4.2 CPU模塊

1 CPU模塊有什么功能？

問題解答

（1）CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一個CPU，它按系統程序接收并存儲用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中。同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態及編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮控制電路。

（2）CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制和狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序和數據，是PLC不可缺少的組成單元。

（3）CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令，但工作節奏由振蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器的指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果。CPU的速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度、I/O數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。

如圖4-2所示為S7-300系列的緊湊型CPU。

2 CPU模塊有哪些性能指標？

問題解答

CPU模塊的主要性能指標如下：

（1）CPU的額定電壓、保護電流、沖擊電流。

（2）CPU的存儲器容量及存取速度。

（3）CPU的程序塊/數據塊容量及斷電保持能力。

（4）CPU的運算能力及處理每條指令所需的時間。

（5）CPU的I/O數量及可擴展性。

（6）CPU的定時器/計數器保持特性。

（7）CPU電池的使用時間。

（8）CPU的通信能力。

3 CPU支持的I/O模塊數目可以擴展嗎？

問題解答

CPU支持的I/O模塊數目可以擴展，但是不同的CPU擴展能力不一樣，具體I/O模塊的擴展能力可查看相關資料文檔。

4 如何選擇合適的CPU模塊？

問題解答

（1）根據現場情況（比如防爆等級、環境溫度等），選擇能在該環境中使用的CPU品牌。

（2）區分不同的系統需求。根據系統對可靠性和成本上的需求，選擇適合的PLC牌子。同時，確定系統是屬于小型、中型還是大型系統，針對不同的系統選擇合適的CPU類型。

（3）分清系統所需的I/O點數及通信方式。選擇具備可擴展足夠I/O點數，同時具備所需通信方式的CPU。

5 S7-200 CPU快速響應信號的對策有哪些？

問題解答

使用CPU內置的高速計數器和高速脈沖發生器處理序列脈沖信號。

使用部分CPU數字量輸入點的硬件中斷功能，在中斷服務程序中處理；進入中斷的延時可以忽略。

S7-200擁有“直接讀輸入”和“直接寫輸出”指令，可以越過程序掃描周期的時間限制使用部分CPU數字量輸入點的“脈沖捕捉”功能捕捉短暫的脈沖。

6 S7-200 CPU是按照怎樣的機制循環工作的？

問題解答

S7-200 CPU按照以下機制循環工作：

① 讀取輸入點的狀態到輸入映像區；

② 執行用戶程序，進行邏輯運算，得到輸出信號的新狀態；

③ 將輸出信號寫入輸出映像區。

只要CPU處于運行狀態，上述步驟就周而復始地執行。在第②步中，CPU也執行通信、自檢等工作。

上述三個步驟是S7-200 CPU的軟件處理過程，可以認為就是程序掃描時間。實際上，S7-200對數字量的處理速度受到以下幾個因素的限制：

（1）輸入硬件延時（從輸入信號狀態改變的那一刻開始，到CPU刷新輸入映像區時能夠識別其改變的時間）。

（2）CPU的內部處理時間，包括：

① 讀取輸入點的狀態到輸入映像區；

② 執行用戶程序，進行邏輯運算，得到輸出信號的新狀態；

③ 將輸出信號寫入輸出映像區。

（3）輸出硬件延時（從輸出緩沖區狀態改變到輸出點真實電平改變的時間）。

上述三段時間，就是限制PLC處理數字量響應速度的主要因素。

一個實際的系統可能還需要考慮輸入、輸出器件的延時，如輸出點外接的中間繼電器動作時間等。

表4-1所示為輸入點硬件延時。

表4-1 輸入點硬件延時

以上數據都在《S7-200系統手冊》中標明，這里只是列表比較。CPU上的部分輸入點延時（濾波）時間可以在編程軟件Micro/WIN的“系統塊”中設置，其默認的濾波時間是6.4ms。

如果把容易受到干擾的信號接到CPU上可改變濾波時間的DI點上，調整濾波時間可能會改善信號檢測的質量。

支持高速計數器功能的輸入點在相應功能開通時不受此濾波時間約束。濾波設置對輸入映像區的刷新、開關量輸入中斷、脈沖捕捉功能同樣有效。

表4-2所示為CPU輸出硬件延時。

表4-2 CPU輸出硬件延時

有些輸出點要比其他點更快些，是因為它們可以用于高速輸出功能，在硬件上有特殊設計。沒有專門使用硬件高速輸出功能時，它們只是和普通點一樣處理。繼電器輸出開關頻率為1Hz。

