西门子通信模块课件

1、2.3.1 数字量信号模块 2.3.2 模拟量信号模块2.3 信号模块 （SM） 输入/输出模块统称信号模块（SM），包括数字量（或开关量）输入模块和输出模块；模拟量输入模块和输出模块；位置输入模板；用于连接爆炸危险场合的输入模块和输出模块。8/8/20221控制科学与工程学院2.3.1 数字量信号模块SM321数字量输入模块（DI）SM322数字量输出模块（DO）SM323数字量输入/输出模块（DI/DO）SM327数字量输入/可配置输入或输出模块SM374仿真模块8/8/20222控制科学与工程学院 数字量输入模块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

2、有直流输入方式和交流输入方式。 对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。 输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。1.数字量输入模块(DI) 数字量输入模块SM321有14种型号数字量输入模块可供选择，常用的有四种型号模块可供选择，即直流16点输入、直流32点输入、交流32（16）点输入、交流8点输入模块。表2-6 SM321数字量输入模板技术参数8/8/20223控制科学与工程学院SM321数字量输入模板技术特性技术特性直流16点输入模板直流32点输入模板交流8点输入模板交流16点输入模板输入点数163283

3、2额定负载电压（V）DC24DC24负载电压范围（V）20.428.820.428.8额定输入电压（V）DC24DC24AC120AC120输入电压“1”范围（V）133013307913279132输入电压“0”范围（V）3535020020输入电压频率（Hz）47634763隔离（与背板总线）方式光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器输入电流“1”信号（mA）77.5621最大允许静态电流（mA）1.51.514典型输入延迟（ms）1.24.81.24.82525背板总线最大消耗电流mA）25251629功率损耗（W）3.544.14.08/8/20224控制科学与工程学院DI接口电路（直流）光

4、电耦合器发光二极管限流电阻滤波电路外部用户接线1采用光电耦合器，防止强电干扰。3V5V8/8/20225控制科学与工程学院输入信号处理电路光电耦合器降压电阻交流滤波电路外部用户接线直流滤波电路DI接口电路（交流）8/8/20226控制科学与工程学院汇点式输入接线方式隔离式输入接线方式 DI模板的外部接线方式 8/8/20227控制科学与工程学院直流16点数字量输入模板的端子接线图和框图 直流供电汇点式光电隔离8/8/20228控制科学与工程学院直流32点数字量输入模板的端子接线图和框图直流供电汇点式光电隔离8/8/20229控制科学与工程学院图2-5 直流32点数字量输入模块的内部电路及外部端

5、子接线图 8/8/202210控制科学与工程学院交流16点数字量输入模块SM321端子连接及电气原理图交流供电分组式整流、滤波光电隔离8/8/202211控制科学与工程学院图2-6 交流32点数字量输入模块的内部电路及外部端子接线图 8/8/202212控制科学与工程学院带硬件和诊断中断的直流16点数字量输入模板的端子接线图和框图8/8/202213控制科学与工程学院2.数字量输出模块(DO) 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，同时又隔离和功率放大的作用，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。 按负载回路使用的电源不同，它

6、可分为直流输出模块、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，它又可分为晶体管输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式。 数字量输出模块SM322有多种型号输出模块可供选择，常用模块的有8点晶体管输出、16点晶体管输出、32点晶体管输出、（8）16点可控硅输出、16点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出。8/8/202214控制科学与工程学院SM322数字量输出模板技术特性 技术特性8点晶体管16点晶体管32点晶体管16点晶闸管32点晶闸管8点继电器16点继电器输出点数816321632816额定电压（V）DC24DC24VDC24AC120AC120AC120

7、AC230与总线隔离方式光耦合器输出组数4888828最大输出电流（A）0.50.50.50.5122短路保护电子保护熔断保护最大消耗电流（mA）6012020018427540100功率损耗（W）6.84.959252.24.58/8/202215控制科学与工程学院数字量输出模块SM322的技术特性 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。8/8/202216控制科学与工程学院电路可分为译码、控制逻辑、输出锁存、光电隔离和输出驱动五个部分光电耦合器发光二极管1限流电阻 晶体管输出型每个输出点的最大带负载能力为075A(0.5

