第2章 硬件安装与维护s7300400 plc编程与应用

硬件安装与维护刘华波何文雪王雪编著机械工业出版社2010第2章硬件安装与维护2.1SIMATICS7-300系列PLC的硬件系统2.2SIMATICS7-300系列PLC模块性能简介思考与练习题2.1SIMATICS7-300系列PLC的硬件系统2.1.1概述

SIMATICS7系列PLC是德国西门子公司在S5系列PLC基础上于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系统。其中，微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展2～7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATICS7-300系列；中高档性能的有S7-400系列。SIMATICS7系列PLC都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得S7系列PLC成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选产品。SIMATICS7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下：(1)高速的指令处理。～0.6us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。(2)人机界面(HMI)。方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。(3)诊断功能。CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。(4)口令保护。多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。3.1.2SIMATICS7-300系列PLC系统基本构成1.SIMATICS7-300的组成

SIMATICS7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统构成如图所示。它的主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7PLC相连。图3.1S7-300系列PLC系统构成框图SIMATICS7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7-300在各种工业领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。本章详细介绍各模块结构和安装规范。2.1S7-300PLC硬件简介S7-300（见图1-1）由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输入输出模块（SM）。各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。图1-1S7-300PLC的基本结构S7-300的组件部件功能导轨...是S7-300的机架电源（PS）...将电网电压(120/230V)变换为S7-300所需的24VDC

