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PLC硬件系统及编程资源

第2章S7-200PLC硬件系统及编程资源

2012-3-4

（2）

S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种超小型可编程控制器，能够满足多种场合中的检测、监测及自动控制的需求，

2.1S7-200PLC硬件系统配置

S7-200PLC适用于各种场合中的监测及系统自动控制，具有极高的可靠性、极其丰富的指令集、强大的通信能力和丰富的扩展模块，便捷的操作特性易于用户掌握。

随着技术的进步，S7-200PLC的功能还在不断地提高和改进，主要表现以下几个方面：

1）增强的内置集成功能，如CPU224XP集成14个输入/10个输出共24个数字量I/O点，CPU226集成24个输入/16个输出共40个数字量I/O点。

2）增强的扩展模块特性，如数字扩展模块EM22324VDC支持32个输入/输出和32个输入/继电器输出的，高密度扩展模块EM232的模拟量输出多达4个，高密度扩展模块EM231的模拟量输入多达8个。

2.1.1S7-200PLC的硬件构成和性能特点

1．硬件系统构成

S7-200PLC硬件系统主要包括CPU主机、扩展模块、功能模块、相关设备以及编程工具，如图2-1所示。

CPU主机是PLC最基本的单元模块，是PLC的主要组成部分，包括CPU、存储器、基本I/O点和电源等。

它实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。

主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要使用各种I/O扩展模块。

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块，如模拟量输入扩展模块、热电阻（测温）功能模块等。

图2-1S7-200PLC系统组成图

2．S7-200性能特点

S7-200性能特点主要表现如下：

（1）立即读写I/O点

S7-200的指令集提供了立即读写物理I/O点的指令，用户可以在程序中立即读写I/O点，而不受PLC循环扫描工作方式的影响。

（2）提供高速I/Ｏ点

S7-200具有集成的高速计数功能，能够对外部高速事件计数而不会影响S7-200的性能。

其输出点Q0.0和Q0.1可形成高速脉冲串（PTO）或脉宽调制（PWM）。

（3）对数字量输入加滤波器

（4）对模拟量输入加滤波器

S7-200允许用户对每一路模拟量输入选择软件滤波器，滤波值是多个模拟量输入采样值的平均值。

滤波器具有快速相应的特点，可以反映信号的快速变换，系统默认为对所有模拟量输入进行滤波配置。

（5）设置掉电保护存储区

S7-200允许用户定义最多6个掉电保护区的地址范围，变量存储器V、位存储器M、计数器C和定时器T。

在缺省情况下，M存储器的前14个字节是非保持的。

对于定时器，只有保持型定时器TONR可以设为掉电保护。

而且T和C只有当前值可以保持，定时器位和计数器位是不能保持的。

（6）快速响应中断服务程序

S7-200允许用户在程序扫描周期中使用中断，与中断事情相关的中断服务程序作为程序的一部分被保存。

在正常的程序扫描周期中，有中断请求就立即执行中断事件。

在中断优先级相同的情况下，S7-200遵循“先来先服务”的原则来执行中断服务程序。

（7）提供口令保护

3．S7-200技术指标

第二代产品是CPU22X系列，21世纪初投放市场，速度快，具有极强的通讯能力，有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种不同结构配制的CPU单元，它们的技术指标见表2-1。

