实用西门子PLC备课笔记 第二章.docx

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实用西门子PLC备课笔记第二章

第二章S7-200系列可编程控制器

教学目的要求:

通过教学，使学生明确S7-200系列可编程控制器的资源及配置。

了解内容：

S7-200系列构成及性能简介、系统配置及安装、指令系统

重点难点：

编成软元件及寻址、编程软件、仿真软件

教学方式：

理论讲解、软件操作

展示设备：

Step7-Micro/Win32，S7-200仿真软件

问题的提出：

S7-200PLC以其突出的特性可广泛用于工业控制系统，其结构和工作原理如何？

则是本章要讨论的问题。

明确可编程控制器的基本结构和工作原理，是编制用户程序的基础。

S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200等大、中、小（微）三个子系列。

本章以S7-200系列PLC为例，叙述小型PLC系统的构成，编程用的元器件，寻址方式，I/O扩展，编程语言等PLC应用的基础知识。

一、第一节S7-200系列构成及性能简介

了解内容：

从CPU模块的功能来看，SIMATICS7-200系列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CPU21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：

CPU212，CPU214，CPU215和CPU216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。

第二代产品其CPU模块为CPU22X，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：

CPU221，CPU222，CPU224和CPU226，除CPU221之外，其他都可加扩展模块。

S7-200系列PLC：

CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM等5种型号。

不同型号：

1）CPU基本相同，2）输入、输出、通讯口数量不同，3）供电不同，4）输出形式不同，5）扩展模块输入、输出扩展，模拟量扩展，定位控制，通信模块

1．CPU模块

如图所示，S7-200系列PLC的外观示意图。

它有，外观布置大体相同。

由图可见，接线端子位于机身的上下两侧，这是连接输入、输出器件及电源用的端子。

为了方便接线，CPU224、CPU226和CPU226XM机型采用可插拔整体端子。

用于通讯的RS-485接口在机身的左下部，图中前盖下有用于连接扩展单元的扩展接口。

RUN／STOP及TERM三种状态，CPU在RUN状态下执行完整的扫描过程，在STOP状态下则可与装载STEP7-WIN编程软件的计算机通讯，以下载及上载应用程序，TERM状态是一种暂态，可以用程序将TERM转换为RUN或STOP状态，在调试程序时很有用处。

TERM状态还和机器的特殊标志位SM0．7有关，可用于自由口通讯时的控制。

模拟电位器也装在前盖下，可用于定时器的外设定及脉冲输出等场合。

拟量输入加滤波器，还具有窄脉冲捕捉功能，为复杂的工业控制提供了方便。

2、数字量扩展模块

数字量扩展单元的基本用途是对基本单元的输入、输出口进行扩展。

EM22124VDC输入2组4，4

EM221230VAC输入8个独立

EM22224VDC输出2组4，4

EM221继电器输出8个独立

EM223、输入输出混合

3．模拟量扩展模块

EM2314入

EM2322处

EM2354入1出

ADDA12位

0~10V，0~5V，0-~20mA，0~100mA，+-10V，+-5V，+-100mV

4．热电偶、热电阻扩展模块

EM231J、K、E、N、S、T、R型热电偶

接线方法2，3，4线

5．Profibus-DP通信接口

EM277

200PLC作为从站

6．SIMATICNETCP243-2通信处理器

CP243-2是S7-200的AS-I主站31个从站

200PLC可以处理两个CP243-2从站

7．程序存储卡

为了保证程序及重要参数的安全，一般小型可编程控制器设有外接EEP-ROM卡盒接口。

通过该接口可将卡盒的内容写入PLC内，也可将PLC内的程序及重要参数传到外部EEPROM卡盒作备份（查找卡盒型号及存储量），S7-200系列CPU程序存储卡盒的安装位置如图6-1所示。

