电气控制与PLC应用：第四章 PLC的系统配置与接口模块

1、第4章S7-200 PLC的系统配置与接口模块4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成4.2S7-200 PLC的输入/输出接口模块4.3S7-200 PLC的系统配置4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成1.基本单元2.编程设备3.通信电缆4.人机界面5.WinCC1.基本单元4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成基本单元（S7-200 CPU模块）也称为主机。由中央处理单元（CPU）、电源以及数字量输入输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。S7-200PLC主机外形 CPU型号CPU221CPU222CPU224CPU224

2、XPCPU226主机与扩展模块 S7-200 CPU22*的主要技术指标：指标CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226程序存储器/B在线程序编辑时非在线程序编辑时4096409681921228812288163841638424576数据存储器/B2048819210240掉电保持（超级电容）/h50100本机数字量I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出本机模拟量I/O2入/1出扩展模块数量27数字量I/O映像区128入/128出模拟量I/O映像区16入/16出32入/32出脉冲捕捉输入/个681424高速计数器/个464.1S7-200 PLC控制系

3、统的基本构成S7-200 CPU22*的主要技术指标：（续）高速脉冲输出/个2（20kHz,DC）2（100kHz,DC）2（20kHz,DC）布尔指令执行速度022s/指令定时器/计数器256/256定时中断/个2,1ms分辨率模拟量调节电位器/个1（8位分辨率）2（8位分辨率）实时时钟有（时钟卡）内置RS485通信口/个12供电能力/mADC5V03406601000DC24V1802804004.1S7-200 PLC控制系统的基本构成CPU226模块I/O总点数为40点（I24/ O16点）可带7个扩展模块用户程序存储器容量为6.6K字内置高速计数器具有PID控制的功能有2个高速脉冲输

4、出端2个RS-485通讯口具有PPI、MPI和自由口通讯协议的通讯能力 S7-200 CPU226 AC/DC/继电器模块的外部端子接线图： 4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成2.编程设备 编程设备的功能是编制程序、修改程序、测试程序，并将测试合格的程序下载到PLC系统中。目前广泛采用个人计算机作为编程设备，但需配置西门子提供的专用编程软件。 S7-200 PLC的编程软件是STEP7-Micro/WIN，该软件系统在Windows平台上运行；支持语句表、梯形图、功能块图这三种编程语言；具有指令向导功能和密码保护功能；内置USS协议库、Modbus从站协议指令、PID整定控制界面和数

5、据归档等；使用PPI协议通信电缆或CP通信卡，实现PC与PLC之间进行通信、上传和下载程序；支持TD400、TD400C等文本显示界面。4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成3.通信电缆主要有三种：PC/PPI通信电缆RS-232C/PPI多主站通信电缆USB/PPI多主站通信电缆。 4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成4.人机界面(1)文本显示器 应用于S7-200 PLC的文本显示器有TD200C、TD400C等。通过它们，可以查看、监控和改变应用程序中的过程变量。 (2)触摸屏 西门子S7-200 PLC系统有多种触摸屏，如TP070、TP170A、TP170B、TP177

6、micro、K-TP178micro等。K-TP178micro是为中国用户量身定做的触摸屏。通过点对点连接(PPI或者MPI)完成和S7-200控制器的连接，可以显示图形、变量和操作按钮，为用户提供一个友好的人机界面。除了TP070之外，这些触摸屏用西门子人机界面组态软件WinCC flexible组态。 4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成5.WinCC V7组态软件 WinCC flexible为SIMATIC HMI 操作员提供工程软件，从而达到控制和监视设备的目的；同时为基于Windows 2000/XP的单个用户提供运行版可视化软件。在这种情况下，可将项目传输到不同的HMI

7、平台，并在其上运行而无需转变。基于Windows-CE的设备，WinCC flexible软件完全兼容ProTool制作的项目，即可通过WinCC flexible使用先前的工程。4.1S7-200 PLC控制系统的基本构成4.2S7-200 PLC的输入/输出接口模块4.2.1数字量模块4.2.2模拟量模块4.2.3S7-200 PLC的智能模块扩展规模扩展功能如：PID调节模块、温度传感器模块、高速计数器模块等4.2.1数字量模块(扩展模块)1.数字量输入模块2.数字量输出模块3.数字量输入输出模块模块名称模块描述DC+5V电流消耗数字量输入模块EM221 DI824VDC30mAEM22

8、1 DI8120/230VAC30mAEM221 DI1624VDC70mA数字量输出模块EM222 DO424VDC40mAEM222 DO4继电器30mAEM222 DO824VDC50mAEM222 DO8120/230VAC110mAEM222 DO8继电器40mA数字量输入输出模块EM223 DI4/DO424VDC40mAEM223 DI4/DO424VDC/继电器40mAEM223 DI8/DO824VDC80mAEM223 DI8/DO824VDC/继电器80mAEM223 DI16/DO1624VDC160mAEM223 DI16/DO1624VDC/继电器150mAEM22

