1、可編程序控制器,主講：張波,本章學(xué)習(xí)目的,本章以西門子公司生產(chǎn)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(nèi)容包括： S系列PLC發(fā)展概述 S7-200 可編程序控制器的系統(tǒng)組成 編程元件及程序知識 相關(guān)設(shè)備 常用工業(yè)軟件,返回本章首頁,第2章S7-200系列PLC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),S系列PLC發(fā)展概述,2.1,S7-200系列PLC基本單元,2.2,S7-200系列PLC擴(kuò)展模塊,3,2.3,相關(guān)設(shè)備,2.4,工業(yè)軟件,3,2.5,2.1S系列PLC發(fā)展概述,德國的西門子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)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(tǒng)。 在1979年，微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中，產(chǎn)生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世紀(jì)末又推出了S7系列產(chǎn)品。 最新的SIMATIC產(chǎn)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(fā)展至今，大致經(jīng)歷了兩代： 第一代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 21X，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的CPU單元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 2

3、16，對第一代PLC產(chǎn)品不再作具體介紹。 第二代產(chǎn)品其CPU模塊為CPU 22X，是在21世紀(jì)初投放市場的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。它具有四種不同結(jié)構(gòu)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(kuò)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(tǒng)CPU 22X系列PLC主機(jī)及I/O特性如表2.2所示。,表2.2主機(jī)及I/O特性,圖2.1S7-200基本構(gòu)成,SIMATIC S7-200系統(tǒng)由硬件和工業(yè)軟件兩大部分構(gòu)成

4、，如圖2.1所示。,系統(tǒng)基本構(gòu)成 1. 硬件 （1）基本單元 （2）擴(kuò)展單元 （3）特殊功能模塊 （4）相關(guān)設(shè)備 2. 工業(yè)軟件 工業(yè)軟件是為更好地管理和使用這些設(shè)備而開發(fā)的與之相配套的程序、文檔及其規(guī)則的總和，它主要由標(biāo)準(zhǔn)工具、工程工具、運(yùn)行軟件和人機(jī)接口等幾大類構(gòu)成。,2.2S7-200 PLC系統(tǒng)組成,2.2.1基本單元特點(diǎn) 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(diǎn),S7-200系列PLC在硬件上采用固定式結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式。固定式結(jié)構(gòu)的硬件即

5、基本單元，擴(kuò)展式結(jié)構(gòu)的硬件即基本單元擴(kuò)展的模塊。 SIMATIC S7-200系統(tǒng)CPU 22X系列PLC主機(jī)（CPU模塊）的外形如圖2.2所示：,圖2.2基本單元物理結(jié)構(gòu),CPU狀態(tài)顯示,通信口,頂部端子蓋,電,源及輸出端子,前蓋 方式開關(guān),、,電位器、擴(kuò)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(yùn)行或停機(jī)）、本機(jī)I/O口的當(dāng)前狀態(tài)及CPU系統(tǒng)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(shè)備連接的接口，CPU通過它可和其他輔助設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

6、。 電源端子：接受外部電源。為CPU及所連接任何擴(kuò)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(guān)。 擴(kuò)展I/O連接：是基本單元那與擴(kuò)展模塊的接口，通過它可增加CPU的I/O點(diǎn)數(shù)。 輸入端子：接收來自控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)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(tǒng)使用。CPU22x基本單元特性見P25表2.1。,PLC的輸入點(diǎn)接收來自現(xiàn)場設(shè)備信號，輸出點(diǎn)輸出控制信號給被控對象。 每種CPU最多可加的擴(kuò)展模塊數(shù)是不同的，所以最大I/O點(diǎn)數(shù)也不等。每種CPU基本單元允許的數(shù)字量I/O邏輯空間（映像寄存器個數(shù)）都是1

7、28個輸入位和128個輸出位，它們與CPU實(shí)際允許的最大I/O點(diǎn)數(shù)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(shù)）與它們實(shí)際允許的最大模擬量I/O點(diǎn)數(shù)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(shù)字量輸出接口按照輸出開關(guān)器件的種類不同，可分為： 晶體管輸出方式（只能帶直流負(fù)載，屬直流輸出） 可控硅輸出方式（只能帶交流負(fù)載，屬交流輸出） 繼電器輸出方式（交直流負(fù)載都可，屬交/直流輸出） 按照負(fù)

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(fù)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(shù)字量，將PLC內(nèi)部的電平信號轉(zhuǎn)換為外部所需電平，輸出給外部負(fù)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(kuò)展 擴(kuò)展模塊I/O點(diǎn)的地址由I/O類型及模塊在I/O鏈中的位置決定。數(shù)字量擴(kuò)展模塊以一個字節(jié)（8位）地址遞增方式保留映像寄存器空間。模擬量擴(kuò)展模塊是以兩個字節(jié)

