1、 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 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。6.1 SIMATIC 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
2、 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
3、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 几乎包含了西门子 PLC 所有的性能，而且在小型 PLC 中具有较强的代
4、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。6.1.2 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第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 103103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 PL
5、C 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。图 6.1 S7-200 系列 PLC 系统基本构成(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 CPU 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
6、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，模拟量扩展单元可十分方便地与 CPU 单元连接，
7、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)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，能够在执行程序电器与 PLC 控制技术 104 104 的过程中修正参数，或直接设置输入
8、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、
9、数据或组态结果，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。6.2 SIMATIC S7-200 系列 PLC 模块性能简介 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。6.2.1 CPU 模块 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。上端子排包括
10、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 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 105105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
11、，电位器的旋转可改变内部特殊存储器中的值，从而对程序运行产生影响。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
12、 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-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。(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
13、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 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)CPU22
14、6 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)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
15、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 30kHz 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电器与 PLC 控制技术 106 106 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
16、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，便于适应复杂的工业环境。(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 特 性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 外形尺寸/mm 908062 9080
17、62 120.58062 1408062 1908062 功耗/W 4W 4W 8W 8W 11W 本机数字量 I/O 数量 6/4 8/6 14/10 14/10 24/16 本机模拟量 I/O 数量 0 0 0 2/1 0 允许扩展模块数量 0 2 7 7 7 允许扩展智能模块数量 0 2 7 7 7 高速计数器数量 单相频率 两相频率 4 4 个 30kHz 2 个 20kHz 4 4 个 30kHz 2 个 20kHz 6 6 个 30kHz 4 个 20kHz 6 4 个 30kHz 2 个 200kHz 3 个 20kHz 1 个 100kHz 6 6 个 30kHz 4 个 20
18、kHz 脉冲输出频率 2 个 20kHz(DC)2 个 20kHz(DC)2 个 20kHz(DC)2 个 100kHz(DC)2 个 20kHz(DC)模拟电位器个数 1个8位分辨率 1个8位分辨率 1个8位分辨率 2个8位分辨率 2个8位分辨率 脉冲捕捉输入/个 6 8 14 14 24 程序空间/B 2048 2048 4096 6144 4096 数据空间/B 1024 1024 2560 5120 2560 RS-485 通信接口数/个 1 1 1 2 个 2 每网络最大连接站数/个 126 126 126 126 126 掉电保存时间(超级电容)/小时 50 50 100 100
19、100 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 107107(续)特 性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224XP CPU226 实数运算时间/指令/s 100400 100400 100400 100400 100400 指令执行速度/s 0.37 0.37 0.37 0.37 0.37+5V 扩展I/O模块 电源/mA 0 340 660 660 1000 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
20、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。继电器型输出电源为范围较宽的交流，单口驱动能力达到 2A，但不能输出高速脉冲，而且输出有 10ms 的延迟，所以多用于直接驱动。图 6.3 晶体管型和继电器型 CPU 模块输出电路结构图 表 6-2 晶体管型和继电器型 CPU 主要区别 输出类型 晶体管型 继电器型 电源电压 20.4V28.8V DC 85V264V AC 输出电压 20.4V28.8V DC 5V30V DC或5V25
21、0V AC 输出电流 0.75A 2A 开关频率(脉冲串输出)20kHz(最大)1Hz 继电器开关延时 10ms 6.2.2 数字量模块 S7-200 系列 PLC 的 CPU 模块上均集成了一定数量的 I/O 接口，能够方便地构成控制系统。但在使用中，实际需要的 I/O 接口数量往往较多，CPU 模块的接口不能够满足要求。例如，在一些流水线上，所需动作多为顺序控制，控制规律不太复杂，但传感器输入较多，电器与 PLC 控制技术 108 108 所需控制的电机或继电器也多，若使用高性能的 PLC 则成本太高。这种情况下，就应考虑CPU 主机模块附加数字量扩展模块的形式，以增加数字量接口为主要目的
22、。1.数字量模块的主要特点(1)数字量扩展模块内部没有中央控制器，所以必须与 CPU 模块相连，使用 CPU 模块的寻址功能，对模块上的 I/O 接口进行控制。(2)数字量扩展模块须由 CPU 模块通过扩展接口提供正常工作所需的+5V DC 电源，其外部不再提供工作电源。(3)数字量扩展模块 I/O 接口所需+24V DC 电源可以由 CPU 模块的传感器电源提供，但受到最大电流的限制，只能为部分接口提供电源，所以常用外部 DC+24V 开关电源为 I/O接口供电。(4)扩展模块秉承了整体式 PLC 的结构特点，也吸收了模块式 PLC 便于扩展的优势，其结构紧凑，与 CPU 模块同宽同高而长度
23、不同，扩展后与 CPU 形成一个整齐的长方体结构，十分方便在控制柜内整体安装。图 6.4 为扩展模块连接示意图。图 6.4 扩展模块连接示意图 2.数字量模块的型号与性能 S7-200 系列 PLC 为方便工程使用，提供了种类丰富的数字量扩展模块，有单独的输入模块 EM221(8 路扩展输入)；有单独的输出模块 EM222(8 路扩展输出)；有 I/O 混合模块EM223(具有 8I/O、16I/O、32I/O 等多种配置)。各不同数字量模块的性能见表 6-3。表 6-3 数字量模块性能一览表 数字量模块型号 EM221 EM222 EM223 输入点数 8点 无 4/8/16点 输出点数 无
