第2章 可编程控制器的硬件组成及工作原理 2.1 可编程控制器的硬件组成 2.2 可编程控制器的工作原理 第2章 可编程控制器的硬件组成及工作原理 2.1 可编程控制器的硬件组成 2.2 可编程控制器的工作原理 2.3 S7-200系列可编程控制器的性能简介 2.4 S7-200系列PLC的内部资源 2.5 S7-200存储器的数据类型与寻址方式

2.1 可编程控制器的硬件组成 PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。 1. 中央处理单元（CPU） 和计算机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用的CPU有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片机（如8031、8096等）和位片式微处理器（如AMD29W等）。

2. 存储器 在PLC中，存储器主要用来存放系统程序、用户程序以及工作数据。常用的存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。 3. 输入/输出单元 输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间连接的部件。PLC通过输入单元可以检测被控对象的各种数据，将这些数据作为PLC对控制对象进行控制的依据，同时PLC也可通过输出单元将处理结果送给被控制对象，以实现控制的目的。

4. 通信接口 为了实现人机交互，PLC配有各种通信接口。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、以及其它的PLC或计算机等设备实现通信。 5. 智能接口模块 智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。 6. 编程装置 编程装置的作用是供用户编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人/机对话。

7. 电源 PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强，对电网稳定度要求不高。 8. 其它外部设备 除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。 EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。 外存储器主要用来存储用户程序，它一般通过编程器或其它智能模块接口，与内存储器之间进行数据传送。

外存储器主要用来存储用户程序，它一般通过编程器或其它智能模块接口，与内存储器之间进行数据传送。 人/机接口装置是用来实现人/机对话的。 2.2 可编程控制器的工作原理 可编程控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来完成。 2.2.1 扫描工作原理

2.2.1 扫描工作原理 当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。 2.2.2 PLC的扫描工作过程 PLC在每次扫描工作过程中除了执行用户程序外，还要完成内部处理、通信服务等工作。整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期。

2.2.3 采样方式、输出方式以及响应滞后 1. 集中采样 2. 集中输出 2.2.3 采样方式、输出方式以及响应滞后 1. 集中采样 PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这种方式称为集中采样 2. 集中输出 在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其它阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

3. 响应滞后 2.2.4 可编程控制器对输入/输出的处理原则 当PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。 2.2.4 可编程控制器对输入/输出的处理原则 根据可编程控制器工作原理，可以归纳出PLC在输入/输出处理方面的一般原则： ① 输入映像寄存器的数据取决于输入单元（或模块）上各输入点在上一刷新阶段的状态； ② 程序执行结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器以及其它各元件映像寄存器的内容； ③ 输出映像寄存器的数据取决于输出指令的结果；

④ 输出锁存器中的数据由上次刷新期间输出映像寄存器中的内容决定； ⑤ 输出端子的状态有输出锁存器决定。 2.3 S7-200系列可编程控制器的性能简介 S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种超小型系列可编程器，它能够满足多种自动化控制的需求，其设计紧凑，价格低廉，并且具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可代替继电器用于简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。

S7-200系列主要有以下几个方面的特点： ① 极高的可靠性； ② 易于掌握； ③ 极其丰富的指令集； ④ 便捷的操作特性； ⑤ 实时特性； ⑥ 丰富的内置集成功能； ⑦ 强大的通信能力； ⑧ 丰富的扩展模块。 2.3.1 S7-200系列PLC的硬件系统基本构成 S7-200系列可编程控制器硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，即主机中包含一定数量的输入/输出（I/O），同时还可以扩展各种功能模块。

1. 基本单元 基本单元（Basic Unit）又称CPU模块，也有的称之为主机或本机。它包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要组成部分。 2. 扩展单元 主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块 。 3. 特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是为完成某种特殊控制任务而特制的一些装置。 4. 相关设备 相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备，主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。

5. 工业软件 工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。 2.3.2 S7-200系列PLC的主机结构和性能特点 1. 主机外形 S7-200的CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。

图2-7 S7-200系列PLC主机的外形图

2. 存储系统 3. 数字量扩展模块 4. 模拟量输入输出扩展模块 S7-200系列PLC的存储系统由RAM和EEPROM两种类型存储器构成，CPU模块内部配备一定容量的RAM和EEPROM，同时，CPU模块支持可选的EEPROM存储器卡。还增设了超级电容和电池模块，用于长时间保存数据。 3. 数字量扩展模块 用户根据实际需要，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，节约成本。 4. 模拟量输入输出扩展模块 在工业控制中，某些输入量（如温度、压力、流量等）是模拟量，而某些执行机构（如电动调节阀、晶闸管调速装置和变频器等）也要求PLC输出模拟信号，而PLC的CPU只能处理数字量。这就需要模拟量输入输出扩展模块来实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。

6. PROFIBUS-DP通信模块 8. I/O点数扩展和编址 7. SIMATIC NET CP243-2通信处理器 EM277 PROFIBUS-DP扩展从站模块用来将S7-200连接到PROFIBUS-DP网络 。 7. SIMATIC NET CP243-2通信处理器 SIMATIC NET CP243-2是S7-200的AS-i主站，它最多可以连接31个AS-i站。 8. I/O点数扩展和编址 CPU 22x系列的每种主机所提供的本机I/O点的I/O地址是固定的，进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I/O链中所处的位置。编址时同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置递增，其它类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。

