《可编程控制器》辅导资料三

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主 题：课件第二章PLC的硬件结构与工作原理第2-3节可编程序控制器的工作原理、S7-200系列可编程控制器 学习时间：2011年10月17日－10月23日 内 容： 我们这周主要学习课件第二章PLC的硬件结构与工作原理第2-3节的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对可编程序控制器结构相关知识的理解。

一、学习要求 1．掌握PLC的工作原理； 2．掌握西门子S7系列可编程控制器特点。

二、主要内容 1．可编程序控制器的工作原理 PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。 在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。 PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。 PLC的扫描工作过程如图1所示。

图1 PLC的扫描工作过程 （1）输入采样阶段 PLC 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫大连理工大学网络教育学院 第2页 共7页 描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。 （2）程序执行阶段 PLC按顺序对程序进行扫描执行，当指令中涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据程序进行运算，运算结果再存入元件映像寄存器。 元件映像寄存器的内容随程序的执行而变化。 （3）输出刷新阶段 程序执行完毕后，进入输出处理阶段，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态转存到输出寄存器中，对输出接口进行刷新，驱动外部负载。 用户程序中如果对输出结果多次赋值，只有最后一次有效。 （4）通信处理 在处理通信请求阶段，CPU处理从通信接口和智能模块接收到的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的时候将信息传送给通信请求方。 （5）CPU自诊断测试 自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内容工作。 （6）中断程序的处理 如果在程序中使用了中断，中断事件发生时，CPU停止正常的扫描工作方式，立即执行中断程序，中断功能可以提高PLC对某些事件的响应速度。 （7）立即I/O处理 在程序执行过程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O点。用立即I/O指令读输入点的值时，相应的输入过程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令来改写输出点时，相应的输出过程映像寄存器的值被更新。 （8）输入输出滞后时间 输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。 滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为1ms，负载断开时的最大滞后时间为10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。 由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。 2. S7-200系列可编程控制器 S7-200是西门子公司的产品之一，其注册商标为SIMATIC。 （1）西门子公司PLC的发展史 西门子公司的产品最早是1975年投放市场的SIMATIC S3，它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器； 1979年，S3系统被SIMATIC S5所取代，该系统广泛地使用了微处理器； 20世纪80年代初，S5系统进一步升级——U系列PLC，较常用机型：S5-90U、95U、100U、115U、135U、155U 1994年4月，S7系列诞生，它具有更国际化、更高性能等级、安装空间更小、更良好的WINDOWS用户界面等优势，其机型为：S7-200、300、400，分别对应小型、中型、大型PLC。 大连理工大学网络教育学院 第3页 共7页 1996年，在过程控制领域，西门子公司又提出PCS7（过程控制系统7）的概念，将其优势的WINCC（与WINDOWS兼容的操作界面）、PROFIBUS（工业现场总线）、COROS（监控系统）、SINEC（西门子工业网络）及控调技术溶为一体 现在，西门子公司又提出TIA（Totally Integrated Automation）概念，即全集成自动化系统，将PLC技术溶于全部自动化领域。 此外，西门子PLC还有M7、C7二个系列。这里主要介绍S7-200 PLC。 （2）特点 S7-200系列PLC是SIEMENS公司推出的一种小型PLC，属于整体式结构。其特点是：  结构紧凑  扩展性良好  指令功能强大  价格低廉 成为当代各种小型控制工程的理想控制器。 （3）S7-200PLC的系统组成 S7-200 PLC系统的基本构成如图2：

计算机 PLC主机 扩展模板1 扩展模板2 扩展模板n TD-200 文本显示器 TP系列 触摸屏 通信口及 网络设备 其他设备 工业软件

图2 S7-200 PLC系统的结构图 （4）S7-200 CPU S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。如图3所示。 S7-200的CPU共有两个系列：CPU21X（CPU212、214、215、216，为S7-200的第一代产品）及CPU22X（CPU221、222、224、226、226XM）（主要介绍）。

