《电气控制基础与可编程控制器应用教程》课件第五章.ppt

1、5.1 S7-300系列系列PLC的特点和构成的特点和构成5.2 S7-300系列系列PLC的模块性能简介的模块性能简介5.3 S7-300的配置的配置思考题与习题思考题与习题第5章SIMATIC S7-300系列PLC的硬件系统主要内容：主要内容：(1)熟悉S7-300系列PLC的构成。(2)掌握CPU模块构成、I/O模块原理和应用。(3)熟悉功能模块的作用。(4)熟悉各种模块的编址。SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司于1995年陆续推出的，它是在S5系列基础上开发的一种高性能PLC系列。该系列有小型的S7-200系列、中小型的S7-300系列和高性能的S7-400系列PLC。S

2、IMATIC S7系列PLC均采用模块化、无风扇的结构，易于用户掌握，各种单独的模块之间可进行广泛组合以利于扩展。其应用领域包括专用机床、纺织机械、包装机械、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业。多种性能递增的CPU和带有许多方便功能的I/O扩展模块及功能模块，使用户可以完全根据实际应用而选择。S7-300是模块化的中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，目前已成为各种从小规模到中等性能要求控制任务中方便又经济的解决方案。本章主要介绍SIMATIC S7-300系列PLC的硬件系统，包括各个硬件的特性和主要模块。和其他PLC一样，SIMATIC S7-30

3、0系列PLC也是采用循环扫描方式，即CPU首先扫描输入模块的状态并更新过程映像寄存区，接着执行用户程序，并且按照用户程序将输出映像寄存区的值输出到输出模块。PLC会不断循环地执行上述过程。S7-300系列PLC提供了多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块和功能模块，使得用户能够根据具体任务选择相应的模块来进行控制任务的设计。该系列PLC具有强大的功能支持及用户进行编程启动和维护等帮助功能，其主要功能如下：5.1 S7-300系列系列PLC的特点和构成的特点和构成(1)高速的指令处理。0.10.6 s的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。(2)浮

4、点数运算。用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。(3)方便用户的参数赋值。一个带有标准用户接口的工程软件可给所有模块进行参数赋值，从而节省了入门和培训的费用。(4)人机界面(HMI)。方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面(HMI)从S7-300中交换数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送。(5)诊断功能。CPU的智能化的诊断系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)。(6)口令保护。多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密

5、，防止未经允许的复制和修改。(7)操作方式选择开关。操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当其拔出时，就不能改变操作方式。新式的已改为位置开关，无钥匙。5.1.1 S7-300系列系列PLC的特点的特点 S7-300系列PLC具有模块化设计、安装方便、模板的诊断及过程监视等特点。1.模块化设计模块化设计如图5-1所示，S7-300系列PLC为模块化的无风扇设计，由电源模块(PS)、CPU模块、接口模块(IM)和信号模块(SM)等构成，各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务。同时，其具有简单实用的分布式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。当用户的控制任务增加时，可自由扩展模块，所有

6、这些模块均安装在一个或者多个DIN导轨上，模块和模块之间用总线连接器连接，CPU模块通过总线给每一个模块的每一个输入/输出点安排相应的地址，用户只需对这些点按照地址进行编程即可使用。大量的集成功能使S7-300系列PLC的功能非常强劲，而模块化微型PLC系统的设计可以满足中、小规模的控制性能要求。图5-1 S7-300系列PLC结构2.安装方便安装方便安装方便主要表现在以下几个方面：(1)DIN标准导轨安装。只需简单地将模块挂在DIN标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧即可，如图5-1所示。(2)集成的背板总线。背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。(3

7、)更换模块简单并且不会弄错。更换模块时，只需松开安装螺钉，拔下已经接线的前连接器。连接器上的编码可防止将已接线的连接器插到其他的模块上。(4)可靠的接线端子。信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子。(5)TOP连接。采用一个带螺钉或夹紧连接的13线系统预接线，或者直接在信号模块上接线。(6)确定的安装深度。所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此，所有的模块都有相同的安装深度。(7)没有槽位的限制。信号模块和通信处理器模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。(8)灵活布置。机架(CR/ER)可以根据最佳布局需要，水平或垂直安装。(9)独立安装。每个机架可以距离

