第2章 SIMATIC S7系列可编程控制器

本章要点：

SIMATIC S7系列可编程控制器简介

SIMATIC S7-200及其系统配置

SIMATIC S7-200的模块及选用

SIMATIC S7-200 CPU编程的基本概念和寻址方式

SIMATIC S7-200系列的编程元件及功能

SIMATIC S7-300及其系统配置

SIMATIC S7-300的内部资源

SIMATIC S7系列可编程序控制器是德国西门子（SIEMENS）公司生产的具有高性能价格比的可编程序控制器，具有广泛的工程应用。

本章将对S7系列PLC进行简要介绍，并以S7-200系列PLC为例，介绍PLC系统的构成、编程用的元器件、寻址方式等PLC应用的基础知识。

2.1 SIMATIC S7系列PLC简介

SIMATIC S7系列PLC有S7 -400、S7 -300和S7 -200三种子系列。S7系列中的S7 -200 PLC是小型可编程控制器，S7-300 PLC是中型可编程控制器，S7-400 PLC则是大型可编程控制器。对于SIMATIC S7系列PLC的子系列分类如图2.1所示。

分类图解析

S7-200是针对低性能要求的小型PLC。

S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。

S7-400是大型PLC，可以扩展300多个模块。

S7-300/400可以组成MPI、PROFIBUS和工业以太网等。

2.1.1 SIMATIC S7－200简介

SIMATIC S7-200系列PLC适用于大多数的工业控制场合，以及对工业控制系统的检测、监测及控制过程。S7-200系列的主要特点有：可靠性高、指令集丰富、易于掌握、操作便捷、内置集成功能丰富、实时特性好、通信能力强、扩展模块丰富等。

S7-200系列功能强大，既可以独立运行，也可以相连成网络，并且能够实现复杂控制功能，因此S7-200系列具有极高的性能价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中能够充分发挥其功能。其应用领域极为广泛，从替代继电器的简单控制到十分复杂的自动化控制体系都可以应用。S7 -200已经大范围使用于自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，如冲压机床、磨床、印刷机械、橡胶化工机械、中央空调、电梯控制、运动系统等。

S7-200系列PLC总共有4个不同基本型号的8种CPU供选择。CPU集成的24 V负载电源可直接连接到传感器和变送器（执行器），其中CPU221、222具有180 mA输出、CPU224、CPU224 XP、CPU226分别输出280 mA、400 mA。EEPROM存储器模块作为可选组件，可作为修改与复制程序的快速工具（无须编程器），并可进行辅助软件归档工作。S7-200系列PLC不同型号的具体特点将在2.2节做详细介绍。

2.1.2 SIMATIC S7－300简介

SIMATIC S7-300 PLC的应用十分广泛，其领域包括通用机械工程、机床、纺织机械、包装机械控制系统、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业。S7-300 PLC实物图如图2.2所示。

实物图解析

SIMATIC S7-300为模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。它的各种功能模块可以通过自由组合非常好地满足和适应自动控制任务，当控制任务增加时，又可对PLC进行自由扩展。

SIMATIC S7-300有两种类型：标准型和环境条件扩展型。标准型的工作环境温度范围为0 ～60℃，环境条件扩展型工作环境温度范围为 -25 ～ 60℃，并且具有更强的耐受震动和污染特性。

1. 结构组成

SIMATIC S7-300 PLC外形有些像个人计算机的主机，但是两者实际差别很大。SIMATIC S7-300的结构图如图2.3所示。

图2.3只是从外观上来讲解SIMATIC S7-300 PLC的结构，其系统组成则是各种单独的模块之间可进行广泛组合，同时也以用于扩展，如图2.4所示。

系统组成图解析

对于图2.4中的各个具体组成主要包括以下部分。

（1）中央处理单元（CPU）：各种CPU有各种不同的性能。例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI -BUS -DP通信接口等。PLC使用的物理存储器为RAM、ROM、快闪存储器（Flash EPROM）和EEPROM。

（2）信号模块（SM）：用于数字量和模拟量输入/输出。

（3）通信处理器（CP）：用于连接网络（PROFIBUS和以太网）和点对点连接。

（4）功能模块（FM）：用于高速计数、定位操作（开环或闭环控制）和闭环控制。

（5）负载电源模块（PS）：用于将SIMATIC S7-300连接到120/230 V AC电源。

（6）接口模块（IM）：用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。运行时无须风扇。

（7）SIMATIC M7自动化计算机：AT兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为CPU，也可以作为功能模块使用。

