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2第2章S7200PLC硬件系统及编程资源

第2章S7-200PLC硬件系统及编程资源

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。

S7-200PLC设计紧凑，使用方便、应用灵活、性价比高，具有良好的可扩展性及强大的指令集，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。

S7-200PLC还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、自动控制有关的工业及民用领域，如机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等。

本章从应用角度出发，主要介绍S7-200PLC的技术指标、硬件配置、编程软元件及其寻址方式等。

2.1S7-200PLC硬件系统配置

S7-200PLC适用于各种场合中的监测及系统自动控制，具有极高的可靠性、极其丰富的指令集、强大的通信能力和丰富的扩展模块，便捷的操作特性易于用户掌握。

随着技术的进步，S7-200PLC的功能还在不断地提高和改进，主要表现以下几个方面：

1）增强的内置集成功能，如CPU224XP集成14个输入/10个输出共24个数字量I/O点、2个模拟量输入/1个模拟量输出共3个模拟量I/O端口；CPU226集成24个输入/16个输出共40个数字量I/O点。

2）增强的扩展模块特性，如数字扩展模块EM22324VDC支持32个输入/输出和32个输入/继电器输出的，高密度扩展模块EM232的模拟量输出多达4个，高密度扩展模块EM231的模拟量输入多达8个。

3）增强的编程软件包，STEP7-Micro/WINV4.0编程软件能支持MicrosoftVista操作系统。

同时，对通讯设置也做了改进，如果STEP7-Micro/WINV4.0第一次启动时检测到USB电缆，就会自动选择USB通讯方式。

4）增强的口令保护，为程序作者的知识产权提供更好的安全保护。

2.1.1S7-200PLC的硬件构成和性能特点

1．硬件系统构成

S7-200PLC硬件系统主要包括CPU主机模块、扩展模块、功能模块、相关设备以及编程工具，如图2-1所示，其硬件特点如图2-2所示。

图2-1S7-200PLC系统组成图

图2-2S7-200CNCPU硬件特点

●CPU主机是PLC最基本的单元模块，是PLC的主要组成部分，包括CPU、存储器、基本I/O点和电源等。

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。

●主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要使用各种I/O扩展模块。

●当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块，如模拟量输入扩展模块、热电阻（测温）功能模块等。

●相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。

●工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等构成。

2．S7-200性能特点

S7-200性能特点主要表现如下。

（1）立即读写I/O点

S7-200的指令集提供了立即读写物理I/O点的指令，用户可以在程序中立即读写I/O点，而不受PLC循环扫描工作方式的影响。

（2）提供高速I/Ｏ点

S7-200具有集成的高速计数功能，能够对外部高速事件计数而不会影响S7-200的性能。

这些高速计数器都有专用的输入点作为时钟、方向控制、复位端、启动端等功能输入；S7-200还支持高速脉冲输出功能，其输出点Q0.0和Q0.1可形成高速脉冲串（PTO）或脉宽调制（PWM）控制信号。

（3）对数字量输入加滤波器

S7-200允许用户为某些或者全部本机数字量输入点选择输入滤波器，并可以对滤波器定义0.2ms～12.8ms的延迟时间，系统默认的延迟时间为6.4ms。

该延迟时间能滤除输入杂波，从而减小输入状态发生意外改变的可能。

输入滤波器是系统块的一部分，它需要通过编程软件下载并储存在S7-200CPU中。

（4）对模拟量输入加滤波器

S7-200允许用户对每一路模拟量输入选择软件滤波器，滤波值是多个模拟量输入采样值的平均值。

滤波器具有快速相应的特点，可以反映信号的快速变换，系统默认为对所有模拟量输入进行滤波配置。

（5）设置停止模式下的数字量/模拟量输出状态

S7-200输出表可以用来设置数字量/模拟量的输出状态，用于指明在从运行模式进入停止模式后，是将已知值传送至数字量/模拟量输出点，还是使输出保持停止模式之前的状态。

