可编程控制器与现场总线网络控制 教学课件 ppt 作者 骆德汉 主编 唐露新 王荣辉 副主编 第2章 s7200PLC系统硬件结构

1、第2章 S7-200系列PLC系统硬件结构,SIMATIC S7分为微小型PLC S7-200，中小型PLC S7-300和大中型PLC S7-400。 硬件由基本单元、扩展模块和辅助设备等组成,2.1 S7-200系列PLC基本单元,一、本单元特性 S7-200 基本单元根据CPU，分为CPU21x和CPU22x两个系列 每个系列又有四种基本单元， 每个基本单元包括CPU、电源、输入/输出、通讯接口等部件， 基本单元物理结构图。 CPU负责执行程序和存储数据，实现系统的自动控制；,1.1.1 本单元特点,顶部电源端子接收外部电源，为CPU及与扩展模块提供电源； 顶部的输出端子输出控制信号，控制被控设备； 底部的输入端子接收来自控制系统现场设备的输入信号； 底部的传感器电源端子输出24V直流电源供控制系统使用； RUN/STOP为PLC工作方式选择开关； 扩展I/O连接是基本 单元与扩展模块的 接口，通过它可 增加CPU的I/O 点数；,1.1.2 基本单元的输入/输出（I/O）, 基本单元上有一定数量的数字I/O点，并支持外加数字量和模拟量扩展的I/O模块。 每种CPU最多可加的扩展

2、模块数是不同的，因此它们的最大输入/输出（I/O）点数也是不等的,1.1.1 本单元特点,表2-1 S7-200 CPU22x 基本单元特性,1.1.2 基本单元的输入/输出（I/O）, CPU 221基本单元不能带扩展模块， CPU 222最多可带2个扩展模块，CPU 224和CPU 226最多可带7个扩展模块，这7个扩展模块中最多可有2个是智能模块（EM 277 Profibu-DP）。 每种CPU的基本单元允许的数字量I/O逻辑空间（映象寄存器个数）都是128个输入位和128个输出位， 它们与CPU实际I/O点数与允许的最大I/O点数是不等的。 这是因为逻辑空间是按8位一个字节为组进行分配地址，而某些具体模块不具有按字节组合的实际I/O输入/输出点数，因此，这些模块虽具有逻辑空间地址位，但可能没有实际的物理I/O点与其对应，从而也无法对它们寻址或访问。,1.1.2 基本单元的输入/输出（I/O）, 例如CPU 224有10个实际物理输出点，但它占用了2个字节16个逻辑输出地址位。又如一个4输入/4输出的数字量混合扩展模块EM 223必须占用1个输入字节（8位）逻辑空间的地址和1个

3、输出字节（8位）逻辑空。 每种CPU基本单元允许的模拟量I/O逻辑空间（模拟量映象寄存器个数）与它们实际允许的最大模拟量I/O点数是不等的，CPU 222有16位输入和16位输出的逻辑空间地址，CPU 224和CPU 226具有32位输入和32位输出的逻辑空间地址。,1.1.2 基本单元的输入/输出（I/O）, 基本单元的输入分为直流输入和交流输入: （1）直流输入有NPN型晶体管输入和PNP型晶体管输入; 交流输入为120V交流电； （2） 输出分直流24V晶体管输出、直流/交流继电器输出和交 流可控硅输出。 表2-2CPU22x工作电源和输入/输出端口类型,1. 输入接口,（1）直流输入接口 直流输入又可分为PNP输入接口和NPN输入接口 接收信号来自PNP型器件的输出，即接收的是负信号； 电阻R1和电阻R2构成分压器； 二极管D1禁止反极性的直流输入。 当输入端的开关接通时，光电耦合器M导通，信号供PLC 读取，同时相应的LED亮，表示该输入端接通,1. 输入接口,（2）交流输入接口 交流输入接口接收外部120V 交流信号，其原理如图所示； 电阻R1和电阻R3与电阻R2构成分压器

