1、可編程序控制器,主講：張波,本章學習目的,本章以西門子公司生產的S7-200系列小型可編程序控制器為例，介紹具體型號的PLC，內容包括： S系列PLC發展概述 S7-200 可編程序控制器的系統組成 編程元件及程序知識 相關設備 常用工業軟件,返回本章首頁,第2章S7-200系列PLC系統硬件結構,S系列PLC發展概述,2.1,S7-200系列PLC基本單元,2.2,S7-200系列PLC擴展模塊,3,2.3,相關設備,2.4,工業軟件,3,2.5,2.1S系列PLC發展概述,德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設備制造商，生產的SIMATIC可編程序控制器在歐洲處于領先地

2、位。其第一代可編程序控制器是1975年投放市場的SIMATIC S3系列的控制系統。 在1979年，微處理器技術被應用到可編程序控制器中，產生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世紀末又推出了S7系列產品。 最新的SIMATIC產品為SIMATIC S7、 SIMATIC M7和SIMATIC C7等幾大系列。,返回本章首頁,從CPU模塊的功能來看，SIMATIC S7-200系列小型可編程序控制器發展至今，大致經歷了兩代： 第一代產品其CPU模塊為CPU 21X，主機都可進行擴展，它具有四種不同結構配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 2

3、16，對第一代PLC產品不再作具體介紹。 第二代產品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀初投放市場的，速度快，具有較強的通信能力。它具有四種不同結構配置的CPU單元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加擴展模塊。,4種CPU各有晶體管輸出和繼電器輸出 ，具有不同電源電壓和控制電壓。各類型型號如表2.1所示,表2.1CPU型號,SIMATIC S7-200系統CPU 22X系列PLC主機及I/O特性如表2.2所示。,表2.2主機及I/O特性,圖2.1S7-200基本構成,SIMATIC S7-200系統由硬件和工業軟件兩大部分構成

4、，如圖2.1所示。,系統基本構成 1. 硬件 （1）基本單元 （2）擴展單元 （3）特殊功能模塊 （4）相關設備 2. 工業軟件 工業軟件是為更好地管理和使用這些設備而開發的與之相配套的程序、文檔及其規則的總和，它主要由標準工具、工程工具、運行軟件和人機接口等幾大類構成。,2.2S7-200 PLC系統組成,2.2.1基本單元特點 2.2.2基本單元I/O 2.2.3CPU工作方式 2.2.4基本單元工作電源 2.2.5基本單元模擬電位器 2.2.6 基本單元通信接口,返回本章首頁,2.2.1基本單元特點,S7-200系列PLC在硬件上采用固定式結構和擴展式結構相結合的方式。固定式結構的硬件即

5、基本單元，擴展式結構的硬件即基本單元擴展的模塊。 SIMATIC S7-200系統CPU 22X系列PLC主機（CPU模塊）的外形如圖2.2所示：,圖2.2基本單元物理結構,CPU狀態顯示,通信口,頂部端子蓋,電,源及輸出端子,前蓋 方式開關,、,電位器、擴展I/O連接,底部端子蓋,輸入端子、傳感器電源,存儲器卡,LED指示燈顯示CPU工作模式（運行或停機）、本機I/O口的當前狀態及CPU系統是否出錯。 存儲卡：EEPROM卡，可存儲CPU程序，也可將一個CPU中的程序傳送到另一個CPU中。 通信口：是S7-200CPU同編程器或其他輔助設備連接的接口，CPU通過它可和其他輔助設備進行數據通信

6、。 電源端子：接受外部電源。為CPU及所連接任何擴展模塊提供電源 輸出端子：輸出控制信號，控制被控對象。 RUN/STOP為PLC工作方式選擇開關。 擴展I/O連接：是基本單元那與擴展模塊的接口，通過它可增加CPU的I/O點數。 輸入端子：接收來自控制系統現場設備的輸入信號。 傳感器電源端子：作為傳感器的電源使用，也可輸出24v直流電源供控制系統使用。CPU22x基本單元特性見P25表2.1。,PLC的輸入點接收來自現場設備信號，輸出點輸出控制信號給被控對象。 每種CPU最多可加的擴展模塊數是不同的，所以最大I/O點數也不等。每種CPU基本單元允許的數字量I/O邏輯空間（映像寄存器個數）都是1