8、其他机架很远进行安装，两个机架间(主机架与扩展机架，扩展机架与扩展机架)的距离最长为10 m。(10)如果用户的自控系统任务需要多于8个信号模块或通信处理器模块，则可以扩展 S7-300机架(CPU314以上)。3.模块的诊断及过程监视模块的诊断及过程监视S7-300系列PLC具有能对输入/输出模块的信号进行监视(诊断)和对过程信号进行监视(过程中断)等多种功能。一旦获得中断信号，CPU将中断执行用户程序，或中断执行低优先级的中断，来处理相应的诊断中断功能。(1)诊断。通过诊断可以确定模块所获取的信号(例如数字量模块)或模拟量处理(例如模拟量模块)是否正确。如果发送诊断信息(例如无编码器电源)

9、，则模块执行一个诊断中断。(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。数字量输入模块中断。根据设置的参数，模块可以对每个通道组进行过程中断，可以选择信号变化的上升沿、下降沿或两个沿均可。模拟量输入模块中断。通过上限值和下限值定义一个工作范围，模块将对测量值与这些限制值进行比较，如果超限，则执行过程中断。5.1.2 S7-300系列系列PLC编程软件和工具软件编程软件和工具软件使用基本的STEP 7或STEP 7-Lite软件包，以及高级的集成软件包STEP 7 Professional便可对S7-300进行编程，并能以简单、用户友好的方式利用S7-300的全部功能。该工程软件还

10、包含自动化项目中所有阶段(从项目组态到调试、测试以及服务)的功能。1编程软件编程软件1)STEP 7-LiteSTEP 7-Lite是一种低成本、高效率的软件，使用SIMATIC S7-300 可以完成独立的应用。STEP 7-Lite 的特点是能迅速地进入编程和简单的项目处理。它不能与辅助的SIMATIC 软件包(例如工程工具)一起使用。同时，STEP 7-Lite 编写的程序可以由STEP 7进行处理。2)STEP 7 STEP 7编程软件用于SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinAC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，使用广泛。STEP 7编程软件界面如图5-2所示。S

11、TEP 7的使用将在第8章中详细介绍。图5-2 STEP 7编程软件界面STEP 7具有硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等功能。使用STEP 7可完成较大或较复杂的应用，例如，需要用高级语言、图形化语言进行编程或使用功能、通信模块。STEP 7能和辅助的SIMATIC软件包(例如编程工具)互相兼容。STEP 7中可以使用以下编程语言：(1)LAD梯形图语言。它是一种符号语言，结构类似于电气梯形图。(2)FBD功能图。类似于数字逻辑电路图，根据逻辑关系来设计控制系统。(3)STL功能指令。用助记符指令来编写控制程序，类似于汇编程序，其功能强大。另外，还有

12、顺序功能图和结构化文本(STEP 7 Professional)，及由这些语言所建立的程序的离线仿真工具。2.工具软件工具软件工具软件以用户友好、面向任务的方式对自动化系统进行附加的编程。工具软件所提供的编程工具如表5-1所示。表表5-1 S7-300编程工具编程工具CPU的编程工具有下列几种：(1)所有的CPU均能使用STL、LAD和FBD基本语言进行编程。(2)如需使用S7-SCL高级语言，建议选择CPU 313C、CPU 314或更高等级的CPU。(3)如需使用图形化语言(S7-GRAPH，S7-HiGraph和CFC)，建议选择CPU 314或更高等级的CPU。5.1.3 S7-300

13、系列系列PLC的硬件构成的硬件构成S7-300系列PLC采用了模块化的设计结构，各种模块之间可以进行组合和扩展。在进行硬件设计时，可根据具体控制任务选用相应的模块。一台S7-300系列PLC是由一个机架和一个或者多个扩展机架组成的。扩展机架是当主机架无法满足多个安装时所采用的机架，其中CPU所在的机架为主机架。S7-300系列的模块机架是导轨(RACK)，使用该导轨可以安装所有S7-300的模块，主要有电源模块(PS)、CPU模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)和功能模块(FM)等。S7-300系列PLC可以通过MPI网和编程器PG、操作员面板OP与其他PLC进行连接通信。S7-

14、300 系统硬件如图5-3所示。图5-3 S7-300系统硬件5.2.1 电源模块电源模块(PS307)1.功能和型号功能和型号电源模块提供了机架和CPU内部的供电电源，必须置于1号机架的位置。电源模块用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230 V交流电源(PS307)或者连接到直流电源(PS305)。电源模块将120/230 V交流电压或者24/48/72/96/110 V直流电压转换为PLC所需要的24 V直流工作电压，输出电流有2A、5 A和10 A三种类型，用户可以根据选择的PLC和现场供电情况来选择相应的电源模块。5.2 S7-300系列系列PLC的模块性能简介的模块性