9、3 DI32/DO3224VDC240mAEM223 DI32/DO3224VDC/继电器205mA1.数字量输入模块直流输入模块交流输入模块4.2.1数字量模块(1)直流输入模块端子接线图 输入电路*每个输入点与一个且仅与一个输入电路相连*把现场开关信号变成CPU能接收的标准电信号(2)交流输入模块4.2.1数字量模块端子接线图 输入电路分隔式独立电源EM221 8120V/230VAC C、R2高频去耦R1限幅 每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连 把CPU运算处理的结果转换成能够驱动现场执行机构的大功率开关信号 直流输出模块（晶体管输出方式）交流输出模块（晶闸管输出方式）交直流输出模

10、块（继电器输出方式）数字量输出模块4.2.1数字量模块2.数字量输出模块(1)直流输出模块(晶体管输出方式) 特点：响应速度快(2)交流输出模块(双向晶闸管输出方式) 特点：启动电流大(3)交直流输出模块(继电器输出方式) 特点：输出电流大（2A-4A），可带交、直流负载，适应性强，但响应速度慢.4.2.1数字量模块(1)直流输出模块(晶体管输出方式)4.2.1数字量模块端子接线图 输出电路 直流输出模块（EM222 824VDC）每组需提供一DC24V的电流保护场效应管(2)交流输出模块(双向晶闸管输出方式)4.2.1数字量模块EM222 8120V/230VAC端子接线图输出启动电流大交流

11、输出电路4.2.1数字量模块高频滤波高电压保护(3)交直流输出模块(继电器输出方式)EM222 8继电器 端子接线图 输出电路4.2.1数字量模块3.数字量输入输出模块4.2.1数字量模块在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点这种模块称为组合模块或输入输出模块。使系统配置更加灵活输入、输出电路类型的组合多种例如：现有CPU 226：主机I/O 24/16 欲扩展至27/19 缺 3/3 配 I/O 4/44.2.2模拟量模块1.模拟量输入模块2.模拟量输出模块3.模拟量输入输出模块4.PLC对模拟量的处理模块类型及名称分辨率电流消耗(DC5V)/mA模拟量输入模块EM231 AI412位

12、20EM231 AI8模拟量输出模块EM232 AQ212位（电压输出）11位（电流输出）20EM232 AQ4模拟量输入输出模块EM235 AI4/AQ1输入同EM231模块输出同EM232模块301.PLC对模拟量的处理4.2.2模拟量模块例如：恒温控制实验（电热丝加热使温度升高，要求温度恒定在60度。）电热丝的温度用Pt100温度传感器检测变送器将传感器信号转换为420mA的标准电信号后送入PLC的模拟量输入模块经A/D转换后得到与温度值成正比的数字量CPU将此值与温度设定值比较，并运用PID算法对差值进行运算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块经D/A转换后，以020mA模拟量输出

13、到晶闸管调功器来控制电热丝的加热功率，实现对温度的闭环控制。 电压or电流电压or电流2. 模拟量输入模块EM2314个模拟量输入通道1）模拟量输入模块 的端子接线图光电耦合器防止电磁干扰多路转换开关进行通道的切换输出端设置信号寄存器2） 模拟量输入模块的组成与特点信号变送器变换成统一的标准信号: *4-20mA直流电流信号 *1-5V直流电压信号4.2.2模拟量模块模拟量输入模块的特性电压输入范围：单极性010V，05V；双极性5V，2.5V 电流输入范围 ： 020mA 模拟量到数字量的最大转换时间 250s EM231具有4个模拟量输入通道每个通道占用存储器AI区域2个字节,输入值为只读

14、数据。模拟量输入模块的特性每个通道占用存储器AI区域2个字节输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数 CPU中存放格式：符号位 单极性数据格式（010V、05V）12位数据的最大值应为32760单极性数据格式的全量程范围设置为032000第15位为0，表示是正值数据。最低位是3个连续的0，相当于A/D转换值被乘以8 。差值？ 双极性数据格式（5V、2.5V） 最高有效位是符号位，0表示正值，1表示负值。 全量程范围设置为32000+32000；最低位是连续的4个0，相当于A/D转换值被乘以16。 分辨率以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示（12/11位）将实际的物理量

15、转换成模拟量输入模块的输出值例：量程为010MPa的压力变送器的输出信号为DC420mA，模拟量输入模块将020mA转换为032000的数字量，求：当压力值为p时，经模拟量输入模块转换后得到的数值N？例：量程为010NTU浊度仪的输出信号为420mA，模拟量输入模块将020mA的电流信号转换为032000的数字量，设转换后的二进制数为x，试求以NTU为单位的浊度值y。解：由于浊度仪的输出信号为电流，模拟量输入模块应采用020mA的量程，因此A/D转换后的二进制数据应是一个单极性的数据（数字量输出范围为032000）。420mA的模拟量对应于数字量640032000，即010NTU对应于数字量6

