第4章S7-200PLC基础知识

第4章S7-200PLC基础知识S7-200欧姆龙plcFX-2N北京和利时PLC台达PLC4.1PLC概述PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：可编程序矩阵控制器PMC（ProgrammableMatrixController）可编程序顺序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。70年代中期，PLC进入了实用化阶段。70年代末和80年代初，PLC进入了成熟阶段。PLC的历史演变目前，世界上有200多家PLC厂商，400多品种的PLC产品，PLC产品可按地域分成三大流派：一个流派是美国产品一个流派是欧洲产品一个流派是日本产品美国通用电气公司GE—Ⅱ系列PLCGE公司的代表产品是：小型机:GE-1、GE-1/J、GE-1/P中型机:GE-Ⅲ

大型机:GE-Ⅴ

德国西门子（SIEMENS）公司S系列PLC

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子PLC及相关产品超小型：SIMATICS7-200PLC小型：SIMATICS7-300PLC中型：SIMATICS7-400PLC工业通讯网络（SIMATICNET）人机界面（HMI）硬件

SIMATICS7工业软件：编程工具、基于PC的控制软件、人机界面软件。国产PLC主要生产厂家及产品性能中国科学院自动化研究所的PLC-0088北京联想计算机集团公司的GK-40上海机床电器厂的CKY-40上海起重电器厂的CF-40MR/ER苏州电子计算机厂的YZ-PC-001A原机电部北京机械工业自动化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40杭州机床电器厂的DKK02天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480上海自立电子设备厂的KKI系列上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。

日本三菱公司PLC小型：F1\F2\FX系列大中型：A系列、QnA系列、Q系列日本立石（OMRON）公司PLCSYSMACC系列PLC整体式结构的微型PLC机是以C20P为代表的机型OMRON中型机以C200H系列最为典型日本松下公司PLC

松下公司的PLC产品中，FPO为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/FP10、FP10S（FP10的改进型）、FP20为大型机，其中FP20是最新产品。4.1.3PLC的应用领域1．开关量的逻辑控制2．运动控制3．过程控制4．数据处理5．通信联网4.1.4PLC的主要特点1．可靠性高，抗干扰能力强2．配套齐全，功能完善，适用性强3．编程方便，易学易用4．系统的设计工作量小，维护方便，容易改造5．体积小，重量轻，能耗低，性价比高4.1.5PLC与继电器控制的区别比较项目用继电器控制系统用PLC控制控制逻辑实现比较复杂，修改困难，占用空间大体积小，连线少，控制灵活，易于扩展

控制速度取决于机械触点的动作速度，一般为几十毫秒，并且容易出现触点抖动情况有继电器和晶体管输出方式，特别是晶体管是无触点控制，输出控制速度很快，达到微秒级，不会出现触点抖动现象可靠性机械式，寿命短，可靠性和可维护性差连线少，可靠性高，寿命长工作方式并行工作方式周期性循环扫描工作方式定时控制用时间继电器定时，精度不高，定时范围有限，受外界干扰影响由内部的晶振稳定给出，精度很高，最小可为0.001S，最长几乎没有限制设计与施工设计、施工、调试必须依次进行，周期长，修改困难设计和施工可以同时进行，周期短，调试和修改都很方便价格使用机械开关，继电器和接触器等，价格相对便宜，但使用数量多，总价并不便宜PLC可以代替很多继电器，初期投资可能会稍大，但总体来说性价比较高4.1.6PLC的分类（1）按结构形式分类整体式PLC：又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I／0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I／0模块、电源模块和各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。（2）按I／O点数分类小型：I/O点数在256点以下；中型：I/O点数在256～2048点之间；大型：I/O点数在2048点以上。4.1.6PLC的分类小型PLC（西门子S7-200系列）中型PLC（西门子S7-300系列）大型PLC（西门子S7-400系列）4.1.7PLC的基本结构1.中央处理单元（CPU）1)控制用户从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储；2)检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障；3)用扫描方式工作，接收来自现场输入信号，并输入到输入映象寄存器和数据存储器中。4)在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序完成用户程序所规定的逻辑运算，算术运算机数据处理等操作5)根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映象寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制，打印制表或数据通信等功能1.中央处理单元（CPU）

