第二章 可编程控制器硬件组成及系统特性

1. 第二章 可编程控制器硬件组成及系统特性 • 可编程控制器的产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，功能和结构均有所不同，但工作原理和组成基本相同。西门子（SIEMENS）公司应用微处理器技术生产的SIMATIC可编程控制器主要有S5和S7两大系列。目前，前期的S5系列PLC产品已被新研制生产的S7系列所替代。S7系列以结构紧凑、可靠性高、功能全等优点，在自动控制领域占有重要地位。

2. 目前PLC技术的发展方向主要是朝着小型化、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、及网络化的方向发展，这使得PLC功能更强、可靠性更高，西门子S7系列PLC技术充分体现了这一发展方向。目前PLC技术的发展方向主要是朝着小型化、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、及网络化的方向发展，这使得PLC功能更强、可靠性更高，西门子S7系列PLC技术充分体现了这一发展方向。 SIMATIC主要包括S7 PLCS、M7自动化计算机、C7、SIMATIC NET 工业网络、SIMATIC HMI操作界面、DP分布式I/O设备、SIMATIC PC及PCS7过程控制系统。

3. SIMATIC S7系列可编程逻辑控制器又分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）。 • SIMATIC M7 PLC将AT兼容的计算机的性能引入到PLC，面向计算机用户，把PLC 的功能容入到计算机世界，同时又保持了用户熟悉的编程环境。 • SIMATIC C7系统是PLC（S7-300）和人机操作面板的有机结合。 • HMI人机界面系列主要有文本操作面板TD200，OP3，OP7，OP17等；图形/文本操作面板OP27，OP37等；触摸屏操作面板TP7，TP27-6，TP27-10，TP37等；SIMATIC面板型PC670等。

4. 西门子工业软件分为三个不同的种类： 1）编程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于编程，组态（可集成Protool），模拟和维护的控制所需的工具。 2）基于PC的控制软件包括基于PC而不是传统的PLC的解决方案，使用户的应用或过程自动化。 3）人机接口(HMI)部分为用户自动化项目提供人机接口或SCADA系统，支持大范围的平台。

5. 第一节 S7-200系列微型PLC的组成及性能 S7-200 PLC系列具有极高的性价比，较强的功能使其无论在独立运动中，还是相连成网络皆能完成各种控制任务。它的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制。其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品化工工业、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制等等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X型PLC有CPU221，CPU 222，CPU 224和CPU 226四种基本型号。本节以CPU 224型PLC为重点，分析小型PLC的组成。

6. 一. CPU 224型PLC的组成 小型PLC系统由主机（主机箱）、I/O扩展单元、文本/图形显示器、编程器组成。CPU 224主机的结构外形如图所示。

7. CPU224主机箱外部设有RS-485通讯接口（手持时或PC机）、文本/图形显示器、PLC网络等外部设备；还设有工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示和用户程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。

8. 1.基本I/O CPU 22X型PLC，具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管DC输出两大类。CPU 22X系列PLC可提供4个不同型号的10中基本单元CPU供用户选用，其类型及参数如表8.1所示。 CPU 221集成6输入/4输出共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，6K字节程序和数据存储空间。 CPU 222集成8输入/6输出共14个数字量I/O点，可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O或10路模拟I/O点，6K字节程序和数据存储空间。 CPU 224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O或35路模拟I/O点，13K字节程序和数据存储空间。 CPU 22X系列PLC的特点：CPU 22X主机的输入点为24VDC双向光藕输入电路，输出有继电器和DC（MOS型）两种类型（CPU 21X系列输入点为24VDC单向光藕输入电路，输出有继电器和DC、AC三种类型）。并且，具有30KHZ高速计数器，20KHZ高速脉冲输出，RS-485通讯/编程口，PPI、MPI通讯协议和自由口通讯能力。CPU 222及以上CPU还具有PID控制和扩展的能力，内部资源及指令系统更加丰富，功能更加强大。

9. CPU 22X系列PLC的类型及参数

10. CPU 224外部电路原理图

11. CPU 224主机共有I0.0～I1.5等14个输入点和Q0.0～Q1.1等10个输出点。CPU 224输入电路采用了双向光电藕合器，24V DC极性可任意选择，IM为I0字节输入端子的公共端，2M为I1字节输入端子的公共端。 在晶体管输出电路中采用了MOSFET功率驱动器件，并将数字量输出分为两组，每组有一个独立公共端，共有1L、2L两个公共端，可接入不同的负载电源。

12. 2.主机I/O及扩展CPU 22X系列PLC主机的I/O点数及可扩展的模块数目表

13. 3.高速反应性CPU 224 PLC有6个高速计数脉冲输入端（I0.0～I0.5），最快的响应速度为30KHZ，用于捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号。CPU 224 PLC有2个高速计数脉冲输出端（Q0.0、Q0.1），输出脉冲频率可达20KHZ。用于PTO（高速脉冲束）和PWM（宽度可变脉冲输出）高速脉冲输出。 中断信号允许以及快的速度对过程信号的上升沿做出响应。

14. 4.存储系统 S7-200 CPU存储系统由RAM和EEPROM两种存储器构成，用以存储用户程序、CPU组态（配置）、程序数据等。当执行程序下载操作时，用户程序、CPU组态（配置）、程序数据等由编程器送入RAM存储器区，并自动拷贝到EFPROM区，永久保存。 系统掉电时，自动将RAM中M存储器的内容保存到EEPROM存储器。 上电恢复时，用户程序及CPU组态（配置）自动存RAM中，如果V和M存储区内容丢失时，EEPROM永久保存区的数据会复制到RAM中去。 执行PLC的上载操作时，RAM区用户程序、CPU组态（配置）上装到个人计算机（PC），RAM和EEPROM中数据块合并后上装PC机。

