1.2 S7-300 PLC概述

1.2.1 西門子PLC系列產品

德國西門子公司的PLC在國內外具有較高的市場占有率，其主要產品有S5、S7、C7、M7及WinAC等幾個系列。其中S7系列PLC于1994年發布，是西門子公司PLC市場的主流產品，有下面幾個子系列。

1.SIMATIC S7-200系列PLC

SIMATIC S7-200系列PLC是針對簡單控制系統而設計的小型PLC，采用集成式、緊湊型結構，一般適用于I/O點數為100點左右的單機設備或小型應用系統。S7-200CN PLC是在SIMATIC S7-200 PLC基礎上專為中國用戶開發的產品，于2005年12月16日在中國正式發布，具有與SIMATIC S7-200 PLC相同的功能及技術指標。典型的SIMATIC S7-200系列PLC如圖1-6所示。

SIMATIC S7-200系列PLC的編程軟件為STEP 7 MicroWin，STEP 7 MicroWin從V4.0 SP6版本開始支持Vista系統，從V3.2版本開始即為多語言版本，可以通過“Option”選項直接選擇中文界面。

2.SIMATIC S7-200 SMART

S7-200 PLC已于2007年10月正式進入退市階段。S7-200 SMART是S7-200的升級，它們的指令、程序結構和監控方法等幾乎完全相同。S7-200 SMART一方面繼承了S7-200豐富的功能，另一方面融入了新的亮點，如圖1-7所示。產品上市至今，S7-200 SMART在包裝、紡織、機床、食品、橡膠和塑料等眾多行業得到廣泛應用，在提升設備性能和降低設備成本上發揮著重要作用。

3.SIMATIC S7-300系列PLC

SIMATIC S7-300系列PLC是針對中小型控制系統而設計的中型PLC，采用模塊化、無風扇結構，一般適用于I/O點數為1000點左右的集中或分布式中小型控制系統。典型SIMATIC S7-300系列PLC系統如圖1-8所示。

4.SIMATIC新一代的PLC S7-1200

S7-1200 PLC是西門子開發的新產品，實現了模塊化和緊湊型設計，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI（人機界面）和網絡通信等任務。它可擴展性強、靈活度高，具有支持小型運動控制系統、過程控制系統的高級應用功能。S7-1200的性能介于S7-200和S7-300之間，其編程軟件由博途（TIA PORTAL）完成。S7-1200如圖1-9所示。

5.SIMATIC S7-400系列PLC

SIMATIC S7-400系列PLC是針對大中型控制系統而設計的大型PLC，采用模塊化、無風扇結構，一般適用于I/O點數為10000點左右的自動化控制系統。SIMATIC S7-400系列PLC還包括H（冗余）系統和F（故障安全）系統，如S7-400H PLC、S7-400F PLC等。典型SIMATIC S7-400系列PLC系統如圖1-10所示。

SIMATIC S7-300/400系列PLC的編程軟件為STEP 7，中英文最新版本為STEP 7 V5.6 SP1，多語言版為STEP 7 V5.6 SP1及SIMATIC STEP 7 Professional 2017 SR1。

6.SIMATIC S7-1500

SIMATIC S7-1500 PLC是SIMATIC S7-300/400 PLC的升級版，如圖1-11所示。S7-1500 PLC借助于西門子新一代框架結構的TIA（Totally Integrated Automation）博途平臺，采用統一的工程組態和軟件環境，通過添加不同領域的軟件，進行自動化系統的組態、編程、調試，方便輕松、快速地進行互連互通，真正達到了控制系統的全集成自動化。

總之，S7-200 SMART是微型的PLC，S7-300是中型PLC，S7-400是大型PLC，S7-1200是小型PLC，S7-1500是中型和大型的PLC，目前S7-1200和S7-1500具有廣大的應用前景。

