S7-300PLC的硬件 自动化教研室

SIEMENS公司在20世纪末推出的SIMATIC S7-300系列PLC，性价比高，电磁兼容性强，抗震动冲击性强，使其具有非常好的工业环境适应性，广泛应用于冶金、石油、化工、交通运输、轻工、电力、汽车、通用机械、专用机床、制造业、食品加工、包装机械、纺织机械、智能建筑等各个领域。 S7-300是模块化PLC系统，能满足中等性能控制系统的要求。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同的系统。S7-300具有强大的通信功能，通过STEP-7编程软件的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。此外，S7-300 PLC还具有多种不同的通信接口，通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统。

1. 负载电源 (选项) 2. 后备电池 (CPU 313 以上) 3. 24V DC 连接 4. 模式开关 5. 状态和故障指示灯6 1. 负载电源 (选项) 2. 后备电池 (CPU 313 以上) 3. 24V DC 连接 4. 模式开关 5. 状态和故障指示灯6. 存储器卡 (CPU 313 以上) 7. MPI 多点接口 8. 前连接器 9. 前盖

S7-300 PLC由以下几部分组成 (1)中央处理单元(CPU) 各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。 (2)负载电源模块(PS) 负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源，供CPU和I/0模块使用。额定输出电流有2A、5A和l0A三种，过载时模块上的LED闪烁。

(3)信号模块(SM) 信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4~20mA和DC0~10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程信号连接到前连接器的端子上。

数字量输入/输出模块

(4)功能模块(FM) 功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。

铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。 (5)通信处理器(CP) 通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFlBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。 (6)接口模块(IM) 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和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。 (7)导轨 铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。

除了带CPU的中央机架(CR)，S7-300PLC最多可以增加3个扩展机架(ER)，每个机架可以插8个模块(不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM)，4个机架最多可以安装32个模块。机架的最左边是1号槽，最右边是11号槽，电源模块总是在I号槽的位置。中央机架(0号机架)的2号槽上是CPU模块，3号槽是接口模块。这3个槽号被固定占用，信号模块、功能模块和通信处理器使用4~11号槽，如图所示。

如果有扩展机架，接口模块占用3号槽位，负责与其他扩展机架自动地进行数据通信。 因为模块是用总线连接器连接的，而不是像其他模块式PLC那样，用焊在背板上的总线插座来安装模块，所以槽号是相对的，在机架导轨上并不存在物理槽位。例如在不需要扩展机架时，中央机架上没有接口模块，此时虽然3号槽位仍然被实际上并不存在的接口模块占用，中央机架上的CPU模块和4号槽的模块实际上是挨在一起的。 如果有扩展机架，接口模块占用3号槽位，负责与其他扩展机架自动地进行数据通信。 如果只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的lM365接口模块对，两个接口模块用lm长的固定电缆连接，由于IM365不能给机架1提供通信总线，机架1上只能安装信号模块，不能安装通信模块和其他智能模块。扩展机架的电源由lM365提供，两个机架的DC5V电源的总电流应在允许值之内。

使用IM360/361接口模块可以扩展3个机架，中央机架(CR)使用IM360，扩展机架(ER)使用IM361，各相邻机架之间的电缆最长为l0m。每个IM361需要一个外部DC24V电源，向扩展机架上的所有模块供电，可以通过电源连接器连接PS307负载电源。所有的S7-300模块均可以安装在ER上。接口模块是自组态的，无需进行地址分配。 每个机架上安装的信号模块、功能模块和通信处理器，除了不能超过8块外，还受到背板总线DC5V供电电流的限制。0号机架的DC5V电源由CPU模块提供，其额定电流值与CPU的型号有关。扩展机架的背板总线的DC5V电源由接口模块IM361提供，各类模块消耗的电流需查相应的模块手册。

PS307 2A的模块示意图

(2) 3种重新定义的CPU: CPU312，314和315-2DP。 S7-300有20种不同型号的CPU，以适应不同等级的控制系统。有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口，有的CPU上集成有PtP接口等，目前大致可以分为以下几类： (1) 6种紧凑型CPU，带有集成功能和I/O: CPU3l2C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。 (2) 3种重新定义的CPU: CPU312，314和315-2DP。 (3) 5种标准的CPU: CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。 (4) 4种户外型 CPU: CPU312IFM ，314IFM，314户外型和315-2DP。 (5) 高端CPU: 317-2DP和CPU318-2DP。 (6) 故障安全型CPU: CPU3l5F和CPU317F-2DP。