7、28個輸入位和128個輸出位，它們與CPU實際允許的最大I/O點數是不等的。每種CPU的基本單元允許的模擬量I/O邏輯空間（模擬量映像寄存器個數）與它們實際允許的最大模擬量I/O點數也是不等的。,2.2.2基本單元的I/O,輸入分為直流輸入和交流輸入 直流輸入：NPN型晶體管輸入和PNP型晶體管輸入 交流輸入；120V交流信號 輸出分為直流24v晶體管輸出、直流/交流繼電器輸出 和交流可控硅輸出 數字量輸出接口按照輸出開關器件的種類不同，可分為： 晶體管輸出方式（只能帶直流負載，屬直流輸出） 可控硅輸出方式（只能帶交流負載，屬交流輸出） 繼電器輸出方式（交直流負載都可，屬交/直流輸出） 按照負

8、載使用的電源不同，分為 直流輸出 交流輸出 交/直流輸出,1、輸入接口 （1）直流輸入接口：PNP接收負信號，NPN接收正信號。,24V DC PNP型,24V DC NPN型,（2）交流輸入接口：,120V AC輸入接口,2、輸出接口：為數字量，將PLC內部的電平信號轉換為外部所需電平，輸出給外部負載。 （1）晶體管輸出,晶體管輸出原理電路圖,(2) 可控硅輸出,(3) 繼電輸出,可控硅輸出原理電路圖,繼電器輸出原理電路圖,3、I/O擴展 擴展模塊I/O點的地址由I/O類型及模塊在I/O鏈中的位置決定。數字量擴展模塊以一個字節（8位）地址遞增方式保留映像寄存器空間。模擬量擴展模塊是以兩個字節

9、遞增方式來分配空間。如果映像寄存器保留空間字節的某些位沒有擴展模塊實際物理點與其對應，這些未用的位就不會分配給I/O鏈中的后續模塊。對于輸入模塊，由于每次輸入刷新時都把保留字節的未用位清0，所以這些未用位不能用作內部存儲器的標志位。對于輸出模塊，保留字節中的未用位可象內部存儲器的標志位那樣使用。,例如，某一控制系統選用CPU 224，系統所需的輸入輸出點數各為：數字量輸入24點、數字量輸出20點、模擬量輸入6點、模擬量輸出2點。本系統可有多種不同模塊的選取組合，表3.6所示為其中的一種可行的系統輸入輸出組態狀況。,若按表3.6的擴展方式，各模塊在I/O鏈中的位置排列方式也可以有多種，圖2.3所

10、示為其中的一種模塊連接形式。,圖2.3擴展連接圖,工作方式選擇 S7-200 CPU有RUN模式和STOP模式。 （1）STOP模式：CPU處于停機方式，不執行用戶程序，但可以向CPU裝載程序配置CPU參數。 （2）RUN模式： 運行方式，CPU執行用戶程序。 （3）TERM（終端）模式：由編程設備決定工作方式 （4）在基本單元上有SF、RUN、STOP3個指示燈，分別用于顯示CPU的工作狀態。 SF紅色指示燈亮表示系統故障，PLC停止運行 RUN綠色指示燈亮表示CPU處于運行狀態 STOP黃色指示燈表示CPU處于停機狀態,2.2.3CPU工作方式,返回本章,2.工作過程描述 S7-200CP

11、U以循環掃描方式連續執行用戶程序，在一個掃描周期中，CPU主要進行信號讀入、程序執行（包括通信處理、自診斷測試）、對外輸出等操作。 （1）信號讀入： （2）執行程序： 若使用直接I/O指令，則允許控制控制程序對輸入輸出點直接存取和輸出。 中斷程序 通信請求 CPU進行自診斷測試 （3）對外輸出,圖2.4CPU的掃描周期,2.2.4 基本單元工作電源,S7-200基本單元使用24VDC或120V230V AC兩種供電電源。頻率可變化范圍47-63Hz。 1、電源設計 基本單元內部采用開關電源，并輸出24V直流傳感器電源和5V直流電源供基本單元I/O點和擴展模塊使用。 各CPU所能提供的最大5VD