8、A)，但是因为有温度上升的限制，每4点输出总电流不得大于1A(08A)(每点平均0.5(02A)。 晶体管输出型的接口，其响应速度较快，从光电耦合器动作(或关断)到晶体管导通的时间为15s以下。DO接口电路（晶体管输出型）8/8/202217控制科学与工程学院光电耦合器双向晶闸管1压敏电阻5V高频滤波电路 双向晶闸管输出型：每点最大带负载能力为0.51A，每4点输出总电流不得大于1.64A。 双向晶闸管输出型的响应速度最快，从晶闸管门极驱动到双向晶闸管导通的时间为1ms以下DO接口电路（双向晶闸管或双向可控硅型）8/8/202218控制科学与工程学院光电耦合器1压敏电阻稳压管V1既可防止继电器

9、线圈过电压，同时可以抑制VT截止瞬间使继电器线圈上产生反向高压，从而保护VT以免反向击穿。 继电器输出型接口在250VAC 以下电路电压可驱动的负载能力为：纯电阻负载为2A/1点；感性负载为80VA以下(AC100V或AC200V)；灯负载为100W以下(AC 100V或 AC200V)。 继电器输出型接口响应时间最慢，从输出继电器的线圈得电(或断电)到输出接点ON (或OFF)的响应时间均为10ms。DO接口电路（继电器输出型）8/8/202219控制科学与工程学院汇点式输出 隔离式输出 DO模板的外部接线方式 8/8/202220控制科学与工程学院图2-7 32点数字量晶体管输出模块的内部

10、电路及外部端子接线图8/8/202221控制科学与工程学院绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑“1”时，二极管点亮光电隔离放大直流电源 晶体管型输出模块设有反极性保护措施，输出具有短路保护功能，适用于驱动电磁阀和直流接触器。晶体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；32点数字量晶体管输出模板的端子接线图和框图8/8/202222控制科学与工程学院图2-8 32点数字量晶闸管输出模块的内部电路及外部端子接线图8/8/202223控制科学与工程学院32点数字量晶闸管输出模块的内部电路及外部端子接线图 可控硅输出方式属于交流输出模块；适用于驱动交流电磁阀、接触器、电机启动器和灯。8/8/

11、202224控制科学与工程学院16点晶闸管输出端子连接及电气原理图断线检测8/8/202225控制科学与工程学院图2-9 16点数字量继电器输出模块的内部电路及外部端子接线图 8/8/202226控制科学与工程学院16点数字量继电器输出模板的端子接线图和框图 继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。直流可以从24 V到120 V，交流可以从48 V到230 V，继电器触点容量与负载电压有关，电压越高，触点容量越低。8/8/202227控制科学与工程学院 SM323数字量输入输出模板是在一块模板上同时具有数字量输入点和数字量输出点，有两种类型，一种是8点输入和8点输出模块，输入点和输出点

12、均有一个公共端。另一种是16点输入（8点1组）和16点输出（8点1组）模块。 I/O额定负载电压24 V DC，输入电流为7mA，最大输出电流为0.5A，每组总输出电流4A。输入电压“1”信号电平为1130 V，“0”信号电平为35 V，I/O通过光耦与背板总线隔离。 在额定输入电压下，输入延迟为1.24.8 ms。输出具有电子短路保护功能。3.数字量输入/输出模块(DI/DO)(SM323)8/8/202228控制科学与工程学院DI 8/DO 8直流模板SM323的端子接线图和框图公共端8路输出8 路输入公共端8/8/202229控制科学与工程学院图2-10 SM323 DI 16/DO 1

