1.3 S7-300/400 PLC的硬件系统

PLC的种类很多，可以按结构形式、I/O点数和功能对PLC进行分类。

1.按结构形式分类

根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类，如图1-18和图1-19所示。

1）整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。

2）模块式PLC是将PLC各组成部分，分为若干个单独的模块，如电源模块、CPU模块、输入输出模块以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。

2.按I/O点数分类

根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。

1）小型PLC的I/O点数小于256点，采用8位或16位单CPU，用户存储器容量4KB以下。

2）中型PLC的I/O点数在256～2048点之间，采用双CPU，用户存储器容量2～8KB。

3）大型PLC的I/O点数大于2048点，采用32位CPU，用户存储器容量8～16KB。

3.按功能分类

根据PLC所具有功能的不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。

1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。

低档PLC主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。

2）中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算和远程I/O、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能。

中档PLC适用于复杂控制系统。

3）高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。

高档PLC具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工业自动化。

1.3.1 S7-300/400 PLC的硬件组成

S7-300 PLC是模块式PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块固定在西门子S7-300标准的导轨（Rail）上。

1．S7-300导轨安装过程

将导轨拧紧到适当位置（螺钉尺寸：M6）。确保导轨上下留出至少40mm的间隙。如果将导轨固定在接地金属板或设备支架上，确保导轨与底板之间为低电阻连接。将导轨连接到保护性导体上。导轨上有一个M6保护性传导螺钉用来实现此目的。连接保护性导体的电缆的最小横截面积为10mm2，安装过程如图1-20所示。

2．S7-300模块安装过程

首先将模块左推到导轨的接地螺钉，然后拧紧就位。通过将总线连接器插入CPU，将其连接到其他模块。将CPU沿上侧推到贴近左侧模块，然后翻转下压CPU，用手劲将模块紧固到导轨上。安装过程如图1-21~图1-23所示。

西门子S7-300 PLC控制系统中，电源模块可以选择西门子电源，也可以选择其他24V直流电源。CPU模块的右边是接口模块（IM），如果没有使用扩展机架可以不选择接口模块。

在硬件组态时，电源、CPU和接口模块（IM）分别放在机架的1号槽、2号槽和3号槽上。一条机架共有11个槽号：1号槽至11号槽，其中4号槽至11号槽可以放置除电源、CPU和IM以外的其他模块。除电源、CPU和接口模块外，S7-300可以选择的其他模块有DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、FM（功能模块）和CP（通信模块）等，如图1-24所示。

IM接口模块负责主机架与扩展机架之间的总线连接。IM模块有IM365、IM360和IM361。

SM信号模块包括DI（数字量输入）、DO（数字量输出）、AI（模拟量输入）和AO（模拟量输出）。

FM功能模块是可以实现特殊功能的模块，常用的有高速计数、定位控制、闭环控制和占位模块等。

CP通信模块是组态网络使用的接口模块，常用的网络有PROFIBUS、工业以太网及点对点等连接网络。

3．S7-300的扩展及地址分配

S7-300CPU由于型号不同，允许扩展模块的数量也有差异，比较低端的CPU是不能扩展的；能够扩展的CPU最多可以扩展达到32个模块，如图1-25所示，每个导轨上最多可以安装8个模块，连CPU本身的导轨在内分别接在4条导轨上。

4．S7-400的扩展及地址分配

S7-400的机架是安装所有模块的基本框架，这些模块通过机架背部总线进行交换数据和供电。S7-400机架的种类及应用如表1-2所示。

UR1用于中央控制器时必须具有一个电源模块和一个CPU模块，以集中式配置扩展，（最大为3m）或以分布式配置扩展（最大为100m）。扩展时需要有接口模板（发送IM），最多可插入6个接口模块，最多可链接21个扩展单元。UR1机架外形如图1-26所示。

1.3.2 CPU模块

1．S7-300 CPU模块的分类

CPU模块是控制系统的核心，负责系统的中央控制，存储并执行程序，实现通信功能。S7-300有多种不同型号的CPU，大致分为以下6类，如表1-3所示。

2.状态与故障显示

CPU模块上的指示灯说明见表1-4。

3．CPU的操作模式

使用模块选择器开关可以设置CPU操作模式，模式选择开关设置见表1-5。

1.3.3 数字量模块

在自动化控制系统中，由于设备的信息需要反馈到控制系统中，因此数字量输入模块在西门子S7-300系统中使用较多。常见的数字量输入信号有控制柜的按钮信号、开关型阀门的位置信号、各种光电开关的状态等，表1-6和表1-7显示数字量输入模块的基本属性。同时又有大量的设备由数字量信号控制，因此也使用大量数字量输出模块，常见的数字量输出信号有继电器线圈、电磁阀、指示灯等，表1-8和表1-9显示数字量输出模块的基本属性。

数字量信号的定义为：在时间和数值上都是断续变化的离散信号。

1.3.4 模拟量模块

工业现场有大量的模拟量信号，特别是化工、冶炼等行业。常见的模拟量输入信号有压力仪表、流量计、物位传感器、温度传感器和成分仪表，表1-10和表1-11显示模拟量输入模块的基本属性。常见的模拟量输出信号有调节阀、变频器模拟量控制等，表1-12显示模拟量输出模块的基本属性。

模拟量信号的定义为：在时间和数值上都是连续的物理量称为模拟量。

1.3.5 功能模块

功能模块是能够执行技术任务并因此降低CPU负荷的智能模块。可以独立执行技术任务，如计数、测量、凸轮控制、PID控制和传动控制。因此它们可以减轻CPU的负荷。可以使用在需要高等级的精度和动态响应的应用中。

主要应用的行业有：木材、玻璃、石料和金属加工、包装机械、印刷、一般机器制造、机床、纺织机、橡胶和塑料行业等。常用的功能模块如表1-13所示。