4 S7-200的组成和系统配置

第4章S7 200的系统组成 1 按规模 即I O点数 可分为大 中 小型 2 按结构可分为整体式和组合式 3 按生产厂家分在实际应用中通常都按I O点数来分类 4 1PLC的分类 1 根据I O点数分类I O点数表明PLC可以从外部接收多少输入量和向外部输出多少个输出量 即PLC的I O端子数 一般来说 点数多的PLC功能较强 I O点总数在64 256点的PLC称为小型PLC 小型PLC体积小 结构紧凑 整个硬件融为一体 是实现机电一体化的理想控制器 也是一种在实际控制中应用得最为广泛的机型 小型PLC一般有逻辑运算 定时 计数 移位等功能 适用于开关量的控制 可用来实现条件控制 定时 计数控制 顺序控制等 I O点数在256点 1024点之间的PLC为中型PLC 中型PLC在逻辑运算功能的基础上增加了模拟量处理 算术运算 数据传送 数据通信等功能 可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制 I O点数在1024点以上的PLC为大型PLC 大型PLC功能更加完善 具有数据处理 模拟调节 联网通信 监视 存储 打印等功能 可以进行中断控制 智能控制 远程控制 而且大型PLC自诊断功能极强 不仅能指示故障的原因 还能将故障发生的时间存储起来 以便于用户事后查询 此外还能采用高级语言编写用户程序 能扩展成冗余系统 进一步提高了系统的可靠性 2 根据结构分类从结构形式上分 PLC可分为整体式和模块式两类 一般小型PLC多为整体式结构 小型PLC的CPU 电源 I O单元等都集中配置在一起 有些产品则全部装在一块电路板上 结构紧凑 体积小 重量轻 容易装配在设备的内部 适合于设备的单机控制 整体式PLC的缺点是主机的I O点数固定 使用不够灵活 维修也不够方便 整体式PLC 电源 CPU中央处理系统 I O接口都集成在一个机壳内 如西门子S7 200系列 CPU 基本单元 扩展模块 模块式PLC 各种模块相互独立 如CPU模块 电源模块 输入模块 输出模块及其他高性能模块等 安装在固定的机架 导轨 上 构成一个完整的PLC应用系统 一般大 中型PLC多为模块式结构 如 西门子S7 300 S7 400系列 3 根据生产厂家分类PLC的生产厂家很多 各个厂家生产的PLC在I O点数 容量 功能等方面各有差异 但都自成系列 指令及外设向上兼容 因此在选择PLC时若选择同一系列的产品 则可以使系统构成容易 使用方便 比较有代表性的PLC有西门子Siemens公司的S7系列 三菱 Mitsubishi 公司的FX系列 松下 Panasonic 公司的FP系列等 2010年中国大陆PLC市场份额 单位 百万元人民币 西门子S系列PLC发展概述 补充 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 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 SIMATICS7 200系列属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 S7 300系列PLC是模块化小型PLC系统 通过分布式的主机架 CR 和3个扩展机架 ER 可以对多达32个模块进行操作 各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展 能满足中等性能要求的应用 S7 400系列PLC采用模块化无风扇的设计 坚固耐用 易于扩展 通信能力强大 容易实现分布式结构 该系列具有多种级别 功能逐步升级 的CPU 种类齐全的通用功能模板 使用户能根据需要组合成不同的专用系统 当控制系统规模扩大或变得更加复杂时 只要适当的增加一些模板 就能够实现系统升级 由于S7 200系列PLC几乎包含了西门子PLC所有的性能 而且在小型PLC中具有较强的代表性 所以本章以S7 200系列为例 详细介绍其系统基本构成和各模块性能 4 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 如图所示 4 2S7 200PLC系统组成 扩展单元 特殊功能模块 4 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 的外形如图所示 组成 CPU模块的顶部端子盖内 电源及输出端子底部端子盖内 输入端子及传感器电源中部右侧前盖内 CPU工作方式开关 RUN STOP 模拟调节电位器和扩展I O接口左侧 状态指示灯LED 存储卡 及通讯口 状态指示灯 显示CPU的工作方式 本机I O的状态 系统错误状态 存储卡 EEPROM卡 可以存储CPU程序 RS 485的串行通讯端口 PLC主机实现人一机对话 机 机对话的通道 实现PLC与上位计算机的连接 