24、 8点 4/8/16点 隔离组点数 4点 4点 4点 输入电压 24V DC 30V DC(最大)输出电压 20.4V28.8V DC或 20V250V AC 20.4V28.8V DC或 5V30V DC、5V250V AC 电缆长度(隔离/不隔离)300/500m 150/500m 300/500m 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 109109(续)数字量模块型号 EM221 EM222 EM223 输出类型 DC输出/继电器输出 DC输出/继电器输出 电能消耗(+5V DC)30mA 50mA 40 mA/100 mA/160 mA 3.限制数
25、字量模块扩展数量的几个因素(1)不同的主机最大可扩展模块数量有限，CPU221 不能扩展，CPU222 只能扩展两个模块，CPU224、CPU226 能够扩展 7 个模块。(2)扩展模块消耗的总电流不能超过 CPU 模块能够提供的最大电流。(3)扩展总点数不能大于 I/O 映像寄存器的总数。因为 CPU 模块对数字量的寻址都是以 8 位寄存器为一个单位的，对数字量扩展模块也是相同的。若某一模块的数字量 I/O 不是 8 的整倍数，则余下的空地址也不会分配给其他模块。例如对于 CPU224 模块，本机输入地址为 I0.0I0.7 和 I1.0I1.5，输出地址为 Q0.0Q0.7 和 Q1.0Q
26、1.1。若扩展一个 4输入、4 输出的 EM223 数字量扩展模块，则扩展模块输入地址为 I2.0I2.3，输出地址为Q2.0Q2.3。地址 I1.6I1.7 与 Q1.2Q1.7 都不能与外部接口对应，即它们是未用位。对于输出寄存器中没有使用的位，可以像使用内部存储器标志位一样使用。但对于输入寄存器中没有使用的位，由于每次输入更新时都把未用位清 0，所以不能作为内部存储器标志位使用。6.2.3 模拟量模块 在工业控制系统，尤其是过程控制系统中，以模拟量作为 I/O 信号是常见的。如变频恒压供水系统中，须采用压力变送器将压力信号转换为标准电压或电流信号送入 PLC 中，经过程序运算再由控制器输
27、出模拟量信号到变频器以控制水泵的转速，使供水系统稳定在某一设置压力。其他工业参数，如温度、液位、流量等的控制也必须通过传感器和变送器采集模拟量信号送入 PLC，而驱动伺服电机、电动调节阀等则需要 PLC 输出模拟量信号。在 S7-200 系列 PLC 中，除了 CPU224XP 模块本身自带有模拟量 I/O 接口，其他 CPU模块若要处理模拟量信号，均需扩展模拟量模块。1.模拟量模块的外部接线方式 模拟量模块主要分为 3 种，即模拟量输入模块 EM231(4 路模拟量输入)、模拟量输出模块 EM232(2 路模拟量输出)和模拟量 I/O 组合模块 EM235(4 路模拟量输入、1 路模拟量输出
28、)。下面以组合模块 EM235 为例说明其模拟量 I/O 接线方式。如图 6.5 所示为 EM235 模块模拟量 I/O 接线示意图。24V DC 电源正极接入模块左下方 L+端子，负极接入 M 端子。EM235 模块的上部端子排为标注 A、B、C、D 的四路模拟量输入接口，可分别接入标准电压、电流信号。为电压输入时，如 A 口所示，电压信号正极接入 A+端，负极接入 A-端，RA 端悬空。为电流输入时，如 B 口所示，须将 RB 与 B+短接，然后与电流信号输出端相连，电流信号输入端则接入 B-接口。若 4 个接口未能全部使用，如 C 口所示，未用的接口要将 C+与 C-端用短路子短接，以免
29、受到外部干扰。下部端子为一路模拟量输出端的 3 个接线端子 MO、VO、IO，其中 MO 为数字接地接口，VO电器与 PLC 控制技术 110 110 为电压输出接口，IO 为电流输出接口。若为电压负载，则将负载接入 MO、VO 接口，若为电流负载则接入 MO、IO 接口。图 6.5 EM235 模块模拟量 I/O 接线示意图 在进行接线时应注意以下几点。(1)传感器接线的长度应尽可能短，并使用屏蔽双绞线。(2)敷设线路时应使用电缆槽，避免将导线弯成锐角。(3)避免将信号线与电源线路平行接近布置。(4)使用高质量的 24V DC 传感器电源，以保证无噪声及稳定运行。2.模拟量模块的特点(1)模
30、拟量转换精度高，A/D 转换达到 12 位。EM231 模块单极性输入 0V5V、0V10V、0mA20mA 满量程精度可达0.01%。I/O 数据格式如图 6.6 所示。输入数据格式 F 3 2 1 0 0 数据值12位 0 0 0 MSB 单极性数据 LSB F 4 3 2 1 0 数据值12位 0 0 0 0 MSB 双极性数据 LSB(注：该 12 位数据格式是左对齐的，最高有效位 MSB 为符号位。对单极性格式，0 表示正数，低 3 位无效，A/D 转换的数据值每变化 1 个单位则数据字的变化为 8。对双极性格式，低 4 位无效，A/D 转换的数据值每变化 1 个单位则数据字的变化为
