第2章 S7-200 SMART PLC硬件系统与编程基础
2.1 S7-200 SMART PLC概述与控制系统硬件组成
2.1.1 S7-200 SMART PLC的特点及应用
S7-200 PLC是德国西门子公司生产的超小型PLC，它受到了广泛的关注。特别是S7-200 SMART系列PLC（它是继S7-200 CPU系列产品之后西门子公司推出的小型CPU家族的新成员），由于具有很多的功能模块和人机界面可供选择，可以很容易地组成PLC网络。同时它具有编程的功能和工业控制组态软件，使得采用S7-200 SMART系列PLC来完成控制系统的设计更加简单，系统的集成非常方便，受到控制工程界的广泛认同。S7 PLC还有S7-300和S7-400系列，它们是大中型PLC。
S7-200 SMART PLC可用梯形图、语句表（即指令表）和功能块图三种方式来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便。其内置有高速计数器、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252点数字量I/O或36路模拟量I/O，支持Micro SD卡，可实现程序的更新和PLC固件升级。
S7-200 SMART系列包括许多微型可编程逻辑控制器（Micro Programmable Logic Controller，Micro PLC），这些控制器可以控制各种自动化应用。S7-200 SMART结构紧凑、成本低廉且具有功能强大的指令集，这使其成为控制小型应用的完美解决方案。CPU根据用户程序控制逻辑监视输入并更改输出状态，用户程序可以包含布尔逻辑、计数、定时、复杂数学运算以及与其他智能设备的通信。S7-200 SMART产品多种多样且提供基于Windows的编程工具，这使得我们可以灵活地解决各种自动化问题。
2.1.2 S7-200 SMART PLC的技术规格与分类
S7-200 SMART CPU系列产品定位于小型自动化PLC，CPU本体集成了一些数字量的I/O口点。除本体集成的I/O口点，还提供了多种I/O口扩展模块（包括数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、RTD和TC温度模块）、电池卡、通信信号卡等扩展模块，以满足不同配置的要求。CPU具有不同型号，它们提供了各种各样的特征和功能，这些特征和功能可帮助用户针对不同的应用创建有效的解决方案，如表2.1所示。
表2.1 S7-200 SMART CPU
注：“×”表示该CPU具有的特征和功能。
全新的S7-200 SMART带来两种不同类型的CPU模块，即标准型和经济型，全方位满足不同行业、不同客户、不同设备的各种需求。标准型作为可扩展CPU模块，可满足对I/O规模有较大需求、逻辑控制较为复杂的应用；经济型CPU模块直接通过单机本体满足相对简单的控制需求。其中，经济型CPU模块CPU CR40/CR60不可扩展，如表2.2所示；标准型CPU模块CPU SR20/SR30/SR40/SR60，CPU ST20/ST30/ST40/ST60可扩展，如表2.3所示。
表2.2 经济型不可扩展
表2.3 标准型可扩展
1）可组态V存储器、M存储器、C存储器的存储区（当前值），以及T存储器要保持的部分（保持性定时器上的当前值），最大可为最大指定量。
2）指定的最大脉冲频率仅适用于带晶体管输出的CPU型号。对于带有继电器输出的CPU型号，不建议进行脉冲输出操作。
2.1.3 S7-200 SMART PLC的硬件结构
CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路组合到一个结构紧凑的外壳中，下载用户程序后，CPU将包含监控应用中的输入和输出设备所需的逻辑。S7-200 SMART PLC硬件结构如图2.1所示。
图2.1 S7-200 SMART PLC硬件结构图
1—I/O的LED；2—端子连接器；3—以太网通信端口；4—用于在标准（DIN）导轨上安装的夹片；5—以太网状态LED（保护盖下面）：LINK、RX/TX；6—状态LED：RUN、STOP和ERROR；7—RS-485通信端口； 8—可选信号板（仅限标准型）；9—存储卡连接（保护盖下面）
S7-200 SMART PLC属于叠装类结构，它是整体式与模块式的集合。S7-200 SMART PLC由S7-200 SMART CPU模块、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器、STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件以及通信电缆等组成，如图2.2所示。
