1、第3章 SIMATIC S7-300系列 PLC系統(tǒng)特性及硬件構(gòu)成,3.1 SIMATIC S7-300系列PLC的硬件系統(tǒng) 3.2 SIMATIC S7-300系列PLC模塊性能簡(jiǎn)介 思考與練習(xí)題,3.1 SIMATIC S7-300 系列PLC的硬件系統(tǒng),3.1.1 概述 SIMATIC S7 系列PLC是德國(guó)西門子公司在S5系列PLC基礎(chǔ)上于1995年陸續(xù)推出的性能價(jià)格比較高的PLC系統(tǒng)。其中，微型的有SIMATIC S7-200系列，最小配置為8DI/6DO，可擴(kuò)展27個(gè)模塊，最大I/O點(diǎn)數(shù)為64 DI/DO、12 AI/4 AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高檔性能

2、的有S7-400系列。SIMATIC S7系列PLC都采用了模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點(diǎn)，使得S7系列PLC成為各種從小規(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應(yīng)用的首選產(chǎn)品。,SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)，其主要功能如下： (1) 高速的指令處理。0.10.6 us的指令處理時(shí)間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。 (2) 人機(jī)界面(HMI)。方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。 (3) 診斷功能。CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。 (

3、4) 口令保護(hù)。多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。,3.1.2 SIMATIC S7-300系列PLC系統(tǒng)基本構(gòu)成 1. SIMATIC S7-300的組成 SIMATIC S7-300系列PLC是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.1所示。它的主要組成部分有導(dǎo)軌(RACK)、電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、接口模塊(IM)、信號(hào)模塊(SM)、功能模塊(FM)等。它通過MPI網(wǎng)的接口直接與編程器PG、操作員面板OP和其它S7 PLC相連。,圖3.1 S7-300系列PLC系統(tǒng)構(gòu)成框圖,2. S7-300

4、的擴(kuò)展能力 S7-300是模塊化的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，可選用不同型號(hào)和不同數(shù)量的模塊，并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架(導(dǎo)軌)或多個(gè)機(jī)架上。與CPU312 IFM和CPU313配套的模塊只能安裝在一個(gè)機(jī)架上。除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，一個(gè)機(jī)架上最多只能再安裝8個(gè)信號(hào)模塊或功能模塊。 CPU314/315/315-2DP最多可擴(kuò)展4個(gè)機(jī)架，IM360/IM361接口模塊將S7-300背板總線從一個(gè)機(jī)架連接到下一個(gè)機(jī)架，如圖3.2所示。,圖3.2 S7-300機(jī)架和槽位圖,3. S7-300模塊地址的確定 根據(jù)機(jī)架上模塊的類型，地址可以為輸入(I)或輸出(O)。數(shù)字I/O模塊每

5、個(gè)槽劃分為4 B(等于32個(gè)I/O點(diǎn))。模擬I/O模塊每個(gè)槽劃分為16 B(等于8個(gè)模擬量通道)，每個(gè)模擬量輸入通道或輸出通道的地址總是一個(gè)字地址。表3.1為S7-300信號(hào)模板的起始地址。,表3.1 S7-300信號(hào)模板的起始地址,0機(jī)架的第一個(gè)信號(hào)模塊槽(4號(hào)槽)的地址為0.03.7，一個(gè)16點(diǎn)的輸入模塊只占用地址0.01.7，地址2.03.7未用。數(shù)字量模塊中的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)的地址由字節(jié)部分和位部分組成。例如：,4. S7-300 PLC存儲(chǔ)區(qū),圖3.3 S7-3 0 0存儲(chǔ)區(qū)示意圖,(1) 系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)：RAM類型，用于存放操作數(shù)據(jù)(I/O、位存儲(chǔ)、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等)。 (2) 裝載存儲(chǔ)

6、區(qū)：物理上是CPU模塊中的部分RAM，加上內(nèi)置的EEPROM或選用的可拆卸FEPROM卡，用于存放用戶程序。 (3) 工作存儲(chǔ)區(qū)：物理上占用CPU模塊中的部分RAM，其存儲(chǔ)內(nèi)容是CPU運(yùn)行時(shí)所執(zhí)行的用戶程序單元(邏輯塊和數(shù)據(jù)塊)的復(fù)制件。 CPU程序所能訪問的存儲(chǔ)區(qū)為系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)的全部、工作存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)塊DB、暫時(shí)局部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、外設(shè)I/O存儲(chǔ)區(qū)(P)等，其功能見表3.2。,表3.2 程序可訪問的存儲(chǔ)區(qū)及功能,3.2 S7-300 系列PLC模塊性能簡(jiǎn)介,3.2.1 CPU模塊 1. CPU模塊概述 S7-300有CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU3

7、15/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8種不同的中央處理單元可供選擇。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展功能。CPU以梯形圖LAD、功能塊FBD或語句表STL進(jìn)行編程。實(shí)驗(yàn)室機(jī)型為CPU315-2DP。 表3.3列出了部分中央處理單元CPU的主要特性，包括存儲(chǔ)器容量、指令執(zhí)行時(shí)間、最大I/O點(diǎn)數(shù)、各類編程元件(位存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、可調(diào)用塊)數(shù)量等。,表3.3 中央處理單元CPU的主要特性,表3.3 中央處理單元CPU的主要特性,CPU315/CPU315-2DP：CPU315是具有中到大容量程序存儲(chǔ)器和大規(guī)模I/

8、O配置的CPU。CPU315-2DP是具有中到大容量程序存儲(chǔ)器和PROFIBUS-DP主/從接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任務(wù)中。CPU315/CPU315-2DP具有48 KB/64 KB，內(nèi)置80/96 KB的裝載存儲(chǔ)器(RAM)，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)器，最大容量為512 KB，指令執(zhí)行速度為300 ns/二進(jìn)制指令，最大可擴(kuò)展1024/2048點(diǎn)數(shù)字量或128/256個(gè)模擬量通道。 CPU315-2DP是帶現(xiàn)場(chǎng)總線(PROFIBUS)SINEC L2-DP接口的CPU模塊，其他特性與CPU315模塊相同。,2. CPU模塊的方式選擇和狀態(tài)指示 S7-300系列的CPU3

9、12 IFM/313/314/314 IFM/315/315-2DP/316-2DP/318-2DP模塊的方式選擇開關(guān)都一樣，有以下4種工作方式，通過可卸的專用鑰匙來控制選擇。圖3.4為CPU模塊面板布置示意圖。,圖3.4 CPU模塊面板布置示意圖,(1) RUN-P：可編程運(yùn)行方式。CPU掃描用戶程序，既可以用編程裝置從CPU中讀出，也可以由編程裝置裝入CPU中。用編程裝置可監(jiān)控程序的運(yùn)行。在此位置鑰匙不能拔出。 (2) RUN：運(yùn)行方式。CPU掃描用戶程序，可以用編程裝置讀出并監(jiān)控PLC CPU中的程序，但不能改變裝載存儲(chǔ)器中的程序。在此位置可以拔出鑰匙，以防止程序在正常運(yùn)行時(shí)被改變操作方

10、式。 (3) STOP：停止方式。CPU不掃描用戶程序，可以通過編程裝置從CPU中讀出，也可以下載程序到CPU。在此位置可以拔出鑰匙。 (4) MRES：該位置瞬間接通，用以清除CPU的存儲(chǔ)器。,表3.4 用于狀態(tài)和故障顯示LED的含義,3.2.2 數(shù)字量模塊,1. 數(shù)字量輸入模塊SM321 數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場(chǎng)過程送來的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部信號(hào)電平。數(shù)字 量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入元件，僅要求提供開關(guān)觸點(diǎn)即可。輸入信號(hào)進(jìn)入模塊后，一般都經(jīng)過光電隔離和濾波，然后才送至輸入緩沖器等待CPU采樣。采樣時(shí)，信號(hào)經(jīng)過背板總線進(jìn)入到輸入映像區(qū)。 數(shù)字量輸入模塊SM3