1.2.2 S7-300 PLC的硬件組成

SIMATIC S7-300系列PLC采用配置靈活的模塊化結構，SIMATIC S7-300系列PLC的邏輯結構如圖1-12所示。系統以中央處理單元（CPU）為核心，通過背板總線（BUS）與輸入信號模塊、輸出信號模塊、功能模塊、通信處理器模塊、接口模塊及其他模塊共同組成完整的PLC應用系統。

1.機架（Rack）

機架用于安裝和連接PLC的所有模塊，CPU所在機架為主機架，如果主機架不能容納控制系統的全部模塊，可以增設一個或者多個擴展機架。

2.中央處理單元（CPU）

與一般計算機一樣，中央處理單元（CPU）是PLC的核心，它按PLC系統程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地進行工作，其主要任務有：為背板總線提供5 V電源；通過輸入信號模塊接收外部設備信息；存儲、檢查、校驗和執行用戶程序；通過輸出信號模塊送出控制信號；通過通信處理器或自身的通信接口與其他設備交換數據；進行故障診斷等。

S7-300系列PLC的CPU模塊從CPU 312～CPU 319有20多種型號，CPU序號越高，其功能越強，技術指標的主要區別在CPU的內存容量、數據處理速度、通信資源及編程資源（定時器、計數器的個數）等方面，按功能可分為6個子系列。

1）緊湊型CPU，即CPU 31xC系列，其特征是CPU模塊上集成有輸入/輸出點、高速計數器、脈沖輸出及定位功能等，如CPU 312C、CPU 313C、CPU 313C-2PtP、CPU 313C-2DP、CPU 314C-2PtP、CPU 314C-2DP。

2）標準型CPU，即CPU 31x系列，如CPU 313、CPU 314、CPU 315、CPU 315-2DP、CPU 316-2DP。

3）革新型標準CPU，其具有與標準型CPU相同的系列表示，是標準CPU的技改產品，如CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP、CPU 317-2DP、CPU 318-2DP、CPU 319-2DP。

4）戶外型CPU，如CPU 312 IFM、CPU 314 IFM、CPU 314（戶外型）。

5）故障安全型CPU，如CPU 315F-2DP、CPU 315F-2PN/DP、CPU 317F-2DP、CPU 319F-3PN/DP。

6）特種型CPU，如CPU 317T-2DP、CPU 317-2 PN/DP。

3.輸入信號模塊（DI/AI）

輸入信號模塊主要負責接收現場設備的信息（如鍋爐的溫度、壓力等）或控制設備的狀態（如控制按鈕的狀態），并進行信號電平的轉換，然后將轉換結果傳送到CPU進行處理。根據接收的信號類型，可以將輸入信號模塊分為數字量輸入模塊（DI）和模擬量輸入模塊（AI）。數字量輸入模塊（DI）只能接收高、低邏輯電平信號，如開關的接通與斷開；模擬量輸入模塊（AI）可接收連續變化的模擬量信號，如溫度傳感器輸出的DC 4～20 mA電流信號。

數字量輸入模塊有8點、16點、32點和64點幾種，可連接的外部輸入信號電壓等級有DC 24 V、AC 120 V、DC/AC 24/48 V、DC 48～125 V、AC 120/230 V等多種，可根據信號類型進行選擇。S7-300系列PLC的數字量輸入模塊型號以“SM 321”開頭。例如，SM 321 DI 16×DC 24 V是一塊額定輸入電壓為直流24 V，具有16個輸入點的數字量輸入模塊。

模擬量輸入模塊的轉換精度有12位、13位、14位和16位等幾種，有2通道、8通道和16通道，能接入熱電阻、熱電偶、DC 4～20 mA或DC 0～10 V等多種不同類型和不同量程的模擬信號，可根據需要進行選擇。S7-300系列PLC的模擬量輸入模塊型號以“SM 331”開頭。例如，SM 331 AI 2×12 bit是一塊轉換精度為12位，具有2個模擬量輸入通道的模擬量輸入模塊。

