西门子S7-200系列PLC的结构原理及选用方法

■应知点:

1.了解PLC的基本组成与工作原理。

2.了解西门子S7－200系列PLC的构造、工作原理、功能特点和技术参数。

■应会点:

1.掌握PLC各组成部分的功能。

2.掌握西门子S7－200系列PLC的常用指令、编程技巧、选型及应用。

一、任务简述

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是一种专门为工业环境下应用而设计的具有计算机功能的电子装置。可执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入和输出，使外围设备与工业控制系统形成一个整体，实现对各类机械或生产过程的控制。

PLC具有大规模、高速度、高性能、高可靠性、抗干扰能力强、编程简单直观、控制功能强、易于安装和维护等优点，从而使PLC快速步入产品系列化。目前常用的品牌有A－B、GE－Fanuc、西门子、施耐德、三菱、欧姆龙等。PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，成为当代电控装置的主导。由于其价格越来越低、功能越来越强，使得其应用越来越广泛，能够实现开关量逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信联网等功能。

在众多PLC产品中，西门子SIMATIC S7－200系列PLC性价比优越，功能强大，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使其可独立运行，也可连成网络实现复杂控制，在中国市场上占有较大应用份额。同时，西门子PLC产品体系符合现代自动化领域的现场总线技术的发展方向。所以，熟练地掌握PLC与S7－200系列PLC的相关知识是机电一体化技术等专业所必不可少的。

二、相关知识

着重了解PLC的分类、硬件系统的基本组成与工作原理、指令系统及软件编程技巧。

(一)PLC的分类

1.按硬件结构类型分类

按硬件结构主要分为整体式结构、模块式结构、叠装式结构3大类型。

1)整体式结构

整体式又叫单元式或箱体式，它的特点是将PLC的基本部件，如CPU模块、I/O模块和电源等紧凑地安装在一个标准机壳内，组成PLC的一个基本单元或扩展单元。图1－47所示是西门子S7－200整体式PLC外形。

图1－47　PLC整体式结构外形

2)模块式结构

模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、通信模块等。另外用一块带有插槽的母板(实质上就是计算机总线)把这些模块按控制系统需要选取后插到母板上，就构成了一个完整的PLC。这种结构的PLC的优点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便。缺点是体积比较大。图1－48所示是西门子S7－200模块式PLC外形。

图1－48　PLC模块式结构外形

3)叠装式结构

叠装式PLC结构是单元式和模块式相结合的产物。把某个系列的PLC工作单元的外形都制作成一致的外观尺寸，CPU、I/O口及电源也可做成独立的，不使用模块式PLC中的母板，采用电缆连接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装，就成了叠装式PLC。图1－49所示是西门子S7－200叠装式PLC外形。

图1－49　PLC叠装式结构外形

2.按应用规模及功能分类

PLC按规模可分为超小型(64点以下)、小型(64~128点)、中型(128~512点)、大型(512~8192点)和超大型(8192点以上)。

PLC按功能分为低档机、中档机及高档机。

(二)PLC系统组成及工作原理

PLC主要由硬件系统和软件系统组成，它与计算机有类似的系统结构和工作原理。

1.PLC硬件系统基本组成

PLC硬件系统由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O接口)、电源(开关式稳压电源)4部分组成，其硬件系统组成如图1－50所示。

图1－50　PLC最小硬件系统组成框图

2.PLC硬件系统各部分的功能

1)中央处理单元(CPU)

CPU是PLC的核心部件。小型PLC多用8位微处理器或单片机，中型PLC多用16位微处理器或单片机，大型PLC多用32位微处理器或单片机。

CPU是PLC控制系统的运算及控制中心，它按照PLC的系统程序所赋予的功能完成以下任务:

(1)控制从编程器输入的用户程序和数据的接收与存储。

(2)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。

(3)用扫描的方式接收输入设备开关量信号和模拟量信号。

(4)执行用户程序，输出控制信号。

(5)与外部设备或计算机通信。

2)存储器(RAM、ROM)