图2.2 S7-200 SMART PLC系统构成
S7-200 SMART的各CPU模块是整体式结构，但扩展后的S7-200系统是模块化结构。S7-200 SMART这种结构形式，使得它集中了两种结构的优点。使用STEP 7-Micro/WIN SMART编程软件能很方便地对其进行编程，所以在小系统中S7-200 SMART应用广泛。
2.1.4 S7-200 SMART PLC扩展模块
S7-200 SMART系列CPU提供一定数量的主机I/O点，当主机点数不够时，就可以使用扩展的接口模块了。S7-200 SMART的接口模块有数字量模块、模拟量模块和智能模块等。数字量扩展模块有数字量输入扩展模块、数字量输出扩展模块和数字量输入/输出扩展模块。数字量扩展模块与外部接线的连接一般采用接线端子。模块使用可以拆卸的插座型端子板，不需断开端子板上的外部连线，就可以快速地更换模块。
2.1.4.1 数字量输入扩展模块
数字量输入扩展模块的每一个输入点可接收一个来自用户设备的数字信号（ON/OFF），典型的输入设备有按钮、限位开关、选择开关和继电器触点等。每个输入点与一个且仅与一个输入电路相连，通过PLC中的输入接口电路把现场数字信号转换成CPU能接收的标准电信号。数字量输入扩展模块可分为直流输入扩展模块和交流输入扩展模块，以适应实际生产现场中输入信号电平的多样性。
（1）直流输入扩展模块（EM 221 8×DC24V）
直流输入扩展模块（EM 221 8×DC24V）有8个数字量输入端子。图2.3所示为直流输入模块端子的输入接线图，图中8个数字量输入点分为2组，1M、2M分别为2组输入点内部电路的公共端，每组需要用户提供一个DC24V电源。
图2.3 直流输入扩展模块端子的输入接线图
图2.4为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，输入电流为数毫安。光电耦合器隔离了输入电路与PLC内部电路的电气连接，使外部信号通过光电耦合器变成内部电路能接收的标准信号。当现场开关闭合后，外部直流电压经过电阻R1和阻容滤波后加到双向光电耦合器的发光二极管上，经光电耦合器，光敏晶体管接收光信号，并将接收的信号送入内部电路，在输入采样时送至输入映像寄存器。现场开关通/断状态对应输入映像寄存器的I/O状态，即当现场开关闭合时，对应的输入映像寄存器为“1”状态；当现场开关断开时，对应的输入映像寄存器为“0”状态。当输入端的发光二极管（VL）点亮，即指示现场开关闭合。外部直流电源用于检测输入点的状态，其极性可以任意接入。图2.4中，电阻R2和电容C构成滤波电路，可滤掉输入信号的高频抖动。双向光电耦合器起整流和隔离的双重作用，双向发光二极管VL用于状态指示。
图2.4 直流输入模块的内部电路和外部接线图
（2）交流输入扩展模块（EM 221 8×AC120/230V）
交流输入方式适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。交流输入扩展模块（EM 221 8×AC120/230V）有8个分隔式数字量输入端子，交流输入扩展模块端子接线如图2.5所示。图中每个输入点都占用两个接线端子，它们各自使用1个独立的交流电源（由用户提供）。这些交流电源可以不同相。
图2.5 交流输入扩展模块端子接线图
交流输入扩展模块的输入电路如图2.6所示。当现场开关闭合后，交流电流经C、R2、双向光电耦合器中的一个发光二极管，使发光二极管发光，经光电耦合器，光敏晶体管接收光信号，并将该信号送至PLC内部电路，供CPU处理，双向发光二极管VL指示输入状态。为防止输入信号过高，每路输入信号并接取样电阻R1用来限幅；为减少高频信号串扰，串接R2、C作为高频去耦电路。
图2.6 交流输入扩展模块的输入电路
为更好地满足应用要求，S7-200 SMART系列包括各种扩展模块和信号板。可将这些扩展模块与标准CPU型号（SR20、ST20、SR30、ST30、SR40、ST40、SR60或ST60）搭配使用，为CPU增加附加功能。表2.4列出了当前提供的扩展模块。
表2.4 扩展模块和信号板
2.1.4.2 数字量输出扩展模块
