可编程序控制器

1. 可编程序控制器 主讲：张波

2. 第三章 S7-200系列PLC软元件结构 PLC可等效为由多个输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、寄存器、内部辅助继电器和一些特殊功能继电器等软元件组成的集合体

3. 3.1 S7-200系列PLC存储空间及地址分配 3.1.1　存储器与存储空间 3.1.2　数据存储空间 3.1.3　数据空间地址分配方法 返回本章首页

4. 3.1.1　存储器与存储空间 • S7-200所用的内部存储器分EEPROM和RAM两种。 • 主要功能： • 为PLC提供程序存储空间（存储监控程序和应用程序）、参数存储空间（存储相关参数）和数据存储空间（存储数据）。 • 为PLC提供内部软元件。PLC内部的每一个软元件对应着EEPROM或RAM参数空间或数据空间中的一个位（bit）、一个字节（byte）用B表示、一个字（word）用W表示、双字（double word）用D表示。

5. 存储空间分为程序空间、参数空间和数据空间。存储空间分为程序空间、参数空间和数据空间。 • 程序空间用于存放监控程序和用户程序。该空间分配给程序存储器EEPROM • 参数空间用于存放PLC配置结构参数和区域参数等。如保护口令、PLC站地址、停电记忆保护区、强制操作的信号设定等。PLC内部的部分软元件也属于此空间，该空间分配给存储器EEPROM • 数据空间用于存放PLC的输入信号、程序执行的中间状态、计时值、计数值、输出结果和PLC所用的内部工作寄存器、部分软元件等。数据一部分在EEPROM中，一部分在RAM中。

6. 3.1.2　数据存储空间 S7-200的数据空间分为数字量空间和模拟量空间 • 开关量输入的数据存入数字量空间的输入映像寄存器中，该区定义为I； • 开关量输出的数据存入数字量空间的输出映像寄存器中，该区定义为Q； • 模拟量输入的数据存入模拟量空间的模拟量输入区，该区定义为AI； • 模拟量输出的数据存入模拟量空间的模拟量输出区，该区定义为AQ；

7. 数据空间还包括： • 内部标志位寄存器（M） • 内部特殊标志继电器（SM） • 内部变量存储器（V） • 局部变量存储器（L） • 计时器（T） • 计数器（C） • 顺序控制寄存器（S） • 高速计数器（HSC） • 累加器（AC）

8. 3.1.3　数据空间地址分配方法 • S7-200PLC数据存储空间分为： • 输入地址 • 输出地址 • 内部地址 • 每一类地址分为 • 数字量空间 • 模拟量空间

9. S7-200PLC采用“字节位”编址规则，即“识别符＋字节地址＋小数点＋位号”S7-200PLC采用“字节位”编址规则，即“识别符＋字节地址＋小数点＋位号” • 识别符：用于区别地址类型和存储器空间区域。如I数字量输入、Q数字量输出、SM特殊标志寄存器。 • 字节地址：用于指定存储器空间中的字节、字、双字或起始地址。如IB0、MW10、VD100等。 • 小数点：用于分割字节地址和该字节的位号。 • 位号是表示该字节中的某一位，它是0－7之间的某个数。如I2.0、Q3.4、M8.2、SM6.7

10. 1、输入地址编码 S7-200PLC输入地址包括： • 基本单元的数字量输入地址 • 扩展单元的数字量输入地址 • 扩展单元的模拟量输入地址 每个扩展模块的地址由其类型在I/O链上的位置决定，并以基本单元的I/O位起点开始分配 （1）数字量输入地址 S7-200PLC开关量输入以8点（1个字节）为组进行分配，数字输入地址的识别符为I，每一个输入点对应于输入映像寄存器（IB）中的每个位。