实现PLC与PLC 编程器 彩色图形显示器 打印机等外部设备的连接 扩展接口 PLC主机与输入 输出扩展模块的接口 作扩展系统之用 主机与扩展模块之间由导轨固定 并用扩展电缆连接 主机与扩展模块 4 2 3S7 200PLC主机性能 一 S7 200CPU22X系列产品 CPU221模块 CPU222模块 CPU224模块 CPU226模块 CUP226XM模块 S7 20022X各主机的主要技术性能指标如下表所示 表1S7 200系列PLC各CPU模块基本特性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 二 S7 200CPU存储器系统 S7 200CPU存储器系统由RAM和EEPROM两种存储器构成 系统掉电时 自动将RAM中M存储器的有关内容保存到EEPROM存储器 1 输入 输出映像寄存器 S7 200PLC编址范围 I0 0 I15 7 输入映像寄存器 该区域可以按位操作又称输入继电器 输入继电器线圈由外部信号驱动 常开触点和常闭触点供用户编程使用 输出映像寄存器 S7 200PLC编址范围 Q0 0 Q15 7 输出映像寄存器 又称输出继电器 是用来将PLC的输出信号传递给负载 线圈用程序指令驱动 PLC的每一个I O点都是一个确定的物理点 CPU226主机有I0 0 I0 7 I1 0 I1 7 I2 0 I2 7共24个数字量输入端点 Q0 0 Q0 7 Q1 0 Q1 7共10个数字量输出端点 2 变量存储器V用以存储运算的中间结果和其它数据 CPU224有VB0 0 VB5119 7的5K存储字节 可按位 字节 字或双字使用 3 内部标志位 M 存储区M作为控制继电器 又称中间继电器 用来存储中间操作数或其它控制信息 S7 200PLC编址范围M0 0 M31 7 可以按位 字节 字或双字来存取存储区的数据 4 顺序控制继电器 S 存储区S又称状态元件 以实现顺序控制和步进控制 S7 200PLC编址范围S0 0 S31 7 可以按位 字节 字或双字来存取数据 5 特殊标志位 SM 存储器CPU224编址范围SM0 0 SM179 7 共180个字节 其中SM0 0 SM29 7的30个字节为只读型区域 SMB0为状态位字节 在每次扫描循环结尾由S7 200CPU更新 定义如下 SM0 0RUN状态监控 PLC在运行RUN状态 该位始终为1 SM0 1首次扫描时为1 PLC由STOP转为RUN状态时 ON 1态 一个扫描周期 用于程序的初始化 SM0 2当RAM中数据丢失时 ON一个扫描周期 用于出错处理 SM0 3PLC上电进入RUN方式 ON一个扫描周期 SM0 4分脉冲 该位输出一个占空比为50 的分时钟脉冲 用作时间基准或简易延时 SM0 5秒脉冲 该位输出一个占空比为50 的秒时钟脉冲 可用作时间基准 SM0 6扫描时钟 一个扫描周期为ON 高电平 另一为OFF 低电平 循环交替 SM0 7工作方式开关位置指示 0为TERM位置 1为RUN位置 SMB1为指令状态位字节 常用于表及数学操作 部分位定义如下 SM1 0零标志 运算结果为0时 该位置1 SM1 1溢出标志 运算结果溢出或查出非法数值时 该位置1 SM1 2负数标志 数学运算结果为负时 该位为1 6 局部存储器 L S7 200有64个字节的局部存储器 编址范围LB0 0 LB63 7 其中60个字节可以用作暂时存储器或者给子程序传递参数 最后4个字节为系统保留字节 7 定时器 相当于时间继电器 S7 200CPU中的定时器是对内部时钟累计时间增量的设备 用于时间控制 编址范围T0 T255 22X 8 计数器计数器主要用来累计输入脉冲个数 有16位预置值和当前值寄存器各一个 以及1位状态位 当前值寄存器用以累计脉冲个数 计数器当前值大于或等于预置值时 状态位置1 S7 200CPU提供有三种类型的计数器 增计数 减计数 增 减计数 编址范围C0 C255 22X 9 模拟量输入 输出映像寄存器 AI AQ S7 200的模拟量输入电路将外部输入的模拟量 如温度 电压 等转换成1个字长 16位 的数字量 存入模拟量输入映像寄存器区域 AI编址范围AIW0 AIW2 AIW62 起始地址定义为偶数字节地址 共有32个模拟量输入点 S7 200模拟量输出电路用来将模拟量输出映像寄存器区域的1个字长 16位 数字值转换为模拟电流或电压输输出 AQ编址范围AQW0 AQW2 AQW62 起始地址也采用偶数字节地址 共有32个模拟量输出点 10 累加器 AC 累加器是用来暂存数据 S7 200PLC提供了4个32位累加器AC0 AC3 累加器支持以字节 B 字 W 和双字 D 的存取 11 高速计数器 HC CPU22X提供了6个高速计数器HC0 HC1 HC5 每个计数器最高频率为30KHz 用来累计比CPU扫描速率更快的事件 