作者：吴丽
出版社：机械工业出版社
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西门子S7-300PLC基础与应用 第2版试读：
前言
可编程序控制器（简称为PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的工业自动控制装置。它具有高可靠性、配置扩充的灵活性等特点，且具有易于编程、使用维护方便等优点，在工业自动化控制的各个领域得到了广泛应用，它代表着控制技术的发展方向，被业界称为现代工业自动化的三大支柱之一。
近年来，PLC的发展势头有增无减，新产品、新技术不断涌现，尤其是德国西门子公司的SIMATIC S7系列PLC，具有功能强、性价比高等优点，能为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，深受用户的欢迎，特别适合当前工业企业对自动化的需要。
本书以实际工程应用和便于教学使用为出发点，以西门子S7-300系列PLC为蓝本，以工作任务为导向安排内容，以基于工作过程的思想组织与编写内容，注重过程性知识讲解，适度介绍概念和原理，突出技能训练和能力培养，力争使本书满足“教、学、练、做”一体化的教学需要。
全书共10章，第1章介绍PLC的定义、基本结构、基本原理，西门子S7系列PLC的分类、S7-300 PLC的工作过程、模块安装及默认地址；第2章介绍STEP 7编程软件的使用、编程规则与方法，以电动机控制为案例，用逻辑分析的方法介绍如何用PLC实现简单逻辑控制；第3章介绍基本逻辑指令、边沿检测指令的基本应用；第4章在介绍S7-300 PLC的定时器及CPU时钟存储器等预备知识的基础上，以人行横道的控制为案例，用时序分析的方法介绍如何用PLC实现时序控制；第5章在介绍置位指令和复位指令等预备知识的基础上，以抢答器和多级传送带控制为案例，分析如何实现类似物流传送（加工）系统的顺序起/停控制；第6章在介绍计数器、比较指令、移位指令等预备知识的基础上，以多台电动机的单个按钮控制为案例，分析如何实现输入点的复用；第7章介绍转换指令、算术运算指令、字逻辑运算等功能指令的应用；第8章在介绍模拟量信号模块、模拟信号的处理等预备知识的基础上，以搅拌器系统的控制为案例，介绍如何实现对模拟量的采集与控制；第9章在介绍顺序控制系统、顺序功能图的结构、顺序功能图的梯形图编程方法、S7 GRAPH语言等预备知识的基础上，分别以洗车控制系统设计、饮料灌装生产线控制系统设计为案例，介绍如何用梯形图实现选择性分支、并进分支流程的控制；第10章介绍S7-300PLC的通信知识，说明如何运用PROFIBUS总线技术实现主站与从站之间的数据交换与传送。
本书尽可能做到语言简捷、内容丰富、实用性强、理论联系实际，详细叙述了PLC的应用技术，并通过大量工程案例介绍PLC的设计方法和安装技巧，大部分章节都有相关技能训练，以突出实践技能和应用能力的培养。
本书适合作为电气自动化、楼宇智能化、机电一体化、机械设计与制造及相关专业“PLC基础与应用”课程的教学用书，也可作为电气技术人员的参考书和培训教材。
本书由黄河水利职业技术学院吴丽担任主编，并编写第2章和第3章，葛芸萍担任副主编，并编写第5～7章，刘云潺编写第1章和第4章，朱海英编写第9章，张慧宁编写第8章和第10章。全书由胡键老师主审。
由于编者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，恳请广大读者批评指正。编者
第1章 PLC的基本知识
可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是以微处理器为基础的通用工业控制装置，它综合了现代计算机技术、自动控制技术和通信技术，具有功能强大、使用方便、可靠性高、通用灵活和易于扩充等优点，特别适于在恶劣的工业环境中使用，是为了顺应现代制造业生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品要求而出现的，在交通、冶金、化工、制造、建筑、造纸以及食品等行业得到了广泛应用。目前，可编程序控制器已成为现代工业自动化技术的三大支柱之一。
1.1 PLC概述
1.1.1 PLC的产生和定义1.PLC的产生
为了尽可能地减少重新设计和安装的工作量，降低成本，缩短周期，人们于是设想把计算机系统的功能完备、灵活、通用与继电器接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制造一种新型的工业控制装置。为此，美国通用汽车公司在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器接触器控制系统。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了第一台PLC（Programmable Logic Controller），即可编程序逻辑控制器，型号为PDP-14，用它取代传统的继电器接触器控制系统，在美国通用汽车公司的汽车自动装配线上使用，取得了巨大成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小以及使用寿命长等一系列优点，很快在美国其他工业领域推广应用。
随着计算机技术、自动控制技术和通信技术的发展，PLC大致经历了四次更新换代，已经渗透到工业控制的各个领域。
2.PLC的定义
1987年国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器定义如下：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”1.1.2 PLC的结构组成
PLC由中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信单元、电源以及扩展单元有机结合而成，如图1-1所示。根据结构形式不同，PLC可以分为整体式和模块式两类。图1-1 PLC的基本结构
整体式PLC又称为单元式或箱体式，体积小、价格低及结构紧凑。一般小型PLC采用整体式，如西门子的S7-200系列PLC。整体式PLC将CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱体内构成主机。需要时还提供许多I/O扩展模块供用户选用，另外配备许多专用的特殊功能模块，使PLC的功能得到扩展。
