作者：郑长山
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
PLC应用技术图解项目化教程：西门子S7-300试读：
前言
在我国现代工业应用中，西门子S7-300PLC被广泛使用，市场占有率高。如何高效轻松地学习S7-300PLC应用技术已成为很多PLC学习者面临的迫切问题。
本人作为高校教师，经过多年教学实践发现，以项目化方式讲解西门子S7-300PLC应用技术，课堂学习达成度高，技术掌握有针对性，随学随用，效果甚佳。目前，有关西门子S7-300PLC应用技术的学习用书中，以项目化统领知识讲解的教材极少，这给实际教学和自学带来很大不便。鉴于此，本人决定选取典型项目，以图解标注的方式，进行本书的编写。
本书从PLC应用能力要求和实际工作的需求出发，在结构和组织方面大胆突破，根据项目提取学习目标，通过设计不同的项目，巧妙地将知识点和技能训练融于各个项目中。各个项目按照知识点与技能要求循序渐进，由简单到复杂进行编排，每个项目均通过“项目要求”、“学习目标”、“相关知识”、“项目解决步骤”、“巩固练习”等环节详解项目知识点和操作步骤。相关知识学习与技能提高贯穿于整个项目之中，真正实现了“知能合一”的学习效果。
本书与同类学习用书相比具有以下创新点：
1．选取典型项目，项目化讲解，强调技术应用。
本书内容全部根据知识目标和能力目标精选典型项目进行讲解。为确保程序的正确性，书中程序均运行调试过。
2．项目解决步骤采用图片讲解，标注详细，直观易学。
本书强调动手实践，学习者可以通过学习书中的项目，按照解决步骤分步操作，从而达成学习目标。步骤讲解以图片解说形式呈现，编者在图片上还进行了详细文字标注。这一方式可以变枯燥地学为有兴趣地学。学生一边看书一边用STEP7编程软件、PLCSIM仿真软件、WinCC监控软件及S7-300 PLC等进行操作，能轻松快速地掌握PLC基本应用技术。
3．项目由简单到复杂，符合认知规律。
本书在编排项目时，注重循序渐进，从简单项目1“认识PLC”到复杂的项目19“一主二从的PROFIBUS DP通信”，难度从易到难，符合认知规律。
4．知识与技能有机结合
本书遵循“学中做，做中学”的讲解思路，按照项目解决步骤详解整个实践操作过程，还将相关知识、编程原则、注意事项等穿插于整本书中，使知识与技能有机结合。
5．在本书部分项目中，学习WinCC监控与调试，学习两地控制，对PLC学习者来说，既可激发对PLC学习的兴趣，也学习了WinCC知识。
WinCC监控与调试在PLC工程项目中应用十分广泛。本书在部分项目讲解中，通过PLC与WinCC的有机结合，与工业实际应用实现“无缝对接”，同时，WinCC本身形象的画面、两地控制等功能，也将极大激发学习兴趣。
本书可作为高等院校和职业学校自动化、机电一体化、应用电子及机电维修等相关专业的教材，也可作为成人教育及企业培训教材，还可作为从事PLC技术工作的工程技术人员自学用书。
由于作者水平有限，书中难免有错漏之处，恳请广大读者批评指正。对本书的意见和建议请发电子邮件至zhengchangs@126.com。作者2014年3月项目1认识PLC1.1项目要求及学习目标
1．在理解基础上掌握PLC定义、西门子PLC外形。
2．在理解基础上掌握PLC的主要特点、各种功能及其分类。
3．了解PLC的产生，在理解基础上掌握PLC应用范围及未来发展方向。
4．掌握PLC技术的学习方法。1.2相关知识1.2.1 PLC发展史1．PLC的定义
可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。但由于PC容易和个人计算机PC（Personal Computer）混淆，故人们习惯用PLC作为可编程序控制器的缩写。PLC是英文Programmable Logic Controller的缩写。可编程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。2．PLC的产生
在20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。随着生产的发展、人们要求的提高，汽车型号更新的周期越来越短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，既浪费时间又费工费料，甚至延长了更新的周期。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，要求编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化结构等。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，并获得成功。
早期的可编程序控制器称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。为了控制机器和生产过程，人们又为PLC增加了功能，比如顺序、时间、计数和算术、模拟量控制等，目前PLC已经广泛应用在复杂的自动化生产和控制行业中。
1971年，日本从美国引进了这项技术，很快研制出日本第一台PLC。1973年西欧国家也研制出他们的第一台PLC。中国从1974年开始研制，于1977年开始投入工业应用。3．PLC的外形
西门子PLC家族产品的外形，根据I/O点数、运算速度、存储容量及网络功能趋势如图1-1所示。图1-1 S7家族PLC1.2.2 PLC的主要特点1．可靠性高，抗干扰能力强
PLC控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路完成的，因触点接触不良等原因造成的故障大大减少。
硬件方面选用了优质器件，采用合理的系统结构，加固、简化安装，使它能抗振动冲击。对印制电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，做到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。
软件方面，PLC具有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。PLC设置了看门狗定时器（Watching Dog Timer），如果程序执行的时间超过了规定值，则表明程序已经进入死循环，可以立即报警。