其中，（1）～（4）为基本模块，（5）～（7）为可选模块。

2. 安装方式及方法

SIMATIC S7 -300采用模块化设计，便于工程实地的拆解和安装，这样更加便于组装和维护。如图2.5所示为SIMATIC S7 -300 PLC的两种安装方式。

示意图解析

图2.5给出了PLC可能的水平（左图）和垂直（右图）安装位置。两种不同的安装方式可以适应不同的安装环境，利于节省空间。当然，PLC的不同工作温度依赖于这两种安装位置，它对控制柜的温度要求如下。

水平安装：0 ～60℃

垂直安装：0 ～40℃

上面很形象地介绍了两种PLC安装方式，接下来就介绍一下SIMATIC S7 -300 PLC的安装情况。PLC各个部分之间通过导轨连接，使用固定螺钉进行固定。具体的组合安装如图2.6所示。

示意图解析

SIMATIC S7-300 PLC各个部分是模块化的，所以各个部分可以像“搭积木”一样，一点一点地组装起来。

（1）总线连接器：每个模板都带一个总线连接器。安装前把总线连接器插入模板。

（2）模板：按顺序把模板挂到导轨上方。模板的安装顺序是：电源→CPU→其他模板。安装时向下按模板并用螺钉把将它们紧固在导轨上。

（3）前连接器：前连接器插入信号模板来连接现场信号。在模板和前连接器之间是一个机械编码器，可以避免以后把前连接器混淆。

（4）槽号：槽口标号条是CPU的附件，它们用来标识模块的位置。在后面设置模块参数时，要知道模块的位置。

具体的安装方法及注意事项，读者安装时可参照产品使用说明书，在此不予具体讲解。

3. 功能特点

SIMATIC S7-300具有西门子PLC的通用特点，不但具有大量功能以支持和帮助用户进行编程、启动和维护，而且具有更加人性化的设计，下面给出简单介绍。

（1）高速的指令处理：SIMATIC S7-300的指令处理时间为0.6 ～0.1ms，这在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。

（2）浮点数运算：用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。

（3）方便用户的参数赋值：SIMATIC S7 -300可以用一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。

（4）人机界面（HMI）：SIMATIC S7 -300已将方便的人机界面服务集成在操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7 -300中要求获得数据， S7 -300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7 -300操作系统自动地处理数据的传送。

（5）自诊断功能：SIMATIC S7 -300的CPU智能化诊断系统将连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（如超时、模块更换等）。

（6）口令保护：SIMATIC S7 -300具有多级口令保护，可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。

（7）操作方式选择开关：SIMATIC S7 -300的操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式了。这样就防止非法删除或改写用户程序。

4. CPU设计

PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。PLC大多数使用8位和16位微处理器，当然西门子PLC也不例外。SIMATIC S7 -300针对不同的使用场合，有多种不同的CPU型号。

（1）紧凑型CPU：CPU312C、313C、313C-PtP、313C-2DP、314C-PtP和314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。

（2）标准型CPU：CPU312、313、314、315、315 -2DP和316 -2DP。

（3）户外型CPU：CPU312 IFM、314 IFM、314户外型和315 -2DP。在恶劣的环境下使用。

（4）高端CPU：CPU317 -2DP和318 -2DP。

（5）故障安全型CPU：CPU 315F。

SIMATIC S7-300 PLC标准型CPU中的314型CPU面板和315 -2DP型CPU面板如图2.7所示。通过对两者的分析，读者能很明确地把握两者的差别。

示意图解析

通过对314型CPU面板和3152-DP型CPU面板的观察，可以发现两者之间还是存在一定差别的，具体分析如下。

（1）状态与故障显示LED。

SF（系统出错/故障显示，红色）：CPU硬件故障或软件错误时亮。

BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。

DC 5V（+5V电源指示，绿色）：5V电源正常时亮。

FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。

RUN（运行方式，绿色）：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2 Hz的频率闪亮。

STOP（停止方式，黄色）：CPU处于STOP、HOLD状态或重新启动时常亮。

BUSF（总线错误，红色）。

（2）模式选择开关。

RUN-P（运行-编程）位置：运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。

RUN（运行）位置：CPU执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。

STOP（停止）位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。

MRES（清除存储器）：不能保持。将钥匙开关从STOP状态搬到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。