第一是数字量和模拟量分别编址 数字量输入地址冠以字母 I 数字量输出地址冠以字母 Q 输出 输入字节可以重号 模拟量输入地址冠以字母 AI 模拟量输出地址冠以字母 AQ 输出 输入字可以重号 第二是数字量模块的编址是以字节为单位 如 IB0 Q0 1 模拟量模块的编址是以字为单位 即以双字节为单位 如 AIW0 AQW2 三 S7 200系列PLC地址分配原则 地址分配示例 CPU226AC DC 继电器模块输入 输出单元的接线图 24点输入 16点输出 24个数字量输入点 分成二组 1 第一组由输入端子I0 0 I0 7 I1 0 I1 4共13个输入点组成 每个外部输入的开关信号均由各输入端子接出 经一个直流电源终至公共端1M 2 第二组由输入端子I1 5 I1 7 I2 0 I2 7共11个输入点组成 各输入端子的接线与第一组类似 公共端为2M 16个数字量输出点 分成三组 1 由输出端子Q0 0 Q0 3共四个输出点与公共端1L组成 2 第二组由输出端子Q0 4 Q0 7 Q1 0共5个输出点与公共端2L组成 3 第三组由输出端子Q1 1 Q1 7共7个输出点与公共端3L组成 每个负载的一端与输出点相连 另一端经电源与公共端相连 4 3S7 200PLC的接口模块 S7 200PLC的接口模块有数字量模块 模拟量模块 智能模块等 扩展规模 功能 4 3 1数字量模块 EM221 EM223 一 数字量输入模块EM221 分为直流输入模块和交流输入模块 每一个输入点可接收一个来自用户设备的离散信号 ON OFF 输入设备 按钮 限位开关 选择开关 继电器触点等 直流输入模块EM221 外部接线图 直流输入模块 EM2218 24VDC 有8个数字量输入端子 接线图中 8个数字量输入点分成2组 1M 2M分别是2组输入点内部电路的公共端 每组需用户提供一个24VDC电源 二 数字量输出模块EM222 分为直流输出模块 交流输出模块 交直流输出模块三种 晶体管 晶闸管 继电器输出方式 数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型 ON OFF 负载 典型的负载包括 继电器线圈 接触器线圈 电磁阀线圈 指示灯等 每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连 输出电路把CPU运算处理的结果转换成能够驱动现场执行机构的各种大功率的开关信号 PLC的输出端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口 直流输出模块 外部接线图 直流输出模块 EM2228 24VDC 有8个数字量输出点 接线图中8个数字量输出点分成2组 1L 2L 分别是两组输出点内部电路的公共端 每组需用户提供一个DC24V的电流 三 数字量输入输出模块EM223 组合模块或输入输出模块 在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点 特点 使系统配置更加灵活例如 若有CPU226 主机I O24 16 欲扩展至27 19 缺3 3 配I O4 4 4 3 2模拟量模块 模拟量模块有 模拟量输入模块EM231 4模拟输入点 2W 12位模拟量输出模块EM232 2模拟输出点 2W 12位模拟量输入输出模块 EM235 4模拟输入点 1模拟量输出点 2W 12位 一 模拟量输入模块 A D 作用 PLC只能接收数字量信号 模拟量信号是一种连续变化的物理量 为实现模拟量控制 必须先对模拟量进行模 数 A D 转换 将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号 模拟量输入模块的功能就是实现模 数 A D 转换 组成 由滤波 模数转换A D 光电耦合等部分组成 光电耦合器起防止电磁干扰的作用 对多通道的模拟量输入单元 通常设置多路转换开关进行通道的切换 且在输出端设置信号寄存器 使用及特性 一般先用信号变送器把它们变换成统一的标准信号 如4 20mA的直流电流信号 1 5V的直流电压信号等 然后再送入模拟量输入模块 模拟量输入模块 EM231 具有4个模拟量输入通道 2 模拟量输入模块的特性 EM231的电压输入范围 单极性0 10V 0 5V 数字量 0 32000双极性 5V 2 5V 32000 32000 电流输入范围 0 20mA0 32000模拟量到数字量的最大转换时间 250 s每个通道占用存储器AI区域2个字节 该模块模拟量的输入值为只读数据 模拟量输入模块 EM231 的输入信号经模数 A D 转换后的数字量数据值是12位二进制数 数据值的12位在CPU中存放格式如图所示 最高有效位是符号位 0表示正值数据 1表示负值数据 为0 000 二 模拟量输出模块 D A 模拟量输出模块由光电耦合器