2.2 SIMATIC S7-200系列PLC及其系统配置

SIMATIC S7-200系列PLC是西门子公司生产的微型可编程控制器，可用于各行各业，不同场合的检测、监测及自动控制。特别是S7-200 CPU22X系列PLC（它是S7-21X系列的替代产品），由于它具有多种功能模块和人机界面可供选择，因此可以很容易地组成PLC网络。同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在采用S7-22X系列PLC来完成控制系统的设计时更加简单，系统的集成非常方便，几乎可以完成任何功能的控制任务。下面就详细讲解一下其特点。

2.2.1 SIMATIC S7－200系列结构特点

S7-200系列PLC系统由基本单元（主机）、I/O扩展单元、功能单元和外部设备等组成。S7-200 PLC基本单元（主机）的结构形式为整体式结构，如图2.11所示为SIMATIC S7-200 224XP的实物图。

实物图解析

（1）机械结构。

塑料外壳，紧凑、坚固。

输入/输出接线方便，易于操作，并带有输入/输出端子保护盖。

PLC上设计有专用的安装孔，可以垂直方向或水平方向安装在标准的DIN导轨上，或直接安装在机架上。

备有专用的接线端子排和DC输入仿真器。

（2）电气结构。

电气安全标准：符合国际上多项电气安全标准并通过ISO 9001质量保证体系认证。

数据安全性：内部所配有的EEPROM可长期存储用户程序和其他重要数据。

内置直流24 V驱动电源，可用于传感器及直流负载供电，输出电流可达180 mA。

为适应不同的应用场合，CPU22X系列可有不同的输入/输出电压和输入/输出方式。

通信能力：本机带有1个RS-485通信/编程口，具有PPI（点到点）通信协议、MPI通信协议（多点接口）和自由方式通信能力。

便于扩展：除了本机所带有的输入/输出点之外，还备有专用的数字量和模拟量扩展模块，可以很方便地对系统进行I/O点扩展。

另外，该机型的CPU能以极快的速度响应中断请求信号（上升沿或下降沿触发）；机内还配有高速计数器和高速脉冲输出，并设有硬件时钟。

2.2.2 S7－200 PLC与编程工具的连接

图2.12所示为一个基本的S7-200 Micro PLC系统的配置。它包括一个S7-200 CPU模块（可带有各种各样的可选扩展模块）、一台个人计算机（PC）及一条通信电缆。整个系统是在STEP 7编程软件下运行的。

系统图解析

（1）S7-200 CPU模块。

S7-200 CPU模块包括一个中央处理单元（CPU）、电源及开关量I/O点，它们被集成在一个紧凑独立的设备中（见图2.12）。

CPU模块上的发光二极管（LED）进行状态显示：表示CPU的工作模式，运行（RUN）或停止（STOP），以及本机I/O点的当前状态，还可显示系统错误。

CPU模块上的EEPROM卡可以存储CPU程序，也可以将一个CPU中的程序传送到另一个CPU中。

CPU模块上的通信端口经通信电缆将S7-200 CPU与编程器（计算机）或其他设备连接起来。

（2）通信电缆。

一条PC/PPI（Point Point Interface，点对点接口）电缆可提供从RS-232口到RS-485口的转换，把个人计算机和S7-200 CPU连接起来。

在图2.12所示的配置中，个人计算机为主机（站地址为0），而S7-200 CPU为从机（站地址为2 ～126，默认地址为2）。

（3）STEP 7 -Micro/WIN 32 3.0版编程软件的运行环境。

运行于个人计算机上并通过标准通信端口进行通信的编程软件STEP 7 -Micro/WIN 32 3.0版是基于Windows的应用软件，支持32位的Windows 95、Windows 98和Windows NT的使用环境，经通信电缆可以对连接到网络上的2 ～31台S7 -200 CPU进行编程。

对PC的要求：CPU 80586或更高的处理器，16 M内存；50 M以上硬盘空间；或是装有STEP 7 -Micro/WIN 32的西门子编程器及Microsoft Windows支持的显示器和鼠标。

2.2.3 CPU模块及技术指标

S7-200系列PLC总共有4个不同的基本型号，分别是CPU221型、CPU222型、CPU224型、CPU226型PLC，各个基本型号见图2.13 ～图2.16。这4个基本型号又有8种CPU供选择，其具体性能和参数见表2.1。

示意图解析

CPU221型PLC集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6 KB程序和数据存储空间。4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出。1个RS -485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

示意图解析

CPU222型PLC集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块。6 KB程序和数据存储空间。4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出。1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。

示意图解析

CPU224型PLC集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13 KB程序和数据存储空间。6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。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。

示意图解析

CPU226型PLC集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。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。13 KB程序和数据存储空间。6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。I/O端子排，可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，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。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。

