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1、3 S7-200的组成和系统配置,3 S7-200的组成和系统配置,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：lS系列PLC发展概述lS7-200 可编程序控制器的主机结构组成l扩展模块简介l S7-200 可编程序控制器系统配置,3.1S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。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3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SIMATIC S5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
2、新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。,3.2S7-200 PLC系统组成,SIMATIC S7-200系列属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CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。第二代产品其CPU模块为CPU 22X，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：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都
3、可加扩展模块。,3.2.1系统基本构成,SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3.1所示。,图3.1S7-200 PLC系统组成,基本单元,扩展单元,特殊功能模块,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。,返回本节,3.2.2主机结构,1.各CPU介绍及I/O系统（1）主机外形SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图3.2所示：
4、,图3.2S7-200主机外形,组成,CPU模块的顶部端子盖内：电源及输出端子底部端子盖内：输入端子及传感器电源 中部右侧前盖内：CPU工作方式开关（RUN/STOP）、模拟调 节电位器和扩展I/O接口 左侧：状态指示灯LED、存储卡、及通讯口,状态指示灯 显示CPU的工作方式、本机 I/O的状态、系统错误状态。存储卡（EEPOM卡）可以存储CPU程序。RS-485的串行通讯端口 PLC主机实现人一机对话、机机对话的通道。实现PLC与上位计算机的连接，实现PLC与PLC、编程器、彩色图形显示器、打印机等外部设备的连接。扩展接口 PLC主机与输入、输出扩展模块的接口，作扩展系统之用。主机与扩展模
5、块之间由导轨固定，并用扩展电缆连接。,（主机与扩展模块）,2.个人计算机（PC）或编程器,个人计算机（PC）或编程器需装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后，才可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。要求个人计算机CPU为80586或更高的处理器，16M内存（最低要求为：CPU80486，8M内存）。,手编器,工业上用的各厂商的可编程序控制器的使用中，手编器曾是主要编程设备，后来出现了图形输入设备，又出现了计算机编程软件。通过通信设备，使PLC和计算机相连，用编程软件可直接在计算机上编程，由于计算机的显示器屏幕较大，对程序的编制和修更加方便高效。但即使是现在，手编器的使用仍十分广
6、泛，特别是用小型和微型PLC实现的小规模系统。,返回本节,3STEP7-Micro/WIN32编程软件,STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、组态系统等。编程软件的使用环境：支持Windows的应用软件。,4通讯电缆,通讯电缆是PLC用来与个人计算机（PC）实现通讯的。可以用PC/PPI电缆（RS232RS485），也可用一个通讯处理器（CP）和多点接口（MP1）电缆，或者用一块MPI卡及随MPI卡提供的一根通讯电缆。,5人机界面,人机界面主要指专用操作员界面，例如操作员面板、触摸屏、文本显示器等，这些设备可以使用户通过友好的操作界面轻松地完成各种调整
7、和控制的任务。,文本显示器,1.构造特点 文本显示区：可显示两行信息（每行20个字符）的液晶显示LCD。按键：共有9个键。通信：通过TD/CPU电缆（通用RS232接口）可以提供可编程序控制器与TD 200的通信，同时可以提供TD的电源，而不必再另接电源。电源：如果不用TD/CPU通信电缆，可以通过面板右侧的电源接口连接外部电源。,2.主要功能可以显示从CPU主机读出的信息（如读取指令、数据、当前值及状态）；可以调整运行中选定的程序变量；可以提供对输入输出点的强制功能；可以为实时时钟设置日期和时间；支持多种语言形式的菜单和提示并支持中文。,返回本节,3.2.3 S7-200PLC主机性能,S7
8、-200 CPU22X系列产品：CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块、CUP226XM模块。,S7-200 22X各主机的主要技术性能指标如下表所示。,CPU226模块I/O总点数为40点（24/16 点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为6.6K字；内置6个高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和2个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。,CPU226AC/DC/继电器模块输入、输出单元的接线图,24点输入,16点输出,24个数字量输入点,分成二组：1.第一组由输入端子I0.0I0.7、I1.0I
9、1.4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I1.5I1.7、I2.0I2.7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Q0.0Q0.3共四个输出点与公共端1L组成,2.第二组由输出端子Q0.4Q0.7、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.
