2018/11/12 SIMATIC S7-300/400PLC 原理及应用 四川机电职业技术学院.电子电气工程系 2018/11/12

2018/11/12 学习情境3：PLC的模块使用、接线及项目建立 第三章 S7 PLC的模块特性及硬件组态 2018/11/12

学习情境3：PLC的模块使用、接线及项目建立 知识目标： 1、理解S7-300/400PLC主要模块的特点、功能及技术参数。 2、学习STEP7软件的基本功能。 能力目标： 1、掌握S7-300/400PLC主要模块的使用方法及I/O模块外围电路的接线方法。 2、熟练运用STEP7软件进行项目建立、硬件组态、程序编写、程序运行调试。 2018/11/12

第三章 S7 PLC的模块特性及硬件组态 3.1 S7-300PLC的模块特性 3.2 S7-400PLC的模块特性 2018/11/12 第三章 S7 PLC的模块特性及硬件组态 3.1 S7-300PLC的模块特性 3.2 S7-400PLC的模块特性 3.3 PLC系统的硬件组态 2018/11/12

3.1 S7-300PLC的模块特性 3.1.1 S7-300 PLC的模块概述 S7-300PLC主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、CPU模块、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。 S7-300 PLC是模块化的组合结构，根据应用对象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一机架(导轨)或多个机架上。 2018/11/12

除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。 通用型S7-300PLC的外型结构如图3-1所示。 图3-1 通用型S7-300PLC的外型结构 2018/11/12

导 轨：是安装S7-300各类模块的机架，S7-300采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。 总线连接器：除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。 模块安装规范：插槽1为电源模块，插槽2为CPU模块，插槽3为接口模块，用于连接扩展机架，S7-300最多可以扩展32 个模块，即使不使用接口模块，CPU中也给接口模块分配逻辑地址。从插槽4开始可自由分配信号模块、功能模块，根据模块插入的位置不同具有确定的I/O地址。 2018/11/12

3.1.2 S7-300 PLC的模块特性 3.1.2.1 1#槽 PS模块 PS307是S7-300 PLC专配的24V DC电源。 PS307系列模块有2A、5A、10A三种（见图3-2）。 图3-2 PS307标准电源模块的外形图 2018/11/12

3.1.2.2 2#槽 CPU模块 1. S7-300 CPU模块的基本参数 S7-300 PLC的CPU的型号分类： CPU312 IFM、CPU313、CPU313 -2DP、CPU314、CPU314 -2DP、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。 CPU的主要特性（见表3-1）： 2018/11/12

表3-1 部分中央处理单元CPU的主要特性 特 性 CPU312 IFM CPU313 CPU314 CPU315/ CPU315-2DP 特 性 CPU312 IFM CPU313 CPU314 CPU315/ CPU315-2DP 执行时间 位操作 0.6 μs 0.3 μs 字操作 2 μs 1 μs 定点加 3 μs 浮点加 60 μs 50 μs 最大数字I/O点数 144 128 512 1024 最大模拟I/O通道 32 64 最大配置 1个机架 4个机架 2018/11/12

2. S7-300 CPU模块的运行方式选择和状态指示 （1） CPU模块的运行方式选择 S7-300系列的CPU312 IFM/313/314/314 IFM/315/315-2DP/316-2DP以及318-2DP模块的方式选择开关都一样，有以下4种工作方式，通过可卸的专用钥匙来控制选择（见图3-3）。 2018/11/12

RUN-P：可编程运行方式。 RUN：运行方式。 STOP：停止方式。 MRES：清除存储器，不能保持。 图3-3 S7-300 PLC CPU模块面板布置示意图 2018/11/12

SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错误时亮。 （2） CPU的LED状态及故障指示灯 SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错误时亮。 BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和314配备）。当电池失效或未装入时，指示灯亮。 DC5V（绿色）：＋5V电源指示灯。CPU和及总线5V电源正常时亮。 2018/11/12

FRCE（黄色）：强制有效指示灯。至少有一个I/O被强制状态时亮。 RUN（绿色）：运行状态指示灯。CPU处于“RUN”状态时亮；LED在“Startup”状态以2Hz频率闪烁；在“HOLD”状态以0.5Hz频率闪烁。 STOP（黄色）：停止状态指示灯。CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”状态时亮；在存储器复位时LED以0.5Hz频率闪烁；在存储器置位时LED以2Hz频率闪烁。 2018/11/12

（3）CPU315-2DP CPU的另外两个状态及故障指示灯 BUS DF（BF）（红色）：总线出错指示灯（只适用于带有DP接口的CPU）。出错时亮。 SF DP（红色）：DP接口错误指示灯（只适用于带有DP接口的CPU）。当DP接口故障时亮。 2018/11/12

