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1、第5章 S7-200系列PLC基础知识 S7-200系列是小型PLC，S7-300系列是中型PLC，S7-400系列是大型PLC。 S7-200PLC既可单机运行，也可联网运行，它功能强，性价比高，结构小巧，工作可靠，并配有功能强大，使用方便的编程软件。 S7-200PLC是小规模自动控制系统的理想控制设备。 S7-200PLC易于学习和掌握，很适合作初学者深入学习S7系列各型PLC的首选入门机型。,S7-200、300、400系列PLC产品,PLC控制柜与各型PLC产品,5.1 硬件系统 在S7-200PLC的硬件系统中，包括有下述硬件产品：CPU模块，数字量I/O扩展模块，模拟量I/O扩展
2、模块，热电偶与热电阻扩展模块，称重模块，PROFIBUS-DP模块，AS-i接口模块，中文文本显示器，触摸屏，编程设备，存储卡，实时时钟卡，电池卡和通讯卡。 用户可根据自己的需要选用其中的一个或多个硬件组成适合于自己的控制系统。但CPU模块是组成PLC控制系统不可缺少的硬件。下面就上述主要硬件的作用和特性作一介绍。,1.CPU模块,S7-200系列PLC的CPU模块的外形结构图,（1）CPU模块 CPU模块又称为PLC的主机，在这个主机的塑料外壳中，除装有CPU芯片外，还装有稳压电源、I/O模块和存储器。在PLC众多的硬件产品中，CPU模块是唯一能够独立运行的，具有完整控制功能的控制设备，其余
3、硬件都只能依附于主机工作，它们对主机起着扩展功能的作用。 （2）CPU模块内装的稳压电源 CPU模块内装的稳压电源有交、直流两种类型，但同一个CPU模块中只装有一种类型的稳压电源。,交流稳压电源的输入电压是允许波动范围为AC85264V交流电压，直流稳压的输入电压是允许波动范围为DC20.428.8V直流电压。但两者都输出两种稳定的直流电压：DC5V 和 DC24V。 其中DC5V电压供CPU模块中CPU芯片和存储器使用，DC24V电压供输入、输出模块的内部电路和接在PLC输入点上的传感器等电子器件使用。而驱动PLC外部负载工作的电源则需由用户自行解决。,（3）S7-200系列PLC的CPU模
4、块的型号 主要有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM共6种型号。 有些CPU模块的型号后面加有“CN”字母（如CPU222CN），加有“CN”字母的CPU模块是专为中国用户量身定做的。表5-1列出了5种型号的CPU模块的主要性能指标。 （4） S7-200系列PLC的指令功能 具有传送、比较、移位，循环移位、产生补码、子程序调用、脉宽调制，脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑运算、浮点数运算、开平方运算、三角函数运算和PID控制等指令。,表5-1 S7-200PLC CPU模块（CN）的主要性能指标,表5-1 S7-200PLC
5、CPU模块（CN）的主要性能指标（续）,表5-1 S7-200PLC CPU模块（CN）的主要性能指标（续）,2.数字量I/O扩展模块 数字量I/O扩展模块是PLC的可选件，对CPU模块的数字量I/O点数起扩展作用。在控制系统中，当CPU模块的数字量I/O点数不够用时，可加装数字量I/O扩展模块。,S7-200PLC的CPU模块与扩展模块的连接,现场使用S7-200PLC的扩展模块的情形,（1）数字量I/O扩展模块的型号 S7-200PLC的数字量I/O扩展模块有EM221、EM222和EM223三种，其中标有“CN”字母的（如E221CN）是为中国用户量身定做的。 EM221模块只有输入点，
6、称为数字量输入扩展模块； EM222模块只有输出点，称为数字量输出扩展模块； EM223模块同时含有输入点和输出点，称为数字量输入/输出扩展模块。 （2）数字量I/O扩展模块的I/O点数 以上3种数字量I/O扩展模块的I/O点数如表5-2所示。,表5-2 数字量I/O扩展模块,表5-2 数字量I/O扩展模块（续）,（3）CPU模块内部的数字量输入、输出的性能指标,表5-3 CPU模块（CN）的数字量输入的主要性能指标,表5-3 CPU模块（CN）的数字量输入的主要性能指标（续）,表5-4 CPU模块（CN）的数字量输出的主要性能指标,表5-4 CPU模块（CN）的数字量输出的主要性能指标,3.
