-系统构成

S7－200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。由于S7－200PLC具有多种功能模块可供选择，所以有系统集成方便、易于组成网络等特点，使得控制系统设计更加简单，应用也更加广泛。本章以S7－200PLC为主进行介绍。

S7－200PLC模块是将一个中央处理器(CPU)、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，如图7-1所示。在下载了程序之后，S7－200PLC将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。

图7-1 S7－200PLC外形结构图

CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。

输入输出部分的控制点(I/O点):输入部分从现场设备中(例如传感器或开关)采集信号，输出部分则控制泵、电动机、指示灯以及工业过程中的其他设备。

电源向CPU及所连接的任何模块提供电力支持。通信端口用于连接CPU与上位机或其他工业设备。状态指示灯显示了CPU工作模式、本机I/O的当前状态以及检查出的系统错误。

7.1.1 S7-200PLC内部资源

S7－200PLC将用户信息(用户程序和用户数据)存于不同的存储器单元，每个单元都有唯一的地址，可以通过寻找存储器地址来直接存取用户信息。存储器单元包括用户程序存储器区域和用户数据存储器区域。用户数据存储器区域是用户程序执行过程中的PLC内部存储区域，该区域主要存放输入信号、运算结果、计时/计数值等。它包括输入继电器I、输出继电器Q、变量寄存器V、辅助继电器M、特殊继电器SM、状态继电器S、定时器T、计数器C、高速计数器HSC、累加器AC、局部变量存储器L、模拟量输入AI、模拟量输出AQ。这些组成了PLC的各种内部器件，但它们并不是真正的物理器件，在PLC系统软件的管理下，这些内部器件只是PLC的编程元件，与其对应的是存储器中的存储单元。这些编程元件只是沿用了传统继电器控制电路中继电器的名称。

1.S7-200PLC的数据存储器

1)数据长度

在PLC中，通常使用位、字节、字、双字来表示数据占用的连续数据位数，称为数据长度。

在计算机中，位(bit)指二进制中的一位，是最基本的存储单位，只有“0”和“1”两种状态。在PLC中，一个位对应一个继电器。若继电器线圈得电，相应位的状态为“1”;若继电器线圈失电，相应位的状态为“0”。8位二进制数构成一个字节(Byte)，两个字节构成一个字(Word)，两个字构成一个双字(Double Word)。在PLC中，字又称为通道，一个字含有16位，即一个通道由16个继电器组成;双字含有32位，即由32个继电器组成。

2)数据类型

不同的数据对象具有不同的数据类型。在S7－200PLC中，主要的数据类型有布尔型(BOOL)、整数型(INT)和实数型(REAL)。布尔型由“0”和“1”构成的字节型无符号整数表示，整数型包括16位单字和32位双字的带符号整数，实数型以32位的单精度数表示。每种数据类型都有一定的范围，见表7-1。

表7-1 S7－200PLC的数据类型及范围

3)编址方式

在S7－200PLC中对数据存储器的编址主要是进行位、字节、字、双字编址。

(1)位编址方式:(存储区域标志符)字节地址、位地址，如I0.1、Q0.2。

(2)字节编址方式:(存储区域标志符)B字节地址，如IB1表示输入继电器I1.0～I1.7这8位组成的字节，QB0表示输出继电器Q0.0～Q0.7这8位组成的字节。

(3)字编址方式:(存储区域标志符)W起始字节地址，最高有效字节为起始字节，如VW0表示由VB0和VB1这两个字节组成的字。

(4)双字编址方式:(存储区域标志符)D起始字节地址最高有效字节为起始字节，如VD100表示由VB100、VB101、VB102、VB103这4个字节组成的双字。

2.S7-200PLC的内部器件(编程元件)

1)输入继电器I

输入继电器I是PLC的输入映像寄存器，用来接收外部控制按钮、开关及各种传感器等的输入信号。S7－200PLC的输入映像寄存器是以字节为单位的寄存器，它的每一位对应一个数字量输入点，CPU一般按位编址来读取一个输入继电器状态，当然也可以按字节、字、双字方式进行编址，如I0.1、IB2、IW2、ID10。S7－200PLC的输入映像寄存器有I0～I15共16个字节单元，因此输入映像寄存器能存储16×8共计128个输入点信息。

2)输出继电器Q

输出继电器Q是PLC的输出映像寄存器。通过输出继电器，将PLC存储系统与外部输出端子相连，用来将PLC的输出信号传递给负载。S7－200PLC的输出映像寄存器是以字节为单位的寄存器，它的每一位对应一个数字量输出点，CPU一般按位编址来读取一个输出继电器状态，当然也可以按字节、字、双字方式进行编址，如Q0.1、QB2、QW2、QD10。S7－200PLC的输出映像寄存器有Q0～Q15共16个字节单元，因此输出映像寄存器能存储16×8共计128个输出点信息。

