1、S7-200 SMART PLC基础教程重庆大学 廖常初主编第1章 PLC的硬件与工作原理1.1 S7-200 SMART系列系列PLC 1.1.1PLC的基本结构的基本结构 1CPU模块 CPU模块主要由CPU芯片和存储器组成。2I/O模块 I/O模块是输入（Input）模块和输出（Output）模块的简称。输入模块用来采集输入信号，输出模块用来控制外部的负载和执行器。I/O模块还有电平转换与隔离的作用。3编程软件 STEP 7-Micro/WIN SMART用来生成和编辑用户程序，和监控PLC的运行。4电源 S7-200 SMART使用AC 220V电源或DC 24V电源。还可以为输入电路
2、和外部的电子传感器提供DC 24V电源。1.1.2S7-200 SMART的特点的特点 1.S7-200 SMART的亮点 1）品种丰富，配置灵活，10种CPU模块，CPU模块最多60个I/O点，标准型CPU最多可以配置6个扩展模块，经济型CPU价格便宜。2）有4种可安装在CPU内的信号板，使配置更为灵活。3）CPU模块集成了以太网接口和RS-485接口，可扩展一块通信信号板。4）场效应管输出的CPU集成了100kHz的2路或3路高速脉冲输出，集成了S7-200的位置控制模块的功能。5）使用Micro SD（手机存储卡）可以实现程序的更新和PLC固件升级。6）编程软件界面友好，编程高效，融入了
3、更多的人性化设计。7）S7-200 SMART、SMART LINE触摸屏、V20变频器和V80/V60伺服系统完美整合，无缝集成。2先进的程序结构 3灵活方便的存储器结构，大多数存储区可以按位、字节、字和双字读写。4简化复杂编程任务的向导功能 5强大的通信功能 6支持文本显示器和三种系列的触摸屏。7强大的运动控制功能1.2 S7-200 SMART的硬件的硬件1.2.1CPU模块模块 1CPU模块的技术规范 标准型CPU SR20/SR30/SR40/SR60、CPU ST20/ST30/ST40/ST60，可扩展6个扩展模块，SR和ST分别是继电器输出和晶体管输出。经济型的CPU CR40
4、/CR60价格便宜，不能扩展。定时器/计数器各256点。4点输入中断，2个定时中断。CPU SR60/ST60的用户存储器30KB，用户数据区20KB，最大数字量I/O 252点。标准型CPU最大模拟量I/O 36点，4点200kHz的高速计数器，晶体管输出的CPU有2点或3点100kHz高速输出。2CPU模块中的存储器 PLC的程序分为操作系统和用户程序。RAM（随机存取存储器）的工作速度高、价格便宜、改写方便。断电后储存的信息丢失。ROM（只读存储器）只能读出，不能写入。断电后储存的信息不会丢失。EEPROM（可以电擦除可编程的只读存储器）的数据可以读出和改写，断电后信息不会丢失。写入数据
5、的时间比RAM长，改写的次数有限制。用EEPROM来存储用户程序和需要长期保存的重要数据。1.2.2 数字量扩展模块与信号板数字量扩展模块与信号板 1数字量输入电路 有8点输入、8点输出模块，16点、32点输入/输出模块。输出模块有DC 24V和继电器两种。1M是同一组输入点各内部输入电路的公共点。输入电流为数毫安。外接触点接通时，发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；反之发光二极管熄灭，光敏三极管截止，信号经内部电路传送给CPU模块。电流从输入端流入为漏型输入，反之为源型输入。图1-4 输入电路 2数字量输出电路继电器输出电路可以驱动直流负载和交流负载，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，动作速度
6、慢，动作次数有限。场效应管输出电路只能驱动直流负载。反应速度快、寿命长，过载能力稍差。3.信号板SB AQ01：1点模拟量输出信号板。SB DT04：2点数字量直流输入/2点数字量场效应管输出。SB CM01：RS485/RS232信号板。SB BA01：电池信号板，使用CR1025 纽扣电池，保持时间大约一年。1.2.3 模拟量扩展模块模拟量扩展模块 1PLC对模拟量的处理 模拟量输入模块将模拟量转换为多位数字量。模拟量输出模块将PLC中的多位数字量转换为模拟量电压或电流。有4AI、2AO、4AI/2AO、2路热电阻、4路热电偶模块。2模拟量输入模块 EM AE04有4种量程（020mA、1