7、模拟量I/O扩展模块 （1）模拟量输入接口电路的作用 在工业控制中，某些输入信号（如压力、温度、流量和转速等）是模拟量，它们不但是非电信号，而且它们的大小和量程也不一至，而PLC的CPU只能接受和处理数字量电信号，因此，这些非电类的模拟量输入信号需要首先经传感器和变送器转化为标准量程的电流或电压（例如420mA，15V，O10V等）信号，再经模拟量输入接口电路中的A/D转换器将它们转换成数字量后，才可传入PLC的CPU。,带正负号的电流或电压经A/D转换后，以二进制补码的形式存放在相应的模拟量输入寄存器字单元中供CPU处理。 （2）模拟量输出接口电路的作用 CPU对A/D转换后数字量处理的结果
8、仍是数字量，而PLC的某些控制对象（如电动调节阀等）是不能直接接受数字量信号的控制的，因此，需将这些数字量经模拟量输出接口电路中的D/A转换器转换成模拟量后，才能驱动电动调节阀一类的控制对象。,（3）模拟量I/O扩展模块的作用 在S7-200PLC的各型CPU模块中，除CPU224XP(CN)型模块仅有2点模拟量输入和1点模拟量输出外，其余各型CPU模块均无模拟量I/O接口电路。 模拟量输入扩展模块的接口电路中含有A/D转换器，它可将模拟量输入信号转换成数字量后，再传送给CPU。 模拟量输出扩展模块的接口电路中含有D/A转换器，它可将CPU的处理结果(数字量)转换成模拟量后，再去驱动被控制对象
9、运行。,S7-200PLC还有一种模拟量扩展模块，它里面同时含有输入接口电路和输出接口电路，因此，它同时兼有模拟量输入扩展模块和模拟量输出扩展模块的功能，我们称其为模拟量输入/输出扩展模块。 以上三种模拟量扩展模块统称为模拟量I/O扩展模块。,对于没有模拟量I/O接口的CUP模块来说，模拟量I/O扩展模块可使其获得模拟量I/O接口功能；对于仅有少量模拟量I/O接口的CUP模块来说，模拟量I/O扩展模块可对其模拟量I/O接口的数量起到扩展的作用。,（4）模拟量I/O扩展模块接入系统的方法,CPU模块,模拟量扩展模块,数字量扩展模块,（5）模拟量I/O模块的量程 模拟量输入模块的输入接口和模拟量输
10、出模块的输出接口均有多种量程供用户选用，如DC 05V，01OV，5V，1OV，020mA，050mA等，模拟量I/O模块上装有DIP开关，调节DIP开关，可以设置用户所需的量程。 （6）模拟量I/O模块的分辨率 模拟量I/O模块中的A/D，D/A转换器的二进制位数反映了其分辨率的高低，位数越多，则分辨率越高。S7-200PLC的模块量输入扩展模块中的A/D转换器的二进制位数为12位。,（7）模拟量输入模块的输入阻抗 模拟量输入模块在电压输入时，输入阻抗10M；电流输入时，其输入阻抗为250。 当传感器与模拟量输入模块的距离较远时，应采用电流输入，以提高控制系统的抗干扰能力。 （8）模拟量输入
11、模块的A/D转换时间 模拟量输入模块的A/D转换时间为250s，输入的阶跃响应时间为1.5ms(当输出达到稳态值的95时)。,（9）模拟量输入模块的数字量输出范围 模拟量输入扩展模块的单极性全量程输入范围对应的数字量输出为032000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000+32000。 模拟量输入扩展模块输出的12位数字量信号被按左对齐的规则自动存放到与信号输入点的编号对应的CPU模块的模拟量输入寄存器的字地址单元(如AIW0)中，如图5-1所示。,图5-1 模拟量输入寄存器中数据字的存放格式,在图5-1中，MSB是最高位，LSB是最低位。最高位是符号位，该位为0时表示正数，为1
