第2章 S7—300/400系列PLC的硬件系統(tǒng)

2.1 西門子S7—300系列PLC硬件系統(tǒng)的組成

2.1.1 S7—300的硬件組成

S7—300采用了模塊式結(jié)構(gòu)，主要由機架（RACK）、電源模塊（PS）、中央處理單元模塊（CPU）、接口模塊（IM）、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）和通信處理器（CP）等部分組成，如圖2-1所示。S7—300的模塊都有名稱，同樣名稱的模塊根據(jù)接口名稱和功能的不同，又有不同的規(guī)格，在PLC的硬件組態(tài)中，以定貨號為準(zhǔn)。

（1）中央處理器單元模塊

各種型號的CPU模塊有不同的性能，如有的CPU模塊集成了數(shù)字量和模擬量的I/O通道，有的CPU集成了PROFIBUS—DP的通信接口。CPU模塊面板上有狀態(tài)指示燈、模式轉(zhuǎn)換開關(guān)、24V電源端子、電池盒和存儲卡插槽。

（2）電源模塊

電源模塊（PS）用于將220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，供給CPU和其他模塊使用。電源模塊的額定輸出電流有2A、5A和10A三種，電源模塊的面板上有工作開關(guān)和狀態(tài)指示燈，當(dāng)電源過載時指示燈會閃爍。

（3）信號模塊

信號模塊（SM）包括數(shù)字量和模擬量的I/O模塊，它們作為PLC的過程輸入和輸出通道。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322、模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。模擬量輸入模塊可以輸入熱電量、熱電阻、直流4～20mA和直流0～10V等多種不同類型和不同量程的模擬量信號。信號模塊通過背板總線將現(xiàn)場的過程信號傳遞給CPU。

（4）功能模塊

功能模塊（FM）主要用于對實時性和存儲容量要求較高的特殊控制任務(wù)，如計數(shù)器模塊、快速/慢速進給驅(qū)動位置控制模塊、電子凸輪控制器模塊、步進電動機定位模塊、伺服電動機定位模塊、定位和連續(xù)路徑控制模塊、閉環(huán)控制模塊、工業(yè)標(biāo)識系統(tǒng)的接口模塊、稱重模塊、位置輸入模塊和超聲波位置解碼器等。

（5）通信處理器

通信處理器（CP）用于PLC與PLC之間、PLC與計算機之間、PLC與其他智能設(shè)備之間的通信，它可以將PLC連入PROFIBUS現(xiàn)場總線、AS—1現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，或用于實現(xiàn)點對點通信等。通信處理器可以減輕CPU處理通信的負擔(dān)，并減少用戶對通信的編程工作。

（6）接口模塊

接口模塊（IM）用于組成多機架系統(tǒng)時連接主機架（CR）和擴展機架（ER）。S7—300通過主機架和3個擴展機架，最多可以配置32個信號模塊、功能模塊和通信處理器（需要相應(yīng)的CPU支持）。

（7）機架

機架（導(dǎo)軌）由不銹鋼制作，用于進行物理固定。

2.1.2 S7—300的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

S7—300采用緊湊的、無槽位限制的模塊式結(jié)構(gòu)，將電源模塊（PS）、CPU模塊、信號模塊（SM）、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）和通信處理器（CP）都安裝在導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌是一條專用的金屬機架，安裝時只需要將模塊鉤在DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，并用模塊自帶的螺栓固定即可。有多種不同長度的導(dǎo)軌可供選擇，S7—300的安裝如圖2-2所示。

S7—300用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來（只負責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，對模塊的供電需要單獨從電源模塊引出接線）。背板總線集成在模塊上，模塊通過U形總線連接器相連接，每個模塊都有一個總線連接器，總線連接器插在各模塊的背后，負責(zé)連接本模塊與其左側(cè)的模塊。安裝時先將總線連接器插在CPU模塊上，并固定在導(dǎo)軌上，然后依次裝入各個模塊。外部接線接在信號模塊和功能模塊的前連接器的端子上，前連接器用插接的方式安裝在模塊前門后面的凹槽中。