在S7-300PLC中接口模块主要有IM360、IM361及IM365。 IM360用于发送数据，IM361用于接收数据，IM360和IM361的最大距离为10m。（见图3-4）。 图3-4 IM360（左）和IM361（右）的外形图 2018/11/12

IM360、IM361是用于多机架的接口模块（最多可扩展至4层机架），（见图3-5）。 图3-5 多机架S7-300 PLC的连接 2018/11/12

2. IM365 如果只扩展两个机架，可选用比较经济的IM365接口模块对（不需要辅助电源，在扩展机架上不能使用CP模块） ，这一对接口模块由1m长的连接电缆相互固定连接（见图3-6）。 图3-6 IM365的外形图 2018/11/12

数字量输入模块SM321将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。 （1）DI模块的功能 数字量输入模块SM321将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。 （2）DI模块的类型 直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。 （3）DI模块框图和端子连接图示例（见图3-7） 2018/11/12

图3-7 DI模块框图和端子连接图示例 2018/11/12

直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。 按输出开关器件的种类不同分为： 晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触点输出方式。 2. SM322 数字量输出模块 （1）DO模块的功能 数字量输出模块SM322将S7-300内部信号电平转换成过 程所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。 （2）DO模块的类型 按负载回路使用的电源不同分为： 直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。 按输出开关器件的种类不同分为： 晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触点输出方式。 2018/11/12

晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块； 晶闸管输出方式属于交流输出模块； 继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。 （3）DO模块的特点 晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块； 晶闸管输出方式属于交流输出模块； 继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。 从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型最佳。 2018/11/12

（4）DO模块框图和端子连接图示例（见图3-8） 2018/11/12

SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。 3. SM323 数字量I/O模块 SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。 I/O额定负载电压24 V DC，在额定输入电压下，输入延迟为1.2～4.8 ms。输出具有电子短路保护功能。 2018/11/12

模拟量输入(简称AI)模块SM331目前有三种规格型号，即8AI×l2位模块、2AI×l2位模块和8AI×l6位模块。 2018/11/12

SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。 （2）AI模块的特点 SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。 A/D转换部件的转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，也即积分时间越长，被测值的精度越高。 SM331可选四档积分时间：2.5 ms、16.7 ms、20 ms和l00 ms，相对应的以位表示的精度为8、12、12和14。 2018/11/12

（3）AI模块框图和端子连接图示例（见图3-9） 2018/11/12

5. 模拟量输出模块SM332 （1）AO模块的类型 模拟量输出(简称模出(AO))模块SM332目前有三种规格型号，即4AO×l2位模块、2AO×12位模块和4AO×l6位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。 2018/11/12

SM332与负载/执行装置的连接：SM332可以输出电压，也可以输出电流。 （2）AO模块的特点 SM332与负载/执行装置的连接：SM332可以输出电压，也可以输出电流。 在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连。 采用4线回路能获得比较高的输出精度（见图3-10）。 2018/11/12

图3-10 通过4线回路将负载与隔离的模出模块相连 图3-10 通过4线回路将负载与隔离的模出模块相连 2018/11/12

（3）AO模块框图和端子连接图示例（见图3-11） 2018/11/12

SM334模块输入测量范围为0～10 V或0～20 mA，输出范围为0～10 V或0～20 mA（见图3-12）。 6. SM334 模拟量I/O模块 模拟量I/O模块SM334有两种规格，一种是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为8位，另一种也是有4模入/2模出的模拟量模块，其输入、输出精度为12位。 SM334模块输入测量范围为0～10 V或0～20 mA，输出范围为0～10 V或0～20 mA（见图3-12）。 2018/11/12

图3-12 SM334 AI 4/AO 2×8/8Bit的模拟量输入/输出模块的接线图 2018/11/12

西门子S7-300 PLC不仅可连接通用I/O模块，还可以根据某些特定控制要求选配其他功能模块。 例如，FM 350-1，FM 350-2计数器模块，FM 351用于快速/慢速驱动的定位模块，FM 353用于步进电机的定位模块，FM 354用于侍服电机的定位模块，FM 357-2定位和连续通道控制模块，SM 338 超声波位置探测模块，SM 338 SSI 位置探测模块，FM 352电子凸轮控制器，FM 352-5高速布尔运算处理器，FM 355 PID模块以及FM 355-2温度PID控制模块等。 返回目录 2018/11/12

3.2 S7-400PLC的模块特性 3.2.1 S7-400 PLC的模块概述 S7-400由机架(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元(CPU)、数字量输入/输出(DI/DO)模块、模拟量输入榆出(AI/AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块(SM)。 2018/11/12