8．文本显示器

TD200是用于S7-200的文本显示器。

它可以用于显示系统信息，可以作为操作控制单元，还可以在程序的执行过程中修改某个量的数值，也可以直接设置输入／输出量。

文本信息的显示用选择／确认的方法，最多可显示80条信息，每条信息最多有4种状态，显示的文字可以用5种文字（英文、德文、法文、意大利文、西班牙文）中的任意—种。

功能更强的显示器是触摸屏显示器，它不但可以显示文字，还可以作图形显示。

第二节系统配置及安装接线

一、系统配置

1）CPU选择

基本单元带扩展模块的数量

CPU221不能带扩展模块

CPU222，最多可以带2个

CPU224，CPU226最多7个

CPU输入、输出影响区的大小

2）内部电源负载能力

5V

24V

二、模块的安装与接线

1、安装

2、接线

输入，输出，

输入电路采用了双向光电耦合器，24VDC极性可任意选择，1M、2M为输入端子的公共端。

1L、2L为输出公共端。

CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。

电源：

隔离、短路保护、输出感性负载的过压保护、接地

第三节编程软元件及寻址

PLC的变成元件，实际

可编程序控制器的技术规范是PLC设计及生产的技术标准。

S7-200系列PLC系统手册上给出韵技术规范主要有一般技术规范及CPU规范。

其中一般技术规范主要有以下内容。

1.环境条件——运输和存储：

含温度、湿度、跌落等运输及存储标准。

2.环境条件——工作：

含机械震动—、正弦波振动、机械保护等工作条件。

3．电磁兼容性----抗干扰：

含PLC对静电、辐射式电磁场、传导干扰、瞬间电压、电流冲击及非周期过电压的抗御能力标准等。

CPU规范含CPU规范、CPU电源规范、CPU输入规范及CPU输出规范等项。

其中CPU规范含CPU存储空间的太小，输入输出的数量、机内编程元器件的种类及数量配置、运算速度、通讯口的功能等内容。

CPU的电源规范含交直流输入电源的电压范围及电流定额，对输人用24V传感电源的规格也作了规定。

CPU的输入规范含输人口所应接入的电压值及输入口置1及置0时的电压及电流标准。

CPU的输出规范含输出口的电压、电流负载能力，脉冲能力及机械寿命等.这些规范是正确使用PLC的重要技术指标，详情可见本书的附录二。

第三节外端子图

外端子为PLC输入、输出、外电源的连接点。

图6-5及图6-6给出了CPU224DC/DC/DC及CPU224AC／DC／Relay的各类接线点—的位置分布图，也称外端子图。

型号规格中CPU224后用斜线分割的三部分分别表示CPU电源的类型、输入口的电源类型及输出口器件的类型。

其中输出口的器件类型中，Relay为继电器，DC为晶体管。

由图中可以看出，PLC各个接线口都编有号码，且输人、输出口都是分组安排的（图中输入端口接法为源型输入）。

第四节S7—200系列PLC的编程软元件

PLC的编程软元件实质上为存储器单元，每个单元都有惟一的地址.为了方便不同的编程功能需要，存储器单元作了分区，因此，也就有了不同类型的编程软元件。

一、类型及功用

在软件的安排下，不同的软元件具有不同的功能。

以下介绍S7-200系列PLC常用编程软原件的功能及使用方法（软元件名称后括号中的字母为软元件分区的标识）。

1.输入继电器（I）

输入继电器和PLC的输入端子相连，是专设的输入过程映像寄存器，用来接收外部传感或开关元件发来的信号，但机器读取这些信号时并不影响这些信号的状态。

输入继电器一般采取八进制编号，一个端子占用二个点。

图6-7表示编号为I0.0的输入继电器的等效电路图，当外部按钮驱动，其线圈接通，常开、常闭触点的状态发生相应变化。

编程时注意输

入继电器不能由程序驱动，其触点也不能直接输出带动负载。

2.输出继电器（Q）

输出继电器是PLC向外部负载发出控制命令的窗口，是专设的输出过程映像寄存器。

输出继电器的外部输出触点接到输出端子上，以控制外部负载。

输出继电器的外部输出执行器件有三种：

继电器、晶体管和晶闸管。

图6-8表示编号为Q0.0的输出继电器的等效电路，当程序驱动输出继电器Q0.0接通时，它所连接的外部电器被接通，同时输出继电器的常开、常闭触点动作，可在程序中使用。

