2.2 S7-1200 PLC常用模块及其接线
S7-1200 PLC的硬件主要包括电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块和信号板（CB和SB）。S7-1200 PLC最多可以扩展8个信号模块和3个通信模块，最大本地数字I/O点数为284个，最大本地模拟I/O点数为69个。S7-1200 PLC外形如图2-1所示，通信模块安装在CPU模块的左侧，信号模块安装在CPU模块的右侧，西门子早期的PLC产品，扩展模块只能安装在CPU模块的右侧。
图2-1 S7-1200 PLC外形
2.2.1 S7-1200 PLC的CPU模块及接线
S7-1200 PLC的CPU模块是S7-1200 PLC系统中最核心的成员。目前，S7-1200 PLC的CPU有5类：CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C和CPU 1217C。每类CPU模块又细分三种规格：DC/DC/DC、DC/DC/RLY和AC/DC/RLY，印刷在CPU模块的外壳上。其含义如图2-2所示。
AC/DC/RLY的含义是：CPU模块的供电电压是交流电，范围为120～240VAC；输入电源是直流电源，范围为20.4～28.8VDC；输出形式是继电器输出。
（1）CPU模块的外部介绍
S7-1200 PLC的CPU模块将微处理器、集成电源、模拟量I/O点和多个数字量I/O点集成在一个紧凑的盒子中，形成功能比较强大的S7-1200系列微型PLC，如图2-3所示。以下按照图中序号为顺序介绍其外部的各部分的功能。
图2-2 细分规格含义
图2-3 S7-1200 PLC的CPU外形
①电源接口。用于向CPU模块供电的接口，有交流和直流两种供电方式。
②存储卡插槽。位于上部保护盖下面，用于安装SIMATIC存储卡。
③接线连接器。也称为接线端子，位于保护盖下面。接线连接器具有可拆卸的优点，便于CPU模块的安装和维护。
④板载I/O的状态LED。通过板载I/O的状态LED指示灯（绿色）的点亮或熄灭，指示各输入或输出的状态。
⑤集成以太网口（PROFINET连接器）。位于CPU的底部，用于程序下载、设备组网。这使得程序下载更加方便快捷，节省了购买专用通信电缆的费用。
⑥运行状态LED。用于显示CPU的工作状态，如运行状态、停止状态和强制状态等，详见下文介绍。
（2）CPU模块的常规规范
要掌握S7-1200 PLC的CPU的具体技术性能，必须要查看其常规规范，见表2-2。
表2-2 S7-1200 PLC的CPU常规规范
（3）S7-1200 PLC的指示灯
①S7-1200 PLC的CPU状态LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU上有三盏状态LED，分别是STOP/RUN、ERROR和MAINT，用于指示CPU的工作状态，其亮灭状态代表一定的含义见（表2-3）。
表2-3 S7-1200 PLC的CPU状态LED含义
②通信状态的LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU还配备了两个可指示PROFINET通信状态的LED指示灯。打开底部端子块的盖子可以看到这两个LED指示灯，分别是Link和Rx/Tx，其点亮的含义如下：
• Link（绿色）点亮，表示通信连接成功；
• Rx/Tx（黄色）点亮，表示通信传输正在进行。
③通道LED指示灯 S7-1200 PLC的CPU和各数字量信号模块（SM）为每个数字量输入和输出配备了I/O通道LED指示灯。通过I/O通道LED指示灯（绿色）的点亮或熄灭，指示各输入或输出的状态。例如Q0.0通道LED指示灯点亮，表示Q0.0线圈得电。
（4）CPU的工作模式
CPU有以下三种工作模式：STOP模式、STARTUP模式和RUN模式。CPU前面的状态LED指示当前工作模式。
①在STOP模式下，CPU不执行程序，但可以下载项目。
②在STARTUP模式下，执行一次启动OB（如果存在）。在启动模式下，CPU不会处理中断事件。
③在RUN模式，程序循环OB重复执行。可能发生中断事件，并在RUN模式中的任意点执行相应的中断事件OB。可在RUN模式下下载项目的某些部分。