S7—300的電源模塊通過電源連接器或?qū)Ь€與CPU連接，為CPU提供24V直流電源。電源模塊還有一些端子可以為其他模塊提供24V直流電源。

機架最左邊是1號槽，最右邊是11號槽。中央機架的1號槽安裝電源模塊，2號槽安裝CPU模塊，3號槽安裝的是接口模塊，這3個槽號被固定占用，不能安裝其他模塊，信號模塊、功能模塊和通信處理器模塊可以不受限制地插到機架的4～11槽的任一槽位上，系統(tǒng)自動分配模塊的地址。每個機架最多只能安裝8個信號模塊、功能模塊和通信模塊。當(dāng)系統(tǒng)需要大于8個模塊時，則可以增加擴展機架，如圖2-3所示。除了帶CPU模塊的中央機架（CR）外，系統(tǒng)最多可以增加3個擴展機架（ER）。每個機架可以插入8個模塊（不包括電源模塊、CPU模塊和接口模塊），4個機架最多可以安裝32個模塊，如圖2-3所示。

S7—300的模塊是通過總線連接器連接的，各個槽號是相對的。當(dāng)某個槽位不使用時，如5號槽位上沒有插任何模塊，而4號槽位插有功能模塊，6號槽位上插有信號模塊，雖然5號槽位沒有使用，但占用了一個槽位。在物理上，6號槽位和4號槽位的模塊是連在一起的。

由于模塊是用總線連接器連接的，因此槽號是相對的，在機架導(dǎo)軌上并不存在物理槽位。例如，在不需要擴展機架時，中央機架上沒有接口模塊，此時雖然3號槽位仍然被實際上并不存在的接口模塊占用，中央機架上的CPU模塊和4號槽的模塊實際上是挨在一起的。

當(dāng)需要擴展機架時，把接口模塊插入3號槽，負責(zé)與其他擴展機架自動地進行數(shù)據(jù)通信。

如果只需要擴展一個機架，可以使用價格便宜的IM365接口模塊對，兩個接口模塊用1m長的固定電纜連接，由于IM365接口模塊沒有通信總線，因此擴展機架1上只能安裝信號模塊，不能安裝通信模塊和其他智能模塊。擴展機架的電源由IM365提供，兩個機架的直流5V電源的總電流應(yīng)在允許值之內(nèi)。

當(dāng)需要擴展3個機架時，可以使用IM/360/361接口模塊，中央機架（CR）使用IM360，擴展機架（ER）使用IM361，各相鄰機架之間的電纜最長為10m。每個IM361需要一個外部24V電源，向擴展機架上的所有模塊供電，可以通過電源連接器連接PS 307負載電源。所有的S7—300模塊均可以安裝在ER上。接口模塊是自組態(tài)的，無需進行地址分配。

每個機架上安裝的信號模塊、功能模塊和通信模塊除了不能超過8塊外，還受到背板總線直流5V供電電流的限制。中央機架（0號機架）的直流5V電源由CPU模塊產(chǎn)生，其額定電流值與CPU的型號有關(guān)。擴展機架的背板總線的直流5V電源由接口模塊IM361產(chǎn)生，各類模塊消耗的電流可查閱有關(guān)的手冊。

2.1.3 模塊診斷與過程中斷

有的S7—300信號模塊具有對信號進行監(jiān)視（診斷）和過程中斷的智能功能。

（1）模塊診斷功能

通過模塊診斷可以確定數(shù)字量模塊獲取的信號是否正確，或模擬量模塊的處理是否正確。

數(shù)字量I/O模塊可以診斷出無外部電壓、共模故障、組態(tài)/參數(shù)錯誤、斷線、測量范圍上溢出或下溢出等故障。模擬量輸出模塊可以診斷出無外部電壓、組態(tài)/參數(shù)錯誤、斷線和對地短路等故障。

（2）過程中斷

通過過程中斷，可以對過程信號進行監(jiān)視和響應(yīng)。

根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，可以選擇數(shù)字量輸入模塊的每個通道組是否在信號的上升沿、下降沿產(chǎn)生過程中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生過程中斷。信號模塊可以對每個通道的一個中斷進行暫存。

模擬量輸入模塊通過上限值和下限值定義一個工作范圍，模塊將測量值與上、下限值進行比較，如果通過限制，則執(zhí)行過程中斷。

執(zhí)行過程中斷時，CPU暫停執(zhí)行用戶程序，或暫停執(zhí)行低優(yōu)先級的中斷程序，來處理相應(yīng)的診斷中斷功能模塊（OB40）。