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四、 SIMATIC S7-300 PLC 及指令系统

四、 SIMATIC S7-300 PLC 及指令系统. 4.1 系统组成 4.2 系统配置 4.3 指令系统简介 4.4 程序结构 4.5 S7 PLC 的网络通信. 电源模块. CPU 模块. 通信模块. I/O 模块. DIN 导轨. 模块. 总线连接器. DIN 导轨. 4.1 S7-300 PLC 的系统组成. S7-300 PLC 的硬件构成 ： CPU 模块 接口模块（ IM ） I/O 模块（ SM ）

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四、 SIMATIC S7-300 PLC 及指令系统

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  1. 四、SIMATIC S7-300 PLC及指令系统 4.1系统组成 4.2系统配置 4.3指令系统简介 4.4程序结构 4.5 S7 PLC的网络通信

  2. 电源模块 CPU模块 通信模块 I/O模块 DIN导轨 模块 总线连接器 DIN导轨 4.1 S7-300 PLC的系统组成 S7-300 PLC的硬件构成 ： CPU模块 接口模块（IM） I/O模块（SM） 功能模块（FM） 电源模块（PS） 导轨（RACK）等

  3. 4.1.1 CPU单元 SIMATIC S7-300有多种性能级别的CPU： 1. 各种CPU均封装在一个紧凑的塑料壳体内 2. CPU上集成有MPI多点接口， MPI接口可以使PLC与其它PLC、OS、PG、OP等建立通信联系，可建立由多个站点组成的简单网络。 3. CPU31x –2集成Profibus-DP接口，适用于大范围分布式自动化结构。 4.通过模块扩展，可以实现EtherNet通信 5. 执行速率、存储器容量、可扩展I/O点数等都随着CPU序号的递增而增加。

  4. CPU单元—1

  5. 4.1.2 模拟量输入模块(SM331) 模拟量值的表示方法 SM331的输入测量范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、mV等信号 双极性是什么意思？ 单极性电压、电流输入的数字化表示：

  6. AI模块 转换程序 数字量 0～27648 -27648～27648 4～20mA 1～5VDC 0～10mA 0～20mA …… 工程量，如： 0～200kPa …… L PIW 400 //从端口地址（例如：400）读入十进制转换结果 T # Dec_in //存入临时变量Dec_in，＃表示临时变量 CALL "SCALE" //直接调用系统提供的转换函数，以下是输入输出参数 IN : =# Dec_in //入口参数：十进制转换结果 HI_LIM : =2.000000e+002 //入口参数：工程量上限200，kPa（PLC本身没有单位概念） LO_LIM : =0.000000e+000 //入口参数：工程量下限0 BIPOLAR : =FALSE //入口参数：TRUE为双极性，FALSE为单极性 RET_VAL : =#ret //出口参数：返回值（准确－－0，错误－－其它值） OUT : =#In_result //出口参数：工程量转换结果 变送器：把（0－200kPa）转换为（4－20mA） 模 块：把（4－20mA）转换为（0，27648） 程 序：把（0，27648）转换为（0－200kPa）的值（ In_result），共程序调用

  7. 量程块上的标记 模块上的标记 ch 0、1 ch 2、3 SM331模块的硬件设置 2种规格型号：8通道、2通道 ※模拟量模块装有量程块，调整量程块的方位可改变模块内部的硬件结构 ※每两个相邻输入通道共用一个量程块，构成一个通道组。 ※量程块是一个正方体的短接块，在上方有“A”，“B”，“C”，“D”四个标记 ※不同的量程块位置，适用于不同的测量方法和测量范围。

  8. SM331量程块设置对应关系 ：

  9. 诊断中断允许 限幅中断允许 通道组 通道组诊断 断线检查 信号类型 信号范围 积分时间设置 上下限设置 SM331模块的软件设置

  10. 二线制电流 四线制电流 SM331模块的信号连接 输入信号类型： 电压信号 电流信号 毫伏信号 电阻信号

  11. ＋ ＋ U U L＋ M － － 光隔 M+ ADC 总线 M－ M+ M－ MANA 电压信号连接 模块配置成电压输入(B)

