电气控制与S7-200PLC应用第2章 S7-200PLC及系统配置

第2章S7-200PLC及系统配置S7-200系列PLC是德国西门子公司生产的一种超小型可编程控制器。S7-200

PLC使用方便、应用灵活、性价比高，使其能够比较完美地满足多种场合中的检测、监测及小规模控制系统的需求。S7-200

PLC可以作为独立的模块广泛应用在集散化控制系统中，覆盖所有与自动检测、自动控制有关的工及民用领域等。PLC:一种新型工业计算机控制装置。2.1

PLC概述PLC就是专用的、便于扩充的计算机控制装置。2.·1.1

PLC特点●编程方法简单易学

PLC是面向用户的设备，它采用梯形图和面向工业控制的简单指令语句编写程序。梯形图是最常用的可编程控制器的编程语言，其编程符号和表达方式与继电器电路原理图相似。●功能强，性能价比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。●硬件配套齐全，适应性强

PLC的输入/输出（I/O）端可以直接与AC

220V或DC

24V的电信号相连接，还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。●可靠性高，抗干扰能力强●维护方便工作量小●系统的设计、安装、调试工作量小●体积小，功耗低2.1.2

PLC的分类

根据硬件结构形式的不同，可大致将PLC分为整体式和模块式。•

根据PLC的功能强弱不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类•

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型机、中型机和大型机三类。2.1.3

PLC的应用领域●开关量的逻辑控制

开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域。用它取代传统的继电控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。●

运动控制PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。●

闭环过程控制

PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。●

联机通讯

PLC通过通信线路可以方便地实现与PLC、上位机及其它智能设备之间的通讯●

数据处理现代的PLC具有数学运算。2.1.4

PLC控制和继电器控制的区别1.组成器件不同2.触点数量不同3.实施控制的方法不同4.工作方式不同

继电器控制系统采用硬逻辑的并行工作方式，继电器线圈通电或断电，都会使该继电器的所有常开和常闭触点立刻动作；而PLC采用循环扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其触点只有等到扫描到该触点时才会动作2.1.5

PLC控制系统与单片机控制系统的区别••PLC本身就是一个复杂的、成功的、可靠的单片机系统，它是建立在单片机之上的产品，是单片机应用系统的一个特例，在选择两者时不具有可比性，只是在不同情况下根据需要进行选择。••••••••PLC是工业控制领域的主力军：但其价格较高；单片机因其体积小、价格便宜适用于小型产品自动控制装置及无线控制领域。PLC控制抗干扰能力比一般的单片机抗干扰能力要强的多更适用于安全系数高的控制系统。PLC系统设计简单，生产商提供各种不同功能模块，便于组合，方便，因而设计周期短；单片机系统硬件接口电路繁多，适应外电路更广，但设计周期长，可靠性显然较差。PLC专用的编程软件，编程简单、易学，程序易于开发；单片机语言编程较难，但可以灵活地优化程序，软件设计繁杂。不同厂家或型号的PLC有相同的工作原理、功能和指标，外部端口接线类似，有一定的互换性；单片机应用系统则千差万别，使用和维护不太方便。PLC更适用于控制强电设备，如电动机等；单片机更适用于工作在弱电控制系统，如频率计，数字电压表等。2.2

PLC基本结构及工作原理2.2.1

PLC系统基本结构PLC是由硬件和软件两大部分组成。1.PLC系统结构•PLC的硬件主要由：

中央处理器（CPU）、

存储器、

输入单元、输出单元、

通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。S7-200

PLC系统组成图2.输入/输出单元（1）开关量输入单元（2）开关量输出单元2.2.2

PLC软件组成1.系统软件

系统软件又分为系统管理程序、编程软件和标准程序库。2．用户程序

用户程序是指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照使用的PLC所规定的编程语言或指令系统而编写的应用程序。用户程序除了PLC的控制逻辑程序外，对于需要操作界面3．梯形图程序扫描过程示意图。。2.2.3

PLC工作原理1.扫描工作方式•用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从程序第一条指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束，然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行2

PLC工作流程图1).内部处理阶段2).通信服务阶段3).输入采样阶段4).程序执行阶段5).输出处理阶段扫描过程示意图2.3 S7-200

PLC硬件系统配置CPU主机扩展模块、功能模块相关设备以及编程工具。2.3.1

S7-200CPU模块S7-200的CPU包括一个中央处理器、RAM、EEPROM、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。•前翻盖：模式选择开关模拟电位器扩展端口输入状态指示灯端子下翻盖终端接线端子排S7-200系列PLC主机模块外形功能示意图运行状态指示灯 输出状态指示灯端子上翻盖可选卡插槽：存储卡、时钟卡、电池卡等通讯接口：（CPU224XP、CPU226有两个）S7-200