（3）复位存储器操作。

通电后从STOP位置扳到MRES位置，“STOP”LED熄灭1 s，亮1 s，再熄灭1 s后保持亮。放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED以2 Hz的频率至少闪动3 s，表示正在执行复位，最后“STOP”LED一直亮。

5. 通信

SIMATIC S7-300在生产管理金字塔中一般处于工厂与过程管理级，如图2.8所示。因此它具有多种丰富的通信接口。多种通信处理器用来连接AS-i接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统，此外，通信处理器还可以用于点到点的通信系统。S7 -300的多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。除此以外，S7-300的CPU支持下列通信类型。

（1）过程通信：通过总线（AS-i或PROFI-BUS）对I/O模块进行周期寻址（过程映像交换）。

（2）数据通信：在自动控制系统之间或人机界面（HMI）和几个自动控制系统之间，数据通信会周期性地进行或被用户程序或功能块调用。

结构图解析

从图2.8中不难看出生产管理金字塔的结构，即其一般由4级组成，由下到上依次是：

（1）过程测量与控制级

（2）过程监控级

（3）工厂与过程管理级

（4）公司管理级

2.1.3 SIMATIC S7－400简介

SIMATIC S7-400为模块化大型PLC系统，适用于中高性能控制领域，能够满足最复杂的任务要求的应用。

它不同功能分级的CPU及种类齐全的模板，可以通过自由组合非常好地满足和适应自动控制任务，当控制任务增加时，又可对PLC进行自由扩展。S7-400具有容易扩展且广泛的通信能力、容易实现的分布式结构及用户友好的操作。

1. 结构组成

SIMATIC S7-400自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板扩展和配置功能使其能够按照每个不同的需求灵活组合。一个S7 -400自动化系统包括电源模板，中央处理单元（CPU），各种信号模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM），接口模板（IM），SI-MATIC S5模板。其具体结构如图2.9所示。

结构图解析

SIMATIC S7-400具有强大的扩展功能，它可以用扩展单元EU进行分布式扩展，用ET 200进行远程扩展。S7 -400最多有21个扩展单元（EU），这些单元都可以通过接口模板（IM）连接到中央控制器（CC）上。

2. 功能特点

SIMATIC S7-400与S7-300基本类似，具有高速指令处理、用户友好的参数设置、自诊断、用户友好的操作员控制和监视功能（HMI）、口令保护和模式选择开关等功能。

除此以外，SIMATIC S7-400的S7-400H为有冗余设计的容错自动化系统。它能够连续运行，即使控制器的某些部件由于一个或几个故障而失效也不受影响，因此具有很高的可用性，特别适合于以下应用领域：控制器发生故障后再启动的费用十分昂贵的领域（一般在过程控制工业）、如发生停机将会造成重大经济损失的领域、过程控制中包含贵重材料的领域（如制药工业）、无人管理的应用场合及需减少维护人员的场合等。SIMATIC S7-400的S7-400F/FH为安全型自动化系统，适合在需要高安全性要求的设备及工厂中使用。

3. 安装方式及方法

SIMATIC S7-400也是采用的模块化设计，便于工程实地的拆装，如图2.10所示。

示意图解析

S7-400每个模板都带一个总线连接器，安装前要把总线连接器插入模板。背板总线集成在机架内，此外S7-400没有槽位规则。

具体的安装方法及注意事项，读者在安装时可参照产品使用说明书，在此不予具体讲解。

4. 通信

通信就是系统之间按一定规则进行的信息传递和交换。在自动控制系统中PLC与工业控制计算机、PLC与PLC、PLC与外围设备之间的通信都称为PLC通信。而SIMATIC S7 -400的PLC通信功能尤为强大，具有多种不同的通信方式：

（1）所有的CPU（包括S7-200和S7-200）内均集成了组合式多点MPI和DP主接口。

（2）部分CPU内集成了附加的PROFIBUS-DP接口，它适用于经济型ET-200分布式I/O系统。

（3）具有用于连接到PROFIBUS和工业以太网的通信模板。

（4）具有用于点对点连接的通信模板。

（5）过程通信：通过总线（AS-i或PROFIBUS）周期地寻址I/O模板（过程映像数据交换）。从循环执行级调用过程通信。

（6）数据通信：自动化系统之间或HMI站和若干个自动化系统之间的数据交换。数据通信可以周期执行或基于事件驱动由用户程序块调用。