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s7-200系列PLC硬件结构
可编程序控制器主讲：张波本章学习目的本章以西门子公司生产的S7-200系列小型可编程 序控制器为例，介绍具体型号的PLC，内容包括： ? S系列PLC发展概述 ? S7-200 可编程序控制器的系统组成 ? 编程元件及程序知识 ? 相关设备 ? 常用工业软件返回本章首页第2章 S7-200系列PLC系统硬件结构2.12.2 2.3 3 2.4 S系列PLC发展概述 S7-200系列PLC基本单元 S7-200系列PLC扩展模块 相关设备2.5 3工业软件2.1 S系列PLC发展概述? 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子 和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制 器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器 是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。 ? 在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器 中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后 在20世纪末又推出了S7系列产品。 ? 最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、 SIMATIC M7和 SIMATIC C7等几大系列。返回本章首页从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200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CPU 21X，主机都可进行扩 展，它具有四种不同结构配Z的CPU单元：CPU 212， CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不 再作具体介绍。 ? 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，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Z的CPU单元：CPU 221，CPU 222， CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩 展模块。4种CPU各有晶体管输出和继电器输出 ，具有不同电源 电压和控制电压。各类型型号如表2.1所示表2.1 CPU型号SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性 如表2.2所示。表2.2 主机及I/O特性SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图2.1所示。计算机 工业软件CPU 主机EM1 扩展 模块EM2 扩展 模块EMn 扩展 模块T D200 文本 显示器T P系列触摸屏通信 及网络设备其他 设备图2.1S7-200基本构成系统基本构成 1. 硬件 （1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块（4）相关设备2. 工业软件工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套 的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、 运行软件和人机接口等几大类构成。2.2S7-200 PLC系统组成? 2.2.1 ? 2.2.2 ? 2.2.3 ? 2.2.4 ? 2.2.5基本单元特点 基本单元I/O CPU工作方式 基本单元工作电源 基本单元模拟电位器? 2.2.6 基本单元通信接口返回本章首页2.2.1基本单元特点S7-200系列PLC在硬件上采用固定式结构和扩展式结构 相结合的方式。固定式结构的硬件即基本单元，扩展式结 构的硬件即基本单元扩展的模块。 SIMATIC S7-200系统 CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图2.2所示：顶部端子盖 电 源及输出端子CPU状态显示存储器卡前盖 方式开关 、 电位器、扩展I/O连接底部端子盖 输入端子、传感器电源通信口图2.2 基本单元物理结构? LED指示灯显示CPU工作模式（运行或停机）、本机I/O口的当前状态及CPU 系统是否出错。? 存储卡：EEPROM卡，可存储CPU程序，也可将一个CPU中的程序传送到另一 个CPU中。 ? 通信口：是S7-200CPU同编程器或其他辅助设备连接的接口，CPU通过它可 和其他辅助设备进行数据通信。 ? 电源端子：接受外部电源。为CPU及所连接任何扩展模块提供电源? 输出端子：输出控制信号，控制被控对象。? RUN/STOP为PLC工作方式选择开关。 ? 扩展I/O连接：是基本单元那与扩展模块的接口，通过它可增加CPU的I/O点 数。? 输入端子：接收来自控制系统现场设备的输入信号。? 传感器电源端子：作为传感器的电源使用，也可输出24v直流电源供控制系 统使用。CPU22x基本单元特性见P25表2.1。