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SIMATIC S7-1500, CPU 1518-4 PN/DP, 处理器,带 4MByte 工作存储器用于 程序和 20MByte 用于数据, * 1 个接口:PROFINET IRT 带双端口 交换机, * 2 接口:PROFINET RT, * 3 接口:以太网, * 4 个接口:PROFIBUS, 1 ns 性能表现, 需要 SIMATIC 存储卡
SIPLUS S7-1500 系列控制器产品中的 CPU 拥有大容量的程序和数据存储器,适用于对程序作用域、性能和网络功能具备较高要求的苛刻型应用。
可用于实现安全等级达到 IEC 61508 的 SIL 3 以及 ISO 13849 的 PLe 的故障安全功能。
具有较高处理速度,适用于二进制和浮点运算
用于系列机器、机器以及工厂中的跨领域自动化任务
在具有集中式和分布式 I/O 的生产线上作为集中式控制器使用
支持在集中式和分布式配置中采用 PROFIsafe。
PROFINET IO IRT 接口,带 2 端口 交换机
两个带立 IP 地址的、额外的 PROFINET 接口
西门子CPU1518-4PN/DPPROFINET I/O 控制器,用于经由 PROFINET 控制分布式 I/O。
PROFINET 智能设备,用于作为 SIMATIC 或非西门子 PROFINET IO 控制器环境下的智能 PROFINET 设备,连接到 CPU。
PROFIBUS DP 主站接口。
在 PROFIBUS 和 PROFINET 上实现等时同步模式
集成运动控制功能,用于控制速度控制轴和定位轴,支持外部编码器
集成 Web 服务器,带有创建用户定义的 Web 站点的选项
CPU 1518F-4 PN/DP 是功能强大的 S7-1500 CPU。该 CPU 的程序和数据存储器容量较大,适用于既包含 I/O 还包含分布式自动化结构的应用中的标准和故障安全型任务。例如,它可以作为生产线中的控制器,也可用作具备高处理速度的机床控制器。
CPU 1518F-4 PN/DP 可以用作 PROFINET IO 控制器,也可以用作分布式智能设备 (PROFINET 智能设备)。集成式 PROFINET IO IRT 接口设计为双端口 交换机以便在系统中设立总线型拓扑。例如,具备立 IP 地址的其它集成式 PROFINET 接口可以用来实现网络隔离。
分布式 I/O 可通过 PROFIBUS(或 PROFIsafe)以及集成 PROFIBUS 接口进行连接。
另外,CPU 还提供全面的控制功能,并能够通过标准化的 PLC-open 块连接变频器。
应用
模拟量输出模块可以将 16 位数字值转换为电流或电压并输出到过程。例如,它们适合控制比例阀或小型伺服驱动器。
提供有以下模拟量输出模块:
AQ 2xU/I ST
2 通道模拟量输出模块;16 位分辨率;准确度 +/-0.3%;一个电压组;可设置诊断参数;可设置输出的替代值;在执行时间中进行校准
模块宽度 25 mm
AQ 4xU/I ST
4 通道模拟量输出模块;16 位分辨率;准确度 +/-0.3%;一个电压组;可设置诊断参数;可设置输出的替代值;在执行时间中进行校准
模块宽度 35 mm
AQ 8xU/I HS
8 通道模拟量输出模块;16 位分辨率;准确度 +/-0.3%;一个电压组;可设置诊断参数;可设置输出的替代值;高速 8 通道,125 µs;等时同步模式;在执行时间中进行校准
模块宽度 35 mm
功能
统一的显示和诊断方式:
故障(红色 LED)和运行(绿色 LED)模块状态显示
通道状态显示(通道已激活或已禁用,绿色 LED)或诊断显示(红色 LED)
显示 24 V DC 电源电压(绿色 LED)
支持的功能:
持续稳定的 16 位高分辨率
识别和维护数据 IM0 至 IM3
固件更新
与通道相关的参数分配
按通道诊断(取决于测量类型/测量范围)
可为输出设置替代值
在运行过程中进行校准
等时同步模式(取决于模块)
功能强大的处理器:该CPU的单条二进制命令的命令执行时间可低至40 ns。
