《可编程控制器原理及应用》课件第2章

第2章西门子S7-200PLC的硬件系统2.1西门子PLC简介2.2S7-200系统的基本构成2.3S7-200PLC的编程元件及寻址方式

2.1西门子PLC简介

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，是世界上著名的研发和制造PLC的公司。该公司在1973年就研制成功了欧洲第一台PLC。第一代SIMATICS3系列PLC控制系统于1975年成功投放市场。1979年，微处理器技术被应用到可编程控制器中，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。

西门子公司的PLC系列产品以其可靠性高，功能强大的优势在我国得到了十分广泛的应用。无论是单机控制还是复杂系统的控制，在各个行业中，都能从西门子系列PLC产品中选到满足生产需求或符合自动控制要求的型号。另外，近年来随着信息技术的迅速发展，西门子公司的PLC产品在功能模板、人机界面、工业网络、软件应用等方面也迅速发展，使PLC控制系统的智能化越来越高，设计和操作越来越简单。

最新的SIMATIC产品为SIMATICS7、M7和C7等几大系列。SIMATICS7-200系列属于小型可编程控制器，发展至今，大致经历了两代。第一代产品的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，本书对第一代PLC产品不作具体介绍。第二代产品的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。其中，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

2.2S7-200系统的基本构成西门子S7-200是一款整体结构式小型PLC，具有性能价格比高、功能丰富的特点，可以根据控制规模大小选择主机CPU的型号。主机本身包含一定数量的I/O端口，当主机功能不够用时还可以进行扩展，扩展模块包括数字量扩展模块、模拟量扩展模块、通信模块、网络设备模块、人机界面等。图2-1所示为S7-200的基本构成。S7-200系列PLC主机可以单机运行，也可以连接扩展功能模块后运行，对于复杂系统也可以组成上下位机联网运行。图2-1S7-200的基本构成

S7-200的CPU单元包括中央处理器、存储器、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，如图2-2所示。

图2-2S7-200外观示意图

图2-2中，顶部端子盖内是电源及输出端子；底部端子盖内是输入端子及直流24 V电源；中部右侧前盖内是模式选择开关(RUN/STOP)、模拟调节电位器和扩展I/O接口(PLC主机与输入、输出扩展模块的接口，用于扩展系统，主机与扩展模块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接，如图2-3所示)；左侧是运行状态指示灯LED(显示CPU的工作方式、本机I/O的状态、系统错误状态)、存储卡及通信接口(PLC主机实现人机对话、机机对话的通道，实现PLC与上位计算机的连接，以及PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接)。

图2-3扩展单元安装

2.2.1主机单元

西门子CPU模块为CPU22X，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。图2-4所示为CPU224主机单元外形。图2-4CPU224主机单元外形

1.主机简介

(1) CPU221：主机集成6输入/4输出共10点数字量I/O，无I/O扩展能力；具有6 KB程序和数据存储空间，4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出；1个RS485通信/编程口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。CPU221适合于小点数控制的微型控制器。

(2) CPU222：主机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块；具有6 KB程序和数据存储空间，4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，1个RS485通信/编程口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。它非常适合于小点数控制的微型控制器。

(3) CPU224：主机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；具有13 KB程序和数据存储空间，6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，PID控制器，1个RS485通信/编程口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整体拆卸。它是具有较强控制能力的控制器。

(4) CPU224XP：主机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点；具有20 KB程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100 kHz)，2个100 kHz的高速脉冲输出，2个RS485通信/编程口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；新增了多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。它是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。

(5) CPU226：主机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；具有13 KB程序和数据存储空间，6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，PID控制器，2个RS485通信/编程口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整体拆卸。CPU226用于有较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点、更强的模块扩展能力、更快的运行速度和更强的内部集成特殊功能，适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.性能指标

S7-200的性能指标主要包括外形、功耗、输入/输出特性、指令系统、执行速度、存储容量等，具体参见表2-1，订货号参见表2-2。

3.输入/输出端子接线

数字量输入与直流电源的接线如图2-5所示。图2-5中，1M为输入的公共端，输入信号可以与电源正相接，也可以与电源负相接。图2-5数字量输入与电源之间的接线

输出端子和负载电源之间的连接与输出模块的类型有关。图2-6为晶体管类型输出模块端子接线，电源极性只能按图中那样接线，不能更改。图2-7为CPU224XPSi晶体管类型的接线图，输出的为负极，电源极性不能相反。图2-8为继电器类型输出模块端子接线，交直流电源都可以，其电源极性与端子连接时没有要求，采用直流电源时可以正极连接，也可以负极连接。图2-6晶体管类型输出模块端子接线图2-7CPU224XPSi晶体管类型输出模块端子接线图2-8继电器类型输出模块端子接线