数字量输出扩展模块的每一个输出点能控制一个用户的数字型（ON/OFF）负载。典型的负载包括继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯等。每一个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，通过输出电路把CPU运算处理的结果转换成驱动现场执行机构的各种大功率开关信号。
由于现场执行机构所需电流是多种多样的，因而，数字量输出扩展模块分为直流输出扩展模块、交流输出扩展模块、交直流输出扩展模块三种。
（1）直流输出扩展模块（EM 222 8×DC24V）
直流输出扩展模块（EM 222 8×DC24V）有8个数字量输出点，图2.7所示为直流输出扩展模块端子的接线图，图中8个数字量输出点分成两组，1L+、2L+分别是两组输出点内部电路的公共端，每组需用户提供一个DC24V的电源。
图2.7 直流输出扩展模块端子接线图
直流输出扩展模块是晶体管输出方式，或用场效应晶体管（MOSFET）驱动。图2.8所示为直流输出扩展模块的输出电路。当PLC进入输出刷新阶段时，通过数据总线把CPU的运算结果由输出映像寄存器集中传送给输出锁存器；输出锁存器的输出使光电耦合器的发光二极管发光，光敏晶体管受光导通后，使场效应晶体管饱和导通，相应的直流负载在外部直流电源的激励下通电工作。当对应的输出映像寄存器状态为“1”时，负载在外部电源激励下通电工作；当对应的输出映像寄存器状态为“0”时，外部负载断电，停止工作。图2.8中光电耦合器实现光电隔离，场效应晶体管作为功率驱动的开关器件，稳压管用于防止输出端过电压以保护场效应晶体管，发光二极管用于指示输出状态。
图2.8 直流输出扩展模块的输出电路
晶体管（或场效应晶体管）输出方式的特点是输出响应速度快。场效应晶体管的工作频率可达20kHz。
（2）交流输出扩展模块（EM 222 8×AC120/230V）
交流输出扩展模块（EM 222 8×AC120/230V）有8个分隔式数字量输出点，图2.9所示为交流输出扩展模块端子接线图。图中每个输出点占用两个接线端子，且它们各自都由用户提供一个独立的交流电源，这些交流电源可以不同相。
图2.9 交流输出扩展模块端子接线图
交流输出扩展模块是晶闸管输出方式，其特点是输出启动电流大。当PLC有信号输出时，通过输出电路使发光二极管导通，通过光电耦合器使双向晶闸管导通，交流负载在外部交流电源的激励下得电。发光二极管VL点亮，指示输出有效。图2.10中，固态继电器（AC SSR）是功率放大的开关器件，同时也是光电隔离器件；电阻R2和电容C组成高频滤波电路；压敏电阻起过电压保护作用，消除尖峰电压。用双向晶闸管作为输出元件的AC230V的输出模块，每点的额定输出电流为0.5A，灯负载为60W，最大漏电流为1.8mA，由接通到断开的最大时间为0.2ms与工频半周期之和。
图2.10 交流输出电路
（3）交直流输出扩展模块（EM 222 8×继电器）
交直流输出扩展模块（EM 222 8×继电器）有8个输出点，分成两组，1L、2L是每组输出点内部电路的公共端。每组需用户提供一个外部电源（可以是直流电源，也可以是交流电源）。图2.11所示为交直流输出扩展模块端子接线图。
图2.11 交直流输出扩展模块端子接线图
交直流输出扩展模块是继电器输出方式，其输出电路如图2.12所示。当PLC有信号输出时，输出接口电路使继电器线圈激励，继电器触点的闭合使负载回路接通，同时状态指示发光二极管VL导通点亮。根据负载的性质（直流负载或交流负载）来选用负载回路的电源（直流电源或交流电源）。输出电流的额定值与负载的性质有关，例如，S7-200 SMART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。
图2.12 继电器输出电路
图2.12中，继电器是功率放大的开关器件，同时又是电气隔离器件。为消除继电器触点的火花，并联有阻容熄弧电路。在继电器的触点两端，还并联有金属氧化膜压敏电阻，当外接交流电压低于150V时，其阻值极大，视为开路；当外接交流电压为150V时，压敏电阻开始导通，随着电压的增加其导通程度迅速增加，以使电平被钳位，不使继电器触点在断开时出现两端电压过高的现象，从而保护该触点。电阻R1和发光二极管VL组成输出状态显示电路。
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（可达2～4A）的能力较强，可带交流、直流负载，适应性强，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输出模块。场效应晶体管型输出模块用于直流负载，它的反应速度快、寿命长、过载能力稍差。