CPU支持通过暖启动进入RUN模式。暖启动不包括储存器复位。执行暖启动时，CPU会初始化所有的非保持性系统和用户数据，并保留所有保持性用户数据值。
存储器复位将清除所有工作存储器、保持性及非保持性存储区、将装载存储器复制到工作存储器并将输出设置为组态的“对CPU STOP的响应”（Reaction to CPU STOP）。
存储器复位不会清除诊断缓冲区，也不会清除永久保存的IP地址值。
注意：目前S7-1200/1500 CPU仅有暖启动模式，而部分S7-400 CPU有热启动和冷启动。
（5）CPU模块的接线
S7-1200 PLC的CPU规格虽然较多，但接线方式类似，因此本书仅以CPU 1215C为例进行介绍，其余规格产品请读者参考相关手册。
①CPU 1215C（AC/DC/RLY）的数字量输入端子的接线 S7-1200 PLC的CPU数字量输入端接线与三菱的FX系列的PLC的数字量输入端接线不同，后者不必接入直流电源，其电源可以由系统内部提供，而S7-1200 PLC的CPU输入端则必须接入直流电源。
下面以CPU 1215C（AC/DC/RLY）为例介绍数字量输入端的接线。“1M”是输入端的公共端子，与24V DC电源相连，电源有两种连接方法，对应PLC的NPN型和PNP型接法。当电源的负极与公共端子相连时，为PNP型接法，如图2-4所示，“N”和“L1”端子为交流电的电源接入端子，输入电压范围为120～240V AC，为PLC提供电源。“M”和“L+”端子为24V DC的电源输出端子，可向外围传感器提供电源。
图2-4 CPU 1215C输入端子的接线（PNP）
②CPU 1215C（DC/DC/RLY）的数字量输入端子的接线 而当电源的正极与公共端子1M相连时，为NPN型接法，其输入端子的接线如图2-5所示。
图2-5 CPU 1215C输入端子的接线（NPN）
注意：在图2-5中，有两个“L+”和两个“M”端子，有箭头向CPU模块内部指向的“L+”和“M”端子是向CPU供电电源的接线端子，有箭头向CPU模块外部指向的“L+”和“M”端子是CPU向外部供电的接线端子，切记两个“L+”不要短接，否则容易烧毁CPU模块内部的电源。
初学者往往不容易区分PNP型和NPN型的接法，经常混淆，若读者掌握以下的方法，就不会出错。把PLC作为负载，以输入开关（通常为接近开关）为对象，若信号从开关流出（信号从开关流出，向PLC流入），则PLC的输入为PNP型接法；把PLC作为负载，以输入开关（通常为接近开关）为对象，若信号从开关流入（信号从PLC流出，向开关流入），则PLC的输入为NPN型接法。三菱的FX2系列PLC只支持NPN型接法。
【例2-1】 有一台CPU 1215C（AC/DC/RLY），输入端有一只三线PNP接近开关和一只二线PNP接近开关，应如何接线？
解 对于CPU 1215C（AC/DC/RLY），公共端接电源的负极。而对于三线PNP接近开关，只要将其正、负极与电源的正、负极相连，将信号线与PLC的“I0.0”相连即可；而对于二线PNP接近开关，只要将电源的正极与其正极相连，将信号线与PLC的“I0.1”相连即可，如图2-6所示。
③CPU 1215C（DC/DC/RLY）的数字量输出端子的接线 CPU 1215C的数字量输出有两种形式，一种是24V直流输出（即晶体管输出），另一种是继电器输出。标注为“CPU 1215C（DC/DC/DC）”的含义是：第一个DC表示供电电源电压为24V DC，第二个DC表示输入端的电源电压为24V DC，第三个DC表示输出为24V DC，在CPU的输出点接线端子旁边印刷有“24V DC OUTPUTS”字样，含义是晶体管输出。标注为“CPU 1215C（AC/DC/RLY）”的含义是：AC表示供电电源电压为120～240V AC，通常用220V AC，DC表示输入端的电源电压为24V DC，“RLY”表示输出为继电器输出，在CPU的输出点接线端子旁边印刷有“RELAY OUTPUTS”字样，含义是继电器输出。
CPU 1215C输出端子的接线（继电器输出）如图2-7所示。可以看出，输出是分组安排的，每组既可以是直流电源，也可以是交流电源，而且每组电源的电压大小可以不同，接直流电源时，CPU模块没有方向性要求。
图2-6 例2-1输入端子的接线
图2-7 CPU 1215C输出端子的接线——继电器输出
在给CPU进行供电接线时，一定要注意分清是哪一种供电方式，如果把220V AC接到24V DC供电的CPU上，或者不小心接到24V DC传感器的输出电源上，都会造成CPU的损坏。