15、能简介电源模块是通过电缆和CPU模块及其他模块之间进行连接供电的，而不是通过背板总线与其他模块进行连接。也就是说，背板总线不和电源连接。电源模块特性如表5-2所示，选用时需要注意其驱动能力(电流值)。表表5-2 S7-300电源模块特性电源模块特性2.结构结构电源模块的总体结构如图5-4所示(以PS307为例)，其各部分功能如下：(1)24V(DC)指示灯：该灯用来指示24V直流电的有无，当有24V电源时，该指灯亮。(2)电压选择开关：电源模块可以接入110 V(AC)或者230 V(AC)，在我国使230 V(AC)，所以需要拨至230 V位置处。(3)24 V通/断开关：当置于1时，电源提

16、供24 V(DC)电源；当置于0时，24 V(DC)电源被切断。(4)系统电压接线端子：用来接入110 V(AC)/230 V(AC)电源，其中L1端输入为相线，N端为零线，另一端子为接地线。(5)24 V(DC)输出端子：输出24 V(DC)电源，其中L+为正极，M为负极。图5-4 电源模块的总体结构3.电源电源如图5-5所示为电源模块PS307 2A的基本电路原理图。图中110/230 V(AC)电源通过整流后转换为直流电源，在控制电路控制开关管的高频工作下，将直流电源变为高频的交变电流，通过开关变压器后，在次级产生高频的24 V电压，再经过整流变为24 V直流电源，供给PLC工作。图5-

17、5 电源模块PS307 2A基本电路原理图S7-300中，除了使用CPU模块的电源外，其他模块所需的电源是由背板总线提供的，一些模块还需从外部负载电源供电。在组建S7-300应用系统时，考虑每个模块的电流耗量和功率损耗是非常必要的。所有模块从S7-300背板总线吸取的电流总和不能超过1200 mA，对于CPU 312IFM，则不能超过800 mA。一个实际的S7-300 PLC系统，在确定所有的模块后，要选择合适的电源模块。要保证所选择的电源模块的输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块和其他模块总消耗的功率之和。而且，当同一电源模块同时为主机单元和扩展电源供电时，要保证从主机电源到最远一个

18、扩展电源的线路压降不超过0.25 V，通常，对于多机架系统，每个机架有一个电源模块。5.2.2 CPU模块模块CPU存储并处理用户程序，为模块分配参数，通过嵌入的MPI总线处理编程设备和PC、模块、其他站点之间的通信，并可以为DP主站或从站操作装配一个集成的DP接口，置于2号机架。各种CPU有不同的性能，如有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通信接口等。S7-300系列PLC有多种类型，其中每一种类型的PLC又有多种CPU模块型号可供选择，表5-3为S7-300系列PLC的种类及其CPU系列号和功能。不同类型的PLC有不同的用途，其中S7-300为通用型，S

19、7-300C为紧凑型，S7-300F为故障安全型，S7-300T为技术型，SIPLUS S7-300为宽温度型。为了方便，本书后面所提到的S7-300系列PLC均指S7-300通用型系列。S7-300可选用多种不同系列的CPU，其CPU技术数据如表5-4所示。表表5-3 S7-300系列系列PLC的种类及其的种类及其CPU系列号和功能系列号和功能续表续表表表5-4 S7-300系列系列PLC的的CPU技术数据技术数据1.CPU模块操作员控制和显示单元模块操作员控制和显示单元PLC的CPU模块中集成了CPU、存储器和部分通信接口。各种不同的CPU有各自不同的性能，例如，有些CPU模块还集成了模拟

20、量输入/输出模块和数字量输入/输出模块部件，类似于计算机主机，PLC的CPU模块集成了一台计算机的基本功能。下面以CPU 315-2 DP为例介绍CPU模块结构，如图5-6所示，其中各部分功能如下：图5-6 CPU模块结构(1)指示灯：用来作常规状态和故障显示。SF：红色指示灯，表示硬件故障或软件错误。DC5V：绿色指示灯，为CPU和S7-300总线提供5 V电源。FRCE：黄色指示灯，当LED亮时，表示已激活的强制作业有效。RUN：绿色指示灯，CPU在“RUN”状态下，STARTUP期间LED以2 Hz的频率闪烁，在“HOLD”状态下以0.5 Hz的频率闪烁。STOP：黄色指示灯，CPU处于