PLC的存储器有系统存储器和用户存储器两大类。存储器用来储存系统程序、用户程序与数据。

(1)系统存储器。PLC中系统存储器使用可擦写只读存储器EPROM，用于存放系统程序。

(2)用户存储器。用户存储器通常由用户程序存储器和功能存储器组成。

①用户程序存储器。用户程序存储器一般用随机存储器RAM，存放用户程序。用户程序调试好以后可固化在可擦写只读存储器EPROM或电可擦写只读存储器E2 PROM中。

②功能存储器。功能存储器用随机存储器RAM，存放PLC运行中的各种数据，如I/O状态、定时值、计数值、模拟量和各种状态标志的数据。

3)电源

PLC配有开关式稳压电源，对PLC内部硬件系统进行供电。与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻。有些机型还可向外提供24 V DC的稳压电源，用于对外部传感器供电。这就避免了由于电源污染或使用不合格电源产品引起的故障，使PLC系统的可靠性大大提高。

4)通信接口

通信接口是PLC与外界进行交换信息和写入程序的通道，S7－200系列PLC的通信接口类型采用的是RS－485。

5)输入接口

输入接口用来完成输入信号的引入、滤波及电平转换。输入接口电路的主要器件是光耦合器。光耦合器可进行高低电平(24 V/5 V)转换，提高PLC的抗干扰能力和安全性能。

6)输出端口

PLC的输出端口有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种形式，如图1－51所示。

图1－51　PLC输出接口电路

(a)继电器输出；(b)晶体管输出；(c)晶闸管输出

输出接口电路的技术指标如表1－4所示。

表1－4　输出接口电路的技术指标

3.PLC的工作原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户所规定的任务。具体地讲，PLC工作的全过程运行框图如图1－52所示，整个运行可分为3部分:

图1－52　PLC工作全过程运行框图

第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器的更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错，当检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强置为STOP方式，所有的扫描停止。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段，如图1－53所示。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

图1－53　PLC从输入到输出信号传递过程框图

1)输入采样阶段

PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执行阶段，在程序执行阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

2)程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右，先上后下的步序语句逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映像寄存器“读入”对应元件映像寄存器的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件(输出“软继电器”的状态)会随着程序执行过程而变化。

3)输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

4.PLC软件系统

PLC软件系统分为系统软件和应用软件两部分。系统软件主要提供PLC系统的运行、编辑、调试、管理、故障诊断和组态系统等功能。应用软件主要是设计人员根据控制系统的工艺控制要求，通过PLC编程语言编制的各种应用程序。

对S7－200系列PLC来说，配套的软件主要有STEP7－Micro/WIN32编程软件和HMI人机界面组态编程软件ProTool、WinCC flexible。

应用程序的编制需使用PLC生产厂方提供的编程语言，虽然各国PLC的编程语言不完全相同，但其发展过程有类似之处，PLC的编程语言及编程工具差异不大。根据国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准(IEC1131－3)，一般常见的有以下5种编程语言:梯形图(LAD)编程语言、指令表(STL)编程语言、功能块图(FBD)编程语言、顺序功能图(SFC)编程语言和结构文体(ST)编程语言。

1)梯形图(LAD)

梯形图(LAD)编程语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。它的许多图形符号与继电器控制系统电路图有对应关系，如表1－5所示。

表1－5　PLC图形符号与继电器控制系统电路图对应关系

PLC梯形图的一个关键概念是“能流”，是一种假想的“能量流”，引入“能流”概念是为了和继电器—接触器控制系统相比较，告诉人们如何来理解梯形图各输出点的动作，实际上并不存在这种“能流”。内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时需要与原有继电器控制的概念区别对待。

2)指令表(STL)

指令表也叫语句(Statement List)，它类似于计算机中的助记符语言，是PLC最基础的编程语言。所谓指令表编程，是用一系列的指令表达程序的控制要求。

一条典型指令往往由两部分组成:一部分用来代表PLC的某种操作功能的特定字符，如图1－54中的“LD”，称为助记符；另一部分为操作数或称为操作数的地址，如“I0.1”。指令与梯形图有一定的对应关系，如图1－54所示。

图1－54右边是指令表，图中LD指令为常开触点与左侧母线相连接，O指令为常开触点与其他程序段相并联，AN指令为常闭触点与其他程序段相串联，“＝”指令为将运算结果输出到某个继电器，I0.1、I0.2中I为输入继电器，后面数字为编号，Q1.1中Q为输出继电器，后面数字为编号，M0.3中M为内部标志位，也称位存储区，类似于继电器—接触器系统中的中间继电器。