31、 16。)图 6.6 模拟量 I/O 数据格式 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 111111输出数据格式 F 3 2 1 0 0 数据值12位 0 0 0 MSB 电流输出数据格式 LSB F 4 3 2 1 0 数据值12位 0 0 0 0 MSB 电压输出数据格式 LSB(注：数字量到模拟量的转换的 12 位数据的数据格式是左对齐的，最高有效位 MSB 为符号位，0 表示正数，电流输出数据格式的低 3 位和电压输出数据格式的低 4 位不影响输出信号值。)图 6.6(续)(2)有多种量程输入范围，可通过 DIP 开关进行设置。如图 6.7 所示。图
32、 6.7 EM235 的配置 DIP 设置开关 开关 1开关 6 可设置模拟量输入范围和分辨率，见表 6-4。表 6-4 EM235 模拟量输入范围和分辨率开关表 单极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 满量程输入 分辨率 ON OFF OFF ON OFF ON 0mV50mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF ON 0mV100mV 25V ON OFF OFF OFF ON ON 0mV500mV 125V OFF ON OFF OFF ON ON 0V1V 250V ON OFF OFF OFF OFF ON 0V5V 1.25V ON OFF OFF O
33、FF OFF ON 0mV20mA 5V OFF ON OFF OFF OFF ON 0V10V 2.5mV 双极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 满量程输入 分辨率 ON OFF OFF ON OFF OFF 25mV 12.5V OFF ON OFF ON OFF OFF 50mV 25V OFF OFF ON ON OFF OFF 100mV 25V ON OFF OFF OFF ON OFF 250mV 125V 电器与 PLC 控制技术 112 112(续)双极性 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 满量程输入 分辨率 OFF ON OFF OFF ON
34、 OFF 500mV 250V OFF OFF ON OFF ON OFF 1V 500V ON OFF OFF OFF OFF OFF 2.5V 1.25mV OFF ON OFF OFF OFF OFF 5V 2.5mV OFF OFF ON OFF OFF OFF 10V 5mV 若所有输入设置成相同的模拟量输入范围和格式，则可通过开关 1 到开关 6 设置单/双极性、增益和衰减，具体设置见表 6-5。表 6-5 EM235 选择单/双极性、增益和衰减 EM235的DIP开关 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 单/双极性 增益 衰减 ON 单极性 OFF 双极性 OFF O
35、FF 1 OFF ON 10 ON OFF 100 ON ON 无效 ON OFF OFF 0.8 OFF ON OFF 0.4 OFF OFF ON 0.2 (3)输入接口带有模拟量输入滤波器，用以提高模拟量输入精度。滤波器包括模拟滤波器和数字滤波器。模拟滤波器以 RC 网络为主，如图 6.8 所示。数字滤波器为滑动平均滤波方式，使用超过 64 个采样值求平均值。图 6.8 单路模拟量输入接口滤波器(4)可对模拟量输入接口进行校准和配置位置。(5)数据采集速度高，模块可将模拟量信号在149V 内转换为相应的数字量信号。由第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构
36、成 113113于输入信号是由多路开关依次采集的，所以采集周期也要加到转换时间中。同时数字滤波器的平均值求取所使用的采样值数量越多，处理速度越慢。所以典型转换时间为小于250s。3.模块主要性能 模块主要性能见表 6-6。表 6-6 模块主要性能一览表 性 能 EM231 EM232 EM235 物理量I/O数量 4路模拟量输入 2路模拟量输出 4路模拟量输入、1路模拟量输出 L+电压范围 DC传感器供电 20.4V28.8V 20.4V28.8V 20.4V28.8V 通 用 技 术 规 范 LED指示器 ON：24V电源良好 OFF：无24V电源 ON：24V电源良好 OFF：无24V电源
