1.2 S7-300 PLC概述

1.2.1 西门子PLC系列产品

德国西门子公司的PLC在国内外具有较高的市场占有率，其主要产品有S5、S7、C7、M7及WinAC等几个系列。其中S7系列PLC于1994年发布，是西门子公司PLC市场的主流产品，有下面几个子系列。

1.SIMATIC S7-200系列PLC

SIMATIC S7-200系列PLC是针对简单控制系统而设计的小型PLC，采用集成式、紧凑型结构，一般适用于I/O点数为100点左右的单机设备或小型应用系统。S7-200CN PLC是在SIMATIC S7-200 PLC基础上专为中国用户开发的产品，于2005年12月16日在中国正式发布，具有与SIMATIC S7-200 PLC相同的功能及技术指标。典型的SIMATIC S7-200系列PLC如图1-6所示。

SIMATIC S7-200系列PLC的编程软件为STEP 7 MicroWin，STEP 7 MicroWin从V4.0 SP6版本开始支持Vista系统，从V3.2版本开始即为多语言版本，可以通过“Option”选项直接选择中文界面。

2.SIMATIC S7-200 SMART

S7-200 PLC已于2007年10月正式进入退市阶段。S7-200 SMART是S7-200的升级，它们的指令、程序结构和监控方法等几乎完全相同。S7-200 SMART一方面继承了S7-200丰富的功能，另一方面融入了新的亮点，如图1-7所示。产品上市至今，S7-200 SMART在包装、纺织、机床、食品、橡胶和塑料等众多行业得到广泛应用，在提升设备性能和降低设备成本上发挥着重要作用。

3.SIMATIC S7-300系列PLC

SIMATIC S7-300系列PLC是针对中小型控制系统而设计的中型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为1000点左右的集中或分布式中小型控制系统。典型SIMATIC S7-300系列PLC系统如图1-8所示。

4.SIMATIC新一代的PLC S7-1200

S7-1200 PLC是西门子开发的新产品，实现了模块化和紧凑型设计，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI（人机界面）和网络通信等任务。它可扩展性强、灵活度高，具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能。S7-1200的性能介于S7-200和S7-300之间，其编程软件由博途（TIA PORTAL）完成。S7-1200如图1-9所示。

5.SIMATIC S7-400系列PLC

SIMATIC S7-400系列PLC是针对大中型控制系统而设计的大型PLC，采用模块化、无风扇结构，一般适用于I/O点数为10000点左右的自动化控制系统。SIMATIC S7-400系列PLC还包括H（冗余）系统和F（故障安全）系统，如S7-400H PLC、S7-400F PLC等。典型SIMATIC S7-400系列PLC系统如图1-10所示。

SIMATIC S7-300/400系列PLC的编程软件为STEP 7，中英文最新版本为STEP 7 V5.6 SP1，多语言版为STEP 7 V5.6 SP1及SIMATIC STEP 7 Professional 2017 SR1。

6.SIMATIC S7-1500

SIMATIC S7-1500 PLC是SIMATIC S7-300/400 PLC的升级版，如图1-11所示。S7-1500 PLC借助于西门子新一代框架结构的TIA（Totally Integrated Automation）博途平台，采用统一的工程组态和软件环境，通过添加不同领域的软件，进行自动化系统的组态、编程、调试，方便轻松、快速地进行互连互通，真正达到了控制系统的全集成自动化。

总之，S7-200 SMART是微型的PLC，S7-300是中型PLC，S7-400是大型PLC，S7-1200是小型PLC，S7-1500是中型和大型的PLC，目前S7-1200和S7-1500具有广大的应用前景。

1.2.2 S7-300 PLC的硬件组成

SIMATIC S7-300系列PLC采用配置灵活的模块化结构，SIMATIC S7-300系列PLC的逻辑结构如图1-12所示。系统以中央处理单元（CPU）为核心，通过背板总线（BUS）与输入信号模块、输出信号模块、功能模块、通信处理器模块、接口模块及其他模块共同组成完整的PLC应用系统。

1.机架（Rack）

机架用于安装和连接PLC的所有模块，CPU所在机架为主机架，如果主机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或者多个扩展机架。

2.中央处理单元（CPU）

与一般计算机一样，中央处理单元（CPU）是PLC的核心，它按PLC系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，其主要任务有：为背板总线提供5 V电源；通过输入信号模块接收外部设备信息；存储、检查、校验和执行用户程序；通过输出信号模块送出控制信号；通过通信处理器或自身的通信接口与其他设备交换数据；进行故障诊断等。