2.2.2基本单元的I/O?PLC的输入点接收来自现场设备信号，输出点输出 控制信号给被控对象。 ?每种CPU最多可加的扩展模块数是不同的，所以最 大I/O点数也不等。每种CPU基本单元允许的数字量 I/O逻辑空间（映像寄存器个数）都是128个输入位 和128个输出位，它们与CPU实际允许的最大I/O点 数是不等的。每种CPU的基本单元允许的模拟量I/O 逻辑空间（模拟量映像寄存器个数）与它们实际允 许的最大模拟量I/O点数也是不等的。?输入分为直流输入和交流输入? 直流输入：NPN型晶体管输入和PNP型晶体管输入 ? 交流输入；120V交流信号?输出分为直流24v晶体管输出、直流/交流继电器输 出 和交流可控硅输出数字量输出接口按照输出开关器件的种类不同，可分为： ? 晶体管输出方式（只能带直流负载，属直流输出） ? 可控硅输出方式（只能带交流负载，属交流输出） ? 继电器输出方式（交直流负载都可，属交/直流输出） 按照负载使用的电源不同，分为 ? 直流输出 ? 交流输出 ? 交/直流输出1、输入接口 （1）直流输入接口：PNP接收负信号，NPN接收正信号。24V DC PNP型24V DC NPN型（2）交流输入接口：120V AC输入接口2、输出接口：为数字量，将PLC内部的电平信号转换为外部所需 电平，输出给外部负载。 （1）晶体管输出晶体管输出原理电路图(2) 可控硅输出可控硅输出原理电路图继电器输出原理电路图(3) 继电输出3、I/O扩展 扩展模块I/O点的地址由I/O类型及模块在I/O链中的位置 决定。数字量扩展模块以一个字节（8位）地址递增方式保留 映像寄存器空间。模拟量扩展模块是以两个字节递增方式来分 配空间。如果映像寄存器保留空间字节的某些位没有扩展模块 实际物理点与其对应，这些未用的位就不会分配给I/O链中的 后续模块。对于输入模块，由于每次输入刷新时都把保留字节 的未用位清0，所以这些未用位不能用作内部存储器的标志位。 对于输出模块，保留字节中的未用位可象内部存储器的标志位 那样使用。例如，某一控制系统选用CPU 224，系统所需的输入输出点数各为：数字量输入 24点、数字量输出20点、模拟量输入6点、模拟量输出2点。本系统可有多种不同 模块的选取组合，表3.6所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。? 若按表3.6的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式 也可以有多种，图2.3所示为其中的一种模块连接形式。主机 CPU224模块1 EM221 DI8X DC24V模块2 EM222 DO8X DC24V模块3 EM235 AI4/AQ1 X12位模块4 EM223 DI4/DQ4 XDC24V /继电器模块5 EM235 AI4/AQ1 X12位图2.3 扩展连接图2.2.3 1. 工作方式选择CPU工作方式S7-200 CPU有RUN模式和STOP模式。 ? （1）STOP模式：CPU处于停机方式，不执行用户程序，但可 以向CPU装载程序配置CPU参数。 ? （2）RUN模式： 运行方式，CPU执行用户程序。 ? （3）TERM（终端）模式：由编程设备决定工作方式 ? （4）在基本单元上有SF、RUN、STOP3个指示灯，分别用于 显示CPU的工作状态。 ? SF红色指示灯亮表示系统故障，PLC停止运行 ? RUN绿色指示灯亮表示CPU处于运行状态 ? STOP黄色指示灯表示CPU处于停机状态返回本章2.工作过程描述 ? S7-200CPU以循环扫描方式连续执行用户程序，在一个扫描周 期中，CPU主要进行信号读入、程序执行（包括通信处理、自 诊断测试）、对外输出等操作。 ? （1）信号读入： ? （2）执行程序： ? 若使用直接I/O指令，则允许控制控制程序对输入输出点直 接存取和输出。 ? 中断程序 ? 通信请求 ? CPU进行自诊断测试 ? （3）对外输出一个扫描周期写输出读输入执行程序 执行 CPU 自诊断 处理通信请求图2.4 CPU的扫描周期2.2.4 基本单元工作电源 S7-200基本单元使用24VDC或120V－230V AC两种供电电源。 频率可变化范围47-63Hz。 ? 1、电源设计 ? 基本单元内部采用开关电源，并输出24V直流传感器电源 和5V直流电源供基本单元I/O点和扩展模块使用。 ? 各CPU所能提供的最大5VDC电流如表3.4所示。CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表3.5所示。2、控制系统电源计算 ? 该系统要求采用CPU224AC/DC/继电器基本单元，配置3个 EM223（DI8/DO8继电器）和一个EM221(DI8),共4个扩展模块。 CPU224有DI14/DO10，因此系统共配置DI46/DO34。 ? CPU224基本单元所能提供的5V直流电源的额定电流是660mA， 24V直流电源的额定电流是280mA ? 一块EM223需5V直流电源的电流是80mA ? 一块EM221需5V直流电源的电流是30mA ? 系统需5V直流电源的电流总和是80X3+30=270mA，即基本单 元提供的5V直流电源能满足系统要求。? CPU224基本单元、EM223和EM221每个输入点需吸入24V直流电 源的电流为4mA ? EM223每个输出点继电器线圈需要所需24V直流电源的驱动电 流为9mA ? 系统需24V直流电源的电流总和为46X4+24X9=400mA ? 