工业自动化技术课件：PLC的硬件设计

S7-300/400硬件模块PLC的硬件设计2025/3/231S7-300/400硬件模块S7-300/400属于模块式PLC，主要由机架、电源模块、CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块、接口模块等组成，所有模块均安装在机架上。3124S7-400系列PLC1-电源2-CPU3-信号模块4-机架32S7-300系列PLC1-电源2-CPU3-信号模块4-机架142025/3/232机架S7-300机架S7-400机架1.中央机架中央机架带有K总线（串行通讯总线）和P总线（并行I/O总线），可以安装CPU模块、信号模块、通信模块、功能模块和接口模块等。2.扩展机架扩展机架只带有P总线，不能安装需要K总线通讯的功能模块和通信模块。3.通用机架通用机架带有K总线和P总线，既可以用于中央机架也可以用于扩展机架，在扩展机架上也可以安装功能模块和通信模块。五种不同的长度：160毫米，482毫米，530毫米，830毫米，2000毫米2025/3/233电源模块（PS，PowerSupply）S7-300电源模块S7-400电源模块2025/3/234S7-300系列CPU的类型通用型S7-312~S7-319实现计算、逻辑处理、定时、通信等CPU的基本功能。紧凑型S7-300CCPU集成了输入/输出端口、高速计数器、简单定位和脉冲输出等功能，适用于对处理能力有较高要求的中小型设备的控制。故障安全型S7-300FCPU经过TUV（技术监督学会）组织的认证，可以组态为一个故障安全型自动化系统。当发生故障时，确保控制系统切换到安全的模式，用于对安全要求较高的设备。技术功能型S7-300T具有智能技术/运动控制功能的SIMATICCPU。宽温型S7-300SIPLUS水平安装-25~60℃，垂直安装-25~40℃。CPU315T-2DPCPU313CCPU315-2DPCPU317F-2DP2025/3/235S7-400系列CPU的特色可在运行中更改组态在操作过程中，可修改S7-400的分布式I/O组态。热插拔可带电连接和断开信号模块（热插拔）。这使得扩展系统非常容易，在发生故障时方便更换模块。冗余结构S7-400H是附带两个同类型H-CPU的控制器，所有的重要部件都是冗余配置。在发生故障时，可从主站系统切换至备用站。适用于要求高可用性的、具有热备份的控制过程（即切换时间不超过100ms的过程）。CPU412-1CPU412-2DPCPU400H2025/3/236S7-300/400CPU面板512341-模式选择器STOP——停止模式RUN——运行模式MRES——模块复位（ModuleReset），CPU清除硬件组态信息和用户程序。3-指示灯SF（红色） =系统错误，CPU内部错误或带诊断功能模块错误BF（红色） =总线错误，（带DP接口的CPU）BATF（红色） =电池故障，备份电池电量不足或不存在DC5V（绿色） =内部5VDC电压指示FRCE（黄色） =强制有效，指示至少有一个输入或输出被强制RUN（绿色） =当CPU启动时闪烁，在运行模式下常亮STOP（黄色） =在停止模式下常亮；存储器复位时闪烁2-存储器卡S7-300CPU由于内部没有集成装载存储器，因此CPU必须插入一个MMC，其类型为FlashMemory（非易失存储器），否则无法工作。S7-400CPU内部集成了装载存储器，其类型为RAM（易失存储器）。需要保存用户程序在掉电的情况下不丢失，可以插入FlashMemory卡。4-MPI接口多点接口MPI（MultipointInterface）用于CPU与编程设备的连接，或用于MPI网络的通讯。5-DP接口部分CPU集成了DP通讯接口，CPU型号为CPU31X-2DP或CPU41X-2DP，表明该CPU有两个接口，除了MPI接口外，另一个为DP接口。DP接口用于将分布式I/O通过现场总线PROFIBUS-DP网络连接到CPU。注意：对于模式选择器是旋转钥匙开关的CPU，处于RUN运行模式时，不能向CPU下载组态数据和程序。只有在RUN-P模式下，CPU执行用户程序，并可以向CPU下载组态数据和程序。132早期的CPU314新型的CPU31445新型的CPU315-2DP2025/3/237接口模块（IM，InterfaceModulel）CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳控制系统的全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。在中央机架上安装的接口模块为IMS（发送器），在扩展机架上安装的接口模块为IMR（接收器）。