第一章 S7-300/400的基本结构
1、 S7-300/400属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备（工程师、操作员站和操作屏）组成。
图1-1 PLC控制系统示意图
PLC的主要生产厂家：德国的西门子(Siemens)公司，美国Rockwell公司所属的AB公司，GE-Fanuc公司，法国的施耐德(Schneider)公司，日本的三菱和欧姆龙(OMRON)公司。PLC的工作过程
表1-1 逻辑运算关系表
与或非
Q4.0=I0.0*I0.1 Q4.1 = I0.2+I0.3 Q4.2 =/I0.4
I0.0 I0.1 Q4.0 I0.2 I0.3 Q4.1 I0.4 Q4.2
0 0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 1 1 0
1 0 0 1 0 1
1 1 1 1 1 1
在CPU模块上有存储器(用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息)，包括ROM和RAM。可通过扩展槽扩展用户RAM。
l RAM：主程序区OB1+子程序区（FB、FCB、定时中断块等）断电时由锂电池供电（几年）以免RAM中信息丢失。锂电池电压< 规定值，灯报警，换电池（期间靠电容充电几分钟）。
l PLC采用循环执行用户程序的方式。
OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。
循环程序处理过程可以被某些事件中断。
在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区。批量输入、批量输出。
梯形图中Q4.0的线圈（称为内部线圈）“通电”时，对应的输出过程映像位为1状态。信号经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的线圈（外部线圈）通电，其常开触点闭合，使外部负载通电工作。
外部输入电路接通时，对应的输入过程映像位(例如I0.0)为1状态，梯形图中对应的输入位的常开触点接通，常闭触点断开。
某一编程元件对应的过程映像位为1状态时，称该编程元件为ON，过程映像位为0状态时，称该编程元件为OFF。
循环时间（Cycle time）: 是指操作系统执行一次图1-4所示的循环操作所需的时间，又称为扫描循环时间（Scan Cycle Time）或扫描周期。如0.7ms、1.7ms等
l 性能指标：
I/O点数、扫描周期、指令数目、功能模块多少、
A(
O I0.1 // 接在左侧母线上的I0.1的常开触点
O Q4.0 // 与I0.1的常开触点并联的Q4.0的常开触点
)
AN I0.2 // 与并联电路串联的I0.2的常闭触点
= Q4.0 // Q4.0的线圈
梯形图对应的逻辑表达式： Q4.0 = (I0.1+Q4.0)
l PLC性能指标：
第二章西门子PLC的分类
1．S7系列：传统意义的PLC产品， S7-200是针对低性能要求的小型PLC。S7-300是模块式中小型PLC，最多可以扩展32个模块。S7-400是大型PLC，可以扩展300多个模块。S7-300/400可以组成MPI、PROFIBUS和工业以太网等。
2．M7-300/400：采用与S7-300/400相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用。具有AT兼容计算机
的功能，可以用C，C＋＋或CFC等语言来编程。
3．C7由S7-300 PLC，HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监控系统组成。4．WinAC基于Windows和标准的接口(ActiveX，OPC)，提供软件PLC或插槽PLC。
S7-300系列PLC简介
S7-300的CPU模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485接口，有的有PROFIBUS-DP 接口或PtP串行通信接口，可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP网络。
1.电源模块
2.后备电池
3. 24V DC 连接器
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
图2-2 S7-300 PLC
功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536 I/O点，模拟量通道最大为4096。有350多条指令。一个数字量为1点，一个模拟量为16点。
计数器的计数范围为1～999，定时器的定时范围为10ms～9990s。
图2-3 S7-300的安装
图2-4 多机架的S7-300 PLC