13、624VDC/0.5A内部电路及外部端子接线图 8/8/202230控制科学与工程学院图2-11 SM327 DI 8/DX 8内部电路及外部端子接线图 4.数字量输入/可配置输入或输出模块(SM327)8/8/202231控制科学与工程学院SM374仿真模块的操作面板 5.仿真模块(SM374)输入状态开关16个开关可进行输入信号仿真输出状态 LED16个LED指示输出端的信号状态方式选择器用户可使用螺丝刀设定下列三种方式: - 16个输入端 (用于仿真16DI) - 16个输出端 (用于仿真16DO) - 8个输入端和8个输出端 (仿真8DI/8DO) 仿真模板用于在启动和运行时调试程序

14、通过开关仿真传感器信号 通过LED显示输出信号状态 8/8/202232控制科学与工程学院2.3.2 模拟量信号模块（AIAO）1.SM331模拟量输入模块（AI）2.SM332模拟量输出模块（AO）3.SM334模拟量输入/输出模块（AI/AO）8/8/202233控制科学与工程学院1. SM331模拟量输入模块 (AI)(1)功能：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(2)基本结构：主要由AD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。 SM331的输入通道有个，每个通道即可测量电压信号也可以测量电流信号，且可以选用不同的量程。 模拟量转换为数字量是顺序执

15、行的，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。8/8/202234控制科学与工程学院(3) SM331的扫描时间 SM331的通道转换时间包括由积分时间决定的基本转换时间和用于电阻测量、断线监视的附加转换时间。 基本转换时间取决于D/A输入模块的转换方法(例如积分方法和瞬时值转换法)。采用积分法，4档积分时间2.5、16.7、20和100ms。基本转换时间分别为3 ms、17 ms、22 ms和102 ms，电阻测量的附加 转换时间为l ms，断线监视的附加转换时间为10 ms，电阻测量和断线 监视都有的附加转换时间为16 ms。积分时间可以在STEP 7中设置。 SM331的扫描（循环）

16、时间是指模拟量输入模块对所有被激活的模拟量输入通道进行转换和处理的时间的总和。如果模拟量输入通道进行了通道分组,还需要考虑到通道组之间的转换时间对于一个积分时间设定为20 ms，8个输入通道都接有外部信号且都需断线监视的SM331模块，其循环时间为(2210)8256 ms。8/8/202235控制科学与工程学院A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度。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。每一种积分时间有一个最佳的噪声抑制频率f0，以上四种

17、积分时间分别对应400 Hz、60 Hz、50 Hz和10 Hz。8/8/202236控制科学与工程学院 SM331的扫描（循环）时间是指模拟量输入模块对所有被激活的模拟量输入通道进行转换和处理的时间的总和。某一通道从开始转换模拟量输入值起，一直持续到再次开始转换的时间称为模入模块的循环时间。它是模块中所有活动的模拟量输入通道的转换时间的总和。实际上，循环时间是对外部模拟量信号的采样间隔。为了缩短循环时间，应该使用STEP 7组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，使其不占用循环时间8/8/202237控制科学与工程学院（4） 模拟值的表示方法 模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字值称为模拟值，SM

18、331模块的模拟值用16位的二进制补码来表示。最高位(第15位)为符号位，表示是正数，表示是负数。模拟量的模拟值位数（即转换精度）可以设位915位，如果模拟值小于15位，则模拟值左移模拟值左移后的空位补0。标有“”的位就是不用的位，一般填入“0”。S7-300模拟值所有可能的精度8/8/202238控制科学与工程学院模拟量的表达方式和测量值的分辨率20212223242526272829210211212213214VZ16进制.位值十进制0123456789101112131415位的序号单位位的分辨率+ 符号111*15*= 0 或 18000000001128*8402010840000

19、000000000000000002164132116181412*910111213148/8/202239控制科学与工程学院SM331模拟量输入模块的模拟值8/8/202240控制科学与工程学院在不同测量范围下模拟量的表达方式范围上溢超出范围额定范围低于范围下溢测量范围 10V电压例如：= 11.75911.7589 :10.000410.00 7.50 :-7.5-10.00- 10.0004 :- 11.759= 22.81522.810 :20.000520.00016.000 : :4.0003.9995 :1.1852= 1000.11000.0 :850.1850.0 : :

