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2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理1S7-200PLC编程及应用2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理2后一页返回第2章PLC的硬件结构与工作原理2.1PLC的基本结构2.2可编程序控制器的工作原理2.3S7-200系列可编程序控制器性能简介

2.4可编程序控制器的安装2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理32.1PLC的基本结构2.1.1基本结构2.1.2可编程序控制器的物理结构2.1.3CPU模块2.1.4I/O模块2.1.5可编程序控制器的外部接线返回各种PL

C的具体结构虽然多种多样，但其基本原理相同，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。PLC内部主要由CPU模块、输入模块、输出模块、编程器等几部

分组成。返回后一页前一页2.1.1基本结构2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理5模拟量输入行程开关继电器接点各种开关CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行

机构编程器打印机采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路后一页前一页后一页前一页在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。1．CPU模块后一页前一页输入(Input)模块和输出(Out

put)模块简称为I／O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量(或称开关量)输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、

接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报

警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。2．I／O模块后一页前一页CPU模块的工作电压一般是DC5V，而可编程序控制器的输入／输出信号电压一般较高，如DC24V和AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或影响可编程

序控制器的正常工作。在I／O模块中，用光耦合器、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载。I／O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。后一页前一页编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做

指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型可编程序控制器编程，或者用于现场调试和维修。使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到

可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。可以用编程软件设置可编程序控制器的各种参数。通过通信，可以显示梯形图中触点和线圈的通断情况，以

及运行时可编程序控制器内部的各种参数，对于查找故障非常有用。给S7-200编程时，应配备一台安装有STEP7-Micro／WIN32编程软件的计算机和一根连接计算机和可编程序控制器的PC／PPI通信电缆。该软件可以在网站WWW．ad．siemen

s．com．cn／S7-200下载。3．编程装置后一页前一页可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。小型可编程序控制器一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动可编

程序控制器负载的直流电源一般由用户提供。4．电源后一页前一页2.1.2可编程序控制器的物理结构根据硬件结构的不同，可以将可编程序控制器分为整体式、模块式和混合式。返回后一页前一页1．整体式可编程序控制器整体式又叫做单元式或箱体式，它的体积小、价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式结构。整体式可编

程序控制器将CPU模块、I／O模块和电源装在一个箱型机壳内，称为基本单元，S7-200称为CPU模块。“前盖”下面有RUN／STOP开关，模拟量电位器和扩展I／O连接器。S7-200系列可编程序控制器提供多种具有不同I／O点数的CPU模块和数

字量、模拟量I／0扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可选用全输入型或全输出型的数字量．I／0扩展单元来改变输入／输出的比例。整体式可编程序控制器还配备有许多专用的特殊功能模块，如模拟量输入／输出模块、热电偶、热电阻模块、通

信模块等，使可编程序控制器的功能得到扩展。后一页前一页2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理14大、中型可编程序控制器(如S7-300和S7-400系列)一般采用模块式结构，用搭积木的方式组

成系统，它由机架和模块组成(见图)。模块插在模块插座上，后者焊在机架中的总线连接板上。可编程序控制器厂家备有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展机架，各机架之间用I／0扩展电缆相连。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁

多的I／O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。整体式可编程序控制器每一I／O点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用整体式结构。但是模块式可编程序控制器的硬件组态方便灵活

，I／O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类和块数、特殊I／0模块的使用等方面的选择余地都比整体式可编程序控制器大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式可编程序控制器。2．模块式

可编程序控制器后一页前一页S7-300模块式PLCS7-400模块式PLC2．1．3CPU模块CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。(1)将各种输入信号取入存储器。(2)执行指令。(3)把结果送到输出端。(4)响应各种外

部设备的请求。后一页前一页1．CPU芯片返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理17CPU模块主要由微处理器(CPU芯片)和存储器组成。可编程序控制器使用下列微处理(1)通用微处理器。如Intel公司的8086、80186到Pe

ntium系列芯片：(2)单片微处理器(单片机)。如Intel公司的MCS-96系列单片机。(3)位片式微处理器。如AMD2900系列位片式微处理器。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理18存储器ROM：存放系统程序和用户已调好的程序RAM：用户正调试的程序。