只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM 365接口模块对。
数字量模块：从0号机架的4号槽开始，每个槽位分配4个字节的地址，32个I/O点。
模拟量模块：一个通道占一个字地址。从I B256开始，给每一个模拟量模块分配8个字。1．模块诊断功能
可以诊断出以下故障：失压，熔断器熔断，看门狗故障，EPROM、RAM故障。
模拟量模块共模故障、组态/参数错误、断线、上下溢出。
2．过程中断
数字量输入信号上升沿、下降沿中断，模拟量输入超限，CPU暂停当前程序，处理OB40。3．状态与故障显示LED
SF（系统出错/故障显示，红）：CPU硬件故障或软件错误时亮。
BATF（电池故障，红）：电池电压低或没有电池时亮。
DC 5V（＋5V电源指示，绿）： 5V电源正常时亮。
FRCE（强制，黄）：至少有一个I/O被强制时亮。
RUN（运行方式，绿）：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2 Hz的频率闪亮； HOLD （单步、断点）状态时以0.5Hz的频率闪亮。
STOP（停止方式，黄）：CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。
BUSF（总线错误，红）。
图2-5 CPU 318-2的面板
4．模式选择开关
（1）RUN-P(运行-编程)位置：运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。
（2）RUN (运行)位置：CPU执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。
（3）STOP（停止）位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。
（4）MRES（清除存储器）：不能保持。将钥匙开关从STOP状态搬到MRES位置，可复位存储器，使CPU回到初始状态。
复位存储器操作：通电后从STOP位置扳到MRES位置，“STOP”LED熄灭1s，亮1s，再熄灭1s后保持亮。
放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED以2Hz的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后“STOP”LED一直亮。
某些CPU模块上有集成I/O。
PLC使用的物理存储器：RAM，ROM，快闪存储器（Flash EPROM）和EEPROM。
S7-300 CPU的分类
1．紧凑型CPU：CPU 312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。各CPU均有计数、频率测量和脉冲宽度调制功能。有的有定位功能，有的带有I/O。2．标准型CPU：CPU 312，CPU 313，314，315，315-2DP和316-2DP。
3．户外型CPU：CPU 312 IFM，314 IFM，314户外型和315-2DP。在恶劣的环境下使用。4．高端CPU：317-2DP和CPU 318-2DP。
5．故障安全型CPU：CPU 315F。
S7-300的输入/输出模块
输入/输出模块统称为信号模块(SM)。
前连接器插在前盖后面的凹槽内。一个编码元件与之啮合，该连接器只能插入同类模块。
两线式接近开关的漏电流小于输入模块允许的静态电流，汇点输入的电流流进输入模块，反之为源输入电路。
SM323是S7-300的数字量输入输出模块，8DI/8DO，16DI/16DO。
表2-13 SM331模拟量输入模块的模拟值
范围双极性
百分比十进制十六进制 ±5V ±10 V ±20 mA
上溢出 118.515% 32767 7FFFH 5.926 V 11.851V 23.70 mA
超出范围 117.589% 32511 7EFFH 5.879 V 11.759V 23.52 mA
正常范围 100.000% 27648 6C00H 5V 10 V 20 mA
0 % 0 0H 0V 0 V 0mA
-100.000% - 27648 9400H -5V - 10 V -20 mA
低于范围 -117.593% - 32512 8100H -5.879 V - 11.759 V -23.52 mA
下溢出 -118.519% - 32768 8000H -5.926 V - 11.851 V -23.70 mA
范围单极性
百分比十进制十六进制 0~10 V 0~20 mA 4~20 mA
上溢出 118.515% 32767 7FFFH 11.852 V 23.70 mA 22.96mA
超出范围 117.589% 32511 7EFFH 11.759 V 23.52 mA 22.81mA
