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西門子SM1223數(shù)字量模塊
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下圖是SENTRON PAC3200儀表與S7-1200進(jìn)行MODBUS RTU 通信的接線圖。
圖4:S7-1200與PAC3200進(jìn)行MODBUS RTU 進(jìn)行通信的接線圖
3．硬件需求
S7-1200 PLC目前有3種類型的CPU：
1）S7-1211C CPU。
2）S7-1212C CPU。
3）S7-1214C CPU。
這三種類型的CPU都可以使用MODBUS通信協(xié)議通過通信模塊CM1241 RS485來實(shí)現(xiàn)S7-1200與PAC3200儀表的通信。
本例中使用的PLC硬件為：
1）PM1207電源 ( 6EP1 332-1SH71 )
2） S7-1214C ( 6ES7 214 -1BE30 -0xB0 )
3) CM1241 RS485 ( 6ES7 241 -1CH30 -0xB0 )
4) 模擬器 ( 6ES7 274 -1XH30 -0xA0 )
本例中使用的PAC3200儀表硬件為：
1） PAC3200 （7KM2112-0BA00-3AA0）
2） MODBUS RTU 模塊 （7KM9300-0AB00-0AA0）
3） MODBUS 通信電纜 ( 6XV1830-0EH10)
3．軟件需求
1) 編程軟件 Step7 Basic V10.5 ( 6ES7 822-0AA0-0YA0)
圖1 S7—200硬件系統(tǒng)組成
CPU模塊又稱為主機(jī)是系統(tǒng)的核心，它包括CPU、存儲(chǔ)器、基本輸入輸出點(diǎn)和電源等。它實(shí)
際就是一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以單獨(dú)完成一定的控制任務(wù)。主機(jī)I/O數(shù)量不能滿足控制系統(tǒng)的要求
時(shí)，用戶可以根據(jù)需要擴(kuò)展各種I/O模塊，所能連接的擴(kuò)展單元的數(shù)量和實(shí)際所能使用的I／O點(diǎn)數(shù)是
由多種因素共同決定的。當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，可擴(kuò)展特殊功能模塊，以完成某
種特殊的控制任務(wù)。利用網(wǎng)絡(luò)接口，可以充分和方便地利用為SIMATICS7—200系統(tǒng)的硬件和軟件資
源而開發(fā)和使用的一些設(shè)備，主要有編程設(shè)備、人機(jī)操作界面和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。
所有以上這些硬件設(shè)備，都在一個(gè)統(tǒng)一的工業(yè)軟件平臺(tái)上編程和運(yùn)行，為了更好地管理和使用這些
設(shè)備，S7—200PLC配備了許多功能強(qiáng)大的功能指令，方便地實(shí)現(xiàn)各種控制目的。
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S7—200PLC系統(tǒng)主機(jī)（CPU）模塊的外形和模塊功能簡(jiǎn)介
S7—200系統(tǒng)CPU 22*系列PLC主機(jī)(CPU模塊)的外形如圖1所示。 S7—200CPU模塊包括一個(gè)*處理
單元、存儲(chǔ)器、電源以及數(shù)字I／O點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序
，以便對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制任務(wù)或過程進(jìn)行控制。輸人部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中采集信號(hào)，輸出部分則輸出
控制信號(hào)，控制工業(yè)過程中的設(shè)備。
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圖1 CPU 22*系列PLC的CPU外形
從CPU模塊的功能來看，SIMATICS7—200系列小型可編程序控制器發(fā)展至今，經(jīng)歷了兩代：產(chǎn)
品的CPU模塊為CPU 21*，現(xiàn)已停產(chǎn)。第二代產(chǎn)品的CPU模塊為CPU 22*，是在21世紀(jì)初投放市場(chǎng)的。
其速度快，具有*的通訊能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元。