4.輸出信號模塊（DO/AO）

輸出信號模塊主要負責對CPU處理的結果進行電平轉換并從PLC向外輸出，然后驅動現場執行設備（如電磁閥、電動機等）或控制設備（如按鈕、狀態指示燈等）。根據輸出的信號類型，可以將輸出信號模塊分為數字量輸出信號模塊（DO）和模擬量輸出信號模塊（AO）。數字量輸出信號模塊（DO）只能輸出高、低變化的電平信號，使被控對象工作或停止工作，如控制電動機的起動和停機、指示燈的點亮和熄滅；模擬量輸出信號模塊（AO）可輸出連續變化的模擬量電信號，使被控對象連續改變工作狀態，如控制電磁閥的開度等。

數字量輸出模塊有8點、16點、32點和64點幾種，有繼電器（適用于感性及交流負載）、晶體管（適用于直流負載）和晶閘管（適用于交流及直流負載）3種輸出形式，可連接的外部負載電壓等級有DC 24 V、AC 120 V、DC/AC 24/48 V、DC 48～125 V、AC 120/230 V、DC 120 V、AC 230 V等多種，可根據信號類型進行選擇。S7-300系列PLC的數字量輸出模塊型號以“SM 322”開頭。例如，SM 322 DO 8×Rel. AC 230 V是一塊額定負載電壓為交流230 V，具有8個輸出點的繼電器輸出型數字量輸出模塊。

模擬量輸出模塊的轉換精度有12位、13位和16位等幾種，有2通道、4通道和8通道之分，可根據需要進行選擇。S7-300系列PLC的模擬量輸出模塊型號以“SM 332”開頭。例如，SM 332 AO 4×16 bit是一個轉換精度為16位，具有4個模擬量輸出通道的模擬量輸出模塊。

5.電源模塊（PS）

電源模塊負責將外部電壓變換成穩定的直流24 V及5 V電壓，為PLC系統的所有模塊提供工作電源。

S7-300 PLC的電源模塊有輸入為交流120 V或230 V、輸出為直流24 V的PS 307 2 A、PS 307 5 A、PS 307 10 A等標準電源模塊。

6.通信處理器模塊（CP）

通信處理器模塊負責擴展CPU的通信能力。當CPU自身提供的通信接口不能滿足PLC與其他設備的通信需要時，可通過通信處理器模塊擴展相應的通信接口（如PROFIBUS DP分布式現場總線接口、PROFINET工業以太網接口等）并進行相應的通信處理。

7.接口模塊（IM）

接口模塊用來提高PLC系統擴展能力，當PLC系統規模不能滿足控制要求時，可通過接口模塊擴展新的機架從而安裝并支持更多的信號模塊。

S7-300 PLC有3種規格的接口模塊：IM365、IM360、IM361。其中，IM365接口模塊專用于S7-300 PLC雙機架系統擴展，IM360和IM361接口模塊一般用于2～4個機架系統擴展。

8.功能模塊（FM）

功能模塊負責實現CPU不能實現的特殊功能，如高速計數、定位或閉環控制等。

S7-300系列PLC的功能模塊有FM350-1高速單通道計數器模塊、FM350-2高速8通道計數器模塊、FM351快速進給和慢速驅動的雙通道定位模塊、FM352電子凸輪控制器模塊、FM352-5高速布爾處理器模塊、FM353單軸步進電動機定位控制模塊、FM354單軸伺服電動機定位模塊、FM355 PID控制器、FM355-2溫度PID控制器、FM 357-2定位和連續通道控制模塊、SM 338超聲波位置探測模板、SM 338 SSI位置探測模板等。

1.2.3 CPU的操作模式

1.操作模式

S7-300 PLC的CPU面板上都有一個模式選擇開關，有些可通過專用鑰匙旋轉控制。這些CPU一般有3種工作模式（RUN、STOP、MRES）或4種工作模式（RUN、STOP、MRES、RUN-P），這些工作模式的意義如下。