10、1Q1.7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85264VAC。,3.3 S7-200 PLC的接口模块,S7-200 PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块、智能模块等。（扩展规模、功能）,3.3.1数字量模块,EM221,EM223,（一）数字量输入模块EM221,分为直流输入模块和交流输入模块。每一个输入点可接收一个来自用户设备的离散信号（ON/OFF）。输入设备：按钮、限
11、位开关、选择开关、继电器触点等。,1.直流输入模块 EM221,1）外部接线图：,直流输入模块（EM221 824VDC）有8个数字量输入端子。接线图中，8个数字量输入点分成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24VDC电源。,2）直流输入电路：,现场开关通/断状态，对应输入映象寄存器的1/0状态，即当现场开关闭合时，对应的输入映象寄存器为“1”状态；当现场开关断开时，对应的输入映象寄存器为“0”状态。当输入端的发光二极管VL点亮，即指示现场开关闭合。，外部直流电源用于检测输入点的状态，其极性可以任意接入。电阻R2和电容C 的作用？双向光电耦合器 的作用？,2交
12、流输入模块,1）外部接线图：,有8个分隔式数字量输入端子，每个输入点都占用二个接线端子。,它们各自使用1个独立的交流电源（由用户提供）。这些交流电源可以不同相。（交流I/O都是分隔式的）,2）交流输入电路：,交流输入模块的输入电路中，当现场开关闭合后，交流电源经C、R2、双向光电耦合器的发光二极管，使发光二极管发光，经光电耦合，光电三极管接收光信号，并将该信号送至PLC内部电路，供CPU处理。双向发光二极管VL指示输入状态。,(二)数字量输出模块 EM222,分为直流输出模块、交流输出模块、交直流输出模块三种（晶体管、晶闸管、继电器输出方式）。数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型
13、（ON/OFF）负载。典型的负载包括：继电器线圈，接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，输出电路把CPU运算处理的结果转换成能够驱动现场执行机构的各种大功率的开关信号。PLC的输出端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口。,1.直流输出模块,1）外部接线图：,直流输出模块（EM222 824VDC），有8个数字量输出点，接线图中8个数字量输出点分成2组。1L+、2L+分别是两组输出点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V的电流。,2）直流输出电路：,输出映象寄存器为“1”状态时 负载在外部电源 激励下通电工作 输出映象寄存器为“0”状态时 外部负载
14、断电，停止 工作,2交流输出模块,1）外部接线图：,交流输出模块（EM222 8120V/230VAC），有8个分隔式数字量输出点，接线图中每个输出点占用二个接线端子，且它们各自都由用户提供一个独立的交流电源，这些交流电源可以不同相。,2）交流输出电路：,交流输出模块是可控硅(晶闸管)输出方式。其特点是输出启动电流大。当PLC有信号输出时，光电二极管导通，通过光电耦合使双向可控硅(晶闸管)导通，交流负载在外部交流电源的激励下得电。发光二极管VL点亮，指示输出有效。,3.交、直流输出模块（继电器输出方式）,1）外部接线图：交直流输出模块（EM222 8继电器）有8个输出点，分成2组，1L、2L是
15、每组输出点的公共端。每组需用户提供一个外部电源（可以是直流或交流电源）。,2）继电器输出电路：,1.接有阻容熄弧电路消除继电器触点的火花 2.继电器的触点两端接有金属氧化膜压敏电阻 不使继电器触点在断开时出现两端电压过高的现象，从而保护了该触点,3.电阻R1和发光二极管VL 输出状态显示电路,输出电流大（可达2A4A），可带交流、直流负载，适应性强，但响应速度慢。,继电器输出方式的特点,(三)数字量输入输出模块EM223,组合模块或输入输出模块：在一块模块上既有数字量输入点又有数字量输出点。特点：使系统配置更加灵活例如：若有CPU 226：主机I/O 24/16；欲扩展至27/19；缺 3/3
16、；配 I/O 4/4。数字量输入输出模块的输入电路及输出电路的类型与上述介绍的相同。在同一块模块上，输入、输出电路类型的组合有多种多样，用户可根据控制需求选用。,3.3.2模拟量模块,模拟量模块有：模拟量输入模块 EM231：4模拟输入点，2W，12位 模拟量输出模块 EM232：2模拟输出点，2W，12位 模拟量输入输出模块。EM235：4模拟输入点，1模拟量输出点，2W，12位,(一)模拟量输入模块（A/D）,作用：PLC只能接收数字量信号，模拟量信号是一种连续变化的物理量。为实现模拟量控制，必须先对模拟量进行模/数（A/D）转换，将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号。模拟量输入模块的