表2-1S7-200技术指标

特性

CPU221

CPU222

CPU224

CPU224XP

CPU226

用户程

序长度

运行模式

4096字节

8192字节

12288字节

16384字节

不在运行

4096字节

12288字节

16384字节

24576字节

数据存储区

2048字节

8192字节

10240字节

掉电保护时间

50小时

100小时

本机I/O

数字量

6入/4出

8入/6出

14入/10出

24入/16出

模拟量

无

2入/1出

无

扩展模块数量

0个模块

2个模块

7个模块

高速

计数器

单相

4路30KHz

6路30KHz

4路30kHz

2路200kHz

6路30KHz

两相

2路20KHz

4路20KHz

3路20kHz

1路100kHz

4路20KHz

脉冲输出（DC）

2路20KHz

2路100kHz

2路20KHz

模拟电位器

实时时钟

配时钟卡

内置

通讯口

1RS-485

2RS-485

I/O映象区

256（128入/128出）

布尔指令执行速度

0.22μs/指令

2.1.2S7-200CPU结构和扩展模块

1．CPU外形

S7-200的CPU包括一个中央处理器、RAM、EEPROM、集成电源和输入/输出（I/O）点等，它们被封装在一个紧凑的外壳内。

CPU负责执行程序，输入点用于从现场设备中采集信号，输出点则负责输出控制信号，用于驱动外部负载。

CPU22x系列PLC主机（CPU模块）的外形示意图，如图2-2所示。

图2-2S7-200系列PLC主机的外形图

其中，前翻盖下面有模式选择开关、模拟电位器以及扩展端口。

S7-200PLC有RUN和STOP两种工作模式，可由模式选择开关选择。

当模式选择开关处于STOP位置时，不执行程序但可以对其编写程序；当开关处于RUN位置时，PLC处于运行状态，此时不能对其编写程序；当开关处于TERM监控状态时，可以运行程序也可以进行读/写操作。

扩展端口用于连接扩展模块，实现I/O扩展。

端子下翻盖下面为输入端子和传感器电源端子，输入端子的运行状态可以由端子盖上方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。

端子上翻盖下面为输出端子和PLC供电电源端子，输出端子的运行状态可以由端子盖下方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。

运行状态指示灯用于显示CPU所处的工作状态。

STOP（停机方式，黄灯），CPU处于STOP状态或重新启动时常亮；RUN（运行方式，绿色），CPU处于RUN状态时常亮；SF（系统出错/故障显示，红色），CPU硬件故障或软件错误时亮。

通讯接口可以连接RS-485通信电缆，实现PLC与上位机或者PLC之间的通讯。

2．存储系统

S7-200PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型存储器构成，CPU模块内部配备一定容量的RAM和EEPROM，如图2-3所示。

同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。

还增设了超级电容和电池模块，用于长时间保存数据。

用户数据可通过主机的超级电容存储若干天；电池模块可选，使用电池模块可使数据的存储时间延长到200天。

图2-3S7-200PLC存储系统示意图

3．常用扩展模块

（1）数字扩展模块

S7-200PLC提供了多种类型的数字量扩展模块，利用这些扩展模块能完善CPU的功能，以满足不同的控制需要。

在表2-2中，用户可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块。

除CPU221外，其它CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。

表2-2S7-200数字量扩展模块

数字量扩展模块

类型

输入

8×DC输入

8×AC输入

16×DC输入

输出

4×DC输出

4×继电器

8×继电器

8×DC输出

8×AC输出

混合

4×DC输入/

4×DC输出

8×DC输入/

8×DC输出

16×DC输入/

16×DC输出

32×DC输入/

32×DC输出

4×DC输入/

4×继电器

8×DC输入/

8×继电器

16×DC输入/

16×继电器

32×DC输入/

32×继电器

（2）模拟量扩展模块

在工业控制中，如温度、压力、流量等都是模拟输入量，某些执行机构（如电动调节阀、晶闸管调速装置和变频器等）也要求PLC输出模拟信号。

在PLC的CPU不能满足模拟信号输入输出通道数量要求时，可以使用模拟量扩展模块来实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。

S7-200有3种模拟量扩展模块，见表2-3。

S7-200的模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。

模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，如0～10V、0～5V、0～20mA、±10V、±5V、±100mA等。

其中，量程为0～10V时的分辨率为2.5mV。

表2-3模拟量输入输出扩展模块

模块

EM231

EM232

EM235

点数

4路模拟量输入

2路模拟量输入

4路输入、1路输出

（3）热电偶/热电阻扩展模块

EM231热电偶模块直接以热电偶输出的电势作为输入信号，进行A/D转换后输入给PLC。

该模块具有冷端补偿电路，可用于J、K、E、N、S和R型热电偶，可通过模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型；EM231热电阻模块提供了与多种热电阻的连接口，可通过DIP开关来选择热电阻的类型、接线方式、测量单位和开路故障的方向。

此外，S7200还配备有通信模块EM277、CP243-2，以实现扩大其通信接口的数量和联网能力。

4．I/O点数扩展和编址

CPU22x系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的。

进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。

编址时同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置递增，其它类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。

