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SIEMENS 長(zhǎng)沙豪乾智能科技有限公司
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SIMATIC S7-300 提供多種性能等級(jí)的 CPU。除了標(biāo)準(zhǔn)型 CPU 外，還提供緊湊型 CPU。
同時(shí)還提供技術(shù)功能型 CPU 和故障安全型 CPU。
下列標(biāo)準(zhǔn)型CPU 可以提供：
下列緊湊型CPU 可以提供：
下列技術(shù)型CPU 可以提供：
下列故障安全型CPU 可以提供：
MATIC S7-1500 中提供一種更為全面的安全保護(hù)機(jī)制，包括授權(quán)級(jí)別、模塊保護(hù)以及通信的完整性等各個(gè)方面。“信息安全集成”機(jī)制除了可以確保投資安全，而且還可持續(xù)提高系統(tǒng)的可用性。
專有技術(shù)保護(hù)
加密算法可以有效防范未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。這樣可以避免機(jī)械設(shè)備被仿造，從而確保了投資安全。
防拷貝保護(hù)
可通過綁定SIMATIC 存儲(chǔ)卡或CPU 的序列號(hào)，確保程序無法在其它設(shè)備中運(yùn)行。
這樣程序就無法拷貝，而且只能在指定的存儲(chǔ)卡或CPU 上運(yùn)行。
訪問保護(hù)功能提供一種全面的安全保護(hù)功能，可防止未經(jīng)授權(quán)的項(xiàng)目計(jì)劃更改。采用為各用戶組分別設(shè)置訪問密碼，確保具有不同級(jí)別的訪問權(quán)限。此外，安全的CP 1543-1 模塊的使用，更是加強(qiáng)了集成防火墻的訪問保護(hù)。
系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)娇刂破鞯臄?shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，防止對(duì)其進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的訪問?？刂破骺梢宰R(shí)別發(fā)生變更的工程組態(tài)數(shù)據(jù)或者來自陌生設(shè)備的工程組態(tài)數(shù)據(jù)。
SIMATIC S7-1500 中集成有診斷功能，無需再進(jìn)行額外編程。統(tǒng)一的顯示機(jī)制可將故障信息以文本方式顯示在TIA博途、HMI、Web server和CPU 的顯示屏上。
一鍵生成診斷信息
只需簡(jiǎn)單一擊，無需額外編程操作，既可生成系統(tǒng)診斷信息。整個(gè)系統(tǒng)中集成有包含軟硬件在內(nèi)的所有診斷信息。
統(tǒng)一的顯示機(jī)制
無論是在本地還是通過Web 遠(yuǎn)程訪問，文本信息和診斷信息的顯示都完全相同，從而確保所有層級(jí)上的投資安全。
接線端子/ LED 標(biāo)簽的1:1 分配
在測(cè)試、調(diào)試、診斷和操作過程中，通過對(duì)端子和標(biāo)簽進(jìn)行快速便捷的顯示分配，節(jié)省了大量操作時(shí)間。
通道級(jí)的顯示機(jī)制
發(fā)生故障時(shí)，可快速準(zhǔn)確地識(shí)別受影響的通道，從而縮短了停機(jī)時(shí)間，并提高了工廠設(shè)備的可用性。
TRACE 功能
TRACE 功能適用于所有CPU，不僅增強(qiáng)了用戶程序和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)還極大優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)裝置的性能
SIMATIC S7-1500 中可將運(yùn)動(dòng)控制功能直接集成到PLC 中，而無需使用其它模塊。通過PLCopen 技術(shù)，控制器可使用標(biāo)準(zhǔn)組件連接支持PROFIdrive 的各種驅(qū)動(dòng)裝置。此外，SIMATIC S7-1500 還支持所有CPU 變量的TRACE 功能，提高了調(diào)試效率的同時(shí)優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)和控制器的性能。TRACE 功能適用于所有CPU，不僅增強(qiáng)了用戶程序和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用診斷的準(zhǔn)確性，同時(shí)還極大優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)裝置的性能。運(yùn)動(dòng)控制功能通過運(yùn)動(dòng)控制功能可連接各種模擬量驅(qū)動(dòng)裝置以及支持PROFIdrive 的驅(qū)動(dòng)裝置。同時(shí)該功能還支持轉(zhuǎn)速軸和定位軸。
