CPU模块：功能介绍与应用分析

1.CPU模块概述

S7-300的CPU模块分为紧凑型、标准型、技术功能型和故障安全型等。

1）紧凑型CPU

S7-31xC有6种紧凑型CPU，如表4-1所示，它们均有集成的数字量输入/输出（DI/DO），有的还有集成的模拟量输入/输出（AI/AO）。它们还有集成的高速计数、频率测量、脉冲输出、闭环控制和定位等计数功能，脉宽调制频率最高为2.5 kHz。I/O地址区为1024 B/1024 B，I/O过程映像区为128 B/128 B。CPU 314C-2DP和CPU 314C-2PtP有定位控制功能。

表4-1　紧凑型CPU部分技术参数

CPU 312C有软件实时钟，其余的均为硬件实时钟。CPU模块的第一个通信接口是内置的RS-485接口，没有隔离，默认的传输速率为187.5 Kb/s。该接口的MPI的PG/OP通信功能为全局数据（GD）通信功能。

CPU 313C-2PtP和CPU 314C-2PtP集成有点对点通信接口，ASCII协议的通信速率为19.2 Kb/s（全双工）、38.4 Kb/s（半双工）；3964R协议、RK512协议的通信速率为38.4 Kb/s。

S7-31x C的RAM不能扩展，没有集成的装载存储器，运行时需要插入MMC卡，通过MMC卡执行程序和保存数据，MMC卡为免维护的FEPROM，可以扩展至4 MB。各CPU均有实时钟，CPU 312C的时钟没有电池后备功能。CPU有一个运行小时计数器，有日期时间同步功能。FB（功能块）、FC（功能）、DB（数据块）的最大容量为16 KB。

CPU 312C有集成的数字量I/O，适用于有较高要求的小型系统。CPU 313C有集成的数字量I/O和模拟量I/O，适用于有较高要求的系统。CPU 313C-2PtP、CPU 314C-2PtP有集成的数字I/O和第二个串口，两个接口均有点对点（PtP）通信功能。CPU 314C-2Pt P还有集成的模拟量I/O，适用于较高要求的系统。CPU 313C-2DP和CPU 314C-2DP有集成的数字I/O和两个Profibus-DP主站、从站接口，通过CP（通信处理器）各CPU可以扩展一个DP主站。CPU 314C-2DP还有集成的模拟量I/O，适用于有较高要求的系统。

2）标准型CPU

标准型CPU的技术参数如表4-2所示。

表4-2　标准型CPU技术参数

续表

型号中带有PN的CPU有集成的工业以太网接口，可以在Profinet网络上实现基于组件的自动化（CBA），组成分布式智能系统。它们可以做Profinet代理，或者作Profinet I/O控制器，用于在Profinet上运行分布式I/O。

CPU 315-2DP和CPU 315-2PN/DP的参数基本上相同，CPU 317-2DP和CPU 317-2PN/DP的参数基本上相同，其区别在于第二个通信接口是DP接口还是Profinet（PN）通信接口。

CPU 319-3PN/DP具有智能技术/运动控制功能，是S7-300系列中性能最高的CPU（见表4-2），它集成了1个MPI/DP接口、1个DP接口和一个Profinet接口，提供Profibus接口的时钟同步功能，可以连接256个I/O设备。

CPU 312有软件实时钟，其余的均有硬件实时钟。它们有8个时钟存储器位，有一个运行小时计数器，有实时钟同步功能。

3）技术功能型CPU

CPU 315T-2DP和CPU 317T-2DP分别具有标准型CPU 315-2DP和CPU 317-2DP的全部功能。CPU 317T-2DP执行每条二进制指令的时间约为100 ns，执行每条浮点数指令的时间约为2μs。对于双字指令和32位定点数运算具有极高的处理速度。