基本单元提供的280mA的 24V直流电源不能满足系统要求，系 统需提供额外的120mA的24V直流电源。 ? 注意：基本单元的24V直流电源与外部24V直流电源并联使用 时会导致两个电源竞争而影响它们的各自的输出，使PLC产生 不正确的操作。因此，使用外部24V直流电源时，应使S7-200 基本单元的24V直流电源与外部24V直流电源在不同点上供电， 但要有相同的参考地。2、输出端点电源保护?晶体管输出保护电路 ?继电器DC输出保护电路 ?继电器AC输出保护电路2.2.5基本单元模拟电位器PLC不同型号的基本单元所具有的模拟电位器的个数 不同，但分辨率都是8位，数值范围为0~256。CPU221、 CPU222个有一个，对应特殊标志寄存器SMB28， CPU224、CPU226个有两个，对应于SMB228、 SMB229。调节模拟电位器的旋钮直接修改特殊标志寄存 器的数值，SMB228中的值代表模拟电位器0所提供的电 压大小，SMB229中的值代表模拟电位器1所提供的电压 的大小。2.2.6基本单元通信接口? S7-200系列PLC基本单元都带有RS-485通信接口。? 1、点对点通信方式：单主站连接一个或多个从站的通信方式。通信波特率固定为9600bps。将PC或TD200作为主机，可最多对 连接在公共线上的31台PLC基本单元进行操作和控制，但两台PLC 之间不能通过PPI接口方式直接通信。 ? 2、多点接口通信方式：包括单主站连接一个或多个从站和单主 站连接一个或多个主站的两种通信方式。多点通信总是在两个相 互独立的通信设备之间建立联系。另一个主站不能干扰两个设备 之间已建立号的连接。 ? 3、自由口通信方式：由用户通过程序来自由选择S7-200CPU通信 协议的一种通信方式。（PPI协议、MPI协议、PROFIBUS协议）2.3S7-200系列PLC 扩展模块2.3.1. 扩展模块 2.3.2 扩展模块工作电源2.3.1 扩展模块图2.5 I/O扩展示意图1.数字量I/O扩展模块 ?（1）映像寄存器数量 ?（2）电流提供 ?（3）模块电流 ?（4）电流预算规则 2.模拟量I/O扩展模块 3.现场总线PROFIBUS-DP扩展模块 4.执行器/传感器接口CP243-2 具体扩展模块参考教材P37表2.42.4S7-200系列PLC辅助设备1. 编程器 PG702简易型手持式编程器 微型计算机编程器 2. 文本显示器 TD2003. 程序存储卡 （1）存储系统个人计算机CPU用户程序CPU 组态用户程序V 存储器 M 存储器定时器和计 数器当前值CPU 组态 V 存储器 M 存储器 EPROM存储器卡RAM图2.6 存储系统表2.3 存储容量（2）存储器及使用 若PLC通电后再插入程序存储卡，可将PLC中的内容复制到卡 上；若先插卡再通电，则卡上的数据自动复制到PLC中。高型号 CPU可读出低型号CPU的程序存储卡，反之不能。 （3）存储安全 1）主机CPU模块内部配备的EEPROM，上装程序时，可自动装 入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。 2）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份到EEPROM存储 器。4. 锂电池卡及断电保护设计了超级电容和锂电池两种双重停电保护装置。 超级电容器可使RAM中的程序和数据在断电后保持几天之 久。CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器 中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延 长数据所存的时间。2.5主机性能指标S7-200 22X各主机主要技术性能指标如表3.7所示。返回本节
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第4章 S7-200 PLC的系统配置与接口模块
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第4章 S7-200 PLC的系统配置与接口模块
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一、西门子PLC简介
下表介绍了西门子系列PLC的种类、应用环境和特点，图为西门子系列几种常见的PLC。
S7系列PLC根据控制规模（即输入/输出点数的多少）的不同，分成3个子系列：S7-200、S7-300和S7-400。S7-200系列PLC是一种小型PLC，其功能具有大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的价格一样，因此，它一经推出，便受到了广泛的关注。特别是S7-200 CPU22X系列PLC（它是S7-200 CPU21X系列的替代品），它具有多种功能模块和人机界面可供选择，可以很容易地组成PLC网络，同时它还具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，以及极丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性等。采用S7-200 CPU22X系列PLC来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。S7-300和S7-400系列分别是大、中型PLC，它们完全可以替代西门子早期的S5-11X系列PLC,S7系列PLC的编程均使用STEP7编程软件。