CPU31xC系列PLC的结构示意图

S7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。 数字量模块 S7-300有多种数字量输入/输出模块，其输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。 1 数字量输入模块SM321 数字量输入模块将来自现场的数字信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光电隔离和滤波后，送到输出缓冲区等待CPU采样，采样后的信号状态经过背板总线进入输入映像区。根据输入信号的极性和输入点数，SM321共有14种数字量输入模块，下表为常用数字量输入模块的技术特性。

2 数字量输出模块SM322 根据负载回路使用电源的要求，数字量输出模块有： 直流输出模块（晶体管输出方式）； 交流输出模块（晶闸管输出方式）； 交直流输出模块（继电器输出方式）； SM322数字量输出模块的技术特性如表所示，

SM322数字量输出模块的技术特性

模拟量模块 S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出模块SM334和SM335。 SM331模块主要由A/D转换器、切换开关、恒流源、补偿电路、光隔离器及逻辑电路组成，它将控制过程中的模拟信号转换为PLC内部处理用的数字信号。其主要功能有： 分辨率可调，可从9~15位加符号位； A/D转换器采用积分法，4档积分时间为2.5ms、16.7ms、20ms和100ms; 测量范围广，电压和电流传感器、热电偶、电阻和电阻式温度计均可作为传感器与之连接。 在实际应用中，应该用STEP7的组态工具对未使用的模拟量通道进行屏蔽。

模拟量输出模块SM332 SM332模拟量输出模块目前有3种型号，即AO4×12位模块、AO2×12位模块、AO4×16位模块、如AO4×12位模块，有4个通道，每个通道都可单独设置为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光隔离。在输出电压时，可以采用二线回路或四线回路两种方式与负载相连。 模拟量输出通道的转换时间和模块的循环时间：每个通道的最大转换时间为0.8~1.5ms，建立时间为0.1~0.5ms，模块的循环时间为所有激活的AO通道的转换时间与建立时间的总和；

模拟值的表示 电压测量范围为±l0~±lV的模拟值表示如表所示 模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码定点数来表示，最高位（第15位）为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。模拟量模块的模拟值位数（即转换精度）可以设置为9~15位（与模块的型号有关，不包括符号位），如果模拟值的精度小于15位，则模拟值左移，使其最高位（符号位）在16位字的最高位（第15位），模拟值左移后未使用的低位则填入“0”，这种处理方法称为“左对齐”。 电压测量范围为±l0~±lV的模拟值表示如表所示

模拟量输入模块测量范围的设定 模拟量输入模块的输入信号种类用安装在模块侧面的量程卡（量程模块）来设置，量程卡安装在模拟量输入模块的侧面，每两个通道为一组，共用一个量程卡，下图中的模块共用8个通道，因此有4个量程卡。量程卡可以设定为“A”、“B”、“C”、“D”4个位置，其常见的含义为：“A”为热电阻、热电偶；“B”为电压；“C”为四线制电流；“D”为两线制电流。 量程卡插入输入模块后，如果量程卡上的标记C与输入模块上的标记相对，则量程卡被设置在C位置。模块出厂时，量程卡预设在B位置。如果需要调整量程卡，步骤如下：

将量程卡从模拟量输入模块中卸下

将量程卡插入模拟量输入模块

模拟量模块参数 模拟量模块具有许多特性，可以通过参数赋值，来设定模块的特性。参数分为动态参数和静态参数两种。通常使用STEP7对模拟量模块进行静态与动态参数赋值，此时CPU必须处于“STOP”模式。当设定完所有的参数后，应将参数下载到CPU。当CPU从“STOP”模式转换为“RUN”模式时，CPU即可将参数传送到每个模拟量模块；如果没有使用STEP7进行参数赋值，模块将使用默认设置。 通过系统功能SFC55，可以修改当前用户程序中的动态参数，但必须注意，在CPU进行RUN→STOP、STOP→RUN转换后，使用STEP7所设定的参数将再次恢复。

模拟量输入模块与传感器的连接 1 带隔离的模拟量输入模块 为了减少电磁干扰，对于模拟信号应使用屏蔽双绞电缆，并且模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。如果电缆两端存在电位差，将会在屏蔽层中产生等电势耦合电流，造成对模拟信号的干扰。在这种情况下，应该让电缆的屏蔽层一端接地。 1 带隔离的模拟量输入模块 一般情况下，CPU的接地端子与M端子用短接片连接。带隔离的模拟量输入模块的测量电路参考点MANA与CPU模块的M端子之间没有电气连接，见图.。如果参考电压UANA和CPU的M端存在一个电位差UISO，必须选用带隔离的模拟量输入模块，通过在MANA端子和CPU的M端子之间使用一根等电位连接导线，可以确保UISO不会超过允许值。