17、功能就是实现模/数（A/D）转换。,组成,由滤波、模数转换A/D，光电耦合等部分组成。光电耦合器起防止电磁干扰的作用。对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号寄存器。,使用及特性,一般先用信号变送器把它们变换成统一的标准信号（如4-20mA的直流电流信号，1-5V的直流电压信号等），然后再送入模拟量输入模块。模拟量输入模块（EM231）具有4个模拟量输入通道。,1）外部接线图：,模块上部共有12个端子，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R
18、C与C+端子短接。未用的输入通道应短接（B+、B）。该模块需要直流24V供电（M、L+端）。可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电，也可由用户提供外部电源。右端分别是校准电位器和配置DIP设定开关。,2）模拟量输入模块的特性,EM231的电压输入范围：单极性010V，05V；（数字量：0+32000）双极性5V，2.5V（-32000+32000）电流输入范围：020mA 0+32000模拟量到数字量的最大转换时间：250s 每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。,模拟量输入模块（EM231）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
19、制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。,为0,0 0 0,单极性数据格式（010V、05V）,2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位（单极性数据）是存放在第3 14位区域。这12位数据的最大值应为215-8=32760。单极性数据格式的全量程范围设置为032000。差值32760-32000=760则用于偏置/增益，由系统完成。由于第15位为0，表示是正值数据。,思考题,一个温度检测系统，用Pt100热电阻，测温范围为0200度(电流输出)，如测得实际值为AIW，问实际环境温度？0200度 对应 420mA,1 1 1 1
20、1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0,测量的实际温度=(AIW-6552)/(32760-6552)/200,双极性数据格式（5V、2.5V）,2个字节存储单元的低4位均为0，数据值12位（双极性数据）是存放在第415位区域。最高有效位是符号位，双极性数据格式的全量程范围设置为-32000+32000 模拟量输入模块的分辨率通常以A/D转换后的二进制数数字量的位数来表示（12/11位）。,为0,0 0 0 0,(二)模拟量输出模块（D/A）,模拟量输出模块由光电耦合器、数模转换器D/A和信号驱动等环节组成。光电耦合器防止电磁干扰
21、。,1）外部接线图：,左端起的每3个点为一组，共二组。每组可作为一路模拟量输出（电压或电流信号）。第一组V0端接电压负载、I0端接电流负载，M0为公共端。第二组的接法与第一组类同。该模块需要直流24V供电。,2）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。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。用户程序无法读取模拟量输出值。PLC运算处理后的12位数字量信号（BIN数）在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示是正值，1表示是负值。,为0,0 0 0,电流输出数据格式,2个字节的存储单元的
22、低3位均为0，数据值12位数据是存放在第314位区域。电流输出数据字格式为0+32000。第15位为0，表示是正值数据。,2电压输出的数据格式,2个字节的存储单元的低4位均为0，数据值的12位是存放在第415位区域。电压输出数据格式为-32000+32000。模拟量输出模块的分辨率通常以D/A转换前待转换的二进制数数字量的位数表示。,(三)模拟量输入输出模块（EM235）,EM235具有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，技术参数基本相同。电压输入范围有所不同，单极性为010V、05V、01V、0500mv、0100mv、050mv。双极性为10V
