第2章 S7—300/400系列PLC的硬件系统

2.1 西门子S7—300系列PLC硬件系统的组成

2.1.1 S7—300的硬件组成

S7—300采用了模块式结构，主要由机架（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）和通信处理器（CP）等部分组成，如图2-1所示。S7—300的模块都有名称，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，以定货号为准。

（1）中央处理器单元模块

各种型号的CPU模块有不同的性能，如有的CPU模块集成了数字量和模拟量的I/O通道，有的CPU集成了PROFIBUS—DP的通信接口。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。

（2）电源模块

电源模块（PS）用于将220V交流电转换为24V直流电，供给CPU和其他模块使用。电源模块的额定输出电流有2A、5A和10A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。

（3）信号模块

信号模块（SM）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SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电量、热电阻、直流4～20mA和直流0～10V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。

（4）功能模块

功能模块（FM）主要用于对实时性和存储容量要求较高的特殊控制任务，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。

（5）通信处理器

通信处理器（CP）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—1现场总线和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。

（6）接口模块

接口模块（IM）用于组成多机架系统时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7—300通过主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器（需要相应的CPU支持）。

（7）机架

机架（导轨）由不锈钢制作，用于进行物理固定。

2.1.2 S7—300的系统结构

S7—300采用紧凑的、无槽位限制的模块式结构，将电源模块（PS）、CPU模块、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上。导轨是一条专用的金属机架，安装时只需要将模块钩在DIN标准导轨上，并用模块自带的螺栓固定即可。有多种不同长度的导轨可供选择，S7—300的安装如图2-2所示。

S7—300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来（只负责数据传输，对模块的供电需要单独从电源模块引出接线）。背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连接，每个模块都有一个总线连接器，总线连接器插在各模块的背后，负责连接本模块与其左侧的模块。安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器的端子上，前连接器用插接的方式安装在模块前门后面的凹槽中。

S7—300的电源模块通过电源连接器或导线与CPU连接，为CPU提供24V直流电源。电源模块还有一些端子可以为其他模块提供24V直流电源。

机架最左边是1号槽，最右边是11号槽。中央机架的1号槽安装电源模块，2号槽安装CPU模块，3号槽安装的是接口模块，这3个槽号被固定占用，不能安装其他模块，信号模块、功能模块和通信处理器模块可以不受限制地插到机架的4～11槽的任一槽位上，系统自动分配模块的地址。每个机架最多只能安装8个信号模块、功能模块和通信模块。当系统需要大于8个模块时，则可以增加扩展机架，如图2-3所示。除了带CPU模块的中央机架（CR）外，系统最多可以增加3个扩展机架（ER）。每个机架可以插入8个模块（不包括电源模块、CPU模块和接口模块），4个机架最多可以安装32个模块，如图2-3所示。

S7—300的模块是通过总线连接器连接的，各个槽号是相对的。当某个槽位不使用时，如5号槽位上没有插任何模块，而4号槽位插有功能模块，6号槽位上插有信号模块，虽然5号槽位没有使用，但占用了一个槽位。在物理上，6号槽位和4号槽位的模块是连在一起的。

由于模块是用总线连接器连接的，因此槽号是相对的，在机架导轨上并不存在物理槽位。例如，在不需要扩展机架时，中央机架上没有接口模块，此时虽然3号槽位仍然被实际上并不存在的接口模块占用，中央机架上的CPU模块和4号槽的模块实际上是挨在一起的。

当需要扩展机架时，把接口模块插入3号槽，负责与其他扩展机架自动地进行数据通信。

如果只需要扩展一个机架，可以使用价格便宜的IM365接口模块对，两个接口模块用1m长的固定电缆连接，由于IM365接口模块没有通信总线，因此扩展机架1上只能安装信号模块，不能安装通信模块和其他智能模块。扩展机架的电源由IM365提供，两个机架的直流5V电源的总电流应在允许值之内。

当需要扩展3个机架时，可以使用IM/360/361接口模块，中央机架（CR）使用IM360，扩展机架（ER）使用IM361，各相邻机架之间的电缆最长为10m。每个IM361需要一个外部24V电源，向扩展机架上的所有模块供电，可以通过电源连接器连接PS 307负载电源。所有的S7—300模块均可以安装在ER上。接口模块是自组态的，无需进行地址分配。

每个机架上安装的信号模块、功能模块和通信模块除了不能超过8块外，还受到背板总线直流5V供电电流的限制。中央机架（0号机架）的直流5V电源由CPU模块产生，其额定电流值与CPU的型号有关。扩展机架的背板总线的直流5V电源由接口模块IM361产生，各类模块消耗的电流可查阅有关的手册。

2.1.3 模块诊断与过程中断

有的S7—300信号模块具有对信号进行监视（诊断）和过程中断的智能功能。

（1）模块诊断功能

通过模块诊断可以确定数字量模块获取的信号是否正确，或模拟量模块的处理是否正确。

数字量I/O模块可以诊断出无外部电压、共模故障、组态/参数错误、断线、测量范围上溢出或下溢出等故障。模拟量输出模块可以诊断出无外部电压、组态/参数错误、断线和对地短路等故障。

（2）过程中断

通过过程中断，可以对过程信号进行监视和响应。

根据设置的参数，可以选择数字量输入模块的每个通道组是否在信号的上升沿、下降沿产生过程中断，或在两个边沿都产生过程中断。信号模块可以对每个通道的一个中断进行暂存。

模拟量输入模块通过上限值和下限值定义一个工作范围，模块将测量值与上、下限值进行比较，如果通过限制，则执行过程中断。

执行过程中断时，CPU暂停执行用户程序，或暂停执行低优先级的中断程序，来处理相应的诊断中断功能模块（OB40）。