S7-300系列PLC的CPU模块从CPU 312～CPU 319有20多种型号，CPU序号越高，其功能越强，技术指标的主要区别在CPU的内存容量、数据处理速度、通信资源及编程资源（定时器、计数器的个数）等方面，按功能可分为6个子系列。

1）紧凑型CPU，即CPU 31xC系列，其特征是CPU模块上集成有输入/输出点、高速计数器、脉冲输出及定位功能等，如CPU 312C、CPU 313C、CPU 313C-2PtP、CPU 313C-2DP、CPU 314C-2PtP、CPU 314C-2DP。

2）标准型CPU，即CPU 31x系列，如CPU 313、CPU 314、CPU 315、CPU 315-2DP、CPU 316-2DP。

3）革新型标准CPU，其具有与标准型CPU相同的系列表示，是标准CPU的技改产品，如CPU 312、CPU 314、CPU 315-2DP、CPU 317-2DP、CPU 318-2DP、CPU 319-2DP。

4）户外型CPU，如CPU 312 IFM、CPU 314 IFM、CPU 314（户外型）。

5）故障安全型CPU，如CPU 315F-2DP、CPU 315F-2PN/DP、CPU 317F-2DP、CPU 319F-3PN/DP。

6）特种型CPU，如CPU 317T-2DP、CPU 317-2 PN/DP。

3.输入信号模块（DI/AI）

输入信号模块主要负责接收现场设备的信息（如锅炉的温度、压力等）或控制设备的状态（如控制按钮的状态），并进行信号电平的转换，然后将转换结果传送到CPU进行处理。根据接收的信号类型，可以将输入信号模块分为数字量输入模块（DI）和模拟量输入模块（AI）。数字量输入模块（DI）只能接收高、低逻辑电平信号，如开关的接通与断开；模拟量输入模块（AI）可接收连续变化的模拟量信号，如温度传感器输出的DC 4～20 mA电流信号。

数字量输入模块有8点、16点、32点和64点几种，可连接的外部输入信号电压等级有DC 24 V、AC 120 V、DC/AC 24/48 V、DC 48～125 V、AC 120/230 V等多种，可根据信号类型进行选择。S7-300系列PLC的数字量输入模块型号以“SM 321”开头。例如，SM 321 DI 16×DC 24 V是一块额定输入电压为直流24 V，具有16个输入点的数字量输入模块。

模拟量输入模块的转换精度有12位、13位、14位和16位等几种，有2通道、8通道和16通道，能接入热电阻、热电偶、DC 4～20 mA或DC 0～10 V等多种不同类型和不同量程的模拟信号，可根据需要进行选择。S7-300系列PLC的模拟量输入模块型号以“SM 331”开头。例如，SM 331 AI 2×12 bit是一块转换精度为12位，具有2个模拟量输入通道的模拟量输入模块。

4.输出信号模块（DO/AO）

输出信号模块主要负责对CPU处理的结果进行电平转换并从PLC向外输出，然后驱动现场执行设备（如电磁阀、电动机等）或控制设备（如按钮、状态指示灯等）。根据输出的信号类型，可以将输出信号模块分为数字量输出信号模块（DO）和模拟量输出信号模块（AO）。数字量输出信号模块（DO）只能输出高、低变化的电平信号，使被控对象工作或停止工作，如控制电动机的起动和停机、指示灯的点亮和熄灭；模拟量输出信号模块（AO）可输出连续变化的模拟量电信号，使被控对象连续改变工作状态，如控制电磁阀的开度等。

数字量输出模块有8点、16点、32点和64点几种，有继电器（适用于感性及交流负载）、晶体管（适用于直流负载）和晶闸管（适用于交流及直流负载）3种输出形式，可连接的外部负载电压等级有DC 24 V、AC 120 V、DC/AC 24/48 V、DC 48～125 V、AC 120/230 V、DC 120 V、AC 230 V等多种，可根据信号类型进行选择。S7-300系列PLC的数字量输出模块型号以“SM 322”开头。例如，SM 322 DO 8×Rel. AC 230 V是一块额定负载电压为交流230 V，具有8个输出点的继电器输出型数字量输出模块。

