S7-200系列PLC系统配置.ppt

PLC原理及应用 成都理工大学工程技术学院自动化工程系测控教研室 3 1S系列PLC发展概述3 2S7 200PLC系统组成3 3S7 200的基本功能及特点3 4编程元件及CPU组态3 5编程语言及工业软件 第三部分 S7 200系列PLC系统配置 本章学习目的 本章以西门子公司生产的S7 200系列小型可编程序控制器为例 介绍具体型号的PLC 内容包括 lS系列PLC发展概述lS7 200可编程序控制器的系统组成lS7 200的基本功能及特点l编程元件及程序知识l常用工业软件 返回本章首页 3 1S系列PLC发展概述 德国的西门子 SIEMENS 公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商 生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位 其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATICS3系列的控制系统 在1979年 微处理器技术被应用到可编程序控制器中 产生了SIMATICS5系列 取代了S3系列 之后在20世纪末又推出了S7系列产品 最新的SIMATIC产品为SIMATICS7 M7和C7等几大系列 返回本章首页 3 2S7 200PLC系统组成 3 2 1系统基本构成3 2 2主机单元3 2 3特殊功能模块3 2 4相关设备3 2 5主机性能指标 返回本章首页 3 2 1系统基本构成 SIMATICS7 200系统由硬件和工业软件两大部分构成 如图3 1所示 图3 1S7 200PLC系统组成 系统基本构成1 硬件 1 基本单元 2 扩展单元 3 特殊功能模块 4 相关设备2 工业软件工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序 文档及其规则的总和 它主要由标准工具 工程工具 运行软件和人机接口等几大类构成 从CPU模块的功能来看 SIMATICS7 200系列小型可编程序控制器发展至今 大致经历了两代 第一代产品其CPU模块为CPU21X 主机都可进行扩展 它具有四种不同结构配置的CPU单元 CPU212 CPU214 CPU215和CPU216 对第一代PLC产品不再作具体介绍 第二代产品其CPU模块为CPU22X 是在21世纪初投放市场的 速度快 具有较强的通信能力 它具有四种不同结构配置的CPU单元 CPU221 CPU222 CPU224和CPU226 除CPU221之外 其他都可加扩展模块 3 2 2主机结构 1 各CPU介绍及I O系统 1 主机外形SIMATICS7 200系统CPU22X系列PLC主机 CPU模块 的外形如图3 2所示 图3 2S7 200主机外形 2 基本结构特点 输出信号类型电源输出基本I O存储安全高速反应模拟电位器实时时钟输入输出可扩展性 4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型 具有不同电源电压和控制电压 各类型的型号如下表1所示 表1CPU型号 SIMATICS7 200系统CPU22X系列PLC主机及I O特性如表2所示 表2主机及I O特性 返回本节 3 2 3特殊功能模块 1 数字量扩展模块2 模拟量扩展模块3 通信扩展模块4 现场设备接口模块 1 数字量扩展模块数字量扩展模块主要有 EM221数字量输入模块 24V 8输入 EM222数字量输出模块 24V 8输出 2种EM223数字量混合模块 24V 6种2 模拟量扩展模块模拟量扩展模块主要有 EM231 4模拟输入点 2W 12位 EM232 2模拟输出点 2W 12位 EM235 4模拟输入点 1模拟量输出点 2W 12位 3 通信扩展模块EM277PROFIBUS DP模块用于PLC现场总线通信连接 波特率可从9600 12M波特 4 现场设备接口模块CP243 2通信处理器是AS I主站连接部件 专门用于S7 200CPU22x 连接的同时显著增加了S7 200可利用的I O点数 返回本节 3 2 4相关设备 1 手编器2 计算机3 人机界面4 特殊功能模块 返回本节 1 手编器 工业上用的各厂商的可编程序控制器的使用中 手编器曾是主要编程设备 后来出现了图形输入设备 又出现了计算机编程软件 通过通信设备 使PLC和计算机相连 用编程软件可直接在计算机上编程 由于计算机的显示器屏幕较大 对程序的编制和修更加方便高效 但即使是现在 手编器的使用仍十分广泛 特别是用小型和微型PLC实现的小规模系统 2 计算机 计算机包括个人计算机和工业计算机 在可编程序控制器系统的工业应用中发挥着越来越重要的作用 几乎PLC系统从工程项目开发 编程 调试到系统的运行和维护 