16、40032000，当转换后的二进制数位x时，对应的浊度应为：NTU3. 模拟量输出模块（D/A）作用：把PLC输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号 4.2.2模拟量模块3.模拟量输出模块1） EM232模拟量输出模块 的端子接线图需要直流24V供电模拟量输出模块的特性输出信号的范围：*电压输出为10V*电流输出为0-20mA电压输出的设置时间为100s电流输出的设置时间为2ms用户程序无法读取模拟量输出值具有2个模拟量输出通道每个通道占用存储器AQ区域2个字节*每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节*D /A转换前电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。对于电流输出的数据：其2个字节

17、的存储单元的低4位均为0，最高有效位为0，表示是正值数据。全量程输入范围对应的数字量为032000。对于电压输出的数据：其2个字节的存储单元的低4位均为0，最高有效位是符号位，0表示正值，1表示负值。全量程输入范围对应的数字量为-32000+32000。 电流输出数据格式其2个字节的存储单元的低4位均为0，最高有效位为0，表示是正值数据。全量程输入范围对应的数字量为032000。第15位为0，表示是正值数据电压输出的数据格式其2个字节的存储单元的低4位均为0，最高有效位是符号位，0表示正值，1表示负值。全量程输入范围对应的数字量为-32000+32000。模拟量输出模块的分辨率通常以D/A转换

18、前待转换的二进制数数字量的位数表示。在D/A转换前，低位的4个0被截断，不会影响输出信号值。 4. 模拟量输入输出模块（EM235） 4个模拟量输入通道1个模拟量输出通道模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块该模块的模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块4.模拟量输入输出模块4.2.2模拟量模块端子接线图：只是电压输入范围有所不同，单极性为010V、05V、01V、0500mV、0100mV、050mV。双极性为-10+10V、-5+5V、-2.5+2.5V、-1+1V、-500+500mV、-250+250mV、-100+100mV、-50+50mV、-25+25mV。 电压、电流信号

19、电压型的模拟量信号，由于输入端的内阻很高（S7-200的模拟量模块为10兆欧），极易引入干扰，一般电压信号是用在控制设备柜内电位器设置，或者距离非常近、电磁环境好的场合。电流型信号不容易受到传输线沿途的电磁干扰，因而在工业现场获得广泛的应用。PID调节模块高速计数器模块温度传感器模块高速脉冲输出模块位置控制模块阀门控制模块通信模块 测温模块4.2.3S7-200 PLC的智能模块4.2.3S7-200 PLC的智能模块1.EM231测温模块2.通信模块 S7-200 PLC提供PROFIBUS-DP模块、AS-i接口模块和工业以太网卡供用户选择，以适应不同的通信方式，详见8.1节.EM231热

20、电偶/热电阻模块的DIP开关4.4 S7-200 PLC的系统配置基本配置（主机单元）：I/O配置具有固定的I/O地址 扩展模块配置：数字量模块模拟量模块智能模块扩展控制规模扩展控制功能扩展配置时应考虑的因素 CPU221： 0 CPU222： 2个 CPU224： CPU226： CPU226XM：7个1. 主机允许带扩展模块的数量2.CPU输入输出映象区的大小1）数字量I/O映象区的大小数字量I/O映象区区域为： * 128个输入映象寄存器（I0.0I15.7） *128个输出映象寄存器（Q0.0-Q15.7）配置：I/O进行编址数字量模块编址时注意事项地址由I/O模块类型及模块在I/O链

21、中的位置决定。编址时，按同类型的模块对各输入点（或输出点）顺序编址。数字量I/O映象区的逻辑空间是以8位（bit)为递增的（0.0-0.7)未用的物理点地址不能分配给I/O链中的后续模块（4I/4O）与未用物理点相对应的I/O映象区的存储空间空闲对于输出模块，空闲的映像区可作内部标志位存储器对于输入模块却不可，因为每次更新时都要对这些空闲空间清零2） 模拟量I/O映象区的大小模拟量I/O映象区区域为： CPU222： 16输入通道/16输出通道 CPU224 CPU226 CPU226XM 模拟量扩展模块总是以2个通道递增方式来分配空间。32入/32出系统I/O配置举例3.内部电源的负载能力CPU22x为扩展I/O提供的+5VDC电流（mA）扩展模块+5VDC电流消耗（mA）CPU 222340EM221 DI8DC24V30CPU 224660EM222 DO8DC24V50CPU 2261000EM222 DO8继电器40EM223 DI4/DO4DC24V40EM223 DI4/DO4DC24V/继电器40EM223 DI8/DO8DC24V80EM223 DI8/DO8