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1、第6章 SIMATIC S7-200系列PLC 系统特性及硬件构成,返回总目录,德国西门子公司是世界上最大的电气和电子公司之一，其自动化与驱动(A&D)集团是工业自动化的中坚力量，并在中国PLC和大型传动市场上处于领先地位。该集团核心产品SIMATIC S7已经成功地被应用于几乎所有的自动化领域。根据2004年调查结果表明，国内应用西门子产品的用户达65%。作为国内PLC市场的领导者，西门子工控产品在几乎所有应用行业内都保持着强大的竞争力。,本章内容, 6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统 6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介 思考题与习题,6.1 S
2、IMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,6.1.1 概述 S7系列可编程控制器包括S7-200系列、S7-300系列和S7-400系列，其功能强大，分别应用于小型、中型和大型自动化系统。 S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型整体式结构可编程控制器，出现于20世纪90年代，到目前已经历了两代，S7-21*系列是第一代产品，S7-22*系列是第二代产品。S7系列PLC凭借其强大的组网能力、功能完善的编程软件、种类齐全的功能模块和良好的人机界面，成为众多用户首选的PLC产品。S7-200系列PLC广泛用于集散自动化系统，使用范围覆盖机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等自
3、动化控制领域，既可用于继电器简单控制的更新换代，又可实现复杂的自动化控制。 S7-300系列PLC是模块化小型PLC系统，通过分布式的主机架 (CR) 和3个扩展机架 (ER)，可以对多达32个模块进行操作，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展，能满足中等性能要求的应用。,S7-400系列PLC采用模块化无风扇的设计，坚固耐用，易于扩展，通信能力强大，容易实现分布式结构。该系列具有多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，只要适当的增加一些模板，就能够实现系统升级。 由于S7-200系列PLC几乎包
4、含了西门子PLC所有的性能，而且在小型PLC中具有较强的代表性，所以本章以S7-200系列为例，详细介绍其系统基本构成和各模块性能。,6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,6.1.2 SIMATIC S7-200系列PLC系统基本构成 SIMATIC S7-200系列PLC属于小型整体式结构的PLC, 本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它结构小巧，运行速度快，可靠性高，具有极其丰富的指令系统和扩展模块，实时特性和通信能力强大，便于操作、易于掌握，性价比非常高，在各种行业中的应用越来越广，成为中小规模控制系统的理想控制设备。 SIMATIC S7-200系列
5、PLC的硬件配置灵活，既可用一个单独的S7-200 CPU构成一个简单数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。图6.1所示为一个完整的PLC系统。,6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,图6.1 S7-200系列PLC系统基本构成,6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,(1) CPU单元 即PLC主机，也可称为基本单元。它内部包括中央处理器CPU，存储单元、输入输出接口、内置5V和24V直流电源、RS-485通信接口等，是PLC的核心部分。其功能足以使它完成基本控制功能，所以CP
6、U单元单独就是一个完整的控制系统。 (2) 编程设备 是对CPU单元进行编程、调试的设备。可用PC/PPI编程电缆与CPU单元进行连接。常用设备为手持编程器和装有SIMATIC S7系列PLC编程软件的微机。 (3) 数字量扩展单元 I/O接口单元，用于对数字I/O的扩展。在工程应用中，CPU单元自带的I/O接口往往不能满足控制系统要求，用户需要根据实际需要选用不同I/O模块进行扩展，以增加I/O接口的数量。不同的CPU单元可连接的最大I/O模块数不同，而且可使用的I/O点数也是由多种因素共同决定的。 (4) 模拟量扩展单元 模拟量与数字量转换单元。控制领域中模拟量的使用十分广泛，模拟量扩展单
7、元可十分方便地与CPU单元连接，实现A/D转换和D/A转换。 (5) 智能扩展模块 多为特殊功能模块，模块内含有CPU，能够进行独立运算和功能设置，如定位模块、Modem模块、PROFIBUS-DP模块等。,6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,(6) TD200文本显示器 西门子提供的简单易用的人机界面。可使用 5种文字(英文、德文、法文、意大利文、西班牙文)中的任一种进行显示，为操作人员提供了一个方便简洁的操作员界面；通过编程设置能够显示最多80条信息，每条信息最多有4种状态；具有8个可由用户自定义的功能键，每一个都由CPU单元分配了一个存储空间，能够在执行程序的过程中
8、修正参数，或直接设置输入或输出量对程序进行调试。新一代 TD 200C(S7-200的文本显示界面)提供了非常灵活的键盘布置和面板设计，可选择多达20种不同形状、颜色和字体的按键，背景图像也可任意变化。 (7) 通信处理模块 多PLC通信模块。CP243-2通信处理器是AS-接口主站连接部件，专门为S7-200 CPU22X型PLC设计，使AS-接口上能运行最多31个数字从站，可显著增加系统中可利用的数字和模拟量I/O，便于S7-200适应不同的控制系统。 (8) 可选扩展卡 可根据用户需求配置用户存储卡、时钟卡、电池卡，通过可选卡插槽进行连接。用户存储卡可与PLC主机双向联系，传输程序、数据