连接带隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块

连接不带隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块

连接带隔离的传感器与不带隔离的模拟量输入模块

连接不带隔离的传感器与不带隔离的模拟量输入模块

电压传感器与带隔离的模拟量输入模块的连接

两线制变送器与带隔离的模拟量输入模块的连接

由L+供电的两线制变送器与带隔离的模拟量输入模块的连接

四线制变送器与带隔离的模拟量输入模块的连接

热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的四线制连接

热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的三线制连接

热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的两线制连接

热电偶的结构

使用内部补偿的热电偶与模拟量输入模块的连接

使用补偿盒的热电偶与模拟量输入模块的连接

带有热敏电阻的热电偶与SM331、AI8×TC的连接

带隔离的模拟量电压输出模块与负载的四线制连接

不带隔离的模拟量电压输出模块与负载的双线制连接

模拟量电流输出模块与负载的连接

模拟量模块的诊断 模块有故障出现时将会执行下列操作: (1) 将诊断报文送入模拟量模块的诊断区中，并传送到CPU。 (2) 模拟量模块中的故障指示灯亮 (3) 如果己经用STEP7中允许产生"诊断中断"功能，将触发一个诊断中断，并调用OB82。 用户可以通过用户程序中的SFC，读出详细的诊断报文。在模块诊断中，可以查看STEP7中的故障原因 (参见STEP7的在线帮助)。 当CPU检测到错误时，不管参数如何设置，模拟量输入模块输出模拟测量值7FFFH，它表示上溢出、故障或通道被禁止使用。

通信处理器模块 CPU通过MPI接口或PROFIBUS-DP接口在网络上自动广播它设置的总线参数，PLC可以自动地“挂到”MPI网络上。所有的CPU模块都有一个多点接口MPI，有的CPU模块有一个MPI和一个PROFIBUS-DP接口，有的CPU模块有一个MPI/DP接口和一个DP接口。 通信处理器(CP)用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-I和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理器的通信任务，并减少用户对通信的编程工作。

1 通信处理器模块CP340 2. 通信处理器模块CP342-2/CP343-2 CP340用于建立点对点（Point to Point，PtP）低速连接，最大传输速率为19.2kbps,有3种通信接口，即RS-232C(V.24)，20mA(TTY)，RS-422/RS-485(X.27)。可通过ASCII、3964(R)通信协议及打印机驱动软件，实现与S5系列PLC、S7系列PLC及其他厂商的控制系统、机器人控制器、条形码阅读器、扫描仪等设备的通信连接。 2. 通信处理器模块CP342-2/CP343-2 CP342-2/CP343-2用于实现S7-300到AS-I接口总线的连接。最多可连接31个AS-I从站，如果选用二进制从站，最多可选址248个二进制元素。具有监测AS-I电缆的电源电压和大量的状态和诊断功能。

4、 通信处理器模块CP343-1 3、通信处理器模块CP342-5 CP342-5用于实现S7-300到PROFIBUS-DP现场总线的连接。它分担CPU的通信任务，并允许增加其他连接，为用户提供各种 PROFIBUS总线系统服务，可以通过PROFIB US-DP对系统进行远程组态和远程编程。 当CP342-5作为主站时，可完全自动处理数据传输，允许CP从站或ET200-DP从站连接到S7-300。当CP342-5作为从站时，允许S7-300与其他PROFIBUS主站交换数据。 4、 通信处理器模块CP343-1 CP343-1用于实现S7-300到工业以太网总线的连接。它自身具有处理器，在工业以太网上独立处理数据通信并允许进一步的连接，完成与编程器、PC、人机界面装置、S5系列PLC、S7系列PLC的数据通信。

5、通信处理器模块CP343-1 TCP 6、通信处理器模块CP343-5 CP343-l TCP使用标准的TCP/IP通信协议，实现S7-300(只限服务器)、S7-400(服务器和客户机)到工业以太网的连接。它自身具有处理器，在工业以太网上独立处理数据通信并允许进一步的连接，完成与编程器、PC、人机界面装置、S5系列PLC、S7系列PLC的数据通信。 6、通信处理器模块CP343-5 CP343-5用于实现S7-300到PROFIBUS-FMS现场总线的连接。它分担CPU的通信任务，并允许进一步的其他连接，为用户提供各PROFIBUS总线系统服务，可以通过PROFIBUS-FMS对系统进行远程组态和远程编程。

