S7200可编程序控制器教学课件PPT

第二章S7-200可编程序控制器 教师：杨志刚教师：杨志刚电气工程学院电气工程学院第2章S7-200可编程序控制器 2.1S系列PLC发展概述 2.2S7-200 PLC系统组成 2.3 编程元件及程序知识 2.4相关设备 2.5工业软件 本章学习目的 本章以西门子公司生产的S7-200系列小型可编程序控制器为例，介绍具体型号的PLC，内容包括： l S系列PLC发展概述 l S7-200 可编程序控制器的系统组成 l 编程元件及程序知识 l 相关设备 l 常用工业软件返回本章首页返回本章首页2.1S系列PLC发展概述 德国的西门子（SIEMENS）公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。 在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了S3系列，之后在20世纪末又推出了S7系列产品。 最新的SIMATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。 返回本章首页返回本章首页2.2S7-200 PLC系统组成 2.2.1系统基本构成 2.2.2主机结构 2.2.3扫描周期及工作方式 2.2.4输入输出扩展 2.2.5主机性能指标 返回本章首页返回本章首页 从CPU模块的功能来看，SIMATIC S7-200系列小型可编程序控制器发展至今，大致经历了两代： 第一代产品其CPU模块为CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215和CPU 216，对第一代PLC产品不再作具体介绍。 第二代产品其CPU模块为CPU 22X，是在21世纪初投放市场的，速度快，具有较强的通信能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224和CPU 226，除CPU 221之外，其他都可加扩展模块。2.2.1系统基本构成 SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分构成，如图3.1所示。EM1扩展模块EM2扩展模块EMn扩展模块TD200文本显示器TP系列触摸屏通信及网络设备计算机工业软件CPU主 机其他设备图图2.1S7-200 PLC系统组成系统组成 系统基本构成 1. 硬件 （1）基本单元 （2）扩展单元 （3）特殊功能模块 （4）相关设备 2. 工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。返回本节返回本节2.2.2主机结构 1. CPU介绍及I/O系统 （1）主机外形 SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机（CPU模块）的外形如图3.2所示：图图2.2S7-200主机外形主机外形状态显示通信口顶部端子盖电 源及输出端子前盖 方式开关、电位器、扩展I/O连接底部端子盖输入端子、传感器电源存储器卡（2）基本结构特点输出信号类型输出信号类型电源输出电源输出 基本基本I/O 存储安全存储安全 高速反应高速反应 模拟电位器模拟电位器 实时时钟实时时钟 输入输出可扩展性输入输出可扩展性 状态显示通信口顶部端子盖电 源及输出端子前盖 方式开关、电位器、扩展I/O连接底部端子盖输入端子、传感器电源存储器卡 4种CPU各有晶体管输出和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3.1所示。 表表2.1CPU型号型号输出信号类型输出信号类型电源电电源电 压压主机上还集成了主机上还集成了24V直流电源直流电源(可以直接用于连接传感器和执行结构可以直接用于连接传感器和执行结构)(20.428.8)VDC(85 264)VAC SIMATIC S7-200系统CPU 22X系列PLC主机及I/O特性如表3.2所示。