3.1.1.1 S7-200 PLC硬件系统

1.硬件系统基本构成

S7-200 PLC硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的I/O点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。

一个实际的S7-200控制系统可由多个模块化的组件和设备组成，系统组成如图3-1所示。

（1）基本单元 基本单元有时又称为CPU模块、主机或本机。它包括CPU、存储器、基本I/O点和电源等，是PLC的主要部分。实际上，它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。

（2）扩展单元 主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I/O点数是由多种因素共同决定的。

（3）特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置。

（4）相关设备 相关设备是为充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。

图3-1 S7-200 PLC系统组成

（5）工业软件 工业软件是为了更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。

2.主机结构及性能特点

（1）主机外形S7-200 PLC的CPU模块外形如图3-2所示。前盖下面有RUN/STOP开关、模拟量电位器和扩展I/O接口。S7-200 PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用，CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接。这种结构形式PLC还配备许多专用的特殊功能模块，例如模拟量I/O模块、热电偶模块、热电阻模块、通信模块等，使PLC的功能得到扩展。

图3-2 S7-200 PLC的CPU模块外形

（2）S7-200 PLC的CPU性能特点S7-200系列小型PLC在功能上发展至今，经历了两代产品：第一代产品的CPU模块为CPU 21×系列，主机都可以进行扩展，它具有四种不同结构配置的CPU，即CPU 212、CPU214、CPU 215和CPU 216，目前已经停止生产。第二代产品的CPU模块为CPU 22×系列，是在21世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通信能力。它具有如下五种不同结构配置的CPU。

1）CPU 221：它有6输入/4输出，I/O共计10点，无扩展能力，程序和数据存储容量较小，有一定的高速计数处理能力，非常适合于少点数的控制系统。

2）CPU 222：它有8输入/6输出，I/O共计14点。和CPU 221相比，它可以进行一定模拟量的控制和2个模块的扩展，因此是应用更广泛的全功能控制器。

3）CPU 224：它有14输入/10输出，I/O共计24点。和前两者相比，存储容量扩大了一倍，它可以有7个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使用得最多的CPU模块。

4）CPU 226：它有24输入/16输出，I/O共计40点，和CPU 224相比，增加了通信口的数量，通信能力大大增强。它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。

5）CPU 226XM：这是西门子公司后来推出的一种增强型CPU模块，它在用户程序存储容量和数据存储容量上进行了扩展，其他指标和CPU 226相同。

S7-200 PLC有传送、移位、循环移位、比较、求补码、调用子程序、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、求平方根、三角函数和PID控制指令等功能。它的主程序采用最多有8级子程序和中断程序的程序结构，用户可以使用1～255ms的定时中断。

S7-200 PLC的电源电压有DC 20.4～28.8V和AC 85～264V两种，主机上还集成了24V直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。它的输出类型有晶体管（DC）、继电器（DC/AC）两种输出方式，仅DC输出型有高速脉冲输出，最高输出频率为20kHz。它可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更短的脉冲信号，实现高速计数。它有2路最高可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电动机和伺服电动机，以实现准确的定位任务。

S7-200 PLC的存储系统由EEPROM和RAM两种类型存储器构成，CPU模块内部配备一定容量的EEPROM和RAM，同时CPU模块支持可选的EEPROM卡，可选的存储器卡可以永久保存程序、数据和组态信息。超级电容和电池模块用于长时间保存数据，用户数据可通过主机的超级电容存储若干天，可选的电池卡保存数据的典型时间值为200天。

3.I/O的扩展

虽然S7-200系列PLC上已提供了一定数量的I/O点，当用户需要多于CPU单元的I/O点数时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。CPU不同，扩展规范也不同，它主要是受CPU的功能限制的。请读者在使用时参考西门子公司的系统手册。

（1）I/O点数扩展模块S7-200的CPU提供一定数量的主机数字量I/O点，但在主机I/O点数不够的情况下，就必须使用扩展模块来扩展I/O点数。典型的数字量I/O扩展模块有：

EM221输入扩展模块有两种：8点DC输入、8点AC输入。

EM222输出扩展模块有三种：8点DC晶体管输出、8点AC输出、8点继电器输出。

EM223 I/O混合扩展模块有六种：分别为4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）DC输出和4点（8点、16点）DC输入/4点（8点、16点）继电器输出。

（2）功能扩展模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块。如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块。

典型的特殊功能模块有：

1）模拟量I/O扩展模块：EM231模拟量输入扩展模块有三种：4路电流/电压输入、2路热电阻输入和4路热电偶输入。

EM232模拟量输出扩展模块具有2路电流/电压输出。

EM235模拟量I/O扩展模块具有4路电流/电压输入和1路电流/电压输出。

2）特殊功能模块：特殊功能模块有EM253位置控制模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块、CP243-2接口模块等。

（3）I/O点数扩展和编址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，可以在CPU右边连接多个扩展模块，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。编址方法是同种类型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CPU 224，系统所需的输入、输出点数各为：数字量输入24点、数字量输出20点、模拟量输入6点和模拟量输出2点。

本系统可有多种不同模块的选取组合，并且各模块在I/O链中的位置排列方式也可能有多种，图3-3所示为其中的一种模块连接形式。表3-1所列为其对应的各模块的编址情况。

图3-3 模块连接方式

表3-1 各模块编址

由此可见，S7-200 PLC系统扩展对I/O的组态规则为：

1）同类型输入或输出点的模块进行顺序编址。从CPU开始算起，I/O点地址从左到右按由小到大的规律排列。

2）对于数字量，I/O映像寄存器的单位长度为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，I/O以2个字节（1个字）递增方式来分配空间。

3.1.1.2 S7-200系列PLC的内部资源及寻址方式

PLC的逻辑指令一般都是针对PLC内某一元器件状态而言的，这些元器件的功能是相互独立的，每种元器件用一定的字母来表示，如I——输入继电器；Q——输出继电器；T——定时器；C——计数器；AC——累加器等，并对这些元器件给予一定的编号，供编程时调用。

1.软元件介绍

（1）输入继电器（I）输入继电器是PLC中专门用来接收从外部敏感元件或开关元件发来的信号。它与PLC的输入端子相连，当外部的开关信号闭合，则输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点闭合、常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。(www.daowen.com)

输入点的状态，在每次扫描周期开始时采样，采样结果以“1”或“0”的方式写入输入映像寄存器，作为程序处理时输入点状态“通”或“断”的根据。PLC在接下来的本周期各阶段不再改变输入映像寄存器中的值，直到下一个扫描周期的输入采样阶段到来。

实际输入点数不能超过这个数量，未用的输入映像区可以供其他编程元件使用，如可以用作通用辅助继电器或数据寄存器，但这只有在寄存器的整个字节的所有位都未占用的情况下才可供其他使用，否则会出现错误的执行结果。

（2）输出继电器（Q）输出继电器一般都有一个PLC上的输出端子与之对应。输出端子是PLC向外部负载发出命令的窗口。当通过程序使得输出继电器线圈得电时，PLC上的输出端开关闭合，作为控制外部负载的开关信号。同时在程序中其常开触点闭合、常闭触点断开。这些触点可以在编程时任意使用，使用次数不受限制。

在每个扫描周期的输入采样、程序执行等阶段，并不把输出结果信号直接送到输出继电器，而只是送到输出映像寄存器上，只有在每个扫描周期的最后，CPU以批处理方式将输出映像寄存器中的内容几乎同时送到输出锁存器，对输出点进行刷新。实际未用的输出映像区可做他用，用法与输入继电器相同。

（3）通用辅助继电器（M）辅助继电器的作用和继电接触器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有I/O接口与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载，只起到中间状态的暂存作用。这是它与输出继电器的主要区别。它主要起逻辑控制作用。

（4）特殊标志继电器（SM）特殊标志继电器提供一些特殊的控制功能及存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息。例如可以读取程序运行过程中的设备状态和运算结果信息，利用这些信息实现一定的控制动作。用户也可通过直接设置某些特殊继电器位来使设备实现某种功能，例如：

SM0.1 首次扫描为1，以后为0，常用来对程序进行初始化，属只读型。

SM0.2 当保持数据丢失时，该位将ON一个扫描周期，该位常作出错标志使用或调用特殊的启动过程。

SM0.3 PLC从加电进入RUN方式时，该位将ON一个扫描周期。

SM0.7 该位指示CPU方式开关位置，ON为RUN方式，OFF为TERM（运行中止）方式。使用它可在RUN方式下启动自由口通信，把开关拨到TERM的位置，可以进行与编程设备的正常通信。

SM1.0 执行某些指令时结果为零，该位为ON。

SM1.1 执行某些指令结果发生溢出时，该位为ON。

SM1.2 当机器执行数学运算的结果为负时，该位被置1，属只读型。

SM1.3 企图用零作除数时的错误标志，则该位为ON。

SM1.4 执行表的加法运算时超出表范围时，该位为ON。

SMB28和SMB29 分别存储模拟调节器0和1的输入值，数值范围为0～255。CPU每次扫描时更新该值，属只读型。在程序中恰当地安排SMB28和SMB29，就可以方便地修改某些设定值。

（5）变量存储器（V） 变量存储器用来存储变量。它可以存放程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也可以使用变量存储器来保存与工序或任务相关的其他数据。在进行数据处理时，变量存储器会被经常使用。

（6）局部变量存储器（L） 局部变量存储器用来存放局部变量。局部变量与变量存储器所存储的全局变量十分相似，主要区别在于全局变量是全局有效的，而局部变量是局部有效的。全局有效是指同一个变量可以被任何程序（包括主程序、子程序和中断程序）访问；而局部有效是指变量只和特定的程序相关联。

S7-200 PLC提供64B的局部存储器，其中60B可以作暂时存储器或给子程序传递参数。主程序、子程序和中断程序都有64B的局部存储器可以使用。不同程序的局部存储器不能互相访问。机器在运行时，根据需要动态地分配局部存储器。在执行主程序时，分配给子程序或中断程序的局部变量存储区是不存在的，当子程序调用或出现中断时，需要为之分配局部存储器，新的局部存储器可以是曾经分配给其他程序块的同一个局部存储器。