模块式PLC又称为组合式PLC，由机架和模块组成，配置灵活。中、大型PLC常采用模块式，如西门子的S7-300和S7-400系列PLC。模块式PLC将组成PLC的多个单元分别做成相应的模块，各模块可以灵活安插在机架上，通过总线相互联系，进行广泛地组合和扩展。（1）CPU模块
CPU（Central Process Unit）模块是PLC的核心部分，主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。CPU模块在PLC系统中的作用类似于人的大脑和心脏，其主要任务是：接收输入的用户程序和数据，送入存储器存储；采集现场的输入信号，存入相应的数据区；监控和诊断电源、电路的工作状态和用户程序中的语法错误；执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令并完成其功能；根据数据处理的结果刷新系统的输出。PLC采用的CPU芯片随机型不同而异，芯片的性能决定了PLC处理信号的能力和速度。
存储器主要用来存储程序和数据，分为系统程序存储器、用户程序存储器和系统RAM存储区。系统程序存储器用来存放系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用程序，是由生产厂家编写并固化在ROM内的，用户不能直接更改；用户程序存储器用来存放用户根据控制任务编写的控制程序，可以是RAM、EPROM或2EPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或删减；系统RAM存储区包括I/O映像区和系统软设备存储区，如逻辑线圈、定时器、计数器、数据寄存器和累加器等。（2）电源模块
电源模块将输入的交流电转换为CPU、存储器和I/O模块等需要的DC 5V工作电源，是整个PLC的能源供给中心，直接影响到PLC的功能和可靠性。电源模块还向外部提供DC 24V稳压电源，向传感器和其他模块供电。（3）信号模块
信号模块是PLC与工业现场连接的接口，包括输入（Input）模块和输出（Output）模块，简称为I/O模块。其中开关量输入、输出模块分别称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块分别称为AI模块和AO模块。输入模块用来接收和采集现场的输入信号，输出模块用来控制输出负载，同时它们还有电平转换和隔离作用，使不同的过程信号电平和PLC内部的信号电平相匹配。
开关量输入模块用来接收从按钮、数字开关、限位开关以及各种继电器等传送来的开关量输入信号，模拟量输入模块用来接收从电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电压电流信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、显示和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制变频器、电动调节阀等执行器。（4）功能模块
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，包括计数器模块、电动机定位模块以及闭环控制模块等。（5）通信处理模块
通信处理模块用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、ASI和工业以太网，或用于实现点对点连接等。（6）编程设备
编程设备包括编程器和编程软件两类。使用编程器可以进行程序的编制、编辑、调试和监控。简易型编程器只能联机编程，并且需要把梯形图转换成指令表才能输入。智能型编程器可以联机也可以脱机编程，可以直接输入梯形图，而且能通过屏幕对话。
使用编程软件可以在计算机上直接生成和编辑用户程序，并且可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。1.1.3 PLC的基本原理
PLC是一种工业控制计算机，其工作原理却与计算机有所不同。PLC最初是用于替代传统的继电器控制装置，但与继电器控制系统的工作原理也有很大区别。
1.PLC的工作原理
任何一个继电器控制系统从功能上都可以分为3部分：输入部分（按钮、开关、传感器等）、控制部分（继电器、接触器连接成的控制电路）以及输出部分（被控对象，如电动机、电磁阀、信号灯等）。这种系统是由导线硬连接起来实现控制程序的，称为硬程序。
PLC控制系统也分为3部分：输入部分、控制部分和输出部分，如图1-2所示。输入部分的作用是将现场输入信号送入PLC，再变成CPU能够接收的信号存入输入映像寄存器等待CPU输入采样，然后进入控制部分进行运算；输出部分的作用是将PLC的输出信号转存到输出映像寄存器等待输出刷新，才能驱动被控对象。PLC控制系统与继电器控制系统不同的地方主要是控制部分。图1-2 PLC的控制系统图
PLC控制系统的内部控制电路是由用户程序形成的，是按照程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出。PLC在执行用户程序时，根据程序从首地址开始自上而下、从左到右逐行扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器中读出有关元件的状态，根据指令执行相应的逻辑运算，把运算的结果写入对应的元件映像寄存器中保存，同时把输出状态写入对应的输出映像寄存器中保存。
用户程序用触点和线圈实现逻辑运算，基本逻辑电路如图1-3所示，逻辑运算关系表如表1-1所示。图1-3 基本逻辑电路a）逻辑与 b）逻辑或 c）逻辑非表1-1 逻辑运算关系表
2.PLC的工作方式
PLC的工作方式是从0000号存储地址存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束；然后再从头开始，并周而复始地执行整个用户程序，直到停机或从运行（RUN）工作状态切换为停止（STOP）工作状态，这种执行程序的工作方式称为周期循环扫描工作方式。扫描过程如图1-4所示。图1-4 扫描过程
3.PLC的工作状态