表表2.2主机及主机及I/O特性特性基本基本I/O图图2.3存储系统存储系统表表2.3存储容量存储容量存储安全存储安全1）主机）主机CPU模块内部配备的模块内部配备的EEPROM，上装程，上装程序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和序时，可自动装入并永久保存用户程序、数据和CPU的组态数据。的组态数据。2）用户可以用程序将存储在）用户可以用程序将存储在RAM中的数据备份中的数据备份到到EEPROM存储器。存储器。3）主机）主机CPU提供一个超级电容器，可使提供一个超级电容器，可使RAM中中的程序和数据在断电后保持几天之久。的程序和数据在断电后保持几天之久。4）CPU提供一个可选的电池卡，可在断电后超提供一个可选的电池卡，可在断电后超级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部级电容器中的电量完全耗尽时，继续为内部RAM存储器供电，以延长数据所存的时间为存储器供电，以延长数据所存的时间为200天。天。5）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘）可选的存储器卡可使用户像使用计算机磁盘一样来方便地备份和装载程序和数据。一样来方便地备份和装载程序和数据。高速反应高速反应1.可以用普通输入端子捕捉比可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号扫描周期更快的脉冲信号,实现高速计数实现高速计数2.两路最大可达两路最大可达20KHZ的高频脉冲输出的高频脉冲输出,可以驱动步进电机和可以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务伺服电机以实现准确定位任务模拟电位器模拟电位器模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值,可以可以实时更改程序运行中的一些参数实时更改程序运行中的一些参数,如定时器如定时器/计数器的设定值、计数器的设定值、过程量的控制参数等。过程量的控制参数等。实时时钟实时时钟实时时钟可用于对信息加时间标记实时时钟可用于对信息加时间标记,记录机器运行时间或对记录机器运行时间或对过程进行时间控制过程进行时间控制输入输出可扩展性输入输出可扩展性 I/O扩展包括扩展包括I/O点的扩展和功能模块的扩展点的扩展和功能模块的扩展2.2.3扫描周期及工作方式 1. 扫描周期 2. 工作方式 3. 改变CPU工作方式的方法 图图3.4CPU的扫描周期的扫描周期 一个扫描周期 读输入 执行程序 处理通信请求 写输出 执行CPU自诊断 1. 扫描周期 （1）输入处理 （2）执行程序 （3）处理通信请求 （4）执行CPU自诊断测试 （5）写数字输出 2. 工作方式 （1）STOP方式 （1）TERM方式 （2）RUN方式 3. 改变CPU工作方式的方法 1）用PLC上的方式开关来手动切换，方式开关有3个挡位 。 2）用STEP 7-Micro/Win32编程软件，应首先把主机的方式开关置于TERM或RUN位置，然后在此软件平台用鼠标单击STOP和RUN方式按钮即可。 3）在用户程序中用指令由RUN方式转换到STOP方式，前提是程序逻辑允许中断程序的执行。返回本节返回本节2.2.4输入输出扩展 1. 设备连接 2. 最大I/O配置的预算 3. 输入输出及CPU组态 1. 设备连接 图图3.5I/O扩展示意图扩展示意图 (a) 面板安装 (b) 标准导轨安装 2. 最大I/O配置的预算 （1）映像寄存器数量 （2）电流提供 （3）模块电流 （4）电流预算规则 （2）电流提供）电流提供各各CPU所能提供的最大所能提供的最大5VDC电流如表电流如表3.4所示。所示。（3）模块电流CPU 22X可连接的各扩展模块消耗5VDC电流如表2.5所示。3. 输入输出及CPU组态 （1）I/O点数扩展和编址 （2）设置输入滤波 （3）设置脉冲捕捉 （4）输出表配置 CPU 22*系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编址方法是同类型的输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。