s7-200系列PLC硬件结构

可编程序控制器主讲：张波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：S系列PLC发展概述S7-200可编程序控制器的系统组成编程元件及程序知识相关设备常用工业软件返回本章首页第2章S7-200系列PLC系统硬件结构S系列PLC发展概述2.1S7-200系列PLC基本单元2.2S7-200系列PLC扩展模块32.3相关设备2.4工业软件32.52.1S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、SIMATICM7和SIMATICC7等几大系列。返回本章首页从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。4种CPU各有晶体管输出和继电器输出，具有不同电源电压和控制电压。各类型型号如表2.1所示表2.1CPU型号SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机及I/O特性如表2.2所示。表2.2主机及I/O特性图2.1S7-200基本构成SIMATICS7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图2.1所示。EM1扩展模块EM2扩展模块EMn扩展模块TD200文本显示器TP系列触摸屏通信及网络设备计算机工业软件CPU主机其他设备系统基本构成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。2.2S7-200PLC系统组成2.2.1基本单元特点2.2.2基本单元I/O2.2.3CPU工作方式2.2.4基本单元工作电源2.2.5基本单元模拟电位器2.2.6基本单元通信接口返回本章首页2.2.1基本单元特点S7-200系列PLC在硬件上采用固定式结构和扩展式结构相结合的方式。固定式结构的硬件即基本单元，扩展式结构的硬件即基本单元扩展的模块。SIMATICS7-200系统CPU22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图2.2所示：图2.2基本单元物理结构CPU状态显示通信口顶部端子盖电源及输出端子前盖方式开关、电位器、扩展I/O连接底部端子盖输入端子、传感器电源存储器卡LED指示灯显示CPU工作模式（运行或停机）、本机I/O口的当前状态及CPU系统是否出错。存储卡：EEPROM卡，可存储CPU程序，也可将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。通信口：是S7-200CPU同编程器或其他辅助设备连接的接口，CPU通过它可和其他辅助设备进行数据通信。电源端子：接受外部电源。为CPU及所连接任何扩展模块提供电源输出端子：输出控制信号，控制被控对象。RUN/STOP为PLC工作方式选择开关。扩展I/O连接：是基本单元那与扩展模块的接口，通过它可增加CPU的I/O点数。输入端子：接收来自控制系统现场设备的输入信号。传感器电源端子：作为传感器的电源使用，也可输出24v直流电源供控制系统使用。CPU22x基本单元特性见P25表2.1。PLC的输入点接收来自现场设备信号，输出点输出控制信号给被控对象。每种CPU最多可加的扩展模块数是不同的，所以最大I/O点数也不等。每种CPU基本单元允许的数字量I/O逻辑空间（映像寄存器个数）都是128个输入位和128个输出位，它们与CPU实际允许的最大I/O点数是不等的。每种CPU的基本单元允许的模拟量I/O逻辑空间（模拟量映像寄存器个数）与它们实际允许的最大模拟量I/O点数也是不等的。2.2.2基本单元的I/O输入分为直流输入和交流输入•直流输入：NPN型晶体管输入和PNP型晶体管输入•交流输入；120V交流信号输出分为直流24v晶体管输出、直流/交流继电器输出和交流可控硅输出数字量输出接口按照输出开关器件的种类不同，可分为：•晶体管输出方式（只能带直流负载，属直流输出）•可控硅输出方式（只能带交流负载，属交流输出）•继电器输出方式（交直流负载都可，属交/直流输出）按照负载使用的电源不同，分为•直流输出•交流输出•交/直流输出1、输入接口（1）直流输入接口：PNP接收负信号，NPN接收正信号。24VDCPNP型24VDCNPN型（2）交流输入接口：120VAC输入接口2、输出接口：为数字量，将PLC内部的电平信号转换为外部所需电平，输出给外部负载。（1）晶体管输出晶体管输出原理电路图(2)可控硅输出(3)继电输出可控硅输出原理电路图继电器输出原理电路图3、I/O扩展扩展模块I/O点的地址由I/O类型及模块在I/O链中的位置决定。数字量扩展模块以一个字节（8位）地址递增方式保留映像寄存器空间。模拟量扩展模块是以两个字节递增方式来分配空间。如果映像寄存器保留空间字节的某些位没有扩展模块实际物理点与其对应，这些未用的位就不会分配给I/O链中的后续模块。对于输入模块，由于每次输入刷新时都把保留字节的未用位清0，所以这些未用位不能用作内部存储器的标志位。对于输出模块，保留字节中的未用位可象内部存储器的标志位那样使用。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2.3所示为其中的一种模块连接形式。图2.3扩展连接图主机CPU224模块1EM221DI8XDC24V模块2EM222DO8XDC24V模块3EM235AI4/AQ1X12位模块4EM223DI4/DQ4XDC24V/继电器模块5EM235AI4/AQ1X12位1.