工作电压中央处理单元

（CPU）...执行用户程序

附件：存储器模块，后备电池接口模块

（IM）...连接两个机架的总线信号模块（SM）

（数字量/模拟量）...把不同的过程信号与S7-300相匹配

附件：总线连接器，前连接器功能模块（FM）...完成定位、闭环控制等功能通讯处理器（CP）...连接可编程控制器

附件：电缆、软件、接口模块S7-300:模块

PS(可选)CPU

IM(可选)SM:DISM:DOSM:AISM:AO

FM:-计数-定位-闭环控制

CP:-点-到-点-PROFIBUS-工业以太网S7-300的安装位置CPU314SIEMENSSFBATFDC5VFRCERUNSTOPRUN-PRUNSTOPMRESSIMATICS7-300BatterieMPICPU315-2DPSIEMENSRUN-PRUNSTOPMRESSIMATICS7-300BatterieDPSFBATFDC5VFRCERUNSTOPMPISFDPBUSFS7-300:CPU设计图2-2PS307电源模块电源模块在非正常工作状态下的反应，可参考表2-1。如果…则…24V直流指示灯输出电流过载I＞3.9A电压跌落，电压自动恢复闪烁3A＜I＜=3.9A（稳态）电压下降，缩短使用寿命输出短路输出电压0V；短路故障排除后，电压自动恢复暗在一次侧过电压可能彻底毁坏—在一次侧欠电压自动切断；欠电压排除后，电压自动恢复暗表2-1电源模块在非正常工作状态下的反应2.S7-300的电流消耗量和功率损耗一个实际的S7-300PLC系统，在确定所有的模块后，要选择合适的电源模块。所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块的总消耗功率之和，有时甚至还要考虑某些执行单元的功率，并且要留有30％左右的余量。在具体产品设计时，应该仔细研究各个模块的功率参数，最后确定电源模块的型号、规格。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。1.1.2CPU模块CPU是PLC系统的运算控制核心。它根据系统程序的要求完成以下任务：接收并存储用户程序和数据，接收现场输入设备的状态和数据，诊断PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。S7-300CPU有20种不同型号，各种CPU按性能等级划分，可以涵盖各种应用范围。S7-300的各款CPU都有非常详尽的性能数据表（具体参数可查阅相关资料），其中最值得关注的CPU性能有以下五方面：I/O扩展能力指令执行速度工作内存容量通讯能力CPU上的集成功能1.操作员控制和显示单元图1-3所示为CPU31xC的控制和显示单元。图1-4所示为CPU31xC打开前面板后的集成数字和模拟I/O。（1）状态和故障显示CPU上安装有6个LED指示灯，显示运行状态和故障。表1-2列出了用于状态和故障显示的发光二极管的含义。图1-3CPU31xC的面板注：①：模拟量输入和模拟量输出；②：8个数字量输入；③8个数字量输出。图1-4CPU31xC的集成数字量I/O模块发光二极管LED含义说明SF(红色)系统错误／故障下列事件引起灯亮：硬件故障固件出错编程出错参数设置出错算术运算出错定时器出错存储器卡故障(只在CPU313和314上)电池故障或电源接通时无后备电池(只用于CPU313和314上)输入／输出的故障或错误(只对外部I/O)用编程装置读出诊断缓冲器中的内容，以确定错误／故障的真正原因BATF(红色，只在CPU313和314上有)电池故障如果电池有下列情况，则灯亮：①失效；②未装入DC5V(绿色)用于CPU和S7-300的5VDC电源如果内部的5V直流电源正常，则灯亮FRCE(黄色)保留专用表1-2用于状态和故障显示LED的含义（2）CPU的运行模式CPU有四种操作模式：STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。①STOP模式：CPU模块通电后自动进入STOP模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。②STARTUP模式：可以用模式选择开关或编程软件启动CPU。如果模式选择开关在RUN或RUN-P位置，通电时自动进入启动模式。③RUN模式：执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障信息服务。④HOLD模式：在STARTUP和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。（3）操作模式选择开关可使用模式选择开关设置当前的CPU运行模式。开关有4个位置，其含义如表1-3所列。位置含义说明RUN-P（部分CPU）运行-编程模式CPU不仅执行用户程序，在运行时还可以通过编程软件读出和修改用户程序，以及改变运行方式RUN运行模式CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但是不能修改用户程序STOP停止模式CPU不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序MRES存储器复位模式MERES位置不能保持，在这个位置松手时开关将自动返回STOP位置。将模式选择开关从STOP状态扳到MRES位置，可以复位存储器，使CPU回到初始状态。工作存储器、装载存储器中的用户程序和地址区被清除，全部存储器位、定时器、计数器和数据块均被删除，即复位为零，包括有保持功能的数据。系统参数、CPU和模块的参数被恢复为默认设置，MPI的参数被保留。如果有存储器卡，CPU在复位后将它里面的用户程序和系统参数复制到工作存储器区表1-3模式选择开关的位置含义（4）SIMATIC微存储卡（MMC）插槽FlashEPROM微存储卡用于在断电时保存用户程序和某些数据，它可以扩展CPU的存储器容量，也可以将有些CPU的操作系统包括在MMC中，这对于操作系统的升级是非常方便的。MMC用作装载存储器或便携式保存媒体，它的读写直接在CPU内进行，不需要专用的编程器。由于CPU31xC没有安装集成的装载存储器，在使用CPU时必须插入MMC。CPU与MMC是分开订货的。如图1-5。图1-5MMC卡

