断中断和硬件中断。
• 采用PROFINETIRT通信可以保证确定的反应时间和高精度的系统响应，最短循环时间为250μs。
  

西门子公司的S7-1500是专为中高端设备和工厂自动化设计的新一代PLC。该控制器集成了运动控制、工业信息安全和故障安全功能。


1  性能大幅提升
1.1 功能强大的CPU模块
1.1.1  可供用户使用的充足的资源

• CPU 1516-3PN编程用的块的总数最多为6000个，数据块最大5 MB，FB、FC、OB最大512 KB。用于程序的工作存储器5MB，用于数据的工作存储器1MB。
• 插槽式装载存储器（SIMATIC 存储卡）最大2GB，可存储项目数据、归档、配方和有关的文档。
• S7定时器、计数器分别有2048个，IEC定时器、计数器的数量不受限制。位存储器（M）16 KB。
• I/O模块最多8192个，过程映像分区最多32个，过程映像输入、输出分别为32KB。每个机架最多32个模块。
• 运动控制功能最多支持20个速度控制轴、定位轴和外部编码器，有高速计数和测量功能。
  

1.1.2  超高速的运算处理速度

• 位操作指令的处理时间典型值为10ns，换句话说，每一微秒可处理100条位操作指令。浮点数运算指令的处理时间典型值为64ns。
• S7-1500采用当前最快的背板总线和高效的传输协议，保证了快速信号处理。点到点的反应时间不到500 μs。
• AI、AO模块的分辨率均为16位，8点AI模块每个模块的转换时间为125μs。数字量输入模块具有50 μs的超短输入延时。
• 用于计数、测量和定位输入的工艺模块TM PosInput的最高信号频率为1 MHz，4倍速时为4MHz。可用RS-422接口连接脉冲编码器，支持等式模式、诊断中断和硬件中断。
• 采用 PROFINET IRT通信可以保证确定的反应时间和高精度的系统响应，最短循环时间为250 μs。
  

1.2  CPU集成的工艺功能
1.2.1  运动控制功能
S7-1500的运动控制功能集成在CPU模块中，不需要附加的运动控制模块。用TIA Portal创建项目和组态工艺对象，用博途提供的符合PLCopen标准的运动控制指令控制工艺对象。运动控制可以使用具有PROFINET IO IRT和PROFIdrive接口的驱动器（见图1），或使用模拟量设定值的驱动器。
　　运动控制功能支持速度控制轴、定位轴和外部编码器工艺对象。

                                图1  运动控制组态实例
1.2.2  跟踪功能
S7-1500所有CPU都有集成的跟踪（TRACE）和逻辑分析器功能，跟踪功能可循环记录最多16个变量，便于查找偶发错误，对程序和动作进行实时诊断，用于调试和优化用户程序，尤其适用于运动控制和优化驱动器。

　　记录数据保存在设备上，在需要时可以用编程设备读出和永久保存。可以用曲线图和信号表来评估测量的结果，也可以将测量结果作为一个文件导出和导入。
1.2.3  闭环控制功能
S7-1500 CPU集成的PID控制器有PID参数自整定功能。PID 3步（3-Step）控制器是脉冲宽度调制输出的控制器，此外还有适用于带积分功能的外部执行器（如阀门）的PI步进控制器。
1.2.4  故障安全
使用F型控制器，可实现故障安全自动化，故障安全程序和标准程序使用同样的工程设计和操作理念。用户可以用安全管理编辑器定义和修改安全参数。


1.3  硬件方面的特点
1.3.1  减少了模块种类
相比之前的产品，I/O模块的种类有大幅减少，订货、布线和维护都更方便了。模块种类由原来的60种减少到26种。


1.3.2  小型化
S7-1500的模块高度为155mm，用U形连接器连接模块。外形、体积缩小意味着便于安装维护，系统集成时占用的柜体空间更少。


1.3.3  方便的显示屏操作
CPU内置6.1cm对角线的显示屏，可快速访问各种文本信息和详细的诊断信息，便于全面了解工厂的所有信息，从而实现全工厂透明化。支持在运行过程中对显示屏进行热插拔操作，可用博途设置显示屏的操作密码。