对于大型PLC系统，还可以采用双CPU构成冗余系统或三CPU构成表决系统，使系统的可靠性更进一步提高。2．编程简单易学
PLC的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言既继承了传统继电器控制线路的表达形式（如线圈、接点、常开、常闭），又考虑到工业企业中的电气技术人员读图习惯和微机应用水平。因此，梯形图语言对于企业中熟悉继电器控制线路图的电气工程技术人员来说是非常亲切的，它形象、直观，简单、易学。因此，无论是在生产线的设计中，还是在传统设备的改造中，电气工程技术人员都特别欢迎和愿意使用PLC。3．硬件配套齐全，用户使用方便、维护方便
PLC的产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品质齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活、方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
在生产工艺流程改变或生产线设备更新或系统控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，一般不必改变或很少改变I/O通道的外部接线，只要改变存储器中的控制程序即可，这在传统的继电器控制时期是很难想象的。PLC的输入、输出端子可直接与交流220V、直流24V等规格的电源相连，并有较强的带负载能力。
编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，根据PLC输入/输出LED指示灯提供的信息，可以快速查明问题原因，根据原因进行修理，如果是S7-300 PLC本身故障，在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可，既方便又快捷。4．设计、施工、调试周期短
用PLC完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再用PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。5．体积小，能耗低
PLC的结构紧凑、体积小、重量轻，复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器。小型PLC体积仅相当于几个继电器的大小。PLC控制系统与继电器控制系统相比，配线用量和安装接线所需工时减少，加上开关柜体积的缩小，可以减少大量的费用。6．功能强，性价比高
一台小型PLC有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与实现相同功能的继电器接触器控制系统相比，具有很高的性价比。1.2.3 PLC的主要功能1．顺序逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，控制机械运动部件进行相应的操作。2．运动控制
很多PLC制造厂家已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板。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模板，模板移动一轴或数个轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。这一功能目前已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等应用中。3．定时控制
PLC为用户提供了一定数量的定时器，一般每个定时器可实现0.1秒～999.9秒或0.01秒～99.99秒的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。定时精度高，定时设定方便、灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。4．计数控制
PLC为用户提供的计数器分为普通计数器、可逆计数器、高速计数器等，用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。5．步进控制
PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能。在一道工序完成之后，自动进行下一道工序。一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。6．数据处理
大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如F2系列、C系列、S5系列PLC等，能完成数据运算（如：加、减、乘、除、乘方、开方等），逻辑运算（如：字与、字或、字异或、求反等），移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。7．过程控制
PLC可以接收温度、压力、流量等连续变化的模拟量，通过模拟量I/O模块，实现模拟量和数字量之间的转换，并对被控模拟量实行闭环PID控制。8．通信及联网
目前绝大多数PLC都具备了通信能力，把PLC作为下位机，与上位机或同级的PLC进行通信，可完成信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是工厂自动化的理想控制器。1.2.4 PLC的分类、应用及发展1．根据I/O点数分类
PLC的输入/输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号、向外部发出多少个输出信号，实际上就是PLC的输入/输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为微型机（I/O点数为64点以下，内存容量为256B～1KB）、小型机（I/O点数为65～128点，内存容量为1～3.6KB）、中型机（I/O点数为129～512点，内存容量为3.6～13KB）、大型机（I/O点数为513～896点，内存容量为13KB）和巨型机（I/O点数大于896点，内存容量大于13KB）。一般来说，点数多的PLC，功能也相应较强。