图2-9为CPU224端子接线图，图2-10为CPU226端子接线图。下面以图2-10为例介绍端子接线情况。图2-9CPU224端子接线图图2-10CPU226端子接线图

2.2.2扩展模块

S7-200系列PLC可以连接的扩展模块(除CPU221外)主要有数字量输入/输出(DI/DO)模块、模拟量输入/输出(AI/AO)模块、通信模块和特殊功能模块等4类。扩展单元没有CPU，作为基本单元输入/输出点数的扩充，只能与基本单元连接使用，不能单独使用。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。用户可根据不同的控制需求选用具有不同功能的扩展模块。CPU221不能连接扩展模

1.扩展模块(DI/DO)

数字量扩展模块主要有数字量输入扩展模块EM221、数字量输出扩展模块EM222和数字量输入/输出扩展模块EM223，如表2-3所示。

数字量输入扩展模块EM221有3种：8点直流数字量24 V输入，16点直流数字量24 V输入，8点交直流通用输入。直流输入时电源可接24 V，交流输入时电源可直接接220 V。图2-11(a)所示为8数字量直流输入端子接线图。图中8个数字量输入端子分成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24 VDC电源。图2-11(b)所示为16数字量直流输入端子接线图。图2-11(c)所示为8交流量输入模块端子接线图，图中有8个分隔式数字量输入端子，每个输入点都占用2个接线端子，它们各自使用1个独立的交流电源(由用户提供)，这些交流电源的电压等级可以不同。图2-11EM221端子接线图

数字量输出扩展模块EM222有5种，即4点直流24 V数字量输出，4点继电器输出，8点直流24 V数字量输出，8点继电器输出，8点光电隔离晶闸管输出，其接线图如图2-12所示。图2-12EM222端子接线图

数字量输入/输出模块EM223有6种，即4点、8点、16点直流数字量24 V输入/4点、8点、16点直流数字量24 V输出，4点、8点、16点直流数字量24 V输入/4点、8点、16点继电器输出，如图2-13所示。图2-13EM223端子接线图图2-13EM223端子接线图(c) 8点直流数字量24 V输入/8点直流数字量24 V输出数字量端子接线图图2-13EM223端子接线图(d) 8点直流数字量24 V输入/8点继电器输出端子接线图图2-13EM223端子接线图(e) 16点直流数字量24 V输入/16点直流数字量24 V输出数字量端子接线图图2-13EM223端子接线图(f) 16点直流数字量24 V输入/16点继电器输出端子接线图

2.模拟量扩展模块

当被控对象是模拟量时，如温度、压力、流量、液位等，就需要将模拟量采集后通过PLC的模拟量扩展模块将模拟信号转换成数字信号送给PLC，PLC处理后的结果再通过模拟量扩展模块将数字量转换成模拟量送给控制对象。模拟量扩展模块主要有：模拟输入模块EM231、模拟量输出模块EM232和模拟量输入/输出模块EM235。

1)模拟量扩展模块的地址和技术参数

PLC主机单元的I/O地址是固定的，进行扩展后扩展模块I/O地址由扩展模块在主机单元右侧的位置决定。模拟量扩展模块是按偶数分配地址。

模拟量输入/输出扩展模块的技术参数参见表2-4和表2-5。

2)模拟量输入模块

模拟输入模块EM231有3种类型：4点12位模拟量输入，输入量程可以是电流4～20 mA、电压0～5 V、0～10 V、±5 V、±10 V等；2点12位热电阻输入，4点12位热电偶输入。

(1)模拟量输入模块数据格式。模拟量输入模块的输入信号经模数(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中的存放格式如图2-14所示。图2-14模拟量输入数据格式