中央處理單元 (CPU) 是 SIMATIC S7-1500 的核心組件。它們除了可以執(zhí)行用戶程序，還可用于連接控制器和其它自動(dòng)化組件。
首次發(fā)布的產(chǎn)品中包含以下三種 CPU：
CPU-1511-1 PN 適用于中小型應(yīng)用
CPU-1513-1 PN 適用于大中型應(yīng)用
CPU-1516-3 PN/DP 適用于要求較高的大型應(yīng)用和其它通信任務(wù)
標(biāo)準(zhǔn) CPU
CPU 1511-1 PN
CPU 1513-1 PN
CPU 1515-2 PN
CPU 1516-3 PN/DP
CPU 1517-3 PN/DP
CPU 1518-4 PN/DP
故障安全 CPU
CPU 1511F-1 PN
CPU 1513F-1 PN
CPU 1515F-2 PN
CPU 1516F-3 PN/DP
CPU 1517F-3 PN/DP
CPU 1518F-4 PN/DP具有不同性能范圍的5 種標(biāo)準(zhǔn) CPU 可用于 SIMATIC S7-1500：
CPU 1511-1 PN: 適用于對(duì)程序范圍和處理速度具有中等要求的應(yīng)用，通過 PROFINET IO 進(jìn)行分布式配置。
CPU 1513-1 PN: 適用于對(duì)程序范圍和處理速度具有中等要求的應(yīng)用，通過 PROFINET IO 進(jìn)行分布式配置。
CPU 1515-2 PN:
適用于在程序范圍、網(wǎng)絡(luò)和處理速度方面具有中等/較高要求的應(yīng)用，可通過 PROFINET IO 進(jìn)行分布式配置；可以使用具有單獨(dú) IP 地址的附加集成 PROFINET 接口，例如，用于網(wǎng)絡(luò)分離。
CPU 1516-3 PN/DP：
適用于對(duì)程序范圍和處理速度具有較高要求的應(yīng)用，通過 PROFINET IO 和 PROFIBUS DP 進(jìn)行分布式配置。 附加的集成 PROFINET 接口，具有單獨(dú)的 IP 地址，可用于網(wǎng)絡(luò)分離等。
CPU 1517-3 PN/DP：
適用于對(duì)程序范圍、聯(lián)網(wǎng)和處理速度具有很高要求的應(yīng)用，通過 PROFINET IO 和 PROFIBUS DP 進(jìn)行分布式配置。 例如，具備獨(dú)立 IP 地址的其它集成式 PROFINET 接口可以用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離。
CPU 1518-4 PN/DP：
適用于在程序范圍和網(wǎng)絡(luò)方面具有極高要求的應(yīng)用，且滿足處理速度方面的極高要求。 可通過 PROFINET IO 和 PROFIBUS DP 進(jìn)行分布式配置；可以使用具有單獨(dú) IP 地址的兩個(gè)附加集成 PROFINET 接口，例如，用于網(wǎng)絡(luò)分離。
具有不同性能范圍的2 種標(biāo)準(zhǔn) CPU 可用于 SIMATIC S7-1500：
CPU 1516F-3 PN/DP:
適用于對(duì)程序范圍和處理速度具有較中/高要求的應(yīng)用，用于通過帶 PROFIsafe 的 PROFINET IO 和 PROFIBUS DP 實(shí)現(xiàn)分布式配置。
CPU 1518F-4 PN/DP:
用于對(duì)程序作用域和處理速度具備高要求的應(yīng)用，用于通過帶 PROFIsafe 的 PROFINET IO 和 PROFIBUS DP 實(shí)現(xiàn)分布式設(shè)置。附加的集成 PROFINET 接口，具有單獨(dú)的 IP 地址，可用于網(wǎng)絡(luò)分離等。
6ES7 516-3AN00-0AB0 西門子PLC S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP：1 MB 程序，5 MB 數(shù)據(jù)；10 ns ；集成 2PN 接口，1 以太網(wǎng)接口，1DP 接口
6ES7 513-1AL00-0AB0 西門子PLC S7-1500 CPU 1513-1 PN：300 KB 程序，1.5 MB 數(shù)據(jù)；40 ns；集成 2PN 接口，