系统程序：是控制和完成PLC各种功能的程序，如：检查程序、监控程序等。后一页前一页2.存储器EEROM：存放用户程序和需长期保存的重要数据2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理19用户程序：用来存放用户编写的程序、各种逻辑数据、计算结果等。PL

C的存储器按功能可分为以下几个区：1)用户程序存储器区：是用来存放用户编写的程序，其存储容量的大小是用“步”来表示的，如：2048步的程序存储器就表示可存2048步程序。2)字数据存储器区：用来存放用户各种数学运算结果，字长为8位或16位。后一页前一页2022/11/25CH2

PLC的硬件结构与工作原理203)输入/输出继电器区：它是位数据区，可对其进行位操作。每一位是一个接点，对应外部的一个输入/输出端子，接点应为何种状态就由位是0还是1决定，也就是说该区是输入/输出继电器接点的逻辑映像

区，只对该区的相应位进行操作，就可对输入/输出继电器进行控制。我们说该区有“物理继电器”与之对应。后一页前一页2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理214)辅助继电器区：该区无“物理继电器”与之对应，即无硬接点，它是一个“软继电器”，是“

逻辑继电器”，不向外设输出信号，在程序中起逻辑转换作用，正是这种“逻辑继电器”使得可编程控制器与继电接触控制产生了本质的区别。5)保持继电器区：该区与M区功能相同，差别仅在于该区的状态在PLC掉电后其状态仍保持不变。编号与M区相同。后

一页前一页2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理226)时间继电器T区：该时间继电器也是“软继电器”，可以利用它产生不同的延时。此外，PLC还有计数器C，步控制器S，特殊继电器F等。后一页前一页2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作

原理232.1.4I/O模块各I／O点的通断状态用发光二极管显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。某些模块使用可拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以迅速地更换模块。点数多的高密度I／O模块的外部接线一般用插座连接，

用户可选用连接插座的电缆和端子板。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理24输入电路中设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10—20ms(信号上升沿)和20—50ms(信号下降沿)，输入电流为数毫

安。下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线图，图中只画出了一路输入电路，1M是同一输入组内各输入信号的公共点。S7-200可以用CPU模块输出的24V直流电源作为输入回路的电源(见图)，它还可以为接近开关、光电开关之类

的传感器提供24V直流电源。1．输入模块2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理25当图中的外接触点接通时，光耦合器中两个反并联的发光二极管亮，光敏三极管饱和导通；外接触点断开时，光耦合器中的发光二极管熄灭，光敏三极管截止。信

号经内部电路传送给CPU模块。显然，可以改变图中输入回路的电源极性。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，输入电压有110V、220V两种。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。2022/11/25CH2PLC的硬件

结构与工作原理262．输出模块输出模块的功率放大元件有驱动直流负载的大功率晶体管和场效应管、驱动交流负载的双向晶闸管，以及既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载的小型继电器。输出电流的典型值为0．5-2A，负载电源由外部现场提供。输出电流的额定值

与负载的性质有关，例如S7-200的继电器输出电路可以驱动2A的电阻性负载，但是只能驱动200W的白炽灯。输出电路一般分为若干组，对每一组的总电流也有限制。额定输出电流还与温度有关，温度升高时额定输出电流减小，有的可编程序控制器提供了有关的曲线

。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理27图是继电器输出电路。继电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的RC电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧。继电器输出模块的使用电压范围广，导通压降小，承

受瞬时过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统输出量的变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理28图是使用场效应管(

MOSFET)的输出电路。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给场效应管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护场效应管。场效应管输出电路的工作频率可达2

0kHz。晶体管型与双向晶闸管型模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理29除了输入模块和输出模块，还有一种既有输入电路又有输出电路的模块

，输入、输出的点数一般相同，这种模块使用户确定可编程序控制器的硬件配置更为方便。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理302．1．5可编程序控制器的外部接线图是CPU222模块的外部接线图，8个输入点I0.0—I0.7分为两组，1M和2M分别是两组输入点内部电路的公共端。L+和