二、S7-200系列PLC的构成
S7-200系列PLC的基本构成模块包括PLC主机、编程设备、人机界面和根据实际需要增加的扩展模块。PLC本身包含一定数量的I/
O端口，同时还可以扩展各种功能模块。故S7-200系列PLC可以
单机运行，也可以扩展输入/输出，还可以连接功能扩展模块。S
7-200系列PLC主机外观及基本构成分别如图所示。
2.1 PLC主机
PLC主机可以单独完成一定的控制任务，它包括CPU模块、基本输入/输出和电源3部分，其中CPU模块是PLC主机的主要部分。CPU模块包括中央处理单元、电源和数字I/O点，这3部分都集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU模块负责执行程序，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输入部分从现场设备中采集信号，这些采集信号经过CPU模块执行程序处理，处理后得到的信号传送给输出部分，此时输出部分则输出控制信号控制工业过程中的设备。下面主要介绍CPU模块。
S7-200的CPU模块共有两个系列：CPU21X和CPU22X。CPU21X系列包括CPU212、CPU214、CPU215和CPU216；CPU22X系列包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM。由于CPU21X系列属于S7-200的第一代产品，这里不再做具体介绍。
（1）CPU221
CPU221具有6输入/4输出，共10个数字量I/O点，无I/O扩展能力，有6 KB的程序和数据存储区空间，还具有4个独立的30 kHz的高速计数器、两路独立的20 kHz的高速脉冲输出、1个RS-485通信/编程口、点对点接口（Point to Point Interface,PPI）通信协议、多点接口（Multi Point Interface,MPI）通信协议和自由通信口。它非常适合于I/O点数少的控制系统。
（2）CPU222
CPU222具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点，可连接两个扩展模板，最大可扩展至78个数字量I/O或10路模拟量I/O。具有6 KB的程序和数据存储区空间、4个独立的30 kHz的高速计数器、两路独立的20 kHz的高速脉冲输出、PID控制器、1个RS-485通信/编程口、点对点接口通信协议、多点接口通信协议和自由通信口。
（3）CPU224
CPU224具有14输入/10输出，共24个数字量I/O点，可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至168个数字量I/O或35路模拟量I/O，组成的I/O端子排可以很容易地整体拆卸。具有13 KB的程序和数据存储区空间、6个独立的30 kHz的高速计数器、两路独立的20 kHz的高速脉冲输出、PID控制器、1个RS-485通信/编程口、点对点接口通信协议、多点接口通信协议和自由通信口。
（4）CPU226
CPU226具有24输入/16输出，共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模板单元，最大可扩展至248个数字量I/O或35路模拟量I/O，组成的I/O端子排可以很容易地整体拆卸。具有13 KB的程序和数据存储区空间、6个独立的30 kHz的高速计数器、两路独立的20 kHz的高速脉冲输出、PID控制器、两个RS-485通信/编程口、点对点接口通信协议、多点接口通信协议和自由通信口。
（5）CPU226XM
与CPU226相比，CPU226XM除了程序和数据存储区空间由13 KB增加到26 KB外，其余功能不变。
2.2扩展模块
为了扩展I/O点和执行特殊的功能，S7-200系列PLC可以连接扩展模块（CPU221除外）。扩展模块主要有4类：数字量输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入/输出（AI/AO）模块、通信模块和特殊功能模块。下面将分别介绍这4类扩展模块。
1.数字量输入/输出（DI/DO）模块
S7-200系列PLC可提供三大类共9种数字量输入/输出模块。
1）EM221数字量输入（DI）模块：8点DC 24 V输入，光电耦合器隔离。
2）EM222数字量输出（DO）模块，它具有8点DC 24 V输出型和8点继电器输出型两种输出类型。
3）EM223数字量混合输入/输出（DI/DO）模块，它具有6种输出类型。
DC 24 V输入4点/输出4点。
DC 24 V输入4点/继电器输出4点，如图2-4a所示。
DC 24 V输入8点/输出8点，如图2-4b所示。
DC 24 V输入8点/继电器输出8点。
DC 24 V输入16点/输出16点。
DC 24 V输入16点/继电器输出16点。
2.模拟量输入/输出（AI/AO）模块
（1）EM231：4路12位模拟量输入（AI）模块，如图所示。
差分输入，输入范围：电压：0～10 V、0～5 V、±2.5 V和±5 V。
电流：0～20 mA。
转换时间小于250μs。
最大输入电压DC 30 V，最大输入电流32 mA。
（2）EM232：2路12位模拟量输出（AO）模块。
输出范围：电压±10 V，电流0～20 mA。
数据字格式：电压-32 000～+32 000，电流0～+32 000。
分辨率：电压12位，电流11位。
（3）EM235：模拟量混合输入/输出（AI/AO）模块，如图所示。
