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1、2第2章S7200 PLC硬件系统及编程资源第2章 S7-200 PLC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。S7-200 PLC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。 S7-200 PLC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S7-200 PLC的技术指标、硬件配置、编程软元件及其寻址方式等。2.1 S7-

2、200 PLC硬件系统配置S7-200 PLC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，S7-200 PLC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CPU 224XP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；CPU 226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EM 223 24VDC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

3、块EM 232的模拟量输出多达4个，高密度扩展模块EM 231的模拟量输入多达8个。3）增强的编程软件包，STEP7-Micro/WIN V4.0编程软件能支持Microsoft Vista操作系统。同时，对通讯设置也做了改进，如果STEP7-Micro/WIN V4.0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。2.1.1 S7-200 PLC的硬件构成和性能特点1硬件系统构成S7-200 PLC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2-1

4、 S7-200 PLC系统组成图图2-2 S7-200CN CPU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

5、，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。2S7-200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/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S7-20

6、0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0.2ms12.8ms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S7-200 CPU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

7、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S7-200 CPU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

8、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S7-200 PLC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

9、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。S7-200 CPU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。2.1.2 S7-200 CPU模块结构和技术指标S7-200有CPU 221、CPU 222 、CPU 224、CPU 224XP和CPU

10、226五种不同结构配制的CPU单元，供用户根据不同需要选用。1CPU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。CPU 22x系列PLC主机（CPU模块）的外形示意图，如图2-3所示。图2-3 S7-200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。S7-200 PLC有RUN和STOP两种工作模式，可由模式选

11、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

12、；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。CPU 22x系列PLC主机（CPU模块）实物外形如图2-4所示。 CPU 221 CPU 222 CN CPU 224 CN CPU 224XP CN CPU 226 CNCPU 224XP CN实物端口功能注释图

13、2-4 S7-200 CN系列CPU实物图片2S7-200技术指标CPU 221、CPU 222 、CPU 224、CPU 224XP和CPU 226五种不同结构配制的CPU单元。（1）S7-200CPU电源技术规范CPU221CPU226分别设定了DC24V和AC120220V两种电源供电模式。例如，CPU222 DC/DC/DC，其中第1个参数DC表示CPU工作供电为直流电源（20.428.8V），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2-5 CPU 供电电源例如，例如

14、，CPU222 AC/DC/继电器，其中第1个参数AC表示CPU工作供电为交流电源（AC85265V），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85265V）。CPU交流供电如图2-5（b）所示。（2）S7-200 CPU单元技术指标S7-200 CPU单元技术指标见表2-1。表2-1 S7-200 PLC技术指标特性CPU 221CPU 222CPU 224CPU 224XPCPU 226用户程序长度运行模式4096字节4096字节8192字节12288字节16384字节不在运行4096字节4096字节1228

15、8字节16384字节24576字节数据存储区2048字节2048字节8192字节10240字节10240字节掉电保护时间50小时50小时100小时100小时100小时本机I/O数字量6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出24入/16出模拟量无无无2入/1出无扩展模块数量0个模块2个模块7个模块7个模块7个模块高速计数器单相4路30KHz4路30KHz6路30KHz4路30 kHz2路200 kHz6路30KHz两相2路20KHz2路20KHz4路20KHz3路20 kHz1路100 kHz4路20KHz脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路100 kHz2路2

16、0KHz模拟电位器11222实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置内置通讯口1 RS-4851 RS-4851 RS-4852 RS-4852 RS-485I/O映象区256 （128入/128出）布尔指令执行速度0.22 s/指令1）CPU 221 PLC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。CPU 221 PLC无I/O扩展功能，适合于I/O点数较少的小型控制系统

17、。2）CPU 222 CN PLC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。CPU 222 CN PLC可以连接2个扩展模块。CPU 222 CN PLC是具有可扩展、应用广泛的全功能控制器。3）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、2路独立的20kHz高速脉冲输出；具有实现PID运算控制功能

18、，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。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。4）CPU224 XP CN PLC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PP

19、I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。CPU 224 XP 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38路模拟量I/O端口。CPU224 XP CN PLC是具有强大控制能力的新型CPU。5）CPU 226 CN PLC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

20、功能。CPU 226 CN PLC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，CPU 226 CN PLC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S7-200 PLC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

21、池模块可选，使用锂电池模块可使数据的存储时间延长到13年。例如，CPU 224 CN PLC程序存储器在运行模式下为8192B，数据存储器为8192B。上传 图2-6 S7-200 PLC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

22、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（MB0MB13）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S7-200 CPU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

23、出点。扩展模块外部连接如图2-7所示。除CPU 221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。S7-200 PLC 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

24、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2-2 S7-200数字量扩展模块技术数据型号类 型EM221 输入模块 8点输入、DC 24V 8点输入、AC120/230V16输入、DC 24VEM222 输出模块4点输出、DC24V 4点继电器输出8点输出、AC120/230V8点输出、DC24V8点继电器输出EM223 输入/输出模块4点输入、DC24V4点输出、DC24V 8点输入、DC24V8点输出、DC24V16点输入、DC24V16点输出、DC24V32点输入、

25、DC24V32点输出、DC24V4点输入、DC24V4点继电器输出8点输入、DC24V8点继电器输出16点输入、DC24V16点继电器输出32点输入、DC24V32点继电器输出S7-200数字量扩展模块的每一个I/O点与S7-200 CPU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

26、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EM231EM232EM235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

27、/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010V、05V、电流输入020mA、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010V时的分辨率为2.5mV。图2-9 EM231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

28、，OFF表示关）。表2-4 EM231模拟量输入量程DIP开关设置表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3ONOFFON 0到10V2.5mVONOFF0到5V1.25mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3OFFOFFON5V2.5mVONOFF2.5V1.25mV（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=2128=32768，因此，取全量程范围的数字量输出对应为032000；

29、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-3200032000。EM231模拟量输入模块电压输入时输入阻抗10M；电流输入时输入电阻为250；A/D转换时间为150s；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020mA。EM232数字量数据格式如图2-11所示。图2-11 EM232数字量格式当输出信号为10V时，全量程范围的数字量输入

30、相当于-32000+32000；当输出信号为020mA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100s、其负载电阻5k；电流输出时响应时间为2ms、其负载电阻500。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010V时的分辨率为2.5mV。图2-12 EM235配置DIP开关图2-12中的 DIP开关16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SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOF