3.4 S7-300 CPU模块
3.4.1 CPU模块的分类
S7-300系列的CPU元器件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED、模式选择开关和通信接口。存储器插槽可以插入多达数兆字节的Flash EPROM微存储器卡（简称为MMC），用于掉电后程序和数据的保存。
S7-300 PLC有许多种不同型号的CPU，不同类型的CPU具有不同的技术规范和性能参数。每种CPU都对应一个型号，比如CPU31×C-2DP，其中31×表示CPU序号，由低到高功能逐渐增强；31×后面的那位字母表示CPU类型，C表示紧凑型，T表示技术功能型，F表示故障安全型；2代表CPU所具有的通信接口个数；最后的DP表示通信接口类型，DP表示PROFIBUS DP接口，PN表示PROFINET接口，PtP表示点对点接口。按性能等级划分，可以涵盖各种应用范围。
S7-300系列的CPU按照功能主要有以下几种。
（1）紧凑型CPU
S7-300 PLC有6种紧凑型CPU，分别是CPU312C、CPU313C、CPU313C-PtP、CPU313C-2DP、CPU314C-PtP和CPU314C-2DP。这些CPU的共同特点是带有集成的数字量输入和输出或兼有模拟量的输入和输出，CPU运行时需要存储卡。多数CPU都适用于具备较高要求的系统。型号中带“PtP”的CPU除编程端口外还带有第二个串口；型号中带有“2DP”的CPU带有PROFIBUS DP主站/从站接口。紧凑型CPU模块如图3-3所示，非紧凑型CPU模块如图3-4所示。
图3-3 紧凑型CPU模块
图3-4 非紧凑型CPU模块
（2）标准型CPU
它适用于大中规模的I/O配置的系统，对二进制和浮点数有较高的处理性能。标准型CPU包括CPU312、CPU313、CPU314、
CPU315-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU317-2DP、CPU317-2PN/DP和CPU319-3PN/DP。型号中带有PN/DP的CPU有一个PROFINET接口和一个MPI/DP接口。标准型CPU模块如图3-5所示。
图3-5 标准型CPU模块
（3）技术功能型CPU
CPU315T-2DP和CPU317T-2DP有极高的处理速度，用于对PLC性能以及运动控制功能具有较高要求的设备。除了准确的单轴定位功能以外，还适用于复杂的同步运动控制，一个通信接口是DP/MPI接口，另一个是DP（DRIVE）接口用于连接带PROFIBUS接口的驱动系统。技术功能型CPU还有本机集成的4点数字量输入和8点数字量输出，使用标准的编程语言编程，无需专用的运动控制系统语言。
（4）故障安全型CPU
故障安全型CPU包括CPU315F-2DP、CPU315F-2PN/DP、CPU317F-2DP和CPU317F-2PN/DP。它们用于组成故障安全型自动化系统，以满足安全运行的需要，使用内置的DP接口和PROFISAFE协议，可以在标准数据报文中传输带有安全功能的用户数据。不需要对故障安全I/O进行额外的布线，就可以实现与故障安全有关的通信。
（5）SIPLUS户外型CPU
SIPLUS户外型CPU包括SIPLUS紧凑型CPU、SIPLUS标准型CPU和SIPLUS故障安全型CPU。这些模块可以在环境温度-25～+70℃和有害气体的环境中运行。
（6）高端型CPU
高端型CPU包括CPU317-2DP、CPU318-2DP等，具有大容量程序存储器以及PROFIBUS-DP主/从接口，可以用于大规模的I/O配置，建立分布式I/O结构。
各种不同型号CPU的具体性能指标请参考手册《SIMATIC S7-300可编程控制器》，在使用时需要进行查阅。
3.4.2 CPU面板介绍
S7-300的CPU种类繁多，具有不同的功能，所以面板也不是完全相同。如图3-6所示分别为不同时期的CPU314面板，图3-6（a）是2002年10月之前的CPU314，图3-6（b）是2002年10月之后的CPU314。
图3-6 不同时期的CPU314面板