如果在写访问过程中拆下SIMATIC微存储器卡，卡中的数据会被破坏。在这种情况下，必须将MMC插入CPU中并删除它，或在CPU中格式化存储卡。只有在断电状态或CPU处于“STOP”状态时，才能取下存储卡。2.存储器区域PLC的系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字节为单位，不同的程序对应不同的存储区域。CPU存储器可以分为三个区域，如图1-6。CPU装载存储器(保存在MMC中)工作存储器系统存储区工作存储器系统存储区装载存储器(保存在MMC中)CPU图1-6CPU的存储区（1）装载存储器装载存储器位于SIMATIC微型存储卡（MMC）中。装载存储器的容量与MMC的容量一致。用于保存程序指令块和数据块以及系统数据，也可以将项目的整个组态数据保存在MMC中。（2）工作存储器（RAM）RAM集成在CPU中，不能被扩展。它可用于运行程序指令，并处理用户程序数据。程序只能在RAM和系统存储器中运行。CPU的RAM都具有保持功能。（3）系统存储区RAM系统存储区集成在CPU中，不能被扩展。它包括：①标志位、定时器和计数器的地址区②I/O的过程映像③局域数据3.介绍几种典型CPU模块（1）CPU313：CPU313是标准型CPU。具有更大的程序存储器、低成本的解决方案，适用于对速度要求较高、程序较大的小型应用领域。CPU313内置12KB的RAM，其装载存储器为内置20KB的RAM，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为4MB，指令执行速度为600ns/二进制指令。扩展模块只能装在一个导轨上，最大扩展128点数字量和32路模拟量。CPU313采用的是软件时钟，它给用户提供一个工作时间计时器。该计时器可用来计量CPU或所连接设备的工作时间长度。（2）CPU313C：CPU313C是紧凑型CPU，带集成的数字量和模拟量的输入和输出。无内置装载存储器，操作时必须用MMC卡扩充装载存储器。适用于具有较高要求的系统中。（3）CPU313C-2DP：紧凑型CPU，带集成的数字量输入和输出，以及PROFIBUSDP主站/从站接口。操作时也必须用MMC卡扩充装载存储器。（4）CPU315/CPU315-2DP：CPU315是具有中到大容量程序存储器和大规模I/O配置的CPU。CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任务中。CPU315/CPU315-2DP具有48KB/64KB，内置80/96KB的装载存储器(RAM)，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。其他特性与CPU314相同。CPU315-2DP是带现场总线(PROFIBUS)SINECL2-DP接口的CPU模块，其他特性与CPU315模块相同。1.1.3SM模块信号模块（SM）也叫输入/输出模块，是CPU模块与现场输入输出元件和设备连接的桥梁，用户可根据现场输入/输出设备选择各种用途的I/O模块。S7-300的输入/输出模块外部连线接在插入式的前连接器的端子上，前连接器插在前盖后面的凹槽内。不需断开前连接器上的外部连线，就可以迅速的更换模块。信号模块面板上的LED用来显示各数字量输入/输出点的信号状态，模块安装在DIN标准导轨上，通过总线连接器与相邻的模块连接。信号模块和接口模块的尺寸为40mm(宽)x125mm(高)x120mm.(深)。有少量模块的宽度为80mm。1.数字量模块S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择。本节主要介绍数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、数字量I/O模块SM323和仿真模块SM374。（1）数字量输入模块SM321数字量输入模块将现场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。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。数字量输入模块SM321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16点输入、交流8点输入模块。模块的每个输入点有一个绿色发光二极管显示输入状态，输入开关闭合即有输入电压时，二极管点亮。（2）数字量输出模块SM322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。按负载回路使用的电源不同，它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。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；可控硅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。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。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑“1”时，二极管点亮。（3）数字量I/O模块SM323SM323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。图1-7是8个共地的输入端、输出端SM323模块的端子连接及电气原理图，端子1～10用于输入，端子11～20用于输出。I/O额定负载电压24VDC，输入电压“1”信号电平为11～30V，“0”信号电平为－3～＋5V，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～4.8ms。输出具有电子短路保护功能。图1-7SM323模块端子连接及电气原理图2.模拟量模块本节阐述S7-300中模拟量值的表示方法，简单介绍模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量I/O模块SM334的原理、性能参数等内容。（1）模拟量值的表示方法S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值。其中最高位为符号位S，“0”表示正值，“1”表示负值，被测值的精度可以调整，取决于模拟量模块的性能和它的设定参数，对于精度小于15位的模拟量值，低字节中幂项低的位不用。表1-4表示了S7-300模拟量值所有可能的精度，标有“×”的位就是不用的位，一般填入“0”。以位数表示的精度(带符号位)单位模拟值十进制十六进制高字节低字节89101112131415128643216842180H40H20H10H8H4H2H1HS0000000S0000000S0000000S0000000S0000000S0000000S0000000S00000001×××××××01××××××001×××××0001××××00001×××000001××0000001×00000001表1-4模拟量值可能的精度S7-300模拟量输入模块的输入测量范围很宽，它可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，而S7-300模拟量输出模块可以输出0～10V，1～5V，－10V～10V，0～20mA，4～20mA，－20～20mA等模拟信号，具体的各种模拟量输入范围的数字化表示以及数字量与不同的模拟输出范围间的对应关系，请参考相关技术手册。