1.3.4  模块的创新设计
　　标准的统一的40针前置连接器节省了用户接线时间，简化了配件存储。
　　集成的短接片使得电压分组的构成简单灵活。
　　集成式导轨能够快速便捷地安装断路器、继电器之类的其它组件。
　　由于有两个预先设计好的电缆定位槽，使用大直径电缆也可以轻松关闭前盖板。
　　由于预接线位置的设计（带有定位装置的转向布线系统），可以简单快速的进行初次布线和重新连接。
　　用模块集成的屏蔽夹对模拟量信号进行适当屏蔽，确保了高质量的信号采集，可有效防止外部电磁干扰。模拟量模块没有量程选项卡，可以单独设置每个通道的信号类型，也可以整体设置所有通道的信号类型。


1.1.5  兼容性与即插即用
通过集成的移植工具，S7-300/400的项目可以移植到S7-1500，实现对现有专有知识的投资保护。可以通过复制功能将S7-1200的程序转换到S7-1500。
　　通过将硬件数据上传到工程组态，可实现各种硬件的快速准确识别。
　　可上传包括符号和注释的整个项目，维修操作时无需打开当前项目。可通过Web浏览器或SD卡读卡器，快速访问设备组态数据，与控制器进行双向数据交换。


1.3.6  存储卡
S7-1500的存储卡SMC（SIMATIC Memory Card）功能强，使用方便。可以用普通的SD读卡器读写SMC卡，实现对PLC程序的下载。SMC最大2GB，可以装载除程序以外的其它文件，例如项目的备份、说明书、各种pdf或excel文件等。此外也可以用作固件升级卡和程序传输卡。




1.4  全面的安全保护机制
1.4.1  专有技术保护
S7-1500提供全面的安全保护机制，加密算法可以有效防范未经授权的访问和修改，可以避免设备被仿造。
1.4.2  防拷贝保护
可通过绑定SIMATIC存储卡或CPU的序列号，确保程序无法在其它设备中运行。这样的程序不能拷贝，只能在指定的存储卡或CPU上运行。


1.4.3  访问保护
访问保护功能提供一种全面的安全保护功能，可防止未经授权的项目计划更改，专有的数据校验机制可识别修改过的工程数据。可为各用户组分别设置访问密码，确保具有不同级别的访问权限。使用带有安全功能的工业以太网模块CP 1543-1，加强了集成防火墙的访问保护。


1.4.4  操作保护
系统对传输到控制器的数据进行保护，防止通过 HMI 进行未经授权的访问。控制器可以识别发生变更的工程组态数据或者来自陌生设备的工程组态数据。
2  通信功能
S7-1500在通信方面有以下特点：
1）遵循通信领域的国际标准。
2）基于以太网的PROFINET作为主要的通信网络。
2.1  以PROFINET为主导的通信网络
以太网广泛地用于企业内部互联网（Intranet）、外部互联网（Extranet）和因特网（Internet）。可以采用冗余的网络拓扑结构，可靠性高。通过有线电话网和无线电话网，可以用以太网实现远程数据交换。
　　为了满足实时性应用的需要，各大公司和标准化组织纷纷提出了各种提升工业以太网实时性的解决方案，从而产生了实时以太网。2007年出版的IEC 61158第4版的20种现场总线中，实时以太网占了10种，实时以太网已成为现场总线发展的主要方向。



　　工控产品使用以太网通信已经成为一种潮流，西门子的小型PLC S7-1200、S7-200 SMART和高性价比的触摸屏SMART 700/1000 IE都有集成的以太网接口。
　　西门子基于以太网的现场总线PROFINET（见图2）是IEC 61158标准的类型10，S7-300/400推出了多款带PROFINET接口的CPU。S7-1500将PROFINET作为CPU的标准配置，同时还推出了使用PROFINET的分布式I/O ET 200MP和ET 200SP，标志着PROFINET已进入普遍使用的成熟期。