上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的发展，划分标准也会修改。2．根据结构形式分类（1）整体式PLC
一般的微型机和小型机多为整体式结构。这种结构PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印制电路板上。如图1-2所示的西门子公司的S7-200PLC即是整体式PLC。图1-2 S7 224XP CPU整体式PLC面板结构图
它的优点：结构紧凑、体积小、成本低、重量轻、容易装配在工业控制设备内部，比较适合设备单机控制。缺点：输入/输出点数是固定的，使用不够灵活，维修也较麻烦。（2）模板式PLC
各部分以单独的模板分开设置，如电源模板、CPU模板、输入模板、输出模板及其他智能模板等。S7-300 PLC为串行连接，没有底板，各个模板安装在机架（导轨）上，而各个模板之间是通过背板总线连接的。这种结构的PLC配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。模板式PLC的缺点是结构较复杂，体积比较大各种插件多，因而增加了造价。S7-300 PLC种类很多，任选一种如图1-3所示。图1-3 S7-300 PLC外形
它的优点：配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展。3．根据生产厂家分类（1）德国西门子（SIEMENS）公司的S5系列、S7系列。（2）日本欧姆龙（OMRON）公司的C系列。（3）三菱（MITSUBISHI）公司的FX系列。（4）日本松下（PANASONIC）公司的FP系列。（5）法国施耐德（SCHNEIDER）公司的TWIDO系列。（6）美国通用电气（GE）公司的GE-FANUC系列。（7）美国AB公司的PLC-5系列。
在全世界约200家可编程控制器生产厂商中，美国的AB公司、GE-FANUC公司、德国的SIEMENS公司、法国的SCHNEIDER MODICON公司、日本的MITSUBISHI公司和OMRON公司的产品占据了60％的市场份额。
从市场份额来看，第一位是SIEMENS公司，约占有30％的市场份额；第二位是AB公司，约占有18％的市场份额；第三位是SCHNEIDER，约占有12％的市场份额。剩下的被包括OMRON等近200余家PLC厂商占领。
按市场占有率排序，一流厂商包括：SIEMENS，AB，SCHNEIDER MODICON，GE-FANUC；二流厂商包括：MITSUBISHI，OMRON，PANASONIC和FUJITON；三流厂商包括：LG和台达等。4．PLC的应用范围
PLC控制技术代表了当今电气控制技术的世界先进水平，它与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）、工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。
作为一种通用的工业控制器，PLC可用于所有的工业领域。当前国内外已广泛地将PLC成功地应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、采矿、建材、食品、造纸、军工、家电等各个领域，并且取得了相当可观的技术经济效益。5．PLC的发展趋势（1）系列化、模板化
每个生产PLC的厂家几乎都有自己的系列化产品，同一系列的产品指令向上兼容，以便扩展设备容量，满足新机型的推广和使用。要形成自己的系列化产品，与其他PLC生产厂家竞争，就必然要开发各种模板，使系统的构成更加灵活、方便。一般的PLC可分为主模板、扩展模板、I/O模板以及各种智能模板等，每种模板的体积都较小，相互连接方便，使用更简单，通用性更强。（2）小型机功能强化
从可编程控制器出现以来，小型机的发展速度大大高于中、大型PLC。随着微电子技术的进一步发展，PLC的结构必将更为紧凑，体积更小，而安装和使用更为方便。有的小型机只有手掌大小，很容易用其制成机电一体化产品。有的小型机的I/O可以以点为单位由用户配置、更换或维修。很多小型机不仅有开关量I/O，还有模拟量I/O、高速计数器、高速直接输出和PWM输出等。小型机一般都有通信功能，可联网运行。（3）中、大型机高速度、高功能、大容量
现在对中、大型机处理数据的速度要求越来越高，OMRON公司的CV系列，每条基本指令的扫描时间为0.125微秒。而SIEMENS公司的TI555采用了多微处理器，每条基本指令的扫描时间为0.068微秒。
所谓高功能是指具有函数运算和浮点运算，数据处理和文字处理、队列、矩阵运算，PID运算及超前、滞后补偿，多段斜坡曲线生成，处方、配方、批处理，菜单组合的报警模板，故障搜索、自诊断等功能。
在存储器的容量上，OMRON公司的CV系列PLC的用户存储器容量为64K字，数据存储器容量为24K字，文件存储器容量为1M字。（4）低成本
随着新型器件的不断涌现，主要部件成本的不断下降，人们在大幅度提高PLC功能的同时，也大幅度降低了PLC的成本。同时，价格的不断降低，也使PLC真正成为继电器的替代物。（5）多功能
PLC的功能不断加强，以适应各种控制需要。同时，计算、处理功能的进一步完善，使PLC可以代替计算机进行管理、监控。智能I/O组件也将进一步发展，用来完成各种专门的任务（如：位置控制、温度控制、中断控制、PID调节、远程通信、音响输出等）。（6）网络通信功能
PLC可以不再是一个孤岛，网络化和增强通信能力是PLC的一个重要发展趋势。很多工业控制产品（例如变频器）可以与PLC通信，PLC与PLC之间可以通信，通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，信息可以传送到几十公里远的地方，通过Modem和互联网可以与世界上其他地方的计算机装置通信。
组态软件引发的上位计算机编程革命，使上位计算机与PLC交换数据信息很容易实现，节约了设计时间，提高了系统可靠性，使工作人员可以直观地监控到系统运行状态。组态软件有WinCC、Intouch、Fix、组态王、力控等。（7）外部诊断功能