  12. L＋ 4~20mA 4~20mA M I I 24VDC/220VAC 24VDC/220VAC 光隔 M+ ADC 总线 M－ M+ M－ MANA 电流信号连接 两线制仪表与四线制仪表？ 模块配置成四线制电流输入(C)，只接收4～20mA电流 四线制仪表 四线制输入

  13. 24V电源 － ＋ L＋ ＋ M I 光隔 － M+ ADC 4~20mA 总线 M－ M+ M－ MANA 电流信号连接 模块配置成四线制电流输入(C)，只接收4～20mA电流 二线制仪表 四线制输入

  14. 24V L＋ ＋ ＋ M I I ADC 光隔 － － M+ ADC 4~20mA 4~20mA 总线 M－ M+ M－ MANA MANA 电流信号连接 模块配置成二线制电流输入(D)，带配电接收4～20mA电流 二线制仪表 二线制输入 内部原理示意

  15. L＋ L＋ M M 参考点 M+ M+ ADC ADC M－ M－ M+ M+ M－ M－ 补偿盒 COMP + COMP － COMP + COMP － 毫伏信号连接 一般什么仪表输出mV信号？ 该仪表在使用时需要注意什么？ 补偿导线 外部补偿 内部补偿

  16. L＋ L＋ L＋ M M M M+ M+ M+ ADC ADC ADC M－ M－ M－ Ic+ Ic+ Ic+ Ic－ Ic－ Ic－ ＋ ＋ ＋ － － － MANA MANA MANA 电阻信号连接 一般什么仪表输出Ω信号？ 该仪表在使用时需要注意什么？ P 四线制连接方式 三线制连接方式 二线制连接方式

  17. 4.1.3 模拟量输出模块(SM332) 模拟量值的表示方法 SM332模块可以输出电压和电流两种类型的信号

  18. 转换程序 AO模块 4～20mA 0～10VDC 0～20mA …… 阀位 如：0～100％ 单：0～27648 双：－27648～27648 CALL "UNSCALE" //直接调用系统提供的转换函数，以下是输入输出参数 IN :=#Out //入口参数：阀位值0～100％浮点数 HI_LIM :=1.000000e+002 //入口参数：阀位上限100 LO_LIM :=0.000000e+000 //入口参数：阀位下限0 BIPOLAR :=FALSE //入口参数：TRUE为双极性输出，FALSE单极性输出 RET_VAL :=#Err //出口参数：返回值 OUT :=#Out_result //出口参数：十进制转换结果存入临时变量 L #Out_result T PQW 416 //十进制转换结果输出到过程输出缓冲区，如416 程 序：把（0－100％）转换为（0－27648） 模 块：把（0－27648）转换为（4－20mA） 执行器：把（4－20mA）转换为相应的阀位

  19. 诊断中断允许 通道诊断 信号类型I、V 信号范围 0~20mA 4～20mA CPU停止时输出保持 CPU停止时输出为0 电压输出范围 SM332模块的软件设置（不需要硬件设置） SM332有2×12、4×12、8×12位等AO模块，其特性、参数、工作原理完全相同。