计算机越来越成了不可缺少的工具 3 人机界面 1 构造特点文本显示区 可显示两行信息 每行20个字符 的液晶显示LCD 按键 共有9个键 通信 通过TD CPU电缆 通用RS232接口 可以提供可编程序控制器与TD200的通信 同时可以提供TD的电源 而不必再另接电源 电源 如果不用TD CPU通信电缆 可以通过面板右侧的电源接口连接外部电源 2 主要功能可以显示从CPU主机读出的信息 如读取指令 数据 当前值及状态 可以调整运行中选定的程序变量 可以提供对输入输出点的强制功能 可以为实时时钟设置日期和时间 支持多种语言形式的菜单和提示并支持中文 返回 3 2 5主机性能指标 S7 20022X各主机的主要技术性能指标如下表3 7所示 表3 722X主机主要技术指标 3 3S7 200基本功能及特点 3 3 1输入 输出系统3 3 2存储系统及功能3 3 3工作方式及扫描周期 3 3 1输入输出系统 1 设备连接2 最大I O配置的预算3 输入输出及CPU组态4 快速响应功能5 实时时钟 1 设备连接 图3 5I O扩展示意图 2 最大I O配置的预算 1 映像寄存器数量 2 电流提供 3 模块电流 4 电流预算规则 2 电流提供各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3 4所示 3 模块电流CPU22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表3 5所示 3 输入输出及CPU组态 1 I O点数扩展和编址 2 设置输入滤波 3 设置脉冲捕捉 4 输出表配置 5 定义存储器保持范围 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 本系统可有多种不同模块的选取组合 表3 6所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况 若按表3 6的扩展方式 各模块在I O链中的位置排列方式也可以有多种 图3 6所示为其中的一种模块连接形式 图3 6扩展连接图 4 快速响应功能1 脉冲捕捉功能使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲 2 中断输入3 高速计数器4 高速脉冲输出5 模拟电位器5 实时时钟 用于记录机器的运行时间 或对过程进行时间控制 S7 200CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能 它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲 并将其保持到主机读到这个信号 但前提是只有通过滤波器后 脉冲捕捉才有效 此外 在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲 则只有第一个脉冲可以被捕捉到 几种情况下的脉冲捕捉波形如图3 7所示 图3 7脉冲捕捉波形图 返回本节 3 3 2存储系统 1 存储系统2 存储器及使用3 存储安全 1 存储系统 系统存储区 工作存储区 暂时局部存储区 累加器AC 程序存储区 地址寄存器 1 系统存储区 存放操作数据 2 工作存储区 存放CPU所执行的程序单元的复制件 程序存储区 分为动态程序存储区和可选的固定程序存储区 存放用户程序 累加器 AC0 AC3 5 地址寄存器 存放寄存器间接寻址的指针 图3 3存储系统 表3 3存储容量 2 存储器及使用 S7 200的程序结构由三部分组成 用户程序 数据块和参数块 存储系统的使用 主要有以下几个方面 上装和下装用户程序定义存储器保持范围用程序永久保存数据存储器卡的使用 3 存储安全1 主机CPU模块内部配备的EEPROM 上装程序时 可自动装入并永久保存用户程序 数据和CPU的组态数据 2 用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储器 3 主机CPU提供一个超级电容器 可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之久 4 CPU提供一个可选的电池卡 可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时 继续为内部RAM存储器供电 以延长数据所存的时间 5 可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据 3 3 3工作方式及扫描周期 1 扫描周期2 工作方式3 改变CPU工作方式的方法 1 工作方式 1 STOP方式在此工作方式下 不能运行用户程序 可以向CPU装载用户程序或进行CPU设置 2 TERM方式在此工作方式下 允许使用工业编程软件STEP7 