④CPU 1215C（DC/DC/DC）的数字量输出端子的接线 目前24V直流输出只有一种形式，即PNP型输出，也就是常说的高电平输出，这点与三菱FX系列PLC不同，三菱FX系列PLC（FX3U除外，FX3U有PNP型和NPN型两种可选择的输出形式）为NPN型输出，也就是低电平输出，理解这一点十分重要，特别是利用PLC进行运动控制（如控制步进电动机）时，必须考虑这一点。
CPU 1215C输出端子的接线（晶体管输出）如图2-8所示，负载电源只能是直流电源，且输出高电平信号有效，因此是PNP输出。
⑤CPU 1215C的模拟量输入/输出端子的接线 CPU 1215C模块集成了两个模拟量输入通道和两个模拟量输出通道。模拟量输入通道的量程范围是0～10V，模拟量输出通道的量程范围是0～20mA。
CPU 1215C的模拟量输入/输出端子的接线如图2-9所示。左侧的方框
代表模拟量输出的负载，常见的负载是变频器或各种阀门。右侧的圆框
代表模拟量输入，一般与各类模拟量的传感器或变送器相连接，圆框中的“+”和“-”代表传感器的正信号端子和负信号端子。
图2-8 CPU 1215C输出端子的接线——晶体管输出（PNP）
图2-9 模拟量输入/输出端子的接线
注意：应将未使用的模拟量输入通道短路。
2.2.2 S7-1200 PLC数字量扩展模块及接线
S7-1200 PLC的数字量扩展模块比较丰富，包括数字量输入模块（SM1221）、数字量输出模块（SM1222）、数字量输入/直流输出模块（SM1223）和数字量输入/交流输出模块（SM1223）。以下将介绍几个典型的扩展模块。
（1）数字量输入模块（SM1221）
①数字量输入模块（SM1221）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输入模块有多个规格，其部分典型模块的技术规范见表2-4。
表2-4 数字量输入模块（SM1221）的技术规范
②数字量输入模块（SM1221）的接线 数字量输入模块有专用的插针与CPU通信，并通过此插针由CPU向扩展输入模块提供5V DC的电源。SM1221数字量输入模块的接线如图2-10所示，可以为PNP输入，也可以为NPN输入。
图2-10 数字量输入模块（SM1221）的接线
（2）数字量输出模块（SM1222）
①数字量输出模块（SM1222）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输出模块有十多个规格，其典型模块的技术规范见表2-5。
表2-5 数字量输出模块（SM1222）的技术规范
图2-11 数字量输出模块（SM1222）的接线
②数字量输出模块（SM1222）的接线 SM1222数字量继电器输出模块的接线如图2-11（a）所示，L+和M端子是模块的24V DC供电接入端子，而1L和2L可以接入直流和交流电源，给负载供电，这点要特别注意。可以发现，数字量输入输出扩展模块的接线与CPU的数字量输入输出端子的接线是类似的。
SM1222数字量晶体管输出模块的接线如图2-11（b）所示，只能为PNP输出。
（3）数字量输入/直流输出模块（SM1223）
①数字量输入/直流输出模块（SM1223）的技术规范 目前S7-1200 PLC的数字量输入/直流输出模块有十多个规格，其典型模块的技术规范见表2-6。
表2-6 数字量输入/直流输出模块（SM1223）的技术规范
②数字量输入/直流输出模块（SM1223）的接线 有的资料将数字量输入/输出模块（SM1223）称为混合模块。数字量输入/直流输出模块既可是PNP输入也可是NPN输入，根据现场实际情况决定。根据不同的工况，可以选择继电器输出或者晶体管输出。在图2-12（a）中，输入为PNP输入（也可以改换成NPN输入），但输出只能是PNP输出，不能改换成NPN输出。
在图2-12（b）中，输入为NPN输入（也可以改换成PNP输入），输出只能是继电器输出，输出的负载电源可以是直流或者交流电源。
图2-12 数字量输入/直流输出模块（SM1223）的接线
2.2.3 S7-1200 PLC模拟量模块
S7-1200 PLC模拟量模块包括模拟量输入模块（SM1231）、模拟量输出模块（SM1232）、热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）和模拟量输入/输出模块（SM1234）。