在PLC控制系统中，80％的故障发生在外围，能快速准确地诊断故障将极大减少维护时间。1.2.5 PLC技术的学习方法
PLC技术是一门强调实践的课程，如果不动手，只是看书，是不能学好PLC的。看十遍书，不如动一次手。所以学习PLC的过程就是实践、实践、再实践。学习者边学边做本书全部项目，完成每个项目后的巩固练习，当然课前预习、课后复习也必不可少。1.3项目解决步骤
步骤1讲述PLC定义。
步骤2讲述可编程控制器是如何产生的。
步骤3讲述PLC特点及功能。
步骤4举例说明PLC分类、应用范围及未来PLC发展方向。
步骤5讲述PLC技术的学习方法。巩固练习一
1．可编程控制器是如何产生的？
2．整体式PLC与模板式PLC各有什么特点？
3．可编程控制器如何分类？
4．说明当代可编程控制器的发展动向是什么？
5．上网查找PLC用途的图片和视频，并附上简短文字，用于课堂交流。
6．上网查找市场上出售较多的品牌PLC，并搜集这些品牌PLC的图片，制作成PPT，用于课堂交流。项目2典型S7-300 PLC硬件控制系统安装2.1项目要求及学习目标
1．理解并能掌握中央处理器CPU的功能。
2．掌握典型S7-300 PLC硬件外观结构图、CPU的功能及模板种类。
3．掌握信号模板、电源模板、编程器的功能及应用。
4．了解智能I/O接口、通信接口、HMI及S7-300 PLC结构特点。
5．能独立操作完成典型S7-300 PLC硬件安装过程。
6．掌握典型S7-300 PLC的硬件安装及注意事项。2.2相关知识2.2.1 S7-300 PLC的硬件结构
S7-300系列的PLC是中型模板式PLC，各种模板（CPU模板、信号模板SM、功能模板FM、通信模板CP、电源模板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。
典型S7-300模板式PLC的硬件外观结构如图2-1所示。图2-1 典型S7-300模板式PLC的硬件外观结构
基于模板化结构设计的S7-300 PLC系列安装结构如图2-2所示。背板总线集成在模板上，除了电源模板，其他模板之间通过总线连接器相连。图2-2 S7-300 PLC系列安装结构2.2.2 CPU模板种类1．中央处理器CPU的功能（1）接收与存储用户由编程器输入的用户程序和数据。（2）检查编程过程中的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障。（3）用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中。（4）在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作。（5）根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。
S7-300有各种型号的CPU，适用于不同等级的控制要求，有的CPU模板集成了数字量I/O，有的同时集成了数字量的I/O和模拟量I/O。
CPU内的元件封装在一个精致的塑料壳内，面板上有状态和故障LED指示灯、模式选择开关和通信接口（参见图2-3）。微存储卡插槽可以插入容量多达数兆字节的微存储卡（MMC），用于断电后程序和数据的保存。MMC卡是CPU的装载存储器，程序和数据下载后保存在MMC卡内。2．CPU模板分类（1）紧凑型CPU系列
S7-31xC有6种紧凑型CPU：CPU312C、CPU313C、CPU313C-2PtP、CPU313C-2DP、CPU314C-2PtP、CPU314C-2DP。它们均集成了数字量输入和输出，有的集成了模拟量的输入和输出，还有些集成了高速计数、频率测量、脉冲输出、闭环控制和定位等技术功能，脉宽调制频率最高为2.5kHz。CPU运行时需要微存储卡。型号中带2DP的CPU有一个MPI接口和一个DP接口，型号中带2PtP的CPU表示有一个MPI接口和一个点对点串行通信接口。（2）标准型CPU系列
标准型CPU包括CPU312、CPU314、CPU315-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU317-2DP、CPU317-2PN/DP和CPU319-3 PN/DP。型号中带有PN/DP的CPU有一个PROFINET接口和一个MPI/DP接口。（3）技术功能型CPU系列
CPU315T-2DP和CPU317T-2DP有极高的处理速度，用于对PLC性能以及运动控制功能具有较高要求的设备。除了准确的单轴定位功能外，上述两款CPU还适用于复杂的同步运动控制，一个通信接口是DP/MPI接口，另一个DP接口用于连接带PROFIBUS接口的驱动系统。技术功能型CPU还有本机集成的4点数字量输入和8点数字量输出，使用标准的编程语言编程，无需专用的运动控制语言。（4）故障安全型CPU系列
故障安全型CPU包括CPU315F-2DP、CPU315F-2PN/DP、CPU317F-2DP和CPU317F-2PN/DP。它们用于组成故障安全型自动化系统，以满足安全运行的需要，使用内置的DP接口和PROFIsafe协议，可以在标准数据报文中传输带有安全功能的用户数据。不需要对故障安全I/O进行额外的布线，就可以实现与故障安全有关的通信。（5）SIPLUS户外型CPU
SIPLUS CPU包括SIPLUS紧凑型CPU、SIPLUS标准型CPU和SIPLUS故障安全型CPU。这些模块可以在环境温度-25～＋70℃和含有有害气体的环境中运行。
CPU 31xC系列的CPU模板的结构图如图2-3所示。图2-3 CPU模板的结构3．常用S7-300 CPU模板的主要特性
常用S7-300 CPU模板的主要特性如表2-1所示。表2-1 常用S7-300 CPU模板的主要特性4．CPU模式选择开关（1）RUN-P位置：CPU不仅执行用户程序，在运行时还可以通过编程软件读出和修改用户程序以及改变运行方式。仿真软件PLCSIM的仿真CPU也有RUN-P模式，某些监控功能只能在RUN-P模式进行。（2）RUN位置：CPU执行用户程序，可以通过编程软件读出用户程序，但不能修改用户程序。（3）STOP位置：不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序。（4）MRES位置：复位存储器位置。MRES键按下后不能保持，会弹回来。5．复位存储器（MRES）的操作步骤