Micro WIN32来控制CPU的工作方式 3 RUN方式在此工作方式下 CPU执行用户程序 2 改变CPU工作方式的方法 1 用PLC上的方式开关来手动切换 方式开关有3个挡位 2 用STEP7 Micro Win32编程软件 应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置 然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可 3 在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式 前提是程序逻辑允许中断程序的执行 3 扫描周期 在RUN方式下 系统周期性地循环执行用户程序 在每个扫描周期内 主要完成的任务如下图所示 图3 4CPU的扫描周期 1 读输入阶段 输入采样阶段 读取输入端子信号到输入映像寄存器中 2 执行程序对立即I O指令 模拟量I O指令和中断指令的扫描过程有所不同 3 处理通信请求CPU自动监测来自各个通信端口的通信信息 并进行处理 4 执行CPU自诊断测试 5 写输出阶段 对输出点进行刷新 返回本节 3 4编程元件及程序知识 3 4 1S7 200的基本数据类型3 4 2编程元件3 4 3CPU组态3 4 4寻址方式 返回本章首页 1 数据类型及范围SIMATICS7 200系列PLC数据类型可以是布尔型 整型和实型 浮点数 实数采用32位单精度数来表示 其数值有较大的表示范围 正数为 1 175495E 38 3 402823E 38 负数为 1 175495E 38 3 402823E 38 不同长度的整数所表示的数值范如表3 8所示 3 4 1S7 200的基本数据类型 2 常数在编程中经常会使用常数 常数数据长度可为字节 字和双字 在机器内部的数据都以二进制存储 但常数的书写可以用二进制 十进制 十六进制 ASCII码或浮点数 实数 等多种形式 几种常数形式分别如表3 9所示 返回本节 PLC在系统软件的管理下 将用户程序存储器划分出若干个区 并分别赋予不同的功能 由此组成了PLC的编程元件 注 这些编程元件 只是与其对应的存储器中的某些存储单元 并不真实存在这些实际的物理器件 一个继电器对应一个基本单元 1bit 因此使用这些编程元件 实质上是对相应的存储内容以位 以字节 以字或双字的形式进行存取 3 4 2S7 200的编程元件 各元件介绍 输入继电器 I 即输入映像寄存器 作用 接收来自现场的控制按钮 行程开关及各种传感器等的输入信号 输入映像寄存器以字节为单位 CPU一般按 字节 位 的编址方式来读取一个继电器的状态 输出继电器 Q 即输出映像寄存器 作用是将PLC的存储系统与外部输出端子建立起明确对应的连接关系 与其它内部器件不同在于 它有一个 且仅有一个实实在在的物理动合触点 用来接通负载 变量寄存器 V 用于模拟量控制 数据运算 参数设置及存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果 可以位为单位 也可以字 字节为单位 其数量与CPU的型号有关 通用辅助继电器 M 功能类似于继电器控制线路中的中间继电器 与外部没有任何联系 不能直接驱动任何负载 特殊标志继电器 SM 用来存储系统的状态变量及有关的控制参数和信息 是用户程序与系统程序之间的界面 定时器 T 作用类似于时间继电器 定时器的设定值通过程序预先输入 当满足定时器的工作条件时 定时器开始计时 当前值从0开始按照一定的时间单位增加 当定时器的当前值达到设定值时 定时器动作 S7 200的CPU22X系列的定时器有256个 T0 T255 定时精度为 1ms 10ms和100ms 定时器包含两方面的信息 定时器当前值 定时器状态位 定时器当前值 存储的当前所累计的时间 用16位符号整数表示 定时器的状态位 当定时器当前值达到设定值时 T bit为ON 计数器 C 用来对输入脉冲的个数进行累计 实现计数操作 计数器的设定值通过程序预先输入 当满足计数器的触发输入条件时 计数器开始累计计数输入端的脉冲前沿的次数 当达到设定值时 计数器动作 S7 200的CPU22X系列的计数器有256个 C0 C255 计数器包含两方面的信息 计数器当前值 计数器状态位 计数器当前值 存储的当前所累计的脉冲个数 用16位符号整数表示 定时器的状态位 当定时器当前值达到设定值时 T bit为ON 高速计数器 HSC 用于高频计数 累加器 AC 用来暂存数据 4个32位累加器AC0 AC3 支持字节 字 双字的存取 局部变量存储器 L 用于存取局部变量 与变量寄存器类似 区别在于 L 存取局部变量 V 存取全局变量 全局 同一个存储器可以被任何一个程序 主程序 子程序和中断程序 读取 局部 存储器区和特定的程序相关联 状态继电器 