大容量工作存储器:300KB用于程序;1.5 MB用于数据。采用SIMATIC存储卡作为加装存储器,允许实现例如数据日志和归档等其它功能。
灵活的扩展功能:单层组态多可支持32个模块(CPU + 31 个模块)
显示器的功能为:显示概览信息,例如,集成接口的IP地址、站名称、别名称、位置名称等。
显示器以及诊断确认和用户消息。
模块信息显示。
显示设置。
显示可由用户定义的徽标。
IP地址设置。
日期和时间设置。
选择操作模式。
复位CPU至出厂设置。
项目的备份与恢复。
禁用/启用显示屏。
启用保护级别。
PROFINET IO IRT接口用于通过PROFINET进行分布式I/O连接。
性能:
指令处理速度更快, 取决于CPU型号、语言扩展和新的数据类型。
由于背板总线速度显著提高,CPU的响应时间缩短。
功能强大的网络连接:
每个CPU均标配PROFINET IO IRT(2端口的换机)标准接口。
集成技术:
通过标准化的块 (PLCopen) 连接模拟驱动器和具有PROFIdrive功能的驱动器;
支持速度控制轴和定位轴以及外部编码器,各轴之间可实现位置的传动,凸轮/凸轮轨道和探头;
追踪功能适用于所有 CPU 标签,既适用于实时诊断,也适用于偶发错误检测;还可通过 CPU的网页服务器来调用;
全面的控制功能,例如,通过便于组态的块可自动优化控制参数实现优控制质量。
集成安全功能:
通过密码进行知识保护,防止未经授权读取和修改程序块。
通过复制保护,可绑定 SIMATIC 存储卡的程序块和序列号:只有在将配置的存储卡插到 CPU 中时,该程序块才可运行。
4级授权理念:
与HMI设备的通信也会受到限制。
操作保护:
控制器可以识别工程组态数据的更改和未授权传输。
显示概览信息:
例如,站名称,工厂标识符,位置名称,诊断信息,模块信息,显示设置。
显示器上可能的操作:
设置 CPU 或所连接以太信处理器的地址、设置日期和时间、选择 CPU 的操作模式、复位 CPU 至默认设置、禁用/启用显示器、激活保护等级,确认消息,备份和恢复项目。
集成系统诊断:
显示屏上、TIA博途中、HMI 设备上以及 Web 服务器上以纯文本形式*显示系统诊断信息(甚至能显示来自变频器的消息),即使 CPU 处于停止模式也会进行更新。
集成在CPU的固件中,无须进行组态
SIMATIC 存储卡(用来运行 CPU),用作插入式装载存储器,或用于更新固件。还可用于存储附加文档或 csv 文件(用于配方和归档),通过用户程序的系统函数创建数据块实现数据存储/读取
数据记录(归档)和配方:
配方和归档以 csv 文件保存在 SIMATIC 存储卡中;
便于使用 Office 工具或通过 web 服务器,访问工厂运行数据。
通过网页浏览器或 SD 读卡器,可方便地访问机器的组态数据(与控制器之间的双向数据换)。
集成技术
*附加模块就可集成运动控制功能:
通过标准化的块 (PLCopen) 来连接模拟驱动器和 PROFIdrive 驱动器
运动控制功能支持速度控制轴、定位轴、相对同步操作(在没有位置同步规范的条件下实现同步)以及外部编码器、凸轮和探头。
CPU 技术中还集成了诸如同步操作(利用位置同步规范进行同步)凸轮系统等扩展的运动控制功能。
全面跟踪所有 CPU 标签,以进行实时诊断和间歇错误检测;
拥有有效调试和快速优化驱动器和控制装置
广泛的控制功能:
例如,可轻松组态的块可进行控制参数的自动优化以实现优控制质量
通过提供的工艺模块获得附加功能:
例如,高速计数、位置检测或高达 1 MHz 信号的测量
IO-link 规范的原则
根据 IO-link 规范,通信功能如下:
通信是通过长度不**过 20 m 的无屏蔽三线电缆进行的,电缆种类是通常用于标准传感器的电缆。
通过所谓 C/Q 电缆进行 0-24 V 范围的数字化通信
传输大多数值是来自包含这些单元的传感器的测量值。
传感器和执行器由 IO 设备描述 (IODD) 来描述。
原则上,只能将一个 IO-link 设备连接到主站的 IO-link 端口(点到点连接)。
IO-link 主站与各设备之间的传输速率如下:
通过 COM1:4 800 Bd
通过 COM2:38 400 Bd
通过 COM3:230 400 Bd
