1、第3章 SIMATIC S7-300系列PLC系统特性及硬件构成,3.1 SIMATIC S7-300系列PLC的硬件系统 3.2 SIMATIC S7-300系列PLC模块性能简介 思考与练习题,3.1 SIMATIC S7-300 系列PLC的硬件系统,3.1.1 概述SIMATIC S7 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SIMATIC S7-200系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展27个模块，最大I/O点数为64 DI/DO、12 AI/4 AO；中小型的有SIMATIC S7-300系列；中高档性能的有
2、S7-400系列。SIMATIC S7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。,SIMATIC S7-300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。0.10.6 us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
3、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。,3.1.2 SIMATIC S7-300系列PLC系统基本构成1. SIMATIC S7-300的组成 SIMATIC S7-300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3.1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S7 PLC相连。,图3.1 S7-300系列PLC系统构成框图,2. S7-300的扩展能力S7
4、-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CPU312 IFM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3.2所示。,图3.2 S7-300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4 B(等
5、于32个I/O点)。模拟I/O模块每个槽划分为16 B(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3.1为S7-300信号模板的起始地址。,表3.1 S7-300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0.03.7，一个16点的输入模块只占用地址0.01.7，地址2.03.7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。例如：,4. S7-300 PLC存储区,图3.3 S7-3 0 0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
6、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3.2。,表3.2 程序可访问的存储区及功能,3.2 S7-300 系列PLC模块性能简介,3.2.1 CPU模块 1. CPU模块概述S7-300有CPU312 IFM、CPU313、CPU314、CPU314 IFM、CPU315/315-2DP、CPU
7、316-2DP、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3.3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-
8、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48 KB/64 KB，内置80/96 KB的装载存储器(RAM)，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512 KB，指令执行速度为300 ns/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)SINEC L2-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CPU312 IFM/313/314/31
9、4 IFM/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3.4为CPU模块面板布置示意图。,图3.4 CPU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PLC CPU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。CP
10、U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
11、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
12、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24 V DC，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。,3.2.3 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
13、，“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010 V，15 V，10 V10 V，020 mA，420 mA，2020 mA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8AIl2位模块、2AIl2位模块和8AIl
14、6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：2.5 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。,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3.6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3.7所示，与4线电流变送器
15、的连接如图3.8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3.9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SM
16、332目前有三种规格型号，即4AOl2位模块、2AO12位模块和4AOl6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3.10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
17、输入、输出精度为12位。SM334模块输入测量范围为010 V或020 mA，输出范围为010 V或020 mA。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3.8。,表3.8 SM334的通道地址,3.2.4 S7-300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24 V DC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2 A、5 A、10 A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S7-300 CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。图3
18、.11为PS307 10A模块端子接线图。,图3.11 PS307 10 A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3.9列出了在24 V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24 V负载电源吸取的电流。表3.10列出了在120/230 V AC负载电源下，模块的电流耗量和功率损耗。,表3.9 S7-300模块的电流耗量和功率损耗(24 V DC负载电源),续表,表3.10 S7-300模块
19、的电流耗量和功率损耗(120/230 V AC负载电源),一个实际的S7-300 PLC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0.25 V。,例如，一个S7-300 PLC系统由下面的模块组成： 1块中央处理单元CPU 314 2块数字量输入模块SM321，1624 V l块继电器输出模块SM322，8230 V AC l块数字量输出模块SM322，1624 V DC l块模
20、拟量输入模块SM331，812位 2块模拟量输出模块SM332，412位 各模块从S7-300背板总线吸取的电流225407060260340 mA 各模块从24 V负载电源吸取的电流1000217510020022401857 mA 各模块的功率损耗823.52.24.91.32329.4 W,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340 mA，没有超过CPU 314提供的1.2 A电流。各模块从24 V电源吸取的总电流约为1.857 A，虽没有超过2 A，但考虑到电源应留有一定裕量，所以电源模块应选PS307 5 A。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。PS307 5 A的功率损耗为18 W，所以该S7-300结构总的功率损耗是1829.447.4 W。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。,思考与练习题,1. S7-300系列PLC的硬件系统由哪几部分组成?2. S7-300系列PLC常用输入、输出模块有哪几种? 各适用于哪些场合？3. 一个控制系统如果需要12点数字量输入、30点数字量输出、10点模拟量输入和2点模拟量输出，则问：(1) 如何选择输入/输出模块? (2) 各模块的地址如何分配?,