21、“STOP”或“HOLD”或“STARTUP”状态下，当CPU请求存储器复位时，LED以0.5 Hz的频率闪烁，在复位期间以2 Hz的频率闪烁。BUSF：红色指示灯，用于表示DP接口(X2)处的总线错误。对于其他CPU模块还有其他指示灯，可查阅相关手册。(2)开关：用于设置CPU的操作模式。RUN：RUN模式，CPU执行用户程序。STOP：STOP模式，CPU不执行用户程序。MRES：带有用于CPU存储器复位的按钮功能的模式选择器开关位置。置于该位置时可以使存储器复位。(3)MPI通信接口：所有CPU都配有一个MPI接口X1，它表示用于PG/OP(编程器/操作面板)连接或在MPI子网中进行通信

22、的CPU接口。(4)DP通信接口：带有“DP”名称后缀的CPU至少配有一个DP X2接口，主要用于连接分布式I/O。例如，PROFIBUS-DP允许创建大型子网。可将PROFIBUS-DP接口设置为在主站或从站模式下运行，支持的传输率最高可达12 Mb/s。(5)电源接线端子：每个CPU都配有一个双孔电源插座。CPU出厂时，带有螺丝接线端子的连接器即插在此插座中，连接110 V/230 V(AC)电源(PS307)。(6)微型存储卡(MMC)的插槽：用来插入MMC卡，包括弹出器和SIMATIC微型存储卡(MMC)，MMC卡被用作存储器模块。用户可以将 MMC 用作装载存储器和便携式存储介质。(

23、7)电池盒：用来装入备用电池。备用电池的作用是保存用户程序。使用MMC则不需保护电池。上面介绍了CPU模块的结构，但是每一种CPU模块又有自己的特性，所以在使用时需要查阅相关技术手册。2.S7-300的的CPU模块组成模块组成S7-300系列PLC和其他类型的PLC类似，其CPU模块也是由中央处理器单元(CPU)、存储器单元、输入/输出单元、通信端口和I/O扩展端口等组成的，它将这几种单元组装在一个箱体内构成PLC的主机，即CPU模块。1)中央处理器单元(CPU)和通用计算机一样，CPU是PLC的核心部分，它按照PLC中的系统程序来控制整个PLC有条不紊的运行，其主要任务是接受并存储从编程器或

24、者接口输入的用户程序，在运行时不断扫描I/O口输入的现场状态和数据，并且存入输入映像存储器和数据存储器中，从存储器中逐条读取用户指令，按照用户指令进行数据的传递或者运算，并且根据运算结果更新标志位的状态和输出映像存储器中的内容，再经过输出逻辑部件实现输出控制、指标打印或者数据的通信等功能。同时，PLC具有诊断内部电路的工作故障和指令的语法错误的功能。2)存储器单元PLC的CPU存储器单元包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，其被固化在ROM中，用户不能直接修改。用户存储器分为用户程序存储器(存放用户程序)和功能存储器(存放数据)两部分。下面根据其功能

25、将存储区分为三个部分来介绍，分别是系统存储区、装载存储区和工作存储区。(1)系统存储区。系统存储区集成在CPU中，无法扩展，包括标志位、定时器和计数器的地址区、I/O的过程映像和局域数据。(2)装载存储区。微存储卡MMC可作为CPU的存储器，用来保存用户程序(所有的程序块)、归档和配方、组态数据(STEP 7项目)和操作系统更新及备份数据等。微存储卡有2 MB、4 MB、8 MB、64 KB、128 KB、512 KB等多种型号。MMC中的数据(程序)在程序下载时便写入，其使用EPROM结构，使得它在电源故障或者存储器复位时均能保持数据。同样，工作内存的数据在断电时也是备份在MMC中，所以数据

26、块的内容能永久保存。(3)工作存储区(RAM)。RAM都是被集成在CPU模块中，使用时无法进行扩展。它可用来运行程序指令并处理用户程序数据。像计算机一样，程序只能在RAM和系统存储区中运行，RAM具有保持功能。3.通信接口通信接口SIMATIC S7-300的CPU中集成了MPI和DP等不同的通信接口。1)多点接口(MPI)多点接口(MPI)用于连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。它是一个经济而有效的解决方案，方便用户的STEP 7界面提供了通信组态功能，使得组态非常容易、简单，如图5-7所示。图5-7 S7-300/400的通信网络所有CPU