  20. L＋ L＋ M M QV QV DAC DAC S＋ S＋ S－ S－ MANA MANA SM332模块的信号连接 输出信号类型： 电流信号 电压信号 每通道有4个端子 • 电压输出 RL RL 电压输出（4线） 电压输出（2线）

  21. L＋ M QI DAC S＋ S－ MANA 电流输出 Io RL

  22. SM321开关量输入模块 16×24VDC 32×24VDC 16×120VAC 8×120/230VAC 输入点数 16 32 16 8 输入电压 “1” 15～30VDC 15～30VDC 79～132VAC 79～264VAC “0” －3～5VDC －3～5VDC 0～20VAC 0～40VAC 与背板总线的隔离 光耦 光耦 光耦 光耦 “1”信号典型输入电流 7mA 7.5mA 6mA 6.5mA/11mA 典型输入延迟时间 1.2～4.8ms 1.2～4.8ms 25ms 25ms 诊断中断 某些型号具备 —— —— —— 绝缘耐压测试 500VDC 500VDC 1500VAC 1500VAC 4.1.4 开关量输入模块 (SM321) 开关量输入模块SM321主要有直流信号输入和交流信号输入二大类

  23. 4.1.5 开关量输出模块(SM322) SM322模块有晶体管、可控硅和继电器3种输出类型

  24. 4.2 系统配置 根据自动化系统的实际规模和要求，配置PLC硬件系统。 ※S7系列PLC采用的是模块化的结构形式，根据系统规模用户可选择不同型号和不同数量的模块，并把这些模块安装在一个或多个机架上。 ※除了CPU模块、电源模块、通信接口模块之外，它规定每一个机架最多可以安装8个I/O信号模块。 ※一个PLC系统的最大配置能力（包括I/O点数、机架数等）与CPU的型号相关

  25. 常用的模块： CPU：312、313、314、315-2DP、316-2…… 电源：PS-307（2A、5A、10A）、SITOP（5A、10A、20A、40A） 接口模块（连接机架）：IM365（CR，最多1）/IM365（ER，最多1） IM360（CR，最多1）/IM361（ER，最多3） IM153（ER，最多127，DP总线） AI：SM331（I、V、mV、Ω；2通道、8通道） SM331 RTD（ Ω ；2通道、8通道） AO：SM332（I、V；2通道、4通道，8通道） DI：SM321（8/16/32通道） DO：SM322 （8/16/32通道）

  26. 示例： 输入：46路4～20mA信号 输入：4路PT100信号 输出：32路4～20mA信号 某系统需要 冗余10个通道 要求配置S7 PLC的I/O模块并选择合适的CPU单元 冗余4个RTD通道 (1) IO模块配置一 需7块8通道SM331 每路4~20mA占1个A/D通道 → 需46个A/D通道 需1块8通道SM331 RTD 电阻信号可以配置RTD模块 → 需4个RTD通道 需4块8通道SM332 每路4~20mA占1个D/A通道 → 需32个D/A通道 过多的冗余是浪费，但适当的冗余还是必要的 总计12块SM模块，需要2个机架

  27. 示例： 冗余2个A/D通道 (2) IO模块配置二 每路4~20mA占1个A/D通道 → 需46个A/D通道 需7块8通道SM331 每路电阻信号占2个A/D通道 → 需8个A/D通道 需4块8通道SM332 每路4~20mA占1个D/A通道 → 需32个D/A通道 总计11块SM模块，需要2个机架 (3) CPU配置 该系统需要12个SM模块，必须安装到2的机架，如果单纯从I/O配置的角度分析（暂不考虑内存、速度需求），根据表7.1中的性能参数，该系统可以选用CPU314或CPU314以上的型号均可。

  28. 示例： (3) 接口模块 有三种选择： 第一种：IM365/IM365，最经济 第二种：IM360/IM361，有一定扩展 能力，可以扩到4个机架 第三章：IM153，CPU上需要有DP口（或者通过模块扩展DP口），有很大的扩展能力，可方便地和其他系统组网 (4) 电源模块 模块供电，外部仪表供电（确定合适的电源模块的功率） 尽管理论上可以集中供电，即两个机架用同一个电源，但实际系统建议每个机架分别配置电源模块 2块