（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：MCS-51、MCS-96（3）位片式微处理器：AMD-2900，2901，2903小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器2.存储器存储系统：存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器

系统程序存储器：用来存储可编程控制器内部的各种信息一般系统程序由PLC厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统程序主要由有关系统管理，解释指令，标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般用PROM或EPROM构成

用户程序存储器：主要用来存放用户程序，该存储器的容量不大，主要存储可编程控制器内部的输入输出信息，以及内部继电器，移位寄存器，累加寄存器，数据寄存器，定时器和计数器的动作状态。用户程序区分成：程序存储区、数据存储区、系统区程序存储区：用来存储由用户编写的，通过编程器输入的程序。数据存储区：用来存储通过输入端子读取的输入信号状态，输出端子输出信号状态，PLC中的各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。系统区：用来存放CPU的组态数据。2.存储器3.输入、输出接口：输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。输入单元类型：直流输入单元 交流输入单元 交直流输入单元输入信号：1.控制信号：开机，关机，转换，调整，急停（控制台）2.检测信号：传感器，继电器的触点，限位开关，行程开关等这些信号有的是开关（或数字）量，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号。要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+–PLCXn+24V–发光二极管RC滤波电路输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。输出三种形式：继电器--低速大功率 可控硅--高速大功率 晶体管--高速小功率输出信号：1.控制信号：如指示灯的亮或灭，电动机的启动，停止或正反转，设备的转动，平移，升降，阀门的开闭等。

因为PLC的直接输出带负载的能力有限，所以PLC输出接口所带的负载，通常是接触器的线圈，电磁阀的线圈，信号指示灯，可控硅，晶体管继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。一般使用220V的交流电源或24V直流电源给PLC进行供电，内部的开关电源为PLC的CPU、存储器等电路提供5V，+12V，-12V，24V等直流电源，整体式的小型PLC还提供一定容量的直流24V电源，供外部有源传感器（如接近开关）使用。PLC所采用的开关电源输入电压范围宽（一般为20.4～28.8VDC或85～264VAC）、体积小、效率高、抗干扰性能力强。为了避免电源干扰，接口电路的电源回路彼此相互独立。4.电源单元5.各种接口、高功能模块：

扩展接口主要用于扩展主机单元的IO点数或特殊功能，在主机的后面连接扩展IO模块或功能模块，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的要求。

编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。6.编程设备用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。PCFPPROGRAMMER(HELP)CLRWRTFN/PFLSTKIX/IYNOTDT/LdREADOTLWLORRWRANYWYSTXWXSRC(-)OP(BIN)K/HSCCTCEVTMTSVACLRENTBAFEDC

98

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4(DELT)CLR手持式的编程器4.1.7PLC的工作原理PLC通电后，需要对系统的硬件和软件进行初始化，然后依次对各种规定的操作项目进行访问和处理，为了使PLC的输出及时响应各种输入信号，初始化后PLC按顺序循环执行各个阶段的任务，这种工作方式就叫做循环扫描的工作方式。4.1.7PLC的工作原理（1）输入采样阶段。在每个扫描周期，首先进行的就是从输入接口电路中读取输入信号，PLC依次读入所有输入状态和数据并将它们存入寄存器内，输入采样结束后，如果输入状态和数据发生变化，PLC不再响应，输入寄存器中的数据和状态保持不变，要等到下一个扫描周期才能读入。（2）用户程序执行阶段。CPU将指令逐条调出并执行，其过程是从程序的上到下，从左到右的顺序依次扫描用户程序，并根据输入的数据和状态改变各个寄存器的状态。（3）输出刷新阶段。CPU将输出映像寄存器的状态和数据传送到输出锁存器，在经过输出电路的隔离和功率放大，转换成合适的电压、电流或脉冲信号，驱动接触器、电磁铁、电磁阀等执行器，这时的输出才是PLC真正的输出，输出的状态才会改变。

