作者：陶权
出版社：机械工业出版社
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S7-300/400 PLC基础及工业网络控制技术试读：
前言
随着工业自动化技术和通信网络技术的飞速发展，PLC应用领域大大拓展，PLC技术已成为自动化行业核心应用技术。西门子S7-300／400 PLC是目前市场占有率极高的大中型PLC，在工业上应用广泛。
本书以S7-300／400 PLC机型为例，以工程应用为目的，以编程指令应用为主线，借助大量典型案例讲解PLC编程方法和技巧及工业网络控制技术；通过分析工艺控制要求，进行硬件配置和软件编程，系统调试与实施，由浅入深、循序渐进地讲解知识、训练技能，提升学生综合技术应用能力。
本书把S7-300／400 PLC相关内容整合成6个项目，每个项目又分成若干任务，共有16个任务，有些任务又细分成子任务；项目1讲解了西门子S7-300／400 PLC硬件认识及安装；项目2介绍了STEP 7编程软件和PLCSIM仿真软件的安装；项目3讲解了S7-300／400PLC程序设计及调试；项目4讲解了S7-300 PLC的MPI通信；项目5讲解了S7-300 PLC的PROFIBUS-DP通信；项目6介绍了工业以太网通信。每个任务均包括任务目标、任务描述、知识准备、任务实施、技能训练、巩固练习等内容。
本书特点如下。
1.案例丰富：以项目为载体，以任务为驱动，每个项目都通过几个案例具体实施，使学生能够深刻理解编程方法和指令使用。
2.强调实用：例如在工业网络控制部分，远程控制、信息采集、联网运行等是难点，本书并未在理论上夸夸其谈，而是通过具体案例来讲解，使读者容易理解工业网络控制应用。
3.图文并茂：理论精简，通俗易懂，并有大量图形，实用性强。
4.综合性强：工业网络控制部分内容涵盖了目前自动化技术的主流产品PLC、变频器、HMI和组态软件技术，案例中有大量PLC与周边设备综合应用的项目，着重培养学生系统综合集成的能力，突出学生创新能力提高。
本书由广西工业职业技术学院陶权教授编著，柳州自动化科学研究所所长刘文峰主审。在本书的编写过程中，参考了有关资料和文献，在此向相关的作者表示衷心的感谢。
由于编者水平有限和时间仓促，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。编者项目1 西门子S7-300／400 PLC硬件认识及安装【任务目标】
●学习S7-300／400 PLC硬件的基本知识。
●学习S7-300／400 PLC模块的特性和技术规范。
●训练硬件的选型。
●训练西门子S7-300／400 PLC模块的安装。【任务描述】
S7-300／400属于模块式PLC，机架（RACK）、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）等像积木一样一块一块地组合起来，要求各模块的安装要符合安装规范，在安装前要学习S7-300／400 PLC各种模块的基本知识、特性和技术规范。【知识准备】
西门子PLC系列产品包括小型PLC（S7-200）系列、中等性能系列（S7-300）和高性能系列（S7-400）。西门子S7家族产品价格与CPU性能趋势（PLC的I／O点数、运算速度、存储容量及网络功能）如图1-1所示。图1-1 价格与CPU性能趋势图任务1.1 S7-300系列PLC硬件系统的认识
S7-300属于模块式PLC，主要由机架（RACK）、电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）、接口模块（IM）等组成，图1-2所示是S7-300 PLC外形图，图1-3所示是S7-300 PLC结构图。S7-300系列PLC的模块都有名称，具有同样名称的模块根据接口名称和功能的不同，又有不同的规格，在PLC的硬件组态中，以订货号为准。图1-2 S7-300 PLC外形图1—电源模块 2—CPU模块 3—信号模块 4—机架图1-3 S7-300 PLC结构图
1.机架（RACK）
机架（包括导轨）由不锈钢制作，用于进行物理固定，如图1-4所示；有5种不同的长度规格，分别为160 mm、482 mm、530 mm、830 mm和2000 mm。图1-4 机架
2.电源模块（PS）
电源模块用于将220 V交流电转换为24 V直流电，电源模块的功能是为PLC的CPU提供24 V的直流电压，该电压既可作为某些模块的24 V工作电源，也可作为某些模块输入／输出端子的外接24 V直流电源。电源模块采用开关电源电路，开关电源的优点是效率高、稳压范围宽、输出电流大且体积小。
PS305电源模块由直流供电（24 V／46 V／72 V／96 V／110 V），如图1-5所示，电源模块的额定输出电流有2 A、5 A和10 A三种。电源模块的面板上有工作开关和状态指示灯，当电源过载时指示灯会闪烁。
PS307电源模块由交流供电，如图1-6所示，PS307电源模块输入电压为AC 120／230 V，输出电压为DC 24 V，根据输出电流不同，可分为2 A、5 A和10 A型。图1-6是PS3072A型的。图1-5 直流电源模块及面板图1-6 交流电源模块及面板