2.2.3.1 模拟量输入模块（SM1231）
（1）模拟量输入模块（SM1231）的技术规范
目前S7-1200 PLC的模拟量输入模块（SM1231）有多个规格，其典型模块的技术规范见表2-7。
表2-7 模拟量输入模块（SM1231）的技术规范
（2）模拟量输入模块（SM1231）的接线
S7-1200 PLC的模拟量输入模块主要用于处理电流或者电压信号。模拟量输入模块SM1231的接线如图2-13所示，通道0和1不能同时测量电流和电压信号，只能二选其一；通道2和3也是如此。信号范围：±10V、±5V、±2.5V和0～20mA；满量程数据字格式：-27648～+27648，这点与S7-300/400 PLC相同，但不同于S7-200 PLC。
图2-13 模拟量输入模块（SM1231）的接线
模拟量输入模块有两个参数容易混淆，即模拟量转换的分辨率和模拟量转换的精度（误差）。分辨率是AD模拟量转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。若模拟量模块的转换分辨率是12位，能够反映模拟量变化的最小单位是满量程的1/4096。模拟量转换的精度除了取决于AD转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于AD芯片的转换误差。
当模拟量的扩展模块正常状态时，LED指示灯为绿色显示，而当为供电时，为红色闪烁。
使用模拟量模块时，要注意以下问题。
①模拟量模块有专用的插针接头与CPU通信，并通过此电缆由CPU向模拟量模块提供5V DC的电源。此外，模拟量模块必须外接24V DC电源。
②每个模块能同时输入/输出电流或者电压信号，对于模拟量输入的电压或者电流信号选择和量程的选择都是通过软件组态选择，如图2-14所示，模块SM1231的通道0设定为电压信号，量程为±2.5V。而S7-200的信号类型和量程是由DIP开关设定。
图2-14 SM1231信号类型和量程选择
双极性就是信号在变化的过程中要经过“零”，单极性不过零。由于模拟量转换为数字量是有符号整数，所以双极性信号对应的数值会有负数。在S7-1200 PLC中，单极性模拟量输入/输出信号的数值范围是0～27648；双极性模拟量信号的数值范围是-27648～27648。
③对于模拟量输入模块，传感器电缆线应尽可能短，而且应使用屏蔽双绞线，导线应避免弯成锐角。靠近信号源屏蔽线的屏蔽层应单端接地。
④一般电压信号比电流信号容易受干扰，应优先选用电流信号。电压型的模拟量信号由于输入端的内阻很高，极易引入干扰。一般电压信号是用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。电流型信号不容易受到传输线沿途的电磁干扰，因而在工业现场获得广泛的应用。电流信号可以传输比电压信号远得多的距离。
⑤前述的CPU和扩展模块的数字量的输入点和输出点都有隔离保护，但模拟量的输入和输出则没有隔离。如果用户的系统中需要隔离，则需另行购买信号隔离器件。
⑥模拟量输入模块的电源地和传感器的信号地必须连接（工作接地），否则将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值，测量结果可能是一个变动很大的不稳定的值。
⑦西门子的模拟量模块的端子排是上下两排分布，容易混淆。在接线时要特别注意，先接下面的端子的线，再接上面端子的线，而且不要弄错端子号。
2.2.3.2 模拟量输出模块（SM1232）
（1）模拟量输出模块（SM1232）的技术规范
目前S7-1200 PLC的模拟量输出模块（SM1232）有多个规格，其典型模块的技术规范见表2-8。
表2-8 模拟量输出模块（SM1232）的技术规范
（2）模拟量输出模块（SM1232）的接线
模拟量输出模块SM1232的接线如图2-15所示，两个通道的模拟输出电流或电压信号，可以按需要选择。信号范围：±10V、0～20mA和4～20mA；满量程数据字格式：-27648～+27648，这点与S7-300/400PLC相同，但不同于S7-200PLC。
图2-15 模拟量输出模块SM1232的接线
2.2.3.3 热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）