指令表编程的特点是:采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计；与梯形图有一一对应关系等特点。其特点与梯形图语言基本一致。

3)功能块图(FBD)

功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。该编程语言用类似与门或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。就像电路图一样，它们被“导线”连接在一起。在与控制元件之间的信息、数据流动有关的高级应用场合，FBD是很有用的。图1－55所示是一个功能块图编程语言的表达方式。

图1－54　指令表与梯形图对应关系

图1－55　功能模块图

功能块图编程的特点是:以功能模块为单位，分析理解控制方案简单容易；功能模块是用图形的形式表达功能，直观性强，对于具有数字逻辑电路基础的设计人员来说很容易掌握；对规模大、控制逻辑关系复杂的控制系统来说，由于功能模块图能够清楚地表达功能关系，使编程调试时间大大减少。

图1－56　顺序功能编程语言示意图

4)顺序功能图(SFC)

顺序功能图常用来编制顺序控制类程序，它包含步、动作、转换3个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。顺序功能图体现了一种编程思想，在程序的编制中有很重要的意义。图1－56所示是一个简单的顺序功能编程语言示意图。

顺序功能流程图编程的特点:以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于对用户程序理解；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。

5)结构文本(ST)

为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C等高级编程语言。这种编程方式叫做结构文本。与梯形图相比，结构文本有两大优点:一是能实现复杂的数学运算，二是非常简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序是相当简洁的。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。

结构文本编程的特点:采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高；直观性和操作性较差。

不同型号的PLC编程软件对以上5种编程语言的支持种类是不同的，早期的PLC仅仅支持梯形图编程语言和指令表编程语言。目前的PLC对梯形图、指令表、功能块图编程语言都予以支持，例如，SIMATIC STEP7 MicroWIN V3.2。

(三)S7－200系列PLC

1.S7－200系列PLC系统硬件结构

SIMATIC S7系列PLC家族是西门子公司于1995年推出的新一代产品，S7系列PLC分为S7－200、S7－300和S7－400等小、中、大3个子系列。其中S7－200系列PLC具有紧凑的设计、良好的扩展、低廉的价格等特点，能很好地满足小规模控制系统的要求，适用于不同场合的检测与自动控制，在集散控制系统中能充分发挥强大优势，广泛应用在机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等领域。

如图1－57所示，S7－200系列PLC系统硬件由主机系统、扩展系统、特殊功能模块、相关设备等组成。各部分基本功能如下。

图1－57　S7－200(CPU22X)系列PLC的外形结构

(1)主机系统(主机单元、基本单元或CPU模块):由CPU、存储器、基本I/O点和电源等组成。S7－200 CPU22X系列产品:CPU221模块、CPU222模块、CPU224模块、CPU226模块和CUP226XM模块。

(2)扩展系统(扩展单元、扩展模块):当主机模块I/O基本点数不能满足控制要求时，可带I/O扩展模块；S7－200系列PLC I/O扩展模块产品:数字量输入扩展模块EM221、数字量输出扩展模块EM222、数字量输入/输出扩展模块EM223、模拟量输入扩展模块EM231、模拟量输出扩展模块EM232和模拟量输入/输出扩展模块EM235。

(3)特殊功能模块:当用户需要完成特殊控制任务时，则可增加扩展功能模块，如运动控制模块、特殊通信模块等。S7－200系列PLC特殊功能模块包括调制解调器模块EM241、定位模块EM253、ProfiBus－DP模块EM277、以太网模块CP243和AS－i接口模块CP243－2等。

(4)相关设备:主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。S7－200系列PLC人机操作界面HMI主要有文本显示器TD200、TD400，触摸屏TP170A、TP170B，覆膜键盘显示器OP170A、OP170B、OP77A、OP77B等。

从图1－57可见，S7－200系列PLC外部结构提供了显示、通信、接口和接线端子排等功能部件。

S7－200系列PLC中可提供4种不同的基本型号的8种CPU供选择使用，其输入输出点数的分配如表1－6所示。

表1－6　S7－200系列PLC中CPU22X的基本单元

S7－200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表1－7所示。

表1－7　S7－200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数

2.S7－200系列PLC的主要技术性能

S7－200系列各主机的主要技术性能指标如表1－8所示。

表1－8　S7－200系列各主机的主要技术性能指标

3.S7－200系列PLC的外部连线端子图

外部连线端子是PLC输入、输出及外部电源的连接点，S7－200系列PLC的外部连线端子图基本相同，如图1－58所示。

图1－58　S7－200系列PLC的外部连线端子图

1)底部端子(输入端子及传感器电源)