PLC有3种工作状态，即运行（RUN）状态、停止（STOP）状态和终端（TERM）状态。运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制和修改，不执行用户程序。显然两个不同的工作状态中要完成的扫描任务是不同的。
PLC处于RUN状态时执行用户程序，“RUN”LED亮。将CPU模块上的模式开关置于RUN位置时，PLC上电后自动进入RUN模式。
PC与PLC之间建立起通信连接后，若模式开关在RUN或TERM位置，可用编程软件中的命令改变CPU的工作模式。
PLC在RUN工作状态时，每扫描一次程序所需要的时间称为扫描周期，一般不超过100ms。指令执行所需要的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度有很大关系。PLC厂家会给出执行每条基本逻辑指令所需要的时间。
PLC处于STOP状态时不执行用户程序，此时用户可将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。
终端（TERM）模式与PLC的通信有关。
4.PLC的工作过程
图1-5为PLC的工作过程图。PLC上电或从STOP状态切换到RUN状态后，在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程就是按顺序循环扫描的过程。图1-5 PLC的工作过程图
1）初始化。PLC上电后首先进行系统初始化，包括清除内部存储区、复位定时器等。
2）CPU自诊断。PLC在每个扫描周期都要进入自诊断阶段，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查；定期复位监控定时器等，确保系统的稳定。
3）通信信息处理。在每个通信信息处理扫描阶段，PLC进行PLC之间、PLC与计算机之间的信息交换。
4）与外部设备交换信息。PLC与外部设备连接时，在每个扫描周期都要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色显示器和打印机等。
5）执行用户程序。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。在执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句处理的，扫描一条执行一条，并把运算处理结果存入输出映像区对应的位中。
6）输入、输出信息处理。PLC在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理，以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区，将运算处理后的结果存入输出映像区，直到传入外部被控设备。1.1.4 PLC的编程语言
PLC是一种工业计算机，国内外不同厂家，甚至不同型号的PLC都有自己的编程语言。目前，PLC常用的编程语言有梯形图编程语言、指令（语句）表编程语言以及顺序功能图编程语言等。
1.梯形图
梯形图编程语言简称为梯形图。梯形图与继电器控制电路图很相似，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合数字量逻辑控制系统，是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，用程序来代替继电器硬件逻辑连接。
梯形图由触点、线圈或指令框组成。触点代表逻辑输入条件，如外部的开关、按钮、传感器和内部条件等输入信号；线圈代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的输出信号（如指示灯、交流接触器和电磁阀等）和内部的标志位等；指令框用来表示定时器、计数器和数学运算等功能指令。
梯形图左、右的竖直线称为左右母线。梯形图从左母线开始，经过触点和线圈，终止于右母线。可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流到下一个元件；触点断开将阻止能量流过，这种能量流称为能流。实际上，梯形图是CPU效仿继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制元件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。
梯形图中，每个输出元素可以构成一个梯级，每个梯级由一个或多个支路组成，但最右边的元件只能是输出元件，且只能有一个。每个梯形图由一个或多个梯级组成。
梯形图编程语言形象、直观、实用，逻辑关系明确，是使用最多的PLC编程语言。
虽然PLC的梯形图与继电器控制电路图很相似，但是两种控制系统却有本质的区别，主要表现在以下几点。
1）组成器件不同。继电器控制系统是由许多硬件继电器组成的，而梯形图是由许多所谓的“软继电器”组成。这些“软继电器”实质上是存储器的触发器，“软继电器”的“通”和“断”状态也就是触发器置“0”或置“1”的状态，因此不存在电弧、磨损和接触不良等故障。
2）触点数量不同。硬继电器的触点数量是有限的，而梯形图中“软继电器”触点的通断是由对应的触发器的状态决定的，所以每只“软继电器”供编程使用的触点数是无限制的。
3）控制方法不同。在继电器控制系统中，实现各种逻辑控制关系和连锁关系是通过硬接线来解决的；而PLC是通过梯形图即软件编程解决的。
4）工作方式不同。继电器控制系统采用硬逻辑并行运行的方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，无论该继电器的触点在控制系统的哪个位置，也无论是常开触点还是常闭触点，该继电器的所有触点都会立即同时动作。PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，如果一个输出线圈和逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作，所以是串行方式。
2.指令表
指令表编程语言又称为语句表编程语言，它用一系列操作指令（即指令助记符）组成的指令表将控制流程描述出来。不同PLC厂家指令表所使用的指令助记符并不相同。