20、:-200.0- 200.1 :- 243.0=352.778352.767 :300.011300.000225.000 : :0.000不允许负值单位3276732511 :276492764820736 : :0- 32768- 1 :- 48648/8/202241控制科学与工程学院（5） SM331模块的测量范围的设置使用量程卡来设置量程模板可以设定为位置A B C 和D 模拟量输入模块SM331的输入信号种类和量程可以用安装在模块侧面的量程卡来设置。 每两个通道为一组，共用一个量程卡。模拟量输入模块有8个通道，故有4个量程卡。 量程卡插入模拟量输入模块后，如果量程卡的C标记与模块的

21、标记相对，则量程卡被设置在C的位置。 模块在出厂时，量程卡预设在B的位置上。8/8/202242控制科学与工程学院模拟量输入通道的测量方法和测量范围的设定 量程卡的B位置包括4种电压输入。 量程卡的C位置包括5种电流输入 量程卡的D位置的测量范围只有420mA电流输入。 其余的温度传感器电阻的测量或电压的测量范围应选择量程卡的A位置。 进一步确定模拟量输入模块量程范围需要使用STEP 7的硬件组态功能。注意：如果没有正确地设置量程卡可能会损坏模拟量输入模块。没有量程卡的模拟量输入模块可以通过接线方式来设置测量的量程范围。8/8/202243控制科学与工程学院【例1】用于测量锅炉炉膛压力（60

22、Pa60 Pa）的变送器的输出信号为420mA，模拟量输入模块将020mA 转换为数字027648，设转换后得到的数字为N，试求以0.1Pa 为单位的压力值。解：420mA 的模拟量对应于数字量553027648，即600600（0.1Pa）对应于数字量553027648，压力的计算公式应为：详见大中型PLC应用教程，廖常初，机械工业出版社，page25被测物理量A/D输出的数字(6) 将模拟量输入模块的输出值转换为实际的物理量 转换时要注意变送器的输入/输出量程和模拟量输入模块的量程，找出被测物理量与A/D转换后的数字之间的关系。8/8/202244控制科学与工程学院 压力变送器量程为（60

23、 Pa60 Pa） ，输出信号为DC4 20mA,模拟量输入模块的额定输入电流为DC 020mA,转换为数字027648，设转换后的数字为N，试求以0.1Pa 为单位的压力值。60 Pa60 Pa 4 20mA0 20mA 0276484 20mA 5530 2764860 Pa60 Pa 4 20mA 5530 27648线性关系8/8/202245控制科学与工程学院600-(-600)/(27648-5530) A/D转换后1个字所代表的模拟量 模拟量 PA/D转换为N个字则60 Pa60 Pa 420mA 5530 27648线性关系8/8/202246控制科学与工程学院解：02000

24、C 对应于转换后的数字027648。 转换公式为： T=（2000N）/ 27648 C被测物理量A/D输出的数字【例2】温度变送器的量程为0 2000C，输出信号为4 20mA, A/D模块的量程为4 20 mA，转换后的数字量为0 27648， 设转换后得到的数字量为N，试求N表示的实际温度值T。8/8/202247控制科学与工程学院技术特性AI 8 16AI 8 12AI 8 RTDAI 8 TCAI 2 12通道组数44441输入点数88882分辨率15位符号9位符号12位符号14位符号15位符号15位符号9位符号12位符号14位符号测量方式电流电压电流电压电阻器温度计电阻器温度计温度

25、计电流电压电阻器温度计测量范围任意任意任意任意任意可编程诊断中断诊断可调整可调整可调整可调整可调整极限值监测2通道可调2通道可调8通道可调8通道可调1通道可调隔离方式光电隔离CPU光电隔离CPU负载电压光电隔离CPU负载电压光电隔离CPU光电隔离CPU8通道的12位模拟量输入模块（7） SM331模块的技术参数：8/8/202248控制科学与工程学院（8） SM331模板SM 331 AI 8 12 位(6ES7 331-7KF02-0AB0) 4 组 8 输入 被测值精度(每组可设定/取决于所设定的积分时间) 9 位 + 符号 12 位 + 符号 14 位 + 符号 每个通道组的可选测量方法