技术功能型CPU用于对PLC性能以及运动控制功能具有较高要求的设备。除了准确的单轴定位功能以外，还适用于复杂的同步运动控制，如与虚拟或实际的主轴耦合、减速器同步、电子凸轮控制和印刷标记点修正等。它们可以用于3轴到8轴控制，采用S7 Technology V2.0和HW Release 02时最大为32轴。(www.xing528.com)

技术功能型CPU有两个集成的Profibus接口：一个是DP/MPI接口，可组态为MPI或DP接口（主站或从站）；另一个是DP（Drive）接口，用于连接带Profibus接口的驱动系统。该接口通过Profidrive行规V3认证，其等时特性可以实现高速生产过程的高质量控制，因此特别适用于管理快速以及对时间要求苛刻的过程控制。除了驱动系统外，在特定的条件下，DP从站可以在DP（Drive）上运行。

技术功能型CPU还有本机集成的4点数字量输入和8点数字量输出，以用于工艺功能，如输入BERO接近开关的信号或进行凸轮控制。

技术功能型CPU使用标准的编程语言编程，无须专用的运动控制系统语言。可选软件包S7-Technology提供符合PLCopen标准的功能块（FB），对运动控制进行组态和编程。由于这些标准功能块直接集成在固件中，占用的CPU工作存储器很少，可以方便地调用STEP 7的运动控制库中的这些功能块。除了通常的Simatic诊断功能以外，S7-Technology还提供一个控制面板和实时跟踪功能，可以显著减少调试和优化的时间。

4）故障安全型CPU

故障安全型CPU用于组成故障安全型自动化系统，以满足安全运行的需要。

CPU 315F-2DP和CPU 317F-2DP有一个MPI/DP接口和一个DP接口。CPU 315F-2PN/DP和CPU 317F-2PN/DP有一个Profinet接口和一个MPI/DP接口。

5）Siplus户外型CPU

Siplus CPU包括Siplus紧凑型CPU、Siplus标准型CPU和Siplus故障安全型CPU。这些模块可以在-25℃～+70℃的环境温度下运行，允许短时的冷凝。它们适用于特殊的环境，如空气中含有氯和硫的场合。除了Siplus CPU模块外，Siplus还有配套的Siplus数字量I/O模块和Siplus模拟量I/O模块。

CPU 312 IFM和CPU 314 IFM有一个计数器，最高计数频率为10 kHz，一个通道可以测量频率最高为10 kHz；CPU 314 IFM的一个通道可用增量式编码器进行位置检测。

CPU 314 IFM有4路集成的模拟量输入，信号量程为±10 V和±20 mA，11位+符号位。1路集成的模拟量的输出范围为±10 V和±20 mA，11位+符号位。

MPI接口可以连接32个站，可以与PG/PC、OP以及其他S7-300/400和C7通信，最多有2个动态连接和4个静态连接。最大传输速率为187.5 Kb/s，10个中继器串联时最大距离为9100 m，通过光纤通信时最大距离可达23800 m。

6）其他说明

CPU 317-2DP和CPU 318-2DP具有大容量程序存储器和Profibus-DP主站/从站接口，用于大规模I/O配置和建立分布式I/O结构。

CPU 315F-2DP带有Profibus-DP主站/从站接口，可以组态为故障安全型自动化系统，满足安全的要求，不需要对故障I/O进行额外的布线，使用Prodisave协议的Profibus-DP实现与安全有关的通信。

2.CPU模块的方式选择和状态指示

S7-300系列的CPU 312 IFM/313/314/314 IFM/315/315-2DP/316-2DP/318-2DP模块的方式选择开关都一样，有以下4种工作方式，通过可卸的专用钥匙来控制选择，如图4-6所示。

图4-6　CPU模块面板布置示意图

（1）RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，既可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中。用编程装置可监控程序的运行。在此位置钥匙不能拔出。

（2）RUN：运行方式。CPU扫描用户程序，可以用编程装置读出并监控PLC CPU中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙，以防止程序在正常运行时被改变操作方式。

（3）STOP：停止方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU。在此位置可以拔出钥匙。

（4）MRES：该位置瞬间接通，用以清除CPU的存储器。