3．内部标志位（M）

内部标志位也称位存储区。

在逻辑运算中经常需要干些存储中间操作信息的元件，它们并不直接驱动外部负载，只起中间状态的暂存作用，类似于继电接触器系统中的中间继电器，在S7-200系列PLC中称为内部标志位（Marker），多以位为单位使用。

4．特殊标志位（SM）

特殊标志位是用户与系统程序之间的界面，为用户提供一些特殊的控制功能及系统信息，用户对操作者的一些特殊要求也通过SM通知系统。

特殊标志位可分为只读区及可读/可写区两本部分，只读区特殊标志位，用户只能利用其触点。

例如：

SM0.0RUN监控，PLC在RUN状态时，SM0.0总为1;

SM0.1初始化脉冲，PLC由STOP转为RUN时，SM0.10N一个扫描周期；

SM0.2当RAM中保存的数据丢失时，SM0.20N一个扫描周期；

SM0.3PLC上电进入RUN时，SM0.3ON一个扫描周期；

SM0.4分脉冲，占空比为50%，周期为1min的脉冲串；

SM0.5秒脉冲，占空比为50%，周期为1s的脉冲串；

SM0.6扫描时钟，一个扫描周期为ON，下一个扫描周期为OFF，交替循环；

SM0．7指示CPU上MODE开关的位置，0＝TERM，1＝RUN，通常用来在RUN状态下启动自由口通信方式。

又如SMB28和SMB29分别存储CPU自带的模拟电位器0和1的当前值，数值范围为0~255，用户用起子旋动模拟电位器也就改变了SMB28／SMB29的值。

在程序中恰当地安排SMB28／SMB29可以方便地修改某些设定值。

可读／可写特殊标志位用于特殊控制功能，例如，用于自由口设置的SMB30，用于定时中断时间设置的SMB34／SMB35，用于高速计数器设置SMB36~SMB65，用于脉冲串输出控制的SMB66~SMB85……，其使用详情在各对应功能指令解释时加以说明。

S7-200系列PLC特殊标志位总表见附录四。

5、定时器（T）

PLC中的定时器的作用相当于时间继电器。

定时器的设定值由程序赋予。

每个定时器有一个16bit的当前值寄存器及一个状态bit，称为T-bit。

定时器的计时过程采用时间脉冲计数的方式，其时基增量（分辨率）分为lms、10ms、l00ms三种。

6、计数器（C）

计数器的结构与定时器基本一样，其设定值在程序中赋予。

它有一个16bit的当前值寄存器及一个状态bit，称为Obit。

计数器用来数输入端子或内部元件送来的脉冲数，具有加计数器、减计数器及加减计数器三种类型。

一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不可以太高。

高频信号的计数可以用指定的高速计数器（HSC）。

7、高速计数器（HC）

高速计数器用于对频率高于扫描频率的机外高速信号计数，高速计数器使用主机上的专用端子接收这些信号，高速计数器用HC标识，其数据为32位的有符号的高速计数器的当前值。

8、变量寄存器（V）

变量存储区存储具有较大容量的变量寄存器，用于存储程序执行过程中控制逻辑的中间结果，或用来保存与工序或任务相关的其他数据。

9、累加器（AC）

S7-200CPU中提供4个32bit累加器（ACC0~ACC3）。

累加器常用作数据处理的执行器件。

10、局部存储器（L）

局部存储器和变量存储器很相似，主要区别是变量存储器是全局有效的，而局部存储器是局部的。

全局是指同一个存储器可以被任何程序存取（包括主程序、子程序及中断子程序）；局部是指存储区和特定的程序相关联。

局部存储器可分配给主程序、子程序或中断子程序，但不同的程序段不能访问不同程序段中的局部存储器。

局部存储器常用来作为临时数据的存储器或者为子程序传递参数。

11、状态元件（S）

状态元件是使用顺控继电器指令的重要元件，通常与顺序控制指令LSCR、SCRT、SCRE结合使用，实现顺控流程的方法即SFC（SequentialFunctionChart）编程。