2.2.4 CPU模块端子连接

由于各个型号的CPU，其模块端子的连接方式不都相同，所以这里对各个型号CPU进行单独介绍。首先介绍一下CPU221端子的连接，如图2.17所示。

示意图解析

实际元件值可能有变更。

把AC线连到L端（适用于120/240 V AC电源）。

可接受任何极性。

可选接地。

其次介绍的是CPU222 CN端子的连接，如图2.18所示。

示意图解析

实际元件值可能有变更。

把AC线连到L端（适用于120/240 V AC电源）。

可接受任何极性。

可选接地。

第3介绍CPU224 CN端子的连接，如图2.19所示。

示意图解析

实际元件值可能有变更。

把AC线连到L端（适用于120/240 V AC电源）。

可接受任何极性。

可选接地。

第4介绍的是CPU224 XP端子的连接，如图2.20所示。

示意图解析

实际元件值可能有变更。

把AC线连到L端（适用于120/240 V AC电源）。

可接受任何极性。

可选接地。

第5介绍CPU226 CN端子的连接，如图2.21所示。

示意图

示意图解析

实际元件值可能有变更。

把AC线连到L端（适用于120/240V AC电源）。

可接受任何极性。

可选接地。

2.2.5 S7－200扩展模块及技术指标

为了更好地满足不同复杂工程场地应用的要求，S7 -200还提供了多种类型的扩展模块。用户可以利用这些扩展模块完善CPU的功能。表2.2列出了当前S7 -200 PLC现有的扩展模块。

1. 数字量扩展模块

SIMATIC S7-200 PLC的数字量扩展模块面板示意图如图2.22所示。

示意图解析

（1）S7-200 PLC系列目前总共可以提供3大类，共10种数字量输入/输出扩展模块。

输入扩展模块EM221有两种类型，包括8点24 V DC输入，光耦隔离；16点24 V DC输入，光耦隔离。

输出扩展模块EM222CN有两种类型，包括8点24 V DC输出型，8点继电器输出型。

输入/输出扩展模块EM223有6种类型，包括24 V DC 4入/4出，24 V DC 4入/继电器4出。24 V DC 8入/8出，24 V DC 8入/继电器8出，24 V DC 16入/16出，24 V DC 16入/继电器16出。

（2）用户选用具有不同I/O点数的数字量扩展模块，可以满足不同的控制需要，节约投资费用。系统规模扩大后，增加I/O点数也很方便。用户可选用8点、16点或32点的数字量输入/输出模块，除CPU221外，其他CPU模块均可配接多个扩展模块，连接时CPU模块放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的模块相连。

2. 模拟量扩展模块

SIMATIC S7-200 PLC的模拟量扩展模块面板示意图如图2.23所示。

示意图解析

（1）模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换和D/A转换。在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如晶闸管调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。被控变量首先被传感器或变送器转换为标准的电流或电压信号，如4 ～ 20 mA、1～5 V、0 ～10 V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。这些数字量可能是二进制的，也可能是十进制的，带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。D/A转换器将PLC的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行器。这一控制过程同其他计算机控制系统如出一辙。

（2）A/D、D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，这是模拟量输入/输出模块的一个重要性能指标，而它的另一个重要指标是转换时间。

（3）S7-200有3种模拟量扩展模块。S7-200的模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。模拟量输入、输出有多种量程供用户选用，如0 ～ 100 mV、0 ～ 5 V、0 ～10 V、0 ～20 mA、± 100 mV、± 5 V、± 10 V等。量程为0 ～10 V时的分辨率为2.5 mV。

（4）A/D转换的时间小于250 μs，模拟量输入的阶跃响应时间为1.5 ms（达到稳态值的95%时）。单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0 ～32000，双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32 000 ～ +32 000。输入阻抗大于等于10 MΩ。

（5）模拟量输出的量程有± 10 V和0 ～20 mA两种，对应的数字量为-32000 ～ +32 000或0 ～32 000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位，25℃时的精度为 ± 0.5%。电压输出和电流输出的稳定时间分别为100 μs和2 ms。最大驱动能力如下：电压输出时负载电阻最小为5 kΩ，电流输出时负载电阻最大为500 Ω。

3. 热电偶、热电阻扩展摸块

SIMATIC S7 -200 PLC的热电偶、热电阻扩展摸块面板示意图可参见图2.23。

（1）EM231热电偶、热电阻模块具有冷端补偿电路，如果环境温度迅速变化，则会产生额外的误差，建议将热电偶和热电阻模块安装在环境温度稳定的地方。热电偶输出的电压范围为± 80 mV，模块输出15位加符号位的二进制数。

（2）EM231热电偶模块可用于J、K、E、N、S、T和R型热电偶，用户用模块下方的DIP开关来选择热电偶的类型。

（3）热电阻的接线方式有2线、3线和4线3种。4线方式的精度最高，因为受接线误差的影响，2线方式的精度最低。EM231热电阻模块可通过DIP开关来选择热电阻的类型与接线方式、测量单位和开路故障的方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用。