图3 S7-200 Micro PLC 大连理工大学网络教育学院

第4页 共7页 状态指示灯（LED）显示CPU所处的工作状态，分别为：RUN（运行），STOP（停止），TERM（Terminal终端）。 存储卡接口可以插入存储卡。通信接口可以连接RS-485总线的通信电缆。 顶部端子盖下面为输出端子运行状态显示和PLC供电电源端子。 前盖下面有运行、停止开关和接口模块插座。将开关拨向停止位置时，可对PLC编写程序，但不能运行；将开关拨向运行位置时，PLC处于运行状态，此时不能对其编写程序；将开关拨向监控状态，可以运行程序，同时还可以监视程序的运行状态。接口插座用于连接扩展模块，实现I/O扩展。 底部端子盖下面为输入端子运行状态显示和传感器电源端子。 4种CPU各有晶体管输出和8继电器输出两种类型，具有不同电源电压和控制电压。各类型的型号如表1所示，各CPU模块技术指标见表2。 表1 CPU型号

表2 S7-200CN CPU技术规范 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 CPU226XM 本机DI/ DO 6入/4出 8入/6出 14入/10出 24入/16出 24入/16出

扩展后最大输入/输出 无I/O扩展能力 2个模块 7个模块 7个模块 7个模块 数字40/38 数字94/74 数字 128/120 数字 128/120 模拟（8入/2出）或4出 模拟（28入/7出）或14出 模拟（28入/7出）或14出 模拟（28入/7出）或14出 存储器 6KB 6KB 13 KB 13 KB 26 KB 30kHz高速计数器 4个 4个 6个 6个 6个

20 kHz高速脉冲输出 2路 2路 2路 2路 2路

PID控制器 无 有 有 有 有 RS-485通信/编程口 1个 1个 1个 2个 2个

PPI点对点协议 有 有 有 有 有

MPI多点协有 有 有 有 有 大连理工大学网络教育学院 第5页 共7页 议 自由方式通信 有 有 有 有 有

其它 适用于小型数字量控制 是具有扩展能力、适应性更广泛的小型PLC 是具有较强控制能力的小型PLC 用于有较高要求的中小型控制系统 用于较高要求的中小型控制系统

SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表3所示。 表3 主机及I/O特性

（5）输入输出扩展模块 当主机单元模板上的I/O点数不够时，或者涉及到模拟量控制时，除了CPU221以外，都可以通过增加扩展单元模板的方法，对输入/输出点数进行扩展。

（a）面板安装 （b）标准导轨安装 图4 （6）数字量扩展模板 S7-200系列目前可以提供三大类共9种数字量输入输出扩展模板：

表4 名称 型号 I/O点数 数字量输入（DI）扩展模板 EM221 8点DC输入（光电耦合器隔离）

数字量输出（DO）扩展模板 EM222 8点24VDC输出 8点继电器输出 数字量混合输入/输出（DI/DO）扩展模板 EM223 24VDC 4入/4出 24VDC 4入/继电器4出 大连理工大学网络教育学院 第6页 共7页 24VDC 8入/8出 24VDC 8入/继电器8出 24VDC 16入/16出 24VDC 16入/继电器16出

（7）模拟量扩展单元模板 表5 名称 型号 I/O点数 模拟量输入（AI）扩展模板 EM231 4路12位模拟量输入 模拟量输出（AO）扩展模板 EM232 2路12位模拟量输出 模拟量混合输入/输出（AI/AO）扩展模板 EM235 4路模拟量输入/1路模拟量输出

（8）智能模板 表6 名称 型号 功能

通信处理器 EM277 是连接SIMATIC现场总线PROFIBUS-DP从站的通信模板，可将S7-200CPU作为现场总线PROFIBUS-DP从站接到网络中。

通信处理器 CP243-2 是S7-200的AS-i主站，通过连接AS-i可显著地增加S7-200的数字量输入/输出点数。每个主站最多可连接31个AS-i从站。S7-200最多可同时处理2个CP243-2，每个CP243-2的AS-i上最大有124DI/124DO

此外还有一些其它特殊的功能模块。所有这些模块可以十分方便地组成不同规模的控制器。其控制规模可以从几点到几百点。S7-200PLC可以方便地组成PLC-PLC网络和微机-PLC网络，从而完成规模更大的工程。 （9）其他设备 表7 分类 名称 备注

编程设备 手持编程器 PG702 图形编程器 PG740Ⅱ、PG760Ⅱ

PC机 使用专用编程软件，S7-200使用STEP7-Micro/WIN32V3.1通过一条PC/PPI电缆将用户程序送入PLC中

人-机操作界面HMI 文本显示器 TD200是操作员界面，不需要单独电源，只需将其连接电缆接到CPU22X的PPI接口上，用STEP7-Micro/WIN进行编程 触摸屏 TP070、TP170A、TP170B及TP7、TP27