模拟量输入4路，模拟量输出1路。
差分输入，电压：0～10 V、0～5 V、0～1 V、0～500 mV、0～100 mV、0～50 mV、±10 V、±5 V、±2.5 V、±1 V、±500 mV、±250 mV、±100 mV、±50 mV和±25 mV；电流：0～20 mA。
转换时间小于250μs。
稳定时间：电压100μs，电流2 ms。
3.通信模块
（1）通信处理器EM277
EM277是连接SIMATIC现场总线PROFIBUS-DP从站的通信模块，使用EM277可以将S7-200系列PLC作为现场总线PROFIBUS-DP的从站接到网络中。EM277有一个RS-485接口，传输速率有9.6 Kbps、19.2 Kbps、45.45 Kbps、93.75 Kbps、187.5 Kbps、500 Kbps～1 MKbps、1.5 Mbps、3 Mbps、6 Mbps和12 Mbps，它可自动设置；连接电缆长度：93.75 Kbps以下为1200 m，187.5 Kbps为1000 m，500 Kbps为400 m，1～1.5 Mbps为200 m，3～6 Mbps为100 m；网络能力：站地址设定0～99（由旋转开关设定）；每个段最多可连接的站数为32个；每个网络最多可连接的站数为126个，共有6个MPI，其中两个预留（1个为PG，1个为OP）。
（2）通信处理器EM241
EM241是调制解调器（Modem）通信模块，它支持如下功能：Tele-service（远程维护或远程诊断）、Communication（CPU-TO-CPU,CPU-TO-PC的通信）、Message（发送短消息给手机或寻呼机）。
（3）通信处理器CP243-1
S7-200系列PLC加装通信处理器CP243-1模块可以支持工业以太网通信。它的传输速率为10/100 Mbps，半工/全双工通信，有一个标准的RJ-45接口，完全支持TCP/IP协议和标准的网络设备（如集线器、路由器等）。
（4）通信处理器CP243-2
CP243-2是S7-200 CPU22X系列PLC的AS-i主站，通过连接AS-i可增加S7-2
00 PLC的DI/DO点数。每个主站最多可连接31个AS-i从站，S7-200 PLC同时可以处理最多两个CP243-2，每个CP243-2的AS-i上最多有124DI/124DO。
S7-200系列PLC通过使用多种通信协议，与通信模块连接，组成功能强大的通信网络，多用于中大型企业的控制系统中，这是其他同类设备无法比拟的。有关S7-200系列PLC的网络通信功能，将在以后章节具体介绍。
4.特殊功能模块
与S7-200主机相连的并用来完成某种特殊的控制任务的装置称为特殊功能模块。特殊功能模块包含：定位模块EM253、通信处理器模块EM241和测温模块EM231等，下面具体介绍定位模块EM253。
定位模块EM253可提供如下所述的单轴、开环运动控制所需要的功能。
提拱高速控制，从每秒12个脉冲至每秒200 000个脉冲。
支持急停（S曲线）或线性的加速、减速功能。
提供测量系统，既可以使用工程单位（如英寸或厘米）也可以使用脉冲数。
提供可组态的反向间隙（backlash）补偿。
支持绝对、相对和手动的位控方式。
提供连续操作。
提供多达25组的移动（包括Profile），每组最多可有4种速度。
提供4种不同的参考点寻找模式，每种模式都能对起始的寻找方向和最终的接近方向进行选择。
提供可拆分的现场接线端子，便于安装和拆卸。
2.3 相关设备
1.编程设备
编程设备（PG）是任何一台PLC不可缺少的设备，S7-200系列PLC的编程器可以是简易的手持编程器PG7-2，也可以是昂贵的图形编程器，如PG740II、PG760II等。为降低编程设备的成本，目前广泛采用个人计算机作为编程设备，但需配置生产厂家提供的专用编程软件，S7-200系列PLC的编程软件为STEP-Micro/WIN32，通过一条PC/PPI电缆将用户程序送入PLC中。
2.人机界面
（1）文本显示器TD200
显示文本信息（可显示中文）。通过选项确认的方法可显示最多80条信息，每条信息最多可包含4个变量。
设定实时时钟。
提供强制I/O点诊断功能。
可显示过程参数并可通过输入键进行设定或修改。
具有可编程的8个功能键，可以替代普通的控制按钮，从而节省8个输入点。
具有密码保护功能。
TD200不需要单独的电源，只需将它的连接电缆接到CPU22X的PPI接口上，用STEP7-Micro/WIN软件进行编程即可。
（2）触摸屏TP070、TP170A、TP170B及TP7、TP27
TP070、TP170A、TP170B是具有较强功能且价格适中的触摸屏，其特点如下所述。
在Windows环境下工作。
可通过MPI及PROFIBUS-DP与S7-200系列PLC连接。
背光管寿命达50 000 h，可连续工作6年。
利用STEP7-Micro/WIN（Pro）和SIMATIC ProTool/Lite V5.2进行组态。
TP7和TP27触摸屏主要是用于进行机床操作和监控，这里不再详细介绍。
三、S7-200系列PLC的性能与工作方式
PLC的性能是衡量其功能的直接反映，了解PLC的性能能够更好地利用其功能设计PLC系统。S7-200的性能主要分为输入/输出系统性能和存储系统性能两种，它有3种工作方式。下面具体介绍S7-200系列PLC的性能与工作方式。
3.1 S7-200系列PLC的输入/输出系统性能
S7-200的输入/输出系统性能主要涉及4个方面：输入特性、输出特性、扩展能力和快速响应功能。下面具体介绍这4个方面的性能。