2.2  CPU的以太网接口的功能
S7-1500的3种CPU都集成了1个带双端口交换机的PROFINET接口，CPU 1516-3PN还有另外一个以太网接口。PROFINET接口集成了等时同步实时（IRT）功能，可作PROFINET IO控制器、PROFINET IO设备（分布式现场设备）和Web服务器，可实现SIMATIC通信和开放式IE通信，有介质冗余功能。
　　通过一个标准的网络浏览器，就能随时查询CPU的状态。图形化的过程量和用户自定义的网页简化了信息的采集。
PROFINET可提供的通信服务有PG/OP（编程器/操作员面板）通信、S7路由、等时同步模式、开放式IE通信、IRT（等时同步实时）、MRP（介质冗余协议）和PROFIenergy。IRT功能用于高性能的同步运动控制，响应时间最小为250 μs。
　　PROFIenergy通过启用或禁用设备的暂停功能来实现节能。
　　开放式IE通信可使用TCP、IP /ISO-on-TCP（RFC 1006）、DHCP、SNMP、DCP和LLDP。
　　动态主机配置协议DHCP用于自动分配IP地址，可在设备正在运行时分配IP地址。
　　SNMP是用于网络参数分配和诊断的简单网络管理协议。
　　DCP（发现和基本组态协议）用于检测网络中的节点，并为其分配基本参数，例如IP地址和系统名称等。
　　LLDP（链路层发现协议）用于在相邻设备之间交换信息。
　　CPU作为Web服务器，可使用HTTP（超文本传输协议）和HTTPS（安全超文本传输协议）。
　　PROFINET的“优先化启动”功能在下列应用场合可以大幅缩短循环用户数据交换的启动时间：在“通电”之后或站故障/站恢复之后，或者在启动IO设备时。
　　用户程序可用指令TMAIL_C通过电子邮件发送过程报警。带有PROFINET接口的CP（通信处理器）可通过FTP（文件传输协议）进行文件管理和文件访问，CP既能作FTP客户端，也可以作FTP服务器。
　　S7-1516的通信接口的最大连接数为256，集成接口的连接数为128，为ES/HMI/Web预留了10个连接。支持DP和以太网（通过网络时间协议NTP）的时间同步。


2.3  其他通信功能和通信模块
2.3.1  集成的PROFIBUS接口
　　CPU 1516-3PN有一个集成的PROFIBUS接口，可作PROFIBUS-DP主站或从站，可提供的通信服务有PG/OP通信、S7路由、等式同步模式、恒定总线循环时间、激活/取消激活DP 从站。


2.3.2  带安全功能的工业以太网模块
S7-1500最多可插入8块PROFIBUS、PROFINET和以太网通信模块。
　　CP 1543-1是带安全功能的工业以太网模块。除了CPU密码保护之外，还可以通过状态检测防火墙确保工业以太网连接的安全性，可以分别组态本地访问权限和远程访问权限，通过电子邮件实现简单报警，并通过FTP文件传输协议将产品数据传输到控制计算机中。可灵活集成在基于IPV6的架构中，支持网络分段，可构建具有同一IP地址的相同设备，可在博途中构建包含安全功能在内的整体项目。


2.3.3  PROFIBUS模块
CM 1542-5模块支持PROFIBUS-DP主站功能和PROFIBUS-DP从站功能。发生故障时，网络分隔技术可降低模块替换成本。


2.3.4  点对点通信模块
S7-1500可连接的PtP（点对点）通信模块的数量仅受可用插槽的限制，4种PtP模块分别有RS-232和RS-422/485两种接口。支持自由口协议和3964（R）协议，有两种模块支持Modbus RTU主站协议和Modbus RTU从站协议。

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