27、都配有一个MPI接口X1，组态配有MPI/DP接口的CPU作为MPI节点可实现MPI通信，而要使用DP接口时，需要在STEP 7中设置DP接口模式。MPI(多点接口)表示用于PG/OP连接或在MPI子网中进行通信的CPU接口，所有CPU的典型(缺省)传输率为187.5 kb/s。对于与S7-200的通信，还可以将传输率设置为19.2 kb/s，而315-2 PN/DP和317 CPU支持高达12 Mb/s的传输率。2)通过PROFIBUS-DP接口通信所有的CPU模块至少配有一个DP X2接口。315-2 PN/DP和317 CPU配有一个MPI/DP X1接口。带有MPI/DP接口的CPU带

28、有缺省的MPI组态。如果要使用DP接口，则需要在STEP 7中设置DP模式。PROFIBUS-DP接口主要用于连接分布式I/O。例如，PROFIBUS-DP允许创建大型子网。可将PROFIBUS-DP接口设置为在主站或从站模式下运行，支持的传输率最高可达12 Mb/s。如图5-8所示，能进行PROFIBUS-DP通信的设备有PG/PC、OP/PG和带有PROFIBUS-DP接口的ET200等。图5-8 PROFIBUS-DP通信3)通过PROFINET(PN)通信带有“PN”名称后缀的CPU配有一个PN X2接口。使用CPU的集成PROFINET接口可与“工业以太网”建立连接。可通过MPI或P

29、ROFINET组态CPU的集成PROFINE接口。能进行PROFINET(PN)通信的设备有PROFINET IO组件(如ET 200S中的接口模块IM 151-3 PN)、带有PROFINET接口的S7-300/S7-400、激活的网络组件(如开关)和带有网卡的PG/PC。4)通过点对点(PtP)通信带有“PtP”名称后缀的CPU配有一个PtP X2接口。使用CPU的PtP接口，可使串行接口连接外部设备。PtP接口可以在全双工模式下以高达19.2 kb/s的传输率(RS-422)或半双工模式下以高达38.4 kb/s的传输率(RS-485)来运行。使用PtP通信可以通过串行端口交换数据。Pt

30、P通信可用于自动化设备、计算机或由其他厂商提供的具有通信功能的系统之间的互连。该功能还允许使用通信伙伴的协议。可通过PtP通信的设备有SIMATIC S7和SIMATIC S5及第三方系统、打印机、机器人控制、扫描仪和条码阅读器等，如图5-9所示。图5-9 点对点(PtP)通信4.循环和响应时间循环和响应时间每一个过程都有其循环时间和响应时间。1)循环时间一个程序被执行一周所占用的时间为程序循环时间，其执行顺序如下：操作系统启动CPU将输出的过程映像数值复制到输出模块CPU读输入模块的状态并刷新输入过程映像CPU处理并执行用户程序循环结束CPU回到循环开始处并重新启动循环时间监控。由于每一个用

31、户程序都是不同的，因此循环时间各不相同，但是在STEP 7中监视时间均有其最大值和最小值，用户可以规定CPU的执行时间超过最大循环时间为超时错误，并予以处理。2)响应时间响应时间是指从检测到一个输入信号至响应输出信号之间所需的时间。响应时间受到循环时间和其他因素的影响，使得其介于最短响应时间和最大响应时间之间。为了使PLC能快速响应用户程序，在程序中我们可以通过访问I/O或者使用中断来提高响应时间。5.2.3 信号模块信号模块S7-300系列PLC有多种型号的信号模块，如表5-5所示。信号模块通过背板总线和CPU模块连接，由CPU模块为其提供电源，并且给信号模块的每一个输入和输出点分配地址。当

32、有数据输入时，输入数据被逻辑电路存放于输入映像存储区，由CPU进行扫描获得；当有数据输出时，CPU将刷新输出映像存储区，逻辑电路将输出映像存储区的数据通过输出模块输出。表表5-5 S7-300系列系列PLC的的I/O模块技术数据表模块技术数据表信号模块(SM)包括数字量输入/输出模块(DI/DO)和模拟量输入/输出(AI/AO)模块。它可用于数字信号和模拟信号的输入/输出，或者进行连接，如传感器和启动器的连接。信号处理模块主要分为四类，即开关量输入DI、开关量输出DO、模拟量输入AI、模拟量输出AO。如经常使用的SM321是16点输入的开关量输入模块；SM322为16/8点输入/输出的开关量输

