# 第3章 S7-1200硬件与硬件组态

# 资料来源

PPT：第3.0章 S7-1200的硬件与硬件组态.pptx
辅导书：S7-1200 PLC编程及应用第3版，目录中对应第1章“S7-1200的硬件与硬件组态”。

# 1. 本章脉络

S7-1200硬件与硬件组态
├─ PLC是什么
├─ PLC由来与发展
├─ PLC特点、应用领域和发展方向
├─ PLC主要厂商
├─ S7-1200硬件
│  ├─ CPU模块
│  ├─ 信号板SB
│  ├─ 数字量I/O模块
│  ├─ 模拟量I/O模块
│  └─ 通信接口与通信模块
├─ TIA Portal / STEP 7 Basic
└─ 硬件组态
   ├─ 添加设备
   ├─ 地址分配
   ├─ 数字量参数设置
   ├─ 模拟量参数设置
   └─ CPU系统存储器/时钟存储器设置

# 2. PLC是什么

PLC是可编程控制器，是一种专为工业环境设计的数字运算电子系统。它通过可编程序存储器存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等程序，并通过数字量或模拟量I/O控制机械设备和生产过程。

关键词：工业环境、可编程序存储器、逻辑控制、顺序控制、定时计数、数字量/模拟量输入输出。

# 3. PLC的由来和发展

PLC由继电器控制系统发展而来。

继电器控制系统的问题：

体积大；
可靠性低；
故障排查困难；
硬接线逻辑复杂；
生产工艺改变时适应性差。

PLC吸收了继电器控制简单直观的优点，又引入计算机系统的灵活性和通用性。

1968年，美国GM公司提出新一代控制器需求；1969年DEC公司研制PDP-14并在GM生产线上试用成功，PLC由此诞生。

# 4. PLC特点

特点	解释
可靠性高、抗干扰能力强	适应工业现场电磁干扰、温湿度和振动环境
通用性强、灵活性好	通过改程序适应不同工艺
功能齐全	支持逻辑、定时、计数、通信、模拟量、运动控制等
编程简单	梯形图接近继电器电路，便于电气人员理解
模块化结构	易扩展I/O和通信能力
安装调试方便	工程软件支持在线监控和诊断
维修工作量少	故障定位和更换模块方便
体积小、能耗低	适合机柜和现场设备集成

# 5. PLC应用领域

应用领域	说明
数字量逻辑控制	组合逻辑、顺序逻辑，如生产线、输送线、电梯
运动控制	单轴/多轴位置控制，机床、装配机器人
闭环过程控制	通过模拟量I/O和PID控制温度、压力、流量等
数据处理	数据滤波、计算、统计、记录
通信联网	分布式控制、上位机监控、DCS集成

# 6. S7-1200硬件结构

S7-1200主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块、HMI面板和编程软件组成。

# 6.1 CPU模块

CPU模块是PLC核心，包括处理器、存储器、板载I/O、通信接口和状态指示灯。

常见外部结构：

电源接口；
可拆卸用户接线端子；
板载I/O状态LED；
CPU运行状态LED；
PROFINET连接器。

# 6.2 CPU共性

PPT中强调的S7-1200 CPU共性：

支持LAD、FBD、SCL等编程语言；
支持存储卡转移程序；
具有工作存储器、程序存储器和保持性存储器；
过程映像输入/输出区；
输入额定电压常见为DC24V；
集成传感器/负载电源；
集成2点模拟量输入，常见0~10V；
支持PTO/PWM高速脉冲输出；
可扩展通信模块和信号板。

# 6.3 CPU版本

版本	电源	DI输入	DO输出	典型用途
DC/DC/DC	DC24V	DC24V	DC24V晶体管输出	高速开关、脉冲输出
DC/DC/Relay	DC24V	DC24V	继电器输出	交直流负载通用
AC/DC/Relay	AC85~264V	DC24V	继电器输出	交流供电现场

