跟廖常初老师学PLC:西门子S7-300系统PLC简介

2016/9/8 0:35:46 人评论 次浏览 分类:PLC应用  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/1067.html

本文节选自廖常初编写的西门子PLC经典教材《S7-300/400 PLC应用技术》。廖常初老师从S7-300的组成结构、系统结构、I/O地址的确定、模块诊断与过程中断几方面对西门子S7-300系列PLC作简单介绍。

西门子S7-300的概

大、中型PLC(例如西门子的S7-300和S7-400系列)一般采用模块式结构,用搭积木的方式来组成系统,模块式PLC由机架和模块组成。S7-300是模块化的中小型PLC,适于中等性能的控制要求。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务,用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块,维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时、可以增加模块,对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力,使其应用十分灵活。

S7-300的CPU模块(简称CPU)集成了过程控制功能,用于执行用户程序。每个CPU都有一个编程用的RS485接口,有的还带有集成总线PROFIBUS-DP接口或PtP(点对点)串行通信接口,S7-300不需要附加任何硬件、软件和编程,就可以建立一个MPI(多点接口)网络,如果有PROFIBUS-DP接口,可以建立一个DP网络。

S7-300的通信功能、通信模块、通信的设置与编程的详细情况见本站随后发布的技术文章。
西门子S7-300

功能最强的CPU的RAM存储容量为512kB,有8192个存储器位,512个定时器和512个计数器,数字量通道最大为65536点,模拟量通道最大为4096个。由于使用Flash EPROM,CPU断点后无需后备电池也可以长时间保持动态数据,使S7-300成为完全无维护的控制设备。

S7-300/400有很高的电磁兼容性和抗振动抗冲击能力。S7-300标准型的环境温度为0-60.环境条件扩展型的温度范围为-25-+60,有更强的耐振动和耐污染性能。

通过系统功能和系统功能块的调用,用户可以使用集成在操作系统内的程序,从而显著地减少所需要的用户存储器容量,他们可以用于中断处理、出错处理、复制和处理数据等。

S7-300/400的编程软件STEP 7功能强大,使用方便。S7-300有350多条指令。

STEP 7的功能块图和梯形图编程语言符合IEC 61131标准,语句表编程语言与标准IEC稍有不同,以保证与STEP 5的兼容性,3种编程语言可以相互转换。用转换程序可以将西门子的STEP 6或TISOFT编写的程序转换到STEP 7。STEP 7还有SCL、GRAPH和HiGrahp等编程语言供用户选购。

计数器的计数范围为1-999,定时器的定时范围为10ms-9990s。可以使用IEC标准的定时器和计数器。

STEP 7通过带标准用户接口的软件工具来为所有的模块设置参数,可以节省用户入门的时间和培训的费用。

CPU用智能化的诊断体统连续监控系统的功能是否正常,记录错误和特殊系统事件(例如超时、模块更换等)。S7-300有看门狗中断、过程报警、日期时间中断和定时中断功能。

操作员控制和监视显得日益重要,S7-300/400已将HMI(人机接口)服务集成到操作系统内,因此大大减少了人机对话的编程要求。SIMATIC人机界面从S7-300中获得数据,S7-300/400按用户指定的刷新速度自动地传递这些数据。

S7-300的组成部件
西门子S7-300 PLC是模块式的PLC,它由以下几个部分组成:
(1)中央处理单元(CPU) 
各种CPU有不同的性能,例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点,有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒(有的CPU没有)。

(2)负载电源模块(PS) 
负载电源模块用于将AC220V电源转换为DC24V电源,供CPU和I/0模块使用。额定输出电流有2A、5A和10A 3种,过载时模块上的LED闪烁。

(3)信号模块(SM)
信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称,它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配:信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块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阻、热电偶、DC4-20mA和DC0-1OV等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器,现场的过程信号连接到前连接器的端子上。

(4)功能模块(FM)
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务,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、未定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、超声波位置解码器等。

(5)通信处理器(CP)
通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信,可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i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(IM)
接口模块用于多机架配置时链接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架和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。

(7)导轨
铝质导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块。

S7-300的系统结构
S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构,电源模块(PS) 、CPU、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。导轨是一种专用的金属机架,只需将模块钩在DIN标准的安装导轨上,然后用螺栓锁紧就可以了。有多种规格的导轨供用户选择。

电源模块总是安装在机架的最左边,CPU模块紧靠电源模块。如果有接口模块,它放在CPU模块的右侧。

S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上,模块通过U形总线连接器相连,每个模块都有一个总线连接器。,后者插在各模块的背后。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,前连接器与模块是分开订货的。