3.中央处理器单元（CPU）模块
S7-300的CPU型号很多，主要分为紧凑型、标准型、故障安全型和运动控制型等，各种型号的CPU模块有不同的性能，CPU模块面板上有状态指示灯、模式转换开关、24V电源端子、电池盒和存储卡插槽等。如图1-7所示。图1-7 CPU模块类型1—模式转换开关 2—MMC卡 3—状态指示 4—MPI通信口 5—DP通信口（1）紧凑型CPU
CPU313C、CPU314C集成了数字量和模拟量的I／O通道。
CPU313C-2DP集成了数字量输入／输出和一个PROFIBUS-DP的主站／从站通信接口。
CPU314C-2DP集成了数字量和模拟量输入／输出和一个PROFIBUS-DP的主站／从站通信接口。（2）标准型CPU
标准型CPU为模块式结构，未集成I／O功能，标准型CPU有CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU315-2PN／DP等。一个CPU315-2DP可处理8192个开关量（或512个模拟量）。（3）故障安全型CPU
故障安全型CPU适用于对安全要求极高的场合，它可在系统出现故障时立即进入安全模式，保证人与设备的安全；故障安全型CPU有CPU315F-2DP、CPU315F-2PN／DP、CPU317F-2DP、CPU317F-2PN／DP等。（4）运动控制型CPU
运动控制型CPU具有工艺／运动的控制功能，可满足机床应用的多任务自动化系统，运动控制型CPU有CPU315T-2DP、CPU317T-DP等。
4.S7-300PLCCPU模块操作
CPU314模式选择开关如图1-8所示。旧型号有4个位置，分别为RUN-P、RUN、STOP和MRES；新型号只有3个位置，分别为RUN、STOP和MRES。图1-8 CPU314模式选择开关示意图
1）RUN-P：可编程运行模式。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PC等）读出、修改和监控用户程序。
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读出、监控用户程序，但不能修改用户程序。
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PC等）从CPU中读出或修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙。
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。
5.CPU状态及故障显示
S7-300 PLC CPU状态及故障指示灯如图1-9所示。
1）SF（红色）：系统出错／故障指示灯。CPU硬件或软件错误时灯亮。
2）BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和CPU314配备）。当电池失效或未装入时，指示灯亮。
3）DC 5 V（绿色）：＋5 V电源指示灯。CPU和S7-300 PLC总线的5 V电源正常时亮。
4）FRCE（黄色）：强制有效指示灯。至少有一个I／O被强制状态时亮。
5）RUN（绿色）：运行状态指示灯。CPU处于“RUN”状态时亮；LED在“Startup”状态时以2 Hz频率闪烁；在“HOLD”状态时以0.5 Hz频率闪烁。
6）STOP（黄色）：停止状态指示灯。CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”状态时亮；在存储器复位时LED以0.5 Hz频率闪烁；在存储器置位时LED以2 Hz频率闪烁。
6.MMC卡
MMC卡如图1-10所示，MMC卡用来存储PLC程序和数据，无MMC卡的CPU模块是不能工作的，而CPU本身不带MMC卡，需另外购买。选用时，要求MMC卡容量应大于CPU的内存容量，以CPU312C为例，其内存为32 KB，选用的MMC卡最大容量为4 MB。图1-9 CPU状态及故障指示灯图1-10 CPU MMC卡
插拔MMC卡应在断电或STOP模式下进行，否则会使MMC卡内的程序和数据丢失，甚至损坏MMC卡。
7.信号模块（SM）
信号模块包括数字量和模拟量的I／O模块，它们作为PLC的过程输入和输出通道。信号模块主要有数字量输入模块（DI）SM321、数字量输出模块（DO）SM322、数字量输入／输出模块（DI／DO）SM323；模拟量输入模块（AI）SM331和模拟量输出模块（AO）SM332。模拟量输入模块可以输入热电偶、热电阻、DC 4～20 mA和DC 0～10 V等多种不同类型和不同量程的模拟量信号。信号模块通过背板总线将现场的过程信号传递给CPU。图1-11是信号模块及前连接器外形。（1）数字量输入模块（DI）SM321