指令表是由若干条指令组成的程序，指令是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条指令来执行。PLC的指令表达形式与计算机的指令表达形式很相似，也是由操作码和操作数两部分组成的。操作码用指令助记符表示，用来说明要执行的功能，告诉CPU应该进行什么操作，如与、或、非等逻辑运算，加、减、乘、除等算术运算，计时、计数、移位等控制功能。操作数一般由标识符和参数组成，标识符表示操作数的类别，如表明输入继电器、输出继电器、定时器、计数器以及数据寄存器等；参数表明操作数的地址或一个预先设定值。
3.顺序功能图
对于一个复杂的控制系统，尤其是顺序控制系统，由于内部的联锁、互动关系极其复杂，用梯形图或指令表编程时梯形图往往数百行。如果在梯形图上不加注释，则梯形图的可读性将会大大降低。
顺序功能图常用来编制复杂的顺序控制类程序，这种功能图也为调试、试运行带来许多方便，它包含步、动作和转换3个要素。先把一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，即划分为以若干个顺序出现的步；步中包含控制输出的动作，根据一步到另一步的转换条件，再依照一定的顺序控制要求连接成整体的控制程序。
顺序功能图表达的顺序控制过程非常清晰，用于编程和故障诊断时更为有效，使PLC程序的结构更加易懂，特别适合生产制造过程。1.1.5 PLC的应用和发展
1.PLC的应用
近年来，随着PLC的成本下降和功能大大增强，同时，它也能解决复杂的计算和通信问题，因而应用面也日益增大。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保以及娱乐等行业。PLC的应用领域包括以下几个方面。（1）逻辑控制
逻辑控制是目前PLC应用最广泛的领域，它取代传统的继电器顺序控制。PLC应用于单机控制、多机群控制和生产自动线控制。例如：注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制
PLC制造商目前已经提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。大多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。（3）过程控制
PLC能控制大量的物理参数。例如：温度、压力、速度和流量。PID（Proportional-Integral-Derivative）模块的提供使PLC具有了闭环控制的功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。（4）数据处理
在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。国外FANUC公司推出的System10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。（5）工业网络通信
为了适应工厂自动化（FA）系统发展的需要，首先，必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，PLC数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。富士电机公司开发的MICREX-F系列就是一例。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。
2.PLC的发展（1）产品规模向大、小两个方向发展
出现了I/O点数达14336点的超大型PLC，使用32位微处理器，多CPU并行工作并具有大容量存储器，使PLC的扫描速度高速化。如三菱公司的A3H的顺序指令执行速度达到0.2～0.4μs。
小型PLC由整体结构向小型模块结构发展，增加了配置的灵活性。最小配置的I/O点数为8～16点，可以用来代替最小的继电器控制系统，如三菱公司FX系列PLC。（2）PLC向过程控制渗透与发展
微电子技术的迅速发展，大大加强了PLC的数学运算、数据处理、图形显示及联网通信等功能，使PLC得以向过程控制渗透和发展。（3）PLC加强了通信功能
为了满足柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）和工厂自动化（FA）的要求，近年来开发的PLC都加强了通信功能。（4）新器件和模块不断推出
为了满足工业自动化各种控制系统的需要，近年来，一些工业发达国家利用微电子学、大规模集成电路（LSI）等新技术成果，先后开发了不少新器件和模块。高档的PLC一般都采用多CPU以提高处理速度，用32位微处理器为CPU，使每条指令处理速度达0.5μs的PLC产品已不是少数。（5）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化
近年来，用配置相应软件的IBM-PC作为编程器。1984年，西屋公司首先推出以IBM便携式计算机改装成的NLPL-150型程序输入器，用来为该公司的Nema-Logic系列PLC编程。1985年6月，在英国首届PLC会议上，展出了世界上第一台光笔编程器。它可以在屏幕上画出标准的继电器控制电路图，从屏幕下部的菜单中选出元件，再把它移到屏幕的适当部位，画好后程序就编成了，并可转存到可编程序控制器中。（6）发展容错技术
一些国外公司为了推出高度或绝对可靠的系统，发展容错技术，采用冗余结构和采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。
1.2 S7-300PLC概述
1.2.1 西门子PLC系列产品德国西门子公司的PLC在国内外具有较高的市场占有率，其主要产品有S5、S7、C7、M7及WinAC等几个系列。其中，S7系列PLC于1994年面世，是西门子公司PLC市场的主流产品，分为SIMATIC S7-200、SIMATIC S7-300和SIMATIC S7-400几个子系列。
1.SIMATIC S7-200系列PLC
SIMATIC S7-200系列PLC是针对简单控制系统而设计的小型PLC，采用集成式、紧凑型结构，一般适用于I/O点数为100点左右的单机设备或小型应用系统。S7-200CN PLC是在SIMATIC S7-200 PLC的优良品质和卓越性能基础上专为中国用户开发的产品，于2005年12月16日在中国正式发布，具有与SIMATIC S7-200 PLC相同的功能及技术指标。典型的SIMATIC S7-200系列PLC如图1-6所示。