9、或组态结果，对这些重要内容进行备份，存储时间可延长到200天。时钟卡可提供误差为2分钟/月的时钟信号。电池卡是重量小于0.6g、容量为30mAh、输出电压为3V的锂电池，平均可使用10年。,6.1 SIMATIC S7-200系列PLC的硬件系统,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,6.2.1 CPU模块,S7-200系列可提供多种不同基本型号的PLC和可选功能模块，使系统配置更加灵活。下面具体介绍各种模块的基本性能和技术规范。,1. 模块外形结构及各型号CPU模块的基本功能 S7-200系列的CPU模块外形结构如图6.2所示。CPU模块结构紧凑，布局合理，使用方便。上
10、端子排包括输出和电源接口，下端子排为输入接口，在面板上有I/O指示灯指示I/O的接通或关断状态。为接线方便，推出的较高型号CPU模块(CPU224以上)均采用可拔插整体端子。,图6.2 S7-200系列的CPU模块外形结构图,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,右部前盖下是模式选择开关(RUN/TERM/STOP)、模拟电位器、扩展接口。通过拨动模式选择开关可分别使PLC工作在运行(RUN)或编程状态(STOP)，若拨至TERM位置，则可由编程软件来控制PLC工作在运行或编程状态。每一个模拟电位器均与一个内部特殊存储器相关，电位器的旋转可改变内部特殊存储器中的值，从而对
11、程序运行产生影响。扩展接口用于模块的扩展连接。 左上部为状态指示灯和可选卡插槽位置。左下部为一个或两个通信接口，可与编程器、计算机或其他通信设备连接，进行数据交换。 目前市场上S7-22*系列PLC已基本取代了第一代S7-21*系列PLC，并成为市场中的主流产品，S7-22*系列有CPU221、CPU222、CPU224、 CPU224XP、CPU226、CPU226XM等6种不同型号，其外观结构基本相同。 (1) CPU221 主机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6KB程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS-
12、485通信/编程接口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力，是极适合于小点数控制系统的微型控制器。,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,(2) CPU222 主机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。6KB程序和数据存储空间。比CPU221增加了扩展能力，可连接2个扩展模块，可扩展最多64个I/O点和8路模拟量。 (3) CPU224 在CPU222的基础上，主机数字量I/O点增为14输入/10输出共24个。扩展能力大为加强，可连接7个扩展模块，最大扩展至168个数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。13KB程序和数据存储空间。6个独立的30kHz
13、高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器。 (4) CPU224XP 除具有CPU224的功能外，另集成 2输入/1输出共3个模拟量I/O点，程序和数据存储空间扩展为20KB，高速计数器与高速脉冲输出频率达100KHz。本机还新增位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等，是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。 (5) CPU226 在CPU224的基础上功能进一步强大，主机增加到40个数字量I/O 点。最大扩展至248个数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。增加了
14、通信接口数量，可以分别进行设置，同时与两个设备进行通信而互不干扰，通信功能大大加强。CPU226可用于较高要求的控制系统，更多的I/O点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能使其完全适应于复杂的中小型控制系统。,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,(6) CPU226XM 在原有的CPU 226的基础上将程序存储空间和数据存储空间扩大了一倍，其他指标未变。 2. CPU模块的主要特点 S7-22各型号CPU的基本配置如表6-1所示。从表中可看出，S7-200系列PLC功能强大，有着鲜明的特点。 (1) 自带高速计数器，有多个接口可以接受最高达3
15、0kHz的高速脉冲输入。可以同时做加减计数，连接两相相位差为90的A/B相增量编码器，可通过编程对高速计数功能相关状态字进行设置，得到多种对高速脉冲的计数模式。 (2) 具有高速脉冲输出接口，最大脉冲频率可达20kHz，能够直接用于定位控制。 (3) 存储空间大，并可由超级电容对数据进行长达 190 分钟的掉电保护，若选用存储卡，则可保存200天。 (4) 运算指令丰富，并具有实数运算功能，可实现复杂的计算和控制策略。并允许在程序中立即读写I/O接口，在一些需要立即响应的场合应用非常方便。 (5) 可为模拟量和数字量输入设置滤波器，输入接口可以捕捉比CPU扫描速度更快的窄脉冲信号，便于适应复杂
16、的工业环境。,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,(6) 内部配有+5V DC扩展电源，输出电流可达1000mA；+24V DC传感器电源或负载驱动电源，输出电流可达400mA。 (7) 具有RS-485通信接口，可与计算机、变频器、文本显示器、手持编程器等进行通信，交换数据、完成控制功能。,表6-1 S7-22*系列CPU的基本配置,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,(续),实数运算时间/指令/,指令执行速度/,6.2 SIMATIC S7-200系列PLC模块性能简介,3. CPU模块不同输出结构及主要性能区别 S7-200系列PLC中，每种CPU有晶体管和继电器两种输出形式，其输出电路内部结构如图6.3所示，在电源电压和输出特性方面也有较大区别，所以应用领域各有所长。具体区别见表6-2。晶体管型输出所需电源为直流，具有最大20kHz的高速脉冲输出功能，可直接驱动步进电机或对伺服电机控制器发送控制脉冲进行准确定位，但其驱动能力不足。继电器型