顺序控制继电器 S 是使用步进控制指令编程时的重要编程元件 模拟量输入 AIW 寄存器 模拟量输出 AQW 寄存器PLC处理模拟量的过程如下 模拟量信号经A D转换后变成数字量 存储在模拟量输入寄存器中 通过PLC处理之后将要转换成模拟量的数字量写入模拟量输出寄存器 再经过D A转换成模拟量输出 因此 PLC对这两种寄存器的处理方式不同 对AIW只能作读取操作 而对AQW只能作写入操作 返回本节 3 4 3CPU组态 CPU组态 配置PLC系统的部分硬件的功能和参数 配置I O点数及模块编址设置输入滤波设置脉冲捕捉功能配置数字量输出表定义存储器保持范围 配置I O点数及模块编址 S7 200的系统扩展时 CPU的组态规则为 对同类型的数字量输入或输出扩展模板 以1字节 8位 为单位 按顺序进行编址 尽管当前模板的高位实际位数未满8位 未用到的位数仍不能分配给后续的模板 对模拟量扩展模板 是以2字节 1个字 的递增方式进行编址 例 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 本系统可有多种不同模块的选取组合 表3 6所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况 若按表3 6的扩展方式 各模块在I O链中的位置排列方式也可以有多种 图3 6所示为其中的一种模块连接形式 图3 6扩展连接图 2 设置输入滤波 滤波 将在输入点上采集到的输入信号 经过合理的时间延迟后 滤除噪声干扰 再送到CPU 1 数字量输入滤波 2 模拟量输入滤波 3 设置捕捉功能 S7 200CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能 它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲 并将其保持到主机读到这个信号 但前提是只有通过滤波器后 脉冲捕捉才有效 此外 在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲 则只有第一个脉冲可以被捕捉到 几种情况下的脉冲捕捉波形如图3 7所示 图3 7脉冲捕捉波形图 返回本节 3 4 4寻址方式 S7 200将信息存放于不同的存储器单元 每个存储器单元都有唯一确定的地址 根据对存储单元中的信息存取形式的不同 可分为 直接寻址方式间接寻址方式 1 直接寻址方式 1 编址形式按位寻址的格式为 Ax y按字节寻址 存储区内另有一些元件是具有一定功能的硬件 由于元件数量很少 所以不用指出元件所在存储区域的字节 而是直接指出它的编号 其寻址格式为 ABx按字寻址格式为 AWx按双字寻址格式为 ADx 按位寻址的格式为 Ax y必须指定元件名称 字节地址和位号 如图3 8所示 图3 8中MSB表示最高位 LSB表示最低位 图3 8位寻址格式 按字节寻址的格式为 ABx必须指定元件名称和字节地址 将该字节的8位数据同时进行处理 按位寻址的格式为 Ax y在S7 200中可以进行位寻址的编程元件有 I Q M SM V L S 按字寻址的格式为 AWx必须指定元件名称和字节地址 字节地址x是两个相邻字节 x x 1 的低位字节地址 按双字寻址的格式为 ADx必须指定元件名称和字节地址 字节地址x是4个相邻字节 x x 1 x 2 x 3 的低位字节地址 对于定时器T 计数器C 高速计数器HSC 累加器AC这些编程元件 由于其数量较少 不采取按位寻址的编址方式 而直接采用名称和编号的寻址方式 2 间接寻址方式 间接寻址方式是 数据存放在存储器或寄存器中 在指令中只出现所需数据所在单元的内存地址的地址 存储单元地址的地址又称为地址指针 这种间接寻址方式与计算机的间接寻址方式相同 间接寻址在处理内存连续地址中的数据时非常方便 而且可以缩短程序所生成的代码的长度 使编程更加灵活 用间接寻址方式存取数据需要做的工作有3个 建立指针 间接存取和修改指针 可以使用指针进行间接寻址的编程元件有 I Q M V S 以及T和C的当前值 1 建立指针 建立指针必须用双字传送指令 MOVD 将存储器所要访问的单元的地址装入用来作为指针的存储器单元或寄存器 装入的是地址而不是数据本身 格式如下 例 MOVD VB200 VD302MOVD MB10 AC2MOVD C2 LD14注意 建立指针用MOVD指令 2 间接存取 指令中在操作数的前面加 表示该操作数为一个指针 下面两条指令是建立指针和间接存取的应用方法 MOVD VB200 AC0MOVW AC0 AC1若存储区的地址及单元中所存的数据如下所示执行过程如下 3 修改指针 下面的两条指令可以修改指针的用法 INCDAC0INCDAC0MOVW AC0 AC1 S7 200将编程元件统一归为存储器单元 存储单元按字节进行编址 