SIMATIC S7-200系列PLC的编程软件为STEP 7 MicroWin，STEP 7 MicroWin从V4.0SP6版本开始支持Vista系统，从V3.2开始即为多语言版本，可以通过“Option”选项直接选择中文界面。图1-6 典型SIMATIC S7-200系列PLC1—基本模块 2—扩展模块
2.SIMATIC S7-300系列PLC
SIMATIC S7-300系列PLC是针对中小型控制系统而设计的中型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为1000点左右的集中或分布式中小型控制系统。典型SIMATIC S7-300系列PLC系统如图1-7所示。图1-7 典型SIMATIC S7-300系列PLC系统1—负载电源（选项） 2—后备电池（CPU 313以上） 3—DC 24V连接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—前门
3.SIMATIC S7-400系列PLC
SIMATIC S7-400系列PLC是针对大中型控制系统而设计的大型PLC，采用模块化、无电风扇结构，一般适用于I/O点数为10000点左右的自动化控制系统。SIMATIC S7-400系列PLC还包括H（冗余）系统和F（故障安全）系统，如S7-400H PLC、S7-400F PLC等。典型SIMATIC S7-400系列PLC系统如图1-8所示。
SIMATIC S7-300/400系列PLC的编程软件为STEP 7，其中文最新版本为STEP 7 V5.5SP3，英文最新版本（多语言版）为STEP 7 V5.4 SP4及STEP 72006 Professional SR4。从STEP 7 V5.4 SP3开始提供了对Vista系统的支持。图1-8 典型SIMATIC S7-400系列PLC系统1—电源模块 2—后备电池 3—模式开关（钥匙操作） 4—存储器卡（MMC） 5—状态和故障LED 6—CPU模块1 7—有选项卡区的前连接器 8—信号模块 9—CPU模块2 10—IM接口模块 11—通信处理器1.2.2 S7-300 PLC的硬件组成
SIMATIC S7-300系列PLC采用配置灵活的模块化结构，SIMATIC S7-300系列PLC的逻辑结构如图1-9所示。系统以中央处理单元（CPU）为核心，通过背板总线（BUS）与输入信号模块、输出信号模块、功能模块、通信处理器模块、接口模块及其他模块共同组成完整的PLC应用系统。
1.机架（Rack）
机架用于安装和连接PLC的所有模块，CPU所在机架为主机架，如果主机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。
2.中央处理单元（CPU）
与一般计算机一样，中央处理单元（CPU）是PLC的核心，它按PLC系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：为背板总线提供5V电源；通过输入信号模块接收外部设备信息；存储、检查、校验和执行用户程序；通过输出信号模块送出控制信号；通过通信处理器或自身的通信接口与其他设备交换数据；进行故障诊断等。
S7-300系列PLC的CPU模块从CPU 312到CPU 319有20多种型号，CPU序号越高，其功能越强，技术指标主要区别在CPU的内存容量、数据处理速度、通信资源及编程资源（定时器、计数器的个数）等方面，按功能可分为6个子系列。图1-9 SIMATIC S7-300系列PLC的逻辑结构
1）紧凑型CPU，即CPU 31xC系列，其特征是CPU模块上集成有输入/输出点、高速计数器、脉冲输出及定位功能等，如CPU 312C、CPU 313C、CPU 313C-2PtP、CPU 313C-2DP、CPU 314C-2PtP、CPU 314C-2DP。
2）标准型CPU，即CPU 31x系列，如CPU 313、CPU 314、CPU 315、CPU 315-2DP、CPU 316-2DP。
3）革新型标准CPU具有与标准型CPU相同的系列表示，是标准CPU的技改产品，如CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP、CPU 317-2DP、CPU 318-2DP、CPU 319-2DP。
4）户外型CPU，如CPU 312 IFM、CPU 314 IFM、CPU 314（户外型）。
5）故障安全型CPU，如CPU 315F-2DP、CPU 315F-2PN/DP、CPU 317F-2DP、CPU319F-3PN/DP。
6）特种CPU，如CPU 317T-2DP、CPU 317-2 PN/DP。
3.输入信号模块（DI/AI）
输入信号模块主要负责接收现场设备的信息（如锅炉的温度、压力等）或控制设备的状态（如控制按钮的状态），并进行信号电平的转换，然后将转换结果传送到CPU进行处理。根据接收的信号类型，可以将输入信号模块分为数字量输入模块（DI）和模拟量输入模块（AI）。数字量输入模块（DI）只能接收高、低逻辑电平信号，如开关的接通与断开；模拟量输入模块（AI）可接收连续变化的模拟量信号，如温度传感器输出的DC 4～20mA电流信号。
数字量输入模块有8点、16点、32点和64点几种，可连接的外部输入信号电压等级有DC 24V、AC 120V、DC/AC 24/48V、DC 48～125V、AC 120/230V等多种，可根据信号类型进行选择。S7-300系列PLC的数字量输入模块型号以“SM 321”开头。例如，SM 321 DI16x DC 24V是一块额定输入电压为直流24V，具有16个输入点的数字量输入模块。
模拟量输入模块的转换精度有12位、13位、14位和16位等几种，有2通道、8通道和16通道，能接入热电阻、热电偶、DC 4～20mA或DC 0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号，可根据需要进行选择。S7-300系列PLC的模拟量输入模块型号以“SM331”开头。例如，SM 331 AI 2×12bit是一块转换精度为12位，具有两个模拟量输入通道的模拟量输入模块。