M端子分别是模块提供的24V直流电源的正极和负极，可用该电源作为输入电路的电源(见图)。24V直流电源还可以用于外部的电子传感器。1L和2L分别是两组输出点内部电路的公共端。如果是继电器输出，输出回路可使用AC220V电源电压。可编程序控

制器的交流电源接在L1(相线)和N(零线)端，此外还有保护接地(PE)端子。CPU222模块的外部接线返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理312022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理322．2．1用触点和线圈实现逻辑运算2.2可编程序控制器

的工作原理2．2．2可编程序控制器的工作方式2．2．3可编程序控制器的工作原理2．2．4输入／输出滞后时间返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理332．2．1用触点和线圈实现逻辑运算在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的

通电和断电、触点的接通和断开，可用逻辑代数中的1和0来表示它们。在波形图中，用高电平表示l状态，用低电平表示0状态。“与”、“或”、“非”逻辑运算的输入／输出关系如下表所示，用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算(见图)。用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算，例如下

图中的继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数式表示为：FR2SB)KM1SB(KM返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理34逻辑运算关系表图基本逻辑运算a)与b)或c)非2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理35FR2SB)KM1SB(

KM异步电动机控制电路SB2SB1FRKMKMFUSKMM3~2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理36上式左边的KM与图中的线圈相对应，右边的KM与KM的常开触点相对应，/SB2与SB2的常

闭触点相对应。在继电器电路图和梯形图中，线圈的状态是输出量或被控量，触点的状态是输入量。继电器的线圈通电时，其常开触点接通，常闭触点断开；线圈断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合。梯形图中的位操作元件(如可编程序控制器的输出Q0．0)的触点和线圈也有类似的关系。接触器

的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小(如几十毫安)，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安培至上千安培的异步电动机。FR2SB)KM1SB(KM2022/11/25CH2PLC的

硬件结构与工作原理372．2．2可编程序控制器的工作方式可编程序控制器有两种工作方式，即RUN(运行)方式与STOP(停止)方式。在RUN方式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。在CPU模块的面板

上用“RUN”LED显示当前的工作方式。在STOP方式，CPU不执行用户程序，可用编程软件创建和编辑用户程序，设置可编程序控制器的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到可编程序控制器。如果有致命错误，在消除它之前不允许从停止方式进入运行方式。可编程序控

制器操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从运行方式自动进入停止方式。返回1工作方式2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理382．用方式开关改变工作方式CPU模块上的方式开关在STOP位置时将停止用户程序的运行；在RUN位置时，将启动用户程序的运行。方式开关在STOP或TERM

(terminal，终端)位置时，电源通电后CPU自动进入STOP方式；在RUN位置时，电源通电后自动进入RUN方式。3．用STEP7-Micro／WIN32编程软件改变工作方式在用编程软件控制CPU的工作方式之前，首先应在编程软件与可编程序控制器之间建立起通信连接，并将方式

开关设置在RUN或TERM位置。允许用编程软件改变CPU的工作方式。在软件中单击工具条上的运行按钮可进入运行方式，单击停止按钮可进入停止方式。选择"PLC一运行”菜单命令可进入运行方式，选择"PLC一停止”菜单命令可进入停止方式。4．在程序中改变

工作方式在程序中插入STOP指令，可使CPU由RUN方式进入STOP方式。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理392．2．3可编程序控制器的工作原理可编程序控制器通电后，需要对硬件和软件做一些初始化的工作。为了使可编程序控制器的输出及时地响应各种输入信号，初

始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。读取输入执行用户程序智能模块通信通信信息处理自诊断检查修改输出读取输入智能模块通信通信信息处理自诊断检查修改输出RUN状态STOP状态返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作

原理40在可编程序控制器的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。CPU以字节(8位)为单位来读写输入/输出(I／O)映像寄存器。在读取输入阶段，可编程序控制器把所有外部数字量输入电

路的ON／OFF(1／0)状态读入输入映像寄存器。外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为1状态，梯形图中对应的输入点的常开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0状态，梯形图中对

应的输入点的常开触点断开，常闭触点接通。1．读取输入2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理412.执行用户程序可编程序控制器的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在RUN工作方式的程序执行阶段，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程

序，直至遇到结束(END)指令。遇到结束指令时，CPU检查系统的智能模块是否需要服务。在执行指令时，从I／O映像寄存器或别的位元件的映像寄存器读出其0／1状态，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入到