（2）模拟量输入模块SM331模拟量输入模块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，分别为8通道的12位模拟量输入模块、2通道的12位模拟量输入模块、8通道的16位模拟量输入模块。其中具有12位输入的模块除了通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都完全一样。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。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：2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相对应的以位表示的精度为9、12、12和14。每一种积分时间有一个最佳的噪声抑制频率f0，以上四种积分时间分别对应400Hz、60Hz、50Hz和10Hz。（3）模拟量输出模块SM332模拟量输出模块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。其中具有12位输入的模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都完全一样。模出模块的转换时间包括内部存储器传送数字化输出值的时间和数/模转换的时间，模拟量输出各通道的转换是顺序进行的。模块的循环时间是所有活动的模拟量输出通道的转换时间的总和。模出的响应时间是一个比较重要的指标，响应时间就是在内部存储器中出现数字量输出值开始到模拟输出达到规定值所用时间的总和。它和负载特性有关，负载不同(如容性、阻性和感性负载)，响应时间也不一样。（4）模拟量I/O模块SM334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0～10V或0～20mA，输出范围为0～10V或0～20mA。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。与其它模拟量模块不同，SM334没有负的测量范围，且精度比较低。SM334的通道地址见表1-5。通道地址输入通道0模块的起始输入通道1模块的起始＋2B的地址偏移量输入通道2模块的起始＋4B的地址偏移量输入通道3模块的起始＋6B的地址偏移量输出通道0模块的起始输出通道1模块的起始＋2B的地址偏移量表1-5SM334的通道地址3.特殊模块除了最通用的I/O模块，表1-6介绍了三种特殊模块的主要特性。下面重点介绍仿真模块SM374的使用。模块特性仿真模块SM374输入/输出16占位模块DM370位置编码器模块SM338；POS-INPUT输入/输出点数最多16个输入或输出为没有参数化的模块保留一个插槽3个输入连接绝对值编码器（SSI）2个数字量输入用于保留编码值适用对象仿真：16点输入（小开关）16点输出8点输入和输出占位用于：接口模块不可编程的信号模块占用两个插槽的模块最多检测3个绝对值编码器（SSI）编码器类型：带13位、21位或25位报文帧长度的编码器（SSI）数据格式：格雷码或二进制码支持时钟操作××√可编程诊断×××诊断中断××可调整备注可通过调整拨位开关设定功能当用其他模块更换DM370时，其机械结构和地址不变超过64μs的绝对值编码器不能用在SM338上表1-6特殊信号模块仿真模块SM374可以仿真16点输入、16点输出、8点输入和8点输出的数字量模块。图1-8是SM374的前视图，用螺丝刀改变面板中间开关的位置，即可仿真所需的数字量模块。仿真模块没有列入S7组态工具的模块目录中，也即S7的结构不承认仿真模块的工作方式，但组态时可以填入被仿真模块的代号。例如，组态时若SM374仿真16点输入的模块，就填入16点数字量输入模块的代号：6ES7311-1BH00-0AA00；若SM374仿真16点输出的模块，就填入16点数字量输出模块的代号：6ES7322-1BH00-0AA00。SM374面板上有16个开关，用于输入状态的设置，还有16个绿色LED，用于指示I/O状态。使用SM374后，PLC应用系统的模拟调试变得简单而方便。图1-8仿真模块SM374的前视图1.1.4FM模块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、电子凸轮控制其模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连苏路径控制模块、闭环控制模块、工业标示系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。1.1.5CP模块S7-300系列PLC有多种用途的通信处理器模块，如CP340、CP342-5DP、CP343-FMS等，其中既有为装置进行点对点通信设计的模块，也有为PLC上网到西门子的低速现场总线网SINECL2和高速SINECH1网设计的网络接口模块。下面重点介绍CP342-5DP模块。CP342-5DP是为把S7-300系列PLC连接到西门子SINECL2网络上而设计的成本优化的通信模块。它是一个智能化的通信模块，能大大减轻CPU的负担，也支持很多其它通信电路。CP342-5DP应用于S7-300系统中，提供给用户SINECL2网的各种通信服务。它既可以作为主机或从机，将ET200远程I/O系统连接到PROFIBUS现场总线中去，也可以与编程装置或人机接口(MMI)通信，还可以与其它SIMATICS7PLC或SIMATICS5通信，并且可以与配有CP5412(A2)的ATPC机以及来自其它制造商的具有FBL(FieldBusLink)接口的系统建立连接，还能与MPI分支网上的其它CPU进行全局数据通信。NCMS7-L2组态软件可以为实现以上功能进行参数配置。CP342-5DP内部有128KB的FlashEPROM，可以可靠地对参数进行备份，在掉电时参数也能被保持。CP342-5DP主要技术数据如下：●用户存储器(FlashEPROM)128KB；●SINECL2LAN标准符合DIN19245；●RS-485传输方式，波特率为～1500kb/s；●可连接的设备数量达127个。另外，CP343-FMS是采用PROFIBUS-FMS协议的现场总线通信模块，可以用于更加复杂的现场通信任务。1.1.6通讯接口CPU模块上有三种通讯接口。（1）MPI接口：多点接口MPI（MultipointInterface）是用于连接CPU和PG/OP的接口，或用于MPI子网中的通讯接口。一般传输速率为。如果与S7-200进行通讯，也可以指定的传输速率。不能指定其他传输速率。编程器可以自动侦测到CPUMPI接口的正确参数，并建立连接。（2）PROFIBUS-DP接口：PROFIBUS-DP接口主要用于连接分布式I/O。PROFIBUS-DP，用于创建大型、扩展子网。例如：PROFIBUS-DP接口既可组态为主站，也可组态为从站，传输速率可达12Mbps。编程器也可以自动侦测到CPUDP接口的正确参数，并建立连接。（3）PtP接口：可在CPU上使用PtP（点到点）接口，来连接外部设备至串口，例如条形码阅读器、打印机等。对于全双工（RS422）模式，波特率对打为，对于半双工（RS485）模式，波特率对打为38.4kbps。在CPUPtP的接口中安装有以下通讯驱动程序，其报文格式是公开的：●ASCII驱动●协议●只适用于CPU314C-2这三种接口方式所适用的设备如表1-7所列。MPIPROFIBUS-DPPtPPG/PCOP/TPS7-300/400，带有MPI接口S7-200（作为被动站点）PG/PCOP/TPDP从站DP主站执行器/传感器S7-300/400，带有PROFIBUS-DP接口配装有串口的设备，例如条形码阅读器、打印机等。表1-7网络接口适用设备