模拟量输出模块的转换精度有12位、13位和16位等几种，有2通道、4通道和8通道之分，可根据需要进行选择。S7-300系列PLC的模拟量输出模块型号以“SM 332”开头。例如，SM 332 AO 4×16 bit是一个转换精度为16位，具有4个模拟量输出通道的模拟量输出模块。

5.电源模块（PS）

电源模块负责将外部电压变换成稳定的直流24 V及5 V电压，为PLC系统的所有模块提供工作电源。

S7-300 PLC的电源模块有输入为交流120 V或230 V、输出为直流24 V的PS 307 2 A、PS 307 5 A、PS 307 10 A等标准电源模块。

6.通信处理器模块（CP）

通信处理器模块负责扩展CPU的通信能力。当CPU自身提供的通信接口不能满足PLC与其他设备的通信需要时，可通过通信处理器模块扩展相应的通信接口（如PROFIBUS DP分布式现场总线接口、PROFINET工业以太网接口等）并进行相应的通信处理。

7.接口模块（IM）

接口模块用来提高PLC系统扩展能力，当PLC系统规模不能满足控制要求时，可通过接口模块扩展新的机架从而安装并支持更多的信号模块。

S7-300 PLC有3种规格的接口模块：IM365、IM360、IM361。其中，IM365接口模块专用于S7-300 PLC双机架系统扩展，IM360和IM361接口模块一般用于2～4个机架系统扩展。

8.功能模块（FM）

功能模块负责实现CPU不能实现的特殊功能，如高速计数、定位或闭环控制等。

S7-300系列PLC的功能模块有FM350-1高速单通道计数器模块、FM350-2高速8通道计数器模块、FM351快速进给和慢速驱动的双通道定位模块、FM352电子凸轮控制器模块、FM352-5高速布尔处理器模块、FM353单轴步进电动机定位控制模块、FM354单轴伺服电动机定位模块、FM355 PID控制器、FM355-2温度PID控制器、FM 357-2定位和连续通道控制模块、SM 338超声波位置探测模板、SM 338 SSI位置探测模板等。

1.2.3 CPU的操作模式

1.操作模式

S7-300 PLC的CPU面板上都有一个模式选择开关，有些可通过专用钥匙旋转控制。这些CPU一般有3种工作模式（RUN、STOP、MRES）或4种工作模式（RUN、STOP、MRES、RUN-P），这些工作模式的意义如下。

1）RUN-P：可编程序运行模式。在此模式下，CPU不仅可以执行用户程序，在运行的同时还可以通过编程设备读出、修改、监控用户程序。在此位置钥匙不能拔出。

2）RUN：运行模式。在此模式下，CPU执行用户程序，还可以通过编程设备读出、监控用户程序，但不能修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙，以防止PLC在正常运行时被改变操作模式。

3）STOP：停机模式。在此模式下，CPU不执行用户程序，但可以通过编程设备从CPU读出或修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙，防止误操作。

4）MRES：存储器复位模式。该位置不能保持，当开关在此位置释放时将自动返回到STOP位置。将钥匙从STOP模式切换到MRES模式时，可复位存储器，使CPU回到初始状态。存储器一旦被复位，工作存储器、RAM装载存储器内的用户程序、数据区、地址区、定时器、计数器和数据块等将全部清除（包括有保持功能的元件），同时还会检测PLC硬件，初始化硬件和系统参数，并将CPU或模块参数设置为默认值，但保留对MPI（信息传递应用程序接口，Message Passing Interface）的设置。

如果CPU配置有微存储卡（Micro Memory Card，MMC），CPU在复位完成后，自动将存储卡内的用户程序和系统参数装入工作存储器。

MRES模式只有在程序错误、硬件参数错误、存储卡未插入等情况下才需要使用。当STOP指示灯以0.5 Hz的频率闪烁时，表示PLC需要复位。复位操作步骤如下：将模式开关从STOP位置转换到MRES，STOP指示灯灭1 s→亮1 s→灭1 s→常亮，释放开关使其回到STOP位置，然后再转换到MRES位置，STOP指示灯以2 Hz的频率闪烁（表示正在对CPU复位）3 s→常亮（表示已复位完成），此时可释放开关使其回到STOP位置，复位操作完成。