相应的映像寄存器中。因此，各映像寄存器(只读的输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理42在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的读取输入阶段被读

入。执行程序时，对输入／输出的存取通常是通过映像寄存器，而不是实际的I／0点，这样做有以下好处：(1)程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完后再用输出映像寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定。(2)用户程序读写I／O映像寄存器比读写I／O点快得多，这样可以

提高程序的执行速度。(3)I／O点必须按位来存取，而映像寄存器可按位、字节、字或双字来存取，灵活性好。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理433．通信处理在智能模块通信处理阶段，CPU模块

检查智能模块是否需要服务，如果需要，读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，供下一扫描周期使用。在通信信息处理阶段，CPU处理通信口接收到的信息，在适当的时候将信息传送给通信请求方。4．CPU自诊断测试自诊

断测试包括定期检查EEPROM、用户程序存储器、I／O模块状态以及I／O扩展总线的一致性，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理445．修改输出CPU执行完用户程序后，将输出映像寄

存器的0／1状态传送到输出模块并锁存起来。梯形图中某一输出位的线圈“通电”时，对应的输出映像寄存器为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映像寄存器中存放的二进制数为0，

将它送到继电器型输出模块，对应的硬件继电器的线圈断电，其常开触点断开，外部负载断电，停止工作。当CPU的工作方式从RUN变为STOP时，数字量输出被置为系统块中的输出表定义的状态，或保持当时的状态。默认的设置是将数字量输出清零，模拟量输出保持最后写的值。2022/11/2

5CH2PLC的硬件结构与工作原理456．中断程序的处理如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行中断程序，中断程序可能在扫描周期的任意点上被执行。7．立即I／O处理在程序执行过程中使用立即I／O指令可以直接

存取I／O点。用立即I／O指令读输入点的值时，相应的输入映像寄存器的值未被更新。用立即I／O指令来改写输出点时，相应的输出映像寄存器的值被更新。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理46下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工

作过程下图中的可编程序控制器控制系统与前图中的继电器控制电路的功能相同。起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分别接在编号为0.1和0.2的输入端，接触器KM的线圈接在编号为0.0的输出端。如果热继电器FR动作其常闭触点断开后

需手动复位，可将FR的常闭触点与接触器KM的线圈串联，这样可以少用一个可编程序控制器的输入点。梯形图中的I0.1与I0.2是输入变量，Q0.0是输出变量，它们都是梯形图中的编程元件。I0.1与接在输入端子0.1的SB1的常开触点和输入映像寄存器I0.1相对应，

Q0.0与接在输出端子0.0的可编程序控制器内的输出电路和输出映像寄存器Q0.0相对应。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理47异步电动机控制电路Q0.0（Q0.0）I0.1I0.2PLC外部接线图与梯形图2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理48梯形图以指令的形式储

存在可编程序控制器的用户程序存储器中，前图中的梯形图与下面的4条指令相对应，“／／”之后是该指令的注释。LDI0．1／／接在左侧母线上的I0．1的常开触点OQ0．0／／与I0．1的常开触点并联的Q0．0的常开触点ANI0．2／／与并联电路串联的I0．2的常闭触点=Q0．0／／Q0．0的线圈梯形图完

成的逻辑运算为2.0I)0.0Q1.0I(0.0QQ0.0（Q0.0）I0.1I0.2返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理49在读取输入阶段，CPU将SB1、SB2的常开触点的ON／OFF状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时二

进制数1存入寄存器，反之存入0。执行第一条指令时，从输入映像寄存器I0．1中取出二进制数并存入堆栈的栈顶，堆栈是存储器中的一片特殊的区域。执行第二条指令时，从输出映像寄存器QO．0中取出二进制数，并与栈顶中的二进制数相“或”(触点的并联对应“或”运算)，

运算结果存入栈顶。执行第三条指令时，取出输入映像寄存器I0．2中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”(电路的串联对应“与”运算)，然后存入栈顶。执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数送入QO．0的

输出映像寄存器。在修改输出阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器QO．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。I0．1、I0．2和QO．0的波形中的高电平表示按下按钮或KM线