在 38400 Bd 传输速率下,读/写 16 个数据位的平均循环时间为 2 ms。
IO-link 协议
IO-link 协议支持标准 IO 模式 (SIO) 和 IO-link 通信模式 (COM)。
PLC在进行逻辑运算之前,必须对外部信号进行采样[8],若要实现指令的功能,首先要设置外部I/O在梯形图中的地址,系统才能够对用户程序中所使用的I/O地址与单片机的引脚地址相匹配。本设计在I/O设置对话框底层设计了如表1所示的数据处理函数。
3.2 USB通信
PDIUSBD12的固件设计成完全的中断驱动,当CPU处理前台任务时,USB的传输可在后台进行;后台中断服务程序和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件标志和数据缓冲区来实现。当PDIUSBD12从USB收到一个数据包,即对CPU产生一个中断请求,CPU立刻响应中断。在中断服务程序中,固件将数据包从PDIUSBD12内部缓冲区移到循环数据缓冲区,并将PDIUSBD12的内部缓冲区清零,以便接收新的数据包,使CPU可以继续执行当前的前台任务直到完成。本文利用PDIUSBD12的端点1进行命令的传输和应答,端点1每次接收计算机发送过来的8 B指令,其指令格式如表2所示。例如,接收到十六进制码52 01 00 03 00 07 00 50,表示读24C01器件从03字节开始的7个字节的数据。52H为R的ASCII码,57H为W的ASCII码。端点2用于数据的传输。
本文在了解PLC国内外研究状况以及其市场需求的基础上,提出了研发开放式PLC的概念,完成了PLC集成开发系统的C51模块实现方案的设计,将USB通信方式引入PLC领域,所设计的梯形图编辑器提供了梯形图编辑平台,实现了PLC的基本逻辑指令,完成计算机与控制器的USB通信。
(PLC)仍以国外产品为主,造成这种局面的一个重要原因是欧、美、日等发达工业国家掌握了PLC的核心技术,其硬软件技术对应用者来说完全是封闭的,使用者只能从应用的角度学习PLC,而不能参与PLC的开发[1-2]。近年来,IEC61131-3国际标准的颁布和实施为各PLC生产厂家提供了统一的软件开发准则,开放的高性能单片机技术的发展,为硬件开发提供了有效的物质基础[3]。在这样的背景下,研制开放的PLC系统无论对于科学研究还是促进PLC行业的发展都有积极的现实意义。
PLC是一种于工业控制的计算机,其硬件主要由处理器、存储器、输入/输出接口等组成
开放式PLC硬件结构采用CPU+模块+接口构成,各个接口都按标准设计,大大提高了PLC的开放性,使其能方便地与大系统连接。编程语言遵循国际标准IEC61131-3,并将基于PC的编程软件作为PLC编程工具。系统硬件部分采用高性能51内核处理器STC89C51,其为模块化设计,采用滤波、隔离电路,以降低成本。主要电路有:微控制器STC89C51RC、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路、RS232通信接口电路、电源电路、时钟复位电路和USB通信接口电路等
CPU 1518-4 PN/DP,3 MB 程序,10 MB 数据, 集成3PN,1DP6ES7517-3AP00-0AB0
CPU 1517-3 PN/DP, 2MB程序,集成 2PN 接口,1 以太网接口,1DP 接口6ES7516-3AN00-0AB06ES7516-3AN01-0AB0CPU 1516-3 PN/DP:1 MB 程序,5 MB 数据;10 ns ;集成 2PN 接口,1 以太网接口,1DP 接口6ES7515-2AM00-0AB06ES7515-2AM01-0AB0CPU 1515-2 PN ,500K程序,3M数据,集成 2PN接口6ES7513-1AL00-0AB06ES7513-1AL01-0AB0CPU 1513-1 PN:300 KB 程序,1.5 MB 数据;40 ns;集成 2PN 接口,6ES7511-1AK00-0AB06ES7511-1AK01-0AB0CPU 1511-1 PN:150 KB 程序,1 MB 数据;60 ns;集成 2PN 接口,6ES7512-1DK00-0AB06ES7512-1DK01-0AB0CPU 1512SP-1 PN, 200KB 程序,1MB数据6ES7510-1DJ00-0AB06ES7510-1DJ01-0AB0CPU 1510SP-1 PN, 100KB 程序,750KB数据6ES7507-0RA00-0AB0