将模式选择开关拨到MRES并保持（按住不松手），直到STOP指示灯第二次亮起并持续点亮，再释放模式选择开关，在3秒内，将模式选择开关拨回到MRES，STOP指示灯开始快速闪烁，表示正在执行复位，当STOP指示灯再次恢复常亮时，CPU存储器复位完成。
对于新型免维护S7-300 PLC，使用模式选择开关MRES无法删除MMC中的数据，只能删除工作存储器中内容，并复位所有的M、T、C和DB块中的实际值。
新型CPU是免维护的，用户程序保存在MMC中，不需要电池。6．用于状态和故障显示的LED指示灯
CPU模板LED指示灯位置如图2-4所示。
SF（红色）灯亮：硬件故障、固件出错、编程出错、参数设置出错、算术运算出错、定时器出错、存储器卡出错、电池故障或电源接通时无后备电池、外部输入/输出故障、用编程装置读出诊断缓冲器中的内容，确定故障原因。
DC5V指示灯亮：用于CPU和S7-300的5VDC电源指示，正常则灯亮。
PRCE指示灯亮：表示处在强制状态。
RUN指示灯亮：表示处在运行状态。
STOP指示灯亮：表示CPU处于“STOP”或“HOLD”或“重新启动”状态。图2-4 CPU模板LED指示灯位置7．SIMATIC微存储卡（MMC）
用于断电时保存用户程序和某些数据，可以扩展CPU的存储器容量，也可以将有些操作系统包括在卡中，这对操作系统的升级是非常方便的。如果在使用PLC过程中拔下SIMATIC微存储卡，卡中的数据会被破坏。
注意：只有在断电状态或CPU处于STOP状态时，并且PG未向卡中写入数据的情况下，才能取下存储卡，严禁带电插拔MMC卡，以免烧坏。读写以及格式化MMC卡需要通过西门子公司的编程器或西门子公司专有的读卡器进行。64KB的MMC卡如图2-5所示。图2-5 64KB的MMC卡8．MPI口及其他
所有的CPU模块都有一个MPI（多点接口），可以用于实现PLC与编程器/计算机（PG/PC）以及操作员接口的通信。根据型号不同，S7-300 PLC上有PROFIBUS-DP接口或PtP接口。
电源模块上的L＋和M端子分别是DC24V输出电压的正极和负极，可以用专用的电源连接器或导线连接电源模块和CPU模块的L＋和M端子。2.2.3 信号模板（SM）
信号模板（SM），包括数字量（开关量）输入模板（DI）、数字量（开关量）输出模板（DO）、数字量输入/输出（DI/DO）模板、模拟量输入（AI）模板、模拟量输出（AO）模板、模拟量输入/输出（AI/AO）模板、FM模板等。
S7-300系列PLC的输入/输出模板的外部接线接在插入式前连接器的端子上，前连接器插在前门后面的凹槽内。这样不需要断开前连接器上的外部接线，就可以迅速地更换模块。第一次插入前连接器时，它被编码，以后该前连接器只能插入同样类型的模块中。
信号模板上的LED灯用来显示各数字量输入/输出点的信号状态，现场输入信号触点接通时，相应地址的模板上LED灯亮，当有输出信号时，相应地址的模板上LED灯亮，根据这一特点，结合程序的监控状态来调试程序是很方便的。模板安装在DIN标准导轨上，通过总线连接器与相邻的模板连接。模板的默认地址由模板所在位置决定，也可以用STEP 7软件在硬件组态中指定模板的地址。
PLC的前连接器、前门和模板面板LED灯的位置如图2-6所示。图2-6 前连接器、前门和模板上LED灯1．数字量输入（DI）模板SM321
来自现场的开关信号有按钮信号、各种行程开关信号、过载信号、继电器触点的断开和闭合信号、传感器信号等。数字量输入模板将来自现场的开关信号电平转换成PLC内部信号电平，经过光电隔离和滤波后，送到输入缓冲区等待CPU采样，采样后的信号状态经过背板总线进入到输入映像寄存器区。
用于采集直流信号的模板称为直流输入模板，其名称含有24V DC，额定输入电压为直流24V；用于采集交流信号的模板称为交流输入模板，其名称含120/230V AC，额定输入电压为交流120V或230V。如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，应考虑优先选用DC24V的直流输入模板。交流输入方式适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
对用户来说，数字量输入模板SM321有多种型号的模板可供选择，分别是DC16点输入、DC32点输入、AC16点输入、AC8点输入模板。
数字量输入模板上每个输入点的输入状态是用一个绿色的发光二极管LED指示灯来显示的，输入开关闭合，发光二极管LED点亮。反之，输入开关断开时，发光二极管LED灯灭。
直流16点数字量输入模板的端子接线图如图2-7所示。2．数字量输出（DO）模板SM322
由PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载（如指示灯的亮或灭、电动机的启停或正反转、设备的转动、平移、升降、阀门的通断等）。所以PLC输出接口所带的负载，通常是接触器的线圈、电磁阀的线圈、信号指示灯等。
按负载回路使用的电源不同，数字输出模板可以分为直流输出模板、交流输出模板、交直流两用输出模板。图2-7 直流16点数字量输入模板的端子接线图
按输出开关器件的种类不同，可分为晶体管输出型、双向晶闸管（可控硅）输出型和继电器输出型。如图2-8，图2-9，图2-10所示。
以上两种分类方式有密不可分的关系。晶体管输出型用于直流负载或TTL电路，属于直流输出模板；双向晶闸管（可控硅）输出型适用于交流负载，属于交流输出模板。继电器输出型既可用于直流负载，又可用于交流负载，属于交直流两用输出模板。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看，继电器输出型的性能是最好的，使用时，只要外接一个与负载要求相符的电源即可，因而采用继电器输出型，对用户来说显得方便和灵活，但由于它采用有触点输出，所以它的工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体元件长。图2-8 晶体管输出型
如果采用继电器输出型来接通或断开，作为数字量的输出，则更为自由和方便，而且它的适用场合更普遍。因此，在对动作时间和动作频率要求不高的情况下，常采用继电器输出方式。