1.输入特性
输入特性包括输入电压要求和输入端子功能。S7-200的数字量输入的电压要求均为DC 24 V，“1”表示15～35 V，“0”表示0～5 V，电压信号经过光电耦合隔离后进入PLC中。S7-200的输入端子功能如表所示。
2.输出特性
一般来讲，PLC的输出类型有晶体管、继电器和SSR三种，而对S7-200 CPU只有晶体管和继电器输出两种类型。CPU22X的输出特性如表所示。
在表中，电源电压是PLC的工作电压，输出电压是由用户提供的负载工作电压，每组点数是指全部输出端子可以分成几个隔离组，每个隔离组中有几个输出端子。例如，在CPU224中，4/3/3表示共有10个输出端子分成3个隔离组，每个隔离组中的输出端子数分别为4、3、3，由于每个隔离组中有一个公共端，因此每个隔离组可以单独使用不同的负载工作电压。如果所有输出电压相同，可将这些公共端连接起来。
3.扩展能力
扩展能力是指当PLC自带的I/O点数不能满足要求，或者涉及模拟量控制时，除了CPU221外，都可以采用扩展I/O模块的方法，对I/O点数进行扩展。
PLC在进行I/O扩展时应注意以下几点：
PLC所能连接的扩展模块的数目。
PLC的映像寄存器的数量。
PLC在DC 5 V下所能提供的最大扩展电流。
S7-200的CPU22X系列PLC的扩展能力如表所示。
4.快速响应功能
（1）脉冲捕捉功能
利用脉冲捕捉功能使得PLC可使用普通端子捕捉到小于一个CPU扫描周期的短脉冲信号。
（2）中断输入
利用中断输入使得PLC可以以极快的速度对上升沿作出响应。
（3）高速计数器
S7-200中有4～6个可编程的30 kHz高速计数器，多个独立的输入端子允许进行加减计数，可以连接相位差为90°的A/B相向量的编码器。
（4）模拟电位器
模拟电位器用来改变某些特殊寄存器中的数值，这些特殊寄存器中的参数可以是定时器/计数器的设定值，或者是某些过程变量的控制参数。可以利用模拟电位器在程序运行时随时更改这些参数，且不占用PLC的输入点。
3.2 S7-200系列PLC的存储系统性能
S7-200存储系统由RAM和EEPROM两种类型存储器构成。这两种类型的存储器均在CPU模块中，同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。存储系统如图所示。
S7-200存储系统的使用主要包括以下几个方面。
1.上传和下载用户程序
上传和下载用户程序指的是用STEP-Micro/WIN编程软件进行编程时，PLC主机和计算机之间程序、数据和参数的传送。上传用户程序是将PLC中的程序和数据通过通信设备上传到计算机中，并进行程序检查和修改。下载用户程序是将编制好的程序和CPU组态配置参数通过通信设备下载到PLC，并进行调试。当下载用户程序时，用户程序、数据和CPU组态配置参数保存于主机的存储器RAM中，为了永久保存，主机会自动地把这些内存装入PLC的EEPROM（EEPROM可为PLC自带的，也可以为可选的EEPROM存储器）。
2.定义存储器保持范围
当系统运行时，可能会出现电源掉电的意外情况，为了使掉电时系统运行的一些重要参数不丢失，可以在设置CPU参数时定义可选择性保持的存储区。用户可以定义的可选择性保持的存储器有：V存储器、M存储器、定时器当前值（只有TONR）和计数器当前值。
3.数据保持
S7-200系列PLC的CPU模块中的RAM存储区需要为其提供电源，方能保持其中的数据不丢失。要保存T和C中的数据，也需要提供电源。S7-200系列PLC自带的EEPROM存储器不需要另外的供电就能永久保存数据。EEPROM对应于RAM中的V存储区和M存储区的一部分。要把数据存入EEPROM，需要做一些设置，或者编程。
（1）内置超级电容保持数据
CPU模块内置超级电容在短期断电内为数据保持和实时时钟（如果有）提供电源。断电后，CPU221和CPU222的超级电容可提供约50 h的数据保持，CPU224、CPU226和CPU226XM可保持数据约190 h。不过，内置超级电容在CPU上电时需充电，为了保证获得上述数据保持时间，至少需要充电24 h。
（2）内置电容+电池卡保持数据
可以在S7-200系列PLC的可选卡插槽上，插入电池卡BC293以提供额外的数据保持时间。对于CPU221和CPU222，还可以选用时钟/电池卡CC292，同时获得电池备份的数据保持和实时时钟。CPU断电后，首先依靠内置电容为数据提供电源。内置电容放电完毕后，电池卡才起作用。当完全靠电池卡为CPU提供数据备份电源时，电池寿命约为200天。
（3）使用数据块
用户在编程时可以编辑数据块。数据块用于给S7-200 CPU的V存储区赋予初始值。由于数据块在从S7-200项目下载到CPU时，直接存储到PLC自带的EEPROM中，因此数据块的内容永远不会丢失。数据块可以用于保存程序中不需改变的参数。
（4）断电自动保存
S7-200 CPU的M存储区有14字节（MB0～MB13），可以在CPU断电时自动将其中的内容写到EEPROM的相应区域中，数据可以永久保存。默认情况下，M存储区的这14个字节未设置为在断电时自动保存，需要在S7-200项目的系统块中进行设置。
（5）通过编程保存数据
在程序中利用SMB31和SMW32特殊存储器，可以把V存储区中任意地址的数据写入相应的EEPROM单元中，达到永久保存的目的。每次操作可以写入1个字节、字或者双字长度的数据。多次执行操作，可以写入多个数据。
3.3 S7-200系列PLC的工作方式