PS:60 W,额定输入电压 AC/DC 120/230 V6ES7505-0RA00-0AB0
PS:60 W, 额定输入电压 DC 24/48/60 V6ES7505-0KA00-0AB0
PS:25 W,额定输入电压 DC 24 V6ES7532-5HF00-0AB0
AQ 8:模拟输出模块,8AQ,U/I ,高速6ES7532-5NB00-0AB0
根据设备及工艺要求,包装输送系统采用上位机和下位机组成,上位机使用两台PC机:一台作为操作站实现整个系统的和数据检测;另一台作为站完成组态软件的设计与开发、PLC程序的开发以及将软件通过PROFIBUS[2]总线传送至PLC的CPU单元。下位机采用功能强大、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器西门子S7-300系列PLC完成对设备的控制功能,且下位机分为两个机架分别放置于包装库和散库。散库机架与包装室机架的S7-300构成PROFIBUS-DP网络结构。系统硬件结构配置如图2所示,其具体组成如下。
(1)控制单元
控制单元选用CPU315-2DP[3]作为PLC的核心部件,进行逻辑和数字运算,协调整个控制系统各部分的工作。
(2)电源单元
电源单元采用1:1隔离变压器进行对PLC的220V交流开关量输入卡件进行供电,采用SITOP电源对PLC的24V开关量输出卡件供电。自带的PS-307/5A直流电源对CPU和部分卡件进行供电。
6ES7518-4AP00-0AB0
CPU 1518-4 PN/DP,3 MB 程序,10 MB 数据, 集成3PN,1DP6ES7517-3AP00-0AB0
CPU 1517-3 PN/DP, 2MB程序,集成 2PN 接口,1 以太网接口,1DP 接口6ES7516-3AN00-0AB06ES7516-3AN01-0AB0CPU 1516-3 PN/DP:1 MB 程序,5 MB 数据;10 ns ;集成 2PN 接口,1 以太网接口,1DP 接口6ES7515-2AM00-0AB06ES7515-2AM01-0AB0CPU 1515-2 PN ,500K程序,3M数据,集成 2PN接口6ES7513-1AL00-0AB06ES7513-1AL01-0AB0CPU 1513-1 PN:300 KB 程序,1.5 MB 数据;40 ns;集成 2PN 接口,6ES7511-1AK00-0AB06ES7511-1AK01-0AB0CPU 1511-1 PN:150 KB 程序,1 MB 数据;60 ns;集成 2PN 接口,6ES7512-1DK00-0AB06ES7512-1DK01-0AB0CPU 1512SP-1 PN, 200KB 程序,1MB数据6ES7510-1DJ00-0AB06ES7510-1DJ01-0AB0CPU 1510SP-1 PN, 100KB 程序,750KB数据6ES7507-0RA00-0AB0
PS:60 W,额定输入电压 AC/DC 120/230 V6ES7505-0RA00-0AB0
PS:60 W, 额定输入电压 DC 24/48/60 V6ES7505-0KA00-0AB0
PS:25 W,额定输入电压 DC 24 V6ES7532-5HF00-0AB0
AQ 8:模拟输出模块,8AQ,U/I ,高速6ES7532-5NB00-0AB0
AQ 2: 模拟输出模块,2 AQXU/I ,标准型,25mm,包含前连接器6ES7532-5HD00-0AB0
AQ 4:模拟输出模块,4AQ,U/I6ES7531-7NF10-0AB0
AI 8:模拟输入模块,8AI,U/I,高速6ES7531-7QD00-0AB0
AI 4: 模拟输出模块: XU/I/RTD/TC ST, 25mm,包含前连接器6ES7531-7KF00-0AB0