正常范围 100.000% 27648 6C00H 10 V 20 mA 20 mA
0 % 0 0H 0 V 0 mA 4 mA
低于范围 - 17.593 % - 4864 ED00H - 3.52 mA 1.185mA
模拟值的精度小于15 位，则模拟值左移，左对齐。
【例2-2】压力变送器的量程为0～10MPa，输出信号为4～20mA，模拟量输入模块的量程为4～20mA，转换后的数字量为0～27 648，设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。
解：0～10MPa(0～10 000kPa)对应于转换后的数字0～27 648，转换公式为
P = 10 000 ´ N / 27 648 （kPa）
注意：在运算时一定要先乘后除，否则可能会损失原始数据的精度。
图2-13 量程卡
【例2-3】某发电机的电压互感器的变比为10kV/100V（线电压），电流互感器的变比为1000A/5A，功率变送器的额定输入电压和额定输入电流分别为AC 100V和5A，额定输出电压为 DC ±10V，模拟量输入模块将DC ±10V输入信号转换为数字+27648和-27649。设转换后得到的数字为N，求以kW为单位的有功功率值。
解：根据互感器额定值计算的原边有功功率额定值为
由以上关系不难推算出互感器原边的有功功率与转换后的数字之间的关系为
模块电源图片17321/ 27648 = 0.62648 kW / 字。转换后的数字为N时，对应的有功功率为0.6265 N (kW)，如果以kW为单位显示功率P，使用定点数运算时的计算公式为
P = N ´ 6 265 / 10 000 （kW）
【例2-4】用于测量锅炉炉膛压力（−60 Pa～60 Pa）的变送器的输出信号为4～
20mA，模拟量输入模块将0～20mA转换为数字0～27 648，设转换后得到的数字为N，试求以0.1Pa为单位的压力值。
解：4～20mA的模拟量对应于数字量5530～27648，即−600～600（0.1Pa）对应于数字量5 530～27 648，压力的计算公式应为
1．EX系列数字量模拟量输入/输出模块
EX模块在化工等行业使用。将外部的本质-安全设备（用于有爆炸危险区域的传感器和执行器）与PLC非本质-安全内部回路隔离。
2．F系列数字量模拟量输入/输出模块
这些模块具有故障安全运行的集成安全功能，在ET 200M分布式I/O或S7-300F中使用。用于连接有爆炸危险区域的设备。
S7-300的功能模块
1．计数器模块
模块的计数器均为0～32位或 31位加减计数器，可以判断脉冲的方向，模块给编码器供电。达到比较值时发出中断。可以2倍频和4倍频计数。有集成的DI/DO。
FM 350-1是单通道计数器模块，可以检测最高达500kHz的脉冲，有连续计数、单向计数、循环计数3种工作模式。FM 350-2 和CM 35都是8通道智能型计数器模块。
2．位置控制与位置检测模块
FM 351双通道定位模块用于控制变级调速电动机或变频器。FM 353是步进电机定位模块。FM 354伺服电机定位模块。FM 357可以用于最多4个插补轴的协同定位。FM 352高速电子凸轮控制器，它有32个凸轮轨迹，13个集成的DO，采用增量式编码器或绝对式编码器。SM 338超声波传感器检测位置，无磨损、保护等级高、精度稳定不变。
3．闭环控制模块
FM 355闭环控制模块有4个闭环控制通道，有自优化温度控制算法和PID算法。
4．称重模块
SIWAREX U称重模块是紧凑型电子称，测定料仓和贮斗的料位，对吊车载荷进行监控，对传送带载荷进行测量或对工业提升机、轧机超载进行安全防护等。
SIWAREX M称重模块是有校验能力的电子称重和配料单元，可以组成多料称系统，安装在易爆区域。
5．电源模块
PS 307电源模块将120/230伏交流电压转换为24V直流电压，为S7-300/400、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A或10A 3种。电源模块安装在DIN导轨上的插槽1。
图2-17 S7-300的浮动参考电位
某些大型工厂（例如化工厂和发电厂）为了监视对地的短路电流，可能采用浮动参考电位，可以将M点与接地点之间的短接片去掉。
2.5 S7-400系列PLC的硬件组成
模块的尺寸为25(宽)×290(高)×210(深)mm。高炉喷煤工程构成图。
集中式扩展方式适用于小型配置或一个控制柜中的系统。CC和EU的最大距离为1.5m（带5V电源）或3m（不带5V电源）。
分布式扩展适用于分布范围广的场合，CC与最后一个EU的最大距离为100m（S7 EU）或600m（S5 EU）。
用ET 200分布式I/O可以进行远程扩展，用于分布范围很广的系统。通过CPU中的
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