圈通电，当t<t1时，读入输入映像寄存器I0．1和I0．2的均为二进制数0，此时输出映像寄存器Q0．0中存放的亦为0，在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为QO．0=0，所以KM的线圈处于断电状态。在t<

t1区间，虽然输入、输出信号的状态没有变化，用户程序仍一直反复不断地执行着。t=t1时按下起动按钮SB1，I0．1变为1状态，经逻辑运算后Q0．0也变为1状态，在输出处理阶段，将QO．0对应的输出映像寄存器中的1送到输出模块，输出模块中与Q0．0对应的物理继电器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电

。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理50可编程序控制器在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大

的比例。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理512．2．4输入／输出滞后时间输入／输出滞后时间又称系统响应时间，是指可编程序控制器的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时

间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，有的可编程序控制器如S7-200的部分输入点的输入延迟时间可以设置。返回2022/11/25CH2PLC

的硬件结构与工作原理52输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间小于1ms。由扫描工作方式引起的滞后时间最长

可达两个多扫描周期。可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入和输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。2022

/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理532.3S7-200系列可编程序控制器性能简介2．3．1CPU模块2．3．2数字量扩展模块2．3．3模拟量输人输出扩展模块2．3．4热电偶、热电阻扩展模块2．3．5PROFIBUS-DP通信模块2．3．6SIMATICNE

TCP243-2通信处理器2．3．7STEP7-Micro／WIN编程软件简介返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理54西门子公司的SIMATICS7-200系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器的简单控制场合，也

可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作-用。S7-200的可靠性高，可用梯形图、语句表(即指令表)和功能块图3种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、PID

控制器、RS-485通信／编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，I／O端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到248点数字量I／O或35路模拟量I／O，最多有26KB程序和数据存储空间。S7-200在下列领域已经

得到了广泛的应用：机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化学工业、陶瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水和化工系统中各种泵和电磁阀

的控制。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理552．3．1CPU模块S7-200有5种CPU模块，CPU模块共有的技术指标和各CPU模块特有的技术指标分别见表2-2和表2-3。表2-4、2-5和2-6分别为电源、数字量输出和数字

量输入的技术指标。CPU221无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。CPU222有扩展功能，CPU224是具有较强控制功能的控制器，CPU226和CPU226XM适用于复杂的中小型控制系统。S7—200CPU的指

令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调用子程序、脉冲宽度调制、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、开平方、三角函数和PID控制指令等，采用主程序、最多8级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1～255ms的定时中断。用户程序可

设3级口令保护，监控定时器(看门狗)的定时时间为300ms。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理56数字量输入中有4个用做硬件中断，6个用于高速功能。32位高速加／减计数器的最高计数频率为30kHz，可对增量式编码器的两个互差90º的脉冲列计

数，计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进行操作。两个高速输出可输出最高20kHz，频率和宽度可调的脉冲列。RS—485串行通讯口的外部信号与逻辑电路不隔离，支持PPI、DP/T、自由通讯口协议和PROFIBUS点对点协议。2022/11/25CH2

PLC的硬件结构与工作原理57用户数据存储器可永久保存，或用超级电容和电池保持。超级电容充电20min，可充60％的电量。可选的存储器卡可永久保存程序、数据和组态信息，可选的电池卡保存数据的时间典型值为200天。DC输出型有高速脉冲输出，边沿中断为4个上升沿和／或4个下降沿。高速计数器的单

相逻辑1电平为15-30VDC时，时钟输入速率为20kHz；单相逻辑1电平为15—26VDC时，时钟输入速率为30kHz。两相逻辑1电平为15—30VDC时，时钟输入速率为10kHz；两相逻辑1电平为15-26VDC时

，时钟输入速率为20kHz。实时时钟精度在25℃时为2min／月，0—55℃时为7min／月。S7-200的DC输出型电路用场效应管(MOSFET)作为功率放大元件，继电器输出型用继电器触点控制外部负载。DC输出的最高开关

频率为20kHz，继电器输出的最高输出频率为1Hz。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理58S7-200CPU模块共同的技术指标2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理59S7-2

00CPU模块的主要技术指标2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理602022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理612022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理622022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理6