AI 8:模拟输入模块,8AI,U/I/RTD/TC6ES7534-7QE00-0AB0
AI4/AQ2:模拟量输入/输出模块4AI,2AO,标准型,25mm,包含前连接器6ES7523-1BL00-0AA0
DI/DQ 16X24CDV/16X24VDC/0.5A BA,包含前连接器.6ES7522-5HF00-0AB0
DQ 8:数字输出模块,8DQ,继电器,230 V AC/ 5A6ES7522-5FF00-0AB0
DQ 8:数字输出模块,8DQ,可控硅,230V AC/ 2A6ES7522-1BL00-0AB0
DQ 32:数字输出模块,32DQ,晶体管,24 V DC/ 0.5A6ES7522-1BH00-0AB0
DQ 16:数字输出模块,16DQ,晶体管,24 V DC/ 0.5A6ES7522-1BF00-0AB0
DQ 8:数字输出模块,高性能 8DQ,晶体管,24V DC/2A6ES7522-1BL10-0AA0
DQ 32x24VDC/0.5A BA,包含前连接器
一个 IO-link 主机
IO-link 主站是与上位控制系统的接口。IO-link 主站本身在现场总线上显示为普通现场总线节点,并通过相关设备描述(如 GSD 文件)集成到相应网络组态工具中。
IO 设备描述 (IODD)
IO-link 设备描述 (IODD) 为直至 IO-link 设备的系统特性进行全面而透明的描述。
IODD 包含有关通信特性、设备参数、标识、过程和诊断数据的信息,它由厂商来提供。IODD 的设计对于所有厂商的所有设备是相同的,总是由 IODD 解释工具以相同方式来表示。这样即可确保无论厂商是谁,所有 IO-link 设备的处理方式相同。
IO-link 规范 V1.1 中的新增功能
IO-link 规范的当前版本是 V1.1,目前已按照 IEC 61131‑9 实现标准化。
与以前的规范 V1.0 相比,规范 V1.1 提供了以下新功能:
在一个周期内传输多 32 字节过程数据
参数服务器功能
IO-link 输入模块
使用 IO-link 技术,有可能将标准传感器连接到 IO-link 主机。 但是,将标准传感器直接连接到 IO-link 主机无法发挥 IO-link 的全部潜力。
解决方案依赖于 IO-link 模块的技术。 与直接连接传感器相比,它们的使用更加经济,是一种具有吸引力的解决方案。
IO‑link 输入模块是对 ET 200S 分布式 I/O 产品的合理补充。 IO‑link 输入模块技术通过面向分散结构的纯粹点对点电缆连接,对 IO‑link 进行增强。 IO‑link 模块与 IO‑link 主站之间 IO‑link 连接的大电缆长度为 20 m。*再使用接线复杂且易出错的传感器盒。
参数和诊断信号的传输
使用 IO-link 输入模块,还可以传输参数和诊断信号。 例如,这可以通过 IO-link 将模块的输入端参数化为 NC 触点或 NO 触点。 通过 IO-link 主机向控制系统发送传感器电源过载或短路的信号。
M8 和 M12 端子
M8 和 M12 端子用来连接传感器。 使用标准的 M12 连接电缆建立 IO-link 主机连接。
使用 IO-link 输入模块的好处:
创新的 IO-link 技术对于二元传感器也很经济
利用 IO-link 主站的所有端口
可以将多个二元传感器/执行器连接到 IO-link 主机的一个端口,因此,通过 IO-link 也可以较低的成本将二元传感器/执行器连接到控制系统。
减少站的数字量输入模块数
参数也可用于二元传感器(例如,可以参数化 NC 触点、NO 触点和输入延迟)
通过省去传感器盒,减少接线,因而降低接线错误风险
使用纯点对点接线,扩展分布式结构
在 IO-link 主站周围 20 m 半径范围内轻松、美观地集成传感器,例如:在 ET 200 站中
可以传输参数和诊断信号(例如,传感器电源过载)
由于紧凑的设计和高的防护等级 IP67,即使在苛刻的环境条件下也可使用。
IO-link I/O 模块特别适用于到目前为止将被动配电盘用于二元传感器连接的环境。