26、 电压 电流 电阻 温度 每个通道组的可选测量范围 可编程诊断 可编程诊断中断 带有极限监控功能的两个通道 可编程极限中断 与底板总线接口的光电隔离 与负载电压的光电隔离不适用于双线变送器8/8/202249控制科学与工程学院图2-13 AI 813位模拟量输入模块8/8/202250控制科学与工程学院SM 331 AI 8 12 位的端子接线图和框图6ES7 331-7KF02-0AB08/8/202251控制科学与工程学院SM 331 AI 8 RTD 的端子连接图和框图8/8/202252控制科学与工程学院测量(正)SM 331 AI 2 12 位的端子连接图和框图测量(负)接地-模拟测

27、量电路的参考电压+ 24 VDC 电源端子恒定电流（正）恒定电流(负)补偿端子（正）补偿端子(负)8/8/202253控制科学与工程学院（9） SM331输入模板的接线 模拟信号电缆为了减少干扰使用双绞屏蔽电缆，模拟信号电缆的屏蔽层应该两端接地。带隔离的模拟量输入模板对于带隔离的模拟量输入模板在CPU 的M 端和测量的参考点MANA 之间没有电气连接。不带隔离的模拟量输入模板对于不带隔离的模拟量输入模板在CPU 的M 端和测量的参考点MANA 之间，必须建立电气连接。带隔离的传感器带隔离的传感器不能与本地接地电线连接。8/8/202254控制科学与工程学院（1)连接隔离传感器隔离传感器连接带隔

28、离的AI隔离传感器连接不带隔离的AI 对于带隔离的传感器在不同传感器之间会引起电位差,这些电位差可能是由于干扰或传感器的本地布置情况造成的. 为了防止在具有强烈电磁干扰的环境中运行时超过ECM的允许值,建议将M-与MANA连接8/8/202255控制科学与工程学院（2)连接非隔离传感器非隔离传感器连接带隔离的AI非隔离传感器连接不带隔离的AI如果使用的是不带隔离的传感器。必须将MANA 连接至本地接地。由于本地条件或干扰在本地分部的各个测量点之间会造成电位差ECM （静态或动态），如果电位差 ECM 超过允许值在测量点之间必须使用等电位连接导线。8/8/202256控制科学与工程学院（3）连接

29、电压传感器连接电压传感器至带隔离的AI 注意 不带隔离的双线变送器和不带隔离的阻性传感器不能与不带隔离的模拟输入一起使用8/8/202257控制科学与工程学院（4）连接2线变送器连接2线变送器至带隔离的AI连接从L+供电的2线变送器至带隔离的AI 双线变送器采用通过模拟量输入模板的端子进行短路保护供电，然后，该变送器将所测得的变量转换为电流。 双线变送器必须是一个带隔离的传感器。8/8/202258控制科学与工程学院（5）连接4线变送器连接4线变送器至带隔离的AI 四线变送器使用单独的电源8/8/202259控制科学与工程学院（6）连接热敏电阻和普通电阻热敏电阻与隔离AI之间的2线连接热敏电阻

30、与隔离AI之间的3线连接在连接时应确保所连接电缆IC +和 M+都直接连接到了热敏电阻8/8/202260控制科学与工程学院在连接时应确保所连接电缆IC +和 M+以及电缆IC 和 M-都直接连接到了热敏电阻热敏电阻与隔离AI之间的4线连接（6）连接热敏电阻和普通电阻（续）恒定电流 通过端IC+和IC将恒定电流送到电阻型温度计或电阻，通过M+和M端子测得在电阻型温度计或电阻上产生的电压，4线回路可以获得很高的测量精度。8/8/202261控制科学与工程学院（6）连接热敏电阻和普通电阻（续）热敏电阻与AI8RTD之间的3线连接ADC逻辑背板总线M+M-IIL+MMANAC+C-AI 8 RTD