  29. 示例： (5) 其它附设 导轨：安装各种模块（几个机架至少几块） 与上位机通信的接口卡：板卡式MPI网卡CP5611 编程电缆（外置，USB或者串口连接） 内存卡：新CPU必须，有不同容量，如64KB、128KB、512KB、2MB、4MB 总线连接器：DP总线连接、上下位机采用网卡连接时需要，每点1个 通信电缆（屏蔽双绞线）：DP总线连接、上下位机采用网卡连接时需要 下位机开发软件：STEP7 5.x（很贵的啊） 上位机组态软件：WINCC（和系统点数有关系，可以自主开发） ……

  30. 4.2.1 硬件结构配置 ※PLC模块的安装是有顺序要求的，每个机架从左到右分为11个逻辑槽号 ※电源模块安装在最左边的1#槽，2#槽安装CPU模块，3#槽安装通信接口模块，4～11#槽可自由分配I/O信号模块、功能模块或扩展通信模块。 ※需要注意的是，槽号是相对的，机架上并不存在物理上的槽位限制。 逻辑槽号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 电源模块 CPU模块 通信模块 I/O模块

  31. 电源 1 CPU2 IO 4 IO 5 IO 6 IO 7 IO 8 IO 9 电源 1 接口2 IO 4 IO 5 IO 6 IO 7 IO 8 IO 9

  32. 机架的连接(1) 方式一： 如果：机架数量=2 and 机架之间的距离≤1米 接口模块： IM365 信号、功能模块 接口模块： IM365 扩展机架（ER） 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 信号、功能模块 中央机架（CR） 槽位号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 CPU

  33. 机架的连接(2) 方式二： 如果：机架数量≤4 and 机架之间的距离≤10米 接口模块： IM361 接口模块： IM361 扩展机架（ER） 扩展机架（ER） 1 1 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 接口模块： IM360 中央机架（CR） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

  34. 机架的连接(3) 方式三： 如果：机架数量＞4 or 机架之间的距离＞10米 要求：CPU上集成DP口或在CR上扩展DP口（Profibus－DP） 扩展机架（ER） 1 3 4 5 6 7 8 9 连接到DP接口 IM153 Profibus-DP总线 扩展机架（ER） 扩展机架（ER） 扩展机架（ER） 1 1 1 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 1 2 4 5 6 7 8 9 CR：安装在控制室

  35. 总结 • 硬件配置部分 【一个机架】 ≤8个SM/FM模块 [电源] [CPU] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] 【两个机架，间距≤10米/1米】 ≤8个SM/FM模块 [电源] [CPU] [IM360/365] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] ≤8个SM/FM模块 [电源] [IM361/365] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM]

  36. 【3～4个机架，间距≤10米】 ≤8个SM/FM模块 [电源] [CPU] [IM360] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [电源] [电源] [电源] [IM361] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM361] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM361] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM]

  37. 【多个机架，间距“不限”】 [电源] [CPU] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [电源] [电源] [电源] [电源] [电源] [IM153] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM153] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM153] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM153] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] [IM153] [SM/FM][SM/FM]……[SM/FM] Profibus DP总线

  38. 依据工艺流程图 硬件选型：CPU、IO、通信接口、电源…… 确定硬件结构 Offline Offline 控制柜设计(机架分配、布置)和制作 模拟测试 PLC系统及端子的布置与接线(成套) 现场仪表的连接(现场实施的开始) Online 联机调试、投运 PLC系统开发的基本流程 根据工艺要求，确定I/O参数数量 1. 进入Step 7 2-1.硬件配置 2-2.地址配置：网络地址 IO端口地址 3. 软件编程(针对工艺要求)

  39. 4.2.2 IO地址配置 系统的I/O模块分为： 模拟量和数字量二种类型， 每个模块包含若干个通道。 模块上任何通道均配置独立的地址 应用程序则根据地址实现对它们的操作。 每个通道的地址占用一位(bit) 数字量模块最大为 32 通道 模块地址最多占 4 字节 §数字量I/O模块 每个模拟量地址为一个字地址(2byte) 模拟量模块最大为 8 通道 模拟地址最多占 16 字节 §模拟量I/O模块