西门子S7-1500控制器提供了更高性能,位指令的处理时间低至1ns,浮点运算的指令处理时间低至10ns(取决于CPU类型,这在一次上市发布的产品中是不可能的)。背板总线的速度是S7-400PLC的40倍;由于代码生成得到优化,CPU的响应速度与现有控制器的CPU相比更快。
每个CPU都配有一个PROFINETIO(2端口 交换机)标准接口。CPU1516-3PN/DP另外还具有一个集成PROFINET基本接口,例如,可用于网络隔离。
除集成接口外,每个西门子S7-1500控制器还可通过通信模块或通信处理器进行扩展。这样就提供了很多其它连接方法,例如,通过PROFIBUS进行连接,通过以太网进行连接,或通过采用协议USS或ModbusRTU的串行接口进行连接。
CPU 1516-3 PN/DP 是具有较大容量程序及数据存储器的 CPU,适用于除集中式 I/O 外还包含分布式自动化结构的应用中要求十分苛刻的任务。
可被用作 PROFINET IO 控制器或分布智能系统(PROFINET 智能设备)。集成式 PROFINET IO IRT 接口设计为 2-端口 交换机以便在系统中设立总线型拓扑。
附加的集成 PROFINET 接口,具有单的 IP 地址,可用于网络分离等。
分布式 I/O 可通过 PROFIBUS 以及集成 PROFIBUS 接口进行连接。
另外,CPU 还提供全面的控制功能,并能够通过标准化的 PLC-open 块连接变频器。
Design
CPU 1516-3 PN/DP 的配置如下:
功能强大的处理器:
CPU 处理每条二进制指令时间小于 10 ns。
大容量工作存储器:
1 MB 用于程序,5 MB 用于数据
SIMATIC 存储卡作为装载存储器;
具有数据记录和归档等附加功能
灵活的扩展能力:
单层配置,有多 32 个模块(CPU + 31个模块)
显示器的功能为:
显示概览信息,如站名称、上层名称、地址名称等。
诊断信息显示
模块信息显示
显示器设置显示
IP 地址设置
日期和时间设置
选择操作模式
复位 CPU 至出厂设置
禁用/启用显示屏
启用保护级别
PROFINET IO IRT 接口用于通过 PROFINET 进行分布式 I/O 连接
PROFINET 接口用于网络分离
PROFIBUS DP 接口用于通过 PROFIBUS 进行分布式 I/O 连接
由于电镀自动生产线上有三台行车同时自动工作,所以系统采用了三台PLC和三台变频器,一台PLC和一台变频器控制一台行车;PLC选用的是三菱公司FX2n-48MR系列可编程控制器,变频器选用的是三垦公司ES-0.75K。行车在工作时通常都悬挂着电镀工件,如果行车在起动和停止的过程中速度太快或不够平稳,则悬挂的工件就容易掉下挂具,因此行车的速度用变频器控制使之可调,根据电镀生产线的实际情况,行车设计有快速、中速和慢速三种运行速度,频率分别设定为80Hz,40Hz和13Hz,行车作自动运行时,PLC通过检测安装在行车上的传感器的各种信号,向变频器发出指令,行车以慢速起动,运行平稳后就转人中速然后快速运行,在停止前,行车由快速转人中速,然后以慢速运行直至行车准确停在目标镀槽位置上;行车由慢速转中速转快速,再由快速转中速后转慢速,可以通过调整变频器的加、减速时间曲线平稳过渡。
行车动作步数显示主要是用于显示电镀工艺的执行过程,由PLC的输出口通过七段译码电路4511连接LED数码管显示,根据不同的电镀工艺要求,每台行车的动作步数从0步开始至几十步上百步不等,具体由PLC程序软件编制。
每台行车上安装有五个传感器,选用的是OMRON公司的电感式接近开关,其主要作用是负责行车上、下工件定位、镀槽定位以及行车运行过程向PLC发出变速信号等。
行车控制信号是通过外部的开关、按钮、按键等与PLC的输入端口连接,包括三台行车的联动控制和单台行车控制;单台行车控制只能控制本台的行车,不能控制另外的两台行车,单台行车控制设计有手动操作和自动运行模式选择、单周期和循环运行模式选择、紧急暂停以及行车程序动作步数的任意设定;联动控制设计有运行和复位操作按钮以及工艺选择,可以使三台行车自动、同步、循环不断地工作,可以选择不同的电镀工艺以镀出不同的工艺品种。
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