(2) EM231模拟量输入模块。EM231端子接线图如图2-15所示，上部输入端子共有12个，每3个点为一组，共4组。每组可作为一路模拟量的输入通道(电压信号或电流信号)，电压信号用两个端子(A+、A-)，电流信号用3个端子(RC，C+，C-)，其中RC与C+端子短接。未用的输入通道应短接(B+、B-)。图2-15EM231端子接线图

(3) EM231热电偶输入模块。EM231热电偶模块提供了7种连接和使用方便且带隔离的热电偶接口，可接热电偶类型有J、K、E、N、S、T和R。它可以使S7-200能连接低电平模拟信号，测量范围为 ±80 mV。所有连接到该模块的热电偶都必须是同一类型的。热电偶输入模块接线如图2-16所示。图2-16热电偶输入端子接线图

(4) EM231热电阻输入模块。EM231热电阻模块为S7-200连接各种型号的热电阻提供了接口，它允许S7-200测量三个不同的电阻范围，连接的热电阻有4种类型(Pt、Cu、Ni、和电阻)，但连接到模块的热电阻必须是相同的类型。为了达到最大的测量精度和重复性，西门子公司建议，S7-200RTD模块要安装在环境温度稳定的地方。热电阻输入模块接线如图2-17所示。

EM231热电阻模块使用DIP开关，可以选择热电阻的类型、接线方式、温度测量范围。DIP开关位于模块底部，如图2-17所示。图2-17热电阻输入模块接线图

3)模拟量输出模块

模拟输出模块EM232是2点12位模拟量输出，输出电压为0～10 V，电流为0～20 mA。模拟量输出模块数据格式如图2-18所示，端子接线图如图2-19所示。图2-18模拟量输出数据格式图2-19EM232端子接线图

4)模拟量输入/输出模块

模拟输入/模拟量输出EM235有4点模拟输入，1点模拟量输出。输入电压量程为0～1 V、0～5 V、0～10 V、0～500 mV、0～100 mV、0～50 mV、±25 mV、±50 mV、±100 mV、±500 mV、±1 V、±2.5 V、±5 V、±10 V等，输入电流量程为0～20 mA。模拟量输出电压0～10 V，电流0～20 mA。图2-20所示为EM235结构示意图，图2-21为EM235端子接线图。EM235的DIP设置开关作用是选择模拟量量程和精度。图2-20EM235结构示意图图2-21EM235端子接线图

3.其他特殊功能模块

(1)调制解调器EM241模块。

(2) PROFIBUS-DPEM277模块。

(3)工业以太网模块CP243-1。

(4)位置控制模块EM253。

2.3S7-200PLC的编程元件及寻址方式2.3.1编程元件编程元件是从编程的角度对存储区进行表述，PLC中编程元件沿用了传统继电接触控制系统中继电器的称谓，并根据其功能分成输入继电器(输入映像)I、输出继电器(输出映像)Q、中间继电器M、定时器T、计数器C、局部数据L和累加器AC等，其中S7-200PLC还有全局变量存储器V、特殊中间继电器SM、模拟量输入输出AWI与AWQ。虽然编程元件的称谓是继电器，编程应用时比较直观，但实质上它们是PLC存储区中的存储单元，是一种“软”器件。

1.输入继电器(I)

每个输入继电器对应PLC输入映像寄存器的一位，也对应一个输入端子，用来接收开关量信号。图2-22所示图2-22输入继电器等效示意图

2.输出继电器(Q)

每个输出继电器对应PLC输出映像寄存器的一位，也对应一个输出端子，用来把PLC程序的执行结果送到输出端，来达到控制外部负载的目的。图2-23为输出继电器等效示意图，图中输出继电器Q0.0的线圈受程序执行结果的驱动，当Q0.0线圈带电，其常开触点闭合，常闭触点打开，这些触点不能驱动外部负载，只能在程序中使用，使用次数没有限制。图2-23输出继电器等效示意图

3.通用辅助继电器(M)

通用辅助继电器(中间继电器)又称内部位存储器，相当于继电接触控制系统中的中间继电器。通用辅助继电器的线圈的通断电只能根据程序指令执行结果来决定，线圈带电后，其触点动作，触点有无数对可以使用，但其触点不能驱动外部负载。通用辅助继电器与PLC位存储区中的寄存器对应，一般按“字节.位”的编址方式来读取继电器的状态，但也能以字节、字、双字为单位使用。中间继电器在程序中常常作为中间变量，也可以定义或组态为标志位。

