第1篇 入 门 篇

第1章 绪 论

1.1　S7-200PLC硬件系统

S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，它以结构紧凑、价格低廉、指令功能强大、扩展性良好和功能模块丰富等优点普遍受到用户的好评，并成为当代各种中小型控制工程的理想设备。它有不同型号的主机和功能各异的扩展模块供用户选择，主机与扩展模块能十分方便地组成不同规模的控制系统。

为了更好地理解和认识S7-200PLC，本节将从硬件系统组成的角度进行介绍。

S7-200PLC的硬件系统由CPU模块、数字量扩展模块、模拟量扩展模块、特殊功能模块、相关设备以及工业软件组成，如图1-1所示。

1.1.1　CPU模块

CPU模块又称基本模块和主机，这里说的CPU模块指的是S7-200PLC基本模块的型号，不是中央微处理器CPU的型号，是一个完整的控制系统，它可以单独完成一定的控制任务，主要功能是采集输入信号、执行程序、发出输出信号和驱动外部负载。

（1）CPU模块的组成

CPU模块由中央处理单元、存储器单元、输入输出接口单元以及电源组成。

① 中央处理单元　中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU是PLC的核心，它不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统输出。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与储存单元、输入输出接口、通信接口、扩展接口相连。CPU按照系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并且能够诊断用户程序中的语法错误。当PLC运行时，首先以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，然后分别存入I/O映像区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定将逻辑或算数运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。当所有的用户程序执行完毕之后，将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行直到停止。

② 存储器　PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两种。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

③ 输入输出接口电路　现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路组成，作用是将按钮、行程开关或传感器等产生的信号输入CPU。

现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路组成，作用是将CPU向外输出的信号转换成可以驱动外部执行元件的信号，以便控制接触器线圈等电器的通、断电。

④电源　PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V直流电源，使PLC能正常工作。可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以将PLC直接连接到交流电网上去。

（2）CPU模块的常见的基本型号

CPU模块常见的基本型号有4种，分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。

① CPU221　主机有6输入/4输出，数字量I/O点数共计10点，无I/O扩展能力，程序和数据存储空间为6KB，1个RS-485通信接口，4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PPI、MPI通信协议和自由通信功能，适用于小点数控制的微型控制器。

② CPU222　主机具有8输入/16输出，数字量I/O点数共计24点，与CPU221相比可以进行一定的模拟量控制，增加了2个扩展模块，适用于小点数控制的微型控制器。

③ CPU224　主机具有14输入/10输出，数字量I/O点数共计24点，有扩展能力，可连接7个扩展模块，程序和数据存储空间为13kB，6个独立30kHz的高速计数器，具有PID控制器，I/O端子排可整体拆卸，具有较强控制能力，是使用最多的S7-200产品，其他特点与CPU222相同。

④ CPU226　主机具有24输入/16输出，数字量I/O点数共计40点，有扩展能力，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点，具有2个RS-485通信接口，其余特点与CPU224相同，适用于复杂中小型控制系统。

需要指出的是，在4种常见模块基础上，又派生出6种相关产品，共计10种CPU模块。在这10种模块中有DC电源/DC输入/DC输出和AC电源/DC输入/继电器输出2类，它们具有不同的电源电压和控制电压。型号中带有XP的代表具有2个通信接口、2个0～10V模拟量输入和1个0～10V模拟量输出，其性能要比不带XP的优越。型号加有CN的表示“中国制造”。CPU226XM只比CPU226增大了程序和数据存储空间。

1.1.2　数字量扩展模块

当CPU模块I/O点数不能满足控制系统的需要时，用户可根据实际的需要对I/O点数进行扩展。数字量扩展模块不能单独使用，需要通过自带的扁平电缆与CPU模块相连。数字量扩展模块通常有3类，分别为数字量输入模块、数字量输出模块和数字量输入输出混合模块。

1.1.3　模拟量扩展模块

模拟量扩展模块为主机提供了模拟量输入/输出功能，适用于复杂控制场合。它通过自身扁平电缆与主机相连，并且可以直接连接变送器和执行器。模拟量扩展模块通常可以分为3类，分别为模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入输出混合模块。典型模块有EM231、EM232和EM235，其中EM231为模拟量4点输入模块，EM232为模拟量2点输出模块，EM235为4点输入/1点输出模拟量输入/输出模块。

1.1.4　特殊功能模块

当需要完成特殊功能控制任务时，需要用到特殊功能模块。常见的特殊功能模块有通信模块、位置控制模块、热电阻和热电偶扩展模块等。

（1）通信模块

S7-200PLC主机集成1～2个RS-485通信接口，为了扩大其接口的数量和联网能力，各PLC还可以接入通信模块。常见的通信模块有PROFIBUS-DP从站模块EM227、调制解调器模块EM241、工业以太网模块和AS-i接口模块。

（2）位置控制模块

又称定位模块，常见的如控制步进电动机或伺服电动机速度模块EM253。为了输入运行和位置设置范围的需要，可外设编程软件。使用编程软件STEP7-Micro/WIN可生成位置控制模块的全部组态和移动包络信息，这些信息和程序块可一起下载到S7-200PLC中。位置控制模块所需的全部信息都储存在S7-200PLC中，当更换位置控制模块时，不需重新编程和组态。

（3）热电阻和热电偶扩展模块

热电阻和热电偶扩展模块是为S7-200CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM设计的，是模拟量模块的特殊形式，可直接连接热电偶和热电阻测量温度，用户程序可以访问相应的模拟量通道，直接读取温度值。热电阻和热电偶扩展模块可以支持多种热电阻和热电偶，使用时经过简单的设置就可直接读出摄氏温度值和华氏温度值。常见的热电阻和热电偶扩展模块有EM231热电偶模块和EM231 RTD热电组模块。

1.1.5　相关设备和工业软件

相关设备是为了充分和方便地利用系统硬件及软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面等。工业软件是为了更好管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，主要有工程工具人机接口软件和运行软件。