扫描周期的长短由CPU执行指令的速度、指令本身占有的时间和指令条数决定。由于采用集中输入输出的方式，所以会存在输入输出滞后的现象，即输入输出响应的延迟。上面说的输入采样、用户程序执行、输出刷新只是一个PLC上电以后工作方式为RUN时的重要的三个阶段，而PLC上电以后整个工作流程还包括了像对远传IO的读取、处理通讯、更新时钟以及自诊断等过程，详细的工作流程图如图4-6所示。4.2硬件系统

S7-200PLC系列产品实物图4.2.1主机单位主机单元有时又称作CPU模块，它包括了CPU、存储器、基本输入输出点等，是PLC的主要部分。它实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务，如从输入部分读取现场采集来的信号，进行一系列的转换，执行用户程序，把程序执行的结果放到输出部分输出驱动相应的外部负载。安装方式面板安装导轨安装

接线端子可自由拆卸给您的设备更新与维护带来极大的方便扁平电缆连接

外部存储卡运行/停止开关

扩展I/O连接口外部电位器(SMB28,SMB290-255)简单而实用的安装方式S7-200系列的分类是按照IO点数和效能进行的，有以下几种。（1）CPU221。6点输入，4点输出，无扩展能力，程序和数据的存储量小，S7-200CN产品中已经没有此种型号的产品。（2）CPU222。除具有CPU221功能外，它具有8点输入，6点输出，共计14个I/O，可最多扩展2个模块，最多8点模拟量输入输出和最多64个I/O。（3）CPU224。14点输入，10点输出，可最多扩展7个模块（只能有2个智能模块），有内置时钟，有了比较强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用比较多的一款产品。（4）CPU224XP。大部分功能与CPU224一样，它只是在程序与数据的存储容量上有所增加，处理高速计数能力增强，并且在主机上增加了2个模拟量输入口和1个模拟量输出口，一个通信口。在有少量模拟量，并且对通讯接口要求比较多的场合使用非常合适。（5）CPU226。24点输入，16点输出，2个通信口，用户程序的存储容量比CPU224XP又有所增加。最大可扩展248点数字量和35点模拟量的输入输出。西门子S7-200PLC在安装其电气线路时需注意区分电源类型（直流20.4-28.8V、交流85-264V）和数字量输出类型（继电器输出、晶体管输出）。电源：CPU22X具有两种不同的电源供电电压

直流24V、交流85-264V输出接口电路：输出电路分为继电器输出和晶体管输出两大类。晶体管：输出电压24V直流，输出电流0.75A继电器：输出电压24V直流、24-230V交流，输出电流2A。输入接口电路：输入为直流24V。1.电源规范S7-200CPU的型号规格1.电源规范24V直流晶体管输出（允许范围5－30VDC）DC/DC/DC24V直流电源供电（允许范围20.4－28.8VDC）24V直流开关量输入（允许范围20.4－28.8VDC）1.电源规范24V直流开关量输入（允许范围20.4－28.8VDC）24V直流输出（允许范围5－30VDC）24-230V的交流输出（允许范围5－250VAC）AC/DC/继电器100-230V交流电源供电（允许范围85－264VAC，47－63HZ）CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图24个数字量输入点

分成二组：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。

由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源（用户提供）。M、L+两个端子提供24VDC/400mA传感器电源，可以为传感器提供电源，也可以作为输入端的检测电源使用。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。对于继电器输出方式，既可带直流负载，也可带交流负载。负载的激励源由负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源120/240VAC输入端。该电源电压允许范围为85~264VAC。其他附件（1）状态指示灯S7-200CN有三个状态指示灯，主要指示目前CPU的工作状态。这三个状态指示灯分别是SF/DIAG、RUN和STOP。其中SF/DIAG是表示系统错误或处于诊断状态，即系统出现错误或处于诊断状态时该灯点亮，在调试程序时，若有强制点该灯也会亮起。（2）可选卡插槽