(1)CPU 221 CPU 221具有6輸入／4輸出，共計(jì)10個(gè)點(diǎn)的I／O，無(wú)擴(kuò)展能力，有6 KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
空間。還具有4個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出端，1個(gè)RS—485通訊／
編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由通訊方式。非常適合于小點(diǎn)數(shù)的控制系統(tǒng)。
(2)CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同點(diǎn)在于：它有8輸人／6輸出，共計(jì)14點(diǎn)I／O
。可以帶兩個(gè)擴(kuò)展模塊，多擴(kuò)展8路模擬量和64個(gè)I／O，因此是更廣泛的全功能控制器。
(3)CPU 224 它在CPU 222的基礎(chǔ)上使主機(jī)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)增為24點(diǎn)，有14輸入／10輸出，可以帶7個(gè)
擴(kuò)展模塊，大可擴(kuò)展為168點(diǎn)數(shù)字量或者35點(diǎn)模擬量的輸入和輸出；存儲(chǔ)容量也進(jìn)一步增加，有內(nèi)
置時(shí)鐘，還增加了一些數(shù)學(xué)指令和高速計(jì)數(shù)器的數(shù)量，具有較強(qiáng)的控制能力。
(4)CPU 226 這種模塊在CPU 224的基礎(chǔ)上功能又進(jìn)一步增強(qiáng)，有24輸入／16輸出，主機(jī)輸入和輸出
點(diǎn)數(shù)增到40點(diǎn)，大可擴(kuò)展為248點(diǎn)數(shù)字量或35點(diǎn)模擬量；增加了通訊口的數(shù)量，通訊能力大大增強(qiáng)
；它可用于點(diǎn)數(shù)較多、要求較高的小型或中型控制系統(tǒng)。
現(xiàn)在西門子公司新推出了一種增強(qiáng)型的CPU 226XM，它在用戶程序存儲(chǔ)容量上擴(kuò)大到8K字，其他指標(biāo)
和CPU 226相同。
每一款主機(jī)模塊上都集成了24V直流電源，可以直接用于連接傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。利用EEPROM存儲(chǔ)存
儲(chǔ)程序和配置信息。用戶數(shù)據(jù)可通過主機(jī)的超級(jí)電容存儲(chǔ)若干天，電池模塊可選，可使數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
時(shí)間延長(zhǎng)到200天。可以用普通輸入端子捕捉比CPU掃描周期更快的脈沖信號(hào)，利用中斷輸入，允許
以極快的速度對(duì)信號(hào)的上升沿做出響應(yīng)。速度為30 kHz的高速計(jì)數(shù)器可以編程，并具有復(fù)位輸入端
，多個(gè)獨(dú)立的輸入端，可同時(shí)用作加減計(jì)數(shù)，可以連接相應(yīng)數(shù)量的相位差為90度的A／B相增量編碼
器。2路大可達(dá)20kHz的高頻脈沖輸出，可用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位任務(wù)?？?/p>
以用模塊上的電位器來改變它對(duì)應(yīng)的特殊寄存器中的數(shù)值，可以即時(shí)更改程序運(yùn)行中的一些參數(shù)，
如定時(shí)／計(jì)數(shù)器的設(shè)定值、過程量的控制參數(shù)等。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用以對(duì)信息加注時(shí)間標(biāo)記，記錄機(jī)器
運(yùn)行時(shí)間或?qū)^程進(jìn)行時(shí)間控制。
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西門子PLC S7-200處理快速響應(yīng)信號(hào)的對(duì)策有那些？
使用CPU內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖發(fā)生器處理序列脈沖信號(hào)
使用部分CPU數(shù)字量輸入點(diǎn)的硬件中斷功能，在中斷服務(wù)程序中處理；進(jìn)入中斷的延時(shí)可以忽略S7-
200擁有“直接讀輸入”和“直接寫輸出”指令，可以越過程序掃描周期的時(shí)間限制，使用部分CPU
數(shù)字量輸入點(diǎn)的“脈沖捕捉”功能捕捉短暫的脈沖 。