4、； 电容器C1起滤波作用，光电耦合器M起整流和隔离双重作用； 当输入端开关接通时，光电耦合器M导通，信号供PLC读取。,2. 输出接口, S7-200基本单元输出接口 一种数字量输出接口，它将PLC内部的电平信号转换为外部所需电平，然后输出给外部负载。 每个输出点的输出电路可以等效成一个输出继电器。 数字量输出接口可分为： 晶体管输出方式 可控硅输出方式 继电器输出方式,2. 输出接口, 按照负载使用的电源（即用户电源）不同，分为直流输出、交流输出和交/直流输出。 晶体管输出方式只能带直流负载，属于直流输出； 可控硅输出方式只能带交流负载，属于交流输出； 继电器输出方式可带直流负载，也可带交流负载，属于交/直流输出。,2. 输出接口,（1）晶体管输出 晶体管输出只能接直流负载 当某输出时，CPU将结果送至该路的输出，该信号使输出光电耦合器M导通，输出电路在36V 稳压管作用下，通过晶体管T1对外提供稳定的直流电压信号，使相应的负载接通，同时LED亮，表示该路输出点有输出。,2. 输出接口,（2）可控硅输出 可控硅输出只能接交流负载。 当某点有输出时，CPU将结果送至输出电路，该信号使双

5、向可控硅V1导通工作状态，外部交流负载形成回路。 电路中的MOV为浪涌电流吸收器，起限幅作用，可将可控硅两端的电压限制在275V之下保护可控硅不被高电压冲击而损坏，R1和C1组成高频滤波电路，以减少高频干扰,2. 输出接口,（3）继电器输出 继电器输出原理如图2-8，它输出既能接交流也能接直流负载。 当某一输出电路有输出时，则CPU将处理结果送至该路的输出点，此时该输出点的内部继电器线圈得电，使其常开触点闭合，外部交流负载或直流负载形成回路。由于继电器是一种电磁耦合器件，本身具有电气隔离功能，因此，在继电器输出电路中未采用光电耦合器。,3. 输入/输出扩展, S7-200基本单元提供一定数量本机I/O点，并可将扩展模块接至基本单元右边增加I/O点。 扩展模块输入/输出点的地址由I/O类型及模块在I/O链中的位置决定； 输入模块地址与输出模块地址互不影响，模拟模块和数字模块地址也互不影响。,3. 输入/输出扩展, S7-200 CPU总是以1个字节（8位）地址递增 方式为数字扩展模块保留映象寄存器空间。 如果映象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，那么这些未用位就不

6、会分配给IO链中的后续模块。 对于输出模块而言，保留字节中的未用位可象内部存储器标志位那样来使用， 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零，因此，这些未用的位不能用作内部存储器标志位。,3. 输入/输出扩展,模拟量扩展模块总是以2个字节递增方式来分配空间 如果模拟量扩展模块没有实际物理点与这些字节空间对应，那么这些IO点的空间就被浪费，而且也不能分配给IO链中的后续模块。 表2-3是CPU 224基本单元不同扩展模块实际物理输入/输出点与映象寄存器保留空间字节及其位的关系。 由表2-3可知，有些配置含有用户程序无法寻址的空位，而有些IO点的地址可象内部存储器（M）标志位那样来使用。,3. 输入/输出扩展,表2-3CPU 224基本单元所扩展的I/O模块地址,2.1.3 CPU工作方式,1. 工作方式选择 (1) “STOP”、“TERM”、“RUN”三种选择。 (2) “STOP” ，CPU处于停机方式，不执行用户程序，此时可把用户程序装入CPU或配置CPU参数； (3) “RUN” ，CPU处于运行方式，PLC执行用户程序； (4) “TERM” ，由编程设备来选择