例如，某一控制系统选用例如，某一控制系统选用CPU 224，系统所需的输入输出点系统所需的输入输出点数各为：数字量输入数各为：数字量输入24点、数字量输出点、数字量输出20点、模拟量输入点、模拟量输入6点、模拟量输出点、模拟量输出2点。点。本系统可有多种不同模块的选取组合，表本系统可有多种不同模块的选取组合，表2.6所示为其中的所示为其中的一种可行的系统输入输出组态状况。一种可行的系统输入输出组态状况。 S7-200系统扩展对输入/输出的组态规则： （1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址 （2）对于数字量，输入、输出映象寄存器的单位长度位8位（1个字节），本模块高位实际位数未满8位的，未用位不能分配给I/O链的后续模块 （3）对于模拟量，输入/输出以2个字节（1个字）递增方式来分配空间 若按表3.6的扩展方式，各模块在I/O链中的位置排列方式也可以有多种，图3.6所示为其中的一种模块连接形式。图图3.6扩展连接图扩展连接图主机CPU224模块1EM221DI8XDC24V模块2EM222DO8XDC24V模块3EM235AI4/AQ1X12 位模块4EM223DI4/DQ4XDC24V/继电器模块 5EM235AI4/AQ1X12 位2.2.5主机性能指标 S7-200 22X各主机的主要技术性能指标如下表3.7所示。返回本节返回本节表表3.722X主机主要技术指标主机主要技术指标2.3 编程元件及程序知识 2.3.1编程元件及寻址 2.3.2指令系统 2.3.3编程语言 2.3.4 程序结构 返回本章首页返回本章首页3.3.1编程元件及寻址 1. 数据类型 2. 直接寻址方式 3间接寻址方式 1. 数据类型 （1）数据类型及范围 SIMATIC S7-200系列PLC数据类型可以是布尔型、整型和实型（浮点数）。实数采用32位单精度数来表示，其数值有较大的表示范围：正数为+1.175495E-38+3.402823E+38；负数为-1.175495E38-3.402823E+38。不同长度的整数所表示的数值范如表3.8所示。 （2）常数 在编程中经常会使用常数。常数数据长度可为字节、字和双字，在机器内部的数据都以二进制存储，但常数的书写可以用二进制、十进制、十六进制、ASCII码或浮点数（实数）等多种形式。几种常数形式分别如表3.9所示。输入继电器（I）输出继电器（Q） 通用辅助继电器（M） 特殊标志继电器（SM） 2. 直接寻址方式（1）各元件介绍）各元件介绍CPU224特殊标志位寄存器的有效编址范围为SM0.0SM179.7,其中特殊存储器区的头30字节为只读,即SM0.0SM29.7为只读SM0.0:运行监视,始终为”1”状态.当PLC运行时,可利用其触点驱动输出继电器,并在外部显示程序是否处于运行状态SM0.1:初始化脉冲,该位在首次扫描为”1”时,调用初始化子程序SM0.3:开机进入RUN运行方式时,接通一个扫描周期,该位可用在启动操作之前给设备提供一个预热时间SM0.4:提供1min的时钟脉冲或延时时间SM0.5:提供1s的时钟脉冲或延时时间SM0.7:工作方式开关位置指示,开关放置在RUN时为1,PLC为运行状态时;开关放置在TERM时为”0”,PLC可进行通信编程.SM1.0:零标志位,当执行某些指令结果为”0”时,该位被置”1”SM1.1:溢出标志位,当执行某些指令结果溢出时,该位被置1SM1.2:负数标志位,当执行某些指令结果为负数时,该位被置1SM1.3:除零标志位,当试图除以0时,该位被置1SM0.6:扫描时钟,本次扫描时置1,下次扫描时清0,可作扫描计数器的输入定时器（T） 计数器（C） 模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ） 高速计数器（HC）累加器（AC）变量存储器（V） 局部变量存储器（L） 顺序控制继电器（S） S7-200将编程元件统一归为存储器单元，存储单元按字节进行编址，无论所寻址的是何种数据类型，通常应指出它在所在存储区域和在区域内的字节地址。