S7-300系列PLC CPU模块的面板上有状态和故障指示LED、模式选择开关和通信接口等。大多数CPU还有后备电池盒，存储器卡插座可以插入多达数兆字节的Flash EPROM微存储卡（简称为MMC），用于掉电后程序和数据的保存。
（1）卡槽
FlashEPROM微存储卡用于在断电时保存用户程序和某些数据，它可以扩展CPU的存储器容量，也可以将有些CPU的操作系统包括在MMC中，这对于操作系统的升级是非常方便的。MMC用作装载存储器或便携式保存媒体，它的读写直接在CPU内进行，不需要专用的编程器。由于CPU 31×C没有安装集成的装载存储器，在使用CPU时必须插入MMC，因此必须在购买CPU的同时也配置MMC，CPU与MMC是分开订货的，否则CPU将无法工作。插入存储卡前，把CPU切换到STOP状态，或关断电源。存储卡如图3-7所示。
图3-7 MMC卡外观
（2）状态与故障指示灯LED
CPU模块面板上的LED（发光二极管）的意义如表3-1所示。
CPU处于RUN模式时RUN LED亮；启动期间以2Hz的频率闪亮；HOLD状态时以0.5Hz的频率闪亮。CPU处于STOP、HOLD状态或重新启动时STOP LED常亮；请求存储器复位时以0.5Hz的频率闪动，正在执行存储器复位时以2Hz的频率闪动。
表3-1 S7-300 CPU的LED
（3）CPU的操作模式
CPU有四种操作模式：STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
①STOP（停机）模式：可以用模式选择开关在STOP位置时，PLC上电后自动进入STOP模式。在该模式下不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。
②RUN（运行）模式：执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障信息服务。
③HOLD模式：在启动和RUN模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。
④STARTUP（启动）模式：可以用模式选择开关或STEP 7启动CPU。如果模式选择开关在RUN或RUN-P的位置，通电时自动进入启动模式。
老式的CPU使用钥匙开关来选择操作模式，它还有一种RUN-P模式，允许在运行时读出和修改程序。操作时需要插入钥匙，用来设置CPU当前的运行方式。钥匙拔出后，就不能改变操作方式。这样可以防止未经授权的人员非法删除或改写用户程序。仿真软件PLCSIM的仿真CPU也有RUN-P模式，这些监控功能只能在RUN-P的模式下进行。
（4）CPU模式选择开关
①RUN（运行）位置：CPU执行用户程序。
②STOP（停止）位置：CPU不执行用户程序。
③MRES（复位存储器）：可使CPU复位。
有以下情况执行CPU存储器复位：
a.当第一次启动前。
b.当新的完整的用户程序下载前。
c.如果CPU要求存储器复位时（STOP LED闪烁）。
用模式开关执行CPU存储器复位的操作步骤如下：
a.合上电源开关。
b.把开关转到STOP位置。
c.把开关转到MRES位置，并保持在这个位置直到STOP指示灯再次变亮（大约3s）。
d.把钥匙开关转回STOP位置，然后转到MRES，直到STOP指示灯再次亮1s。
（5）电源接线端子
电源模块上的L+和M端子分别是DC 24V输出电压的正极和负极。用专用的电源连接器或导线分别连接电源模块和CPU模块的L+和M端子。
（6）CPU模块的集成I/O
CPU31×C模块上有集成的I/O，集成I/O的点数见表3-2。
表3-2 紧凑型CPU部分技术参数
3.4.3 CPU模块通信接口
SIMATIC S7-300的CPU中集成了MPI、DP等不同的通信接口。
（1）多点（MPI）接口
多点（MPI）接口用于连接编程器、PC、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。它是一个经济而有效的解决方案，它为用户的STEP 7界面提供了通信组态功能，使得组态非常容易、简单。MPI接口用于与其他西门子PLC、PG/PC、OP通过MPI网络通信。所有的CPU模块都有一个MPI通信接口X1。
