3.6　S7-300信号模块

输入/输出模块统称为信号模块（Signal Module，SM），其主要用于信号的输入和输出，使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的信号电平匹配。对于没有集成I/O点或需要扩展I/O点的CPU（如CPU31×系列CPU），则必须用到信号模块进行I/O扩展。

按照信号的特性分类，信号模块可分为数字量模块和模拟量模块，主要有数字量（开关量）输入（DI）模块、数字量（开关量）输出（DO）模块、数字量（开关量）输入/输出（DI/DO）模块、模拟量输入（AI）模块、模拟量输出（AO）模块和模拟量输入/输出（AI/AO）模块。

S7-300数字量信号模块包括数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322和数字量输入/输出模块SM323/ SM327等，可用于连接数字传感器和执行元件数字I/O，使PLC灵活地与任务相适应。模拟量信号模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出模块SM333/ SM337等。通过这些模块可以将模拟传感器和执行元件与S7-300相连接。此外还有用于调试的SM374，它是16点数字模块，通过旋动面板上的开关，可以自由实现三种输入/输出点数，即输入16点、输出16点和输入/输出各8点。

SIMATICS7-300的数字输入/输出模块用于连接开关、2线接近开关、电磁阀、接触器、小功率电动机、灯和电动机启动等，将控制过程的外部数字量电平转化为S7-300的内部信号电平，并将S7-300内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。

模拟I/O模块具有下列优点：

①优化配合。模块可以任意配合所需输入/输出点数量，没有必要增加投资。

②强大的模拟技术。不同的I/O范围和高分辨率允许与众多不同的模拟传感器和执行元件相连。

信号模块结构紧凑，组装简单，接线方便。该模块安装在DIN标准导轨上并通过总线连接器与相邻模块相连接。

3.6.1　数字量模块

（1）数字量输入模块SM321

数字量输入模块用于采集现场过程的数字信号电平，并把它转换为PLC内部的信号电平。一般数字量输入模块连接外部的机械触点和电子数字式传感器。数字量模块的输入输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。

用于采集直流信号的模块称为直流输入模块，其名称含有VDC，额定输入电压为直流24V；用于采集交流信号的模块称为交流输入模块，其名称含有VAC，额定输入电压为交流120V/230V。如果信号线不是很长，PLC所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，应考虑优先选用以DC 24V的直流输入模块。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

对于用户来说，数字量输入模块SM321有四种型号的模块可供选择，分别是：DC16点输入、DC32点输入、AC16点输入和AC8点输入模块。

在把数字量输入模块与电源和CPU模块安装在导轨上后，需要连接电缆线为SM321供电。

模块上的每个输入点的输入状态是用一个绿色的发光二极管来显示的，输入开关闭合即有输入电压时，二极管点亮。图3-9所示为直流32点输入对应的端子连接及电气原理图。

（2）数字量输出模块SM322

数字量输出模块将PLC内部信号电平转换成外部过程所需的信号电平，同时具有隔离和功率放大的作用。该模块能连接继电器、电磁阀、接触器、小功率电动机、指示灯和电动机软启动等负载。

按负载回路使用的电源不同，数字量输出模块可以分为直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同，它又可分为晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器输出方式。

以上两种分类方式又有密不可分的关系。晶体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；晶闸管输出方式的模块属于交流输出模块；继电器输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应的速度上看，晶体管响应最快，继电器响应最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度看，继电器输出型的性能最好。

一般情况下，用户多采用继电器型的数字量输出模块，而它的价格也相对高一些。继电器输出模块的额定负载电压范围较宽，输出直流最小是DC 24V，最大可到DC 120V；输出交流的范围是AC 48～230V。

数字量输出模块SM322有多种型号输出模块可供选择，常用的模块有8点晶体管输出、16点晶体管输出、32点晶体管输出、8点晶闸管输出、16点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状态，输出逻辑“1”时，二极管点亮。

（3）数字量I/O模块SM323

SM323模块有两种类型，一种是带有8个共地输入端和8个共地输出端，另一种是带有16个共地输入端和16个共地输出端，两种特性相同。图3-10是8个共地输入端、输出端SM323模块的端子连接及电气原理图，端子1～10用于输入，端子11～20用于输出。I/O额定负载电压24V DC，输入电压“1”信号电平为11～30V，“0”信号电平为-3～+5V，I/O通过光耦与背板总线隔离。在额定输入电压下，输入延迟为1.2～4.8ms。输出具有电子短路保护功能。