输出表是系统块的一部分，它需要通过编程软件下载并储存在S7-200CPU中。

（6）捕捉窄脉冲

S7-200为每个本机数字量输入提供脉冲捕捉功能，该功能允许PLC捕捉到持续时间很短的高电平脉冲或者低电平脉冲。

当一个输入设置了脉冲捕捉功能，输入端的状态变换就被锁存一直保持到下一个扫描循环刷新，这样就能确保一个持续时间很短的脉冲被捕捉到，并一直保持到S7-200读取该输入点。

（7）设置掉电保护存储区

S7-200允许用户定义最多6个掉电保护区的地址范围，变量存储器V、位存储器M、计数器C和定时器T。

在缺省情况下，M存储器的前14个字节是非保持的。

对于定时器，只有保持型定时器TONR可以设为掉电保护。

而且定时器和计数器只有当前值可以保持，定时器位和计数器位是不能保持的。

（8）快速响应中断服务程序

S7-200允许用户在程序扫描周期中使用中断，与中断事件相关的中断服务程序作为程序的一部分被保存。

在正常的程序扫描周期中，有中断请求就立即执行中断事件。

在中断优先级相同的情况下，S7-200遵循“先来先服务”的原则来执行中断服务程序。

（9）实现PID运算操作

S7-200PLC设置了PID回路指令，通过程序设置PID回路表参数，可以十分方便地通过执行PID回路指令，对模拟量构成闭环控制系统。

（10）提供模拟电位器

S7-200提供有模拟电位器，位于模块前盖下面，可以用小螺丝刀进行调节。

调节电位器能增加/减小存于特殊存储器中的值，这些只读值在程序中可有很多功能，如更新定时器或计数器的当前值，输入或修改预置值、限定值等。

（11）提供四层口令保护

S7-200所有型号都提供口令保护功能，用以限制对特殊功能的访问。

对CPU功能及存储器的访问权限是通过设置口令来实现的。

S7-200CPU提供了限制CPU访问功能的四个等级，若要进行四个等级的访问，需输入正确的口令。

2.1.2S7-200CPU模块结构和技术指标

S7-200有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种不同结构配制的CPU单元，供用户根据不同需要选用。

1．CPU模块结构

S7-200的CPU模块是一个功能强大的整体式PLC，它集成了一个微处理器、一个集成电源、输入/输出（I/O）若干端点（口）及RAM、EEPROM等，被封装在一个紧凑的外壳内。

CPU模块负责执行程序，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。

CPU22x系列PLC主机（CPU模块）的外形示意图，如图2-3所示。

图2-3S7-200系列PLC主机模块外形功能示意图

其中，前翻盖下面有模式选择开关、模拟电位器以及扩展端口。

S7-200PLC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，此时不能对其编写程序；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。

端子下翻盖下面为输入端子和传感器电源端子，输入端子的运行状态可以由端子盖上方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。

端子上翻盖下面为输出端子和PLC供电电源端子，输出端子的运行状态可以由端子盖下方的一排指示灯显示，正常工作时对应指示灯被点亮。

运行状态指示灯用于显示CPU所处的工作状态。

当CPU处于STOP状态（停机方式）或重新启动时，黄灯常量；当CPU处于RUN状态（运行方式）时，绿灯常亮；当CPU处于SF状态（硬件故障或软件错误）时，红灯常亮。

可选卡插槽可以插入存储卡、时钟卡、电池卡等，存储器卡用来在没有供电的情况下（不需要电池）保存用户程序。

通讯接口可以连接RS-485通信电缆，可以通过专用PPI通信电缆连接上位机（RS-232）或编程设备或文本显示器或其它的CPU，实现PLC与上位机或者其他PLC之间的通讯。