32022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理642．3．2数字量扩展模块用户选用具有不同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点和32点的数字量输入／输出模块(见下表)，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。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理65型号各组输入点数各组输出点数EM22124VDC输入4，4—EM22

1230VAC输入8点相互独立—EM22224VDC输出—4，4EM222继电器输出—4，4EM222230VAC双向晶闸管输出8点相互独立EM22324VDC输入／继电器输出44EM22324VDC输入／DC输出44EM2232

4VDC输入／继电器输出4，44，4EM22324VDC输入／DC输出4，44，4EM22324VDC输入／DC输出8，84，4，8EM22324VDC输入／继电器输出8，84，4，4，4数字量扩展模块2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理662．3．3模拟量输入输出

扩展模块在工业控制中，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)要求可编程序控制器输出模拟信号，而可编程序控制器的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传

感器和变送器转换为标准的电流或电压，如4～20mA、1～5V、0～10V，可编程序控制器用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。返回2022/11

/25CH2PLC的硬件结构与工作原理67D／A转换器将可编程序控制器的数字输出量转换为模拟电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I／O模块的主要任务就是实现A／D转换(模拟量输入)和D／A转换(模拟量输出)。例如，在温度闭环控制系统中，炉温用热电偶或热电阻检测，温度变送器将温

度转换为标准电流或标准电压后送给模拟量输入模块，经A／D转换后得到与温度成比例的数字量，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律对差值进行运算，将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块，经D／A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过

它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。A／D、D／A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高，例如8位A／D转换器的分辨率为1／128=0．38％。模拟量输入／输出模块的另一个重要指标是转换时间。2022/11/25

CH2PLC的硬件结构与工作原理68S7-200有3种模拟量扩展模块(见表)。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0～10V，0～5V，0～20mA，0～100mV，±10V，±5V，±10

0mV等。量程为0～10V时的分辨率为2．5mV。模块EM231EM232EM235点数4路模拟量输入2路模拟量输出4路模输入，1路模出模拟量扩展模块技术数据2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理69A／D转换的时间小于250μs，模拟量输入

的阶跃响应时间为1．5ms(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-32000～+32000。输入阻抗大于等于10MΩ。模拟量输出的量程有±10V和0～20m

A两种，对应的数字量为-32000～+32000或0～32000。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l00μs和2ms。最大驱动能力如下：电压输出时负载电阻最小5kΩ，电流输出

时负载电阻最大500Ω。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理702022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理712．3．4热电偶、热电阻扩展模块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±80mV，模块输出15位加符号位的二进制数。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。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、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开关后必须将可编程序控制器断电后

再通电，新的设置才能起作用。两种模块的采样周期为405ms(Pt10000为700ms)，重复性为满量程的0.05％。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理722022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理732.3.5PROFIBUS-

DP(过程现场总线）通信模块EM277PROFIBUS-DP扩展从站模块用来将S7-200连接到PROFIBUS-DP网络，EM277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960

0bps—12Mbps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S7-200CPU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可编程序控制器的变量存储区后，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、S7-30

0或S7-400CPU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(PC)和操作员面板(OP)。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理742022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理752022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理762022/11

/25CH2PLC的硬件结构与工作原理772．3．6SIMATICNETCP243-2通信处理器CP243-2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。返回2022/11/

25CH2PLC的硬件结构与工作原理782022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理792022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理802．3．7STEP7-Micro／WIN编程软件简介STEP7-Micro／WIN是专

门为S7-200设计的在个人计算机Windows操作系统下运行的编程软件，它的功能强大，使用方便，简单易学。CPU通过PC／PPI电缆或插在计算机中的CP5511、CP5611通信卡与计算机通信。通过PC／PPI电缆，可以在Windows下实

现多主站通信方式。STEP7-Micro／WIN的用户程序结构简单清晰，即通过一个主程序调用子程序或中断程序，还可以通过数据块进行变量的初始化设置。用户可以用语句表(STL)、梯形图(LAD)和功能块图编程，不同的编程语言编制的程序可以相互转换，可以用符号