12、C電流如表3.4所示。,CPU 22X可連接的各擴展模塊消耗5VDC電流如表3.5所示。,2、控制系統電源計算 該系統要求采用CPU224AC/DC/繼電器基本單元，配置3個EM223（DI8/DO8繼電器）和一個EM221(DI8),共4個擴展模塊。CPU224有DI14/DO10，因此系統共配置DI46/DO34。 CPU224基本單元所能提供的5V直流電源的額定電流是660mA，24V直流電源的額定電流是280mA 一塊EM223需5V直流電源的電流是80mA 一塊EM221需5V直流電源的電流是30mA 系統需5V直流電源的電流總和是80X3+30=270mA，即基本單元提供的5V直流

13、電源能滿足系統要求。,CPU224基本單元、EM223和EM221每個輸入點需吸入24V直流電源的電流為4mA EM223每個輸出點繼電器線圈需要所需24V直流電源的驅動電流為9mA 系統需24V直流電源的電流總和為46X4+24X9=400mA 基本單元提供的280mA的 24V直流電源不能滿足系統要求，系統需提供額外的120mA的24V直流電源。 注意：基本單元的24V直流電源與外部24V直流電源并聯使用時會導致兩個電源競爭而影響它們的各自的輸出，使PLC產生不正確的操作。因此，使用外部24V直流電源時，應使S7-200基本單元的24V直流電源與外部24V直流電源在不同點上供電，但要有相同

14、的參考地。,2、輸出端點電源保護 晶體管輸出保護電路 繼電器DC輸出保護電路 繼電器AC輸出保護電路,2.2.5 基本單元模擬電位器,PLC不同型號的基本單元所具有的模擬電位器的個數不同，但分辨率都是8位，數值范圍為0256。CPU221、CPU222個有一個，對應特殊標志寄存器SMB28，CPU224、CPU226個有兩個，對應于SMB228、SMB229。調節模擬電位器的旋鈕直接修改特殊標志寄存器的數值，SMB228中的值代表模擬電位器0所提供的電壓大小，SMB229中的值代表模擬電位器1所提供的電壓的大小。,2.2.6 基本單元通信接口,S7-200系列PLC基本單元都帶有RS-485通

15、信接口。 1、點對點通信方式：單主站連接一個或多個從站的通信方式。 通信波特率固定為9600bps。將PC或TD200作為主機，可最多對連接在公共線上的31臺PLC基本單元進行操作和控制，但兩臺PLC之間不能通過PPI接口方式直接通信。 2、多點接口通信方式：包括單主站連接一個或多個從站和單主站連接一個或多個主站的兩種通信方式。多點通信總是在兩個相互獨立的通信設備之間建立聯系。另一個主站不能干擾兩個設備之間已建立號的連接。 3、自由口通信方式：由用戶通過程序來自由選擇S7-200CPU通信協議的一種通信方式。（PPI協議、MPI協議、PROFIBUS協議）,2.3S7-200系列PLC 擴展模

16、塊,2.3.1. 擴展模塊 2.3.2 擴展模塊工作電源,2.3.1 擴展模塊,圖2.5I/O擴展示意圖,1.數字量I/O擴展模塊 （1）映像寄存器數量 （2）電流提供 （3）模塊電流 （4）電流預算規則 2.模擬量I/O擴展模塊 3.現場總線PROFIBUS-DP擴展模塊 4.執行器/傳感器接口CP243-2 具體擴展模塊參考教材P37表2.4,2.4 S7-200系列PLC輔助設備,1. 編程器 PG702簡易型手持式編程器 微型計算機編程器 2. 文本顯示器 TD200,3. 程序存儲卡 （1）存儲系統,圖2.6存儲系統,表2.3存儲容量,（2）存儲器及使用 若PLC通電后再插入程序存儲卡，可將PLC中的內容復制到卡上；若先插卡再通電，則卡上的數據自動復制到PLC中。高型號CPU可讀出低型號CPU的程序存儲卡，反之不能。 （3）存儲安全 1）主機CPU模塊內部配備