11、21有四種型號(hào)模塊可供選擇，即直流16點(diǎn)輸入、直流32點(diǎn)輸入、交流16點(diǎn)輸入、交流8點(diǎn)輸入模塊。圖3.5(a)、(b)所示為直流32點(diǎn)輸入和交流16點(diǎn)輸入對(duì)應(yīng)的端子連接及電氣原理圖。,圖3.5 數(shù)字量輸入模塊SM321端子連接及電氣原理圖,圖3.5 數(shù)字量輸入模塊SM321端子連接及電氣原理圖,2. 數(shù)字量輸出模塊SM322 數(shù)字量輸出模塊SM322將S7-300內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成過程所要求的外部信號(hào)電平，可直接用于驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器、小型電動(dòng)機(jī)、燈和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等。 晶體管輸出模塊只能帶直流負(fù)載，屬于直流輸出模塊； 可控硅輸出方式屬于交流輸出模塊； 繼電器觸點(diǎn)輸出方式的模塊屬于交直流兩用輸出

12、模塊。 從響應(yīng)速度上看，晶體管響應(yīng)最快，繼電器響應(yīng)最慢；從安全隔離效果及應(yīng)用靈活性角度來看，以繼電器觸點(diǎn)輸出型最佳。,表3.6 數(shù)字量輸出模塊SM322的技術(shù)特性,3. 數(shù)字量I/O模塊SM323 SM323模塊有兩種類型，一種是帶有8個(gè)共地輸入端和8個(gè)共地輸出端，另一種是帶有16個(gè)共地輸入端和16個(gè)共地輸出端，兩種特性相同。I/O額定負(fù)載電壓24 V DC，輸入電壓“1”信號(hào)電平為1130 V，“0”信號(hào)電平為35 V，I/O通過光耦與背板總線隔離。在額定輸入電壓下，輸入延遲為1.24.8 ms。輸出具有電子短路保護(hù)功能。,3.2.3 模擬量模塊 1. 模擬量值的表示方法 S7-300的CP

13、U用16位的二進(jìn)制補(bǔ)碼表示模擬量值。其中最高位為符號(hào)位S，“0”表示正值，“1”表示負(fù)值，被測(cè)值的精度可以調(diào)整，取決于模擬量模塊的性能和它的設(shè)定參數(shù)，對(duì)于精度小于15位的模擬量值，低字節(jié)中冪項(xiàng)低的位不用。表3.7表示了S7-300模擬量值所有可能的精度，標(biāo)有“”的位就是不用的位，一般填入“0”。 S7-300模擬量輸入模塊可以直接輸入電壓、電流、電阻、熱電偶等信號(hào)，而模擬量輸出模塊可以輸出010 V，15 V，10 V10 V，020 mA，420 mA，2020 mA等模擬信號(hào)。,表3.7 模擬量值可能的精度,2. 模擬量輸入模塊SM331 模擬量輸入(簡(jiǎn)稱模入(AI)模塊SM331目前有三

14、種規(guī)格型號(hào)，即8AIl2位模塊、2AIl2位模塊和8AIl6位模塊。 1) SM331概述 SM331主要由A/D轉(zhuǎn)換部件、模擬切換開關(guān)、補(bǔ)償電路、恒流源、光電隔離部件、邏輯電路等組成。A/D轉(zhuǎn)換部件是模塊的核心，其轉(zhuǎn)換原理采用積分方法，被測(cè)模擬量的精度是所設(shè)定的積分時(shí)間的正函數(shù)，也即積分時(shí)間越長(zhǎng)，被測(cè)值的精度越高。SM331可選四檔積分時(shí)間：2.5 ms、16.7 ms、20 ms和l00 ms，相對(duì)應(yīng)的以位表示的精度為8、12、12和14。,2) SM33l與傳感器、變送器的連接 (1) SM331與電壓型傳感器的連接，如圖3.6所示。,圖3.6 輸入模塊與電壓型傳感器的連接,(2) SM