继电器输出型接口在交流电压不高于250V的电路中的驱动能力为：纯电阻负载为2A/1点；感性负载为80VA以下（AC 100V或AC 200V）；灯负载为100W以下（AC 100V或AC 200V）。继电器输出型接口响应时间最慢，从输出继电器的线圈得电（或断电）到输出接点ON（或OFF）的响应时间均为10ms。图2-9 双向晶闸管（可控硅）输出型图2-10 继电器输出型
根据输出点数的要求，SM322有7种输出模板，32点数字量晶体管输出模板的端子接线图如图2-11所示。图2-11 32点数字量晶体管输出模板的端子接线图
16点数字量继电器输出模板的端子接线图如图2-12所示。图2-12 16点数字量继电器输出模板的端子接线图
各种类型的数字量输出模板具体参数如表2-2所示。表2-2 SM322模板具体参数3．数字量输入/输出（DI/DO）模板SM323
SM323数字量输入/输出模板的特点是在一块模板上同时具有数字量输入点和数字量输出点，有两种类型：一种带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种带有16个共地输入端和16个共地输出端，这两种模板的输入/输出特性相同。I/O额定负载电压DC24V，输入电压：“1”信号电平为11～30V，“0”信号电平为－3～＋5V，通过光耦合器与背板总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1.2～4.8ms。输出具有短路保护功能。
8点输入/8点输出的直流模板的端子接线图如图2-13所示。图2-13 8点输入/8点输出的直流模板的端子接线图4．模拟量输入/输出（AI/AO）模板
在生产过程中，存在大量物理量，如压力、温度、速度、流量、黏度等，而PLC作为数字控制器不能够直接处理连续数据。因此，必须对这些物理量进行离散化，这就是模/数（A/D）转换。另外，控制这些物理量的执行器多数接收的也是模拟量，所以，PLC处理过的数据还必须进行数/模（D/A）转换，变成连续的模拟信号（如电压、电流）来驱动执行器动作。
在生产过程中，大量连续变化的模拟量需要用PLC来测量或控制，有非电量和电量，如压力、温度、速度、液位、电压、电流等，变送器用于将传感器提供的非电量或电量转换为标准量程的直流电压或直流电流信号，如DC0～10V和DC4～20 mA。
模拟量I/O接口模板的模拟输入信号或模拟输出信号可以是电压，也可以是电流。可以是单极性的，如0～10V、1～5V、4～20mA等；也可以是双极性的，如±10V、±20mA等。（1）模拟量输入（AI）模板SM331
SM331模板主要由A/D转换器、切换开关、恒流源、补偿电路、光隔离器及逻辑电路组成。它将控制过程中的模拟信号转换为PLC内部处理用的数字信号。（2）模拟量输出（AO）模板SM332
SM332用于将S7-300的数字信号转换成系统所需要的模拟量信号，以控制模拟量调节器或执行机构。SM332目前有4种规格：AO8×12位、AO4×12位、AO2×12位和AO4× 16位。（3）模拟量输入/输出（AI/AO）模板SM334
SM334是在一块模板上同时具有模拟量输入/输出功能，目前有两种规格，都是4AI/2AO。一种是输入/输出精度为8位的模板，另一种是输入/输出精度为12位的模板。2.2.4 电源（PS）模板PS307
PLC的外部工作电源一般为单相85～260V，50/60Hz交流电源，也有采用24～26V直流电源的。使用单相交流电源的PLC，往往还能同时提供24V直流电源，供直流输入使用。PLC对于外部工作电源的稳定度要求不高，一般可允许±15％左右的波动。
对于在PLC的输出端子上接的负载所需的负载工作电源，必须由用户提供。
PLC的内部电源系统一般有三类：一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源（＋5V和±15V直流电源）；第二类电源是供输出接口使用的高压大电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源具有不同的地线。此外，根据PLC的规模及所允许扩展的接口模板数，各种PLC的电源种类和容量往往是不同的。
电源模板PS307用于将120/230V交流电压转换为24V直流电压，根据输出电流的不同，有3种规格的电源模板可选：2A、5A、10A。
电源模板PS307的结构如图2-14所示。图2-14 电源模板PS307的结构2.2.5 编程器
编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。
用PC机作编程器：目前在不需要用编程器进行实时监控的场合，经常采用能够运行STEP 7编程软件的个人计算机（台式PC机或便携式PC机）作为编程器。
由PLC生产厂家生产的专用编程器使用范围有限，价格一般也较高。在个人计算机不断更新换代的今天，出现了使用以个人计算机（IBM PC/AT及其兼容机）为基础的编程系统。大多数厂家只向用户提供编程软件，而个人计算机则由用户自己选择。由PLC生产厂家提供的个人计算机被改装，以适应工业现场相当恶劣的环境，如对键盘和机箱加以密封，并采用密封型的磁盘驱动器，以防止外部脏物进入计算机，使敏感的电子元件失效。这样，被改装的PC机就可以工作在较高的温度和湿度条件下，能够在类似于PLC的运行环境中长期可靠地工作。
这种方法的主要优点是使用了价格较便宜的、功能很强的通用个人计算机，有的用户还可以使用现有的个人计算机，因此，可以用最少的投资获取高性能的PLC程序开发系统。对于不同厂家和型号的PLC，只需要更换编程软件即可。这种系统的另一个优点是可以使用一台个人计算机为所有的工业智能控制设备编程，还可以作为CNC、机器人、工业电视系统和各种智能分析仪器的软件开发工具。
个人计算机的PLC程序开发系统的软件一般包括以下几个部分：
编程软件：这是最基本的软件，它允许用户生成、编辑、储存和打印梯形图程序和其他形式的程序。
文件编制软件：它与程序生成软件一起，可以对梯形图中的每一个触点和线圈加上英文注释，指出它们在程序中的作用，并能在梯形图中提供附加的注释，解释某一段程序的功能，使程序容易阅读和理解。