CN系列CPU实物图片CPU负责执行程序；输入点用于从现场设备中采集信号；输出点则负责输出控制信号，用于驱动外部负载；

有RUN和STOP两种工作模式；可由模式选择开关选择。当模式选择开关处于STOP位置时，不执行程序但可以对其编写程序；当开关处于RUN位置时，PLC处于运行状态；当开关处于TERM监控状态时，可以运行程序也可以进行读/写操作。扩展端口：用于连接扩展模块，实现I/O扩展。2.3.2 S7-200CPU技术指标CPU

221sCPU

222

sCPU

224sCPU

224XP和CPU

226五种不同结构配制的CPU单元。例如，CPU

224

CN

PLC集成了14输入/10输出数字量I/O点；16KB程序和数据存储空间间；6个独立的30kHz高速计数器s2路独立的20kHz高速脉冲输出；具有实现PID运算控制功能，构成闭环控制系统；1个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议sMPI通讯协议和自由方式通讯功能。CPU

224

CN

PLC具有较强的控制功能。CPU

224

CN

PLC可以连接7个扩展模块，最大扩展为168路数字量I/O点或35路模拟量I/O端口，CPU

224

CN

PLC是具有较强控制能力的控制器。以CPU

224XP为例：用户程序长度运行模式下：12288字节数据存储区：10240字节掉电保护时间：100小时本机I/O数字量（点）：14入/10出模拟量：2入/1出扩展模块数量：7个模块高速计数器单相：4路30

kHz2路200

kHz2.3.3

S7-200输入输出（I/O）扩展模块•••••

（1）数字量扩展模块：S7-200PLC提供了多种类型的数字量扩展模块，用户可选用8点、16点和32点的数字量输入/输出模块。如：数字量输入/输出模块EM223。模拟量扩展模块：有3种模拟量扩展模块（4路模拟量输入；

2路模拟量输入；4路输入、1路输出）。如：EM235模拟量输入、输出模块可以实现4路模拟量输入/1路模拟量输出，输入模拟量量程档位多，方便用户选择，适合在一般单闭环控制系统中使用。热电偶/热电阻扩展模块：如EM231热电偶模块直接以热电偶输出的电势作为输入信号，进行A/D转换后输入给PLC，可用于J、K、E、N、S和R型热电偶；扩展模块CPU2.4

S7-200

I/O编址及外部端口接线2.4.1模块I/O端口编址•

CPU必须通过编程实现从输入端口获取外部设备信息、从输出端口对外部设备的控制功能。CPU是通过系统分配给各端口相应的编址来访问输入输出端口的。I/O端口按类型分为：（1）数字量输入端口

CPU分配给数字量输入端口地址以字节（8位）为单位，一个字节八个数字量输入点，起始地址为I0.0（输入端口0字节第0位）。（2）数字量输出端口

CPU分配给数字量输出端口地址以字节（8位）为单位，一个字节八个数字量输出点，起始地址为Q0.0（输出端口0字节第0位）。（3）模拟量输入端口

CPU分配给模拟量输入端口地址以字（16位）为单位，一个字一个模拟量输入端口，起始地址为AIW0。CPU分配给模拟量输出端口地址以双字（32位）为单位，一个双字一个模拟量输出端口，起始地址为AQW0。•••••（4）扩展模块编址

CPU分配给CPU

22x系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地

址是固定的，在进行I/O扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编址时同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置递增。S7-200系统扩展对输入/输出端口编址的组态规则为：对于同类型输入或输出点的模块按I/O链中顺序进行编址，而不受其位置是否连续。对于数字量，输入/输出映像寄存器的单位长度为8位（1个字节），本模块实际I/O位数按字节未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块（即后续模块编址必须从又一连续字节开始）。对于模拟量输入，以2个字节（1个字）递增方式来分配地址空间。对于模拟量输出，以2个字递增方式来分配地址空间。2.4.2

S7-200

PLC模块外部接线

PLC是通过I/O点与外界建立联系的，用户必须灵活掌握I/O点与外部设备的连接关系和配电要求。•下页为CPU224模块外围接线图：CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。••注意：在实际应用中，用户应参考相应PLC的CPU用户使用说明书，正确进行I/O连接及配电要求（电源的正/负极和电压值）。CPU224模块外围接线图2.5 S7-200