4.特殊辅助继电器(SM)

特殊辅助继电器是具有特殊功能或用来存储系统的状态变量和有关控制信息的辅助继电器，特殊辅助继电器能以位、字节、字或双字来存取，常用的特殊存储器的用途如下。

5.定时器(T)

定时器类似于继电器接触控制系统中的时间继电器，但它的精度更高，定时精度(时基增量)分为1 ms、10 ms和100 ms三种。定时器的类型有接通延时、断开延时和保持型通电延时等，每个定时器可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。与定时器相关的有两个变量，一个是定时器的位，一个是定时器的当前值(长度为字)。定时器在工作前需要提前输入设定值，工作时当前值从0按照一定的时间单位增加，当当前值达到设定值时，定时器的位被置“1”，定时器的触点动作。定时器的当前值和位是通过定时器号(地址)来进行存取的，如图2-24所示。图2-24定时器

6.计数器(C)

计数器用来对脉冲进行计数，计数脉冲的有效沿是脉冲的上升沿，计数的方式有加计数、减计数和加/减计数3种方式，每个计数器也可提供无数对常开和常闭触点供编程使用。和定时器一样，与计数器相关的有两个变量，一个是计数器的位，一个是计数器的当前值(长度为字)。计数器在工作前需要提前输入设定值，工作时当前值从0按照脉冲上升沿的个数进行累计，当当前值达到设定值时，定时器的位被置“1”，计数器的触点动作。计数器的当前值和位是通过计数器号(地址)来进行存取的，如图2-25所示。图2-25计数器

7.全局变量存储器(V)

全局变量存储器是S7-200独有的存储空间，经常用来保存逻辑操作的中间结果。所有的V存储区域都是断电保持的。有时会用V区的部分空间存放一些系统参数，这时用户程序就不能再访问那些空间。在V区还可以创建数据块DB。数据块DB是用户自定义的变量，存放程序数据信息，可分为共享数据块DB(可被所有逻辑块公用)或背景数据块DI(被功能块特定占用)。可以按位、字节、字、双字来存取V存储器。

8.局部变量存储器(L)

局部变量存储器是在块或子程序运行时使用的临时变量。局部变量使用前需要在块或子程序的变量声明表中声明。局部变量为块或子程序提供传送参数和存放中间结果的临时存储空间。块或子程序执行结束后，局部数据存储空间将可以重新分配，用于作为其他块或子程序的临时变量。

9.顺序控制继电器(S)

顺序控制继电器是使用步进顺序控制指令编程时的重要状态元件，通常与步进指令一起使用以实现顺序功能流程图的编程。顺序控制继电器一般按“字节.位”的编址方式来读取继电器的状态，也可以按字节、字或双字来存取。顺序控制继电器的地址编号范围为S0.0～S31.7。

10.累加器(AC)

累加器是程序运行中重要的寄存器，用它可把参数传给子程序或任何带参数的指令和指令块，以及用来存储计算的中间值。此外，PLC在响应外部或内部的中断请求而调用中断服务程序时，累加器中的数据是不会丢失的，即PLC会将其中的内容压入堆栈。但应注意，不能利用累加器进行主程序和中断服务子程序之间的参数传递。CPU提供了4个32位累加器(AC0、AC1、AC2、AC3)，可以按字节、字或双字来存取累加器中的数值。按字节、字来存取累加器只能使用存于存储器中数据的低8位或低16位，按双字来存取累加器可以使用全部32位，存取数据的长度由所用指令决定。

11.高速计数器(HC)

高速计数器与一般计数器不同，一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高，而高速计数器可用来累计比CPU的扫描速度更快的频率。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。高速计数器的地址编号范围根据CPU的型号有所不同，CPU221/222各有4个高速计数器，CPU224/226各有6个高速计数器，编号为HC0～HC5。

12.模拟量输入寄存器(AI)/模拟量输出(AQ)

S7-200将实际系统中的模拟量输入值(如温度或电压)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。可以用区域标识符(AI)、及数据长度(W)及字节的起始地址来存取这些值。在PLC内的数字量字长为16位，即两个字节，由于模拟输入量为1个字长，所以必须用偶数字节地址(如AIW0、AIW2、AIW4)来存取这些值，模拟量输入值为只读数据。