3)变量寄存器V

S7－200PLC中有大量的变量寄存器，用来存储全局变量、存放数据运算的中间结果。它可以按位、字节、字、双字方式使用。变量寄存器的数量与CPU型号有关，CPU222为V0.0～V2047.7，CPU224/226为V0.0～V5119.7。

4)辅助继电器M

在S7－200PLC中辅助继电器M也称为内部标志位寄存器，它相当于传统的继电器－接触器控制电路中的中间继电器。辅助继电器与外部输入输出端没有任何对应，不能直接驱动外部负载，它用来存储中间操作数或建立输入输出之间复杂的逻辑关系。S7－200PLC的CPU22X系列的辅助继电器的数量为256个(32B，256位)，可按位、字节、字、双字方式使用，如M21.2、MB11、MW12、MD22。

5)特殊继电器SM

在S7－200PLC中特殊继电器SM也称为特殊标志位寄存器，它用于CPU与用户程序之间信息的交换，用这些位可选择和控制PLC的一些特殊控制功能。特殊标志位寄存器可按位、字节、字、双字方式使用。常用的特殊标志位寄存器的功能如下。

SM0.0:运行监控，当PLC运行时，SM0.0接通。

SM0.1:初始化脉冲，首次扫描为1，以后为0。

SM0.2:当RAM中保存的数据丢失时，SM0.2ON一个扫描周期。

SM0.3:PLC上电进入RUN状态时，SM0.3ON一个扫描周期。

SM0.4:分脉冲，其占空比为50%，系周期1min的脉冲串。

SM0.5:秒脉冲，其占空比为50%，系周期1s的脉冲串。

SM0.6:该位为扫描时钟脉冲，本次扫描为1，下次扫描为0，可以作为扫描计数器的输入。

SM0.7:工作方式开关位置指示。开关放置在RUN时为1，PLC为运行状态;开关放置在TERM时为0，PLC可进行通信编程。

SM1.0:当执行某些指令，其结果为0时，将该位置1。

SM1.1:当执行某些指令，其结果溢出或为非法数值时，将该位置1。

SM1.2:当执行数学运算指令，其结果为负数时，将该位置1。

SM1.3:试图除以0时，将该位置1。

其他常用特殊标志继电器的功能可以参见S7－200系统手册。特殊继电器波形图如图7-2所示。

图7-2 特殊继电器波形图

6)状态继电器S

状态继电器S也称为顺序控制继电器，它是使用顺序控制指令编程时的重要元件，可按位、字节、字、双字方式使用，有效编址范围是S0.0～S31.7。

7)定时器T

PLC中的定时器相当于时间继电器，用于延时控制，是对内部时钟累计时间的重要编程元件。通常，定时器的设定值由程序设定，当定时器的当前值大于或等于设定值，定时器位被置1，其常开触点闭合、常闭触点断开。PLC中每个定时器都有1个16位有符号的当前值寄存器，用于存储定时器累计值(1～32767)。S7－200PLC定时器的时基有3种:1ms、10 ms、100ms，有效范围为T0～T255。

8)计数器C

计数器用来对输入脉冲的个数进行累计，实现计数操作。使用计数器时要预设计数的设定值，当输入触发条件满足时，相应计数器开始对输入端的脉冲进行计数，若当前计数值大于或等于设定值，计数器状态位置1，其常开触点闭合、常闭触点断开。PLC中每个计数器都有1个16位有符号的当前值寄存器，用于存储计数器累计的脉冲个数(1～32767)。S7－200PLC计数器有3种类型:加计数器、减计数器、加减计数器，有效范围为C0～C255。

9)高速计数器HSC

高速计数器用来计数比CPU扫描速度更快的高速脉冲，工作原理与普通计数器相同。在这里不作介绍，本章后面有详细介绍。

10)累加器AC

累加器用来暂存数据、计算的中间结果、子程序传递参数等，可以像存储器一样使用读写存储区。S7－200PLC共有4个32位的累加器AC0～AC3，可按字节、字或双字形式存取。以字节或字为单位存取时，累加器只使用了低8位或低16位。

11)局部变量存储器L

局部变量存储器用于存储局部变量。S7－200PLC共有64个局部变量存储器，其中60个可以用在暂时存储器或者给子程序传递参数。如果用梯形图或功能块图编程，STEP7－Micro/win32保留这些局部变量存储器的最后4个字节。如果用语句表编程，可以寻址到全部64个字节，但不要使用最后的4个字节。