在状态指示灯下面是可选卡插槽，拔出盖子，里面有个插口可以用来扩展存储卡、时钟卡和电池。一般用的比较少。（3）通讯口S7-200CN的通讯口是标准的RS232/485接口，可用来连接编程器、上位机、触摸屏等。还可以与其他控制器相连组成复杂的控制系统。（4）输入输出I/O状态指示灯

每个输入输出I/O端子都有一个对应的状态指示灯，用来指示目前I/O口的状态。如果某个I/O口的状态为“0”，相对应的指示灯不亮；如果I/O口的状态为“1”，则相应的指示灯点亮。其他附件（5）接线端子

接线端子是与外部连接的纽带，输入端子和外部输入的状态信号、按钮等相连，输出端子与控制的执行机构或其他功率放大器等输出的相关设备相连。（6）模式选择开关

模式选择开关主要是用来设定PLC上电后CPU工作的模式。有三种模式：RUN、STOP和TERM。RUN模式和STOP模式的区别是，PLC上电后，RUN模式下会执行用户的程序，而STOP模式下，不执行用户程序。另外，在程序执行过程中，拨到STOP模式，CPU会立即停止执行程序。TERM模式称为终端模式，切换到此模式时，不改变当前的操作模式。即原来是RUN模式，切换到TERM后，CPU还是RUN模式，原来是STOP模式也一样。这种模式主要用在自由口通信调试的程序上，使通信口在自由口和PPI之间互相切换。其他附件（7）模拟电位器

可以使用模拟电位器来改变它对应的特殊寄存器（SM28、SM29）中的数值，可以实时更改程序运行中的一些参数，如定时器和计数器的值的设定、过程量的控制参数等。但是一般此功能很少使用。CPU221和CPU222有1个8位分辨率的模拟电位器，CPU224、CPU224XP和CPU226有2个8位分辨率的模拟电位器。（8）扩展端口

扩展端口通过扁平电缆线来扩展各种I/O模块或特殊功能模块，以弥补主机I/O点的不足或完成某些特殊功能的控制任务的需要。4.2.2扩展模块介绍1．I/O扩展模块型号数字量输入点数数字量输出点数模拟量输入模拟量输出EM2218（24VDC）———8（220VAC）———16（24VDC）———EM222—4（24VDC5A）———4（继电器

10A）———8（24VDC）———8（继电器）———8（220VAC）——EM2234（24VDC）4（24VDC）——4（24VDC）4（继电器）——8（24VDC）8（24VDC）——8（24VDC）8（继电器）——16（24VDC）16（24VDC）——16（24VDC）16（继电器）——32（24VDC）32（24VDC）——32（24VDC）32（继电器）——EM231——4路———2路热电阻———4路热电偶—EM232———2路EM235——4路1路4.2.2扩展模块介绍2．特殊功能模块

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可与PLC主机相连，以完成某种特殊的控制任务而特制的一种装置。如运动控制模块、特殊通讯模块等。4.2.2扩展模块介绍2．特殊功能模块（1）EM241调制解调器模块

使用该模块可以通过电话线、Modbus或PPI协议进行Teleservice（远程的维护和远程的诊断）、Communication（进行CPU和PC或CPU和CPU之间的通信）和Message（发送短消息到手机或其他终端）。（2）EM253定位模块

该模块主要用于高精度的运动控制。控制范围从微型步进电动机到智能伺服系统。4.2.2扩展模块介绍（3）SIWAREXMS称重模块SIWAREXMS是一个多用途的称重模块，适用于所有简单称重和测力任务。其基本功能就是测量传感器电压，然后将电压值转换成重量值。4.2.2扩展模块介绍（4）EM277现场总线PROFIBUS-DP的连接模块