（7）顺序控制继电器（S） 有些PLC中，也把顺序控制继电器称为状态器。顺序控制继电器用在顺序控制或步进控制中，具体内容请参阅相关章节。

（8）定时器（T） PLC中的定时器的作用相当于时间继电器，是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。定时器的设定值由程序赋予，自动控制的大部分领域都需要用定时器进行时间控制，灵活地使用定时器可以编制出复杂动作的控制程序。

定时器的工作过程与继电接触器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，使用时要提前输入时间预设值。当定时器的输入条件满足时开始计时，当前值从零开始按一定的时间单位增加；当定时器的当前值达到预设值时，定时器触点动作，利用定时器的触点就可以控制所需的延时时间。

（9）计数器（C） 计数器用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。使用时，要提前输入它的设定值（计数的个数）。当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数达到预设值时，其常开触点闭合、常闭触点断开。重复计数时，要注意复位。

（10）模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ） 模拟量输入电路用以实现模拟量-数字量（A-D）之间的转换，而模拟量输出电路用以实现数字量-模拟量（D-A）之间的转换。

在模拟量I/O映像寄存器中，数字量的长度为1个字长（16位），且从偶数号字节进行编址来存取转换过的模拟量值，如0、2、4、6、8等。编址内容包括元件名称、数据长度和起始字节的地址，如AIW2、AQW4等。

PLC对这两种寄存器的存取方式是不同的，模拟量输入映像寄存器只能进行读取操作，而模拟量输出映像寄存器只能进行写入操作。

（11）高速计数器（HC） 高速计数器的工作原理与普通计数器基本相同，它用来累计比主机扫描速率更快的高速脉冲。高速计数器的当前值是一个双字长（32位）的整数，且为只读值。高速计数器的数量很少，编址时只用名称HC和编号，如HC2。

（12）累加器（AC） S7-200 PLC提供4个32位累加器，分别为AC0、AC1、AC2、AC3。累加器（AC）是用来暂存数据的寄存器。它可以用来存放数据（如运算数据、中间数据和结果数据），也可用来向子程序传递参数，或从子程序返回参数。使用时，只表示出累加器的地址编号，如AC0。累加器可进行读、写两种操作。累加器的可用长度为32位，数据长度可以是字节、字或双字，但实际应用时，数据长度取决于进出累加器的数据类型。

2.CPU存储区域的直接寻址

（1）数据类型

1）数据类型及范围：S7-200 PLC的数据类型可以是字符串、布尔型（0或1）、整型和实型（浮点数）。实数采用32位单精度数来表示。数据类型、长度及范围见表3-2。

表3-2 数据类型、长度及范围

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、美国信息交换标准码（ASCII）或浮点数（实数）等多种形式。几种常数形式见表3-3。

表3-3 常数表示方法

注：1.表中的＃为常数的进制格式说明符，如果常数无任何格式说明符，则系统默认为十进制数。

2.ANSI为美国国家标准学会，现更名为ASA（美国标准协会）；

IEEE为美国电气与电子工程师学会。

（2）直接寻址 S7-200 PLC的存储单元按字节进行编址，无论所寻址的是何种数据类型，通常应指出它所在存储区域内的字节地址。每个单元都有惟一的地址，这种直接指出元件名称的寻址方式称为直接寻址。具体说明如下：

（3）特殊器件的寻址格式 存储区内另有一些元件是具有一定功能的元件，不用指出它们的字节，而是直接写出其编号。这类元件包括定时器（T）、计数器（C）、高速计数器（HC）和累加器（AC）。其中T和C的地址编号中均包含两个含义，如T10既表示T10的定时器位状态信息，又表示该定时器的当前值。

累加器（AC）的数据长度可以是字节、字或双字，使用时，只表示出累加器的地址编号，如AC0，数据长度取决于进出AC0的数据类型。

（4）字节、字和双字的寻址格式 对字节、字和双字数据，直接寻址时需指明元件名称、数据类型和存储区域内的首字节地址。如VB10、VW20、VD30。

可以用此方式进行寻址的元件有输入继电器（I）、输出继电器（Q）、通用辅助继电器（M）、特殊标志继电器（SM）、局部变量存储器（L）、变量存储器（V）、顺序控制继电器（S）、模拟量输入映像寄存器（AI）和模拟量输出映像寄存器（AQ）。

3.CPU存储区域的间接寻址

在直接寻址方式中，直接使用存储器或寄存器的元件名称和地址编号，根据这个地址可以立即找到该数据。

间接寻址方式是指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。存储单元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长度，使编程更加灵活。

可以用指针进行间接寻址的存储区有输入继电器（I）、输出继电器（Q）、通用辅助继电器（M）、变量存储器（V）、顺序控制继电器（S）、定时器（T）和计数器（C）。其中，T和C仅仅是当前值，可以进行间接寻址，而对独立的位值和模拟量值，不能进行间接寻址。