1.1.7PLC的工作过程PLC有比计算机更强的工业过程接口，可视为一种特殊的工业控制计算机。但编程语言和工作原理与计算机相比有一定的差别，与继电器控制逻辑的工作过程也有很大差别。PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段：输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。如图1-9所示。图1-9PLC的工作过程(1)输入采样阶段PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输入状态的输入映像区中存储，这一过程称为采样。在整个工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。(2)程序执行阶段PLC按顺序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像区和输出映像区中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像区中保存。这个结果在程序执行期间可能发生变化，但在整个程序未执行完毕之前不会到输出端口。(3)输出刷新阶段在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像区中的内容送到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般为毫秒级，而程序执行时间因程序的长度不同而不同。PLC一个扫描周期因CPU模块的运算速度差别很大。当PLC投入运行后，重复完成以上三个阶段的工作，即采用循环扫描工作过程。PLC工作的主要特点是输入输出采样、程序执行、输出刷新的“串行”工作坊式，这样既可避免继电器、接触器控制系统中的触电竞争和时序混乱，又可提高PLC的运算速度，这是PLC系统可靠性高、响应快的原因。但是，也导致输出对输入在时间上的滞后。PLC在执行程序时所用doa的状态值不是直接从实际输入口所获得，而是来源于输入映像区和输出映像区。输入映像区的状态取决于上一扫描周期从输入端子中采样取得的数据，并在程序执行阶段保持不变。输出映像区的状态取决于执行程序输出指令的结果。输出锁存器中的状态值是上一个扫描周期的输出刷新结果。安装规范对于水平安装，CPU和电源必须安装在左面。对于垂直安装，CPU和电源必须安装在底部必须保证下面的最小间距：机架左右为20mm单层组态安装时，上下为40mm