因为S7-300 PLC的CPU内部没有装载存储器，所以CPU必须插入一个微存储卡，其类型为非易失存储器（Flash Memory），否则无法工作。

2.状态指示灯

CPU面板上的信号灯用来显示CPU当前的状态或故障。各个信号灯的功能如下。

● SF（红色）：系统出错/故障指示，当CPU硬件故障或软件错误时亮。

● DF（红色）：总线出错指示灯（针对带DP接口的CPU）。

● BATT（红色）：电池故障指示，当电池失效或未被装入时亮。

● DC5V（绿色）：+5 V电源指示，当CPU和S7-300 PLC总线的5 V电源正常时亮。

● FRCE（黄色）：强制作业有效指示，至少有一个I/O在强制状态时亮。

● RUN（绿色）：运行状态指示灯，CPU处于RUN状态时亮；LED在STARTUP状态以2 Hz频率闪烁；在HOLD状态以0.5 Hz频率闪烁。

● STOP（黄色）：停止状态指示灯，CPU处于STOP、HOLD或STARTUP状态时亮；在存储器复位时以0.5 Hz频率闪烁；在存储器置位时以2 Hz频率闪烁。

● BUSF（红色）：总线错误指示，PROFIBUS-DP接口硬件或软件故障时信号灯亮（针对DP接口的CPU）。

1.2.4 S7-300 PLC的工作过程

1.PLC的工作过程

PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式——周期性循环处理的顺序扫描工作方式。当S7-300系列PLC得电或从STOP模式切换到RUN模式时，CPU首先执行一次全启动操作，清除非保持位存储器、定时器和计数器，删除中断堆栈和块堆栈，复位所有的硬件中断和诊断中断等，并执行一次用户编写的“系统启动组织块”OB100，完成用户指定的初始化操作。然后PLC进入周期性的循环扫描操作：CPU从第一条指令开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描，PLC的工作流程如图1-13所示。CPU的循环操作包括3个主要部分。

（1）输入采样阶段

PLC在输入采样阶段检查输入信号的状态并刷新过程映像输入表（PII）。PLC首先扫描所有输入模块，并将各输入端子状态存入内存中对应的过程映像输入表，此时过程映像输入表被刷新。在程序执行阶段和输出刷新阶段，过程映像输入表与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段。

（2）程序执行阶段

根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的步序对OB1的指令进行逐句扫描，当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址；当遇到子程序调用指令时，则执行子程序（FB、FC或SFB、SFC），子程序执行结束后继续执行OB1的其他指令。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从过程映像输入表“读入”上一阶段存入的对应输入端子的状态，从元件寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态，然后进行相应的运算，运算结果再存入元件寄存器中。对元件寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行结果而变化。

程序执行阶段可以被某些事件（日期时间中断、硬件中断等）中断，并暂停OB1的执行，由操作系统直接调用与事件相关的其他组织块（OB）。当事件处理结束后，再继续执行OB1的程序指令。

（3）输出刷新阶段

在输出刷新阶段，PLC把过程映像输出表（PIQ）的值写到输出模块。在所有指令执行完毕后，过程映像输出表（PIQ）中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段被转存到输出锁存器，通过一定方式输出并驱动外部负载。

2.PLC的循环扫描周期

循环扫描周期是指PLC执行一次循环扫描所用的时间。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及编程情况等有关。

3.出错处理

在PLC的每个扫描周期都要执行一次自诊断检查，以确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O以及通信等是否异常或出错。如检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP模式，所有的扫描被停止。

1.2.5 S7-300 PLC的模块安装

S7-300系列PLC采用模块化结构，所有模块均安装在标准机架（导轨）上，其机架标称长度有160 mm、482 mm、530 mm、830 mm、2000 mm共5种规格，一个机架最多可以安装1个电源模块、1个CPU模块、1个接口模块及8个I/O模块（如信号模块、通信处理器模块、功能模块、占位模块、仿真模块等），可根据实际需要选择。机架可以采用水平方向安装，也可以采用竖直方向安装，S7-300 PLC机架的安装形式如图1-14所示。若采用水平方向安装，CPU和电源必须安装在左面；若采用竖直安装，CPU和电源必须安装在底部，且保证下面的最小间距。