（4）两种模块的采样周期为405 ms（Pt10000为700 ms），重复性为满量程的0.05%。

4. 通信模块

EM277 PROFIBUS-DP通信扩展从站模块用来将S7 -200连接至PROFIBUS -DP网络， EM277模块通过串行I/O总线连接到S7 -200CPU模块，PROFIBUS-DP网络经过DP通信端口连接到EM277模块，这个端口可按9600 bps ～ 12 Mbps之间的PROFIBUS波特率运行。作为从站，EM277模块接收从主站来的I/O配置，向主站发送数据和接收来自主站的数据。EM277可以读写S7 -200 CPU中定义的变量存储区中的数据块，使用户能与主站交换各种类型的数据。类似地，从主站传来的数据存储在PLC的变量存储区后，可以传送到其他数据区。

EM277模块的DP端口可以连接到网络中的一个DP主站上，但是仍能作为一个MPI从站与同一网络的SIMATIC编程器、S7 -300或S7 -400 CPU等其他主站通信。模块共有6个连接，其中的两个分别保留给编程器（PG）和操作员面板（OP）。

5. 通信处理器

SIMATIC NET CP243-2通信处理器是S7-200的AS-i主站，它最多可以连接31个AS-i从站。S7-200可以同时处理两个CP243-2，每个CP243-2的AS-i网络上最多能有124点开关量输入（DI）和124点开关量输出（DO），通过AS-i网络可以增加S7-200的数字量输入、输出的点数。在S7-200的映像区中模块占用一个数字量输入字节（状态字节）、一个数字量输出字节（控制字节）、8个模拟量输入字和8个模拟量输出字。通过用户程序，用状态字节和控制字节设置模块的工作方式，模块可以在CPU的模拟地址区存储AS-i从站的I/O数据或存储诊断数据，或者启动主站的调用，例如改变一个从站地址，通过按钮可以设置连接的所有AS-i从站。

6. 中文显示屏

与西门子PLC主机配套的显示器种类很多，而TD200中文文本显示器是所有S7-200系列最简洁、价格最低的操作界面。而且连接简单，不需要独立电源，只需专用电缆连接到S7-200CPU的PPI接口上即可，如图2.24所示。

实物图解析

TD200文本显示器为液晶显示覆膜键盘结构，如图9.7所示。显示器内置汉字库最多可显示80条信息，可在线修改过程参数，可编程的8个功能键可作为测试时的设置和诊断，也可作为运行时的控制按钮（可以节省8个输入点），可设定实时时钟，提供强制I/O点诊断功能，提供密码保护功能，可选择通信速率，可选择显示信息刷新时间。

TD200显示器用STEP 7-Micro/WIN软件进行编程，不需要其他的参数赋值软件。在S7-200系列的CPU中保留了一个专用区域用于与TD200交换数据，TD200直接通过这些数据区访问CPU的必要功能。

2.2.6 S7－200 CPU的扩展能力

S7-200系列CPU的扩展能力各不相同：CPU221无扩展能力、CPU222最多可扩展两个扩展模块、CPU224最多扩展7个扩展模块、CPU226最多扩展7个扩展模块，如图2.25所示。

示意图解析

CPU的实际扩展能力与所能带的最多模块数有关，同时还取决于CPU的带负载能力，即5 V供电能力，所以CPU224与CPU226虽然都可以带7个扩展，但实际的可扩展I/O点数不同，因为CPU224的5 V供电能力660 mA低于CPU226的1000 mA。

2.2.7 工作模式及选用

S7-200有STOP（停止模式）、RUN（运行模式）和TERM（暂态模式）3种工作模式供选择，并由CPU前面板上LED显示当前的工作模式。

（1）STOP模式时，CPU不执行程序，此时可向CPU下载程序或用编程设备对CPU进行配置、检查和改变部分用户存储器（V存储器）的内容。

（2）RUN模式时，CPU运行程序。

（3）TERM模式时，PLC的“STOP”和“RUN”可由编程设备经通信方式输入命令来改变。这种模式多用于连网的PLC网络或用编程设备调试程序时使用。

S7-200工作模式的选择可以通过硬件方式或软件方式来实现：

（1）硬件方式：使用PLC本机模块上的方式开关手动改变工作模式。方式开关设为TERM或STOP时，若电源掉电，当电源恢复时CPU会自动进入STOP方式；若设为RUN方式，则电源恢复时，CPU会自动进入RUN方式。

（2）软件方式：使用STEP 7 -Micro/WIN 32编程软件工具栏中的功能键改变工作方式（此时，方式开关应置于TERM或RUN的位置）。