无论所寻址的是何种数据类型 通常应指出它在所在存储区域和在区域内的字节地址 每个单元都有惟一的地址 地址用名称和编号两部分组成 元件名称 区域地址符号 如表3 10所示 返回本节 3 5编程语言及工业软件 3 5 1编程语言3 5 2工业软件3 5 3S7 200的程序结构 返回本章首页 3 5 1编程语言 1 语句表2 梯形图3 功能块图4 其他编程语言 1 梯形图 图3 10梯形图举例 梯形图 1继电接触控制系统电路图很相似 2简单直观 2 语句表 语句表 STL 语言类似于计算机的汇编语言 特别适合于来自计算机领域的工程人员 用指令助记符创建用户程序 属于面向机器硬件的语言 STEP7Micro Win32的语句表如图所示 语句表举例 指令表 由若干条指令组成的程序叫指令表程序 LDX0OUTY0LDIX1OUTY1OUTY2LDX3OUTY3 3 功能块图 功能块图 FBD 的图形结构与数字电子电路的结构极为相似 如下图所示 4 其他编程语言 SIMATIC工业软件中的工程工具中为大型或中型PLC提供了许多高级编程工具 以下简要其中的几种 1 CFC 2 S7 GRAPH 3 S7 HiGraph 4 S7 SLC和M7 ProC C 1 连续功能图CFC CFC 连续功能图 是在原来的CSF 控制系统流程图 的基础上发展起来的 它通过绘制过程控制流程图 将各程序块在版面上布置 然后将它们相互连接即可 控制系统流程图如图所示 连续功能图 2 S7 GRAPH 专为S7系列的大中型PLC提供的高级编程工具 通过绘制功能流程图的方法完成顺序控制 3 S7 HiGraph 它借助于状态图来描述异步过程 用于装置和过程 以及可能的转移状态的图形描述 本工具可基于系统框图和流程图直接进行编程 程序结构和过程清晰 4 S7 SLC和M7 ProC C SLC语言 S7 SLC的语言与PASCAL非常相似 如图所示 返回本节 3 5 2工业软件的类型 SIEMENS公司的SIMATIC工具软件是SIMATICS7 M7 C7自动化系统的一种模块化设计的交互软件工具系统 SIMATIC工具软件只要由 标准工具 工程工具 运行软件人机界面等几类软件构成 1 标准工具标准工具是SIMATICS7 M7 C7自动化系统进行编程的基础 SIMATIC系列标准工具及其适用范围如表所示 1 STEP7软件的基本功能编程软件在离线条件下 可以实现程序的输入 编辑 编译等功能 编程软件在联机工作方式可实现程序的上 下载 通讯测试及实时监控等功能 2 STEP7 Micro WIN32窗口组件及功能1 主菜单及子目录的状态信息2 工具条及浏览条和指令树3 程序编辑器窗口 2 工程工具 面向控制任务的工具 使用户能针对实际的工程任务 明显降低工程成本 提高工作效率 工程工具主要包括 编程员用的高级语言 技术专家用的图形语言 诊断 仿真 远程维护和工厂文件编制等用的辅助软件 3 运行软件 直接集成在自动化解决方案内 它提供了预编程解决方案 且可由用户程序调用 运行软件种类很多 以下是几个常用的运行软件 1 SIMATICS7的控制 例如 标准控制 模块化和模糊控制系列软件 2 将自动化系统连接到Windows应用程序的程序接口工具 3 SIMATICM7的实时操作系统 4 人机接口 是现场操作员控制及SIMATIC过程监视的工业软件 人机接口包括 操作员面板和系统组态用的软件 如Protool和Protool Life等 用于过程诊断的可选软件包ProAgent Windows95 NT用的高性能可视化工具系统WinCC 程序编制及运行 建立项目 用户程序 1 程序的输入 编辑通常利用LAD进行程序的输入 程序的编辑包括程序的剪切 拷贝 粘贴 插入和删除 字符串替换 查找等 还可以利用符号表对POU中的符号赋值 2 程序的编译及上 下载 1 编译 程序的编译 能明确指出错误的网络段 编程者可以根据错误提示对程序进行修改 然后再次编译 直至编译无误 2 下载 用户程序编译成功后 将下载块中选中下载内容下载到PLC的存储器中 3 载入 上载 载入可以将PLC中未加密的程序或数据向上送入编程器 PC机 将选择的程序块 数据块 系统块等内容上载后 可以在程序窗口显示上载的PLC内部程序和数据信息 梯形图编辑器 1 梯形图元素的工作原理触点代表电流 能量流 的控制开关 线圈代表由电流充电的中继或输出 框盒 指令盒 代表能量流到达此框时执行指令盒的功能 2 梯形图排布规则网络必须从触点开始 以线圈或框盒 没有ENO端 结束 注 每个用户程序 一个线圈或指令盒只能使用一次 并且不允许多个线圈串联使用 3 在梯形图中输入指令 编程元件 光标 阶梯的开始 继续输入元件等标志的识别 4 程序的编辑及参数设定5 程序注释6 程序的编译及上 下载 程序的监视 运行 调试 1 程序运行方式的设置将CPU的工作方式开关置在RUN