（1）热电偶和热电阻模拟量输入模块（SM1231）的技术规范
如果没有热电偶和热电阻模拟量输入模块，那么也可以使用前述介绍的模拟量输入模块测量温度，工程上通常需要在模拟量输入模块和热电阻或者热电偶之间加专用变送器。目前S7-1200 PLC的热电偶和热电阻模拟量输入模块有多个规格，其典型模块的技术规范见表2-9。
表2-9 热电偶和热电阻模拟量输入模块的技术规范
（2）热电偶模拟量输入模块（SM1231）的接线
限于篇幅，本书只介绍热电偶模拟量输入模块的接线，如图2-16所示。
图2-16 热电偶模拟量输入模块（SM1231）的接线
2.2.4 S7-1200 PLC信号板及接线
S7-1200 PLC的CPU上可安装信号板，S7-200/300/400 PLC没有种信号板。目前有模拟量输入板、模拟量输出板、数字量输入板、数字量输出板、数字量输入/输出板和通信板，以下分别介绍。
（1）数字量输入板（SB1221）
数字量输入板安装在CPU模块面板的上方，节省了安装空间，其接线如图2-17所示，目前只能采用NPN输入接线，其电源可以是24V DC或者5V DC。HSC时钟输入最大频率，单相200kHz，正交相位160kHz。
（2）数字量输出板（SB1222）
数字量输出板安装在CPU模块面板的上方，节省了安装空间，其接线如图2-18所示。目前只能采用PNP输出方式，其电源可以是24V DC或者5V DC。脉冲串输出频率：最大200kHz，最小2Hz。
图2-17 数字量输入板（SB1221）的接线
图2-18 数字量输出板（SB1222）的接线
（3）数字量输入/输出板（SB1223）
数字量输入/输出板（SB1223）是2个数字量输入点和2个数字量输出点，输入点只能是NPN输入，输出点是PNP输出，其电源可以是24V DC或者5V DC。数字量输入/输出板的接线如图2-19所示。
（4）模拟量输入板（SB1231）
模拟量输入板（SB1231）的量程范围为±10V、±5V、±2.5V和0～20mA。模拟量输入板的接线如图2-20所示。
图2-19 数字量输入/输出板（SB1223）的接线
图2-20 模拟量输入板（SB1231）的接线
（5）模拟量输出板（SB1232）
模拟量输出板（SB1232）只有一个输出点，由CPU供电，不需要外接电源。输出电压或者电流，其范围是电流0～20mA，对应满量程为0～27648，电压范围是±10V，对应满量程为-27648～27648。模拟量输出板（SB1232）的接线如图2-21所示。
图2-21 模拟量输出板（SB1232）的接线
图2-22 通信板（CB1241）的接线
（6）通信板（CB1241）
通信板（CB1241）可以作为RS-485模块使用，它集成的协议有：自由端口、ASCII、Modbus和USS。通信板（CB1241）的接线如图2-22所示。自由口通信一般与第三方设备通信时采用，而USS通信则是西门子PLC与西门子变频器专用的通信协议。
2.2.5 S7-1200 PLC通信模块
S7-1200 PLC通信模块安装在CPU模块的左侧，而一般扩展模块安装在CPU模块的右侧。
S7-1200 PLC通信模块规格较为齐全，主要有串行通信模块CM1241、紧凑型交换机模块CSM1277、PROFIBUS-DP主站模块CM1243-5、PROFIBUS-DP从站模块CM1242-5、GPRS模块CP1242-7和I/O主站模块CM1278。S7-1200 PLC通信模块的基本功能见表2-10。
表2-10 S7-1200 PLC通信模块的基本功能
注意：本节讲解的通信模块不包含上节的通信板。
2.2.6 其他模块
（1）电源模块（PM1207）
电源模块（PM1207）是S7-1200 PLC系统中的一员，为S7-1200 PLC提供稳定电源，其输入为120/230VAC（自动调整输入电压范围），输出为24V DC/2.5 A。
（2）存储卡
存储卡可以组态为多种形式。
①程序卡。将存储卡作为CPU的外部装载存储器，可以提供一个更大的装载存储区。
②传送卡。复制一个程序到一个或多个CPU的内部装载存储区而不必使用STEP 7 Basic编程软件。
③固件更新卡。更新S7-1200 CPU固件版本（对V3.0及之后的版本不适用）。
此外，还有TS模块和仿真模块，限于篇幅，在此不再赘述。