12)模拟量输入AI、模拟量输出AQ

其全称为模拟量输入映像寄存器(AI)、模拟量输出映像寄存器(AQ)。模拟量输入电路用以实现模拟量/数字量(A/D)之间的转换，而模拟量输出电路用以实现数字量/模拟量(D/A)之间的转换，PLC处理的是其中的数字量。在模拟量输入/输出映像寄存器中，数字量的长度为1个字长(16位)，且从偶数号字节进行编址来存取转换前后的模拟量值，如0、2、4、6、8。编址内容包括元件名称、数据长度和起始字节的地址。模拟量输入映像寄存器用AI表示、模拟量输出映像寄存器用AQ表示，如AIW10、AQW4等。

PLC对这两种寄存器的存取方式不同之处是，对模拟量输入寄存器只能作读取操作，而对模拟量输出寄存器只能作写入操作。

7.1.2 S7-200PLC的主要技术性能

1.S7-200PLCCPU的技术指标

西门子公司提供多种类型的CPU以适应各种应用，S7－200PLC的CPU系列包括CPU 221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等型号，它们的主要技术性能有所不同，见表7-2。

表7-2 CPU22X的主要技术性能

续表

2.S7-200的扩展模块

输入和输出点是系统与被控制对象的连接点。用户可以使用主机I/O和扩展I/O。S7－200PLC的CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I/O点。有时需要完成过程量控制时，可以扩展模拟量的输入/输出模块。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，S7－200PLC主机可以扩展特殊功能模块。所以S7－200PLC扩展模块包括数字量输入/输出扩展模块、模拟量输入/输出扩展模块和功能扩展模块。典型的输入/输出模块和特殊功能模块有如下几种。

1) 数字量I/O扩展模块

S7－200PLC目前总共可以提供下述几类数字量输入/输出扩展模块。输入扩展模块EM221有3种:8点DC24V输入;16点DC24V输入;8点光电隔离输入，交直流通用，可直接输入交流220V。输出扩展模块EM222有5种:4点DC24V输出，4点继电器输出，8点DC24V输出，8点继电器输出，8点光电隔离晶闸管输出。输入/输出混合扩展模块EM223有6种:分别为4点、8点、16点输入/4点、8点、16点输出的各种组合，3种为DC24V输出，另3种为继电器输出。

2) 模拟量I/O扩展模块

模拟量输入扩展模块EM231有3种:4路模拟量输入，输入量程可配置为4～20m A、0～5V、0～10V、±5V或±10V等;2路热电阻输入;4路热电偶输入。12位精度。模拟量输出扩展模块EM232，具有2路模拟量输出，12位精度。模拟量输入/输出扩展模块EM 235，具有4路模拟量输入和1路模拟量输出(占用2路输出地址)，12位精度。

3)功能扩展模块

功能扩展模块有EM253位置控制模块、EM277PROFIBUS－DP模块、EM241调制解调器模块、CP243－1以太网模块和CP243－2AS－i接口模块等。扩展模块时，通过CPU模块和扩展模块上的扩展电缆把各个扩展模块依次串接起来，形成一个扩展链。在进行最大I/O配置的预算时要考虑以下几个因素的限制:允许的扩展模块数、映像寄存器的数量、CPU为扩展模块所能提供的最大电流和每种扩展模块消耗的电流。

7.1.3 S7-200PLC的工作原理

PLC是采用循环扫描的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC的一个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段。

PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。

PLC在输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式(继电器、晶体管或晶闸管)输出，驱动相应输出设备工作。

7.1.4 系统设计过程及梯形图设计规则

在这里，首先了解PLC系统的设计过程及梯形图的设计规则。在我们学习了PLC的工作原理和指令系统后，就可以结合实际问题进行PLC控制系统的设计，并将其应用于实际。

1.PLC系统设计步骤

1)分析被控对象

分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机电之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必需的保护和连锁等)、操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)。

2)确定输入/输出设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的输入设备(如按钮、位置开关、转换开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)。据此确定PLC的I/O点数。

3)选择PLC

选择PLC的机型、容量、I/O模块及电源。

4)分配I/O点

分配PLC的I/O点，画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的连接图或对应表。(可结合第2步进行)

5)设计软件及硬件

进行PLC程序设计，进行控制柜(台)等硬件及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器－接触器系统必须先设计出全部的电气控制电路后才能进行施工设计。其中硬件设计及现场施工的步骤如下。

(1)设计控制柜及操作面板电器布置图及安装接线图。

(2)设计控制系统各部分的电气互连图。

(3)根据图纸进行现场接线，并检查。

6)联机调试

联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。

7)整理技术文件

技术文件包括设计说明书、电气安装图、电器元件明细表及使用说明书等。

2. 梯形图设计规则

1)触点的安排

梯形图的触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上。

2)串、并联的处理

在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。

3)线圈的安排

不能将触点画在线圈右边，只能在触点的右边接线圈。

4)不准双线圈输出

如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出。

5)重新编排电路

如果电路结构比较复杂，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易。

6)编程顺序

对复杂的程序可先将程序分成几个简单的程序段，每一段从最左边触点开始，由上至下向右进行编程，再把程序逐段连接起来。