37、 ON：24V电源良好 OFF：无24V电源 数据字格式 双极性：全量程 单极性：全量程 -3200032000 032000 -3200032000 032000 最大输入电压 30V DC 30V DC 最大输入电流/mA 32 32 分辨率 12位A/D转换 12位A/D转换 输入类型 差分 差分 输入范围 电压：单极性 电压：双极性 电流 0V5V、0V10V 5V、2.5V 0mA20mA 0V5V、0V10V 0V1V、0mV500mV 0mV100mV、0mV50mV 10V、5V、2.5V、1V、500mV、250mV 100mV、50mV 25mV 0mA20mA 输 入 技
38、 术 规 范 模拟量到数字量的转换时间/s 250 250 电器与 PLC 控制技术 114 114(续)性 能 EM231 EM232 EM235 电压输出范围/V 10 10 电流输出范围/mA 0mA20mA 0mA20mA 全量程分辨率 电压 电流 12位 11位 12位 11位 精度 典型情况(25)电压、电流 满量程的0.5%满量程的0.5%设置时间 电压输出/s 电流输出/ms 100 2 100 2 输 出 技 术 规 范 最大驱动 电压输出 电流输出 最小5k 最大500 最小5k 最大500 4.扩展 I/O 寻址问题 数字量扩展模块与模拟量扩展模块均属于对 CPU 模块
39、I/O 的扩展，所以 CPU 模块会对两种模块的 I/O 进行统一寻址。S7-200 系列 PLC 对数字量扩展模块与模拟量扩展模块的寻址是分开的，即不论排列顺序如何，数字量扩展模块的寻址是连续的，模拟量扩展模块的寻址也是连续的，其地址互不影响。表 6-7 所示为典型 I/O 扩展应用。表 6-7 典型 I/O 扩展应用 扩展模块0 扩展模块1 扩展模块2 扩展模块3 扩展模块4 CPU224 EM223(4I/4O)EM221(8I)EM235(4AI/1AO)EM222(8O)EM235(4AI/1AO)过程映像区I/O寄存器分配地址 I0.0 Q0.0 I0.1 Q0.1 I0.2 Q0
40、.2 I0.3 Q0.3 I0.4 Q0.4 I0.5 Q0.5 I0.6 Q0.6 I0.7 Q0.7 I1.0 Q1.0 I1.1 Q1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I2.0 Q2.0 I2.1 Q2.1 I2.2 Q2.2 I2.3 Q2.3 I3.0 I3.1 I3.2 I3.3 I3.4 I3.5 I3.6 I3.7 AIW0 AQW0 AIW2 AIW4 AIW6 Q3.0 Q3.1 Q3.2 Q3.3 Q3.4 Q3.5 Q3.6 Q3.7 AIW8 AQW4 AIW10 AIW12 AIW14 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬
41、件构成 1151156.2.4 温度测量模块 温度是各种工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。为在工业中方便地得到经过热电偶或热电阻传感器转换的温度参数，S7-200 系列 PLC 特配有 EM231 热电偶模块和热电阻模块，可直接与热电偶或热电阻连接，相当于将变送器与 A/D 转换模块合为一体。1.EM231 热电偶和热电阻模块端子的连接 如图 6.9 所示，热电偶模块与热电阻模块的接线端子与接线方式有较大区别。一个热电偶传感器输入只需连接两个接口，屏蔽层接地。一个热电阻传感器输入需要 4 个接口，屏蔽层接地。图 6.9 热电偶模块与热电阻模块端子接线图 2.模块组态 热电偶和热
42、电阻的型号繁多，为使模块适应不同型号的热电偶、热电阻传感器，模块下部端子盖板下专门设置了 8 个 DIP 开关。通过对 DIP 开关通断的不同组合，适应不同的传感器。(1)热电偶模块组态(其中 DIP 开关 SW4 为以后应用保留，一般位置为 0(下)，见表 6-8和表 6-9。表 6-8 热电偶类型选择 热电偶类型 SW1 SW2 SW3 J(默认值)0 0 0 K 0 0 1 T 0 1 0 E 0 1 1 R 1 0 0 S 1 0 1 N 1 1 0+/-80mV 1 1 1 电器与 PLC 控制技术 116 116 表 6-9 热电偶其他设置 DIP开关 功 能 开/关状态 正向标定
43、 0 SW5 熔断方向 负向标定 1 启动断线检测电流 0 SW6 断线 禁止断线检测电流 1 摄氏()0 SW7 测量单位 华氏()1 冷端补偿启用 0 SW8 冷端启用 冷端补偿禁止 1 (2)热电阻模块组态。通过设置 DIP 开关 SW1-5 选择热电阻类型，由于型号较多，这里不再详细列表，见表 6-10。表 6-10 热电阻其他设置 DIP开关 功 能 开/关状态 正向标定 0 SW6 熔断传感器的极性 负向标定 1 摄氏()0 SW7 测量单位 华氏()1 3线 0 SW8 接线方式 2线或4线 1 3.安装注意事项(1)尽量将热电偶和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方，否则会引起附