接口模块用于S7-300系列PLC的中央机架到扩展机架的连接，主要有三种规格： 接口（IM）模块 接口模块用于S7-300系列PLC的中央机架到扩展机架的连接，主要有三种规格： 1 接口模块IM365 IM365用于连接中央机架与一个扩展机架，由两个模块组成，一个插入中央机架，通过1m长的连接电缆，将另一块插入扩展机架，在一个扩展机架上最多可安装8个模块。 2 接口模块IM360/361 当扩展机架超过一个时，将接口模块IM360插入中央机架，在扩展机架中插入接口模块IM361，S7-300系列的最大配置为1个中央机架与3个扩展机架，每个扩展机架最多可安装8个模块，相邻机架的间隔为4cm~10m。

触摸屏TP17,TP27，TP37 触摸屏是通过触摸在屏幕画面上的按钮即可进行直观操作的装置，它可以对要监控的机器和生产过程进行真实的图形显示。触摸屏TP27，TP37的主要功能有：1）显示过程变量；2）监控变量域的极限值；3）带有静态元素、曲线、图形和条形图表的过程显示；4）带有信息状态的记录和故障信息的管理；5）定义信息优先级别；6）显示信息、变量和过程中的帮助及信息文本；7）口令保护；8）菜单管理；9）3种在线语言选择；10）TP37可采用内存卡 (PCMCIA/Jeida卡)存储组态参数和菜单；11）内置打印机接口。

将PLC和OP整合在一起 SIMATIC C7-635能够将 CPU 314C-2DP和TP 170B 面板整合在一起。 因此，C7-635拥有CPU 314C的所有功能。

装在一个机架上的S7-300 PLC必须符合以下规定： S7-300 PLC是模块化的组合结构，用户按照实际需求选取的各种模块可以直接安装在机架（导轨）上，通过背板总线（机座）把这些模块连接起来。在机架上安装模块的顺序是：在1号槽安装电源模块，2号槽安装CPU，以后安装I/O接口模块、功能模块/通信处理器或I/O信号模块。S7-300 PLC系统配置分两种情况： 1 装在一个机架上的S7-300结构 装在一个机架上的S7-300 PLC必须符合以下规定： ① 在CPU单元右边安装的信号模块不超过8个。② 背板总线电流值的限制装在一个机架上的全部模块都要受到S7-300背板总线提供的总电流值的限制，对于CPU313/314，这个总电流值不超过1.2A；对于CPU312IFM，不超过0.8A。

2 装在多个机架上的S7-300结构（不包括CPU312IFM/313） 根据实际需要，如果一个机架不够用，最多可扩展4个机架（与CPU312IFM和CPU313配套的模块只能装在一个机架上），多个机架上的配置必须遵循下述原则： ① 接口模块（IM）总是位于3号槽、第一个信号模块的左边。 ② 每个机架上不能超过8个信号模块（SM、FM、CP），这些模块总是位于接口模块的右边。但有一个情况例外，如果选用CPU314IFM，模块不能插入到机架3的第11号槽。 ③ 插入的模块数（SM、FM、CP）受到背板总线允许提供电流的限制，每一排或每一机架总的电流消耗量不应超过1.2A。

S7-300的I/O编址 1数字量I/O编址 S7-300的数字量地址由地址标识符、地址的字节部分和位部分组成，一个字节由0~7这8位组成。地址标识符I表示输入，Q表示输出，M表示存储器位。例如I3.2是一个数字量输入的地址，小数点前面的3是地址的字节部分，小数点后的2表示这个输入点是3号字节中的第2位。 数字量除了按位寻址外，还可以按字节、字和双字寻址。例如输入量I2.0~I2.7组成输入字节IB2，B是Byte的缩写；字节IB2和IB3组成一个输人字IW2，W是Word的缩写，其中IB2为高位字节;IB2~IB5组成一个输入双字ID2，D是Double Word的缩写，其中IB2为最高位的字节。以组成字和双字的第一个字节的地址作为字和双字的地址

S7-300的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关，位地址与信号线接在模块上的哪一个端子有关。对于数字量模块，从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4B(4个字节)的地址，相当于32个1/0点。最多可能有32个数字量模块，共占用32×4B＝128B。 2 模拟量I/O编址 模拟量输入通道或输出通道的地址是一个字地址，通道地址取决于模板的起始地址。例图3.7.1中，每个槽位分给模拟量16个字节（如256~271），而由于每个模拟量I/O通道的地址占一个字（2个字节），故每个槽位共有8个模拟通道。 如果第一块模拟量模块是插在第4号槽里，那么它的起始地址为256。随后的模拟量模块，其起始地址每一槽增加16。一块模拟量输入/输出模块，它的输入和输出通道有相同的起始地址。