CPU22x系列PLC主机（CPU模块）实物外形如图2-4所示。

CPU221CPU222CNCPU224CN

CPU224XPCNCPU226CN

CPU224XPCN实物端口功能注释

图2-4S7-200CN系列CPU实物图片

2．S7-200技术指标

CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种不同结构配制的CPU单元。

（1）S7-200CPU电源技术规范

CPU221~CPU226分别设定了DC24V和AC120~220V两种电源供电模式。

例如，CPU222DC/DC/DC，其中第1个参数DC表示CPU工作供电为直流电源（20.4~28.8V），第2个DC表示输入信号控制电压为直流电源，第3个参数DC表示输出控制电压（负载的工作电源）为直流电源.。

CPU直流供电如图2-5（a）所示。

（a）（b）

图2-5CPU供电电源

例如，例如，CPU222AC/DC/继电器，其中第1个参数AC表示CPU工作供电为交流电源（AC85～265V），第2个DC表示输入信号控制电压为直流电源，第3个参数表示继电器输出，其触头控制负载的电压可以为交、直流电源（电流<2A，电压85～265V）。

CPU交流供电如图2-5（b）所示。

（2）S7-200CPU单元技术指标

S7-200CPU单元技术指标见表2-1。

表2-1S7-200PLC技术指标

特性

CPU221

CPU222

CPU224

CPU224XP

CPU226

用户程

序长度

运行模式

4096字节

8192字节

12288字节

16384字节

不在运行

4096字节

12288字节

16384字节

24576字节

数据存储区

2048字节

8192字节

10240字节

掉电保护时间

50小时

100小时

本机I/O

数字量

6入/4出

8入/6出

14入/10出

24入/16出

模拟量

无

2入/1出

无

扩展模块数量

0个模块

2个模块

7个模块

高速

计数器

单相

4路30KHz

6路30KHz

4路30kHz

2路200kHz

6路30KHz

两相

2路20KHz

4路20KHz

3路20kHz

1路100kHz

4路20KHz

脉冲输出（DC）

2路20KHz

2路100kHz

2路20KHz

模拟电位器

实时时钟

配时钟卡

内置

通讯口

1RS-485

2RS-485

I/O映象区

256（128入/128出）

布尔指令执行速度

0.22μs/指令

1）CPU221PLC集成了6输入/4输出数字量I/O点（即CPU只能读取6个外部开关量信号、输出4个开关量信号控制负载），6KB程序和数据存储空间；4个独立的30kHz高速计数器、2路独立的20kHz高速脉冲输出；1个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯功能。

CPU221PLC无I/O扩展功能，适合于I/O点数较少的小型控制系统。

2）CPU222CNPLC集成了8输入/6输出数字量I/O点，6KB程序和数据存储空间；4个独立的30kHz高速计数器、2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、MPI通讯协议和自由方式通讯功能。

CPU222CNPLC可以连接2个扩展模块。

CPU222CNPLC是具有可扩展、应用广泛的全功能控制器。

3）CPU224CNPLC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、2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、MPI通讯协议和自由方式通讯功能。

CPU224CNPLC具有较强的控制功能

CPU224CNPLC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，CPU224CNPLC是具有较强控制能力的控制器。

4）CPU224XPCNPLC集成了14输入/10输出数字量I/O点、2输入/1输出模拟量I/O端口；22KB程序和数据存储空间间；6个独立的100kHz高速计数器、2路独立的100kHz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；2个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯功能；内置模拟量I/O、自整定PID、线性斜坡脉冲指令等功能。

CPU224XPCNPLC可以连接7个扩展模块，最大扩展为168路数字量I/O点或38路模拟量I/O端口。

CPU224XPCNPLC是具有强大控制能力的新型CPU。

5）CPU226CNPLC集成了24输入/16输出数字量I/O点、2输入/1输出模拟量I/O端口；26KB程序和数据存储空间；6个独立的30kHz高速计数器、2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；2个RS485通信编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯功能。

CPU226CNPLC可以连接7个扩展模块，最大扩展为248路数字量I/O点或35路模拟

量I/O端口，CPU226CNPLC具有更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊，完全能够适应一些较复杂的中、小型控制系统。