例如，某一控制系统选用CPU224，系统所需的输入输出点数各为：

数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点。

那么，本系统可有多种不同模块的选取组合，并且各模块在I/O链中的位置排列方式也可能有多种。

图2-4所示为其中的一种模块连接形式，表2-4所列为其对应的各模块的编址情况。

图2-4模块连接方式

表2-4各模块编址

主机I/O

模块1I/O

模块2I/O

模块3I/O

模块4I/O

模块5I/O

I0.0Q0.0

I0.1Q0.1

I0.2Q0.2

I0.3Q0.3

I0.4Q0.4

I0.5Q0.5

I0.6Q0.6

I0.7Q0.7

I1.0Q1.0

I1.1Q1.1

I1.2

I1.3

I1.4

I1.5

I2.0

I2.1

I2.2

I2.3

I2.4

I2.5

I2.6

I2.7

Q2.0

Q2.1

Q2.2

Q2.3

Q2.4

Q2.5

Q2.6

Q2.7

AIW0AQW0

AIW2

ATW4

ATW6

I3.0Q3.0

I3.1Q3.1

I3.2Q3.2

I3.3Q3.3

AIW8AQW4

AIW10

ATW12

ATW14

由此可见，S7-200系统扩展对输入/输出的组态规则为：

1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址。

2）对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位（1个字节），本模块高于实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块。

3）对于模拟量，输入/输出以2个字节（1个字）递增方式来分配空间。

2.1.3CPU模块连接图

PLC是通过I/O点与外界建立联系的，用户必须灵活掌握I/O点与外部设备的连接关系和配电要求。

对于S7-200所有型号CPU的直流输入（24VDC），

1.CPU224模块外围接线图

CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，如图2-10所示，为CPU224模块典型的外围接线图。

图2-10CPU224典型外围接线图

2．CPU224XP模块外围接线图

CPU224XP集成14输入/10输出共24个数字量I/O点和2输入/1输出共3个模拟量I/O点，如图2-11所示，为CPU224XP模块典型的外围接线图。

图2-11CPU224XP典型外围接线图

3．CPU226模块外围接线图

CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，如图2-12所示，为CPU226模块典型的外围接线图。

图2-12CPU226典型外围接线图

注意：

在实际应用中，用户应参考相应PLC的CPU用户手册，正确进行I/O连接及配电要求（电源的正/负极和电压值）。

2.2S7-200PLC编程软元件

2.2.1S7-200PLC编程软元件

编程软元件是PLC内部具有不同功能的存储器单元，每个单元都有唯一的地址，在编程时，用户只需记住软元件的符号地址即可。

为了方便不同的编程功能需要，存储器单元作了分区，即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。

PLC内部这些存储器的作用和继电接触控制系统中使用的继电器十分相似，也有“线圈”与“触点”，但它们不是“硬”继电器，而是PLC存储器的存储单元。

当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器线圈得电，其动合触点闭合，动断触点断开，所以，内部的这些继电器称之为“软”继电器，这些软继电器的最大特点是其触点（包括常开触点和常闭触点）可以无限次使用。