  40. 在硬件配置时，系统提供缺省地址(推荐使用) 手动更改(部分CPU提供这种功能) I/O地址的生成 I/O地址的生成

  41. I/O地址的配置注意事项： • 配置IO模块地址时，可以是系统提供缺省地址(初学者推荐使用)，也可以是手工自主配置(部分CPU不支持该功能； • 不同CPU的最大IO寻址能力是不同的，如CPU315－2DP可达2KB； • 输入、输出的地址是不同的，即CPU315－2DP最大输入地址2KB，最大输出地址也是2KB，实际可寻址4KB • 0－127字节留给开关量模块使用

  42. 例子： 某8通道SM331模块，配置地址为256－271 第0~7通道的地址分别为：256、258、260、262、264、266、268、270 读取第0个通道的模拟量转换结果： L PIW256 读取第7个通道的模拟量转换结果： L PIW270 L PIW256－－就是把十进制转换结果，读入到累加器。 如4～20mA输入信号的转换结果式 0－27648 用scale函数可以在PLC内部把0～27648还原到与变送器量程对于的工程量

  43. 例子： 某8通道SM332模块，配置地址为272－287 把一个输出送到第0个输出通道： T PQW272 把一个输出送到第7个输出通道： T PQW286 输出过程： （1）控制策略运算结果，一般为0～100％的阀位 （2）调用unscale函数把0～100转换为0～27648（十进制数） （3）T PQW272 / 274……

  44. 例子： 某32通道SM321模块，配置地址为0－3 读入第0个通道的二进制值： A I 0.0 读入第7个通道的二进制值： A I 0.7 读入第8个通道的二进制值： A I 1.0 读入第22个通道的二进制值： …… A I 2.6 某16通道SM322模块，配置地址为4－5 输出一个二进制值到第0通道： ＝ Q 4.0 输出一个二进制值到第7通道： ＝ Q 4.7 输出一个二进制值到第12通道： …… ＝ Q 5.4

  45. 累加器 32位 累加器1 （A1） 主 2个32位累加器*** 累加器2 （A2） 辅 地址寄存器 32位 地址寄存器1 （AR1） 2个32位地址寄存器** 地址寄存器2 （AR2） 数据块地址寄存器 32位 共享数据块 2个32位数据块地址寄存器 背景数据块 状态字寄存器 16位 1个16位状态字寄存器* 状态位 4.2.3 内部寄存器 S7 CPU的寄存器有（7个）：

  46. 4.2.4 存储区 CPU能访问的存储区：P、Q、I、M、T、C、DB块、L堆栈 主要关心哪些存储区能够按“位”方位，哪些不能。

  47. 外设I/O与存储区的映像 外设IO模块与存储区有二种映射关系： ① 外设输入输出存储区（PI、PQ） ② 输入输出映像区（I、Q） 外设输入输出存储区：包括外设输入（PI）和外设输出（PQ） 不能逐位访问，其它都可以 输入输出映像表：包括输入过程映像表（I）和输出过程映像表（Q） ◎输入映像表为128Byte，是对PI首128Byte的映像， ◎输出映像表为128Byte，是对PQ的首128Byte的映像 这两段地址一般作为开关量输入、输出模块的IO地址 能够逐位方式访问，其它也可以

  48. 输入映像示例 开关量输入模块缺省地址 模拟量输入模块地址

  49. 输出映像示例

  50. 4.3 指令系统简介 SIMATIC S7系列PLC用户程序的开发软件包：STEP 7 S7系列PLC的编程语言：LAD（梯形图）、STL（语句表）*、 SCL（标准控制语言）、C for S7（C语言）等， 用户可以选择一种语言编程，也可混合使用几种语言编程。 常用的编程语言： LAD（梯形图）、STL（语句表）*

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