1）RUN-P：可編程序運行模式。在此模式下，CPU不僅可以執行用戶程序，在運行的同時還可以通過編程設備讀出、修改、監控用戶程序。在此位置鑰匙不能拔出。

2）RUN：運行模式。在此模式下，CPU執行用戶程序，還可以通過編程設備讀出、監控用戶程序，但不能修改用戶程序。在此位置可以拔出鑰匙，以防止PLC在正常運行時被改變操作模式。

3）STOP：停機模式。在此模式下，CPU不執行用戶程序，但可以通過編程設備從CPU讀出或修改用戶程序。在此位置可以拔出鑰匙，防止誤操作。

4）MRES：存儲器復位模式。該位置不能保持，當開關在此位置釋放時將自動返回到STOP位置。將鑰匙從STOP模式切換到MRES模式時，可復位存儲器，使CPU回到初始狀態。存儲器一旦被復位，工作存儲器、RAM裝載存儲器內的用戶程序、數據區、地址區、定時器、計數器和數據塊等將全部清除（包括有保持功能的元件），同時還會檢測PLC硬件，初始化硬件和系統參數，并將CPU或模塊參數設置為默認值，但保留對MPI（信息傳遞應用程序接口，Message Passing Interface）的設置。

如果CPU配置有微存儲卡（Micro Memory Card，MMC），CPU在復位完成后，自動將存儲卡內的用戶程序和系統參數裝入工作存儲器。

MRES模式只有在程序錯誤、硬件參數錯誤、存儲卡未插入等情況下才需要使用。當STOP指示燈以0.5 Hz的頻率閃爍時，表示PLC需要復位。復位操作步驟如下：將模式開關從STOP位置轉換到MRES，STOP指示燈滅1 s→亮1 s→滅1 s→常亮，釋放開關使其回到STOP位置，然后再轉換到MRES位置，STOP指示燈以2 Hz的頻率閃爍（表示正在對CPU復位）3 s→常亮（表示已復位完成），此時可釋放開關使其回到STOP位置，復位操作完成。

因為S7-300 PLC的CPU內部沒有裝載存儲器，所以CPU必須插入一個微存儲卡，其類型為非易失存儲器（Flash Memory），否則無法工作。

2.狀態指示燈

CPU面板上的信號燈用來顯示CPU當前的狀態或故障。各個信號燈的功能如下。

● SF（紅色）：系統出錯/故障指示，當CPU硬件故障或軟件錯誤時亮。

● DF（紅色）：總線出錯指示燈（針對帶DP接口的CPU）。

● BATT（紅色）：電池故障指示，當電池失效或未被裝入時亮。

● DC5V（綠色）：+5 V電源指示，當CPU和S7-300 PLC總線的5 V電源正常時亮。

● FRCE（黃色）：強制作業有效指示，至少有一個I/O在強制狀態時亮。

● RUN（綠色）：運行狀態指示燈，CPU處于RUN狀態時亮；LED在STARTUP狀態以2 Hz頻率閃爍；在HOLD狀態以0.5 Hz頻率閃爍。

● STOP（黃色）：停止狀態指示燈，CPU處于STOP、HOLD或STARTUP狀態時亮；在存儲器復位時以0.5 Hz頻率閃爍；在存儲器置位時以2 Hz頻率閃爍。

● BUSF（紅色）：總線錯誤指示，PROFIBUS-DP接口硬件或軟件故障時信號燈亮（針對DP接口的CPU）。

1.2.4 S7-300 PLC的工作過程

1.PLC的工作過程

PLC采用了一種不同于一般微型計算機的運行方式——周期性循環處理的順序掃描工作方式。當S7-300系列PLC得電或從STOP模式切換到RUN模式時，CPU首先執行一次全啟動操作，清除非保持位存儲器、定時器和計數器，刪除中斷堆棧和塊堆棧，復位所有的硬件中斷和診斷中斷等，并執行一次用戶編寫的“系統啟動組織塊”OB100，完成用戶指定的初始化操作。然后PLC進入周期性的循環掃描操作：CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新一輪的掃描，PLC的工作流程如圖1-13所示。CPU的循環操作包括3個主要部分。