SM321数字量输入模块有两种输入方式：直流输入和交流输入。根据输入方式和点数的不同，SM321又可分为多种类型，其类型在模块上有标注。SM321不同类型的内部结构与接线方式有一定的区别，图1-12、图1-13列出了两种典型的SM321面板、内部结构与接线方式。图1-11 信号模块及前连接器图1-12 DI32×DC 24 V型SM321模块内部电路及外端子接线图
图1-12中，当按下端子2外接开关时，直流24V电源产生电流注入端子2内部电路，给通道I0.0输入“1”信号，该信号经光电耦合→背板总线接口电路→模块外接的总线连接器→CPU模块，同时通道I0.0指示灯因有电流通过而点亮。图1-13 DI16×120／AC 230 V型SM321模块内部电路及外端子接线图（订货号：6ES7321-1FH00-0AA0）
图1-13中，当按下端子2外接开关时，交流120 V／230 V电源产生电流流入端子2→RC元件→光电耦合的发光管→桥式整流器→从端子1流出，回到交流电源，光耦合器导通，给背板总线接口输入一个信号，该信号通过背板总线接口到CPU模块，同时通道I0.0指示灯因有电流通过而点亮。（2）数字量输出模块（DO）SM322
数字量输出模块（DO）的功能是从PLC输出“1”、“0”信号（开、关信号）。
数字量输出模块有3种输出类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。
继电器输出型模块既可驱动直流负载也可驱动交流负载，其导通电阻小，过载能力强，但响应速度慢，不适宜动作频繁的场合；晶体管输出型模块只能驱动直流负载，过载能力差，响应速度快，利用高速计数器时必须用晶体管输出型模块；晶闸管输出型模块只能驱动交流负载，过载能力差，响应速度快。
SM322模块种类很多，图1-14、图1-15列出了两种典型的SM322面板、内部结构与接线方式。
图1-14为32点晶体管输出型SM322模块，该类型模块有40个接线端子，其中32个端子定义为输出端子。当CPU模块内部的Q0.0＝1时，CPU模块通过背板总线将该值送到SM322的总线接口电路，接口电路输出电压使光耦合器导通，进而使Q0.0端子所对应的晶体管（图中带三角形的符号）导通，有电流流过Q0.0端子外接的线圈，电流途径是24 V＋→lL＋端子→晶体管器件→端子→24 V-。通电线圈产生磁场使有关触点产生动作。
图1-15为16点晶闸管输出型SM322模块，该类型模块有20个接线端子，16个端子定义为输出端子。当CPU模块内部的Q0.0＝1时，CPU模块通过背板总线将该值送到SM322内的接口电路，接口电路输出电压使晶闸管型光耦合器导通，进而使端子Q0.0所对应的双向晶闸管导通，有电流流过Q0.0端子外接的线圈，电流途径是：交流电源端→L1→熔断器→双向晶闸管→端子2→线圈→交流电源另一端，通电线圈产生磁场使有关触点产生动作。如果L1端子内部熔断器开路，其内部所对应的光耦合器截止，SF指示灯因正极电压升高而导通发光，指示Q0.0通道存在故障。图1-14 32点晶体管输出型SM322模块内部电路及外端子接线图（订货号：6ES7322-1BL00-0AA0）图1-15 16点晶闸管输出型SM322模块内部电路及外端子接线图（订货号：6ES7322-1FH00-0AA0）
图1-16为16点继电器输出型SM322模块，该类型模块有20个接线端子。当CPU模块内部的Q0.0＝1时，CPU模块通过背板总线将该值送到SM322的总线接口电路，接口电路输出电压使光耦合器导通，继电器线圈通电，线圈产生磁场使触点闭合，有电流流过Q0.0端子外接的线圈，电流途径是：交流或直流电源一端→Q0.0端子外接的线圈→端子2→内部触点→端子1→交流或直流电源另一端。图1-16 16点继电器输出型SM322模块内部电路及外端子接线图（3）数字量输入／输出模块（DI／DO）SM323
SM323模块是一个有输入／输出功能的数字量模块，它分为16点输入／16点输出和8点输入／8点输出两种类型，如图1-17a所示是8点输入／8点输出端子图。图1-17b所示是16点输入／16点输出端子图。
8.功能模块（FM）
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求较高的特殊控制任务，例如计数器模块、快速／慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块和超声波位置解码器等，如图1-18所示。图1-17 数字量输入／输出模块a）8输入／8输出模块内部电路及外端子接线图 b）16输入／16输出模块内部电路及外端子接线图图1-18 各种功能模块
9.通信模块（CP）
通信模块用于PLC与PLC之间、PLC与计算机之间、PLC与其他智能设备之间的通信，它可以将PLC连入PROFIBUS现场总线、AS-i现场总线和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信模块可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。
用于PROFIBUS-DP网络的CP342-5和用于工业以太网的CP343-1如图1-19所示。
10.接口模块（IM）