7、CPU工作是工作方式。 (5) “SF”、“RUN”和“STOP”3个LED指示灯。“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”黄色指示灯亮表示CPU处于停机状态。,2.1.3 CPU工作方式,2. 工作过程描述 S7-200 CPU以循环扫描方式连续执行信号读入、程序执行和对外输出操作。 (1) 信号读入 每个扫描周期开始时，CPU先读数字输入点的当前值，然后把这些值写到输入映象寄存器中。 （2）程序执行 扫描周期的中间过程是程序执行阶段，在这个阶段，CPU对控制程序进行处理，实现其控制功能 （3）对外输出 在每个扫描周期的结尾，CPU把存在输出映象寄存器中的数据输给外部输出点，用于驱动外部控制设备。,2.1.4 基本单元工作电源, S7-200基本单元使用24VDC或120V/230V AC二种供电电源; 直流工作电压额定值为24V，允许变化范围是20.428.8V； 交流工作电压额定值为120230V，允许变化范围是85V264V，频率可变化范围是4763Hz。,2.1.4 基本单元工作电源,在基本单元上端右侧有三

8、个接线端子，接外部直流电源或交流电源； 在下端右侧有二个接线端子，对外提供一个24V直流电源，并标有“DC SENSOR POWER”（直流传感器电源）。,2.1.4 基本单元工作电源,1. 电源设计 基本单元内部采用开关电源 输出24V直流传感器电源和5V 直流电源供基本单元输入/输出点和扩展模块使用。 (2) 若系统要求的电源超出基本单元24V直流电源的额定值，则需要提供另外的外部24V直流电源供给扩展模块；,2.1.4 基本单元工作电源,电源设计 (3) 基本单元对外提供的直流电流额定值 根据不同CPU型号有180mA和 280mA等 ; (4) 基本单元同时也对扩展模块提供 5V DC直流电源，其电流额定值为340 mA 或280 mA或660 mA等.,2.1.4 基本单元工作电源,2. 输出端点电源保护 输出若驱动的是感性负载，需要在负载电路中加入吸收抑制电路限制在负载关断时使电压升高而损坏输出端点。 图2-10（a）晶体管输出保护电路 图2-10（b）继电器DC输出保护电路, 不同型号的基本单元的模拟电位器个数不同，分辨率都是8位。 CPU221、CPU222各有一个模拟

9、电位器,对应于CPU内部数据存储器中的特殊标志寄存器是SMB28； CPU224和CPU226各有二个模拟电位器，对应于CPU内部数据存储器中的特殊标志寄存器分别是SMB28、SMB29。,2.1.5 基本单元模拟电位器,模拟电位器通过旋转其调节旋钮，直接修改特殊标志寄存器中的数值: SMB28中的值代表模拟电位器0所提供的电压大小，SMB29中的值代表模拟电位器1所提供的电压大小。 模拟电位器提供的值为8位分辨率，即意味着其数值范围为0-255，它们是只读数据，在程序中有多种功能。 用户程序中可使用特殊标志寄存器SMB28和SMB29中的数值修改计数器或计时器的当前值及预置值，或设置其它参数等,2.1.5 基本单元模拟电位器,2.1.6 基本单元通信接口,(1) S7-200 系列PLC基本单元都带有符合欧洲标准 EN50170中标准的RS485通信接口 (2) CPU221、CPU222、 CPU224有一个RS485通信接口 (3) CPU226有二个RS485通信接口 (4) 每个通信接口都可工作于 点对点PPI（Point-to-Point Interface）通信 多点MPI（Multi-to-Point Interface）通信 自由口通信,2.1.6 基本单元通讯接口,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9600固定值。 采用两根公共线将基本单元与外围设备联接进行通信,2.1.6 基本单元通信接口,2. 多点通信方式 单主站连接一个或多个从站和一个或多个主站的通信， PC计算机采用CP通信卡和MPI通信电缆与主站OP15及从站TD200和S7-200 PLC连接。 系统中的各个S7-200 PLC均为从站，它们之间在多点通信方式不能直接交换数据。,2.1.6 基本单元通信接口,3. 自由口通信方式 (1) 自由口通信方式即是由用户通过程序来自由选择S7-200 CPU通信协议的一种通信方式。 (2) 在自由口通信方式下，用户可定义不同通信协议（PPI协 议、MPI协议、PROFIBUS协议），从而使S7-200能与不 同智

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