（1）輸入采樣階段

PLC在輸入采樣階段檢查輸入信號的狀態并刷新過程映像輸入表（PII）。PLC首先掃描所有輸入模塊，并將各輸入端子狀態存入內存中對應的過程映像輸入表，此時過程映像輸入表被刷新。在程序執行階段和輸出刷新階段，過程映像輸入表與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段。

（2）程序執行階段

根據PLC梯形圖程序掃描原則，PLC按先左后右、先上后下的步序對OB1的指令進行逐句掃描，當遇到程序跳轉指令時，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址；當遇到子程序調用指令時，則執行子程序（FB、FC或SFB、SFC），子程序執行結束后繼續執行OB1的其他指令。當指令中涉及輸入、輸出狀態時，PLC就從過程映像輸入表“讀入”上一階段存入的對應輸入端子的狀態，從元件寄存器“讀入”對應元件（“軟繼電器”）的當前狀態，然后進行相應的運算，運算結果再存入元件寄存器中。對元件寄存器來說，每一個元件（“軟繼電器”）的狀態會隨著程序執行結果而變化。

程序執行階段可以被某些事件（日期時間中斷、硬件中斷等）中斷，并暫停OB1的執行，由操作系統直接調用與事件相關的其他組織塊（OB）。當事件處理結束后，再繼續執行OB1的程序指令。

（3）輸出刷新階段

在輸出刷新階段，PLC把過程映像輸出表（PIQ）的值寫到輸出模塊。在所有指令執行完畢后，過程映像輸出表（PIQ）中所有輸出繼電器的狀態（接通/斷開）在輸出刷新階段被轉存到輸出鎖存器，通過一定方式輸出并驅動外部負載。

2.PLC的循環掃描周期

循環掃描周期是指PLC執行一次循環掃描所用的時間。PLC運行正常時，掃描周期的長短與CPU的運算速度、I/O點的情況、用戶應用程序的長短及編程情況等有關。

3.出錯處理

在PLC的每個掃描周期都要執行一次自診斷檢查，以確定PLC自身的動作是否正常，如CPU、電池電壓、程序存儲器、I/O以及通信等是否異?；虺鲥e。如檢查出異常，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，在特殊寄存器中會存入出錯代碼。當出現致命錯誤時，CPU被強制為STOP模式，所有的掃描被停止。

1.2.5 S7-300 PLC的模塊安裝

S7-300系列PLC采用模塊化結構，所有模塊均安裝在標準機架（導軌）上，其機架標稱長度有160 mm、482 mm、530 mm、830 mm、2000 mm共5種規格，一個機架最多可以安裝1個電源模塊、1個CPU模塊、1個接口模塊及8個I/O模塊（如信號模塊、通信處理器模塊、功能模塊、占位模塊、仿真模塊等），可根據實際需要選擇。機架可以采用水平方向安裝，也可以采用豎直方向安裝，S7-300 PLC機架的安裝形式如圖1-14所示。若采用水平方向安裝，CPU和電源必須安裝在左面；若采用豎直安裝，CPU和電源必須安裝在底部，且保證下面的最小間距。

● 機架左右間距為20 mm。

● 單層組態安裝時，上下間距為40 mm。

● 兩層組態安裝時，上下間距至少為80 mm。

1.單機架安裝

CPU 312、CPU 312C、CPU 312 IFM和CPU 313等只能使用一個機架，在該機架上除了電源模塊、CPU模塊和接口模塊外，最多只能再安裝8個信號模塊、功能模塊或通信模塊。單機架上的電源模塊總是裝在最左邊的槽位上，CPU模塊總是安裝在電源右邊的槽位上，3～10號槽位則可以安裝信號模塊、功能模塊或通信模塊。

S7-300系列PLC電源模塊不需要背板總線連接器，可直接將電源模塊懸掛在導軌上，并靠左側固定。其他模塊都帶有背板總線連接器，安裝時需先將背板總線連接器裝到CPU模塊的背板上（見圖1-15），然后將CPU模塊安裝在導軌上并向左靠緊，再向下轉動模塊（見圖1-16），最后用螺釘將CPU模塊固定在導軌上（見圖1-17）。按同樣的方式依次將接口模塊、I/O模塊（信號模塊、功能模塊、通信模塊及其他模塊等）安裝在導軌上。