表来定义程序中使用的变量地址对应的符号，例如指定符号“起动按钮”对应于地址I0．0，使程序便于设计和理解。PID控制器、可编程序控制器之间的网络数据传输、高速计数器和TD200文本显示器的编程和程序设计是S7-200程序设计中的几个难点，STEP7—Micro／WIN为此设计了指令向导和TD2

00向导，通过对话方式，用户只需要输入一些参数，就可以实现参数设置，自动生成用户程序。用户还可以通过系统块来完成大量的硬件设置。STEP7—Micro／WIN可为用户提供两套指令集，即SIMATIC指令集(S7-200方式)和国际标准指令集（IECl31-3方式)。通过调制解调器可实现远程编

程，可用单次扫描和强制输出等方式来调试程序和进行故障诊断。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理812．4．1模块的安装与拆卸2.4可编程序控制器的安装2．4．2本机I/O与扩展I/O2．4．3控制系统的接线

2．4．4对感性负载的处理2．4．5电源的选择返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理822．4．1模块的安装与拆卸1．模块的安装与拆卸S7-200可以安装在板上，也可以安装在标准DIN导轨上，利用总线连接电缆，可以很容易地把CPU模

块和扩展模块连接在一起。需要连接的扩展模块较多时，模块连接起来会过长，两组模块之间可使用扩展连接电缆(见图)，将模块安装成两排。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理83S7-200CPU模块和扩展模块采用自然对流散热方式，每个单元的上方和下方应留2

5mm的散热空间。如果垂直安装，最高气温应减少10度，前后板间的深度应≥75mm，CPU模块应安装在扩展模块的下方。如果安装在垂直导轨上，应使用DIN导轨固定端子。在有剧烈振动的情况下，应在板上用M4螺钉固定模块。

一般情况下可在DIN导轨上安装，安装方法是：打开位于模块底部的DIN导轨夹子，将模块放在DIN导轨上，合上DIN夹子，检查模块是否已固定好，I／O模块应放在CPU模块的右侧，固定好各模块后，将扩展模块的电缆插到其左边的模块前盖下的连接器上。拆卸模块之前应切断可编程序控制器的电源，拆卸与

模块相连的所有接线和电缆线后，松开固定螺钉或DIN夹子，然后取下模块。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理842．现场接线端子排与可拆卸的端子连接器采用可选的现场接线端子排时，现场接线固定在端子排上，后者固定在模块的接线端子上。更换S7-200的模块时，可将端子排整体取下来，这样可

以减少更换模块的时间，还可以保证在拆卸和重装模块时现场接线固定不变。要取下端子连接器时，先抬起模块的端子上盖，将旋具插入端子块中央的槽口中，用力向下压并撬出端子连接器。将端子连接器装入模块时，将它向下压入模块，直到连接器被扣住。2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理852022/11

/25CH2PLC的硬件结构与工作原理862022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理872．4．2本机I/O与扩展I/OS7-200CPU有一定数量的本机I／O，本机I／O有固定的地址。可用扩展I／O模块来增加I／O点数，扩展

模块安装在CPU模块的右边，其I／O点的地址由模块的类型和模块在同类I／O模块链中的位置来决定。CPU分配给数字量I／O模块的地址以字节(8位)为单位，其中未用的位不会分配给I／O链中的后续模块。输出模块保留字节中的未用位，可像内部存储器标志位那样来使用

它们。对于输入模块，每次更新输入时都将输入字节中未用的位清零，因此不能将它们用作内部存储器标志位。模拟量扩展模块以2字节递增的方式来分配地址。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理88CPU224的I／

0地址分配举例I0.0Q0.0I0.1Q0.1……I0.7Q0.7I1.0Q1.0…Q1.1I1.58入I2.0Q2.0I2.1Q2.1I2.2Q2.2I2.3Q2.3I3.0I3.1……I3.74AI1AO8出4AI1AOO3.0O3.1……O3.7AIW0AQ

W0AIW2AIW4AIW6AIW8AQW2AIW10AIW12AIW142022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理892．4．3控制系统的接线1．现场接线的要求S7-200采用0．5～1．5mm2的导线，导线要尽量成对使用，应将交流线、