● 机架左右间距为20 mm。

● 单层组态安装时，上下间距为40 mm。

● 两层组态安装时，上下间距至少为80 mm。

1.单机架安装

CPU 312、CPU 312C、CPU 312 IFM和CPU 313等只能使用一个机架，在该机架上除了电源模块、CPU模块和接口模块外，最多只能再安装8个信号模块、功能模块或通信模块。单机架上的电源模块总是装在最左边的槽位上，CPU模块总是安装在电源右边的槽位上，3～10号槽位则可以安装信号模块、功能模块或通信模块。

S7-300系列PLC电源模块不需要背板总线连接器，可直接将电源模块悬挂在导轨上，并靠左侧固定。其他模块都带有背板总线连接器，安装时需先将背板总线连接器装到CPU模块的背板上（见图1-15），然后将CPU模块安装在导轨上并向左靠紧，再向下转动模块（见图1-16），最后用螺钉将CPU模块固定在导轨上（见图1-17）。按同样的方式依次将接口模块、I/O模块（信号模块、功能模块、通信模块及其他模块等）安装在导轨上。

2.多机架安装

CPU 314、CPU315及CPU 315-2DP等最多可以扩展4个机架，安装32个信号模块（含功能模块和通信模块），多机架的安装结构如图1-18所示。

对于多个机架需利用接口模块IM 360/IM 361将S7-300 PLC的背板总线从一个机架连接到下一个机架。CPU模块总是安装在0号机架（主机架）的2号槽位上，1号槽位安装电源模块，3号槽位总是安装接口模块（如IM360），4～11号槽位可自由分配信号模块、功能模块和通信模块。需注意的是，槽位号是相对的，每个机架的导轨并不存在物理的槽位。

用于发送信号的接口模块IM360装在0号机架3号槽。通过368专用电缆将数据由IM360发送到IM361。IM360和IM361的最大距离为10 m。IM360、IM361上有指示系统状态和故障的发光二极管。如果CPU不能识别此机架，则LED闪烁，可能是连接电缆没接好或者是串行连接的IM360关掉了。

具有接收功能的接口模块IM361，用于S7-300 PLC机架1到机架3的扩展。通过368连接电缆，把数据从IM360接收到IM361，或者从一个IM361传到另一个IM361。IM361和IM361之间的最大距离也是10 m。IM361不仅提供数据传输功能，还负责将24 V直流电压转换为5V直流电压，给所在机架的背板总线提供5V直流电源，供电电流不超过1.2 A，CPU 312 IFM中的电流不超过0.8 A。所以，每个机架能安装的模块数量除了不能大于8块外，还要受到背板总线5V直流电源的供电电流的限制，即每个机架上各模块消耗的5V电源的电流之和应小于该机架最大的供电电流。

如果只扩展两个机架，可选用比较经济的IM365接口模块对，这一对接口模块由1 m长的连接电缆相互连接，双机架的安装结构如图1-19所示。IM365可直接为扩展机架（ER）上的模块提供5 V直流电源，此时在两个机架上直流电源5 V的总电流限制在1.2 A之内，且每个机架最大不能超过0.8 A。由于IM365不能给机架1提供通信总线，所以在机架1上只能安装信号模块，不能安装如通信模块之类的其他智能模块。

3.连接电源线

连接电源线的步骤如下：打开PS 307电源模块及CPU模块的前盖→松开PS 307上的松紧件→将电源线剥开11 mm，并连接到PS 307的L1、N和接地端子上→旋紧松紧件→将CPU电源线剥开11 mm，将PS 307的端子M和L+连接到CPU的端子M和L+，连接电源线如图1-20所示。

1.2.6 S7-300 PLC数字量信号模块的地址分配

S7-300 PLC数字量信号模块的地址范围与模块所在机架号及槽位号有关，而具体的位地址则与信号线接在模块上的那个端子有关。根据机架上模块的类型，地址可以为输入（I）或输出（Q）。

对于数字I/O模块，从0号机架的4号槽位开始，每个槽位占用4字节（等于32个I/O点），数字量信号的默认地址如图1-21所示，每个数字量I/O点占用其中的1位。例如，假设在0号机架4号槽位上安装一个16点的数字量输入信号模块，则其地址为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7；如果0号机架5号槽位上安装一个32点的数字量输入模块，则其地址为I4.0～I4.7、I5.0～I5.7、I6.0～I6.7、I7.0～I7.7；如果0号机架6号槽位上安装一个32点的数字量输出模块，则其地址为Q8.0～Q8.7、Q9.0～Q9.7、Q10.0～Q10.7、Q11.0～Q11.7。