33、出模块；SM331为8点模拟量输入模块，用于电阻测量时为4点输入；而SM332为4点模拟量输出模块。每一种信号模块有不同的性能。数字量输入模块将工业现场信号通过光电隔离和滤波处理后送至背板总线，等待CPU的处理。数字量输出模块将CPU的数据信号通过光电隔离和驱动等处理后送至模块的接口，驱动外部电路。模拟量输入模块将工业现场信号经过模拟通道开关和A/D转换器转换成位数字信号，并通过光电隔离后送至CPU的数据总线上，由CPU进行采集处理。模拟量输出模块则将CPU的数据信号通过光电隔离、D/A转换后送至模块接口。下面通过一部分典型模块对其进行介绍。1数字量输入数字量输入/输出模块输出模块1)数字量输

34、入模块SM321数字量输入模块的作用是将工业现场的数字信号电平转换成S7-300的内部信号电平。信号从现场输入到模块后，通过光电隔离和滤波处理转换成PLC的电平信号送至输入缓冲器，等待CPU采样，采样后的数据信号通过背板总线进入输入映像区，由CPU进行响应处理。S7-300有近三十种数字量输入模块(SM321)，其原理和功能是相同的，只是不同序列号的模块的性能有所差异，在使用中需要注意。数字量输入模块根据输入方式有直流输入方式和交流输入方式两种。SM321数字量输入模块通常按输入点数区分为四种型号，即直流16点输入、直流32点输入、交流16点输入和交流8点输入，如表5-6所示。与直流输入模块相

35、比，交流输入模块在信号通道前部有一个全桥整流，交流信号经过整流、滤波后转换直流信号，在进入光电隔离器隔离后进入数据总线。表表5-6 SM321数字量输入模块数字量输入模块数字量信号的每一通道信号进入数据总线后只占一位。也就是说，8个数据通道为1 Byte数据。图5-10为SM321：DI32_24VDC模块原理图，其输入为32点，24 V直流输入信号，适用于开关输入或者2/3/4线接近开关输入。图5-11为该模块的信道地址分配。图5-12为SM321：DI16 _ 120 VAC模块原理图，该模块具有16点输入，独立组数为4组，120 V交流电压信号输入，适合于开关或者2/3线交流接近开关信号

36、。图5-10 SM321：DI32_24VDC模块原理图图5-11 SM321：DI32_24VDC模块的信道地址分配图5-12 SM321：DI16_120VAC模块原理图2)数字量输出模块SM322数字量输出模块的作用是将PLC的数字信号电平通过光电隔离和驱动等处理后转换为外部数字量信号，该输出信号可用来驱动电磁阀、接触器、继电器、微电机、电灯等负载，具体驱动能力需要看其驱动电流的大小。CPU输出的数据信号通过背板数据总线送至模块，通过光电隔离后进入驱动电路，驱动电路可以由晶体管、可控硅或者继电器输出，输出信号可以驱动一定的负载。其中逻辑1为高电平输出，0为低电平输出。按照负载回路所使用的

37、电源可将数字量输出模块分为直流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块三种。按照输出开关器件的不同，可将数字量输出模块的方式分为晶体管输出、可控硅输出和继电器输出。其中：晶体管输出为直流输出方式，其具有响应速度快的优点，适合于高速信号；可控硅输出为交流输出方式，其响应速度较慢，具有无触点、寿命长等优点；继电器输出为交直流输出方式，其响应速度慢，但是隔离效果好。数字量输出模块SM322有多种型号可供选择，常用的有8点晶体管输出、16点晶体管输出、32点晶体管输出、8点可控硅输出、16点可控硅输出、8点继电器输出和16点继电器输出等。如表5-7所示，其中列出了各种类型的性能。表表5-7 SM322数

38、字量输出模块数字量输出模块图5-13为SM322：DO32 _ 24 VDC/0.5 A模块原理图，其具有8组32点输出，直流24 V/0.5 A的驱动负载能力，可驱动干簧管、直流接触器和指示灯等负载。该模块的信道地址分配如图5-14所示，同样，每一个输出通道为1 bit，8个通道为1Byte。图5-15为SM322：DO16 _ 24 VDC/0.5 A模块原理图，其具有8组16点输出，直流24 V/0.5 A的驱动负载能力，可驱动干簧管、直流接触器和指示灯等负载。图5-13 SM322：DO32 _ 24 VDC/0.5 A模块原理图图5-14 SM322：DO32_24 VDC/0.5