PLC一般有两种基本工作方式，即RUN（运行）模式与STOP（停止）模式，但S7-200系列PLC还有一种独特的模式——TERM（Terminal，终端）模式，且这种模式要与编程软件STEP7相结合。这3种工作方式可通过安装在PLC上的方式选择开关进行切换。
1）RUN模式：PLC执行用户程序。
2）STOP模式：PLC不能运行用户程序，可以向PLC加载用户程序或进行PLC的设置。
3）TERM模式：允许使用工业编程软件STEP7-Micro/WIN32来控制CPU的工作方式。
四、S7-200系列PLC的电源计算
所有的S7-200系列PLC不光有为其自身、扩展模块和其他用电设备供电的内部电源，它本身还向外提供一个DC 24 V电源，从电源输出点（L+，M）引出。此电源可为PLC和扩展模块上的I/O点供电，也为一些特殊功能模块供电。此电源还从S7-200系列PLC的通信口输出，给PC/PPI编程电缆，或TD200文本操作界面等设备供电。S7-200系列PLC的CPU供电能力如表所示。
由表可知，不同规格的CPU提供的DC 5 V和DC 24 V电源的容量（以电流表示）不同。每个实际应用项目都要依据电源容量进行规划计算。每个扩展模块都需要DC 5 V电源，应当检查所有扩展模块的DC 5 V电源要求是否超出CPU的供电能力，如果超出，就必须减少或改变模块配置。有些模块需要DC 24 V电源供电，这些电源也要根据CPU的供电能力进行计算。如果所需电源超出电源容量，需要增加外接DC 24 V电源。S7-200系列PLC的CPU提供的电源不能和外接电源并联，但它们必须共地。CPU电源结算示例如表所示。
五、S7-200系列PLC的最大I/O原则
一般来讲，PLC本身提供的I/O点并不能满足实际需要，因此需要进行I/O点扩展，这就需要按照最大I/O原则进行扩展，以便达到经济实用的目的。
1.I/O地址分配
S7-200按照I/O类型为其分配不同的地址，共有4类。
DI：数字量输入。
DO：数字量输出。
AI：模拟量输入。
AO：模拟量输出。
每一类I/O分别排列地址，I/O地址按从左到右、由小到大的规律排列。扩展模块的类型和位置一旦确定，则对应的I/O地址也随之决定。
S7-200系列PLC虽然具有相同的I/O映像区，但不同型号CPU的最大I/O点数实际上取决于它们所能带的扩展模块数目，如表2-7所示。
六、S7-200系列PLC的外部接线
结合S7-200系列PLC电源、输出电压等的特点，本节讲述S7-200的外部接线情况，根据PLC控制系统的特性，S7-200的外部接线分为输入接线图和输出接线图，两种接线图分别介绍如下。
1.输入接线图
图a为DC 24 V汇点输入接线图，图b为DC 24 V源输入接线图。DC 24 V输入接线有两种方式：一是汇点输入，它是一种由PLC内部提供输入信号源，全部输入信号的一端汇总到输入的公共连接端输入形式；一种是源输入，它是一种由外部提供输入信号电源或使用PLC内部提供给输入回路的电源，全部输入信号为“有源”信号，并独立输入PLC的输入连接形式。如果1M为输入端子组的电源端，有n组输入端子组，则每组的电源端为nM。在实际应用中，每组输入端子使用的电源电压相同，因此常常合用电源端。
2.输出接线图
图a为S7-200系列PLC输出接线图，图b为继电器输出接线图。S7-200系列PLC输出接线也有两种方式：一种是DC 24 V输出接线，一种是继电器输出接线。
（1）DC 24 V输出接线
DC 24 V输出的电源端是（nM,nL），其中n依据输出隔离组决定。若有3组输出，则电源端分别是（1M，1L+）、（2M，2L+）和（3M，3L+）。因为输出电压常常相同，所以通常会将这些公共端连接起来。
（2）继电器输出接线
继电器输出采用的是交流电源，电源端子为（Ln），其中n依据输出隔离组决定。根据输入接线与输出接线方法，CPU221外部接线如图2-10所示。图a是供电电源为直流电源，采用直流汇点输入/直流输出的布线图，且有DC 24 V传感器电源输出。图b是供电电源为交流，采用直流汇点输入/继电器输出的接线图，且有DC 24 V传感器电源输出。
七、S7-200系列PLC的编程
7.1 PLC的编程语言
PLC常用的编程语言有5种，而S7-200系列PLC使用其中的3种：梯形图、语句表和功能图。另外，S7-200系列PLC的程序结构与其他公司生产的PLC有所不同，主要分成3个块，分别是用户程序、数据块与参数块，且用户程序又由主程序、中断程序和子程序组成。
PLC编程语言有下述5种，常用的是梯形图和语句表这两种。
顺序功能图（Sequential Function Chart,SFC）是一种位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。
SFC提供了一种组织程序的图形方法，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的几种主要元件（见图）。可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地画出梯形图程序。
梯形图（Ladder Diagram,LAD）是最常用的PLC图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，它特别适用于开关量逻辑控制。有时把梯形图称为电路或程序。
LAD由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮和内部条件等，线圈通常代表逻辑输出结果，用来控制外部的指示灯、交流接触器和内部的输出条件等。功能块用来表示定时器、计数器或者数学运算等附加指令。
