西门子S7-200CN模块6ES7214-2AD23-0XB8

图1 S7—200硬件系统组成
    CPU模块又称为主机是系统的核心，它包括CPU、存储器、基本输入输出点和电源等。它实际就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。
    主机I/O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，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I／O点数是由多种因素共同决定的。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，可扩展特殊功能模块，以完成某种特殊的控制任务。
    利用网络接口，可以充分和方便地利用为SIMATICS7—200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。
    所有以上这些硬件设备，都在一个统一的工业软件平台上编程和运行，为了更好地管理和使用这些设备，S7—200PLC配备了许多功能强大的专用功能指令，方便地实现各种控制目的。
   2. 主机（CPU）模块
    S7—200系统CPU 22*系列PLC主机(CPU模块)的外形如图2所示。 S7—200CPU模块包括一个中央处理单元、存储器、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，以便对工业自动化控制任务或过程进行控制。输人部分从现场设备中采集信号，输出部分则输出控制信号，控制工业过程中的设备。 

图2 CPU 22*系列PLC的CPU外形
    从CPU模块的功能来看，SIMATICS7—200系列小型可编程序控制器发展至今，经历了两代：第一代产品的CPU模块为CPU 21*，现已停产。第二代产品的CPU模块为CPU 22*，是在21世纪初投放市场的。其速度快，具有极强的通讯能力。它具有四种不同结构配置的CPU单元。
    (1)CPU 221 CPU 221具有6输入／4输出，共计10个点的I／O，无扩展能力，有6 KB程序和数据存储空间。还具有4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出端，1个RS—485通讯／编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由通讯方式。非常适合于小点数的控制系统。
    (2)CPU 222 CPU 222除了具有CPU 221的功能外，其不同点在于：它有8输人／6输出，共计14点I／O。可以带两个扩展模块，*多扩展8路模拟量和64个I／O，因此是更广泛的全功能控制器。
    (3)CPU 224 它在CPU 222的基础上使主机的输入输出点数增为24点，有14输入／10输出，可以带7个扩展模块，*大可扩展为168点数字量或者35点模拟量的输入和输出；存储容量也进一步增加，有内置时钟，还增加了一些数学指令和高速计数器的数量，具有较强的控制能力。
    (4)CPU 226 这种模块在CPU 224的基础上功能又进一步增强，有24输入／16输出，主机输入和输出点数增到40点，*大可扩展为248点数字量或35点模拟量；增加了通讯口的数量，通讯能力大大增强；它可用于点数较多、要求较高的小型或中型控制系统。
    现在西门子公司新推出了一种增强型的CPU 226XM，它在用户程序存储容量上扩大到8K字，其他指标和CPU 226相同。
    每一款主机模块上都集成了24V直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。利用EEPROM存储存储程序和配置信息。用户数据可通过主机的超级电容存储若干天，电池模块可选，可使数据的存储时间延长到200天。可以用普通输入端子捕捉比CPU扫描周期更快的脉冲信号，利用中断输入，允许以极快的速度对信号的上升沿做出响应。速度为30 kHz的高速计数器可以编程，并具有复位输入端，多个独立的输入端，可同时用作加减计数，可以连接相应数量的相位差为90度的A／B相增量编码器。2路*大可达20kHz的高频脉冲输出，可用以驱动步进电机和伺服电机以实现准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以即时更改程序运行中的一些参数，如定时／计数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时钟可用以对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。S7—22*各主机的主要技术性能指标如表所列。 