晶体管输出适合高速开关和PTO/PWM；继电器输出适合不同电压等级负载，但速度慢、有机械寿命限制。

# 7. 信号板与信号模块

# 7.1 信号板 SB

信号板安装在CPU前端，用于少量扩展I/O。例如数字量输入、数字量输出、混合输入输出、模拟量输出等。

特点：占空间小，适合少量扩展。

# 7.2 数字量I/O模块

数字量I/O模块连接在CPU右侧，用于扩展开关量输入输出。DI接按钮、行程开关、接近开关等；DO接接触器线圈、中间继电器、电磁阀、指示灯等。

# 7.3 模拟量I/O模块

模拟量I/O模块用于处理连续量信号，如电压、电流、温度等。

类型	典型信号	用途
AI	0_10V、420mA、热电阻、热电偶等	采集压力、液位、温度、流量
AO	0_10V、420mA	控制调节阀、变频器、模拟执行器

# 8. 通信接口与通信模块

# 8.1 PROFINET接口

PROFINET是基于工业以太网的现场总线，S7-1200通过PROFINET与编程计算机、HMI、其他PLC或工业以太网设备通信。

工程意义：PROFINET使PLC不再只是独立控制器，而是能接入工业网络和上位监控系统。

# 8.2 点对点通信模块

S7-1200可通过CM1241等通信模块实现RS232或RS485点对点通信，常用于连接扫码器、仪表、变频器、串口设备等。

# 9. TIA Portal与STEP 7 Basic

TIA Portal是全集成自动化平台，将STEP 7编程和WinCC可视化组态集成到统一工程项目中。

典型自动化系统包含：

PLC：控制过程；
HMI：操作和可视化过程；
工程软件：组态硬件、编写程序、下载调试、在线诊断。

TIA Portal关键步骤：

创建项目 → 配置硬件 → 联网设备 → PLC编程 → HMI可视化组态 → 下载组态 → 在线诊断

# 10. 硬件组态

# 10.1 硬件组态任务

硬件组态是在软件中建立与实际硬件系统一致的虚拟系统，包括PLC、HMI、模块型号、订货号、版本、安装位置和通信连接。

CPU启动时会比较软件组态和实际硬件，如果不一致可能报警或进入STOP。

# 10.2 添加模块

在设备视图中通过拖放或双击方式，把I/O模块或通信模块放入机架插槽。模块的位置要与实际安装一致。

# 10.3 地址分配

地址类型	分配规则
DI/DO	通常以字节为单位分配，没有用完的位不能给其他模块使用
AI/AO	通常以组为单位分配，每个通道占一个字或两个字节

建议：一般不要随意修改系统自动分配地址，避免程序、接线和文档不一致。

# 10.4 数字量输入参数

数字量输入点可设置滤波时间常数。滤波时间较长可抑制抖动和干扰，但会降低响应速度。

# 10.5 数字量输出参数

CPU进入STOP时，可设置输出保持最后值或使用替换值。工程上要根据安全要求决定：有些设备STOP后必须断开，有些输出需要保持。

# 10.6 模拟量输入参数

模拟量输入模块参数包括测量种类、测量范围、积分时间、滤波等级、上下限诊断等。

积分时间越长，精度越高，抗干扰能力越强，但快速性越差；
为抑制工频干扰，常选择20 ms积分时间；
滤波等级越高，数值越稳定，但响应越慢。

# 11. 模拟量转换公式

# 11.1 单极性线性转换

若变送器物理量范围为 (X_{min}) 到 (X_{max})，A/D数字量范围为 (N_{min}) 到 (N_{max})，则：

[
X=X_{min}+\frac{N-N_{min}}{N_{max}-N_{min}}(X_{max}-X_{min})
]

符号	含义	单位	备注
(X)	换算后的物理量	MPa、℃、kPa等	工程实际值
(X_{min})	物理量下限	与X一致	变送器量程下限
(X_{max})	物理量上限	与X一致	变送器量程上限
(N)	A/D转换数字值	无	PLC读取的整数
(N_{min})	数字量下限	无	常见为0或5530
(N_{max})	数字量上限	无	S7常见正常满量程27648

适用条件：传感器输出、模块量程与工程量之间线性对应。

物理/工程意义：把PLC中的整数转换为真实温度、压力、液位等工程量。

常见变形：

当0_10MPa对应027648，单位取kPa时：

[
P_{kPa}=\frac{10000N}{27648}
]

当0~High MPa对应0~27648时：

[
P=\frac{High\cdot N}{27648}
]

易错点：整数运算中应先乘后除，否则会损失精度。

# 11.2 4~20mA转换

4_{20mA信号接入0}20mA模块时，4mA通常不对应0，而对应约5530；20mA对应27648。

若温度范围为 -100~500 ℃，要求以0.1 ℃为单位，工程量范围为 -1000~5000，则：

[
T_{0.1℃}=-1000+\frac{N-5530}{27648-5530}(5000-(-1000))
]

工程意义：4~20mA的“活零点”能检测断线，0mA往往表示故障而不是零量程。

# 12. CPU系统存储器与时钟存储器

# 12.1 系统存储器字节

设置某个MB为系统存储器字节后，其中部分位具有特殊含义：

位	含义
首次循环位	仅在进入RUN后的首次扫描为1
诊断图形已更改位	发生诊断事件时短时间为1
始终为1位	常开触点总是闭合
始终为0位	常闭触点总是闭合

# 12.2 时钟存储器字节

时钟存储器字节的各个位输出不同周期的方波，可用于闪烁灯、周期采样、节拍控制等。

# 13. 图表索引

图表	来源位置	作用
S7-1200 CPU外形图	第3.0章PPT约第12-13页	认识CPU接口和LED
CPU1214C外部接线图	第3.0章PPT约第17-19页	理解不同版本接线差异
信号板/信号模块图	第3.0章PPT约第20-23页	区分SB与SM扩展位置
PROFINET通信连接图	第3.0章PPT约第24-26页	理解PLC、PC、HMI网络连接
TIA Portal界面图	第3.0章PPT约第35页	熟悉项目视图和任务卡
模拟量数值表	第3.0章PPT约第47页	重点掌握27648、32511、32767含义