S7-300的电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连,为CPU模块提供DC24V电源。PS307电源模块还有一些端子可以为信号模块提供DC24V电源。
更换模块时只需松开安装螺钉,拔下已经接线的前连接器。前连接器上的编码块用于防止将已接线的连接器插到其他模块上。

信号模块和通信处理器模块可以不受限制地插在任何一个槽上,系统可以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、功能模块或通信处理器模块。如果系统任务需要的这些模块超过8块,则可以增加扩展机架,有的低端CPU没有扩展功能。

除了带CPU的中央机架(CR),最多可以增加3个扩展机架(ER)每个机架可以插8个模块(不包括电源模块、CPU模块和接口模块IM),4个机架最多可以安装32个模块。

机架的最左边是1号槽,最右边是11号槽,电源模块总是在1号槽的位置。中央机架(0号机架)的2号槽上是CPU模块。这3个槽号被固定占用,信号模块、功能模块和通信处理器使用4-11号槽。

因为模块是用总线连接器连接的,而不是像其他模块式PLC那样,用焊在背板上的总线插座来安装模块,所以槽号是相对固定的,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紧挨在一起的。

如果有扩展机架,接口模块占用3号槽位,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IM 365接口模块对,两个接口 模块用1m长的固定电缆连接。由于IM 365不能给机架1提供通信总线,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。扩展机架的电源有IM 365提供,两个机架的DC5V电源的总电流应在允许值之内。

使用IM 360/361接口模块可以扩展3个机架,中央机架(CR)使用IM 360,扩展机架(ER)使用IM 361,各相邻机架之间的电缆最长为10m。每个IM361需要一个外部DC24V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。 
多机架的S7-300 PLC
每个机架上安装的信号模块、功能模块和通信处理器除了不能超过8块外,还受到背板总线DC5V供电电流的限制。0号机架的DC5V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DC5V电源由接口模块IM361产生,各类模块消耗的电流可查S7-300模板手册。

S7-300系列PLC的I/O模块地址的确定
S7-300的开关量地址由地址标识符、地址的字节部分和位部分组成,一个字节由0-7这8个位组成。地址标识符I表示输入,Q表示输出,M表示存储器位。例如I3.2是一个数字输入量的地址,小数点前面的3是地址的字节部分,小数点后的2表示这个输入点是3号字节中的第2位。

开关量除了按位寻址外,还可以按字节、字和双字寻址。例如输入量I2.0-12.7组成输入字节IB2,B是Byte的缩写;字节IB2和IB3组成一个输入字IW2,W是Word的缩写,其中的IB2为高位字节;IB2-IB5组成一个输入双ID2,D是Double Word的缩写,其中的IB2为最高位的字节。以组成字和双字的第一个字节的地址作为字和双字的地址。

S7-300的信号模块的字节地址与模块所在的机架号和槽号有关,位地址与信号线接在模块上的哪一个端子有关。

对于数字量模块,从0号机架的4号槽开始,每个槽位分配4B(4个字节)的地址,相当于32个I/O点(见表1)。最多可能有32个数字量模块,共占有32×4B=128B。
                                                表1  S7-300 PLC的I/O模块的字节地址
S7-300 PLC的I/O模块的字节地址

                                                 表2   S7-300 PLC信号模块地址举例
S7-300 PLC信号模块地址举例

模拟量模块以通道为单位,一个通道占一个字地址,或两个字节地址。例如模拟量输入通道IW640由字节IB640和IB641组成。S7-300位模拟量模块保留了专用的地址区域,字节地址范围为IB256-767。可以用装载指令和传送指令访问模拟量模块。

一个模拟量模块最多有8个通道,从256开始,给每一个模拟量模块分配16B(8个字)的地址。

数字量输入/输出块内最低的位地址(例如I0.0)对应的端子位置最高,最高的位地址(例如16点输入模块的I1.7)对应的端子位置最低。

模块诊断与过程中断
1、模块诊断功能
S7-300有的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:通过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。

数字量输入/输出模块可以诊断出以下故障:无编码器电源、无外部辅助电压、无内部辅助电压、熔断器熔断、看门狗故障、EPROM故障、RAM故障、过程报警丢失。

模拟量输入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。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。

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每个通道组是否在信号的上升沿、下降沿,或两个边沿都产生中断,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。如果超限,则执行过程中断。执行过程中断时,CPU暂停执行用户程序,桌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块(OB40)。

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