通讯模块EM277用于连接到PROFIBUS-DP现场总线系统中。EM

277经过串行I/O总线连接到S7-200

CPU。

此外，还有PID调节模块、高速计数器模块、以太网通讯模块等其他智能模块，4.3S7-200系统配置一套完整的S7-200系统包括主机单元、扩展单元、电源、编程器、通讯电缆、编程软件，此外还可以配置上人机界面等4.3.1基本配置S7-200系统任何一个型号的主机单元模块都可以单独构成一个基本的配置，组成一个独立的控制系统，S7-200各个型号的CPU输入输出配置都是固定的。项目CPU222CPU224CPU224XPCPU226数字量输入数8141424地址分配I0.0~I0.7I0.0~I0.7I1.0~I1.5I0.0~I0.7I1.0~I1.5I0.0~I0.7I1.0~I1.7I2.0~I2.7数字量输出数6101016地址分配Q0.0~Q0.5Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.1Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.1Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.7模拟量输入数——2—地址分配——AIW0~AIW2—模拟量输出数——1—地址分配——AQW0—4.3.2扩展I/O模块配置原则扩展IO模块可以通过面板或标准的导轨和主机模块连接在一起S7-200系统进行IO扩展时编址的规则（1）数字量的IO映像寄存器的单位长度为8位，即以一个字节进行递增。所以如果输入输出点数不是8的倍数的，下一个同类模块在编址时不能使用上一个模块未用的地址。

例如CPU224输入点有14个，其中编址时I0.0～I0.7是8位，而I1.0～I1.5是6位，则剩下的I1.6、I1.7就不能使用，下一个模块如果要进行数字量的编址时，只能从I2.0开始往后编。S7-200系统进行IO扩展时编址的规则（2）模拟量的IO映像寄存器的单位长度为2个通道（32位）递增的方式来分配空间。本模块中没有使用的地址不能被后面的同类模块继续使用，编址必须从偶数开始。模拟量输入的编址格式为AIW0、AIW2、AIW4；模拟量输出的编址格式为AQW0、AQW4。

例如EM235有4的模拟量输入和1个模拟量输出，则它的输入编址为AIW0、AIW2、AIW4、AIW6；它的输出编址为AQW0。如果它后面再接一个EM235模块，则这个模块的编址就要从接着上一个模块的编址继续往下，第二个EM235模块输入编址为AIW8、AIW10、AIW12、AIW14，而输出编址为AQW4（注意：输出虽然是一个，但是在内部存储的时候是占用的两个通道的存储空间，所以AQW2不能用）。S7-200系统进行IO扩展时编址的规则（3）数字量的输出模块那些没有用到的存储空间可以用来内部标志位存储器，而输入模块那些没有用到的存储空间则不能使用，因为每次更新输入时都会将输入字节中未用的位清零。（4）配置时尽量用最少的扩展模块，同时考虑一定的余量。4.3.3扩展I/O模块配置举例例：某个控制系统数字量输入为20点，数字量输出为12点，模拟量输入为4点，模拟量输出为1点，试选择合适的主机模块和扩展模块。4.3.3扩展I/O模块配置举例解：考虑主机模块可以选用CPU224，CPU224XP和CPU226，选用的主机模块不同，相应的扩展模块就不同。另外，即使是同一个主机模块，扩展模块也可以不同，排列的次序也可以不同，所以可以有多种组合形式。这里分别就CPU224，CPU224XP和CPU226这三种主机模块配置一种比较简单的形式。4.3.3扩展I/O模块配置举例（1）选用主机模块为CPU224CPU224有14点数字量输入和10点数字量输出。这样还需要配置至少6点的数字量和2点数字量输出，4点模拟量输入和1点模拟量输出。对照I/O扩展模块参数表4-3，选用最少的模块，这里选用EM223数字量8输入/8输出和EM235模拟量4输入/1输出。主机单元扩展模块CPU224EM223EM235I0.0~I0.7I1.0~I1.5I2.0~I2.7AIW0AIW2AIW4AIW6Q0.0~Q0.7Q1.0~Q1.1Q2.0~Q2.7AQW04.3.3扩展I/O模块配置举例（2）选用主机模块为CPU224XPCPU224XP有14点数字量输入和10点数字量输出，另外还有2点模拟量输入和1点模拟量输出。这样还需要配置