9. STEP 7-Micro/WIN编程软件简介 STEP 7-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，其功能强大，使用方便，简单易学。 2.4 S7-200系列PLC的内部资源 2.4.1 软元件 软元件是PLC内部具有一定功能的器件，这些器件由电子电路和寄存器及存储器单元等组成。 2.4.2 软元件介绍 1. 输入继电器（I） 输入继电器一般都有一个PLC的输入端子与之对应，它用于接收外部开关信号。外部的开关信号闭合，则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。

2. 输出继电器（Q） 输出继电器一般有一个PLC上的输出端子与之对应。当通过程序使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。 3. 通用辅助继电器（M） 通用辅助继电器的作用和继电器控制系统中的中间继电器相同，它在PLC中没有输入/输出端子与之对应，因此它的触点不能驱动外部负载。 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、控制参数和信息，我们称其为特殊继电器。

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它数据。 5. 变量存储器（V） 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它数据。 6. 局部变量存储器（L） 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。 7. 顺序控制继电器（S） 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。

8. 定时器 定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。 9. 计数器（C） 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。 10. 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。 11. 高速计数器（HC） 一般计数器的计数频率受扫描周期的影响，不能太高。而高速计数器可累计比CPU的扫描速度更快的事件。

12. 累加器（AC） 累加器是用来暂存数据的寄存器，它可以用来存放运算数据、中间数据和结果。 2.5 S7-200存储器的数据类型与寻址方式 2.5.1 数据类型与单位 S7-200系列PLC数据类型有布尔型、整型和实型。常用的单位有位、字节、字和双字等。 2.5.2 直接寻址与间接寻址 1. 直接寻址 将信息存储在存储器中，存储单元按字节进行编址，无论寻址的是何种数据类型，通常应直接指出元件名称及其所在存储区域内的字节地址，并且每个单元都有唯一的地址，这种寻址方式称为直接寻址。

直接寻址可以采用按位编址或按字节编址的方式进行寻址。 取代继电器控制系统的数字量控制系统一般只采用直接寻址。下面是各个寄存器进行直接寻址的情况： (1) 输入映像寄存器（I）寻址 输入映像寄存器的标识符为I（I0.0~I15.7），在每个扫描的周期的开始，CPU对输入点进行采样，并将采样值存于输入映像寄存器中。 (2) 输出映像寄存器（Q）寻址 输出映像寄存器的标识符为Q（Q0.0~Q15.7），在扫描周期的末尾，CPU将输出映像寄存器的数据传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。

(3) 变量存储器（V）寻址 在程序执行的过程中存放中间结果，或用来保存与工序或任务有关的其它数据。 (4) 位存储器（M）区寻址 内部存储器标志位（M0.0~M31.7）用来保存控制继电器的中间操作状态或其它控制信息。 (5) 特殊存储器（SM）标志位寻址 特殊存储器用于CPU与用户之间交换信息 。 (6) 局部存储器（L）区寻址 S7-200有64个字节的局部存储器，其中60个可以作为暂时寄存器，或给子程序传递参数。 (7) 定时器（T）寻址 定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器。

(8) 计数器（C）寻址 计数器用来累计其计数输入端脉冲电平由低到高的次数。 (9) 顺序控制继电器（S）寻址 顺序控制继电器（SCR）位用于组织机器的顺序操作 。 (10) 模拟量输入（AI）寻址 S7-200的模拟量输入电路将现实世界连续变化的模拟量（如温度、压力、电流、电压等）电信号用A/D转换器转换为1个字长（16位）的数字量，用区域标识符AI、数据长度（W）和字节的起始地址来表示模拟量的输入地址。 (11) 模拟量输出（AQ）寻址 S7-200的模拟量输出电路将1个字长的数字用D/A转换器转换为标准模拟量，用区域标识符AQ、数据长度（W）和字节的起始地址来表示存储模拟量输出的地址。

(12) 累加器（AC）寻址 累加器可以像存储器那样使用读/写单元，例如可以用它向子程序传递参数，或从子程序返回参数，以及用来存放计算的中间值。 (13) 高速计数器（HC）寻址 高速计数器用来累计比CPU的扫描速率更快的事件，其当前值和设定值为32位有符号整数，当前值为只读数据。 2. 间接寻址 间接寻址方式是指数据存放在寄存器或存储器中，在指令中只出现所需数据所在单元的内存地址的地址，存储单元地址的地址又称为地址指针。

在程序编制过程中，可以用数字和字母组成的符号来代替存储器的地址，这种地址称为符号地址。 用间接寻址方式存取数据的过程如下。 (1) 建立指针 (2) 用指针来存取数据 (3) 修改指针 2.5.3 符号地址与绝对地址 在程序编制过程中，可以用数字和字母组成的符号来代替存储器的地址，这种地址称为符号地址。 绝对地址是指可编程控制器内实际的物理地址。程序编译后下载到可编程控制器时，所有的符号地址被转换为绝对地址。