表4-3所示為擴展模塊輸出硬件延時。

表4-3 擴展模塊輸出硬件延時

7 S7-200 CPU的通信口支持哪些通信協議？

問題解答

（1）PPI協議：西門子專為S7-200開發的通信協議。

（2）MPI協議：不完全支持，只能作從站。

（3）自由口模式：由用戶自定義的通信協議，用于與其他串行通信設備通信（如串行打印機等）。

S7-200編程軟件Micro/WIN提供了通過自由口模式實現的通信功能。

（1）USS指令庫：用于S7-200與西門子變頻器（MM4系列、SINAMICS G110和老的MM3系列）通信。

（2）Modbus RTU指令庫：用于與支持Modbus RTU主站協議的設備通信。

S7-200 CPU上的兩個通信口基本一樣，沒有什么特殊的區別。它們可以各自在不同的模式、通信速率下工作；它們的口地址甚至也可以相同。分別連接到CPU上兩個通信口上的設備，不屬于同一個網絡。S7-200 CPU不能充當網橋的作用。

8 S7-200 CPU上的通信口有哪些功能？

問題解答

（1）安裝了編程軟件Micro/WIN的計算機可以對PLC編程。

（2）可以連接其他S7-200 CPU的通信口組成網絡。

（3）可以與S7-300/400的MPI通信口通信

（4）可以連接西門子的HMI設備（如TD 200、TD 400C、TP170micro、TP170、TP270等）。

（5）可以通過OPC Server（PC Access V1.0）進行數據發布。

（6）可以連接其他串行通信設備。

（7）可以與第三方HMI通信。

9 S7-200 CPU上的通信口能否擴展？

問題解答

不能擴展出與CPU通信口功能完全一樣的通信口。

在CPU上的通信口不夠的情況下，可以考慮：

（1）購買具有更多通信口的CPU。

（2）考察連接設備的種類，如果其中有西門子的人機界面（HMI，操作面板），可以考慮增加EM277模塊，把面板連接到EM277上。

10 S7-200 CPU上的通信口，通信距離有多遠？

問題解答

《S7-200系統手冊》上給出的數據是一個網段50m，這是在符合規范的網絡條件下，能夠保證的通信距離。凡超出50m的距離，應當加中繼器。加一個中繼器可以延長通信網絡50m。如果加一對中繼器，并且它們之間沒有S7-200 CPU站存在（可以有EM277），則中繼器之間的距離可以達到1000m。符合上述要求就可以得到非常可靠的通信。

實際上，有用戶做到了超過50m距離而不加中繼器的通信。西門子不能保證這樣的通信一定成功。

11 如何設置和讀取CPU的日期、時間值？

問題解答

（1）用編程軟件（Micro/WIN）的菜單命令“PLC”→“Time of Day Clock”，通過與CPU的在線連接設置，完成后時鐘開始走動。

（2）編寫用戶程序使用SET_RTC（設置時鐘）指令進行設置，使用READ_RTC（讀取時鐘）指令進行讀取。

讀取實時時鐘（TODR）指令從硬件時鐘讀取當前時間和日期，并將其載入以地址T起始的8字節的時間緩沖區。寫實時時鐘（TODW）指令將當前時間和日期寫入用T指定的在8字節的時間緩沖區開始的硬件時鐘。

TODR：設置ENO=0的錯誤條件如下。

0006 間接地址

000C 時鐘模塊不存在

TODW：設置ENO=0的錯誤條件如下。

0006 間接地址

0007 TOD數據錯誤

000C 時鐘模塊不存在

所有日期和時間值必須采用BCD格式編碼（例如，16#97代表2002年）。請參閱表4-4。

表4-4 8字節時間緩沖區格式（T）

長時間掉電或內存丟失后，實時時鐘會被初始化為以下日期和時間。

日期：90年1月1日

時間：00:00:00

星期：星期日

12 如何設置定義CPU數據保持功能？

問題解答

數據保持設置定義CPU如何處理各數據區的數據保持任務。在數據保持設置區中選中的就是要“保持”其數據內容的數據區。所謂“保持”就是在CPU斷電后再上電，數據區域的內容是否保持斷電前的狀態。在這里設置的數據保持功能靠如下幾種方式實現。

在這里設置的數據保持功能靠CPU內置的超級電容實現，超級電容放電完畢后，如果安裝了外插電池（或CPU 221/222用的時鐘/電池）卡，則電池卡會繼續作為數據保持的電源進行供電，直到放電完畢數據在斷電前被自動寫入相應的EEPROM數據區中。