6ES7 511-1AK00-0AB0 西門子PLC S7-1500 CPU 1511-1 PN：150 KB 程序，1 MB 數(shù)據(jù)；60 ns；集成 2PN 接口，
一般信息
特性和客戶收益
技術(shù)數(shù)據(jù)
信號(hào)模塊或 I/O 設(shè)備組件將控制器和過程連接在一起。控制單元通過相連的傳感器記錄當(dāng)前過程狀態(tài)，并對(duì)執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)。
通過數(shù)字量模塊和模擬量模塊，可以準(zhǔn)確便捷地輸入/輸出特定任務(wù)所需的數(shù)據(jù)。這些模塊既可以直接在 CPU 中進(jìn)行集中式處理，也可以通過 ET200MP I/O 系統(tǒng)進(jìn)行分布式處理。
與S7-1500 CPU 類似，信號(hào)模塊同樣可以最大程度地提升生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。最優(yōu)的系統(tǒng)性能可確保最短的響應(yīng)時(shí)間。創(chuàng)新的操作機(jī)制可確保安裝過程快速、可靠且無任何故障。
模塊具有高度可擴(kuò)展性，可根據(jù)客戶需求量身定制，降低了成本的同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率
模塊可以具有不同的通道數(shù)量和功能
集成更多功能，實(shí)現(xiàn)緊湊設(shè)計(jì)，減少了變量的使用
U 型連接器，可自行連接背板總線
節(jié)省了安裝空間，安裝導(dǎo)軌上可安裝更多組件
最優(yōu)系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)快速處理并最大程度確?？刂瀑|(zhì)量
采用 PROFINET IRT 進(jìn)行循環(huán)同步操作，最短循環(huán)時(shí)間降至 250 μs
數(shù)字量輸入模塊，具有 50 μs 的超短輸入延時(shí)
模擬量模塊，8 通道轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 125 μs
多功能模擬量輸入模塊，具有自動(dòng)線性化特性，適用于溫度測(cè)量和限值監(jiān)測(cè)
智能化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低了機(jī)柜組裝成本
所有模塊都可以在 ET200MP I/O 系統(tǒng)中集中和分布使用
統(tǒng)一采用 40 針前連接器，適用于所有模塊
同一引腳上的信號(hào)相同。即，電路圖中宏指令創(chuàng)建后，即可無限次重復(fù)使用，從而避免了接線錯(cuò)誤
集成短接片，簡(jiǎn)化了接線操作
可擴(kuò)展的電纜存放機(jī)制，為使用厚絕緣層的導(dǎo)線節(jié)省了更多空間
預(yù)先設(shè)計(jì)的電纜定位槽可在進(jìn)行電氣連接之前實(shí)現(xiàn)直接預(yù)接線
采用機(jī)械式插頭連接器編碼模式，可防止插入錯(cuò)誤和模塊連接錯(cuò)誤
印刷電路接線圖，無需參考文檔即可直接進(jìn)行連接
通信模塊提高了 SIMATIC S7-1500 自動(dòng)化解決方案的靈活性和功能性。
同時(shí)通過連接企業(yè)管理級(jí)，使用更多的接口可構(gòu)建更為復(fù)雜的自動(dòng)化架構(gòu)或進(jìn)行過程優(yōu)化。串行接口可用于連接一個(gè)條形碼讀卡器或 RFID 讀卡器，實(shí)現(xiàn)非接觸式數(shù)據(jù)傳輸。
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CM PtP: 通過點(diǎn)到點(diǎn)連接實(shí)現(xiàn)串行通信
4 種通信模塊，可通過串行接口連接自動(dòng)化組件。
可連接舊系統(tǒng)和外部系統(tǒng)
可連接數(shù)據(jù)讀卡器或特殊傳感器
可集中使用，也可在分布式 ET 200MP I/O 系統(tǒng)中使用
帶有各種物理接口，如 RS232、RS422 或者 RS485
可預(yù)定義各種協(xié)議，如 3964(R)、Modbus RTU 或 USS
可使用基于 Freeport 的應(yīng)用特定協(xié)議 (ASCII)
所有模塊使用統(tǒng)一的編程接口
診斷報(bào)警可用于簡(jiǎn)單故障修復(fù)