4.输出信号模块（DO/AO）
输出信号模块主要负责对CPU处理的结果进行电平转换并从PLC向外输出，然后驱动现场执行设备（如电磁阀、电动机等）或控制设备（如按钮、状态指示灯等）。根据输出的信号类型，可以将输出信号模块分为数字量输出信号模块（DO）和模拟量输出信号模块（AO）。数字量输出信号模块（DO）只能输出高、低变化的电平信号，使被控对象工作或停止工作，如控制电动机的起动和停机、指示灯的点亮和熄灭；模拟量输出信号模块（AO）可输出连续变化的模拟量电信号，使被控对象连续改变工作状态，如控制电磁阀的开度等。
数字量输出模块有8点、16点、32点和64点几种，有继电器（适用于感性及交流负载）、晶体管（适用于直流负载）和晶闸管（适用于交流及直流负载）3种输出形式，可连接的外部负载电压等级有DC 24V、AC 120V、DC/AC 24/48V、DC 48～125V、AC 120/230V、DC 120V、AC 230V等多种，可根据信号类型进行选择。S7-300系列PLC的数字量输出模块型号以“SM 322”开头。例如，SM 322 DO 8×Rel.AC 230V是一块额定负载电压为交流230V、具有8个输出点的继电器输出型数字量输出模块。
模拟量输出模块的转换精度有12位、13位和16位等几种，有2通道、4通道和8通道之分，可根据需要进行选择。S7-300系列PLC的模拟量输出模块型号以“SM 332”开头。例如，SM 332 AO 4×16bit是一个转换精度为16位、具有4个模拟量输出通道的模拟量输出模块。
5.电源模块（PS）
电源模块负责将外部电压变换成稳定的直流24V及5V电压，为PLC系统的所有模块提供工作电源。
S7-300 PLC的电源模块有输入为交流120V或230V、输出为直流24V的PS 3072A、PS 3075A、PS 30710A等标准电源模块。
6.通信处理器模块（CP）
通信模块负责扩展CPU的通信能力。当CPU自身提供的通信接口不能满足PLC与其他设备的通信需要时，可通过通信模块扩展相应的通信接口（如PROFIBUS DP分布式现场总线接口、PROFINET工业以太网接口等）并进行相应的通信处理。
S7-300系列PLC常用的通信处理器模块有：用于PtP连接的通信模块CP340、用于PtP连接的通信模块CP341、用于连接PROFINET工业以太网的通信模块CP343-1、用于AS-i接口的通信模块CP343-2、用于PROFIBUS DP的通信模块CP342-5、用于PROFIBUS FMS的通信模块CP343-5等。
7.接口模块（IM）
接口模块用来提高PLC系统扩展能力，当PLC系统规模不能满足控制要求时，可通过接口模块扩展新的机架从而安装并支持更多的信号模块。
S7-300 PLC有3种规格的接口模块：IM365、IM360、IM361。IM365接口模块专用于S7-300 PLC双机架系统扩展，IM360和IM361接口模块一般用于2～4个机架系统扩展。
8.功能模块（FM）
功能模块负责实现CPU不能实现的特殊功能，如高速计数、定位或闭环控制等。
S7-300系列PLC的功能模块有FM350-1高速单通道计数器模块、FM350-2高速8通道计数器模块、FM351快速进给和慢速驱动的双通道定位模块、FM352电子凸轮控制器模块、FM352-5高速布尔处理器模块、FM353单轴步进电动机定位控制模块、FM354单轴伺服电动机定位模块、FM355 PID控制器、FM355-2温度PID控制器、FM 357-2定位和连续通道控制模块、SM 338超声波位置探测模板、SM 338 SSI位置探测模板等。1.2.3 CPU的操作模式
1.操作模式
S7-300 PLC的CPU面板上都有一个模式选择开关，有些可通过一专用钥匙旋转控制。这些CPU般有3种工作模式（RUN、STOP、MRES）或4种工作模式（RUN、STOP、MRES、RUN-P）；另外一些则可直接上下滑动模式选择开关来控制，这些CPU一般有3种工作模式（RUN、STOP、MRES）。这些工作模式的意义如下。
1）RUN-P：可编程序运行模式。在此模式下，CPU不仅可以执行用户程序，在运行的同时还可以通过编程设备（如装有STEP 7的PG、装有STEP 7的计算机等）读出、修改、监控用户程序。在此位置钥匙不能拔出。
2）RUN：运行模式。在此模式下，CPU执行用户程序，还可以通过编程设备（如装有STEP 7的PG、装有STEP 7的计算机等）读出、监控用户程序，但不能修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙，以防止PLC在正常运行时被改变操作模式。
3）STOP：停机模式。在此模式下，CPU不执行用户程序，但可以通过编程设备（如装有STEP 7的PG、装有STEP 7的计算机等）从CPU读出或修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙，防止误操作。
4）MRES：存储器复位模式。该位置不能保持，当开关在此位置释放时将自动返回到STOP位置。将钥匙从STOP模式切换到MRES模式时，可复位存储器，使CPU回到初始状态。存储器一旦被复位，工作存储器、RAM装载存储器内的用户程序、数据区、地址区、定时器、计数器和数据块等将全部清除（包括有保持功能的元件），同时还会检测PLC硬件，初始化硬件和系统程序参数、系统参数，并将CPU或模块参数设置为默认值，但保留对MPI的设置。
如果CPU配置有微存储卡（Micro Memory Card，MMC），CPU在复位完成后，自动将存储卡内的用户程序和系统参数装入工作存储器。
MRES模式只有在程序错误、硬件参数错误、存储卡未插入等情况下才需要使用。当STOP指示灯以0.5Hz的频率闪烁时，表示PLC需要复位。复位操作步骤如下：将模式开关从STOP位置转换到MRES，STOP指示灯灭1s→亮1s→灭1s→常亮，释放开关使其回到STOP位置，然后再转换到MRES位置，STOP指示灯以2Hz的频率闪烁（表示正在对CPU复位）3s→常亮（表示已复位完成），此时可释放开关使其回到STOP位置，复位操作完成。
因为S7-300 PLC的CPU内部没有装载存储器，所以CPU必须插入一个微型存储卡（Micro Memory Card，MMC），其类型为非易失存储器（Flash Memory），否则无法工作。