工作方式选择S7-200CPU有RUN模式和STOP模式。（1）STOP模式：CPU处于停机方式，不执行用户程序，但可以向CPU装载程序配置CPU参数。（2）RUN模式：运行方式，CPU执行用户程序。（3）TERM（终端）模式：由编程设备决定工作方式（4）在基本单元上有SF、RUN、STOP3个指示灯，分别用于显示CPU的工作状态。SF红色指示灯亮表示系统故障，PLC停止运行RUN绿色指示灯亮表示CPU处于运行状态STOP黄色指示灯表示CPU处于停机状态2.2.3CPU工作方式返回本章2.工作过程描述S7-200CPU以循环扫描方式连续执行用户程序，在一个扫描周期中，CPU主要进行信号读入、程序执行（包括通信处理、自诊断测试）、对外输出等操作。（1）信号读入：（2）执行程序：若使用直接I/O指令，则允许控制控制程序对输入输出点直接存取和输出。中断程序通信请求CPU进行自诊断测试（3）对外输出一个扫描周期读输入执行程序处理通信请求写输出执行CPU自诊断图2.4CPU的扫描周期2.2.4基本单元工作电源S7-200基本单元使用24VDC或120V－230VAC两种供电电源。频率可变化范围47-63Hz。1、电源设计基本单元内部采用开关电源，并输出24V直流传感器电源和5V直流电源供基本单元I/O点和扩展模块使用。各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3.4所示。CPU22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表3.5所示。2、控制系统电源计算该系统要求采用CPU224AC/DC/继电器基本单元，配置3个EM223（DI8/DO8继电器）和一个EM221(DI8),共4个扩展模块。CPU224有DI14/DO10，因此系统共配置DI46/DO34。CPU224基本单元所能提供的5V直流电源的额定电流是660mA，24V直流电源的额定电流是280mA一块EM223需5V直流电源的电流是80mA一块EM221需5V直流电源的电流是30mA系统需5V直流电源的电流总和是80X3+30=270mA，即基本单元提供的5V直流电源能满足系统要求。CPU224基本单元、EM223和EM221每个输入点需吸入24V直流电源的电流为4mAEM223每个输出点继电器线圈需要所需24V直流电源的驱动电流为9mA系统需24V直流电源的电流总和为46X4+24X9=400mA基本单元提供的280mA的24V直流电源不能满足系统要求，系统需提供额外的120mA的24V直流电源。注意：基本单元的24V直流电源与外部24V直流电源并联使用时会导致两个电源竞争而影响它们的各自的输出，使PLC产生不正确的操作。因此，使用外部24V直流电源时，应使S7-200基本单元的24V直流电源与外部24V直流电源在不同点上供电，但要有相同的参考地。2、输出端点电源保护晶体管输出保护电路继电器DC输出保护电路继电器AC输出保护电路2.2.5基本单元模拟电位器PLC不同型号的基本单元所具有的模拟电位器的个数不同，但分辨率都是8位，数值范围为0~256。CPU221、CPU222个有一个，对应特殊标志寄存器SMB28，CPU224、CPU226个有两个，对应于SMB228、SMB229。调节模拟电位器的旋钮直接修改特殊标志寄存器的数值，SMB228中的值代表模拟电位器0所提供的电压大小，SMB229中的值代表模拟电位器1所提供的电压的大小。2.2.6基本单元通信接口S7-200系列PLC基本单元都带有RS-485通信接口。1、点对点通信方式：单主站连接一个或多个从站的通信方式。通信波特率固定为9600bps。将PC或TD200作为主机，可最多对连接在公共线上的31台PLC基本单元进行操作和控制，但两台PLC之间不能通过PPI接口方式直接通信。2、多点接口通信方式：包括单主站连接一个或多个从站和单主站连接一个或多个主站的两种通信方式。多点通信总是在两个相互独立的通信设备之间建立联系。另一个主站不能干扰两个设备之间已建立号的连接。3、自由口通信方式：由用户通过程序来自由选择S7-200CPU通信协议的一种通信方式。（PPI协议、MPI协议、PROFIBUS协议）2.3S7-200系列PLC扩展模块2.3.1.扩展模块2.3.2扩展模块工作电源2.3.1扩展模块图2.5I/O扩展示意图1.数字量I/O扩展模块（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.模拟量I/O扩展模块3.现场总线PROFIBUS-DP扩展模块4.执行器/传感器接口CP243-2具体扩展模块参考教材P37表2.42.4S7-200系列PLC辅助设备1.编程器PG702简易型手持式编程器微型计算机编程器2.文本显示器TD2003.程序存储卡（1）存储系统个人计算机存储器卡用户程序CPU组态V存储器M存储器用户程序CPU组态V存储器M存储器定时器和计数器当前值CPURAMEPROM图2.6存储系统表2.3存储容量（2）存储器及使用若PLC通电后再插入程序存储卡，可将PLC中的内容复制到卡上；若先插卡再通电，则卡上的数据自动复制到PLC中。高型号CPU可读出低型号CPU的程序存储卡，反之不能。（3）存储安全1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程