# 14. 易错点

信号板安装在CPU前端，信号模块通常安装在CPU右侧。
通信模块常安装在CPU左侧。
继电器输出和晶体管输出不能混为一谈，PTO/PWM要用晶体管高速输出。
0_{20mA模块读取4}20mA信号时，4mA不对应0。
模拟量滤波越强，响应越慢。
软件组态必须与实际硬件订货号、版本、插槽位置一致。
DI/DO地址按字节分配，剩余位不可随意给其他模块。

# 15. 考前补充：硬件组态和模拟量高频点

# 15.1 CPU型号与扩展能力记忆

CPU	本机数字量I/O	本机模拟量输入	扩展能力倾向
CPU 1211C	6DI/4DO	2AI	小点数、基本控制
CPU 1212C	8DI/6DO	2AI	可少量扩展
CPU 1214C	14DI/10DO	2AI	扩展能力更强，工程中更常见

考试如果不要求死记完整参数，至少要知道：型号越大，本机I/O点数、存储器和扩展能力通常越强。

# 15.2 数字量输入输出接线判断

DI输入常见额定电压为DC24V，接按钮、限位、接近开关等。
晶体管输出适合DC负载和高速脉冲输出，速度快、寿命长。
继电器输出适合交直流多种负载，隔离好，但速度慢、寿命受触点影响。
PTO/PWM、高速输出不要选继电器输出点。

# 15.3 模拟量换算通用式

若数字量范围为 (N_{min}\sim N_{max})，工程量范围为 (X_{min}\sim X_{max})，则：

[
X=X_{min}+\frac{N-N_{min}}{N_{max}-N_{min}}(X_{max}-X_{min})
]

常见满量程：0_10V、020mA常对应0_27648；420mA中4mA对应工程量下限，不是“故障零点”。

# 16. 本章预测题与答案

# 题1：PLC的定义是什么？

答案：PLC是一种面向工业环境设计的数字运算电子系统，利用可编程序存储器存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等程序，并通过数字量或模拟量输入输出控制机械设备和生产过程。

# 题2：S7-1200主要由哪些硬件组成？

答案：S7-1200主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块、HMI面板和编程软件组成。CPU负责运算和控制，信号板/信号模块扩展I/O，通信模块扩展通信能力，HMI用于操作显示。

# 题3：信号板和信号模块有什么区别？

答案：信号板安装在CPU前端，适合少量扩展I/O，占空间小；信号模块安装在CPU右侧，扩展点数和类型更多，适合较大规模I/O扩展。

# 题4：S7-1200的三种CPU输出版本有什么区别？

答案：DC/DC/DC为DC24V供电、DC输入、晶体管DC输出，适合高速输出；DC/DC/Relay为DC供电、DC输入、继电器输出；AC/DC/Relay为交流供电、DC输入、继电器输出。继电器输出适用电压范围广但速度较慢。

# 题5：TIA Portal创建自动化系统的基本步骤是什么？

答案：创建项目、配置硬件、联网设备、对PLC编程、组态HMI可视化、下载组态数据、使用在线与诊断功能。

# 题6：硬件组态的任务是什么？

答案：在软件中建立与实际硬件一致的虚拟系统，包括PLC和HMI设备、模块型号、订货号、版本、安装位置、通信连接和模块参数。CPU启动时会比较实际硬件与软件组态是否一致。

# 题7：模拟量输入中27648代表什么？

答案：在S7-1200常见模拟量标准范围中，27648通常表示正常满量程100%。例如0_10V或020mA对应的正常数字量范围常为0~27648。

# 题8：压力变送器0_{10MPa对应数字量0}27648，若N=13824，压力是多少？

答案：(P=10\times 13824/27648=5\text{MPa})。若以kPa为单位，(P=5000\text{kPa})。

# 题9：为什么4_{20mA信号比0}20mA更适合工业现场？

答案：4~20mA具有活零点，4mA表示量程下限，0mA通常可判断为断线或故障，因此便于诊断；同时电流信号抗干扰能力较强，适合远距离传输。

# 题10：时钟存储器字节有什么用途？

答案：时钟存储器字节的各个位提供不同周期的方波信号，可用于指示灯闪烁、周期性动作、节拍控制和简单定时触发。