12、时表示负数。在单极性格式中，低3位为0；在双极性格式中，低4位为0。 （10）模拟量输出模块的输出量程 S7-200PLC的模拟量输出扩展模块的输出端口有电流输出和电压输出两种量程，电流输出时是单极性的，量程为020mA，电压输出时是双极性的，量程为-5+5V。电流输出时，全量程输出范围对应的数字量输入为032000，分辨率为11位；电压输出时，全量程输出范围对应的数字量输入为-32000+32000, 分辨率为12位。,（11）数字量输出信号的D/A转换和输出过程 数字量输出信号在传送到模拟量输出接口电路之前，用户必须把它存放到与指定模拟量输出点的编号对应的CPU模块的模拟量输出寄存器的字地
13、址单元（如AQW0）中，此后CPU会自动地把这个数字量输出信号送到模拟量输出接口电路中，并经D/A转换后，从指定编号的模拟量输出点输出。 （12）数字量输出信号的存放格式 数字量输出信号在16位输出寄存器字地址单元中也是按左对齐的规则存放的，其存放格式如图5-2所示。,其中最高位是符号位，该位为0时表示正数；为1时表示负数。低4位均为0。在将数据字装载到DAC寄存器之前，低4位的4个0会被PLC自动截断，故不会影响输出信号的值。 （13）模拟量输出模块的输出性能指标 模拟量输出模块的电压输出和电流输出的稳定时间分别为100s和2ms,电压输出时所能驱动的负载电阻最小值为5k；电流输出时所能驱动
14、的负载电阻最大值为500。,图5-2 模拟量输出寄存器中数据字的存放格式,（14）模拟量I/O扩展模块的型号和I/O点数 有EN231、EN232和EN235型三种，其后加有“CN”字母的（如EN231CN）是为中国用户定做的产品。 EM231模块只有输入点，称为模拟量输入扩展模块； EM232模块只有输出点，称为模拟量输出扩展模块； EM233模块有输入点和输出点，称为模拟量I/O扩展模块。,表5-5 S7-200PLC的模拟量I/O扩展模块的I/O点数,表5-6 S7-200PLC的模拟量I/O扩展模块输入的主要性能指标,（15）模拟量I/O扩展模块的主要性能指标,表5-6 S7-200P
15、LC的模拟量I/O扩展模块输入的主要性能指标（续）,表5-7 S7-200PLC的模拟量I/O扩展模块输出的主要性能指标,4.热电偶、热电阻扩展模块 （1）热电偶、热电阻扩展模块的作用 其作用是将热电偶、热电阻测得微弱的模拟量温度电信号（毫伏级）经补偿、放大并转换为数字量后，再传送给CPU模块。 （2）普通模拟量输入模块经变送器与热电偶、热电阻相连时存在下述问题： 热电偶、热电阻测温时存在一定的非线性误差，需要经过补偿加以纠正，而普通模拟量输入模块却没有这种补偿功能。, 目前，我国按IEC国标准生产的热电偶有S、R、B、N、K、E、J和T等几种类型，当把其中某种类型的热电偶接入模拟量输入模块时
16、，需要用DIP开关来为热电偶扩展模快的输入接口设置相应的输入类型，以适应该类型热电偶的输出特性要求，但普通模拟量输入模块上却没有设置输入类型的DIP开关。 有些热电偶、热电阻输出的温度电信号是微弱的，无法驱动某些类型的模拟量输入模块（如EM231和EM231 CN模块）工作，如果用这些普通模拟量I/O模块来接受热电偶、热电阻的微弱输出信号，那么，就需要在这两者之间加接温度变送器。这样就会给系统的安装、接线工作增加麻烦。, 热电阻在接线方式上有2线、3线和4线三种，4线方式的精度最高，2线方式为精度最低，普通模拟量I/O模块器每一个输入接口只有2个接线端子，只能按2线方式与热电阻相连，因此，无法获得较高的温度测量精度。 热电偶、热电阻扩展模块中有温度补偿电路，有用来设置输入类型的DIP开关或设置接线方式、测量单位和开关故障方向的DIP开关，有适合于热电阻的各种接线方式的输入按钮，有能够将微弱的温度电信号变换成标准电流、电压信号的信号变换电路。因此，它克服了普通模拟量I/O模块与热电偶、