两层组态安装时，上下至少为80mm接口模块安装在CPU的右面一个机架上最多插八个

I/O模块（信号模块、功能模块、通讯处理器）多层组态只适用于CPU314/315/316安装安装帮助文件检查表硬件手册部件清单1.................2..................3...................•所有部件是否齐备?（见部件清单）•安装导轨！•安装电源!•把总线连接器连到CPU，并安装模块!•把总线连接器连到I/O模块，并安装模块!•连接前连接器，并插入标签条和槽号！

•给模块配线（电源，CPU和I/O模块）安装检查表电气安装检查表

1. 有模拟信号或总线信号吗？

2. 是否有>60V的接线？3. 输出触点构成的回路中是否有

感性负载？

4. 是否有室外的接线?1.2S7-300PLC电气安装规范正确的硬件安装是系统正常工作的前提，要严格按照电气安装规范安装。1.2.1安装导轨●在安装导轨时，应留有足够的空间用于安装模板和散热（模板上下至少应有40mm的空间，左右至少应有20mm空间），如图1-13；●在安装表面划安装孔。在所划线的孔上钻直径为6.5+.2mm的孔；●用M6螺钉安装导轨；●把保护地连到导轨上（通过保护地螺丝，导线的最小截面积为10mm2）。如图1-14。应注意，在导轨和安装表面（接地金属板或设备安装板）之间会产生一个低阻抗连接。如果在表面涂漆或者经阳极氧化处理，应使用合适的接触剂或接触垫片。图1-10S7-300系统安装所需空间图1-11导轨上的保护地连接安装导轨（1）482mm530mm830mm57.2mm466mm500mm800mm•用M6螺丝把导轨固定到安装部位！连接保护地•把保护地连到导轨上（通过保护地螺丝！）

注：导线的最小截面积为10mm2。安装导轨（2）导轨总线连接器固定螺丝电源和CPU的接线打开电源模块和CPU模块面板上的前盖松开电源模块上接线端子的夹紧螺钉将进线电缆连接到端子上，并注意绝缘上紧接线端子的夹紧螺钉用连接器将电源模块与CPU模块连接起来并上紧螺钉关上前盖检查进线电压的选择开关把槽号插入前盖！前连接器的接线打开信号模块的前盖将前连接器放在接线位置将夹紧装置插入前连接器中剥去电缆的绝缘层(6mm长度)将电缆连接到端子上用夹紧装置将电缆夹紧将前连接器放在运行位置关上前盖填写端子标签并将其压入前盖中

在前连接器盖上粘贴槽口号码1.2.2安装和更换模块从左边开始，按照如图1-12顺序，将模块安装在导轨上：①电源模块②CPU③信号模块、功能模块、通讯模块、接口模块图1-12S7-300模块安装顺序表1-8说明了模块安装的步骤。步骤连接方法图例1将总线连接器插入CPU和信号模块/功能模块/通讯模块/接口模块。每个模块（除了CPU以外）都有一个总线连接器。●在插入总线连接器时，必须从CPU开始●将总线连接器插入前一个模块。最后一块模块不能安装总线连接器2按照模块的规定顺序，将所有模块悬挂在导轨上①，将模块化到左边的模块边上②，然后向下安装模块③3使用0.8～1.1Nm的扭矩，用螺钉固定所有模块表1-8模块安装步骤需要更换模块时，应先解锁前连接器，然后取下模块。如图1-13。在开始安装一个新的模块之前，应将前连接器的上半部编码插针从该模块上取下来，如图1-14所示。这样做是因为该编码部件早已插入到已接线的前连接器，如不把它取下，会阻碍前连接器插回原位置。图1-13解锁前连接器并取下模块图1-14拆卸前连接器编码插针1.2.3电气屏蔽与接地在实时控制系统中，接地是抑制干扰以使系统可靠工作的主要方法。在设计中如能把接地和屏蔽正确地结合起来使用，则可以解决大部分干扰问题。PS307除了给CPU供电外，还给24VDC模块提供负载电流，图1-15给出了S7-300一般结构的系统供电和接地连接，图中S7-300参考电位M是接地的。在一些场合，可能需要参考电位不接地的S7-300系统，此时应该把在CPU313/314上M端子和功能性地之间跨接线拆下。对CPU312IFM，只能实现一个接地结构，参考电位和地在内部已连接好。在带隔离的模块结构中，控制回路的参考电位和负载回路的参考电位是隔离的。图1-15S7-300一般结构的系统供电1.2.4机柜的选型与安装对于大型设备的运行或安装环境中有干扰或污染时，应该将S7-300安装在一个机柜中。在选择机柜时，应注意以下事项：●机柜安装位置处的环境条件（温度、湿度、尘埃、化学影响、爆炸危险）决定了机柜所需的防护等级（IPxx）●模块导轨间的安装间隙●机柜中所有组建的总功率消耗在确定S7-300机柜安装尺寸时，应注意以下技术参数：●模块导轨所需安装空间●模块导轨和机柜柜壁之间的最小间隙●模块导轨之间的最小间隙●电缆导管或风扇的所需安装空间●机柜固定位置准备启动把钥匙插入CPU！插入后备电池！如果用户程序不是存放在存储器模块中（该模块中的程序不靠电源保持）如果出现断电时必须保持大量的数据