11. （2）模拟量输入地址 S7-200PLC基本单元不带模拟量输入，可以采用扩展方式连接模拟模块来扩展模拟通道的。 模拟量输入是以每一路为组进行分配，模拟量输入地址识别符为AI。每一路模拟量输入占2个字，但实际只使用1个字，地址编号为AIW，对应输入映像寄存器AIB。 模拟通道的地址编号不是连续的，每一路模拟量虽只用1个字，但占用两个字的连续编号空间。 每一路模拟量输入转换的分辨率都为12位，其数据存入对应的输入映像寄存器AIB的两个字节中。如AIW0模拟量输入转换后的12位数据被存入AIB0和AIB1中，AIB1存入的是低8位，AIB0的低4位存入的是转换后数据的高4位。AIB0中的高4位用户不能使用。

12. 2、输出地址编号 S7-200PLC输出地址包括： • 基本单元的数字量输出地址 • 扩展单元的数字量输出地址 • 扩展单元的模拟量输出地址 （1）数字量输出地址 S7-200PLC开关量输出以8点（1个字节）为组进行分配，数字输出地址的识别符为Q，每一个输入点对应于输出映像寄存器（QB）中的每个位。输出映像寄存器的未用位可作为内部标志位使用。

13. （2）模拟量输出地址 S7-200PLC基本单元不带模拟量输出，也采用扩展方式连接模拟模块来扩展模拟通道的。模拟量输出是以每一路为组进行分配，模拟量输出地址识别符为AQ。每一路模拟量输出占2个字，但实际只使用1个字，地址编号为AQW，对应输入映像寄存器AQB。 3、内部软元件地址编号 S7-200内部软元件地址编号方法按其功能分类，以其功能名称定义，并对各个位进行编址。

14. 3.2 S7-200PLC内部软元件 • S7-200PLC内部软元件分布在参数空间和数据空间中，它们的功能是相互独立的。 • 有固定地址，其地址编号采用八进制数码。

15. 3.2.1 I/O软继电器 I/O软继电器是PLC与控制系统连接的等效接口器件。输入软继电器接收控制系统的输入信号，输出软继电器给控制系统输出控制信号。 1、输入软继电器 S7-200PLC的每一个输入端子对应内部的一个输入软继电器，定义为输入继电器I。 地址分配采用“字节位”编制方式。 功能：相当于一个具有无限次常开/常闭触点的继电器，用来接收从外部敏感元件或开关元件发来的信号。 输入软继电器只能由外部信号驱动，不能由程序控制改写，其触点也不能直接输出带动负载。

17. 2、输出软继电器 • S7-200PLC的每一个输出端子对应内部的一个输出软继电器，定义为输出继电器Q • 地址分配采用“字节位”编制方式。 • 功能：输出软继电器的对外输出触点直接接到输出端子，控制外部负载，其内部的软触点使用次数不限。 • 输出软继电器实际是通过输出映像寄存器中的相应位对PLC输出端子进行控制，它只能由程序内部指令来驱动，使其触点接通或断开，因此它只有一个触点能对外直接输出带动负载 • 输出软继电器有无数个内部常开/常闭触点供编程使用。

18. 3、I/O软继电器工作过程 • 输入软继电器接收PLC输入端子的状态信号，在每个程序扫描周期开始时被采样，采用结果存入输入映像寄存器， • 在程序执行阶段，CPU对输入或输出的操作实际是对内部输入或输出映像寄存器的操作，并不直接涉及输入或输出端点及软继电器，即在程序执行阶段，I/O软继电器的状态保持不变。 • 最后，输出映像寄存器的内容被传送给输出软继电器，输出软继电器将其触点状态传送到输出端子。 • 在程序执行阶段，PLC使用I/O映像寄存器作为I/O软继电器的暂存缓冲器。

19. 程序执行有如下特点： 程序在扫描开始时同步采样所有输入点并存入输入映像寄存器。 • 一方面可使输入映像寄存器内容不变，从而保持被控制系统获得更好的稳定性。 • 另一方面由输入软继电器及时接收外部端子输入信号的变化，从而保证对控制信号的实时采样。 程序执行完毕后，CPU从输出映像寄存器取出内容，一次性刷新所有输出继电器，同时改变所有实际输出端子状态，使被控制系统有更好的同步性。 I/O点软继电器只能以位为单位进行读入或输出，映像寄存器能以位、字节、字或双字进行存取，具有更好的灵活性；而且存取映像寄存器的速度高于存取I/O点的速度，程序执行得更快。 可以使用直接I/O指令对输入软继电器和输出软继电器进行存取。