注意： S7-200系統(tǒng)中小周期的定時(shí)任務(wù)為1ms。所有實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)處理的措施，都要考慮所有限
制因素的影響。例如，為一個(gè)需要毫秒級(jí)響應(yīng)速度的信號(hào)選擇500μs輸出延時(shí)的硬件，顯然是不合
理的。
S7-400可編程控制器I/O模板的默認(rèn)編址與S7-300不同，它的輸入/輸出地址分別按順序排列。數(shù)字
I/O模板的輸入/輸出默認(rèn)首地址為0，模擬I/O模板的輸入/輸出默認(rèn)首地址為512。模擬I/O模板的輸
入/輸出地址可能占用32個(gè)字節(jié)，也可能占用16個(gè)字節(jié)，它是由模擬量I/O模板的通道數(shù)來決定的。
S7-200在CPU單元上設(shè)有硬件電路（芯片等）處理高速數(shù)字量I/O，如高速計(jì)數(shù)器（輸入）、高速脈
沖輸出。這些硬件電路在用戶程序的控制下工作，可以達(dá)到很高的頻率；但點(diǎn)數(shù)受到硬件資源的限
制。
S7-200 CPU按照以下機(jī)制循環(huán)工作：
讀取輸入點(diǎn)的狀態(tài)到輸入映像區(qū)
執(zhí)行用戶程序，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到輸出信號(hào)的新狀態(tài)
將輸出信號(hào)寫入到輸出映像區(qū)
只要CPU處于運(yùn)行狀態(tài)，上述步驟就周而復(fù)始地執(zhí)行。在第二步中，CPU也執(zhí)行通訊、自檢等工作。
上述三個(gè)步驟是S7-200 CPU的軟件處理過程，可以認(rèn)為就是程序掃描時(shí)間。
實(shí)際上，S7-200對(duì)數(shù)字量的處理速度受到以下幾個(gè)因素的限制：
輸入硬件延時(shí)（從輸入信號(hào)狀態(tài)改變的那一刻開始，到CPU刷新輸入映像區(qū)時(shí)能夠識(shí)別其改變的時(shí)間
）
CPU的內(nèi)部處理時(shí)間，包括：
讀取輸入點(diǎn)的狀態(tài)到輸入映像區(qū)
執(zhí)行用戶程序，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到輸出信號(hào)的新狀態(tài)
將輸出信號(hào)寫入到輸出映像區(qū)
輸出硬件延時(shí)（從輸出緩沖區(qū)狀態(tài)改變到輸出點(diǎn)真實(shí)電平改變的時(shí)間）
上述A,B,C三段時(shí)間，就是限制PLC處理數(shù)字量響應(yīng)速度的主要因素。
一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)可能還需要考慮輸入、輸出器件的延時(shí)，如輸出點(diǎn)外接的中間繼電器動(dòng)作時(shí)間等 。
CPU上的部分輸入點(diǎn)延時(shí)（濾波）時(shí)間可以在編程軟件Micro/WIN的“系統(tǒng)塊”中設(shè)置，其缺省的濾
波時(shí)間是6.4ms。
如果把容易受到干擾的信號(hào)接到CPU上可改變?yōu)V波時(shí)間的DI點(diǎn)上，調(diào)整濾波時(shí)間可能改善信號(hào)檢測(cè)的
質(zhì)量。
4．S7-1200 MODBUS RTU的通信方式
S7-1200作為MODBUS RTU主站的通信方式是由DATA_ADDR 和 MODE 參數(shù)來選擇 Modbus 功能類型的。
DATA_ADDR（從站中的起始 Modbus 地址）： 要在 Modbus 從站中訪問的數(shù)據(jù)的起始地址。MB_MASTER 使用 MODE 輸入而非功能代碼輸入。 MODE 和 Modbus 地址范圍一起確定實(shí)際 Modbus 消息中使用的功能代碼。
下表列出了 MB_MASTER 參數(shù) MODE、Modbus 功能代碼和 Modbus 地址范圍之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表3: MB_MASTER的MODBUS 功能
5．S7-1200 與PAC3200 進(jìn)行MODBUS RTU的通信組態(tài)
我們通過一個(gè)實(shí)例來介紹如何在Step7 Basic V10.5 中組態(tài)S7-1214C 和PAC3200的MODBUS RTU通信。
5. 1 PLC 硬件組態(tài)
首先在Step7 Basic V10.5中建立一個(gè)項(xiàng)目，如圖1所示。
圖5： 新建S7 1200項(xiàng)目
在硬件配置中，添加CPU1214C和通信模塊CM1241 RS485模塊，如圖2所示。
圖6： S7 1200硬件配置