S7-300PLC的硬件 自动化教研室.

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1 S7-300PLC的硬件 自动化教研室

2 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。

3 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) V 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

4 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。

5 (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。

6 数字量输入/输出模块

7 (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。

8 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。

9 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。

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11 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。

12 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。

13 PS307 2A的模块示意图

14 (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。

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16 CPU31xC系列PLC的结构示意图

17 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。

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19 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，

20 SM322数字量输出模块的技术特性

21 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。

22 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；

23 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

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25 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：

26 将量程卡从模拟量输入模块中卸下

27 将量程卡插入模拟量输入模块

28 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。

29 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。

30 连接带隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块

31 连接不带隔离的传感器与带隔离的模拟量输入模块

32 连接带隔离的传感器与不带隔离的模拟量输入模块

33 连接不带隔离的传感器与不带隔离的模拟量输入模块

34 电压传感器与带隔离的模拟量输入模块的连接

35 两线制变送器与带隔离的模拟量输入模块的连接

36 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

37 四线制变送器与带隔离的模拟量输入模块的连接

38 热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的四线制连接

39 热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的三线制连接

40 热敏电阻与带隔离的模拟量输入模块的两线制连接

41 热电偶的结构

42 使用内部补偿的热电偶与模拟量输入模块的连接

43 使用补偿盒的热电偶与模拟量输入模块的连接

44 带有热敏电阻的热电偶与SM331、AI8×TC的连接

45 带隔离的模拟量电压输出模块与负载的四线制连接

46 不带隔离的模拟量电压输出模块与负载的双线制连接

47 模拟量电流输出模块与负载的连接

48 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。

49 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。

50 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。

51 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。

52 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。

53 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。

54 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。

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56 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。

57 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。

58 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。

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60 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

61 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。

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