7、0V、5V和2.5V）。电压模式的分辨率为11位+符号位，电流模式的分辨率为11位。单极性满量程输入范围对应的数字量输出为027648。双极性满量程输入范围对应的数字量输出为27648+27648。3将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量 【例1-1】压力变送器（010MPa）的输出信号为DC 420mA，模拟量输入模块将020mA转换为027648的数字量，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。解：420mA的模拟量对应于数字量553027648，压力的计算公式为 4模拟量输出模块 EM AQ02有10V和020mA两种量程，对应的数字量分别为27648+27648和027
8、648。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为10位+符号位和10位。5热电阻扩展模块与热电偶扩展模块 温度测量的分辨率为0.1C/0.1F，电阻测量的分辨率为15位+符号位。1.2.4 I/O的地址分配与外部接线的地址分配与外部接线 用系统块组态硬件时，编程软件自动地分配各模块和信号板的地址。硬件组态演示1.3 PLC的工作原理的工作原理1.3.1 用触点和线圈实现逻辑运算用触点和线圈实现逻辑运算 用逻辑代数中的1和0来表示数字量控制系统中变量的两种相反的工作状态。线圈通电、常开触点接通、常闭触点断开为1状态，反之为0状态。在波形图中，用高、低电平分别表示1、0状态。图1-7 基本逻辑电路
9、 图1-8 异步电动机主电路、控制电路与波形图 按下起动按钮SB1，电流经SB1和SB2的触点流过KM的线圈。KM的主触点闭合，电动机开始运行。KM的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮，SB1的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2的常闭触点流过KM的线圈。KM常开触点的功能称为“自锁”或“自保持”。图1-9中的继电器电路称为起动-保持-停止电路，简称为起保停电路。逻辑代数式为 逻辑代数式 中的加号表示逻辑“或”，乘号（或*号）表示逻辑“与”，上划线表示逻辑“非”。逻辑运算的规则为先“与”后“或”，括号优先。1.3.2 PLC的工作原理的工作原理 初始化后PLC反复不停地分5个阶段处理
10、各种任务。每次循环的时间称为扫描周期。1.读取输入 外部输入电路接通时,对应的过程映像输入寄存器为ON(1状态),梯形图中对应的常开触点闭合，常闭触点断开。反之过程映像输入寄存器为OFF(0状态）。2.执行用户程序 如果没有跳转指令，CPU逐条顺序地执行用户程序。执行程序时，对输入/输出的读写通常是通过过程映像输入/输出寄存器，而不是实际的I/O点。3.通信处理 4.CPU自诊断测试图1-9 扫描过程示意图 5.改写输出 梯形图中某一输出位的线圈“通电”，对应的过程映像输出寄存器中的二进制数为1，对应的硬件继电器的常开触点闭合，外部负载通电。反之外部负载断电。可用中断程序和立即I/O指令提高P
11、LC的响应速度。8PLC的工作过程举例 在读取输入阶段，SB1和SB2的常开触点的接通/断开状态被读入相应的过程映像输入寄存器。图1-11 PLC外部接线图与梯形图 LDI0.1OQ0.0ANI0.2=Q0.0 2.0IQ0.0)(I0.1 Q0.0 执行第一条指令时，从过程映像输入寄存器I0.1中取出二进制数，存入堆栈的栈顶。执行第二条指令时，从过程映像输出寄存器Q0.0中取出二进制数，与栈顶中的二进制数相“或”，运算结果存入栈顶。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取出过程映像输入寄存器I0.2中的二进制数后，将它取反，与前面的运算结果相“与”后，存入栈顶。执行第四条指令时，将栈顶中的二进制