软元件的地址编排采用“区域号+区域内编号”方式。

CPU224、CPU226部分编程软元件的编号范围和功能描述，见表2-5。

表2-5S7-200PLC软元件的编号范围

元件名称

符号

编号范围

功能说明

输入寄存器

I0.0～I1.5共14点

接受外部输入设备的信号

输出寄存器

Q0.0～Q1.1共10点

输出程序执行结果并驱动外部设备

位存储器

M0.0～M31.7

在程序内部使用，不能提供外部输出

定时器

256（T0～t255）

T0,T64

保持型通电延时1ms

T1～T4,T65～T68

保持型通电延时10ms

T5～T31,T69～T95

保持型通电延时100ms

T32,T96

ON/OFF延时,1ms

T33～T36,T97～T100

ON/OFF延时,10ms

T37～T63,T101～T255

ON/OFF延时,100ms

计数器

C0～C255

加法计数器，触点在程序内部使用

高速计数器

HC0～HC5

用来累计比CPU扫描速率更快的事件

顺控继电器

S0.0～S31.7

提供控制程序的逻辑分段

变量存储器

VB0.0～VB5119.7

数据处理用的数值存储元件

局部存储器

LB0.0～LB63.7

使用临时的寄存器，作为暂时存储器

特殊存储器

SM30.0～SM549.7

CPU与用户之间交换信息

特殊存储器

SM（只读）

SM0.0～SM29.7

只读信号

累加寄存器

AC0～AC3

用来存放计算的中间值

2.2.2软元件类型和功能

1．输入继电器（I）

输入继电器又称输入过程映象寄存器，它和PLC的输入端子相连，用于接收外部开关信号的控制。

输入继电器与开关的连接及内部等效电路，如图2-13所示。

图2-13输入继电器外接控制开关及内部等效电路图

例如，当外部的开关SB1闭合，输入继电器的线圈I0.0得电，则该继电器“动作”，在程序中表现为常开触点闭合/常闭触点断开。

这些触点可以在编程时任意使用，并且使用次数不受限制。

在PLC每个扫描周期的开始，PLC对各个输入端子点进行采样，并把采样值送到输入映像寄存器。

PLC在接下来的本周期各阶段不再改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。

输入继电器可以按位来读取数据，其地址格式为I[字节地址].[位地址]，如I0.1；也可以按字节、字或双字来读取数据，如IB1。

在编程时应注意：

1）输入继电器只能由输入端子接收外部信号控制，不能由程序控制；

2）其触点只能作为中间控制信号，不能直接输出给负载；

3）输入开关外接电源的极性和电压值应符合输入电路的要求，如直流输入、交流输入。

2．输出继电器（Q）

输出继电器又称输出过程映象寄存器，它和PLC的输出端子相连，可以作为负载的控制信号。

输出继电器与负载电路的连接及内部等效电路，如图2-14所示。

图2-14输出继电器外接控制及内部等效电路图

例如，当通过程序使输出继电器线圈Q0.0得电时，该继电器“动作”，在程序中表现为常开触点闭合/常闭触点断开，即输出端子可以作为控制外部负载的开关信号。

这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。

在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出锁存器（端点），而只是送到输出映像寄存器，只有在每个扫描周期的末尾才将输出映像寄存器中的结果几乎同时送到输出锁存器，对输出端点进行刷新。

输出继电器可以按位来写入数据，如Q1.1；也可以按字节、字或双字来写入数据，如QB1。

在编程时应注意：

1）输出端点只能由程序写入输出继电器控制；

2）其触点不仅可以直接控制负载，同时也可以作为中间控制信号；

3）输出外接电源的极性和电压值应符合输出电路的要求，输出继电器的执行部件有继电器、晶体管和晶闸管3种形式，图2-14是继电器输出等效电路。

在继电器输出形式下，外接电源可使用直流或交流，其输出电流、电压值应满足输出触点的要求。

3．通用辅助继电器（M）

通用辅助继电器（又称位存储区或内部标志位）在PLC中没有输入/输出端子与之对应，在逻辑运算中只起到中间状态的暂存作用，类似与继电器控制系统中的中间继电器。

通用辅助继电器可以按位来存取数据，如M26.7。

也可以按字节、字或双字来存取数据，如MD20。

4．特殊继电器（SM）

特殊继电器的某些位（特殊标志位）具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、控制参数和信息，是用户与系统程序之间的界面。