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CP 1543-1: 帶有安全功能的工業(yè)以太網(wǎng)連接
CP 1543-1 通信模塊憑借其高通信性能，極大地拓展了 S7-1500 的應(yīng)用領(lǐng)域。
除 CPU 密碼保護(hù)之外，還可通過狀態(tài)檢測(cè)防火墻確保工業(yè)以太網(wǎng)連接的安全性
可分別組態(tài)本地訪問權(quán)限和遠(yuǎn)程訪問權(quán)限
通過電子郵件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單報(bào)警，并通過 FTP(S) 文件傳輸協(xié)議將產(chǎn)品數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)中
靈活集成在基于 IPv6 的架構(gòu)中
支持網(wǎng)絡(luò)分段，可構(gòu)建具有同一 IP 地址的相同設(shè)備
可在 TIA 博途中構(gòu)建包含安全功能在內(nèi)的整體項(xiàng)目
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CM 1542-5: 高性能的 PROFIBUS 模塊
CM 1542-5 符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61158/61784，支持 PROFIBUS DP 主站功能和 PROFIBUS DP 從站功能。通過該模塊，可以將 PROFIBUS 設(shè)備連接到不帶 PROFIBUS 接口的 S7-1500 控制器的CPU 上。
使用附加的 PROFIBUS 電纜，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速擴(kuò)展
可為單個(gè)自動(dòng)化任務(wù)分隔不同的 PROFIBUS 子網(wǎng)
減少了 S7-1500 CPU 中的通信任務(wù)，提高系統(tǒng)性能
可連接其他供應(yīng)商提供的 PROFIBUS 從站
發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分隔技術(shù)可降低模塊替換成本。
TIA Portal V12 中，集成了項(xiàng)目規(guī)劃功能
二、舉例
下面試通過施耐德電氣公司的一款安全 PLC，來更具體地說明安全PLC與常規(guī)PLC的區(qū)別。
2.1 安全PLC與常規(guī)PLC的CPU的差別
常規(guī)PLC內(nèi)部CPU 的數(shù)量有一個(gè)或多個(gè)，它或它們的作用是：執(zhí)行用戶的程序、進(jìn)行I/O的掃描和系統(tǒng)的診斷。但用戶的程序通常就進(jìn)行一次處理，多個(gè)CPU的功能是把程序中的 邏輯運(yùn)算、算數(shù)運(yùn)算、通信功能等分擔(dān)實(shí)現(xiàn)，也就是協(xié)作處理。
而安全PLC的CPU至少有兩個(gè)或多個(gè)，兩個(gè)CPU的功能是：分別對(duì)同一個(gè)用戶 程序各自執(zhí)行一次，然后再把兩個(gè)結(jié)果放在一起進(jìn)行比較，如果比較的結(jié)果是一致的，就輸出這個(gè)結(jié)果，如果是不一致的，選擇安全的結(jié)果輸出。由此看出，這才是 安全PLC與常規(guī)PLC最大的不同：冗余+比較。
2.2 安全PLC內(nèi)部CPU的結(jié)構(gòu)
安全PLC包含2個(gè)處理器，每個(gè)處理器 在自己的存儲(chǔ)器區(qū)中，執(zhí)行它們自己的安全邏輯，然后在每個(gè)周期的結(jié)尾和對(duì)方的結(jié)果進(jìn)行比較，每個(gè)處理器有它自己獨(dú)立的停機(jī)通道，如果檢測(cè)到結(jié)果的不同或有 失效成分，它能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)停機(jī)，切到安全狀態(tài)。這種雙處理結(jié)構(gòu)被稱為內(nèi)部的二選一結(jié)構(gòu)。
安全PLC通常都有兩個(gè)處理器，同時(shí)進(jìn)行解碼和執(zhí)行。這種差異性提供了失效檢測(cè)的下列優(yōu)點(diǎn)：
•兩個(gè)可執(zhí)行碼獨(dú)自生成，編譯的差異性使得在代碼生成時(shí)，容易檢測(cè)系統(tǒng)失效。
•兩個(gè)生成碼由不同的處理器執(zhí)行，因此，CPU能夠在代碼執(zhí) 行時(shí)，檢測(cè)出系統(tǒng)失效和PLC的隨機(jī)失效。
•兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器區(qū)用于兩個(gè)處理器，因此，CPU能夠檢測(cè)出RAM的隨機(jī)失效，而這在每個(gè)掃描 周期的全部RAM檢查時(shí)測(cè)不出來。
這里我們接著引出安全PLC與常規(guī)PLC第二個(gè)最大的不同：隨時(shí)+步步進(jìn)行診斷和檢測(cè)。這種檢測(cè)有的是通 過自身信息進(jìn)行的，稱為自檢;還有的通過對(duì)方的信息進(jìn)行檢測(cè)，稱為互檢。后面我們還會(huì)提到更多的檢測(cè)。
2. 3 安全PLC CPU中的檢測(cè)
時(shí)鐘測(cè)量:在處理器電路中，有兩個(gè)不同的振蕩器交叉檢查它們的行為，每個(gè)處理器使用一個(gè)時(shí)鐘檢查另外一個(gè)是否運(yùn)行。如果在一 個(gè)確定的周期里，檢測(cè)到對(duì)方?jīng)]有運(yùn)行，CPU就會(huì)進(jìn)入安全狀態(tài)。固件每秒鐘會(huì)檢查兩個(gè)振蕩器的精度。
監(jiān)視時(shí)鐘：一個(gè)硬件和一個(gè)固件的監(jiān)視時(shí) 鐘檢查PLC的活動(dòng)和執(zhí)行用戶邏輯的執(zhí)行時(shí)間。這和常規(guī)的PLC系統(tǒng)是相同的。
序列檢查：序列檢查監(jiān)視CPU操作系統(tǒng)不同部分的執(zhí)行。
存儲(chǔ)器檢查：所有靜態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)，包括Flash存儲(chǔ)器和RAM，使用循環(huán)冗余碼(CRC)進(jìn)行檢測(cè)，并且雙碼執(zhí)行。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)由雙碼執(zhí)行保護(hù)，周期性 進(jìn)行檢測(cè)。在冷啟動(dòng)時(shí)，這些檢測(cè)重新進(jìn)行初始化。
從上面的分析可以看出，安全PLC的診斷和檢測(cè)比常規(guī)的PLC的檢測(cè)要多很多，所以相對(duì)來 說，硬件和軟件的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。當(dāng)然，檢測(cè)和診斷的范圍也更廣范，更細(xì)致。
2.4 安全PLC I/O診斷概述
上面我們對(duì)安全 PLC的CPU的情況進(jìn)行了一個(gè)簡(jiǎn)單的分析，下面我們?cè)賮砜纯窗踩斎?輸出模塊的情況。
所有安全I(xiàn)/O模塊都要執(zhí)行以下兩個(gè)診斷功能：
•更多的系統(tǒng)層面的診斷，包括了：RAM測(cè)試、ROM測(cè)試、以及
•根據(jù)模塊的類型不同，現(xiàn)場(chǎng)層面的診斷，
下面的表格列出了 安全I(xiàn)/O模塊的現(xiàn)場(chǎng)診斷情況：
還有，安全PLC要對(duì)安全CPU和安全I(xiàn)/O之間的通信進(jìn)行診斷，比如使用CRC校驗(yàn)。因此，不僅 要檢查接收的數(shù)據(jù)是否等于發(fā)送的數(shù)據(jù)，而且要檢查數(shù)據(jù)變化。為了解決擾動(dòng)問題，比如EMC的影響，它可能瞬間破壞你的數(shù)據(jù)，所以你需要對(duì)每個(gè)模塊，配置一 個(gè)很大的連續(xù)CRC錯(cuò)誤診斷。
上電時(shí)診斷：在上電時(shí)，I/O模塊執(zhí)行擴(kuò)展的自檢程序，如果測(cè)試出現(xiàn)錯(cuò)誤，模塊被認(rèn)為不健康，輸入輸出全部置 為0。
運(yùn)行時(shí)的診斷：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，I/O模塊執(zhí)行自檢程序，輸入模塊檢驗(yàn)是否能夠從傳感器讀取整個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，輸出模塊對(duì)它們的開關(guān)執(zhí)行 脈沖測(cè)試，周期小于1ms，在數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出模塊，上電自檢失效和模塊沒有接到外部的24V電源時(shí)，模塊不工作。
過壓診斷：因?yàn)殡?子元件，從理論上說，電源電壓超過了最大值時(shí)，它們不應(yīng)該工作，所以I/O模塊必須對(duì)來自背板的電源電壓進(jìn)行監(jiān)視。
下表描述了對(duì)電源電壓的 監(jiān)視：