3.2.2 S7-400 PLC的模块特性 3.2.2.1 PS模块 1．电源模块的特点 电源模块通过背板总线向S7-400提供DC 5V和DC 24V电源； 输出电流的额定值有4A、10A和20A； PS 405的输入为直流电压，PS 407的输入为直流电压或交流电压； S7-400有带冗余功能的电源模块。 2. 电源模块的LED指示灯 INTF：内部故障； BATF：电池故障，背板总线上的电池电压过低； BATT1F和BATT2F：电池1或电池2接反、电压不足或电池不存在； DC5V和DC24V：相应的直流电源电压正常时亮。 2018/11/12

3.2.2.2 CPU模块 1. S7-400 CPU模块的类型 S7-400 PLC CPU模块的类型有:CPU412-1、CPU412-2DP、 CPU413-1、CPU413-2DP、 CPU414-1、 CPU414-2DP、CPU414-3DP、 CPU416-1、 CPU416-2DP、CPU416-3DP 、CPU417-4等，（见图3-13）。 图3-13 S7-400 PLC CPU模块 2018/11/12

MRES：钥匙开关的临时触点，用于CPU的主站复位以及冷启动。 RUN-P：如果启动无故障，CPU则进入RUN模式，CPU执行用户程序或空运行。程序可以从CPU中读出，也可以传送到CPU。钥匙在该位置时不能拔出。 RUN：如果启动无故障，CPU则进入RUN模式，CPU执行用户程序或空运行。程序可以从CPU中读出，但不能修改CPU中的程序。钥匙在该位置时可拔出以确保在没有授权的情况下不能修改运行模式。 STOP：CPU不能处理用户程序，数字量信号模块被禁止。钥匙在该位置时也可以拔出以确保在没有授权的情况下不能修改运行模式。程序可以从CPU中读出，也可以传送到CPU。 MRES：钥匙开关的临时触点，用于CPU的主站复位以及冷启动。 2018/11/12

（2）CPU的LED状态及故障指示灯（见表3-2） 表3-2 S7-400 CPU 指示灯的含义 指示灯 颜色 含义 412-1 414-2 416-2 414-3 416-3 417-4 414-4H 417-4H INTF 红色 内部故障 X EXTF 外部故障 FRCE 黄色 强制工作 RUN 绿色 运行RUN状态 STOP 停止STOP状态 BUS1F MPI/PROFIBUS DP 接口1的总线故障 BUS2F 接口2的总线故障 - MSTR CPU运行 REDF 冗余错误 RACK0 CPU在机架0中 RACK1 CPU在机架1中 IFM1F 接口子模块1故障 IFM2F 接口子模块2故障 2018/11/12

1．数字量输入模块SM421的主要特性（见表3-3） 32x24V DC 16x24V DC SM 421 16x120/230V UC 输入点数 32DI，隔离 为32 组 16DI ，隔离 为8 组 为4 组 额定输入电压 24 VDC 120VAC/230VDC 120 /230VUC 可编程诊断 不可以 可以 诊断中断 沿触发硬件中断 输入延迟可调整 替换值输出 － 2018/11/12

2. 数字量输出模块SM422的主要特性（见表3-4） 表3-4 数字量输出模块SM422的主要特性 2018/11/12 模块 特性 16x24VDC/2A 32x24VDC/0. 5A 32x24 VDC/0. 5A 16x120/230VAC/2A 输出点数 16DO ，隔离 为8 组 32DO，隔离 为32 组 16DO，隔离 为4 组 输出电流 2A 0.5A 额定负载电压 24 VDC 24 VUC 120 /230VUC 可编程诊断 不可以 可以 诊断中断 替换值输出 2018/11/12

3．模拟量输入模块SM431的主要特性（见表3-5） SM 431 AI 8x14 位 13x16 位 16x 16 位 8x16 位 输入点数 8AIU/I 测量4AI 电阻测量 16 点 16AI U/I/温度测量8AI 电阻测量 8 点 分辨率 14 位 13 位 16 位 测量方法 电压 电流 电阻 温度 电阻 电压 电流 电压 电流 温度 测量原理 积分式 瞬时值编码 可编程诊断 不可以 可以 诊断中断 可调整 监视极限值 在周期结束时硬件中断 2018/11/12

4．模拟量输出模块SM 432的主要特性（见表3-6） SM 432；AO 8×13 位 输出点数 8 点 分辨率 13 位 输出类型 电压、电流 可编程诊断 无 诊断中断 替换值输出 电势关系 模拟部分与CPU 、负载电压隔离 最大允许共模电压 通道与通道间对MANA 为3VDC － 2018/11/12