20. 3.2.2 变量寄存器（V） 主要用于模拟量控制、数据运算、参数设置等。可按位、字 节、字或双字操作。分为一般变量寄存器和断电保护变量寄存器。 分布在数据空间的RAM中，可进行读写操作。 所有变量寄存器统称位数据块1（DB1），其内容通过对PLC的数据装载操作在EEPROM和RAM中互相复制。 • PLC在每次通电后，先检查RAM中DB1的数据是否丢失。 • 若RAM正被超级电容进行保持，则EEPROM 中DB1非保持的部分内容被复制到RAM的非保持变量寄存器中； • 若RAM未被超级电容进行断电保持，则EEPROM 中整个DB1的映像内容都被复制到RAM中。 • PLC在每次上电时都要恢复DB1非保持变量寄存器的内容，其他内容只是在数据丢失时才会从EEPROM 中复制恢复。

21. 3.2.3 内部标志位寄存器（M） • 也称为内部软继电器或中间辅助继电器。为程序执行的中间状态或其他控制信息提供信息暂存区。不能直接驱动外部负载。 • 可以以位、字节、字或双字为单位使用。 • CPU22X系列有256个，编号是M0.0-M31.7。其中MB0-MB13是断电永久保护区，其内容每次掉电时会自动保存。

22. 3.2.4 特殊标志位寄存器（SM） • 提供大量的状态和控制功能，并能起到在PLC和用户程序之间交换信息的作用。可以以位、字节、字或双字为单位使用。S7-200系列的CPU22X有SM0-SM299的非连续的特殊标志寄存器，并分为只读区域（SM0-SM29）和可读写区域（SM30-SM299）。编号为SM0.0-SM299.7。

23. 3.2.5 局部寄存器（L） • 存放局部变量，有64个字节的局部寄存器。地址编码为LB0.0-LB63.7可进行位、字节、字或双字访问。 • 其中60个可用作暂时存储器或者给子程序传递参数

24. 局部寄存器与变量寄存器的区别： • 变量寄存器是全局有效，可以被任何程序存取（如主程序、子程序、中断程序）局部寄存器是局部有效，只能在特定程序中存取。 • PLC分别给主程序、各级子程序嵌套和各中断程序分配64个局部寄存器，各级子程序和各中断程序不能访问主程序的局部寄存器，各级子程序和各中断程序也不能互访对方的局部寄存器。 • 在执行主程序时，分配给子程序和中断程序的局部寄存器是不存在的，即此时局部寄存器不起作用。 • 当执行子程序和中断程序时，分配给它们的局部寄存器才被使用。 • 局部寄存器在分配PLC时不进行初始化，初值可能是任意的。 • 局部寄存器在传递参数过程中不接收值。 • 当子程序调用过程中传递参数时，在被调用子程序的局部寄存器中，由CPU代替被传递的参数。

25. 3.2.6 定时器(T)和计数器(C) 1、定时器（T） • 用来累计时间增量的寄存器 • CPU22X提供256个定时器。地址编码为T0-T255。1ms定时器4个、10ms定时器16个、100ms定时器236个、66个定时器有断电保持功能。每个定时器有1个当前值寄存器和一个状态位。 • 带位操作的指令存取定时器状态位，带字操作的指令存取定时器当前值。分为接通延时定时器（TON）、有记忆接通延时定时器（TONR）和断开延时定时器(TOF)

26. 2、计数器（C） • 用来累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。 • CPU22X提供256个定时器，地址编码为C0-C255，每个计数器占用1个字。每个计数器有1个当前值寄存器和一个状态位。 • 带位操作的指令存取计数器状态位，带字操作的指令存取计数器当前值。计数指令包括：加计数(CTU)、减计数(CTD)和加/减计数(CTUD)。任何计数器可用指令定义位加或减计数器。