2.状态指示灯
CPU面板上的信号灯用来显示CPU当前的状态或故障。各个信号灯的功能如下。
● SF（红色）：系统出错/故障指示，当CPU硬件故障或软件错误时亮。
● DF（红色）：总线出错指示灯（带DP接口的CPU）。
● BATT（红色）：电池故障指示，当电池失效或未被装入时亮。
● DC5V（绿色）：+5V电源指示，当CPU和S7-300 PLC总线的5V电源正常时亮。
● FRCE（黄色）：强制作业有效指示，至少有一个I/O在强制状态时亮。
● RUN（绿色）：运行状态指示灯，CPU处于RUN状态时亮；LED在STARTUP状态
以2Hz频率闪烁；在HOLD状态以0.5Hz频率闪烁。
● STOP（黄色）：停止状态指示灯，CPU处于STOP、HOLD或STARTUP状态时亮；在存储器复位时以0.5Hz频率闪烁；在存储器置位时以2Hz频率闪烁。
● BUSF（红色）：总线错误指示，PROFIBUS-DP接口硬件或软件故障时亮。集成有
DP接口的CPU才有此LED。1.2.4 S7-300 PLC的工作过程
1.PLC的工作过程
PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——周期性循环处理的顺序扫描工作方式。当S7-300系列PLC得电或从STOP模式切换到RUN模式时，CPU首先执行一次全启动操作，清除非保持位存储器、定时器和计数器，删除中断堆栈和块堆栈，复位所有的硬件中断和诊断中断等，并执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。然后，PLC进入周期性的循环扫描操作：CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描，PLC的工作流程如图1-10所示。CPU的循环操作包括3个主要部分。图1-10 PLC的工作流程（1）输入采样阶段
PLC在输入采样阶段检查输入信号的状态并刷新过程映像输入表（PII）。PLC首先扫描所有输入模块，并将各输入端子状态存入内存中对应的过程映像输入表。此时，过程映像输入表被刷新。在程序执行阶段和输出刷新阶段，过程映像输入表与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。（2）程序执行阶段
根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的步序对OB1的指令进行逐句扫描，当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址；当遇到子程序调用指令时，则执行子程序（FB、FC或SFB、SFC），子程序执行结束继续执行OB1的其他指令。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从过程映像输入表“读入”上一阶段采入的对应输入端子的状态，从元件寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态，然后进行相应的运算，运算结果再存入元件寄存器中。对元件寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行结果而变化。
程序执行阶段可以被某些事件（日期时间中断、硬件中断等）中断，并暂停OB1的执行，由操作系统直接调用与事件相关的其他组织块（OB）。当事件处理结束后，再继续执行OB1的程序指令。（3）输出刷新阶段
在输出刷新阶段，PLC把过程映像输出表（PIQ）的值写到输出模块。在所有指令执行完毕后，过程映像输出表（PIQ）中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段被转存到输出锁存器，通过一定方式输出并驱动外部负载。
2.PLC的循环扫描周期
循环扫描周期是指PLC执行一次循环扫描所用的时间。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。
3.出错处理
在PLC的每个扫描周期都要执行一次自诊断检查，以确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O以及通信等是否异常或出错。如检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP模式，所有的扫描停止。1.2.5 S7-300 PLC的模块安装
S7-300系列PLC采用模块化结构，所有模块均安装在标准机架（导轨）上，其机架标称长度有160mm、482mm、530mm、830mm、2000mm共5种规格，一个机架最多可以安装1个电源模块、1个CPU模块、1个接口模块及8个I/O模块（如信号模块、通信处理器模块、功能模块、占位模块、仿真模块等），可根据实际需要选择。机架可以采用水平方向安装，也可以采用竖直方向安装，S7-300 PLC机架的安装形式如图1-11所示。若采用水平方向安装，CPU和电源必须安装在左面。竖直安装时，CPU和电源必须安装在底部，必须保证下面的最小间距。
● 机架左右间距为20mm。
● 单层组态安装时，上下间距为40mm。
● 两层组态安装时，上下间距至少为80mm。图1-11 S7-300 PLC机架的安装形式
1.单机架安装
CPU 312、CPU 312C、CPU 312 IFM和CPU 313等只能使用一个机架，在该机架上除了电源模块、CPU模块和接口模块外，最多只能再安装8个信号模块、功能模块或通信模块。单机架上的电源模块总是装在最左边的槽位上、CPU模块总是安装在电源右边的槽位上、3～10号槽位则可以安装信号模块、功能模块或通信模块。
S7-300系列PLC电源模块不需要背板总线连接器，可直接将电源模块悬挂在导轨上，并靠左侧固定。其他模块都带有背板总线连接器，安装时需先将背板总线连接器装到CPU模块的背板上（如图1-12所示），然后将CPU模块安装在导轨上并向左靠紧，再向下转动模块（如图1-13所示），最后用螺钉将模块固定在导轨上（如图1-14所示）。按同样的方式依次将接口模块、I/O模块（信号模块、功能模块、通信模块及其他模块等）安装在导轨上。图1-12 在CPU模块上安装背板总线连接器图1-13 将CPU模块安装在导轨上图1-14 将模块固定在导轨上