技术指标CPU221CPU222CPU224CPU226外型尺寸/mm90*80*6290*80*62120.5*80*62190*80*62存储器用户程序2048字2048字4096字4096字用户数据1024字1024字2560字2560字用户存储器类型EEPROMEEPROMEEPROMEEPROM数据后备（超级电容）50小时50小时50小时50小时输入/输出本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出可扩展模块数量无277数字量I/O映像区（128入/128出）（128入/128出）（128入/128出）（128入/128出）模拟量I/O映像区无16入/16出32入/32出32入/32出布尔指令执行速度0.37 μs/指令0.37 μs/指令0.37 μs/指令0.37 μs/指令主要内部继电器I/O映像寄存器128I和128Q128I和128Q128I和128Q128I和128Q内部通用继电器256256256256计数器/定时器256/256256/256256/256256/256字入/字出无16/1632/3232/32顺序控制继电器256256256256附加功能内置高速计数器4H/2W(20KHz)4H/2W(20KHz)6H/4W(20KHz)6H/4W(20KHz)模拟量调节电位器1122高速脉冲输出2(20 kHz,DC)2(20 kHz,DC)2(20 kHz,DC)2(20 kHz,DC)通讯中断1发送/2接受1发送/2接受1发送/2接受1发送/2接受硬件输入中断4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器4，输入滤波器定时中断2（1-255 ms）2（1-255 ms）2（1-255 ms）2（1-255 ms）实时时钟有（时钟卡）有（时钟卡）有（内置）有（内置）口令保护有有有有通讯功能通讯口数量1（RS-485）1（RS-485）1（RS-485）2（RS-485）支持协议0号口1号口PPI,DP/T自由口N/APPI,DP/T自由口N/APPI,DP/T自由口N/APPI,DP/T自由口（同0号口）PPI主站点到点NETR/NETWNETR/NETWNETR/NETWNETR/NETW表 S7—22*各主机的主要技术性能指标 
   3. 扩展模块
    输入和输出点是系统与被控制对象的连接点。用户可以使用主机I／O和扩展I／O。S7—200系列CPU提供一定数量的主机数字量I／O点，但在主机点数不够的情况下，就必须使用扩展模块的I／O点。有时需要完成过程量控制时，可以扩展模拟量的输入／输出模块。当需要完成某些特殊功能的控制任务时，S7—200主机可以扩展特殊功能模块。所以S7—200扩展模块包括数字量输入／输出扩展模块、模拟量输入／输出扩展模块和功能扩展模块。典型的输入／输出模块和特殊功能模块有：
    (1) 数字量I／O扩展模块
    S7—200PLC系列目前总共可以提供几类数字量输入／输出扩展模块：
    输入扩展模块EM221有三种：8点DC24V输入；16点DC24V输入；8点光电隔离输入，交直流通用，可直接输入交流220V。
    输出扩展模块EM222有五种：4点DC24V输出；4点继电器输出；8点DC24V输出，8点继电器输出；8点光电隔离晶闸管输出。
    输入／输出混合扩展模块EM223有六种：分别为4点、8点、16点输入／4点、8点、16点输出的各种组合，三种为DC24V输出，另三种为继电器输出。
    (2) 模拟量I／O扩展模块
    模拟量输入扩展模块EM231有3种：4路模拟量输入，输入量程可配置为4——20mA、0——5V、0——10V、±5V或±10V等；2路热电阻输入；4路热电偶输入。12位精度。
    模拟量输出扩展模块EM232：具有2路模拟量输出。12位精度。
    模拟量输入／输出扩展模块EM235：具有4路模拟量输入和1路模拟量输出（占用2路输出地址）。12位精度。
    (3)功能扩展模块
    功能扩展模块有EM253位置控制模块、EM277 PROFIBUS-DP模块、EM241调制解调器模块、CP243-1以太网模块和CP243-2 AS-i接口模块等。
    扩展模块时，通过CPU模块和扩展模块上的扩展电缆把各个扩展模块依次串接起来，形成一个扩展链。在进行*大I／O配置的预算时要考虑以下几个因素的限制：允许的扩展模块数、映像寄存器的数量、CPU为扩展模块所能提供的*大电流和每种扩展模块消耗的电流。