S7-200内部可编程元件的点数如表2-7所示。

2.3.2寻址方式

1.数据类型及数据范围

S7-200支持的数据类型主要有布尔型、字节型、字型、双字型、整型、双整型和实数型等几种。

1)布尔型(BOOL)

布尔型数据也称为位数据(bit，b)，数据范围只有两个值：0或1。例如，I0.0、Q0.1、M0.0、V0.1等都代表位数据，它们的状态只有0和1两种。

2)字节型(Byte)

一个字节(Byte，B)等于8位(bit)，其中0位为最低位，7位为最高位，如IB0(包括I0.0～I0.7位)、QB0(包括Q0.0～Q0.7位)、MB0、VB0等。数据范围为00～FF(十进制的0～255)。

3)字型(Word)

相邻的两字节(Byte)组成一个字(Word，W)，来表示一个无符号数，字长为16位。例如，MW0是由MB0和MB1组成的，其中M是存储区域标识符，W表示字，0是字的起始字节。需要注意的是，字的起始字节(如上例中的“0”)一般是偶数。字的数据范围为十六进制的0000～FFFF(即十进制的0～65 536)。在编程时要注意，如果已经用了MW0，如再用M0.0等数据要特别注意它们的关系。

4)双字型(DoubleWord)

相邻的两个字(Word)组成一个双字(DoubleWord，DW)，来表示一个无符号数，双字长为32位。如：MD100是由MW100和MW102组成的，其中M是区域标识符，D表示双字，100是双字的起始字节。需要注意的是，双字的起始字节(如上例中的“100”)和字一样，一般是偶数。双字的范围为十六进制的0～FFFFFFFF(即十进制的0～4 294 967 295)。在编程时，如果已经用了MD100，如再用MW100或MW102要特别加以注意。字节、字、双字的格式如图2-26所示。图2-26字节、字、双字的格式

5) 16位整数型(Integer，INT)

整型数据为有符号数，最高位为符号位，1表示负数，0表示正数。数据范围为 -32 768～32 767。

6) 32位整数型(DoubleInteger，DINT)

32位整数型和16位整数型数据一样，为有符号数，最高位为符号位，1表示负数，0表示正数。数据范围为 -2 147 483 648～2 147 483 647。

7)浮点数型(Real，R)

浮点数型也称为实数型，是一个32位数据，可以用来表示小数。可以表示为1.m  2E，标准格式的浮点数的最高位为符号位，指数e = E + 127为8位正整数。第0～22位是尾数的小数部分m，第23～30位是指数部分e。在编程软件中，用小数表示浮点数，浮点数的精度相当于7位十进制数。浮点数格式如图2-27所示。图2-27浮点数格式

2.常数

S7-200的许多指令中常会使用常数。常数的数据长度可以是字节、字或双字。CPU以二进制的形式存储常数，书写常数可以用二进制、十进制、十六进制、ASCII码或实数等多种形式。

3.编址方式

PLC访问编程元件时，实质上是访问存储器中的某个存储单元，S7-200中每个编程元件都有一个固定的存储单元与之对应，存储单元的地址编号是固定的，存储单元的编址方式一般为：区域标志符.数据类型.字节号.位号。

4.寻址方式

S7-200中寻址是指找到数据存放的存储单元的地址，根据存取方式一般分为直接寻址和间接寻址。

1)直接寻址

直接给出数据存储器和数据对象的区域符(I、Q、M、V、T、C等)及器件的序号对数据进行访问的方式称为数据的直接寻址，即在程序中直接使用编程元件的名称和地址，根据变量名直接获取数据。S7-200中编程元件的信息存取大多都是直接寻址，根据编程元件的编制方式不同，直接寻址中又可分为位寻址、字节寻址、字寻址和双字寻址等，如图2-28所示。图2-28不同位数的数据寻址方式

2)间接寻址

寻址时不是直接使用编程元件名称和地址，而是在指令中给出地址指针，通过地址指针间接地访问想要访问的数据存储器或者数据对象区，这就是间接寻址。间接寻址方式可寻址的区域有：输入映像存储区I、输出映像存储区Q、辅助继电器区M、全局变量存储区V、定时器区(当前值)T、计数器区(当前