第七章 S7300PLC概述.docx

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第七章S7300PLC概述

第七章S7-300PLC概述

第一节S7-300系列PLC的硬件系统

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。

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。

0.1～0.6us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。

一、SIMATICS7-300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7.1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7.1S7-300系列PLC系统构成框图

2.S7-300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。

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7.1为S7-300信号模板的起始地址。

表7.1S7-300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0.0～3.7，一个16点的输入模块只占用地址0.0～1.7，地址2.0～3.7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。

S7-300的存储区见下图：

图7.2S7-300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7.2。

表7.2程序可访问的存储区及功能

二、S7-300PLC硬件简介

S7-300（见图7.3）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7.3S7-300PLC的基本结构

1.1.1S7-300系列PLC系统供电

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。

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。

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CPU314

2块数字量输入模块SM321，16×24V

l块继电器输出模块SM322，8×230VAC

l块数字量输出模块SM322，16×24VDC

l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＋2×3.5＋2.2＋4.9＋1.3＋2×3＝29.4

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或其它负荷时的电流消耗，设计中不应忽略这一点。

PS3075A的功率损耗为18W，所以该S7-300结构总的功率损耗是18＋29.4＝47.4W。

该功率不应超过机柜所能散发的最大功率，在确定机柜的大小时要确保这一点。

1.1.2CPU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。

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7.4CPU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。

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。

（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。

（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。

我们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SM323

SM323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1.2～4.8ms。

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3.7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。

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。

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。

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。

3.特殊模块

除了最通用的I/O模块，我们还要重点介绍仿真模块SM374的使用。

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。

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。

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9.6～1500kb/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187.5kbps。

如果与S7-200进行通讯，也可以指定19.2kbps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19.2kbps，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

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）；

●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）。

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。

1.2.2安装和更换模块

从左边开始，按照如图7.5顺序装上：

①电源模块

②CPU

③信号模块、功能模块、通讯模块、接口模块

图7.5模块安装导轨顺序

需要更换模块时，应先解锁前连接器，然后取下模块。

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，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。

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，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。

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

第二节S7-300编程软件STEP7V5.2

STEP7编程软件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。

本节将讲述Step7软件的安装、授权过程，并介绍用STEP7软件进行硬件组态的基本方法。

2.1.STEP7V5.2软件安装

●能够运行所需操作系统的