数据采集和分析软件：在工业控制计算机中，这一部分软件功能已相当普遍。个人计算机可以从PLC控制系统中采集数据，并可用各种方法分析这些数据。然后将结果用条形统计图或扇形统计图的形式显示出来。
实时操作员接口软件：这一类软件向个人计算机提供实时操作的人-机接口，被用来作为系统的监控装置，通过显示器告诉操作人员系统的状况和可能发生的各种报警信息。操作员可以通过操作员接口键盘（有时也可能直接用个人计算机的键盘）输入各种控制指令，处理系统中出现的各种问题。
仿真软件：它允许工业控制计算机对工厂生产过程进行系统仿真，过去这一功能只有大型计算机系统才有。它可以对现有的系统进行有效地检测、分析和调试，也允许系统的设计者在实际系统建立之前，反复地对系统仿真，用这个方法，及时发现系统中存在的问题，并加以修改。还可以缩短系统设计、安装和调试的总工期，避免不必要的浪费和因设计不当造成的损失。2.2.6 智能I/O接口
为适应和满足更加复杂控制功能的需要，PLC生产厂家均生产了各种不同功能的智能I/O接口，这些I/O接口板上一般都有独立的微处理器和控制软件，可以独立地工作，以便减少CPU模板的压力。
在众多的智能I/O接口中，常见的有满足位置控制需要的位置闭环控制接口模板；有快速PID调节器的闭环控制接口模板；有满足计数频率高达100KHz甚至上兆赫兹的高速计数器接口模板。用户可根据控制系统的特殊要求，选择相应的智能I/O接口。2.2.7 通信接口
通信接口有串行接口和并行接口两种，它们都在专用系统软件的控制下，遵循国际上多种规范的通信协议来工作。用户应根据不同的设备要求选择相应的通信方式并配置合适的通信接口。
通信接口是专用于数据通信的一种智能模板，它主要用于人—机对话或机—机对话。PLC通过通信接口可以与打印机、监视器相连，也可与其他的PLC或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，或实现管理与控制相结合的综合系统。2.2.8 人—机操作界面HMI
HMI是人机界面（Human-Machine Interface）的缩写，用于实现操作和监控、显示事件信息、配方、数据记录等功能。1．触摸屏
触摸屏是通过触摸在屏幕画面上的按钮即可进行直观操作的装置。它可以对要监控的机器和生产过程进行真实的图形显示。WinCC flexible是西门子触摸屏软件。2．组态软件SIMATIC WinCC
WinCC是用于过程、机床和工厂的监控及操作的基本系统，适用于所有自动化领域。WinCC具有一组强大的功能模块：
变量管理器：用于管理内部变量和外部变量。
图形编辑器：用于可自由组态的监控和操作。
报警记录编辑器：用于在DIN19-235的基础上获取事件和存档。
变量记录编辑器：用于压缩和存储被测数值和菜单处理。
报表编辑器：用于受时间控制和事件驱动的带有可自由组态的项目文件。2.2.9 S7-300 PLC结构特点1．采用集成的背板总线
S7-300改变了以往模板式PLC采用的总线底板结构，从硬件上省去总线底板和排风扇，而采用了背板总线，即将总线集成在每个模板上，所有的模板通过总线连接器进行级连扩展，使得结构简单。2．采用DIN标准导轨，安装和更换模板方便
由于省去了总线底板，使得安装各个模板的机架只有DIN标准导轨（可以选择横向或者竖向安装）。安装模板时只需要将模板勾在导轨上，转动到位后用螺丝锁紧即可。有可拆卸式机械编码前连接器，螺钉型或弹簧型接线端子，更换模板时只需要松开安装螺丝，拔下已经接线的前连接器，即可更换。3．硬件组态灵活
所有的模板都有相同的安装深度，因此信号模板和通信模板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。4．机架扩展方便
每个机架上最多可安装8个信号模板（SM），当需要的SM超过8个时，可以通过IM365（机架距离最远1米）或者IM360/361（机架距离最远10米），安装扩展机架，每个扩展机架上最多可安装8个信号模板，一个S7-300系统最多可安装3个扩展机架，最多可安装32个信号模板。2.2.10 S7-300 PLC的安装与维护
系统能正常工作，很大方面取决于正确的安装，所以要严格按照电气安装规范来安装。1．PLC的安装环境
PLC适用于大多数工业现场，虽然其具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境下，有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。控制PLC的工作环境，可以有效地提高它的工作可靠性和使用寿命。在安装PLC时，应注意以下几个方面的问题。（1）环境温度
各生产厂家对PLC的运行环境温度都有一定的规定。通常PLC允许的环境温度在0～55℃。因此，安装时不要把发热量大的元件放在PLC下方；PLC四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的位置；安装PLC的控制柜最好有通风的百叶窗，如控制柜温度太高，应该在柜内安装风扇散热。（2）环境湿度
PLC工作环境的空气相对湿度一般要求在35％～85％范围内，以保证PLC的绝缘性能。湿度还会影响模拟量输入/输出装置的精度。因此，不能将PLC安装在结露、雨淋的场所。（3）环境污染
PLC不宜安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐蚀性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印制电路板的腐蚀。如果只能安装在这种场所，在温度允许的条件下，可将PLC封闭，或将PLC安装在密闭性较高的控制室内，并安装空气净化装置。（4）避免振动和冲击
PLC安装控制柜应远离有强烈振动和冲击的场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可采取措施来减轻振动和冲击的影响，以免造成接线或插件的松动。（5）远离干扰源
PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC还应远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。2．安装导轨
DIN导轨是S7-300可编程控制器的机械安装导轨（机架），该导轨用螺丝安装在固定物上面。