每个单元都有惟一的地址，地址用名称和编号两部分组成，元件名称（区域地址符号）如表3.10所示。（2）编址形式）编址形式字节编址字节编址的指定方式为：（区域标志符）B（字节号），ABX，如IB0表示由I0.0I0.7这8位组成的字节。字编址字编址的指定方式为：（区域标志符）W（起始字节号），且最高有效字节为起始字节。例如VW0表示由VB0和VB1这2字节组成的字。双字编址双字编址的指定方式为：（区域标志符）D（起始字节号），例如VD0表示由VB0到VB3这4字节组成的双字 必须指定元件名称、字节地址和位号，如图3.8 所示。图3.8中MSB表示最高位，LSB表示最低位。 图图3.8位寻址格式位寻址格式MSBI0LSB0I15I4I3I2I17 6 5 4 3 2 1I 4 .5I 14 .2字节的位，即位号元件名称（ 区域标志）字节地址位地址与字节地址之间的间隔位编址位编址位编址的指定方式为：（区域标志符）字节号位号，Ax.y，如I0.0；Q0.0；I1.2 1 1一般的位编一般的位编址址3间接寻址方式 间接寻址方式是，数据存放在存储器或寄存器中，在指令中只出现所需数据所在单元的内存地址的地址。存储单元地址的地址又称为地址指针。这种间接寻址方式与计算机的间接寻址方式相同。间接寻址在处理内存连续地址中的数据时非常方便，而且可以缩短程序所生成的代码的长度，使编程更加灵活。 用间接寻址方式存取数据需要作的工作有3种：建立指针、间接存取和修改指针。 （1）建立指针 建立指针必须用双字传送指令（MOVD），将存储器所要访问的单元的地址装入用来作为指针的存储器单元或寄存器，装入的是地址而不是数据本身，格式如下： 例：MOVD&VB200,VD302MOVD&MB10,AC2MOVD&C2,LD14 注意：建立指针用MOVD指令。（2）间接存取 指令中在操作数的前面加“*”表示该操作数为一个指针。 下面两条指令是建立指针和间接存取的应用方法：MOVD&VB200，AC0MOVW*AC0，AC1 若存储区的地址及单元中所存的数据如下所示 执行过程如下：（3）修改指针 下面的两条指令可以修改指针的用法： INCDAC0 INCDAC0 MOVW*AC0，AC1返回本节返回本节2.3.2指令系统 S7-200 系列PLC主机中有两类基本指令集：SIMATIC指令集和IEC 1131-3指令集，程序员可以任选一种。提供了许多类型的指令以完成广泛的自动化任务。 SIMATIC指令集：是为S7-200系列PLC设计的，本指令通常执行时间短，而且可以用LAD、STL和FBD三种编程语言。 IEC 1131-3指令集是不同PLC厂家的指令标准，它不能使用STL编程语言。 返回本节返回本节3.3.3编程语言 1. 语句表 2. 梯形图 3. 功能块图 4. 其他编程语言 1. 语句表 语句表（STL）语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员。用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言，STEP 7 Micro/Win32的语句表如图3.9所示。 图图2.9语句语句表举例表举例2. 梯形图 图图2.10梯形图举例梯形图举例3. 功能块图 功能块图（FBD）的图形结构与数字电子电路的结构极为相似，如下图2.11所示。 4. 其他编程语言 SIMATIC工业软件中的工程工具中为大型或中型PLC提供了许多高级编程工具，以下简要其中的几种： （1）S7-SLC和 M7-Pro C/C+ （2）S7-GRAPH （3）S7-HiGraph （4）CFC 2.3.4 程序结构 1. 用户程序 （1）主程序 （2）子程序 （3）中断处理程序 2. 数据块 3. 参数块 如果编程使用的是手编器，主程序应安排到程序的最前面。其他部分的位置安排没有严格的顺序，但习惯上把子程序安排在中断程序的前面。如图3.16所示。图图3.16程序结构程序结构 返回本节返回本节程序中断程序2子程序2主程序中断程序1子程序m子程序1中断程序n2.4相关设备 2.4.1手编器 2.4.2计算机 2.4.3人机界面 2.4.4特殊功能模块 返回本章首页返回本章首页2.4.1手编器 工业上用的各厂商的可编程序控制器的使用中，手编器曾是主要编程设备，后来出现了图形输入设备，又出现了计算机编程软件。