如果需要插入存储器模块！不需要后备电池就可以保持用户程序和数据具有较大的“装载存储器”2.3实训一：安装一个典型的S7-300PLC硬件系统1、实训目的①熟悉S7-300常用模块②掌握S7-300常用模块安装规范2、实训任务和要求安装一个单导轨PLC控制系统，包含一个数字量模块，一个模拟量模块，一个仿真模块。要求各模块安装符合安装规范，实训设备电源模块PS307（10A）、CPU模块313C-2DP、数字量模块SM322、模拟量模块SM334、仿真模块SM374、连接器、导轨、螺钉、螺丝刀、导线若干。3、安装步骤①对照部件清单检查部件是否齐备；②安装导轨③安装电源④把总线连接器连到CPU，并安装模块；⑤把总线连接器连到I/O模块，并安装模块；⑥连接前连接器，并插入标签条和槽号；⑦给模块配线（电源，CPU和I/O模块）。4、实训报告①写出PLC硬件系统安装顺序；②写出每一个部件的安装规范。2.2.3S7-300的扩展能力S7-300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。与CPU312IFM和CPU313配套的模块只能安装在一个机架上。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。CPU314/315/315-2DP最多可扩展4个机架，IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架，如图所示。S7-300的扩展能力槽号 1 2 3 4 5 67 89 10 11CPUIMSFM本机PSPSIMRIMRPSIMRPS图3.2S7-300机架和槽位图3.S7-300模块地址的确定根据机架上模块的类型，地址可以为输入(I)或输出(O)。数字I/O模块每个槽划分为4B(等于32个I/O点)。模拟I/O模块每个槽划分为16B(等于8个模拟量通道)，每个模拟量输入通道或输出通道的地址总是一个字地址。表为S7-300信号模板的起始地址。表2.1S7-300信号模板的起始地址0机架的第一个信号模块槽(4号槽)的地址为～，一个16点的输入模块只占用地址～，地址～未用。数字量模块中的输入点和输出点的地址由字节部分和位部分组成。例如：I1.2 输入字节地址位地址4.S7-300PLC存储区图3.3S7-300存储区示意图(1)系统存储区：RAM类型，用于存放操作数据(I/O、位存储、定时器、计数器等)。(2)装载存储区：物理上是CPU模块中的部分RAM，加上内置的EEPROM或选用的可拆卸FEPROM卡，用于存放用户程序。(3)工作存储区：物理上占用CPU模块中的部分RAM，其存储内容是CPU运行时所执行的用户程序单元(逻辑块和数据块)的复制件。CPU程序所能访问的存储区为系统存储区的全部、工作存储区中的数据块DB、暂时局部数据存储区、外设I/O存储区(P)等，其功能见表。表2.2程序可访问的存储区及功能3.2S7-300系列PLC模块性能简介3.2.1CPU模块1.CPU模块概述S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。实验室机型为CPU315-2DP。表列出了部分中央处理单元CPU的主要特性，包括存储器容量、指令执行时间、最大I/O点数、各类编程元件(位存储器、计数器、定时器、可调用块)数量等。表3.3中央处理单元CPU的主要特性表3.3中央处理单元CPU的主要特性CPU315/CPU315-2DP：CPU315是具有中到大容量程序存储器和大规模I/O配置的CPU。CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任务中。CPU315/CPU315-2DP具有48KB/64KB，内置80/96KB的装载存储器(RAM)，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。CPU315-2DP是带现场总线(PROFIBUS)SINECL2-DP接口的CPU模块，其他特性与CPU315模块相同。2.CPU模块的方式选择和状态指示S7-300系列的CPU312IFM/313/314/314IFM/315/315-2DP/316-2DP/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。图为CPU模块面板布置示意图。图3.4CPU模块面板布置示意图(1)RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，既可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中。用编程装置可监控程序的运行。在此位置钥匙不能拔出。(2)RUN：运行方式。CPU扫描用户程序，可以用编程装置读出并监控PLCCPU中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙，以防止程序在正常运行时被改变操作方式。(3)STOP：停止方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU。在此位置可以拔出钥匙。(4)MRES：该位置瞬间接通，用以清除CPU的存储器。表3.4用于状态和故障显示LED的含义3.2.2数字量模块