12、数传送到Q0.0的过程映像输出寄存器。在修改输出阶段，CPU将各过程映像输出寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果Q0.0中存放的是二进制数1，外接的KM线圈将通电，反之将断电。填空题1)PLC主要由 、和 组成。2)继电器的线圈“断电”时，其常开触点 ，常闭触点 。3)外部输入电路断开时，对应的输入过程映像寄存器为 状态，梯形图中对应的常开触点 ，常闭触点_。4)若梯形图中输出Q的线圈“通电”，对应的输出过程映像寄存器为 状态，在修改输出阶段后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈 ，其常开触点 ，外部负载 。第第2章章 STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件使用
13、指南编程软件使用指南 2.1 2.1 编程软件概述编程软件概述2.1.1 编程软件的界面编程软件的界面 1安装编程软件 操作系统可以是Windows XP SP3、32位和64位的Windows 7。双击setup.exe，开始安装，使用默认的安装语言简体中文。可以选择软件安装的目标文件夹。2项目的基本组件 1）程序块包括主程序（OB1）、子程序和中断程序，统称为POU（程序组织单元）。2）数据块用于给V存储器赋初值。3）系统块用于硬件组态和设置参数。4）符号表用符号来代替存储器的地址，使程序更容易理解。5）状态图表用来监视、修改和强制程序执行时指定的变量的状态。3快速访问工具栏，可自定义工具
14、栏上的命令按钮。4菜单 带状式菜单功能区的最小化、打开和关闭。5项目树与导航栏 项目树文件夹的打开和关闭，右键功能的使用，单击打开导航栏上的对象。项目树宽度的调节。6 状态栏 插入（INS）、覆盖（OVR）模式的切换，梯形图缩放工具的使用。2.1.2 窗口操作与帮助功能窗口操作与帮助功能 1打开和关闭窗口 2窗口的浮动与停靠，定位器的作用 3窗口的合并 4窗口高度的调整 5窗口的隐藏与停靠 6帮助功能的使用 （1）在线帮助：单击选中的对象后按F1键。（2）用帮助菜单获得帮助 单击“帮助”菜单功能区的“帮助”按钮，打开在线帮助窗口。用目录浏览器寻找帮助主题。双击索引中的某一关键词，可以获得有关的
15、帮助。在“搜索”选项卡输入要查找的名词，单击“列出主题”按钮，将列出所有查找到的主题。计算机联网时单击“帮助”菜单功能区的“支持”按钮，打开西门子的全球技术支持网站。2.2 程序的编写与下载程序的编写与下载2.2.1 创建项目创建项目 1创建项目或打开已有的项目，可打开S7-200的项目。2硬件组态 用系统块生成一个与实际的硬件系统相同的系统，设置各模块和信号板的参数。硬件组态给出了PLC输入/输出点的地址，为设计用户程序打下了基础。组态演示。3保存文件 4控制要求2.2.2 生成用户程序生成用户程序 1编写用户程序 2对程序段的操作 梯形图中的一个程序段只能有一块不能分开的独立电路。语句表允
16、许将若干个独立电路对应的语句放在一个网络中，这样的程序段不能转换为梯形图。选中单个、多个程序段或单个元件，可删除、复制、剪切、粘贴选中的对象。3单击工具栏上的按钮，打开和关闭POU注释和程序段注释。4单击工具栏上的“编译”按钮，编译程序。输出窗口显示出错误和警告信息。下载之前自动地对程序进行编译。5设置程序编辑器的参数 单击“工具”菜单功能区的“选项”按钮，打开“选项”对话框，选中“LAD”，可设置网格的宽度和字符属性等。选中“LAD”下面的“状态”，可以设置梯形图程序状态监控时的参数。选中“常规”，可设置指令助记符等。选中“项目”，可设置默认的文件保存位置。2.2.3 以太网组态以太网组态
17、1以太网用于S7-200 SMART与编程计算机、人机界面和其它S7 PLC的通信。2MAC地址是以太网端口设备的物理地址，6个字节用短划线分隔，例如00-05-BA-CE-07-0C。3IP地址由4个字节组成，用小数点分隔。4子网掩码由4个字节组成，高位是连续的1，低位是连续的0，子网掩码将IP地址划分为子网地址和子网内的节点地址。S7-200 SMART CPU出厂时默认的IP地址为192.168.2.1，子网掩码为255.255.255.0。5网关是局域网之间的链路器。6用系统块设置CPU的IP地址 如果选中多选框“IP地址数据固定为”，不能用“通信”对话框和用户程序中更改IP信息。“背