15. 5.模拟电位器 模拟电位器用来改变特殊寄存器（SM32、SM33）中的数值，以改变程序运行时的参数，如定时、计数器的预置值，过程量的控制参数等。 6.存储卡 该卡位可以选择安装扩展卡。扩展卡有EEPROM存储卡、电池和时钟卡等模块。EEPROM存储模块，用以用户程序的拷贝复制。电池模块，用以长时间保存数据，使用CPU 224内部存储电容数据存储时间达190小时，而使用电池模块存储时间可达200天。

16. 二、S7-200系列微型PLC的性能

17. 第二节 S7-300系列PLC的组成及编址 一、S7-300系列PLC的组成 S7-300的主要组成部分有导轨、电源模板、中央处理单元CPU模板、接口模板、信号模板、功能模板等。 通过MPI(MultiPoint Interface多点接口)网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其他S7 PLC相连。 导轨是安装S7-300各类模板的机架，安装时，只需简单地将模板，钩在导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。电源模板、CPU及其他信号模板都可方便地安装在导轨上。S7-300采用背板总线的方式将各模板从物理上和电气上连接起来。

18. 除CPU模板外，每块信号模板都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模板并固定导轨上，然后依次将各模板装入。除CPU模板外，每块信号模板都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模板并固定导轨上，然后依次将各模板装入。 电源模板PS307输出24V DC，它与CPU模板和其他信号模板之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。 • 中央处理单元CPU模板有多种型号，如CPU 312 IFM，CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU 315-2 DP等。CPU模板除完成执行用户程序的主要任务外，还为S7-300背板总线提供5V直流电源，并通过MPI多点接口与其它中央处理器或编程装置通信。

19. 信号模板SM是不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配，主要有数字量输入模板SM321、数字量输出模板SM322、模拟量输入模板SM331、模拟量输出模板SM332。每个信号模板都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模板的前连接器上。特别指出的是其模拟量输入模板独具特色，它可以接入热电偶、热电阻、4-20Ma电流、0-10V电流等18种不同的信号，输入量程范围很宽。信号模板SM是不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配，主要有数字量输入模板SM321、数字量输出模板SM322、模拟量输入模板SM331、模拟量输出模板SM332。每个信号模板都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模板的前连接器上。特别指出的是其模拟量输入模板独具特色，它可以接入热电偶、热电阻、4-20Ma电流、0-10V电流等18种不同的信号，输入量程范围很宽。 功能模板FM主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务。例如快进给和慢进给驱动定位模板FM351、电子凸轮控制模板FM352、步进电机定位模板FM353、伺服电机位控模板FM354、智能位控制模板SINUMERIK FM-NC等。

20. 二 . S7-300系列PLC的编址 S7-300模板插槽地址

21. I/O地址组态-数字量(数字量默认地址)

22. I/O地址组态-模拟量(模拟量默认地址)

23. 第三节 S7系列PLC的寻址方式 S7-200将信息存于不同的存储单元，每个单元有一个唯一的地址，系统允许用户以字节、字、双字为单位存、取信息。提供参与操作的数据地址的方法，称为寻址方式。S7-200数据寻址方式有立即寻址方式、直接寻址和间接寻址三大类。立即寻址的数据在指令中以常数形式出现，直接寻址和间接寻址方式有位、字节、字和双字4中寻址格式

24. 1.直接寻址方式 直接寻址方式是指在指令中直接使用存储器或寄存器的元件名称和地址编号，直接查找数据。数据直接寻址指的是，在指令中明确指出了存取数据的存储器地址，允许用户程序直接存取信息。 数据的直接地址包括内存区域标志符，数据大小及该字节的地址或字、双字的起始地址，以及位分隔符和位。其中有些参数可以省略，详见图中说明。

25. 位寻址举例 可以进行位操作的元器件有：输入映像寄存器（I），输出映像寄存器（Q），内部标志位（M），特殊标志位（SM），局部变量存储器（L），变量存储器（V），状态元件（S）等。 字节、字、双字操作，直接访问字节（8BIT）、字（16BIT）、双字（32BIT）数据时，必须指明数据存储区域、数据长度及起始地址。当 数据长度为字或双字时，最高有效字节为起始地址字节。

26. 2. 间接寻址方式 间接寻址是指使用地址指针来存取存储器中的数据。使用前，首先将数据所在单元的内存地址放入地址指针寄存器中，然后根据此地址存取数据。S7—200 CPU中允许使用指针进行间接寻址的存储区域有I、Q、V、M、S、T、C。 建立内存地址的指针为双字长度（32位），故可以使用V、L、AC作为地址指针。必须采用双字传送指令（MOVD）将内存的某个地址移入到指针当中，以生成地址指针。指令中的操作数（内存地址）必须使用“ &”符号表示内存某一位置的地址（32位）。

27. 使用指针间接寻址 例：MOVD &VB200，AC1 //将VB200在存储器中32位地址值送AC1。 VB200是直接地址编号，&为地址符号，将本指令中&VB200改为&VW200或VD200，指令功能不变。 间接寻址（用指针存取数据）：在使用指针存取数据的指令中，操作数前加有*时表示该操作数为地址指针。 例：MOVW *AC1，AC0 //将AC1作为内存地址指针，把以AC1中内容为起始地址的内存单元的16位数据送到累加器AC0中.