2.多机架安装
CPU 314、CPU315及CPU 315-2DP等最多可以扩展4个机架，安装32个信号模块（含功能模块和通信模块），多机架的安装结构如图1-15所示。图1-15 多机架的安装结构
对于多个机架需利用接口模块IM 360/IM 361将S7-300 PLC的背板总线从一个机架连接到下一个机架。CPU模块总是安装在0号机架（主机架）的2号槽位上，1号槽位安装电源模块，3号槽位总是安装接口模块（如IM360），4～11号槽位可自由分配信号模块、功能模块和通信模块。需注意的是，槽位号是相对的，每个机架的导轨并不存在物理的槽位。
用于发送信号的接口模块IM360装在0号机架3号槽。通过368专用电缆将数据由IM360发送到IM361。IM360和IM361的最大距离为10m。IM360、IM361上有指示系统状态和故障的发光二极管。如果CPU不确认此机架，则LED闪烁，可能是连接电缆没接好或者是串行连接的IM360关掉了。
具有接收功能的接口模块IM361，用于S7-300 PLC机架1到机架3的扩展。通过368连接电缆，把数据从IM360接收到IM361，或者从一个IM361传到另一个IM361。IM361和IM361之间的最大距离也是10m。IM361不仅提供数据传输功能，还负责将24V直流电压转换为5V直流电压，给所在机架的背板总线提供直流5V电源，供电电流不超过1.2A，CPU 312 IFM不超过0.8A。所以，每个机架能安装的模块数量除了不能大于8块外，还要受到背板总线5V供电总电流的限制，即每个机架上各模块消耗的5V电源的电流之和应小于该机架最大的供电电流。
如果只扩展两个机架，可选用比较经济的IM365接口模块对，这一对接口模块由1m长的连接电缆相互连接，双机架的安装结构如图1-16所示。IM365可直接为扩展机架（ER）上的模块提供直流5V电源，此时，在两个机架上直流5V的总电流耗量限制在1.2A之内，且每个机架最大不能超过800mA。由于IM365不能给机架1提供通信总线，所以在机架1上只能安装信号模块，不能安装如通信模块之类的其他智能模块。图1-16 双机架的安装结构
3.连接电源线
连接电源线的步骤如下：打开PS 307电源模块及CPU模块的前盖→松开PS 307上的松紧件→将电源线剥开11mm，并连接到PS 307的L1、N和接地端子上→旋紧松紧件→将CPU电源线剥开11mm，将PS 307的端子M和L+连接到CPU的端子M和L+，连接电源线如图1-17所示。图1-17 连接电源线1.2.6 S7-300 PLC数字量信号模块的地址分配
S7-300 PLC信号模块的地址范围与模块所在机架号及槽位号有关，而具体的位地址则与信号线接在模块上的那个端子有关。根据机架上模块的类型，地址可以为输入（I）或输出（Q）。
对于数字I/O模块，从0号机架的4号槽位开始，每个槽位占用4字节（等于32个I/O点），数字量信号的默认地址如图1-18所示，每个数字量I/O点占用其中的1位。例如，假设在0号机架4号槽位上安装一个16点的数字量输入信号模块，则其地址为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7；如果0号机架5号槽位上安装一个32点的数字量输入模块，则其地址为I4.0～I4.7、I5.0～I5.7、I6.0～I6.7、I7.0～I7.7；如果0号机架6号槽位上安装一个32点的数字量输出模块，则其地址为Q8.0～Q8.7、Q9.0～Q9.7、Q10.0～Q10.7、Q11.0～Q11.7。图1-18 数字量信号的默认地址1.2.7 S7-300 PLC数字量信号模块的端子图
数字量信号模块用于接收现场的输入信号，数字量输出模块用于驱动现场的数字量负载，下面是几种常用的数字量信号模块的端子接线图。
1.数字量输入信号模块DI32的端子图
数字量输入信号模块SM321 DI32×DC24V的端子接线图和框图如图1-19所示。图中，①是通道号，②是状态显示，③是背板总线接口；1、11、21、31号端子是空的，20和40号端子是电源，负极接入。
2.数字量输出信号模块DI32的端子图
数字量输出信号模块SM322 DO32×DC24V/0.5A的端子接线图和框图如图1-20所示。图中，1、11、21、31号端子接24V电源正极，10、20、30、40号端子接24V电源负极，需要外部电源供电。
3.数字量输入/输出信号模块DI16/DO16的端子图
数字量输入/输出信号模块SM323 DI16/DO16×DC24V/0.5A的端子接线图和框图如图1-21所示。图中，左边为输入端子，1、10、11号端子是空的，20号端子是电源，负极接入；右边为输出端子，21、31号端子接24V电源正极，30、40号端子接24V电源负极，需要外部电源供电。图1-19 数字量输入信号模块SM321 DI32×DC24V的端子接线图和框图图1-20 数字量输出信号模块SM322 DO32×DC24V/0.5A的端子接线图和框图图1-21 数字量输出/输入信号模块SM323 DI16/DO16×DC24V/0.5A的端子接线图和框图
1.3 习题
1.什么是可编程序控制器？
2.PLC可以应用在哪些领域？
3.简述可编程序控制器的工作原理。
4.简述PLC与继电器控制在工作方式上的区别。
5.什么是循环周期扫描时间？
6.在PLC的梯形图中，同一编程元件的常开触点或常闭触点的使用次数有限制吗？为什么？
7.S7-300系列PLC的基本功能有哪些？
8.S7-300系列PLC主要由哪些模块组成？
9.说明PLC在扫描过程中，输入映像寄存器和输出映像寄存器的作用。
10.怎么分配S7-300系列PLC信号模块的地址？
11.一个控制系统需要16点数字量输入、16点数字量输出、4个模拟量输入和2个模拟量输出，选择合适的PLC输入/输出模块，并进行I/O地址分配。
12.S7-300系列PLC最多可以扩展几个机架？
13.S7-300系列PLC最多只能安装多少个信号模块、功能模块或通信模块？最多可以增加几个扩展机架？电源模块安装在中央机架的哪一边几号槽？CPU模块只能安装在几号槽？接口模块只能安装在几号槽？
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]