44、加误差。(2)在一个模块中只能使用一种类型的热电偶或热电阻。(3)模块上所有标注为“地”的端子在内部都是相连的。为提高抗干扰性能，可将屏蔽线的屏蔽层与接地端子连接。(4)若热电偶模块的输入通道有一个未用，必须将这个不用的输入通道短路或并行连接到另一个通道。若热电阻模块的输入通道有一个未用，需在没有使用的输入通道接入一个电阻。这样可以避免由于悬浮输入所造成的有效输入通道阻塞问题。(5)需将电源连接端子的地端连接到邻近机柜的地面。(6)热电阻模块有 3 种接线方式，如图 6.10 所示。由于热电阻电路对电阻变化敏感，第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成 117
45、117所以若接线时线路长短不同，则对测温精度有所影响。所以精度最高的是 4 线连接方式。(7)接线时模块与传感器之间的导线长度不能超过 100 米。图 6.10 热电阻模块连接热电阻的 3 种方式 6.2.5 智能接口模块 智能接口模块是指本身带有 CPU 单元，能够自行处理数据并完成一定功能的模块。在S7-200 系列 PLC 中，智能接口模块主要是特殊功能模块，如定位模块 EM253、调制解调器模块 EM241 及 PROFIBUS DP 模块 EM277。下面逐一介绍 3 种模块。1.定位模块 EM253 EM253 定位模块是 S7-200 系列 PLC 的特殊功能模块，它与 S7-2
46、00 系列的 CPU 模块通过 I/O 扩展电缆通信，其组态信息存储在 CPU 模块的 V 存储区中。CPU 模块在输出的过程映像区中 Q 区保留了 8 位作为位控模块的接口，应用程序可以使用这些位来控制位控模块的操作。这 8 个输出位与位控模块上的任何物理输出都不相连，只通过扩展的 I/O总线交换数据。为了简化应用程序中位控功能的使用，STEP 7-Micro/WIN 提供了位控向导，利用此向导可在几分钟内完成对位控模块的组态。STEP 7-Micro/WIN 还提供一个控制面板，可以控制、监控和测试位控操作。1)定位模块 EM253 的 I/O 接口 如表 6-11 所示，定位模块提供 5
47、 个数字输入和 4 个数字输出与被控设备相连，通过I/O 的组态，位控模块能够自动产生速度或位置控制所需的脉冲串，用于步进电机或伺服电机的速度和位置的开环控制，同时可利用 I/O 点对电机的运行状态检测或进行控制。表 6-11 位控模块的输入和输出 信 号 描 述 STP STP 输入可让模块停止脉冲的生成，在位控向导中可选择所需要的STP操作 RPS RPS参考点切换输入可为绝对移动操作建立参考点或HOME位置 ZP ZP零脉冲输入可帮助建立参考点或HOME位置，通常电机驱动器/放大器每周产生一个ZP脉冲 数字输入 LMT+LMT-LMT+和LMT-是移动位置的最大限制，位控向导中可以组态L
48、MT+和LMT-输入open drain transistor 电器与 PLC 控制技术 118 118(续)信 号 描 述 P0 P1 P0+P0-P1+P1-P0 和P1 是漏型晶体管输出，用于控制电机的移动和方向。P0+P0-以及P1+P1-是差分脉冲输出，与P0和P1的功能一样但所提供的信号质量更好。漏型输出和差分输出同时有效时，可以根据电机驱动器/放大器的接口要求来选择使用哪种输出 DIS DIS是一个漏型输出，用来禁止或使用电机驱动器/放大器 数字输出 CLR CLR是一个漏型输出，用来清除伺服脉冲计数器 2)定位模块 EM253 的主要特点(1)可提供从每秒 12 个脉冲至每秒
49、200 000 个脉冲的大范围高速控制脉冲。(2)支持急停 S 曲线或线性的加速减速功能。急停 S 曲线是通过设置急停时间来减小电机加速和减速时的速度改变率来平滑启动和停止时的控制，以改善位置控制的性能(减小高速时由于惯性产生的位置过冲现象)。(3)在测量系统的组态中，既可以使用工程单位如英寸或厘米，又可以使用脉冲数。(4)提供可组态的 backlash 补偿。(5)支持绝对、相对和手动的位控方式。(6)提供连续操作。(7)提供多达 25 组的移动包络，每组最多可有 4 种速度。移动包络实际就是电动机运行时所定义的运动轨迹。(8)提供 4 种不同的参考点寻找模式，每种模式都可对起始的寻找方向和
50、最终的接近方向进行选择。(9)提供可拆卸的现场接线端子，便于安装和拆卸。2.调制解调器模块 EM241 调制解调模块 EM241 可以直接将 S7-200 系列 PLC 连到一个模拟电话线上，并且支持S7-200 与 STEP 7-Micro/WIN 的通信，即利用装有 STEP 7-Micro/WIN 系统程序的计算机可以通过该模块用电话线路远程控制 S7-200 系列 PLC。该调制解调模块还支持 Modbus 从站RTU 协议，通过扩展 I/O 总线实现通信。STEP 7-Micro/WIN 中提供了一个调制解调扩展向导，它可以帮助设置一个远端的调制解调器或者通过设置将 S7-200 连