3.6.2　模拟量模块

在生产过程中，存在大量的物理量，例如速度、旋转速度、pH值、黏度、有功功率和无功功率等。有的是非电量，例如温度、压力、流量、液位、物体的成分。为了实现自动控制，这些模拟量信号需要被PLC处理。模拟量输入模块SM331用于连接电压和电流传感器、热电偶、电阻器和电阻式温度计，将扩展过程中的模拟信号转换为S7-300内部处理用的数字信号。模拟量输出模块SM332用于将S7-300与执行元件相连，将数字输出值转换为模拟信号。模拟量输入/输出模块SM334、SM335兼有模拟输入和模拟输出功能。

S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332、模拟量输入/输出模块SM334和SM335。

（1）模拟量输入模块SM331

模拟量输入模块SM331目前有三种规格型号，即8AI×12位模块、2AI×12位模块和8AI×16位模块。

SM331主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。A/D转换部件是模块的核心，其转换原理采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定的积分时间的正函数，即积分时间越长，被测量的精度越高。SM331可选四挡积分时间：2.5ms、16.7ms、20ms和100ms，相对应的以位表示的精度为8、12、12和14（见图3-11）。每一种积分时间有一个最佳的噪声抑制频率f，以上四种积分时间分别对应400Hz、60Hz、50Hz、10Hz。例如A/D的积分时间设定为20ms，则它的转换精度为12位，此时对频率为50Hz的噪声干扰有很强的抑制作用。在我国为了抑制工频及其谐波的干扰，一般采用20ms的积分时间。

（2）模拟量输出模块SM332

模拟量输出模块SM332目前有三种规格型号，即4AO×12位模块、2AO×12位模块和4AO×16位模块，分别为4通道的12位模拟量输出模块、2通道的12位模拟量输出模块、4通道的16位模拟量输出模块。

SM332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相连。采用4线回路可获得比较高的输出精度（见图3-12）。

（3）模拟量输入模块的量程卡

模拟量输入模块的输入信号类型用量程卡（或称为量程模块）来设置。量程卡安装在模拟量输入模块的两侧，每两个通道为一组，每组共用一个量程卡，图3-13中的模块有8个通道，因此有4个量程卡。

（4）模拟量输入模块的输出值计算对应的物理量

①模拟量转换后的模拟值表示方法　模拟量输入/输出模块中模拟量对应的数字称为模拟值，模拟值用16位二进制补码（整数）表示。最高位（第15位）为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。

模拟量经A/D转换后得到的数值的位（转换精度）可以设置为9～16位（与模块的型号和组态有关），如果小于16位（包括符号位），则转换值被自动左移，使其最高位（符号位）在16位字的最高位，模拟值左移后未使用的低位则填入“0”，这种处理方法称为“左对齐”。设模拟值的精度为12位加符号位，左移3位后未使用的低位（第0～2位）为0，相当于实际的模拟量值乘以8。这种处理方法使模拟值与模拟的关系与组态的A/D转换的位数无关，便于对模拟值的后续处理。

表3-4给出了模拟量输入模块的模拟值与以百分数表示的模拟量之间的对应关系，其中最重要的关系是双极性模拟量量程的上、下限（100%和-100%）分别对应于模拟值27648和-27648。单极性模拟量量程的上、下限（100%和0）分别对应于模拟值27648和0。

②转换举例　一个压力检测系统，压力传感器的量程为0～15MPa，输入信号为4～20mA。模拟量输入模块的量程设置为4～20mA，转换后的模拟值为0～27648。设转换后得到的数字为N，试求以kPa为单位的压力值。

解：0～15MPa（0～15000kPa）对应于转换后的数字0～27648，转换公式为：

P=15000N/27648

注意：在运算时一定要先乘后除，否则会损失原始数据的精度。

3.6.3　数字量仿真模块

仿真模块SM374常用于调试程序和实验中，直接用模块的开关来模拟数字量输入/输出信号，同时用LED灯显示输入/输出状态。

仿真模块SM374可以仿真16点输入、16点输出、8点输入和8点输出的数字量模块。图3-14是SM374的前视图，用螺丝刀改变面板中间开关的位置，即可仿真所需的数字量模块。仿真模块没有列入S7组态工具的模块目录中，也即S7的结构不承认仿真模块的工作方式，但组态时可以填入被仿真模块的代号。例如，组态时若SM374仿真16点输入的模块，就填入16点数字量输入模块的代号：6ES7 311-1BH00-0AA00；若SM374仿真16点输出的模块，就填入16点数字量输出模块的代号：6ES7 322-1BH00-0AA00。SM374面板上有16个开关，用于输入状态的设置，还有16个绿色LED，用于指示I/O状态。使用SM374后，PLC应用系统的模拟调试变得简单而方便。