CPU所在的机架称为主（中央）机架（CR），如果一个主机架不能容纳系统的所有模块，则可以增设一个或多个扩展机架（ER）；接口模块用于组成多机架系统时连接主机架和扩展机架，如图1-20所示。S7-300系列PLC通过1个主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信模块（需要相应的CPU支持）。图1-19 通信模块（CP）图1-20 接口模块
IM365用于配置1个主机架和1个扩展机架；两个机架之间带有固定的连接电缆，长度为1 m。
IM360和IM361用于配置1个主机架和3个扩展机架，IM360连接在主机架，IM361装在扩展机架上，两个机架之间的最大距离为10 m。如图1-21是主机架和扩展机架连接图。
11.S7-300部件安装
S7-300安装部件及功能见表1-1，主机架和扩展机架连接如图1-22所示。
电源为1号槽，CPU安装在电源的右面，为2号槽，接口模块安装在CPU的右面，为3号槽。每个机架最多安装8个I／O模块（信号模块、功能模块、通信模块），最大扩展能力为32个模块；对紧凑型CPU31xC，不能在机架3的最后一个槽位插入I／O 8模块，该槽位的地址已经分配给CPU集成的I／O端口。图1-21 主机架和扩展机架连接图表1-1 S7-300安装部件及功能图1-22 主机架和扩展机架连接
如图1-23是STEP 7编程软件中的模块总览图，进行硬件组态时需用到。图1-23 STEP 7软件模块总览图任务1.2 S7-400系列PLC硬件系统的认识
1.S7-400系列PLC结构
S7-400是S7系列PLC中等性能最好、功能最强、扩展性最好的PLC产品，可以满足绝大多数工业自动化控制要求。与S7-300 PLC一样，S7-400 PLC也属于模块式PLC，主要由CPU模块、电源模块、I／O模块、通信模块和功能模块等组成，将这些模块安装在S7-400 PLC专用机架上，依靠机架上自带的总线连为一体。图1-24列出两种S7-400 PLC硬件实物图。图1-24 S7-400 PLC硬件实物图
S7-400可以根据需要，选择不同的模块组成一个PLC控制系统。图1-25是一个典型的包含了多种模块的S7-400 PLC硬件系统，该系统由1个电源模块、多个CPU模块、多个I／O模块、多个通信模块和1个IM接口模块组成。
2.S7-400系列PLC分类
S7-400 PLC有3大类：标准S7-400 PLC、S7-400 H硬件冗余系统和S7-400 F／FH系统。
标准S7-400 PLC广泛适用于过程工业和制造业，具有大数据量的处理能力，能协调整个生产系统，支持等时模式，可灵活、自由地进行系统扩展，支持带电热插拔，具有不停机添加／修改分布式I／O等特点。图1-25 S7-400 PLC硬件系统1—电源模块 2—备用电源模块 3—模式开关 4—指示灯 5—存储卡 6—前连接器 7—CPU1 8—CPU2 9—扩展模块 10—I／O模块 11—IM接口模块
S7-400 H硬件冗余系统非常适用于过程工业，可降低故障停机成本，具有双机热备份，避免停机；可无人值守运行，且双CPU切换时间低于100 ms，同时还有先进的事件同步冗余机制。
S7-400 F／FH系统是基于S7-400 H硬件冗余系统的，实现了对人身、机器和环境的最高安全性，符合IEC61508 SIL3安全规范，标准程序与故障安全程序在CPU中同时运行。
1）CPU412-1、CPU412-2和CPU412-2PN适用于中等性能范围的小型自动化系统。
2）CPU414-2、CPU414-3和CPU412-3PN／DP适用于中等性能范围的小型自动化系统，它满足对程序规模和指令处理速度及通信要求高的场合。
3.S7-400PLC硬件组成
S7-400 PLC的模块安装在一个称为单机架S7-400 PLC的系统中，图1-26所示为一种单机架S7-400 PLC硬件系统，系统采用了具有18个插槽的机架，安装了电源模块、CPU模块和其他模块（I／O模块、接口模块、功能模块和通信模块等），单机架系统必须安装电源模块和CPU模块，其他模块可根据需要安装，如图1-27所示。（1）机架
机架上已含有背板总线，模块安装在机架上后，机架上的总线会将各模块连接起来。为各模块提供电源。S7-400 PLC有7种类型的机架，分别是UR1、UR2、ER1、ER2、CR2、CR3和CR2-H。（2）电源
S7-400 PLC电源模块的功能是通过背板总线为机架中的其他模块提供工作电压，S7-400电源模块有PS405和PS407两种类型，每种类型又分为标准型和冗余型，当S7-400的供电系统稳定性较差时，建议使用冗余型电源模块。
S7-400标准型电源模块分为4 A、10 A和20 A，冗余型电源模块只有10 A系列。
S7-400各种电源模块的面板大同小异，区别主要是有的电源模块只能安装一个备用电池，有的电源模块可以安装两个备用电池。S7-400电源模块的外形与面板如图1-28所示。图1-26 单机架S7-400硬件系统图1-27 S7-400 PLC硬件安装示意图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]