9、遞增方式來分配空間。如果映像寄存器保留空間字節(jié)的某些位沒有擴(kuò)展模塊實(shí)際物理點(diǎn)與其對應(yīng)，這些未用的位就不會分配給I/O鏈中的后續(xù)模塊。對于輸入模塊，由于每次輸入刷新時都把保留字節(jié)的未用位清0，所以這些未用位不能用作內(nèi)部存儲器的標(biāo)志位。對于輸出模塊，保留字節(jié)中的未用位可象內(nèi)部存儲器的標(biāo)志位那樣使用。,例如，某一控制系統(tǒng)選用CPU 224，系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)各為：數(shù)字量輸入24點(diǎn)、數(shù)字量輸出20點(diǎn)、模擬量輸入6點(diǎn)、模擬量輸出2點(diǎn)。本系統(tǒng)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(tǒng)輸入輸出組態(tài)狀況。,若按表3.6的擴(kuò)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(kuò)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(jī)方式，不執(zhí)行用戶程序，但可以向CPU裝載程序配置CPU參數(shù)。 （2）RUN模式： 運(yùn)行方式，CPU執(zhí)行用戶程序。 （3）TERM（終端）模式：由編程設(shè)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(tài)。 SF紅色指示燈亮表示系統(tǒng)故障，PLC停止運(yùn)行 RUN綠色指示燈亮表示CPU處于運(yùn)行狀態(tài) STOP黃色指示燈表示CPU處于停機(jī)狀態(tài),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(huán)掃描方式連續(xù)執(zhí)行用戶程序，在一個掃描周期中，CPU主要進(jìn)行信號讀入、程序執(zhí)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(zhí)行程序： 若使用直接I/O指令，則允許控制控制程序?qū)斎胼敵鳇c(diǎn)直接存取和輸出。 中斷程序 通信請求 CPU進(jìn)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(shè)計(jì) 基本單元內(nèi)部采用開關(guān)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(diǎn)和擴(kuò)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(kuò)展模塊消耗5VDC電流如表3.5所示。,2、控制系統(tǒng)電源計(jì)算 該系統(tǒng)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(kuò)展模塊。CPU224有DI14/DO10，因此系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)要求。,CPU224基本單元、EM223和EM221每個輸入點(diǎn)需吸入24V直流電源的電流為4mA EM223每個輸出點(diǎn)繼電器線圈需要所需24V直流電源的驅(qū)動電流為9mA 系統(tǒng)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(tǒng)要求，系統(tǒng)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(lián)使用時會導(dǎo)致兩個電源競爭而影響它們的各自的輸出，使PLC產(chǎn)生不正確的操作。因此，使用外部24V直流電源時，應(yīng)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(diǎn)上供電，但要有相同

14、的參考地。,2、輸出端點(diǎn)電源保護(hù) 晶體管輸出保護(hù)電路 繼電器DC輸出保護(hù)電路 繼電器AC輸出保護(hù)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(shù)不同，但分辨率都是8位，數(shù)值范圍為0256。CPU221、CPU222個有一個，對應(yīng)特殊標(biāo)志寄存器SMB28，CPU224、CPU226個有兩個，對應(yīng)于SMB228、SMB229。調(diào)節(jié)模擬電位器的旋鈕直接修改特殊標(biāo)志寄存器的數(shù)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(diǎn)對點(diǎn)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(jī)，可最多對連接在公共線上的31臺PLC基本單元進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)通信總是在兩個相互獨(dú)立的通信設(shè)備之間建立聯(lián)系。另一個主站不能干擾兩個設(shè)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(xié)議的一種通信方式。（PPI協(xié)議、MPI協(xié)議、PROFIBUS協(xié)議）,2.3S7-200系列PLC 擴(kuò)展模

16、塊,2.3.1. 擴(kuò)展模塊 2.3.2 擴(kuò)展模塊工作電源,2.3.1 擴(kuò)展模塊,圖2.5I/O擴(kuò)展示意圖,1.數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊 （1）映像寄存器數(shù)量 （2）電流提供 （3）模塊電流 （4）電流預(yù)算規(guī)則 2.模擬量I/O擴(kuò)展模塊 3.現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP擴(kuò)展模塊 4.執(zhí)行器/傳感器接口CP243-2 具體擴(kuò)展模塊參考教材P37表2.4,2.4 S7-200系列PLC輔助設(shè)備,1. 編程器 PG702簡易型手持式編程器 微型計(jì)算機(jī)編程器 2. 文本顯示器 TD200,3. 程序存儲卡 （1）存儲系統(tǒng),圖2.6存儲系統(tǒng),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(nèi)容復(fù)制到卡上；若先插卡再通電，則卡上的數(shù)據(jù)自動復(fù)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(jī)CPU模塊內(nèi)部配備