 首先了解plc如何控制伺服电机

1、 电机的连线及控制

       本应用实例选择的是位置控制模式，脉冲输入方式有集电极开路方式和差动驱动方式两种，为了方便的实现同时对两部电机的控制，采用差动驱动方式。与PLC的接线图如图所示。

                                                                                 PLC与伺服放大器接线图
图中L+为公共PLC端子，接24VDC正端，通过控制内部晶体管的开关使得输出Q呈现不同的电平信号或发出脉冲信号。L+一PG—P lM—L+为脉冲输入回路，PLC控制该回路中的发光二极管的亮灭，形成脉冲编码输入。L+一NG—NP一1M— L+为电机旋转方向控制回路，当该回路的发光二极管点亮时，电机正转，否则反转。由于伺服放大器内部电阻只有100欧，为
了防止电流过大烧坏内部的发光二极管，需要外接电阻R，其阻值的计算如下：

根据公式(1)，可以选择R=3．9KO

2、电子齿轮比

数字交流伺服系统具有位置控制的功能，可通过上位控制器发出位置指令脉冲。而伺服系统的位置反馈脉冲当量由编码器的分辨率及电机每转对应的机械位移量等决定。当指令脉冲当量与位置反馈脉冲当量二者不一致时，就需要使用电子齿轮使二者匹配。使用了电子齿轮功能，就可以任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。具有电子齿轮功能的伺服系统结构如图3所示。若机械传动机构的螺距为w，指令脉冲当量为△L，编码器每转脉冲数为P，又考虑到一般电机轴与传动丝杠为直接相连， 则位置反馈脉冲当量△ =W／4P。

                                                                         具有电子齿轮功能的伺服系统结构图
由于脉冲当量与反馈脉冲当量不一定相等，就需要使用电子齿轮比来建立两者的关系。具体计算公式为：AL=3M ×CMX / CDV
。因此根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量，就可以确定具体的电子齿轮比。三菱该系列伺服电机的电子齿轮比的设定范围

对于输入的脉冲，可以乘上其中任意倍率使机械运行。

下面是plc控制私服的具体应用

3、PI C控制原理及控制模型

      本例采用了西门子s7．200系列CPU226作为主控制器。它是s7．200系列中的高档PLC，本机自带24个数字输人口、l6个数字输出口及两个RS-422／485串行通讯口，*多可扩展7个应用模块 j。实际项目中，通过扩展EM231模拟量输入模块来采集电压信号，输入的模拟信号可在0～10V±5V、0～20mA等多种信号输入方式中选择。*终，PLC根据输入电压信号的大小控制脉冲发送周期的长短，从而达到控制伺服电机速度的目的。
      3.1 高速数字脉冲输出
      西门子s7．200系列AC／DC／DC(交流供电，直流I/O)类型PLC上集成了两个高速脉冲输出口，两个高速脉冲输出口分别
通过Qo．0、Qo．1两个输出端子输出，输出时可选择PWM(脉宽调制)和PIO(脉冲串)方式。PIO方式每次只能发出固定脉冲， 脉冲开始发送后直到发送完毕才能开始新的脉冲串；PWM方式相对灵活，在脉冲发送期间可随时改变脉冲周期及宽度，其中脉冲周期可以选择微秒级或毫秒级。
      3.2 PID功能特性

      该系列PLC可以通过PID回路指令来进行PID运算，在一个程序中*多可以用8条PID指令，既*多可同时实现8个PID
控制算法。在实际程序设计中，可用STEP 7-Micro／Win 32中的PID向导程序来完成一个闭环控制过程的PID算法，从而提高
程序设计效率。

      3.3 控制模型

     控制模型方框图如下图所示，其中Uset为极间电压给定值(此时产气状态**)，Uf为极间电压采样值，Vout为伺服电机运转速度。通过对电弧电压采样值与弧间电压给定值的比较并经过PLC的PID调节回路控制，可以得出用于控制伺服电机旋转的脉冲发送周期T，从而使伺服电机的送棒速度不停的得到调整，这样就达到了控制两极间距的目的。保证了两极间距的相对稳定，也就保证了极间电压的稳定性。

                                                                             PID调节控制原理框图