18、景时间”一般采用默认值。同一子网中各设备的IP地址中的子网地址和子网掩码应完全相同，各设备的子网内的地址不能重叠。7用通信对话框设置CPU的IP地址 用“网络接口卡”列表设置使用的以太网网卡，单击“查找CPU”按钮，显示出网络上所有可访问的设备的IP地址。“闪烁指示灯”按钮用来确认谁是选中的CPU。8在用户程序中可用指令SIP_ADDR设置CPU的IP信息。9设置计算机网卡的IP地址 Windows XP操作系统：双击控制面板中的“网络连接”，右键单击所用网卡的连接图标，执行“属性”命令。选中列表中的“Internet协议（TCP/IP）”，单击“属性”按钮，设置计算机的IP地址和子网掩码。W
19、indows 7操作系统：单击控制面板的“查看网络状态和任务”，再单击“本地连接”，单击“属性”按钮，选中列表框中的“Internet协议版本4”，单击“属性”按钮，设置计算机的IP地址和子网掩码。2.2.4 下载与调试用户程序下载与调试用户程序 1以太网电缆的安装与通信设置 两台设备可以直接连接，多台设备需要使用交换机或路由器。2下载程序 单击工具栏上的“下载”按钮，如果弹出“通信”对话框并且找到的CPU的IP地址正确无误，单击“确定”按钮，出现下载对话框。用户可以用多选框选择要下载的块，单击“下载”按钮，开始下载。只选中“选项”区的“成功后关闭对话框”3读取PLC信息 单击“PLC”菜单功
20、能区的“PLC”按钮，显示PLC的状态和实际的模块配置。可查看时间日志和扫描速度。4上传项目组件 新建一个空的项目，单击工具栏上的“上传”按钮。5更改CPU的工作模式 编程软件与PLC之间建立起通信连接后，单击工具栏上的运行按钮和停止按钮。6运行和调试程序 在RUN模式用外接的小开关模拟按钮信号和过载信号。2.3 符号表与符号地址的使用符号表与符号地址的使用 1打开符号表 在符号表中定义的符号属于全局变量，可以在所有的POU中使用它们。单击导航栏或双击项目树的符号表图标，打开符号表。2专用的符号表 可用右键菜单命令删除或打开I/O符号表或系统符号表。不能直接改写POU符号表的内容。3生成符号
21、左边两列是地址重叠和未使用的符号列，绿色波浪下划线表示未定义的符号。红色的文本表示有语法错误，红色波浪下划线表示用法无效。4用右键菜单命令生成用户符号表 5表格的通用操作 调节列的宽度，用右键菜单命令插入新的行，用键在表格的底部增添一个新的行，按TAB键光标将移至右边下一个单元格。单击最左边的行号，选中整个行。单击某个单元格，按住Shift键，单击对角线的单元格，同时选中矩形范围内所有的单元格。删除、复制和粘贴选中的对象。6用右键菜单命令在程序编辑器和状态图表中定义、编辑和选择符号。7单击“符号”列和“地址”列的列标题，对符号表排序。8切换地址的显示方式 单击“视图”菜单功能区的“符号”区域中
22、的按钮、单击工具栏上的“切换寻址”左边和右边的按钮、使用Ctrl+Y键，在三种符号显示方式之间切换。9单击工具栏上的“符号信息表”按钮，打开或关闭符号信息表。2.4 用编程软件监控与调试程序用编程软件监控与调试程序 2.4.1 用程序状态监控与调试程序用程序状态监控与调试程序 1梯形图的程序状态监控 将程序下载到PLC后，单击工具栏上的按钮，启用程序状态监控。时间戳不匹配的处理。梯形图中蓝色表示带电和触点、线圈接通。红色方框表示指令执行出错。灰色表示无能流、指令被跳过、未调用、或处于STOP模式。用外接的小开关模拟按钮信号，观察程序状态的变化。执行右键快捷菜单中的“强制”、“写入”等命令。图2
23、-22中的T38和它的常闭触点产生周期为2s的锯齿波。MB10每2s加1。用“暂停状态开/关”按钮启动和关闭T38当前值的采集。2语句表程序状态监控 切换到语句表编辑器后单击“程序状态”按钮，出现“时间戳不匹配”对话框。操作数3的右边是逻辑堆栈中的值。最右边的列是方框指令的使能输出位（ENO）的状态。用外接的小开关模拟按钮信号，观察程序状态的变化。单击“工具”菜单功能区的“选项”按钮，选中“选项”对话框左边窗口“STL”下面的“状态”，可以设置监控语句表程序状态的内容。2.4.2 用状态图表监控与调试程序用状态图表监控与调试程序 1打开和编辑状态图表 在程序运行时，用状态图表来读、写、强制和监
24、控PLC中感兴趣的变量。双击指令树的“状态图表”文件夹中的“图表1”，或单击导航栏上的按钮，打开状态图表。2生成要监控的地址 在状态图表的“地址”列键入要监控的变量的地址，用“格式”列更改显示格式。格式BOOL监控的是T、C的位，格式“有符号”监控的是T、C的当前值。可将符号表中的符号或地址复制到状态图表的“地址”列。3用右键菜单中的命令或状态图表工具栏上的按钮创建新的状态图表。4单击工具栏上的“图表状态”按钮，起动和关闭状态图表的监控功能。5STOP模式或未启动监控功能时，用工具栏上的按钮单次读取状态信息。7趋势视图 趋势视图用随时间变化的曲线跟踪PLC的状态数据。启动状态图表监控功能后，单