用户可以通过特殊标志位来沟通PLC与被控制对象之间的信息；用户也可以通过编程直接设置某些位来使设备实现某种功能（参看S7200用户手册）。

特殊继电器有只读区和可读写区，例如，常用的SMB0单元有8个状态位为只读标志，其含义如下：

SM0.0：

PLC运行（RUN）指示位，该位在PLC运行时始终为1。

SM0.1：

该位在PLC由STOP转入RUN时，该位为ON一个扫描周期，常用作调用初始化子程序。

SM0.2：

若保持数据丢失，则该位在一个扫描周期中为1。

SM0.3：

开机后进入RUN方式，该位将ON一个扫描周期。

SM0.4：

该位提供了一个周期为一分钟、占空比为0.5的时钟脉冲，可作为简单延时使用。

SM0.5：

该位提供了一个周期为一秒钟、占空比为0.5的时钟脉冲。

SM0.6：

该位为扫描时钟，本次扫描时置1，下次扫描时置0。

可用作扫描计数器的输入。

SM0.7：

该位指示CPU工作方式开关的位置（0为TERM位置，1为RUN位置）。

在每个扫描周期的末尾，由S7-200更新这些位。

5．变量存储器（V）

变量存储器用来存储变量（可以被主程序、子程序和中断程序等任何程序访问，也称全局变量），可以存放程序执行过程中数据处理的中间结果，如变量V1.0、VB10、VW10、VD10。

6．局部变量存储器（L）

局部变量存储器用来存放局部变量（局部变量只在特定的程序内有效），可以用来存储临时数据或者子程序的传递参数。

局步变量可以分配给主程序段、子程序段或中断程序段，但不同程序段的局部存储器是不能相互访问的。

7．顺序控制继电器（S）

有些PLC中也把顺序控制继电器称为状态器或状态元件，是顺控继电器指令的重要元件，常与顺序控制指令LSCR、SCRT、SCRE结合使用，实现顺序控制或步进控制。

如S2.1、SB4。

8．定时器（T）

定时器是PLC中常用的编程软元件，主要用于累计时间的增量，其分辨率有1ms、10ms和100ms三种。

定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器类同，当定时器的输入条件满足时开始累计时间增量（当前值），当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作。

定时器地址格式为：

T[定时器号]，如T24。

9．计数器（C）

计数器是用来累计输入脉冲的个数。

当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数值达到预定的设定值时，计数器触点动作。

计数器地址格式为：

C[计数器号]，如C24。

10．累加器（AC）

累加器是用来暂存数据的寄存器，累加器可进行读、写两种操作，它可以向子程序传递参数，也可以从子程序返回参数，或用来存储运算中间结果。

S7-200提供了4个32位的累加器，其地址格式为AC[累加器号]，如AC0、AC3等。

累加器的可用长度为32位，可采用字节、字、双字的存取方式。

按字节、字存取时只能存取累加器的低8位或低16位，双字可以存取累加器全部的32位，如图2-15所示。

图2-15累加器的操作

11．模拟量输入/输出映像寄存器（AI/AQ）

模拟量输入映像寄存器用以存放A/D转换后输入的16位的数字量，其地址格式为AIW[起始字节地址]，如：

AIW2，注意：

必须用偶数字节地址（0、2、4....）且只能进行读操作。

模拟量输出映像寄存器用以存放需要进行D/A转换的16位的数字量，其地址格式为AQW[起始字节地址]，如：

AQW2，注意：

必须用偶数字节地址（0、2、4....）且只能进行写操作。

12．高速计数器（HC）

一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。

而高速计数器可累计比CPU的扫描速度更快的事件。

高速计数器的当前值是一个双字长（32位）的整数，且为只读值。

高速计数器的数量很少，地址格式为HC[高速计数器号]，如HC2。

2.3S7-200寻址方式

2.3.1数据类型

S7-200PLC数据类型可以是整型、实型（浮点数）、布尔型或字符串型，常用的数据长度有位、字节、字和双字。

1.位、字节、字和双字

位（bit），数据类型为布尔（BOOL）型，有“0”和“1”两种不同的取值。

可用来表示开关量（或称数字量）的两种不同状态，如触点的断开和接通、线圈的通电和断电等。

如果该位为“1”，则表示梯形图中对应编程元件的线圈“通电”，称该编程元件为“1”状态，或称该编程元件ON（接通）；如果该位为“0”，对应编程元件的线圈和触点的状态与上述的相反，称该编程元件为“0”状态，或称该编程元件OFF（断开）。

字节（Byte），由8位二进制数组成，其中的第0位为最低位（LSB），第7位为最高位（MSB）。

字（Word），由字节组成，两个字节组成1个字。

字节、字和双字的取值范围见表2-6。

表2-6数据的位数和取值范围

数据位数

无符号数

有符号整数

十进制

十六进制

十进制

十六进制

B（字节），8位值

0～255

0～FF

-128～127

80～7F

W（字），16位值

0～

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