电流大且变化迅速的直流线与弱电信号线分隔开，干扰较严重时应设置浪涌抑制设备。返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理902．使用隔离电路时的接地与电路参考点直流电源的0V是它供电的电路的参考点，有时将某些参考点接地。将相距较远的参考

点连接在一起时，由于各参考点的电位不同，可能出现预想不到的电流，导致逻辑错误或损坏设备。使用同一个电源，有同一个参考点的电路，其参考点只能有一个接地点。将给传感器供电的M端子接地，可提高抑制噪声的能力。S7-200产品内装有隔离电路，隔离电压小于1500V

AC时只能作功能隔离，不能作安全隔离。下面三组电路之间的隔离电压为1500VAC。继电器输出、AC输出和输入与CPU逻辑电路之间；继电器输出组之间；AC电源线和零线与地、CPU逻辑电路及所有I／O之间。将几

个具有不同地电位的CPU连到一个PPI通信网络时，应使用隔离的RS-485中继器.2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理913．交流电源系统的外部接线交流电源系统的外部电路如图所示，用单刀开关将电源与可编程序控制器隔离开。可用过流保护设备(如

空气开关)保护CPU的电源和I／O电路，也可以为输出点分组或分点所有的地线端子集中到一起后，在最近的接地点用1.5mm2的导线一点接地。将传感器电源的M端子接地，可获得最佳的噪声抑制。交流电源系统的外部接线2022/1

1/25CH2PLC的硬件结构与工作原理922022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理93直流电源系统的外部接线4．直流电源系统的外部接线使用直流电源的接线图如图所示，用单刀开关将电源与可编程序控制器隔离开，可用过流保护设备(如空气开

关)保护CPU的电源和I／O电路，可为输出点分组或分点设置熔断器。接地的处理同交流电源系统。在外部AC／DC电源的输出端接大容量的电容器，负载突变时，可以维持电压稳定，以确保DC电源有足够的抗冲击能力。把所有的DC电源接地可获得最佳的噪声抑制。未接地的

DC电源的公共端M与保护地PE之间用RC并联电路连接，电阻和电容的典型值为1MΩ和4700pF。电阻提供了静电释放通路，电容用来提供高频噪声通路。24VDC电源回路与设备之间，以及220VAC电源与危险环境之间，应提供安全电气隔离。2022/11/2

5CH2PLC的硬件结构与工作原理942022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理952．4．4对感性负载的处理感性负载有储能作用，触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电势；触点闭合时，会因触点的抖动而产生电弧，它们都会对

系统产生干扰。对此可采取以下措施：晶体管输出端接有大电感频繁开关的感性负载时，应在它两端并联续流二极管(见图)，或将二极管与8．2V／5W的稳压管串联后再与电感负载并联，二极管可选1N4001。输出电路的处理返回2022/11/25CH2PLC的硬件结构与工作原理96继电器驱动直流负载时，

可在电感负载两端并联RC串联电路，R=VDC／IL(最小12Ω)，=KIL，式中：KIL为负载电流，K=0.5～lμF／A。也可以用反接的二极管来抑过电压，如果使用稳压管，其稳压值应大于36V。继电器驱动交流负载时，应在继

电器触点两端并联RC电路(见图)，也可以用压敏电阻来限制尖峰电压，压敏电阻的工作电压应比正常的电源电压y的峰值高20％。当触点断开时，电容C为漏电流提供通道，应保证漏电流I=314CV满足要求。输出电路的处理2022/11/25CH2PLC的硬件结构

与工作原理972．4．5电源的选择S7-200的CPU单元有一个内部电源，它为CPU模块、扩展模块和24VDC用户供电，应根据下述的原则来确定电源的配置。每一个CPU模块都有一个24VDC传感器电源，它为本机

的输入点或扩展模块的继电器线圈提供电源，如果要求的负载电流大于该电源的额定值，应增加一个24VDC电源为扩展模块供电。CPU模块为扩展模块提供5VDC电源，如果扩展模块对5VDC电源的需求超过其额定值，必须减少扩展模块。S7-200的24VDC

传感器电源不能与外部的24VDC电源并联，这种并联可能会使一个或两个电源失效，并使可编程序控制器产生不正确的操作，上述两个电源之间只能有一个连接。返回