（2）通过PROFIBUS-DP接口通信
部分CPU模块还可以通过配置的DP X2接口进行通信。PROFIBUS-DP接口主要用于连接分布式I/O。
（3）通过PROFINET（PN）接口通信
部分带有“PN”后缀的CPU配有一个PN X2接口。使用CPU的集成PROFINET（PN）接口可与“工业以太网”建立连接。
3.4.4 CPU模块存储器
PLC的操作系统使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。用户程序由用户设计，它使PLC能完成用户要求的特定功能。用户程序存储器的容量以字节（Byte，B）为单位。
（1）PLC使用的物理存储器
①随机存取存储器（RAM） CPU可以读出RAM中的数据，也可以将数据写入RAM，因此，RAM又叫作读/写存储器。RAM具有易失性，即电源中断后，存储的信息会丢失。
RAM的工作速度快，价格便宜，改写方便。在切断PLC的外部电源后，可以用锂电池来保存RAM中存储的用户程序和数据。需要更换锂电池时，由PLC发出信号，通知用户。
②只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它具有非易失性，即电源消失后，仍能保存存储的内容。ROM一般用来存放PLC的操作系统。
③快闪存储器（Flash EPROM）和EEPROM 快闪存储器简称为FEPROM，可电擦除、可编程的只读存储器简称为EEPROM。它们具有非易失性，可以用编程装置对它们编程，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它们所需的时间比RAM长得多。它们用来存放用户程序和断电时需要保存的重要数据。
（2）微存储卡
基于FEPROM的微存储卡简称为MMC，用于在断电时保存用户程序和某些数据。
MMC用来作为S7、C7和ET200S的CPU的装载存储器，程序和数据下载后保存在MMC内。如果CPU未插MMC，不能下载STEP 7的程序和数据。应当注意，不能带电插拔MMC，否则会丢失程序或损坏MMC。西门子的PLC必须使用西门子专用的MMC，不能使用数码产品使用的通用型MMC。
如果对MMC中的项目加了密码，但是忘记了密码，只能用西门子专用编程器上的读卡槽或用西门子带USB接口的读卡器来删除MMC上的程序、数据和密码，这样MMC就可以作为一个未加密的空卡使用了。
（3） CPU的存储区
CPU的存储区由装载存储器、工作存储器和系统存储器组成。工作存储器类似于计算机的内存条，装载存储器类似于计算机的硬盘。
①装载存储器 CPU的装载存储器用于保存不包含符号地址和注释的逻辑块、数据块和系统数据（硬件组态、连接和模块的参数等）。下载程序时，用户程序（逻辑块和数据块）被下载到装载存储器，符号表和注释保存在编程设备中。在PLC上电时，CPU把装载存储器中的可执行部分复制到工作存储器。在CPU断电时，需要保存的数据被自动保存在装载存储器中。
S7-300将MMC用做装载存储器。现在生产的S7-300 CPU没有集成的装载存储器，必须插入MMC才能下载和运行用户程序。
S7-400的CPU有集成的装载存储器（带后备电池的RAM），也可以用FEPROM存储卡或RAM存储卡来扩展装载存储器。
系统存储区的分布如图3-8所示。
图3-8 存储区分布
②工作存储器 工作存储器是集成在CPU中的高速存取的RAM存储器，用于存储CPU运行时的用户程序和数据，例如组织块、功能块、功能和数据块。为了保证程序执行的快速性和不过多地占用工作存储器，只有与程序执行有关的块被装入工作存储器。用模式选择开关复位CPU的存储器时，RAM中的程序被清除，FEPROM中的程序不会被清除。
③系统存储器 系统存储器是CPU为用户程序提供的RAM区，用于存放用户程序的操作数据，例如过程映像输入、过程映像输出、位存储器、定时器和计数器、块堆栈、中断堆栈和诊断缓冲区等。系统存储器还包括临时存储器（局部数据堆栈），在程序块被调用时用来存储临时变量。在执行程序块时它的临时变量才有效，执行完后可能被覆盖。