12、摸拟量输入／输出（AIW／AQW）

模拟量经AD／DA转换，在PLC外为模拟量，在PLC内为数字量。

模拟量输入／输出元件为模拟量输人／输出的专用存储单元。

二、机型及数量配置

不同的CPU配备的各类存储器分区的大小存在差异，表6-3给出了它们的配置情况。

三、寻址方式

编程软元件在存储区中的位置都是固定的，S7—200采用分区结合字节序号编址。

另一方面，作为工业控制计算机，PLC处理的数据可以是二进制数中的一位，也可以是一个字节、两个字节或多个字节的各种数制的数字。

这样就有了依数据长度不同引出的寻址方式。

1、位寻址（bit）

位寻址也叫字节·位寻址，一个字节占有8个位。

图6—9为字节·位寻址的例子，图6—9（a）为位地址的表示方法，13．4在输入存储区中的位置已标明在图6—9（b）中，输入存储区是整个存储器的一个区域。

在进行字节·位寻址时，一般将该位看作是一个独立的软元件，像一个继电器一样，认为它有线圈及常开、常闭触点，且当该位置1，即线圈“得电”时，常开触点接通，常闭触点断开。

由于取用这类元件的触点只不过是访问该位的“状态”，可以认为这些软元件的触点有无数多对。

字节·位寻址一般用来表示“开关量”或“逻辑量”。

2、字节寻址（8bit）

字节寻址以存储区标识符、字节标识符、字节地址组合而成，如图6—10中的VBl00。

3、字寻址（16bit）

字寻址以存储区标识符、字标识符及字节地址组合而成，如图6—10中的VWl00。

4、双字寻址（32bit）

双字寻址以存储区标识符、双字标识符、字节地址组合而成，如图6—10中的VDl00。

为了使用方便及使数据与存储单元长度统一，S7—200系列PLC中，一般存储单元都具有字节·位寻址、字节寻址、字寻址及双字寻址四种寻址方式，但在不同的寻址方式选用了同一字节地址作为起始地址时，其所表示的地址空间是不同的。

图6-10给出了VB100、VWl00、VD100三种寻址方式所对应的三个存储单元所占的实际存储空间，这里要注意的是,“VB100”是最高有效字节,而且存储单元不可重复使用。

一些存储数据专用的存储单元不支持位寻址方式,主要有模拟量输入、输出存储器，累加器，及计时、计数器的当前值存储器等。

还有一些存储器的寻址方式与数据长度不方便统一，如累加器不论采用字节、字或双字寻址，都要占用全部32位存储单元。

与累加器相反模拟量输入，输出单元为字节标号,但由于模拟量规定为16位，模拟量单元寻址时均以偶数标志。

此外，定时器、计数器具有当前值存储器及位存储器二类存储器，但属于同一个器件的存储器采用同一标号寻扯。

表6-4给出了S7-200各种CPU存储空间的取值范围。

值得说明的是，表6—3及表6—4中某些存储单元编号数量远大于某一个实际设备该类元件的数量，如输入、输出寄存器的数量远大于具体CPU具有的输入、输出端子的数量。

这是在制造集成电路芯片时为了方便生产，而统一按端口的最大配置数量制作造成的，并不能作为输入、输出口地址选择的依据。

另外，某些元器件的寻址有一些特殊的规定，如4个累加器AC支持字节（B）、字（W）和双字（D）的存取。

但要注意，以字节或字为单元存取累加器时，是访问累加器的低8位或低16位。

当采用字节寻址、字寻址、双字寻址时，某地址存储单元中所存放的一般为一个具体的数据，可以是数字也可以是字符串，数字可以为二进制、十进制，也可以为十六进制及实数。

表6-5给出了常数的表示法，表6—6给出了不同长度的数据表示的十进制和十六进制数的范围，此外，可编程控制器提供各种变换指令，使用户方便地进行数据制式及表达方式的变换。