3．存储系统及功能

（1）硬件组成

S7-200PLC的存储系统由随机存储器（RAM）和可以可编程的只读存储器（EEPROM）构成，CPU模块内部配备一定容量的RAM和EEPROM，其存储容量以字节（B）为单位，如图2-6所示。

同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。

还增设了超级电容和电池模块，用于长时间保存RAM中的数据。

用户数据可通过主机的超级电容存储若干天；电池模块可选，使用锂电池模块可使数据的存储时间延长到1～3年。

例如，CPU224CNPLC程序存储器在运行模式下为8192B，数据存储器为8192B。

上传

图2-6S7-200PLC存储系统示意图

（2）程序存储空间

存储空间可分为系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序由PLC产品设计者设计并由生产厂商固化在EEPROM中，对用户不透明，它反映了PLC技术水平，它能够智能化地管理和完成PLC规定的各种基本操作，用户不能修改；用户程序（在需要时含数据块、CPU组态设置）是根据PLC用户要求实现的特定功能而设计的程序。

（3）程序下载和上传

用户程序、数据块（可选）及CPU组态（可选）需要通过上位机编程下载到CPU存储器RAM区，CPU会自动地将其拷贝到EEPROM中，在存储器RAM和EEPROM中互为映像空间，以利于长期保存，以利于提高系统的可靠性。

当需要上传程序时，从CPU的RAM中将用户程序及CPU配置上传到上位机。

（4）开机恢复及掉电保持

CPU上电后，将自动从EEPROM中将用户程序、数据及CPU配置恢复到RAM中，当CPU模块掉电时，如果在编程软件中设置为保持，通用辅助存储器M的前14个字节（MB0~MB13）数据自动保存在EEPROM中。

2.1.3数字量输入输出（I/O）扩展模块

在S7-200CPU输入或输出点不能满足系统需要时，可以通过数字量I/O扩展模块扩展输入输出点。

扩展模块外部连接如图2-7所示。

除CPU221外，其它CPU模块均可配接一个或多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块依次相连，形成扩展I/0链，如图2-8所示。

通信电缆

图2-7扩展模块连接实物示意图

CPU扩展模块

图2-8扩展模块实物

注意，控制模块依次连接的顺序可以不受位置限制，但各扩展I/O模块端口地址是按其I/O扩展链中的顺序由CPU进行统一编址的。

S7-200PLC提供了3种类型的数字量扩展模块，分别是数字量输入模块EM221、数字量输出模块EM222、数字量输入/输出模块EM223，其技术数据见表2-2。

这些扩展模块有直流输入模块和交流输入模块；有直流输出模块、交流输出模块和继电器输出模块；有8点、16点和32点的数字量输入/输出模块，方便用户灵活选择，以完善CPU的功能，满足不同的控制需要。

表2-2S7-200数字量扩展模块技术数据

型号

类型

EM221输入模块

8点输入、DC24V

8点输入、AC120/230V

16输入、DC24V

EM222输出模块

4点输出、DC24V

4点继电器输出

8点输出、AC120/230V

8点输出、DC24V

8点继电器输出

EM223输入/输出模块

4点输入、DC24V

4点输出、DC24V

8点输入、DC24V

8点输出、DC24V

16点输入、DC24V

16点输出、DC24V

32点输入、DC24V

32点输出、DC24V

4点输入、DC24V

4点继电器输出

8点输入、DC24V

8点继电器输出

16点输入、DC24V

16点继电器输出

32点输入、DC24V

32点继电器输出

S7-200数字量扩展模块的每一个I/O点与S7-200CPU的I/O点统一按字节序编址，便于用户编程。

2.1.4模拟量输入输出扩展模块

在工业控制过程中，常需要对一些模拟量（连续变化的物理量）实现输入或输出控制，如温度、压力、流量等都是模拟输入量，某些执行机构（如电动调节阀、晶闸管调速装置和变频器等）也要求PLC输出模拟信号。

