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1、2019年7月9日星期二,目 录,4.1 S7-300 PLC系统结构 4.2 S7-300 PLC基本系统构成 4.3 S7-300 PLC指令系统 4.3 S7-300 PLC网络通信,2019年7月9日星期二,第4章 西门子S7-300 PLC,SIMATIC S7-300是一种通用型的PLC，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造中的应用。模块化、无风扇结构、易于实现分布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S7-300 PLC系统结构、基本系统构成、指令系统和网络通信等内容。,2019
2、年7月9日星期二,4.1S7-300 PLC系统结构,4.1.1S7-300 PLC的硬件构成 S7-300系列的PLC是中型模块式PLC，各种模块(CPU模块、信号模块SM、功能模块FM、通信模块CP、电源模块PS等)及人机界面（HMI）可以根据控制要求进行广泛的组合和扩展。各个模块之间的联系由背部的U形总线完成。S7-300的模块、导轨和U形总线的组合情况如下图所示。,2019年7月9日星期二,S7-300系列可供选用的模块种类如下图所示,PS（电源模块） 把市电转换成DC 24 V电源供给PLC系统使用。,CPU模块 PLC的核心，存储并执行用户程序，实现某些类型的通信，为背部U形总线提
3、供DC 5 V电源。,IM（接口模块） 用于不同导轨之间的总线连接。,开关量输入（DI）模块,开关量输出（DO）模块,模拟量输入（AI）模块,模拟量输出(AO)模块。,FM（功能模块） 实现特殊的功能，如高速计数、点位控制、闭环控制等。,CP（通信处理器） 用作联网接口，可用作PROFIBUS网、工业以太网、点对点等连接。,2019年7月9日星期二,4.1.2 S7-300的结构特点,基于模块化结构设计的S7-300系列PLC，具有以下结构特点。 1.采用集成的背板总线（Back Plane Bus） 2.采用DIN标准导轨，安装和更换模块方便 3.硬件组态灵活 4.机架扩展方便,S7-300
4、改变了以往模块式PLC采用的总线板结构，从硬件上省去了总线板和排风扇，而采用了背板总线，即将总线集成在每个模块上，所有的模块通过总线连接器进行级联扩展，使得结构简单。,安装模块时，只需要将模块插在导轨上，转动到位后用螺钉锁紧。有可拆卸式机械编码前连接器、螺钉型或弹簧型接线端子，更换模块时只需要松开安装螺钉，拔下已经接线的前连接器，即可更换。,所有的模块都有相同的安装深度，因此，信号模块和通信模块可以不受限制地插到SM区的任何一个槽位上，使得硬件组态非常灵活。,每个机架上最多可安装8个信号模块（SM），当需要的SM超过8个时，可以通过IM365（机架距离最远1 m）或者IM360/361（机架距
5、离最远10 m）安装扩展机架，每个扩展机架上最多可安装8个信号模块，一个S7-300系统最多可安装3个扩展机架，最多可安装32个信号模块,2019年7月9日星期二,4.2 S7-300 PLC基本系统构成,S7-300 PLC基本系统由CPU模块、数字量模块、模拟量模块和供电模块等构成。 4.2.1S7-300 PLC CPU（中央处理单元）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
6、输出控制或数据通信等功能。 S7-300的CPU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5个方面：I/O扩展能力；指令执行速度；工作内存容量；通信能力；CPU上的集成功能。,2019年7月9日星期二,4.2.2 S7-300 PLC数字量模块,S7-300有多种型号的数字量I/O模块供选择。以下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。 （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
7、-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区等待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4种型号可供选择，即直流16点输入模块、直流32点输入模块、交流16点输入模块、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。,2019年7月9日星期二,（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
8、动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用电源的不同，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。按输出开关器件种类的不同，它又可分为晶体管输出方式、晶闸管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；晶闸管输出方式的模块属于交流输出模块；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好。 数字量输出模块SM322有多种型号可供选择，常用有8点晶体管输出模块、16点晶体管输出模块、32点晶体管输出模块、8点晶闸管输出模
9、块、16点晶闸管输出模块、8点继电器输出模块和16点继电器输出模块。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。,4.2.2 S7-300 PLC数字量模块,2019年7月9日星期二,（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，如下页图所示是SM323模块的端子连接及电气原理图，端子110用于输入，端子1120用于输出。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-3+5 V，I/O通过光耦与背板
10、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。,4.2.2 S7-300 PLC数字量模块,2019年7月9日星期二,SM323模块的端子连接及电气原理图,2019年7月9日星期二,4.2.3 S7-300 PLC模拟量模块,本节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。 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010 V、15 V、-1010 V、020 mA、420 mA、-2020 mA等模拟信号
11、。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量输出范围间的对应关系，请参考相关技术手册,2019年7月9日星期二,模拟量输入模块SM331,模拟量输入模块SM331目前有3种规格型号，即8AI12位模块、2AI12位模块和8AI16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
12、接影响到A/D转换的时间和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4挡积分时间：2.5、16.7、20和100 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4种积分时间分别对应400、60、50和10 Hz,2019年7月9日星期二,模拟量输出模块SM332,模拟量输出模块SM332目前有3种规格型号，即4AO12位模块、2AO12位模块和4AO16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
13、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。 模拟量输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。模拟量输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量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。,2019年7月9日星期二,模拟量I/O模块SM334,模拟量I/O模块SM334有两种规格型号：一种是有4模入（即模拟量输入，下同）/2模出（即模拟量输
14、出，下同）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。与其他模拟量模块不同，SM334没有负的测量范围，且精度比较低。SM334的通道地址见,2019年7月9日星期二,SM334的通道地址,2019年7月9日星期二,4.2.4 S7-300 PLC系统供电与接地,PS307电源模块 PS307是西门子公司为S7-300专配的DC 24 V电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2、5、10 A），其工作原
15、理和参数都一样。 PS307电源模板（10 A）的基本电路如下页图所示。PS307 10 A模块的输入接单相交流系统，输入电压120/230 V、50/60 Hz，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围24（5%） V，最大上升时间2.5 s，最大残留纹波150 mV（峰-峰值），PS307可安装在导轨上，除了给S7-300 CPU供电，也可给I/O模块提供负载电源。,2019年7月9日星期二,PS307电源模板（10 A）的基本电路图,2019年7月9日星期二,S7-300系统接地,在实时控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要方法。 PS307既供电给CPU，还给24 V D
16、C模块提供负载电流。,2019年7月9日星期二,4.3 S7-300 PLC指令系统,指令是程序的最小单位，指令的有序排列就构成用户程序。STEP 7编程语言是在STEP 5编程语言基础上发展起来的，其指令功能非常丰富。 标准STEP 7软件包提供的编程语言有梯形图（LAD）、功能图（FBD）以及指令表（STL）。限于篇幅，本书无法对所有指令一一详述。关于这些指令的详细内容可以参考S7-300/400梯形逻辑-编辑手册、S7-300/400功能块图编程手册和S7-300/400语句表编程手册，或者可以在STEP-7程序编辑器中选中相应的指令，按F1键获得在线帮助。,2019年7月9日星期二,4.4 S7-300 PLC的网络通信,4.4.1西门子PLC网络 1.西门子PLC网络概述 西门子PLC的网络是为适合不同控制需要制定的，也为各个网络层次之间提供了互连模块或装置。 西门子PLC符合MAP 3.0协议，采用MMS(ISO 9506)标准。下面对西门子PLC网络产品的4个层次的一些性能进行对比。书中的表4-19 列出