13 設置CPU的密碼分為哪幾種方法？

問題解答

在系統塊中設置CPU密碼以限制用戶對CPU的訪問。可以分等級設置密碼，給其他人員開放不同等級的權限。CPU的密碼設置如表4-5所示。

表4-5 CPU密碼設置

14 CPU設置密碼后，為何看不出密碼已經生效？

問題解答

在系統塊中設置了CPU密碼并下載后，因為仍然保持了Micro/WIN與CPU的通信連接，所以CPU不會對設置密碼的Micro/WIN做保護。要檢驗密碼是否生效，可以進行以下操作：

（1）停止Micro/WIN與CPU的通信一分鐘以上。

（2）關閉Micro/WIN程序，再打開。

（3）停止CPU的供電，再送電。

15 CPU上的指示燈可以自定義嗎？

問題解答

可以通過用戶自定義指示燈，23版CPU的LED指示燈（SF/DIAG）能夠顯示兩種顏色（紅/黃）。紅色指示SF（系統故障），黃色DIAG指示燈可以由用戶自定義。自定義LED指示燈可以通過下方法控制：

（1）在系統塊的“配置LED”選項卡中設置。

（2）在用戶程序中使用DIAG_LED指令點亮。

16 如何訪問一個帶密碼的CPU？

問題解答

即使CPU有密碼保護，讀者也可以不受限制地使用以下功能：

（1）讀/寫用戶數據。

（2）啟動、停止CPU。

（3）讀取和設置實時時鐘。

如果不知道密碼，用戶不能讀取或修改一個帶三級密碼保護的CPU中的程序。

17 如何清除CPU設置的密碼？

問題解答

如果不知道CPU的密碼，必須清除CPU內存，才能重新下載程序。執行清除CPU指令并不會改變CPU原有的網絡地址、波特率和實時時鐘；如果有外插程序存儲卡，其內容也不會改變。清除密碼后，CPU中原有的程序將不存在。

要清除密碼，可按如下三種方法操作：

（1）在Micro/WIN中選擇菜單“PLC”→“Clear”，選擇所有三種塊并按“OK”按鈕確認。

（2）另外一種方法是通過程序“wipeout.exe”來恢復CPU的默認設置。這個程序可在STEP 7-Micro/WIN安裝光盤中找到。

（3）還可以在CPU上插入一個含有未加密程序的外插存儲卡，上電后此程序會自動裝入CPU并且覆蓋原有的帶密碼的程序。之后CPU即可自由訪問。

18 CPU的系統故障燈亮了是什么原因？

問題解答

（1）CPU運行錯誤或硬件元件損壞。此時如果Micro/WIN還能在線，則可在命令菜單中進入PLC→Information在線查看，可看到具體的錯誤描述。

（2）程序錯誤，如進入死循環，或編程造成掃描時間過長，“看門狗”超時也會造成SF燈亮。

（3）CPU電源電壓可能過低，請檢查供電電壓。

19 CPU全面復位后哪些設置會保留下來？

問題解答

復位CPU時，內存沒有被完全刪除。整個主內存被完全刪除，但加載內存中的數據，以及保存在Flash-EPROM存儲卡（MC）或微存儲卡（MMC）上的數據，會全部保留下來。除了加載內存以外，計時器（CPU 312 IFM除外）和診斷緩沖也被保留。具有MPI接口或一個組合MPI/DP接口的CPU只在全部復位之前保留接口所采用的當前地址和波特率。另外，另一個PROFIBUS地址也被完全刪除，不能再訪問。重要事項：重新設置PG/PC之后，與CPU之間的通信只能通過MPI或MPI/DP接口來建立。

20 為什么不能通過MPI在線訪問CPU？

問題解答

如果在CPU上已經更改了MPI參數，請檢查硬件配置。可以將這些值與“Set PG/PC interface”下的參數進行比較，看是否有不一致。或者可以這樣做：打開一個新的項目，創建一個新的硬件組態。在CPU的MPI接口的屬性中為地址和傳送速度設置各自的值。將“空”項目寫入存儲卡中，把該存儲卡插入CPU然后重新打開CPU的電壓，將位于存儲卡上的設置傳送到CPU。現在已經傳送了MPI接口的當前設置，并且像這樣的話，只要接口沒有故障就可以建立連接。這個方法適用于所有具有存儲卡接口的S7-CPU。