S7-400 PLC的接口模块主要有 IM460、IM461、IM460-3、IM461-3、IM460-4、IM461-4。 （1）接口模块的共性 接口模块IM460-0（发送IM）和IM461-0（接收IM）用于局域连接，通信总线采用最高传输率。 （2）IM460-0和IM461-0的技术特性（见表3-7） 2018/11/12

表3-7 IM460-0和IM461-0的技术特性 线路最大长度 3 米，5 米， 尺寸 W×H×D (mm) 25×290×280 重量 600 g 610 g 总线上5V DC的电流消耗 典型值 130 mA 最大值 140 mA 典型值 260 mA 最大值 290 mA 功耗 典型值 650 mW 最大值 700 mW 典型值 1300 mW 最大值 1450 mW 2018/11/12

接口模块IM460-1（发送IM）和IM461-1（接收IM）用于局域连接（最长1.5m）。 （1）接口模块的共性 接口模块IM460-1（发送IM）和IM461-1（接收IM）用于局域连接（最长1.5m）。 （2）IM460-1和IM461-1的技术特性（见表3-8） 表3-8 IM460-1和IM461-1的技术特性 线路最大长度 1.5 m 尺寸 W×H×D (mm) 25×290×280 总线上5V DC 的电流消耗 ·IM 461-1 ·IM 460-1 典型值 50 mA 最大值 85 mA 典型值 120 mA 最大值 100 mA 功耗 典型值 250 mW 最大值 425 mW 典型值 500 mW 最大值 600 mW EU 的电源 每条线路5V/5A 2018/11/12

典型值 1350 mA 最大值 1550 mA典型值 590 mA 最大值 620 mA 3．接口模块IM460-3和IM461-3 （1）接口模块的共性 接口模块IM460-3（发送IM）和IM461-3（接收IM）用于远程连接，最长102m（准确地说为100m加0.75m的输入/输出）。 （2）IM460-3和IM461-3的技术特性（见表3-9） 表3-9 IM460-3和IM461-3的技术特性 线路最大长度 102 米 尺寸 W×H×D (mm) 25×290×280 重量 ·IM 460-3 ·IM 461-3 630 g 620 g 总线上5V DC 的电流消耗 典型值 1350 mA 最大值 1550 mA典型值 590 mA 最大值 620 mA 功耗 典型值 6750 mW 最大值 7750 mW 典型值 2950 mW 最大值 3100 mW 2018/11/12

接口模块IM460-4（发送IM）和IM461-4（接收IM）用于远程连接，最长605m（准确地说为600m加1.5m的输入/输出）。 接口模块的共性： 接口模块IM460-4（发送IM）和IM461-4（接收IM）用于远程连接，最长605m（准确地说为600m加1.5m的输入/输出）。 返回目录 2018/11/12

3.3 PLC系统的硬件组态 3.3.1 S7-300 PLC的硬件组态 S7-300 PLC的硬件组态步骤： 1．选中项目名，单击Insert/Station/SIMATIC 300 Station进入中央机架硬件组态界面（见图3-14）。 图3-14 S7-300 PLC的硬件组态界面 2018/11/12

2.打开S7-300的组态项目，根据实际硬件进行组态（见图3-15）。 图3-15 S7-300 PLC的硬件组态示例 2018/11/12

3.3.2 S7-400 PLC的硬件组态 S7-400 PLC的硬件组态步骤如下： 1．选中项目名，单击Insert/Station/SIMATIC 400 Station进入中央机架硬件组态界面（见图3-16）。 图3-16 S7-400 PLC的硬件组态界面 2018/11/12

2. 打开S7-400的组态项目，根据实际硬件进行组态（见图3-17）。 图3-17 S7-400 PLC的硬件组态示例 2018/11/12

3.3.3 S7-300 PLC系统的I/O扩展硬件组态 S7-300 PLC的中央机架最多可以安装8块I/O模块，根据实际需要可以使用IM360、IM361和IM365接口模块进行输入/输出扩展。 使用IM360/IM361模块进行集中扩展的步骤如下： 2018/11/12

1. 再次选择S7-300机架作为扩展机架，然后对扩展机架进行模块组态，（见图3-18）。 图3-18 扩展机架模块组态 2018/11/12

2. 在S7-300中央机架上插入IM360模块，在S7-300扩展机架上插入IM361模块，连接两个模块即可（见图3-19）。 图3-19 一个中央机架和一个扩展机架的组态 2018/11/12

3.3.4 S7-400 PLC系统的I/O扩展硬件组态 使用IM460/461模块进行集中扩展的步骤如下： 2018/11/12

2. 在S7-400中央机架上插入IM460模块，在S7-400扩展机架上插入IM461模块，连接两个模块即可（见图3-21）。 图3-21 一个中央机架和一个扩展机架的组态 返回目录 2018/11/12