西门子S7-300全教程第二章

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

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。

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，红色）：CPU硬件故障或软件错误时亮。

BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。

DC 5V（＋5V电源指示，绿色）： 5V电源正常时亮。

FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。

RUN（运行方式，绿色）：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，黄色）：CPU处于STOP，HOLD状态或重新启动时常亮。

BUSF（总线错误，红色）。

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    117.5%    32511    7EFFH    5.879 V    11.759V    23.52 mA

正常范围    100.000%    278    6C00H      5V        10 V      20 mA

                0 %        0        0H        0V         0 V       0mA

            -100.000%   - 278   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    117.5%    32511    7EFFH    11.759 V    23.52 mA    22.81mA

正常范围    100.000%    278    6C00H       10 V      20 mA       20 mA

                0 %        0        0H         0 V        0 mA        4 mA

低于范围    - 17.593 %    - 48    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 8，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 8，转换公式为

P = 10 000 ´ N / 27 8  （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。

    【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+278和-279。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17321/ 278 = 0.628 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 8，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5530～278，即−600～600（0.1Pa）对应于数字量5 530～27 8，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。

 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。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PROFIBUS-DP接口，最多连接125个总线节点。使用光缆时CC和最后一个节点的距离为23km。

2．S7-400的特点

（1）运行速度高，S7 416执行一条二进制指令只要0.08ms。

（2）存储器容量大，例如CPU 417-4的RAM可以扩展到16MB，装载存储器（FEPROM或RAM）可以扩展到MB。

（3）I/O扩展功能强，可以扩展21个机架，S7 417-4最多可以扩展262144个数字量I/O点和16384个模拟量I/O。

（4）有极强的通信能力，集成的MPI能建立最多32个站的简单网络。大多数CPU集成有PROFIBUS-DP主站接口，用来建立高速的分布式系统, 通信速率最高12M bit/s。锅炉系统构成图

2.5.2  机架与接口模块

（1）通用机架UR1/UR2

（2）机架，CR2是18槽,一个电源模块和两个CPU模块。

CR3是4槽的机架，有I/O总线和通信总线。

（3）扩展机架ER1/ER2

ER1和ER2是扩展机架，分别有18槽和9槽，只有I/O总线。

（4）UR2-H机架

UR2-H机架用于在一个机架上配置一个完整的S7-400H冗余系统，每个均有自己的I/O。两个电源模块和两个冗余CPU模块。

2.5.3  S7-400的通信功能

MPI、PROFIBUS-DP、工业以太网或AS-i现场总线，周期性自动交换I/O模块的数据。或基于事件驱动，由用户程序块调用。

2.5.4  冗余设计的容错自动化系统S7-400H

S7 Software Redundancy（软件冗余性）可选软件在S7-300和S7-400标准系统上运行。生产过程出现故障时，在几秒内切换到替代系统。

S7-400H主要器件都是双重的：CPU、电源模块以及连接两个CPU的硬件……

3．S7-400H冗余控制PLC的工作原理

S7-400H采用“热备用”模式的主动冗余原理，在发生故障时，无扰动地自动切换。

两个控制器使用相同的用户程序，接收相同数据，两个控制器同步地更新内容，任意一个子系统有故障时，另一个承担全部控制任务。

2.5.5  安全型自动化系统S7-400F/FH

S7-400F/FH使用标准模块和安全型模块，整个工厂用相同的标准工具软件来配置和编程。

2.5.6  多CPU处理

S7-400机架上最多4个具有多CPU处理能力的CPU同时运行。这些CPU自动地、同步地变换其运行模式。

适用场合：程序太长，存储空间不够，系统可以分。通过通信总线，CPU彼此互连。

2.5.9  输入/输出模块

S7-400的信号模块地址在STEP 7中自动生成。用户可以修改。

S7-400的模拟量模块起始地址从512开始，同类模块的地址按顺序连续排列。

表2-5  模块地址举例

0号机架    1号机架

槽号    模块种类                地址              槽号    模块种类         地址

1       PS 417 10A电源模块                       1      32点DI        IB4～IB7

2                                                  2    16点DO       QB2，QB3

3      CPU 412-2DP                              3     16点DO      QB4，QB5

4          16点DO           QB0，QB1           4      8点AO    QW528～QW543

5     16点DI                  IB0，IB1            5      8点AI      IW544～IW559

6     8点AO  2个字节     QW512～QW527          6     16点DO       QB6，QB7

7     16点AI2 个字节       IW512～IW543           7     8点AI      IW560～IW575

8         16点DI            IB2，IB3               8     32点DI        IB8～IB11

9         IM460-1                4093               9     IM461-0           4092

表2-6  S7-300与S7-400性能比较接近的功能模块

功能模块               S7-300系列                    S7-400系列

计数器模块          FM 350-1                       FM 450-1

定位模块             FM 351，双通道                 FM 451，3通道

定位模块             FM 353，双通道                 FM 453，3通道

电子凸轮控制器   FM 352，13个数字量输出        FM 452，16个数字量输出

闭环控制模块         FM 355，4通道                 FM 455，16通道

2.6  ET 200分布式I/O

基于PROFIBUS-DP现场总线的分布式I/O。I/O传送信号到CPU只需ms级。

只需要很小的空间，能在非常严酷的环境（例如酷热、严寒、强压、潮湿或多粉尘）中使用。

（1）电机启动器：异步电机的单向或可逆启动，7.5kW，最大电流40A，一个站可以带6个电机启动器。

（2）气动系统：ET 200X用于阀门控制。

（3）变频器

（4）智能传感器：光电式编码器或光电开关等与使用ET 200S进行通信。

（5）安全技术：在冗余设计的容错控制系统或安全自动化系统中使用。包括紧急断开开关，安全门的监控以及众多与安全有关的电路。有ET 200S故障防止模块、故障防止CPU和PROFISafe协议。

2.6.2  ET 200的分类

(1) ET 200S是分布式I/O系统。

(2) ET 200M是模块化的分布式I/O，采用S7-300全系列模块，最多8个模块。

ET 200M户外型温度范围-25°C到+60°C。

(3) ET 200is是本质安全系统，适用于有爆炸危险的区域。

(4) ET 200X：IP65/67的分布式I/O，相当于CPU 314，可用于有粉末和水流喷溅的场合。

(5) ET 200eco是经济实用的I/O，IP67。

(6) ET 200R适用于机器人，能抗焊接火花的飞溅。

(7) ET 200L是小巧经济的分布式I/O，像明信片大小的I/O模块。

(8) ET 200B：整体式的一体化分布式I/O。