39、A模块的信道地址分配图5-15 数字量输出模块SM322：DO16 _ 24 VDC/0.5 A继电器输出模块的响应速度较慢，但是对负载电压的范围很宽，直流范围为24120 V，交流范围为48230 V，并且可以使用交流，也可以使用直流。其电流取决于输出电容量和电压值，电压越高，电流越小。晶体管输出模块没有反极性保护措施，但是输出具有短路保护功能，适用于电磁阀和直流接触器，并且仅用于直流输出，输出电压范围很小。可控硅输出模块可以驱动交流电磁阀、交流接触器和指示灯等交流负载。可以将一组内的两个点并联输出，以使输出功率增大或者进行逻辑运算。该类模块上有红色指示灯，用来指示故障或者错误，当输出保险丝

40、断路或者负载电源脱开时，该指示灯变红。选用模块时，因为每个模块的共地情况不同，所以不仅要考虑输出类型，而且要考虑现场输出信号的负载回路供电情况。如现场需要4点信号，但是每一点的电源回路各不相同，则选用8点继电器输出的模块最为合适。3)数字量输入/输出模块SM323数字量输入/输出模块将数字量的输入和输出集成在了一个模块上。对于SM323而言，有8点共地输入/8点共地输出和16点共地输入/16点共地输出两种类型。数字量输入/输出模块SM323的类型及功能特点如表5-8所示。表表5-8 数字量输入数字量输入/输出模块输出模块SM3232模拟量输入模拟量输入/输出模块输出模块S7-300有一系列的模

41、拟量输入/输出模块，用来采集传感器的信号，或者直接输出给执行机构以驱动负载。CPU只能处理数字信号，所以对于模拟量输入模块，其作用是将输入的模拟量经过A/D转换为二进制数字量，由CPU采集处理；而模拟量输出模块的作用是将CPU的输出二进制数字信号通过D/A转换为模拟量后输出，如图5-16所示。S7-300的CPU用16位的二进制补码表示模拟量值，最高位为符号位，1为负数，0为正数。当数字量位数(A/D转换后)少于15位时(如12位和14位等)，将在数字量左侧(低位)填以0，仅用高位表示。被测值的精度可以调整，它取决于模拟量模块的位数和它的设定参数，如表5-9所示。图5-16 模拟量模块表表5-

42、9 S7-300模拟量位数模拟量位数S7-300的模拟量输入模块的输入范围很宽，可以接入电压、电流、电阻和热电偶等信号，而模拟量输出模块可以输出010 V，15 V、-1010 V电压信号或者420 mA、020 mA、-2020 mA等模拟电流信号。具体的模块可参阅相关技术手册。1)模拟量输入模块SM331模拟量输入模块主要由A/D转换器、模拟通道开关和光电隔离器等部件组成。其功能是将输入的模拟量信号(010 V或者420 mA)经过通道开关逐次接通，由A/D转换成为数字信号，经过光电隔离后送入存储映像区，等待CPU的采样。根据A/D转换器的位数不同，模拟量输入模块分为12位和16位两种。(

43、1)SM331的主要特点及性能。模拟量输入模块SM331的特点及性能如表5-10所示。SM331有AI812位模块(AI表示模拟量输入)、AI212位模块和AI816位模块三种类型。前两种除了通道数不相同之外，性能均相同。SM331的A/D转换器为积分转换，积分时间直接影响到A/D转换时间和A/D转换的精度，转换时间越长，转换精度越高。SM331有四种积分时间：2.5 ms、16.7 ms、20 ms和100 ms，对应的精度分别为8位，12位、14位和16位，相对应的位数分别为8位、12位、12位和14位。每一种积分时间都有一个最佳的噪声抑制频率f0，以上四种积分时间分别对应400 Hz、6

44、0 Hz、50 Hz和10 Hz。如当A/D的积分时间设为20 ms时，其转换精度为12位并且对频率为50 Hz的噪声干扰有很强的噪声抑制能力。由于我国的电源频率为50 Hz，故通常选用20 ms的转换时间。表表5-10 模拟量输入模块模拟量输入模块SM331续表SM331的转换时间由A/D积分时间和用途决定，用于电阻测量、断线监视等。对应于上述四种积分时间的基本转换时间分别为3 ms、17 ms、22 ms和102 ms，电阻测量的转换时间为1ms，断线监视的附加转换时间为10ms，电阻测量和断线监视都有的附加时间为16 ms。由于SM331的输入通道共享一个A/D转换器，故某一通道的模拟量