DIN导轨具有用于固定螺丝的4个孔和1个接地导线螺丝。
一台S7-300 PLC由一个主机架和一个或多个扩展机架组成（如果需要的话）。如果主机架的模板数量不能满足应用要求，可以使用扩展机架。安装有CPU的模板机架作为主机架。安装有模板的模板机架作为扩展机架，与系统的主机架相连。
导轨是S7-300 PLC的机械铝制机架。
安装导轨应注意：（1）安装导轨时，为了散热，要留有足够的空间，尤其在系统中有扩展机架时，更要注意每个机架的位置安排，模板上下至少应有40mm的空间，左右至少应有20mm空间。（2）在安装表面上，画好安装孔，然后在所画的安装孔上钻直径为6.5＋0.2mm的孔。（3）用M6螺钉安装导轨。（4）把保护接地线连到导轨上（通过保护地螺丝！），应保证保护接地导线的低阻抗连接。为此，可使用尽可能短的低阻抗电缆连接到一个较大的接触表面上。保护接地导线的最小截面积为10mm²。
使用多机架模板安装：
接口模板总是安装在3号插槽，因为1号插槽安装电源模板；2号插槽安装CPU模板；3号插槽安装接口模板。然后是信号模板。每个机架上不能超过8个信号模板（SM、FM、CP），这些模板总是位于接口模板的右边。能插入的模板数（SM、FM、CP）受到S7-300背板总线所提供电流的限制。每个机架总线上的耗电量不应超过1.2A。3．安装模板
S7-300 PLC允许的安装位置包括水平安装和垂直安装两种，建议选择水平安装。对于水平安装，将模板安装在导轨上，从左边到右边依次是：电源模板、CPU模板、接口模板和其他模板等。对于垂直安装，电源模板在最下端、向上依次为CPU模板、接口模板和其他模板等。
对于不同的安装位置，PLC控制柜的温度要求是不同的，水平安装的允许温度为0～60℃，垂直安装为0～40℃。
一个机架最多插8个I/O模板（信号模板、功能模板、通信处理器）。
模板的安装步骤：（1）将总线连接器插入CPU模板和信号模板/功能模板/接口模板/通信模板，插入总线连接器时，必须从CPU开始，将总线连接器插入前一个模板，最后一个模板不能安装总线连接器。（2）选择水平安装，按照模板的规定顺序，从左到右安装模板，依次是：电源模板，CPU模板，接口模板，输入/输出模板等，将所有模板悬挂在导轨上，然后向下安装模板。（3）用螺丝固定所有模板
用螺丝将模板旋转固定在导轨的螺纹槽中，另外需要更换模板时，应先解锁前连接器，然后旋下螺丝，取下模板。（4）模板插入槽号和标签
模板安装完毕后，给各个模板插入槽号。在相应模板上插入标签。（5）前连接器接线
前连接器用于将系统中的传感器和按钮、开头等连接至S7-300 PLC。将前连接器插入模板中。在模板和前连接器之间是一个机械编码器，可以避免以后把前连接器认错。
前连接器按端子密度分有两种类型：20针和40针。按连接方式又可分为弹簧负载型端子和螺钉型端子。
注意事项：（1）如果不用扩展机架时，2号槽的CPU模板和4号槽的模板是靠在一起的，此时3号槽位仍然被实际不存在的接口模板占用。另外硬件组态中3号槽位空着。（2）在使用SM模板前，必须先给模板供电，否则将不能正常使用。4．机柜选型与安装
大型设备运行或安装环境中有干扰和污染时，应将PLC安装在一个机柜中，在选择机柜时，应注意以下事项：（1）机柜安装位置处的环境条件（温度、湿度、尘埃、化学影响、爆炸危险）决定了机柜所需的防护等级（IPxx）。（2）模板机架（导轨）间的安装间隙。（3）机柜中所有组件的总功率消耗。2.3项目解决步骤
步骤1．画出典型S7-300 PLC的硬件外观结构图；
步骤2．理解并熟悉中央处理器CPU的功能及CPU模板种类；
步骤3．讲述信号模板、电源模板、编程器的功能及应用；
步骤4．讲述智能I/O接口、通信接口、HMI及S7-300 PLC结构特点；
步骤5．讲述PLC安装环境。能独立操作完成典型S7-300 PLC的硬件安装过程（如下所述）。
1．安装导轨，必须安装接地线，导轨的安装距离要符合标准。
2．在导轨上安装电源模板。将连好电源线的电源模板一端勾在导轨凸起处，旋转向下，用螺丝旋紧，将市电接入电源模板上的三个端子（L1、N、接地）上，如图2-15所示。图2-15 安装电源模板
3．不需要扩展机架，CPU模板紧挨着电源模板安装，将总线连接器插到CPU模板背板总线处，一端勾在导轨的凸起处，另一端向下旋转，到达导轨位置后，旋紧螺丝，此时可以将标签插入到模板上，如图2-16所示。将电源模板的输出DC24V线连到CPU模板的L＋和M。图2-16 安装CPU模板
4．把输入模板背板总线一侧插入总线连接器，一端勾在导轨凸起处，背板总线另一侧插入到跟CPU模板相连的总线连接器，向下旋转，到达导轨位置后，旋紧螺丝。此时可以将槽号插入到模板上。如图2-17所示。
5．把输出模板一端勾在导轨凸起处，背板总线一侧插入到跟输入模板相连的总线连接器，向下旋转，到达导轨位置后，旋紧螺丝。
6．连接前连接器信号线与电源线，如图2-18所示。图2-17 安装输入模板图2-18 前连接器接线
7．按照箭头向上方向对应的模板位置，将前连接器垂直向下插入到模板里，左侧两个40针前连接器插入模板后旋紧螺丝。右侧两个20针前连接器插入模板后自动卡住，如图2-19所示。图2-19 安装前连接器
8．给电源模板、输入和输出模板连接电源。
步骤6．总结S7-300 PLC硬件安装注意事项。巩固练习二
1．典型S7-300 PLC的硬件结构由哪几部分构成？
2．简述CPU的功能及CPU模板的种类。
3．讲述典型S7-300 PLC的硬件安装过程。
4．S7-300 PLC硬件安装注意事项有哪些？项目3硬件组态过程3.1项目要求
通过STEP 7编程软件完成某项目的硬件组态。
双击Rail，安装导轨（机架），插入电源模板，必须安装在1号槽位上。CPU模板的安装位置紧挨着电源模板，安装在2号槽位上。用于连接扩展机架的接口模板IM安装在3号槽位上。如果不用机架扩展，该位置空着。各种信号模板SM，安装在4号～11号槽位上。从4号槽位开始，CPU为信号模板分配I/O地址，理解默认地址并会使用。3.2学习目标
1．学习并掌握STEP 7标准软件包的使用。
2．学习并掌握硬件组态的操作过程。
3．理解默认地址的分配含义及使用。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]