L＋:内部24 V DC电源正极，为外部传感器或输入继电器供电。

M:内部24 V DC电源负极，接外部传感器负极或输入继电器公共端。

1M、2M:输入继电器的公共端口。

I0.0~I1.5:输入继电器端子，输入信号的接入端。

输入继电器用“I”表示，S7－200系列PLC共128位，采用八进制(I0.0~I0.7，I1.0~I1.7，…，I15.0~I15.7)。

2)顶部端子(输出端子及供电电源)

交流电源供电:L1、N、⊥分别表示电源相线、中线和接地线。交流电压为85~265 V。

直流电源供电:L＋、M、⊥分别表示电源正极、电源负极和接地。直流电压为24 V。

1L、2L、3L:输出继电器的公共端口。接输出端所使用的电源。输出各组之间是互相独立的，这样负载可以使用多个电压系列(如220 VAC、24 VDC等)。

Q0.0~Q1.1:输出继电器端子，负载接在该端子与输出端电源之间。

输出继电器用“Q”表示，S7－200系列PLC共128位、采用八进制(Q0.0~Q0.7，Q1.0~Q1.7，…，Q15.0~Q15.7)。

4.S7－200系列PLC的内部资源

1)软元件

软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是由电子电路和寄存器及存储器单元等组成，其最大特点是寿命长，可以无限次使用。

下面对几种典型的软元件予以介绍。

(1)输入继电器(I)。

输入继电器一般都有个PLC的输入端子与之对应，它用于接收外部的开关信号。当外部的开关信号闭合时，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。

在每个扫描周期的开始，PLC对各输入点信号进行采样，并把采样值送到输入映像寄存器，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。

(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。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，它可以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，并不把输出信号直接送到输出继电器，而只是送到输出映像寄存器，只有在每个扫描周期的末尾才将输出映像寄存器中的结果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寄存器可作他用，用法与输入继电器相同。

(3)通用辅助继电器(M)。

通用辅助继电器的作用和继电器——按触器控制系统中的中间继电器相同。它在PLC中没有输入/输出端与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载。这是与中间继电器的主要区别。它主要起逻辑控制作用。

(4)特殊继电器(SM)。

有些辅助继电器具有特殊功能或用来存储系统的状态变量、有关的控制参数和信息，称其为特殊继电器。用户可以通过特殊标志来沟通PLC与被控对象之间的信息，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。

(5)变量存储器(V)、局部变量存储器(L)。

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。

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。

(6)顺序控制继电器(S)。(https://www.xing528.com)

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。

(7)定时器(T)。

定时器是PLC中的重要编程元件，是累计时间增量的内部器件。电气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具有复杂动作的控制程序。

定时器的工作过程与继电器—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0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得到控制所需的延时时间。

(8)计数器(C)、高速计数器(HC)。

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脉冲电位上升沿(正跳变)的个数；当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常闭触点断开。

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。

(9)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。

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

(10)累加器(AC)。

S7－200系列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)S7－200系列PLC的指令系统

(1)基本指令。

S7－200系列的基本逻辑指令如表1－9所示。

表1－9　S7－200系列的基本逻辑指令

上述基本指令分别用语句表和梯形图介绍如下。

LD、LDN、＝指令梯形图及语句表如图1－59所示。

图1－59　LD、LDN、＝指令梯形图及语句表

A、AN指令梯形图及语句表如图1－60所示。

O、ON指令梯形图及语句表如图1－61所示。

OLD指令梯形图及语句表如图1－62所示。

ALD指令梯形图及语句表如图1－63所示。

S、R指令梯形图及语句表如图1－64所示。

图1－60　A、AN指令梯形图及语句表

(a)梯形图；(b)语句表

图1－61　O、ON指令梯形图及语句表

(a)梯形图；(b)语句表

图1－62　OLD指令梯形图及语句表

(a)梯形图；(b)语句表

图1－63　ALD指令梯形图及语句表

(a)梯形图；(b)语句表

图1－64　指令梯形图及语句表

(a)梯形图；(b)语句表

(2)功能指令。

一般的逻辑控制系统用软继电器、定时器和计数器及基本指令就可以实现。利用功能指令可以开发出更复杂的控制系统，甚至构成网络控制系统。这些功能指令实际上是厂商为满足各种客户的特殊需要而开发的通用子程序。功能指令的丰富程度及其使用的方便程度是衡量PLC性能的一个重要指标。