45、信号从初次转换到再次转换需要一定的时间间隔，这种时间间隔称为循环时间。循环时间是将所有通道转换一次所需要的时间，也就是对所有外部通道模拟量转换时间的总和。为了缩短循环时间，应用STEP 7组态工具可屏蔽掉不需要的通道，从而缩短循环时间。同样，为了更快地采样模拟量，在实际使用时，需要选用适合通道数的A/D转换模块。SM331的每两个输入通道构成一个输入信道组，可以按照信道组来选择测量方法和测量范围，每一组的参数是相同的。模块上需要接24 V(DC)和负载电压L+。模块有反接极性保护功能，对于变送器和热电偶的输入具有短路保护功能。由于模块与CPU模块之间的信号采用了光电隔离，故它具有一定的抗干扰性

46、能。(2)SM331与传感器的连接。SM331模块与CPU及负载电源之间采用了光电隔离。输入模块与电压型传感器、热电阻和热电偶的连接方法分别如图5-17图5-19所示。热电偶是由两根不同的金属或合金的导线相互焊接在一起制成的。热电偶根据使用的材料不同而分为K、J、E和N型等。如果热电偶测量端和自由端的温度不同，则在自由端之间会产生一个电压或热电势。图5-17 输入模块与电压型传感器的连接图 5-18 输入模块与热电阻的连接图5-19 输入模块与带补偿盒的热电偶的连接当模拟量模块与热电偶相连时，可根据参考点的位置选择内部补偿或外部补偿。如果使用内部补偿，则模块的内部温度作为比较的温度；如果使用外

47、部补偿，则通过补偿盒来考虑热电偶的参考点的温度。SM331使用参考接点温度为0的补偿盒，补偿盒必须使用一个带隔离的电源。和补偿盒连接的所有通道必须使用同一种类型的热电偶。2)模拟量输出模块SM332模拟量输出模块将CPU模块输出的数字信号通过光电隔离、D/A转换、数据处理后送至驱动电路。驱动电路主要有晶体管、可控硅和继电器三种。SM332有AO412位模块、AO212位模块和AO416位模块三种，分别为4通道12位D/A转换、2通道12位D/A转换和4通道16位D/A转换输出模块。其类型和特点如表5-11所示。图5-20为AO212位输出模块的电气原理图。由于通道数量和D/A转换器的影响，故模

48、拟量输出模块需要一定的转换时间、循环时间和响应时间。在模拟量输出模块中，每一个通道的转换是顺序循环执行的，D/A转换器的转换时间为每一通道的转换时间，当顺序地将所有通道转换完成后又一次开始转换时所用的时间为一个循环时间。在工业现场，为了快速响应输出量，需要较短的响应时间。响应时间是模拟量输出的重要指标之一，指内部存储器中出现数字量输出值开始到模拟量输出达到规定值所用时间的总和。它和负载的特性有关，负载不同(如阻性、感性和容性)，响应时间也不同。表表5-11 模拟量输出模块模拟量输出模块SM332图5-20 SM332模块端子接线及电气原理图SM332可以输出电压或者电流，如图5-21所示，当采

49、用2线回路或者4线回路与负载连接时，输出为电压值。将S0+/S1+和S0/S1-直接连接到负载，可在负载上直接测量和校准电压，而采用2线回路时，S0+/S1+和S0/S1-开路，形成开环输出，精度较4线回路低。如将负载连接到QI和M上时输出为电流，QI和QV为同一端子。图5-21 SM332与负载的连接SM322的每一个通道可以通过软件编程使其为电压输出或者电流输出，精度和D/A转换器的精度相关。为了防止干扰和保护PLC，在数据总线和模块之间使用了光电隔离。通过STEP 7组态工具或者SFC系统功能可设定SM332的中断允许、输出诊断、输出类型和范围、L+掉电或者模块故障后的替代值等参数。输出

50、模块的每一个通道为设置的一个通道，当某几个通道不使用时，可以通过设定输出类型撤除该信道，并让该信道输出保持开路。SM332与负载连接时，可以输出电压，也可以输出电流。在输出电压时，可采用2线回路和4线回路两种方式与负载连接。采用4线回路能够获得较高精度。图5-22所示为采用电流输出方式。图5-22 SM332与负载的连接3)模拟量输入/输出模块SM334SM334模块将模拟量输入和输出集成在了一个模块上，其有4输入/2输出、精度为8位和12位两种类型。该模块输入/输出量为010 V或者020 mA，所以在进行控制任务的设计时需要对输入信号和输出信号进行电信号的变换。模拟量输入/输出模块SM33