31、的三位端子,一般必须在M+ 和IC+ 之间插入一根跳线在连接时应确保所连接电缆IC- 和 M- 都直接连接到了热敏电阻8/8/202262控制科学与工程学院（6）连接热敏电阻和普通电阻（续）热敏电阻与AI813位之间的2线连接热敏电阻与AI813位之间的3线连接热敏电阻与AI813位之间的4线连接ADC逻辑背板总线M+M-S-第4条线悬空8/8/202263控制科学与工程学院(7)连接热电偶使用内部补偿的热电偶连接带隔离的AI通过补偿盒将热电偶连接到带隔离的AI SM331使用参考接点温度为0的补偿盒，补偿盒必须有一个带隔离的电源，电源应有适当的滤波措施。8/8/202264控制科学与工程学院

32、(7)连接热电偶（续）通过参考结将热电偶连接到AI8xTC8/8/202265控制科学与工程学院(7)连接热电偶（续）使用热敏电阻连接带外部补偿的热电偶8/8/202266控制科学与工程学院2. SM332模拟量输出模块(AO)（1）模拟量输出模块的功能 S7-300的模拟量输出模块SM332用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，(2)基本结构：8/8/202267控制科学与工程学院（3）模拟量输出通道的转换、循环和响应时间循环时间是模拟量输出模块所有被激活的模拟量输出通道的转换时间的总和。为了减少模拟量输出模块的循环时间应关闭没有使用的模拟量

33、通道。，模拟量输出通道的转换时间由内部存储器传送数字输出值的时间和数字量到模拟量的转换时间组成。SM332每个通道的最大转换时间为0.81.5ms 建立时间是指从转换结束到模拟量输出到达指定的值的时间，它与负载的性质（阻性负载、容性负载或感性负载）有关。 SM332的建立时间为0.10.5ms。 响应时间是指内部存储器中得到数字量输出值到模拟量输出达到指定值的时间。 8/8/202268控制科学与工程学院（4）模拟量输出模块的技术参数 模拟量输出模块SM332目前有4种(分辨率从12位到15位)规格: 8通道的12位模拟量输出模块(AO 8 12bit)、 4通道的12位模拟量输出模块(AO

34、4 12bit)、2通道的12位模拟量输出模块(AO 2 12bit)、4通道的16位模拟量输出模块(AO 4 16bit)。 SM332的每种模块均有诊断中断功能。模块用红色LED指示组故障，可以读取诊断信息。额定负载电压均为DC 24 V。模块与背板总线有光电隔离，使用屏蔽电缆时最大距离为200m。有短路保护，短路电流最大25 mA，最大开路电压18 V。模拟量输出模板的主要技术特性见 page 32 表2-108/8/202269控制科学与工程学院SM332模拟量输出模块的技术参数6ES7 332-5HB01-0AB05HD01-0AB05HF00-0AB07ND00-0AB0输出点数2

35、484输出范围010V/10V/15V/420mA/020mA/20mA转换时间/通道0.8ms0.8ms0.8ms1.5ms建立时间：阻性负载容性负载感性负载0.2ms3.3ms0.5ms0.2ms3.3ms0.5ms0.2ms3.3ms0.5ms0.2ms3.3ms0.5ms分辨率 10V/20mA时为11位+符号位，其余为12位15位+符号位25C基本误差电压0.4 ，电流0.5 均0.01 8/8/202270控制科学与工程学院（8） SM332模板特点 4 通道4 输出 每个输出通道可以编程为 电压输出 电流输出 精度12 位 可编程诊断 可编程诊断中断 可编程替代值输出 隔离底板总线接口和负载电压模拟量输出模板 SM 332 AO 4 12 位(6ES7 332-5HD01-0AB0)8/8/202271控制科学与工程学院AO 412位模拟量输出模块8/8/2022