学习活动1 西门子 PLC S7-200 SMART 的硬件知识

学习活动1 西门子 PLC S7-200 SMART 的硬件知识

学习目标

（1）了解西门子 PLC S7-200 SMART 的基本结构及组成。

（2）了解西门子 PLC S7-200 SMART 的CPU和控制系统各部分的功能。

任务准备

（1）西门子 PLC S7-200 SMART 、万用表。

（2）各种颜色的卡纸、白板和笔。

学习过程

PLC 是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是一种可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程逻辑控制器实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本结构包括电源、中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口电路、功能模块、通信模块。

当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，可编程逻辑控制器的CPU会以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

一、PLC S7-200 SMART CPU 模块的组成

PLC S7-200 SMART CPU 模块如图 1-1-1 所示。

1. 输入模块

PLC 的输入接口分为数字量输入接口和模拟量输入接口。数字量输入接口用于接收“1”和“0”数字信号或开关通断信号，又称为开关量输入接口；模拟量输入接口用于接收模拟量信号。模拟量输入接口通常采用 A/D 转换电路，将模拟信号转换成数字信号。数字量输入接口如图 1-1-2 所示。

当闭合按钮SB后，输入回路形成闭合回路，24 V 直流电源产生的电流流过指示灯VD1 和光电耦合器的输入回路。按钮信号通过光电耦合输出回路将按钮状态送入内部电路。

2. 输出模块

PLC的输出接口也分为数字量输出接口和模拟量输出接口。模拟量输出接口通常采用D/A转换电路，将数字信号转换成模拟信号；数字量输出接口采用电路典型的有继电器输出、场效应管输出和双向晶闸管输出三种，三种数字量输出接口如图1-1-3所示。

图1-1-3（a）是继电器输出接口电路，可驱动交流或直流负载，允许通过的电流大，一般允许 2A 以下的电流。输出有一定滞后，响应时间长，通断变化的频率低。

图1-1-3（b）是场效应管输出接口电路，只能用于驱动直流负载。输出接口反应速度快，通断频率高，过电流能力差。

图1-1-3（c）是双向晶闸管输出接口电路，只能用于驱动交流负载。输出接口反应速度快，通断频率高。

3. 其他

（1）指示灯。

①I/O 的 LED：监测 PLC 每一路输入/输出通道的当前值。

②以太网状态 LED：LINK，RX/TX。指示灯“LINK ”常亮表示以太网连接成功；指示灯“ RX/TX ”监控485通信状态。

③状态 LED：主要显示 PLC 处于运行状态还是停止状态。处于停止状态是亮黄色（新 PLC 上电的时候显示为黄色），运行时为绿色。当 PLC 出现故障（程序或硬件故障）时，错误指示灯 ERROR 亮红色。

（2）接口。

①以太网通信端口：可作为程序下载/上传端口（使用普通网线即可）；可与 SMART LINE HMI 进行通信，通过交换机与多台以太网设备进行通信，实现数据的快速交互。

②RS485 通信端口：主要用于实现 PLC 与变频器、触摸屏等外围设备的通信，支持Modbus-RTU、PPI、USS 等协议和自由口通信。

③SD 存储卡连接端口：给 PLC 实现硬件的升级或传送程序用。

④信号板扩展接口：可通过扩展 COM1 信号板增加最多至 3 个，可满足多个设备通信的需求。

⑤扩展模块连接口：采用插针式的扩展连接方式。可以用来扩展数字量模块和模拟量模块。

PLC S7-200 SMART CPU 模块具有多种型号，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。表 1-1-1 为 PLC S7-200 SMART CPU 模块的不同型号及其典型特征和功能。

二、PLC S7-200 SMART 的控制系统

1. 可编程控制系统的组成

以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统，一般由可编程控制器、信号输入部件、输出执行部件和编程器组成，如图 1-1-4 所示。

（1）可编程控制器。

可编程控制器（PLC）是控制系统的核心，它根据检测到的输入条件，执行用户编写好的控制程序，通过输出执行部件对外部负载进行控制。

（2）信号输入部件。

信号输入部件是指安装在现场的按钮、开关、传感器等，主要用于接收系统的运行条件，并将这些条件传给 PLC。

（3）输出执行部件。

输出执行部件是指接触器、电磁阀等，主要用于在 PLC 的输出驱动下控制外部设备的运行。

（4）编程器。

编程器常用的有手持编程器和装有编程软件的计算机等，主要对 PLC 进行编程和监视等。

2. 可编程控制系统的工作过程

（1）可编程控制器的工作方式。

可编程控制器采用扫描的工作方式，每个扫描周期可分为读取输入、执行程序、处理任何通信请求和写入输出四个阶段，如表 1-1-2 所示。

（2）可编程控制系统的工作原理。

可编程控制系统的工作过程主要在 PLC 循环扫描执行的基础上结合外部输入、输出情况执行。下面以图 1-1-5 所示的 PLC 控制电动机连续运行为例说明。

PLC 内部等效电路图中的 I0.0、I0.1 和 I0.2 为输入继电器，Q0.0 为输出继电器。用户程序用梯形图形式表示，左边和右边的竖线分别称为左母线、右母线，相当于直流电源的正母线和负母线，梯形图中间为触点开关和线圈。

PLC 控制电动机连续运行工作原理如下。

当按下启动按钮 SB1 时，输入继电器 I0.0 的线圈得电动作，使用户程序中的 I0.0 常开触点闭合。由于 I0.1 和 I0.2 都是常闭触点，于是输出继电器 Q0.0 线圈得电动作。Q0.0 线圈得电一方面使程序中的 Q0.0 常开触点闭合，自保持；另一方面，与输出端子 Q0.0 连接的常开触点闭合，使接触器 KM 线圈得电，主电路中的 KM 主触点闭合，电动机得电运转。

当按下停止按钮 SB2 时，输入继电器 I0.1 的线圈得电动作，使用户程序中的 I0.1 常闭触点断开，输出继电器 Q0.0 线圈失电复位，解除自保持，并使与输出端子 Q0.0 连接的常开触点恢复断开，使接触器 KM 线圈失电，主电路中的 KM 主触点断开，电动机失电停止。

当电动机过载时，热继电器 FR 动作，接在 PLC 的 I0.2 上的 FR 常开触点得电动作，使用户程序中的 I0.2 常闭触点断开，输出继电器 Q0.0 线圈失电复位，解除自保持，并使与输出端子 Q0.0 连接的常开触点恢复断开，使接触器 KM 线圈失电，主电路中的 KM 主触点断开，电动机失电停止，从而避免电动机长时间过载运行。

任务拓展

写出用西门子 PLC S7-200 SMART 控制正反转的 I/O 分配表，画出硬件接线图，并完成硬件的接线。

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总结评价

1. 学习总结

以小组为单位，选择演示文稿、展板、视频等形式，向全班展示用西门子 PLC S7-200 SMART 控制正反转的操作。

2. 综合评价