以下简单介绍实数及字符串的格式、间接寻址及本地I／O和扩展I／O的寻址。

（1）实数的格式实数（浮点数）由32位单精度数表示，其格式如图6-11所示（ANSI/1EEE754-1985标准）。

实数按照双字长度存取.对于S7-200来说，浮点数精确到小数点后的第六位。

因而，当使用一个浮点常数时，最多可以指定到小数点后第六位。

（2）字符串的格式字符串指的是一系列字符，每个字符以字节的形式存储。

字符串的第一个字节定义了字符串的长度，也就是字符的个数。

图6—12给出了一个字符串的格式。

一个字符串的长度可以是0到254个字符，现加上一个长度字节，一个字符串的最大长度255个字节。

（3）间接寻址存储单元中也可以是一个地址，称为间接寻址。

间接寻址指用指针来访问存储区数据。

指针以双字的形式存储其他，存储区的地址。

只能用V存储器，L存储器或者累加器寄存器（AC1、AC2、AC3）作为指针。

要建立一个指针，必须以双字的形式，将需要间接寻址的存储器地址移动到指针中。

指针也可以为子程序传递参数。

S7-S00允许指针访问以下存储区：

I、Q、V、M、S、T（仅限于当前值）和C（仅限于当前值）。

不能用间接寻址的方式访问位地址，也不能访问AI、AQ、HC、SM或者L存储区。

图6-13给出了一个使用指针的例子。

要使用间接寻址，应该用“&”符号加上要访问的存储区地址来建立一个指针。

指令“MOVD，&VB200，AC1”中操作数VB200以“&”符号开头表明是将存储区的地址而不是其内容移动到指令的输出操作数Ac1（指针）中。

当指令的操作数是指针时，应该在操作数前面加上“*”号，指令“MOVW*AC1，AC0”中“*AC1”指定AC1是一个指针，MOVW指令决定了指针指向的是一个字长的数据。

在本例中，存储在VB200和VB201中的数值被移动到累加器AC0中。

有时在程序中需改变指针的值。

由于指针是一个32位的数据，要用双字指令来改变指针的数值。

简单的数学运算，如加法指令或者递增指令，可用于改变指针的值。

图6—14给出了一个改变指针寻址的例子。

以下是间址寻址例。

图6-15是用地址偏移量来访问V存储区数据的程序，例中用LDl0作为VB0的指针。

然后可以利用VDl004中存储的地址偏移量来改变指针值，经改变后，LD10指向V区中的另外一个地址（VB0+偏移量）。

然后将LDl0指向的V区地址中存储的数值复制到VB1900中。

这样，通过改变VD1004中的数值,可以访问V存储区中的任意单元。

图6-16为用指针访问数据表的程序，例中用LDl4作为指向一个配方表的指针，配方表的起始地址为VBl00。

例中VWl008用来存储一个指定的配方在表中的索引号，如果每条配方的长度为50个字节，则用这个索引号乘以50可得到这条配方地址的偏移量。

用指针加上偏移量，就可以实现对任意一条配方的访问，最后本例中配方被复制到从VBl500开始的50个字节中。

（4）本地I／O和扩展I／O的寻址CPU提供的本地I／Q具有固定的地址。

当需要扩展某类输入／输出口时，可以将扩展模块连接到CPU的右侧形成I/O链.对于同类型的输入\输出模块而言，模块的地址取决于I／O类型和模块在I／O链中的位置，也就是说，输入模块不会影响输出模块上点的地址，模拟量模块不会影响数字量模块时地址，反之亦然.图6-17给出了一个本地和扩展I/O地址举例，可以从中分析扩展模块编址的情况（图中灰色斜体文字表示的地址间隙无法在程序中使用）。

习题及思考题

6-1说明基本单元和扩展单元在使用上有什么差别。

6-2说明S7-200系列PLC具有哪些编程元件。

6-3说明特殊标志位的功能并举—例应用。

6-4S7-200系列PLC有哪几种寻址方式，分别绘出I1.2、VB200、VW302、VD500所代表的存储区结构图，

6-5什么叫间接寻址?

举例说明。