S7－200的功能指令很丰富，大致包括几方面:算术与逻辑运算、传送、移位与循环移位、程序流控制、数据表处理、PID指令、数据格式变换、高速处理、通信及实时时钟等。

功能指令的助记符与汇编语言相似，但S7－200系列PLC功能指令毕竟太多，一般情况下可不必准确记忆其详尽用法，需要时查阅产品手册即可。

三、应用实施

前一部分介绍了PLC的相关知识及常用的S7－200系列PLC，下面将以一个简单彩灯点亮PLC控制系统为例，简单介绍如何使用STEP7－Micro/WIN软件。

1.设计要求

按下按钮SB1，要求红灯点亮，断开时，红灯L1熄灭。

按下按钮SB2，要求绿灯点亮，断开时，绿灯L2熄灭。

2.I/O分配表

I/O分配表如表1－10所示。

表1－10　I/O分配表

图1－65　简单彩灯点亮PLC控制系统图

3.硬件连线图

硬件连线图如图1－65所示。

4.STEP7－Micro/WIN32软件的基本操作

STEP7－Micro/WIN32是西门子公司提供的用于S7－200系列PLC的编程软件，此软件简便易用、界面友好，被业内广泛应用，在后面的任务中，将对其安装、使用及自诊断等方面进行介绍，在此仅对目前需要应用的部分功能进行介绍。

1)STEP7－Micro/WIN32功能简介

STEP7－Micro/WIN32软件主界面如图1－66所示，窗口由菜单栏、工具栏及多种不同功能结构模块组成。

图1－66　STEP7－M icro/W IN32软件主界面

(1)浏览窗格:显示编程特性的按钮控制群组。

检视:选择该类别，包括程序块、符号表、状态图、数据块、系统块、交叉引用及通信显示按钮控制。

工具:选择该类别，显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM 253控制板和调制解调器扩充向导的按钮控制。

注释:当浏览窗格包含的对象因为当前窗口大小无法显示时，浏览条显示滚动按钮，使用户能向上或向下移动至其他对象。

(2)指令树:提供所有项目对象和为当前程序编辑器(LAD、FBD或STL)提供的所有指令的树型视图。

(3)交叉引用:允许使用者检视程序的交叉引用和组件使用信息。

(4)数据块:允许使用者显示和编辑数据块内容。

(5)状态图:允许使用者将程序输入、输出或变量置入图表中，以便追踪其状态。使用者可以建立多个状态图，以便从程序的不同部分检视组件。每个状态图在状态图窗口中有自己的标记。

(6)符号表:全局变量表窗口，允许使用者分配和编辑全局符号(即可在任何POU中使用的符号值，不只是建立符号的POU)。使用者可以建立多个符号表。可在项目中增加一个S7－200系统符号预定义表。

(7)输出窗口:在使用者编译程序时提供信息。当输出窗口列出程序错误时，可双击错误信息，会在程序编辑器窗口中显示对应的网络。

(8)状态条:提供使用者在STEP 7－Micro/WIN32中操作时的操作状态信息。

(9)程序编辑器:包含用于该项目的编辑器(LAD、FBD或STL)的局部变量表和程序视图。

(10)局部变量表:包含使用者对局部变量所作的赋值(即子例行程序和中断例行程序使用的变量)。

2)梯形逻辑编辑器

STEP 7－Micro/WIN32梯形逻辑(LAD)编辑器允许使用者建立与电子线路图相似的程序，如图1－67所示。梯形编程是很多PLC程序员和维护人员选用的方法。

图1－67　梯形图范例

由图形符号代表的各种指令可知，它包括3个基本形式:

3)语句表编辑器

STEP 7－Micro/WIN32语句表(STL)编辑器允许用输入指令助记符的方法建立控制程序。针对语句表编辑器的应用，给出了语句表与对应的梯形图程序范例，如图1－68所示。这种基于文字的概念与汇编语言编程十分相似。CPU按照程序记录的顺序，从顶部至底部，然后再从头重新开始执行每条指令。STL和汇编语言在另一种意义上也很相似。

图1－68　简单梯形图与语句表程序

4)建立通信和下载程序

(1)通信概述。

运行STEP 7－Micro/WIN32，使用PC/PPI电缆连接计算机和PLC，则只需连接电缆，安装STEP 7－Micro/WIN32软件时，在STEP 7－Micro/WIN32中为PC和PLC指定的默认参数即可。建立通信任务按以下步骤进行:

①在PLC和运行STEP 7－Micro/WIN32的个人计算机之间连接一条电缆。

②核实STEP 7－Micro/WIN32中的PLC类型选项是否与实际类型相符。

③如果使用简单的PC/PPI连接，可以接受安装STEP 7－Micro/WIN32时在“设置PG/PC接口”对话框中提供的默认通信协议；否则，在“设置PG/PC接口”对话框中为PC选择另一个通信协议，并核实参数(站址、波特率等)。

④核实系统块的端口标记中的PLC配置(站址、波特率等)，以及修改和下载更改的系统块。

(2)测试通信网络。

①在STEP 7－Micro/WIN32中，单击浏览窗格中的“通讯”图标，或从菜单选择“检视”>“元件”>“通讯”命令，如图1－69所示。

图1－69　检视菜单

②在弹出的“通讯”对话框的右侧窗格，双击显示“双击刷新”的蓝色文字，如图1－70所示。

如果在网络上的个人计算机与设备之间建立了通信，会显示一个设备列表及其模型类型和站址。

STEP 7－Micro/WIN32在同一时间仅与一个PLC通信，会在PLC周围显示一个红色方框，说明该PLC目前正在与STEP 7－Micro/WIN32通信。使用者可以双击另一个PLC，更改为与该PLC通信。

(3)下载程序。

图1－70　“通讯”对话框

在运行STEP 7－Micro/WIN32的PC和PLC之间建立通信后，可以将程序下载至该PLC。请遵循下列步骤。

③根据默认值，初次发出下载命令时，“程序代码块”“数据块”和“CPU配置”(系统块)复选框被选中。如果不需要下载某一特定的块，清除该复选框。单击“确定”按钮，开始下载程序。

图1－71　简单彩灯点亮PLC控制系统梯形图和语句表

④如果下载成功，会弹出一个确认框并显示以下信息:下载成功。

5.使用STEP7－Micro/WIN32软件进行PLC程序编写

根据图1－65，编写简单彩灯点亮PLC控制系统梯形图和语句表如图1－71所示。

四、操作技能考评

通过对本任务相关知识的了解和应用操作实施，对本任务实际掌握情况进行操作技能考评，具体考核要求和考核标准如表1－11所示。

表1－11　任务操作技能考核要求和考核标准

教学小结

1.PLC硬件结构主要由CPU、存储器、I/O接口、通信接口和电源组成，软件系统包括系统程序和用户程序两部分。

2.PLC是专为工业环境应用而设计制造的计算机，在实际应用时，其硬件要根据实际需要进行配置，其软件要根据用户的控制要求进行设计。

3.PLC有多种编程语言，可根据需要选用。但最常用的是梯形图、SFC。PLC编程语言的国际标准是IEC61131－3。

4.S7－200系列PLC属于小型PLC，是整体式结构，除CPU221外，都可以进行I/O和功能模块的扩展。本系列PLC在许多方面，如输入/输出、存储系统、高速处理、实时时钟、网络通信等方面，具有自己的独特功能。

5.S7－200系列PLC的编程语言有3种，即梯形图LAD、语句表STL和功能块图FBD。这几种编程语言都有其特点，最常用的是LAD。功能图在S7－200系列PLC中不能算是一种独立的编程语言，但使用功能图方法编程会给大家带来极大的方便。

思考与练习

1.PLC的最小系统由哪几部分组成?简述各部分的作用。

2.PLC的编程器有哪几种?各有何功能?各用在什么场合?

3.与继电器控制系统相比，PLC控制系统有哪些优点?

4.S7－200系列PLC的硬件系统主要由哪些部分组成?

5.S7－200系列PLC中有哪些软元件?