通过通信设备，使PLC和计算机相连，用编程软件可直接在计算机上编程，由于计算机的显示器屏幕较大，对程序的编制和修更加方便高效。但即使是现在，手编器的使用仍十分广泛，特别是用小型和微型PLC实现的小规模系统。 返回本节返回本节2.4.2计算机 计算机包括个人计算机和工业计算机，在可编程序控制器系统的工业应用中发挥着越来越重要的作用，几乎PLC系统从工程项目开发、编程、调试到系统的运行和维护，计算机越来越成了不可缺少的工具。返回本节返回本节2.4.3人机界面 1. 构造特点 文本显示区：可显示两行信息（每行20个字符）的液晶显示LCD 。按键：共有9个键 。通信：通过TD/CPU电缆（通用RS232接口）可以提供可编程序控制器与TD 200的通信，同时可以提供TD的电源，而不必再另接电源。 电源：如果不用TD/CPU通信电缆，可以通过面板右侧的电源接口连接外部电源。 2. 主要功能 可以显示从CPU主机读出的信息（如读取指令、数据、当前值及状态）；可以调整运行中选定的程序变量；可以提供对输入输出点的强制功能；可以为实时时钟设置日期和时间；支持多种语言形式的菜单和提示并支持中文。返回本节返回本节2.4.4特殊功能模块 1. 数字量扩展模块 2. 模拟量扩展模块 3. 热电偶、热电阻模块 4. 通信扩展模块 5. 现场设备接口模块 1. 数字量扩展模块数字量扩展模块主要有：EM221 数字量输入模块(有两种)，8点DC输入、 8点AC输入。 EM222 数字量输出模块(有三种)，8点DC晶体管输出、 8点AC输出、8点继电器输出 。 EM223 数字量混合模块(有六种),分别为4点(8点、16点)DC输入/4点(8点、16点)DC输出、4点(8点 、16点)DC输入/4点(8点、16点)继电器输出。 2. 模拟量扩展模块模拟量扩展模块主要有：EM231 模拟量输入模块(有三种),4模拟量输入、两路热电阻输入和4路热电偶输入 ，12位。EM232：模拟量输出模块,2路模拟量输出，12位。EM235：模拟量输入/输出扩展模块,4模拟输入点，1模拟量输出点，12位。3. 热电偶、热电阻模块 EM231为，15位，模拟量输入。 4. 通信扩展模块 EM277 PROFIBUS-DP模块用于PLC现场总线通信连接。波特率可从960012M波特。 5. 现场设备接口模块 CP 243-2通信处理器是AS-I主站连接部件，专门用于S7-200 CPU 22x，连接的同时显著增加了S7-200可利用的I/O点数。返回本节返回本节3.5工业软件 3.5.1应用和特点 3.5.2 工业软件的类型 返回本章首页返回本章首页2.5.1应用和特点 1. 应用 它为自动化工程项目的所有阶段提供如下方便使用的功能：硬件和通信的规划、配置和参数的赋值；用户编程；文件编制；系统测试、起动、服务；过程控制；归档。 2. 特点采用多种标准 共享数据管理 工具系统集成化 开放化的系统 可重用的程序段 集成的诊断功能 返回本节返回本节2.5.2 工业软件的类型 1. 标准工具 标准工具是SIMATIC S7/M7/C7自动化系统进行编程的基础，SIMATIC系列标准工具及其适用范围如表3.12所示。 2. 工程工具 工程工具主要包括： 编程员用的高级语言； 技术专家用的图形语言； 诊断、仿真、远程维护和工厂文件编制等用的辅助软件。 3. 运行软件 运行软件种类很多，以下是几个常用的运行软件： 1）SIMATIC S7的控制，例如：标准控制、模块化和模糊控制系列软件； 2）将自动化系统连接到Windows应用程序的程序接口工具； 3）SIMATIC M7的实时操作系统。 4. 人机接口 人机接口包括： 操作员面板和系统组态用的软件，如Protool和Protool/Life等； 用于过程诊断的可选软件包ProAgent； Windows 95/NT用的高性能可视化工具系统WinCC。返回本节返回本节本章到此结束 本章重点： 1.掌握PLC的定义 2.掌握PLC的工作原理返回本章首页返回本章首页结结 束束