1.数字量输入模块SM321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。数字量输入模块SM321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16点输入、交流8点输入模块。图3.5(a)、(b)所示为直流32点输入和交流16点输入对应的端子连接及电气原理图。图3.5数字量输入模块SM321端子连接及电气原理图图3.5数字量输入模块SM321端子连接及电气原理图2.数字量输出模块SM322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。晶体管输出模块只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅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。表3.6数字量输出模块SM322的技术特性3.数字量I/O模块SM323SM323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24VDC，输入电压“1”信号电平为11～30V，“0”信号电平为－3～＋5V，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～4.8ms。输出具有电子短路保护功能。3.2.3模拟量模块1.模拟量值的表示方法S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值。其中最高位为符号位S，“0”表示正值，“1”表示负值，被测值的精度可以调整，取决于模拟量模块的性能和它的设定参数，对于精度小于15位的模拟量值，低字节中幂项低的位不用。表表示了S7-300模拟量值所有可能的精度，标有“×”的位就是不用的位，一般填入“0”。S7-300模拟量输入模块可以直接输入电压、电流、电阻、热电偶等信号，而模拟量输出模块可以输出0～10V，1～5V，－10V～10V，0～20mA，4～20mA，－20～20mA等模拟信号。表3.7模拟量值可能的精度2.模拟量输入模块SM331

模拟量输入(简称模入(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。1)SM331概述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转换部件是模块的核心，其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：2.5ms、16.7ms、20ms和l00ms，相对应的以位表示的精度为8、12、12和14。2)SM33l与传感器、变送器的连接(1)SM331与电压型传感器的连接，如图所示。图3.6输入模块与电压型传感器的连接(2)SM331与2线电流变送器的连接如图所示，与4线电流变送器的连接如图所示。4线电流变送器应有单独的电源。图3.7输入模块与2线变送器电流输入的连接图3.8输入模块与4线变送器电流输入的连接(3)图所示是热电阻(如Ptl00)与输入模块的4线连接回路示意图。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。如果接成2线或3线回路，则必须在M+和IC+之间以及在M－和IC－之间插入跨接线，不过这将降低测量结果的精度。图3.9热电阻(如Ptl00)与输入模块的4线连接回路示意图

3.模拟量输出模块SM332

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。1)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。如图所示。图3.10通过4线回路将负载与隔离的模出模块相连4.模拟量I/O模块SM334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0～10V或0～20mA，输出范围为0～10V或0～20mA。它的I/O测量范围的选择是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。SM334的通道地址见表。表3.8SM334的通道地址3.2.4S7-300系列PLC系统供电与接地1.PS307电源模块PS307是西门子公司为S7-300专配的24VDC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2A、5A、10A三种)，其工作原理和各种参数都相同。PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。图为PS30710A模块端子接线图。图3.11PS30710A模块端子接线图2.S7-300的电流耗量和功率损耗S7-300模块使用的电源由S7-300背板总线提供，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建S7-300应用系统时，考虑每块模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的，表列出了在24V直流负载电源情况下，各种S7-300模块的电流耗量、功率损耗以及从24V负载电源吸取的电流。表列出了在120/230VAC负载电源下，模块的电流耗量和功率损耗。表3.9S7-300模块的电流耗量和功率损耗(24VDC负载电源)续表表3.10S7-300模块的电流耗量和功率损耗(120/230VAC负载电源)一个实际的S7-300PLC系统，确定所有的模块后，要选择合适的电源模块，所选定的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块、各种智能模块等总消耗功率之和，并且要留有30％左右的裕量。当同一电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。例如，一个S7-300PLC系统由下面的模块组成：1块中央处理单元CPU3142块数字量输入模块SM321，16×24Vl块继电器输出模块SM322，8×230VACl块数字量输出模块SM322，16×24VDCl块模拟量输入模块SM331，8×12位2块模拟量输出模块SM332，4×12位各模块从S7-300背板总线吸取的电流＝2×25＋40＋70＋60＋2×60＝340mA各模块从24V负载电源吸取的电流＝1000＋2×1＋75＋100＋200＋2×240＝1857mA各模块的功率损耗＝8＋＋＋＋＋2×3＝29.4W从上面计算可知，信号模块从S7-300背板总线吸取的总电流是340mA，没有超过CPU314提供的1.2A电流。各模块从24V电源吸取的总电流约为1.857A，虽没有超过2A，但考虑到电源应留有一定裕量，所以电源模块应选PS3075A。上述计算没有考虑接输出执行机构