由于CPU直接处理的只能是数字信号，在模拟信号输入时，必须将模拟信号转换为CPU能够接受的数字信号，即进行模/数（A/D）转换；在模拟信号输出时，必须将CPU输出的数字信号转换为模拟信号，即进行数/模（D/A）转换。

在PLC的CPU不能满足模拟信号输入输出通道数量要求时，可以使用模拟量扩展模块来实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。

在S7-200CPU系列中，仅CPU224XP自带2输入/1输出模拟量端口。

S7-200配备了3种模拟量扩展模块，系列号分别为EM231、EW232、EW235，其技术数据见表2-3。

表2-3模拟量输入输出扩展模块

模块

EM231

EM232

EM235

点数

4路模拟量输入

2路模拟量输出

4路输入、1路输出

S7-200的模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的数字量位数均为12位。

1.模拟量输入模块

模拟量输入模块EM231可以实现4路模拟量输入，输入信号为差分输入，可以实现电压单极性、电压双极性基电流三种输入模式（量程）；其输出信号为12位数字量，由CPU读入。

（1）模拟量输入模块。

EM231模拟量输入模块有5档量程供用户选择：

直流单极输入0～10V、0～5V、电流输入0～20mA、直流双极输入±10V、±5V，用户可以通过模块下部的DIP开关设置不同的输入量程，如图2-9所示。

量程为0～10V时的分辨率为2.5mV。

图2-9EM231配置DIP开关

图2-9中的DIP开关1、2、3的不同组合可以选择模拟量的输入量程，设置选择见表2-4（ON表示开，OFF表示关）。

表2-4EM231模拟量输入量程DIP开关设置表

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

OFF

0到10V

2.5mV

OFF

0到5V

1.25mV

双极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

OFF

±5V

2.5mV

OFF

±2.5V

1.25mV

（2）数字量数据格式

模拟量转换为数字量的数据格式如图2-10所示。

图2-10模拟量转换为数字量格式

模拟量输入模块的有效数据位为12位，在单极性格式中，最低三个位均为0，即A/D转换有效数据位每变化一个最小位，数字量则以8为单位变化，相当于12位数据×8=212×8=32768，因此，取全量程范围的数字量输出对应为0～32000；在双极性格式中，最低四个位均为0，即A/D转换有效数据位每变化一个最小位，数字量则以16为单位变化，相当于12位数据×16，由于含一位双极性符号位，全量程范围的数字量输出相当于-32000～32000。

EM231模拟量输入模块电压输入时输入阻抗≥10MΩ；电流输入时输入电阻为250Ω；A/D转换时间为<150μs；模拟量阶跃输入响应时间为1.5ms。

2.模拟量输出模块

EM232模拟量输出模块可以实现2路模拟量输出，输入信号为CPU写入的12位数字量，其输出模拟信号范围为：

±10V或0～20mA。

EM232数字量数据格式如图2-11所示。

图2-11EM232数字量格式

当输出信号为±10V时，全量程范围的数字量输入相当于-32000～+32000；当输出信号为0～20mA时，全量程范围的数字量输入相当于0～+32000。

EM232模拟量输出模块转换精度为±0.5%；电压输出时响应时间为100μs、其负载电阻≥5kΩ；电流输出时响应时间为2ms、其负载电阻≤500Ω。

3.模拟量输入/输出模块

EM235模拟量输出模块可以实现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。

EM235可以通过模块下部的DIP开关设置不同的输入量程和分辨率，如图2-12所示。

量程为0～10V时的分辨率为2.5mV。

图2-12EM235配置DIP开关

图2-12中的DIP开关1～6的不同组合可以选择模拟量的输入范围和分辨率，设置选择见表2-5（ON表示开，OFF表示关）。

EM235数字量数据格式与EM231同。

表2-5选择模拟量量程和精度的EM235配置DIP开关表

单极性

满量程输入

分辨率

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

OFF

0到50mV

12.5μV

OFF

0到100mV

25μV

OFF

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