在分析梯形图中的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧垂直母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的梯形图中I0.1与I0.2的触点接通，或M0.3与I0.2的触点接通时，有一个假想的“能流”（Power Flow）流过Q1.1的线圈。利用能流这一概念，可以更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。
触点和线圈等组成的独立电路称为网络（Network），用编程软件生成的梯形
图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位，给梯形图加注释。在网络中，程序的逻辑运算按从左到右的方向执行，与能流的方向—致。各网络按从上到下的顺序执行，执行完所有的网络后，返回最上面的网络重新执行。使用编程软件可以直接生成和编辑梯形图，并将它下载到PLC中。
功能块图（Function Block Diagram,FBD）是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握它。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入/输出端的小圆圈表示“非”运算，方框由“导线”连接在一起，信号自左向右流动。图所示的功能块图的控制逻辑与上图中的相同。国内很少有人使用FBD语言。
S7系列PLC将指令表（Instruction List,STL）称为语句表（Statement List）。PLC的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表程序或语句表程序。
语句表比较适合熟悉PLC和逻辑程序设计的经验丰富的程序员，语句表可以实现某些不能用LAD或FBD实现的功能。
S7-200 CPU在执行程序时要用到逻辑栈，FBD利用FBD编辑器自动插入处理栈操作所需要的指令。在语句表中，必须由编程人员加入这些栈处理指令。
结构文本（Structured Text,ST）是为IECll31-3标准创建的一种专用的高级编程语言，与FBD相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。
虽然PLC有5种编程语言，但在S7-200的编程软件中，用户只可以选用LAD、FBD和STL这3种编程语言，其中FBD不常用。STL程序较难阅读，其中的逻辑关系很难一眼看出，所以在设计复杂的开关量控制程时一般使用LAD语言。但STL可以处理某些不能用LAD处理的问题，且STL输入方便快捷，还可以为每一条语句加上注释，便于复杂程序的阅读。在设计通信、数学运算等高级应用程序时建议使用STL语言。LAD程序中输入信号与输出信号之间的逻辑关系一目了然，易于理解，与继电器电路图的表达方式极为相似，设计开关量控制程序时建议选用LAD语言。
7.2 S7-200系列PLC的程序结构
S7-200系列PLC的程序结构属于线性化编程，其用户程序一般由3部分构成：用户程序、数据块和参数块。
（1）用户程序
用户程序是必选项。用户程序在存储器空间中也称为组织块，它处于最高层次，可以管理其他块，它是用各种语言（如STL、LAD、FBD等）编写的用户程序。对于不同型号PLC的CPU，其程序空间容量也不同。用户程序的结构比较简单，一个完整的用户控制程序应当包含一个主程序、若干子程序和若干中断程序3个部分。不同编程设备对各程序块的安排方法也不同。
当用编程软件在计算机上编程时，利用编程软件的程序结构窗口双击主程序、子程序和中断程序的图标，即可进入各程序块的编程窗口，编程时编程软件自动对各程序段进行连接。对S7-200的主程序、子程序和中断程序来说，它们的结束指令不需编程人员手工输入，STEP-Micro/Win32编程软件会在程序编译时自动加入相应的结束指令。
（2）数据块
数据块为可选部分，它主要存放控制程序运行所需的数据。在数据块中允许以下数据类型：布尔型，表示编程元件的状态；十进制、二进制或十六进制数；字母、数字和字符型。
（3）参数块
参数块存放的是CPU组态数据，如果在编程软件或其他编程工具上未设置CPU的组态，则系统以默认值进行自动配置。
八、实例：异步电动机正反转控制
异步电动机正反转控制系统是应用最广泛的控制方式，下图是利用接触-继电器控制实现的传统电动机正反转控制线路，包括主电路和控制电路。
异步电动机正反转控制系统的PLC接线图如图所示，为了防止正反转接触器同时得电，在输出端KM1和KM2采用了硬件互锁控制。
梯形图和指令表如图所示。在梯形图中，Q0.0、Q0.1常闭实现正反转软件互锁，I0.0、I0.1动断实现按钮软件互锁。
在梯形图中，正反转线路一定要有联锁，否则，按SB2、SB3，则KM1、KM2会同时输出，引起电源短路。按下正转启动按钮SB2，I0.0闭合，Q0.0得电，驱动KM1主触点闭合，电动机M正转启动，按下停止按钮SB1，KM1线圈失电，电动机M停车；按下反转启动按钮SB3，I0.1闭合，Q0.1得电，驱动KM2主触点闭合，电动机M反转启动，按下停车按钮SB1，KM2线圈失电，电动机M停车。
来源：《零基础学西门子S7-200PLC》 作者：赵景波；阿伦；巩雪；
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