15、331與2線電流變送器的連接如圖3.7所示，與4線電流變送器的連接如圖3.8所示。4線電流變送器應(yīng)有單獨(dú)的電源。,圖3.7 輸入模塊與2線變送器電流輸入的連接,圖3.8 輸入模塊與4線變送器電流輸入的連接,(3) 圖3.9所示是熱電阻(如Ptl00)與輸入模塊的4線連接回路示意圖。通過端IC+和IC將恒定電流送到電阻型溫度計(jì)或電阻，通過M+和M端子測(cè)得在電阻型溫度計(jì)或電阻上產(chǎn)生的電壓，4線回路可以獲得很高的測(cè)量精度。如果接成2線或3線回路，則必須在M+和IC+之間以及在M和IC之間插入跨接線，不過這將降低測(cè)量結(jié)果的精度。,圖3.9 熱電阻(如Ptl00)與輸入模塊的4線連接回路示意圖,3. 模

16、擬量輸出模塊SM332 模擬量輸出(簡(jiǎn)稱模出(AO)模塊SM332目前有三種規(guī)格型號(hào)，即4AOl2位模塊、2AO12位模塊和4AOl6位模塊，分別為4通道的12位模擬量輸出模塊、2通道的12位模擬量輸出模塊、4通道的16位模擬量輸出模塊。 1) SM332與負(fù)載/執(zhí)行裝置的連接 SM332可以輸出電壓，也可以輸出電流。在輸出電壓時(shí)，可以采用2線回路和4線回路兩種方式與負(fù)載相連。采用4線回路能獲得比較高的輸出精度。如圖3.10所示。,圖3.10 通過4線回路將負(fù)載與隔離的模出模塊相連,4. 模擬量I/O模塊SM334 模擬量I/O模塊SM334有兩種規(guī)格，一種是有4模入/2模出的模擬量模塊，其輸

17、入、輸出精度為8位，另一種也是有4模入/2模出的模擬量模塊，其輸入、輸出精度為12位。SM334模塊輸入測(cè)量范圍為010 V或020 mA，輸出范圍為010 V或020 mA。它的I/O測(cè)量范圍的選擇是通過恰當(dāng)?shù)慕泳€而不是通過組態(tài)軟件編程設(shè)定的。SM334的通道地址見表3.8。,表3.8 SM334的通道地址,3.2.4 S7-300系列PLC系統(tǒng)供電與接地 1. PS307電源模塊 PS307是西門子公司為S7-300專配的24 V DC電源。PS307系列模塊除輸出額定電流不同外(有2 A、5 A、10 A三種)，其工作原理和各種參數(shù)都相同。 PS307可安裝在S7-300的專用導(dǎo)軌上，除

18、了給S7-300 CPU供電外，也可給I/O模塊提供負(fù)載電源。 圖3.11為PS307 10A模塊端子接線圖。,圖3.11 PS307 10 A模塊端子接線圖,2. S7-300的電流耗量和功率損耗 S7-300模塊使用的電源由S7-300背板總線提供，一些模塊還需從外部負(fù)載電源供電。在組建S7-300應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，考慮每塊模塊的電流耗量和功率損耗是非常必要的，表3.9列出了在24 V直流負(fù)載電源情況下，各種S7-300模塊的電流耗量、功率損耗以及從24 V負(fù)載電源吸取的電流。表3.10列出了在120/230 V AC負(fù)載電源下，模塊的電流耗量和功率損耗。,表3.9 S7-300模塊的電流耗量和功率損耗(24 V DC負(fù)載電源),續(xù)表,表3.10 S7-300模塊的電流耗量和功率損耗(120/230 V AC負(fù)載電源),一個(gè)實(shí)際的S7-300 PLC系統(tǒng)，確定所有的模塊后，要選擇合適的電源模塊，所選定的電源模塊的輸出功率必須大于CPU模塊、所有I/O模塊、各種智能模塊等總消耗功率之和，并且要留有30左右的裕量。當(dāng)同一電源模塊既要為主機(jī)單元又要為擴(kuò)展單元供電時(shí)，從主機(jī)單元到最遠(yuǎn)一個(gè)擴(kuò)展單元的線路壓降必須小于0.25 V。,例如，一個(gè)S7-300 PLC系統(tǒng)由下面的模塊組成： 1塊中央處理單元CPU 314 2塊數(shù)字