27. 3.2.7 高速计数器(HSC) • 用于记录频率比PLC扫描速度更快的外部输入脉冲信号。对扫描处理程序不能检测的外部事件进行计数。 • CPU224和CPU226有6个，地址编号为HSC0-HSC5；CPU221和CPU222有四个，地址编号为HSC0、 HSC3、 HSC4、 HSC5。 • 每个高速计数器具有一个带符号的32位计数值（或称当前值）。当直接存取高速计数器的当前值时，一般只可以读取，而且对当前值必须以双字为单位进行存取。 • HSC0和HSC4是多用途计数器，HSC3和HSC5是简单用途计数器，只有单相时钟输入操作模式。 • 通过设置SMB36-SMB65相应位可对HSC0、 HSC1、 HSC2的操作模式进行控制。通过设置SMB131-SMB165相应位可对HSC3、 HSC4、 HSC5的操作模式进行控制。

28. 3.2.8 累加器(AC) 3.2.8 累加器 • 可进行读/写操作 • 可向子程序传递参数、从子程序返回参数，或用来存储计算的中间值。 • 有中断请求时，PLC保存中断发生前的累加器内容，用户可放心地在中断程序中使用累加器，不必担心丢失累加器原有内容。 • 不能利用累加器在主程序和中断程序之间传递参数。 • S7-200PLC提供4个累加器AC0-AC3。每个累加器占1个双字。可以字节、字、双字为单位进行存取操作。 • 以字节或字为单位存取累加器时，使用累加器的低8位或低16位。

29. 3.2.9 顺序控制软继电器（S） • 用于组织PLC操作或进入等效程序的起步 • S7-200有32个顺序控制继电器。 • 地址编号位S0.0-S31.7 • 可按位、字节、字、双字来存取。 软件表见P58表3.10

30. 3.3 S7-200PLC其他功能 3.3.1 中断功能 3.3.2 自由口通信功能 3.3.3 输入信号滤波与捕捉功能

31. 3.3.1 中断功能 • CPU221和CPU222有相同的中断类型和中断个数。 • 4个可编程I/O事件中断输入，对应硬件I0.0-I0.3输入端点，由信号上升沿或下降沿触发中断，产生中断请求。 • 4个高速计数器HSC0-HSC3都具有中断请求功能，当计数器达到设定值时可发出中断请求。输入可接到I0.0-I0.5中的某个输入端点。计数信号频率不得超过30kHz • 2个脉冲输出中断，对应硬件Q0.0-Q0.1输出端点，其脉冲宽度和频率可调，最大输出频率位20kHz • 2个1ms定时器中断 • 3个串行通信中断（2个接收中断和1个发送中断） • CPU224 比CPU222和CPU222多2个高速计数器中断。 • CPU226比CPU224多2个串行通信中断。

32. 3.3.2 自由口通信功能 • PLC的串行通信接口具有自由通信功能。通过用户程序设置波特率、字符长度、奇偶校验等通信参数和通信协议。 • CPU处于RUN模式时才能实现自由口通信。 • CPU处于STOP模式时自由口被禁止，通信口转换为PPI协议操作。 • SM0.7控制通信口进入自由口方式，它对应PLC模式开关的位置。当模式开关在TERM位置时， SM0.7为0；当模式开关在RUN位置时，SM0.7为1。 • SMB30和SMB130为自由口通信选择波特率、奇偶校验等。 • 在通信过程中，如果检测到校验奇偶出错，则SM3.0被置为。当发送结束时，SM4.5被置位。 • 为了灵活支持多种通信协议，自由口通信的接收是在接受中断控制时完成的，自由口每接收一个字符就产生一次中断，被接收的字符存入SMB2中。

33. 3.3.3 输入信号滤波与捕捉功能 S7-200 CPU为每个主机数字量输入提供了脉冲捕捉功能，它可以使主机能够捕捉小于一个扫描周期的短脉冲，并将其保持到主机读到这个信号，但前提是只有通过滤波器后，脉冲捕捉才有效。此外，在一个给定的扫描周期内如果有不只一个脉冲，则只有第一个脉冲可以被捕捉到，几种情况下的脉冲捕捉波形如图所示。

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