2.多機架安裝

CPU 314、CPU315及CPU 315-2DP等最多可以擴展4個機架，安裝32個信號模塊（含功能模塊和通信模塊），多機架的安裝結構如圖1-18所示。

對于多個機架需利用接口模塊IM 360/IM 361將S7-300 PLC的背板總線從一個機架連接到下一個機架。CPU模塊總是安裝在0號機架（主機架）的2號槽位上，1號槽位安裝電源模塊，3號槽位總是安裝接口模塊（如IM360），4～11號槽位可自由分配信號模塊、功能模塊和通信模塊。需注意的是，槽位號是相對的，每個機架的導軌并不存在物理的槽位。

用于發送信號的接口模塊IM360裝在0號機架3號槽。通過368專用電纜將數據由IM360發送到IM361。IM360和IM361的最大距離為10 m。IM360、IM361上有指示系統狀態和故障的發光二極管。如果CPU不能識別此機架，則LED閃爍，可能是連接電纜沒接好或者是串行連接的IM360關掉了。

具有接收功能的接口模塊IM361，用于S7-300 PLC機架1到機架3的擴展。通過368連接電纜，把數據從IM360接收到IM361，或者從一個IM361傳到另一個IM361。IM361和IM361之間的最大距離也是10 m。IM361不僅提供數據傳輸功能，還負責將24 V直流電壓轉換為5V直流電壓，給所在機架的背板總線提供5V直流電源，供電電流不超過1.2 A，CPU 312 IFM中的電流不超過0.8 A。所以，每個機架能安裝的模塊數量除了不能大于8塊外，還要受到背板總線5V直流電源的供電電流的限制，即每個機架上各模塊消耗的5V電源的電流之和應小于該機架最大的供電電流。

如果只擴展兩個機架，可選用比較經濟的IM365接口模塊對，這一對接口模塊由1 m長的連接電纜相互連接，雙機架的安裝結構如圖1-19所示。IM365可直接為擴展機架（ER）上的模塊提供5 V直流電源，此時在兩個機架上直流電源5 V的總電流限制在1.2 A之內，且每個機架最大不能超過0.8 A。由于IM365不能給機架1提供通信總線，所以在機架1上只能安裝信號模塊，不能安裝如通信模塊之類的其他智能模塊。

3.連接電源線

連接電源線的步驟如下：打開PS 307電源模塊及CPU模塊的前蓋→松開PS 307上的松緊件→將電源線剝開11 mm，并連接到PS 307的L1、N和接地端子上→旋緊松緊件→將CPU電源線剝開11 mm，將PS 307的端子M和L+連接到CPU的端子M和L+，連接電源線如圖1-20所示。

1.2.6 S7-300 PLC數字量信號模塊的地址分配

S7-300 PLC數字量信號模塊的地址范圍與模塊所在機架號及槽位號有關，而具體的位地址則與信號線接在模塊上的那個端子有關。根據機架上模塊的類型，地址可以為輸入（I）或輸出（Q）。

對于數字I/O模塊，從0號機架的4號槽位開始，每個槽位占用4字節（等于32個I/O點），數字量信號的默認地址如圖1-21所示，每個數字量I/O點占用其中的1位。例如，假設在0號機架4號槽位上安裝一個16點的數字量輸入信號模塊，則其地址為I0.0～I0.7、I1.0～I1.7；如果0號機架5號槽位上安裝一個32點的數字量輸入模塊，則其地址為I4.0～I4.7、I5.0～I5.7、I6.0～I6.7、I7.0～I7.7；如果0號機架6號槽位上安裝一個32點的數字量輸出模塊，則其地址為Q8.0～Q8.7、Q9.0～Q9.7、Q10.0～Q10.7、Q11.0～Q11.7。