23、、5V、2.5V、1V、500mV、250mv、100mv、50mv、25mv。该模块的模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块。技术参数也基本相同。该模块需要直流24V供电。可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电。也可由用户提供外部电源。,3.3.3特殊功能模块,通信扩展模块EM277 PROFIBUS-DP模块用于PLC现场总线通信连接。波特率可从960012M波特。现场设备接口模块CP 243-2通信处理器是AS-I主站连接部件，专门用于S7-200 CPU 22x，连接的同时显著增加了S7-200可利用的I/O点数。,3.4 S7-200 PLC的系统配置,S7-200
24、PLC主机（基本配置），可构成一个独立的控制系统（基本配置）。基本配置的I/O配置是固定的，它们具有固定的I/O地址。输入I0.0I*.*输出Q0.0 Q*.*主机配以扩展模块后，可扩展PLC的系统。数字量模块或模拟量模块可扩展系统的控制规模；智能模块可扩展系统的控制功能。进行扩展配置时应考虑以下相关的因素：,扩展配置时应考虑相关的因素：,主机允许带扩展模块的数量CPU输入输出映象区的大小PLC内部电源的负载能力,3.4.1 主机允许带扩展模块的数量,各类主机可带扩展模块的数量是不同的。CPU221模块不允许带扩展模块；CPU222模块最多可带2个扩展模块；CPU224模块、CPU226模块、
25、CPU226XM模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。,3.4.2 CPU输入输出映象区的大小,1.数字量I/O映象区的大小主机提供的数字量I/O映象区区域为：128个输入映象寄存器（I0.0I15.7）和128个输出映象寄存器（Q0.0-Q15.7），见表4-1。最大I/O配置不能超出此区域。PLC系统配置时，要对各模块的输入、输出点进行编址。主机提供的I/O具有固定的I/O地址。扩展模块的地址由I/O模块类型及模块在I/O链中的位置决定。编址时，按同类型的模块对各输入点（或输出点）顺序编址。,数字量输入、输出映象区的逻辑空间是以8位（1个字节）为递增的。编址
26、时，对数字量模块物理点的分配也是按8点来分配地址的。即使有些模块的端子数不是8的整数倍，但仍以8点来分配地址。例如4入/4出模块占用8个输入点和8个输出点的地址。那些未用的物理点地址不能分配给I/O链中的后续模块。那些与未用物理点相对应的I/O映象区的空间就会丢失。对于输出模块，这些丢失的空间可用来作内部标志位存储器（内部线圈）；对于输入模块却不可，因为每次输入更新时，CPU都对这些空间清零。,2.模拟量I/O映象区的大小 主机提供的模拟量I/O映象区区域为：CPU222模块，16输入通道/16输出通道；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块，32入/32出。模拟量的最大I/
27、O配置不能超出此区域。模拟量扩展模块总是以2个字节递增方式来分配空间。（有效地址）16路输入地址 AIW0、AIW2、AIW4.AIW30 16路输出地址 AQW0、AQW2、AQW4.AQW30,例如：以CPU224扩展两块EM223(4I/4O)主机地址：14I/10O I0.0、I0.1.I0.7,I1.0、I1.1 I1.5 Q0.0、Q0.1 Q0.7,Q1.0、Q1.1 扩展单元1地址 I2.0、I2.1、I2.2、I2.3 Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3扩展单元2地址 I3.0、I3.1、I3.2、I3.3 Q3.0、Q3.1、Q3.2、Q3.3,3.4.3 PLC内部电
28、源的负载能力,PLC内部5VDC电源的负载能力 主机和扩展模块正常工作时，需要5VDC工作电源。主机内部电源单元提供的5VDC电源为主机和扩展模块提供了工作电源。系统配置后，必须对主机内部的5VDC电源的负载能力进行校验。,校验举例：CPU226模块扩展,CPU226提供5VDC电源的最大电流为1000mA。各扩展模块对5VDC电源的电流消耗：EM221 DI8DC24V 30 mAEM223 DI4/DO4DC24V/继电器 40 mAEM235 AI4/AQ112位 30 mA2=60 mA共计 30+40+60=130 mA1000mA。,例如，某一控制系统选用CPU 224，系统所需的
29、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3.6所示为其中的一种模块连接形式。,图3.6扩展连接图,负载能力校验,CPU224的负载能力660mAEM221 30mAEM222 50mAEM223 40mAEM235 30mAEM235 30mA共计：180mA校验合格,练习题1,一个PLC控制系统如果需要数字量输入点36个，数字量输出点22个，6路模拟量输入，2路模拟量输出。请给出2种配置方案：1）CPU主机型号2）扩展模块型号和数量3）假定参考价如表请给出性/价比最优的配置4）画出主机与各个模板的示意连接图，并进行地址分配,本章小结,了解：PLC结构、组成掌握：S7-200输入与输出的接线系统的硬件配置,