PLC编程资源2.5.1

S7-200

PLC编程软元件

编程软元件是PLC内部具有不同功能的存储器单元，每个单元都有唯一的地址，在编程时，用户只需记住软元件的符号地址即可。

为了方便不同的编程功能需要，存储器单元作了分区，即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了许多区域，如输入寄存器、输出寄存器、位存储器、定时器、计数器、通用寄存器、数据寄存器及特殊功能存储器等。1．输入继电器（I）

输入继电器又称输入过程映象寄存器，它和PLC的输入端子相连，用于接收外部开关信号的控制。•输入继电器外接控制开关及内部等效电路图•2．输出继电器（Q）

输出继电器又称输出过程映象寄存器，它和PLC的输出端子相连，可以作为负载的控制信号。输出继电器类似与继电器控制系统中的中间继电器。输出继电器外接控制及内部等效电路图3．特殊继电器（SM）•••••••特殊继电器的某些位（特殊标志位）具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、控制参数和信息。其中：SM0.0：PLC运行（RUN）指示位，该位在PLC运行时始终为1。

SM0.1：该位在PLC由STOP转入RUN时，该位为ON一个扫描周期，常用作调用初始化子程序。SM0.2：若保持数据丢失，则该位在一个扫描周期中为1。SM0.3：开机后进入RUN方式，该位将ON一个扫描周期。SM0.4：该位提供了一个周期为一分钟、占空比为0.5的时钟脉冲，可作为简单延时使用。SM0.5：该位提供了一个周期为一秒钟、占空比为0.5的时钟脉冲。在每个扫描周期的末尾，由S7-200更新这些位。4．通用辅助继电器（M）

通用辅助继电器（又称位存储区或内部标志位）在PLC中没有输入/输出端子与之对应。5．变量存储器（V）

变量存储器用来存储变量，存放程序执行过程中数据处理的中间结果。6．局部变量存储器（L）局部变量存储器用来存放局部变量。7．顺序控制继电器（S）

顺序控制继电器称为状态器或状态元件，是顺控继电器指令的重要元件。8．定时器（T）

定时器是PLC中常用的编程软元件，主要用于累计时间的增量。定时器的工作过程与继电器控制系统的时间继电器类同，如T24

。9．计数器（C）计数器是用来累计输入脉冲的个数，如C24。。10．累加器（AC）累加器是用来暂存数据的寄存器。S7-200提供了4个32位的累加器：AC0、AC1、AC2、AC3。11．模拟量输入/输出映像寄存器（AI/AQ）

模拟量输入映像寄存器用以存放A/D转换后输入的16位的数字量，如：AIW2；模拟量输出映像寄存器用以存放需要进行D/A转换的16位的数字量，如：AQW2。12．高速计数器（HC）高速计数器可累计比CPU的扫描速度更快的事件。2.5.3

PLC的编程语言

PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序的需求。它提供的编程语言通常有梯形图（LAD）、语句表（STL）和顺序功能图（SFC）等。•••••2.5.4

PLC的程序结构广义上的PLC程序由用户程序、数据块和系统块三部分组成。1.用户程序

用户程序是必选项。可用各种语言（如LAD、STL等）编写用户程序。用户程序中至少应当包含一个主程序或附加若干个子程序及若干个中断程序。数据块数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据，在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型。数据块仅允许对V存储区进行数据初始值或ASCII字符赋值。系统块系统块存放的是CPU组态数据，如PLC通信参数设置等，用户可以根据需要在编程软件中进行设置。如果在编程软件或者其它编程工具上未进行CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。以上数据块和系统块要同编译通过的用户程序以一并下载至PLC才能有效。2.6

PLC简单应用实例在PLC的硬件平台上，利用软件开发工具，即可编写一般应用程序。PLC简单实例：用PLC实现最简单的开关电路。当按下开关SB1（闭合）时，指示灯亮；松开SB1（断开）时，指示灯灭。简单开关控制PLC接线图程序图技能项目训练:在教师指导下完成（建议采用安全低电压继电器）1.PLC简单应用训练2.电动机正反转控制程序本章小结：作业：谢谢收看！本章小结：作业：•谢谢收看！2.4

S7-200寻址方式1.数据类型••••S7-200PLC数据类型可以是整型、实型（浮点数）、布尔型或字符串型，常用的数据长度有位、字节、字和双字。

位（bit）：数据类型为布尔（BOOL）型，有“0”和“1”两种不同的取值。字节（Byte）：由8位二进制数组成，其中的第0位为最低位（LSB），第7位为最高位（MSB）。字（Word