25、击工具栏上的趋势视图按钮，切换表格视图与趋势视图。可用右键菜单中的命令，修改趋势视图的时间基准。用工具栏上的“暂停趋势图”按钮，“冻结”和“解冻”趋势视图。2.4.3 写入与强制数值写入与强制数值 1写入数据 单击工具栏上的“写入”按钮，将状态图表的“新值”列所有的值传送到PLC，并在“当前值”列显示出来。在程序状态监控时，用右键菜单中的命令改写某个操作数的值。在RUN模式时修改的数值可能很快被程序改写为新的数值，不能用写入功能改写物理输入点（地址I或AI）的状态。2强制的基本概念 可以强制所有的I/O点，还可以同时强制最多16个V、M、AI或AQ地址。强制的数据用EEPROM永久性地存储。可
26、以通过对输入点的强制来调试程序。3强制的操作方法 将要强制的值16#1234键入VW0的“新值”列，单击工具栏上的“强制”按钮，VW0被显式强制、VB0和V1.3被隐式强制，VW1被部分隐式强制。取消对单个操作数的强制：选择一个被显式强制的操作数，单击工具栏上的“取消强制”按钮。单击工具栏上的按钮取消全部强制。关闭状态图表监控时，单击工具栏上的按钮，读取全部强制。4STOP模式下强制 应先按下“调试”菜单功能区的“STOP下强制”按钮。2.4.4 调试用户程序的其他方法调试用户程序的其他方法 1使用书签 单击工具栏上的按钮，生成和删除书签。可以用工具栏上的按钮使光标移动到下一个或上一个标有书签
27、的程序段。2单次扫描 在STOP模式单击“调试”菜单功能区的“执行单次”按钮，执行一次扫描后，自动回到STOP模式，可以观察首次扫描后的状态。3多次扫描 在STOP模式单击“调试”菜单功能区的“执行多次”按钮，指定扫描的次数，执行完后自动返回STOP模式。4交叉引用表 用于检查程序中参数当前的赋值情况，防止重复赋值。编译程序成功后才能查看交叉引用表。2.5 使用系统块设置使用系统块设置PLC的参数的参数2.5.1 组态组态PLC的参数的参数 1系统块概述 系统块用于CPU、信号板和扩展模块的组态，下载后生效。2设置PLC断电后的数据保存方式 选中系统块中的CPU模块，选中“保持范围”，设置V、
28、M、C和TONR（有记忆接通延时定时器）的地址偏移量（起始地址）和元素数目。上电时定时器位和计数器位被清除。断电时CPU将设置的保持性存储器的值保存到永久存储器。3组态系统安全 单击左边窗口的“安全”，默认的是完全权限，没有密码。最低权限禁止读写。设置了“不允许上传”，有密码也不能上载程序。密码由字母、数字和符号的组成，区分大小写。系统块下载后，密码才起作用。选中“限制”多选框，禁止通过通信改写I、Q、AQ、M存储区和用“偏移量”和“字节数”设置的V存储区。选中“允许”多选框，通过串行端口，无需密码，可以更改CPU的工作模式和读写实时时钟。4设置启动方式 只能用编程软件工具栏上的按钮来切换RU
29、N/STOP模式。启动模式LAST用于程序开发或调试，正式投运后应选RUN模式。5清除PLC的存储区 CPU在STOP模式时，单击“PLC”菜单功能区的“清除”按钮，可删除选中的块。如果忘记了密码，需要在STOP模式插入专门为此创建的“复位为出厂默认存储卡”（见8.3.2节）。2.5.2 组态输入输出参数组态输入输出参数 1组态数字量输入的滤波器时间 为了消除触点抖动的影响，应选12.8ms。2组态脉冲捕捉功能 脉冲捕捉功能锁存输入状态的变化，保存到下一次输入刷新。脉冲捕捉功能在输入滤波器之后，使用脉冲捕捉功能时，必须同时调节输入滤波时间。3组态数字量输出 选中“将输出冻结在最后一个状态”，从RUN模式变为STOP模式时，所有数字量输出点将保持RUN模式最后的状态。如果未选“冻结”模式，进入STOP模式各输出点的状态用输出表来设置。4组态模拟量输入 设置模拟量信号的类型和测量范围，干扰抑制频率一般设为50Hz。采用平均值滤波，可选“无、弱、中、强”。滤波后的值是预选的采样次数的各次模拟量输入的平均值。5组态模拟量输出 设置模拟量信号的类型和测量范围，“将输出冻结在最后一个状态”选项的意义与数字量输出的相同。