IM360和IM361IM460-0和IM461-02025/3/238PLC的扩展能力S7-300的扩展能力S7-400的扩展能力S7-400系列PLC最多可以扩展21个机架。在中央机架最多可插入6个IMS模块，每个IMS有2个接口，每个接口最多可支持4个IMR模块。S7-400CPU的最大扩展能力为300多个模块。2025/3/239信号模块（SM，SignalModule）数字量输入模块DI数字量输出模块DO数字量输入/输出模块DI/DO（S7-300系列）模拟量输入模块AI模拟量输出模块AO模拟量输入/输出模块AI/AO（S7-300系列）前连接器S7-300信号模块及前连接器S7-400信号模块及前连接器2025/3/2310通信模块（CP，CommunicationProcessor）用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信。用于PROFIBUS-DP网络的CP342-5和CP443-5扩展型用于工业以太网的CP343-1和CP443-1用于AS-i网络的CP343-2CP343-1CP342-5CP443-1CP443-5扩展型2025/3/2311功能模块（FM，FunctionModule）功能模块负责处理那些CPU通常无法以规定速度执行的任务，例如高速脉冲计数、定位控制、闭环控制或驱动控制等，从而释放CPU资源用于其它重要的过程控制任务。FM350计数器模块FM351定位模块FM352电子凸轮控制器FM355闭环控制模块2025/3/2312仿真器模块有些场合调试程序时没有现场的I/O信号，可以使用仿真器模块替代现场的信号。SM374上有16个开关和16个LED灯，通过功能选择开关可以使其工作在三种模式下：（1）16个输入点，此时16个开关有效。（2）16个输出点，此时16个LED灯有效。（3）8个输入点和8个输出点，此时下半部分的8个开关和上半部分的8个LED灯有效。功能选择开关2025/3/2313硬件安装S7-300的部件部件功能导轨是S7-300的机架电源（PS）将电网电压（120/230V）变换为S7-300所需的24VDC工作电压中央处理单元（CPU）执行用户程序附件：备份电池，MMC存储卡接口模块（IM）连接两个机架的总线信号模块（SM）（数字量/模拟量）把不同的过程信号与S7-300相匹配附件：总线连接器，前连接器功能模块（FM）完成定位、闭环控制等功能通讯处理器（CP）连接可编程控制器附件：电缆、软件、接口模块2025/3/2314S7-300的安装位置根据安装位置不同，可编程控制器的控制柜的环境温度要求如下：垂直装配0℃至40℃水平装配0℃至60℃机架在控制柜中的最小安装间距：机架左右为20mm单层组态安装时，上下为40mm两层组态安装时，上下至少为80mm2025/3/2315更换模块更换S7-300的SM模块:1.将CPU处于“STOP”模式，并切断该模块的负载电源2.先取下前连接器，再拧松模块的固定螺钉拆下模块3.更换同型号的新模块，在插入原前连接器之前，应将前连接器上面的编码块拔下来更换S7-400的SM模块:S7-400PLC允许带电插拔I/O模块，但要确保用户程序允许在RUN模式下更换模块。更换模块时会产生插/拔模块中断，用户需要编写OB83处理中断，为新模块分配参数，使其投入运行。2025/3/2316硬件组态硬件组态包括两部分的内容，“组态硬件模块”和“配置模块参数”。组态硬件模块——在STEP7软件的“硬件配置”工具中模拟真实的PLC硬件系统，将工程项目中选用的电源、CPU、信号模块（SM）、功能模块（FM）、通信处理器模块（CP）以及分布式I/O模块等硬件设备安装到表示机架的组态表中。配置模块参数——对PLC硬件模块属性以及网络通信参数等进行设置。例如：设置CPU的中断系统，设置SM模块的I/O地址，设置网络通信速率及各站地址等。2025/3/2317双击启动硬件组态编辑器硬件安装区硬件详细信息区打开“硬件目录”2025/3/2318安装机架2025/3/2319安装模块订货号2025/3/2320配置CPU的属性“常规”标签2025/3/2321配置CPU的属性“启动”标签2025/3/2322配置CPU的属性“周期/时钟存储器”标签时钟存储器位76543210周期（s）21.610.80.50.40.20.1频率（Hz）0.50.62511.2522.55102025/3/2323配置CPU的属性“保存存储器”标签2025/3/2324配置CPU的属性“保护”标签早期的CPU314新型的CPU315-2DP2025/3/2325S7-300DI/DO固定的编址方式2025/3/2326可变的编址方式双击2025/3/2327配置输入/输出属性2025/3/2328保存组态参数将组态下载到CPU保存和编译下载到CPU2025/3/2329快速硬件组态选择模块的订货号2025/3/2330复位CPU和暖启动1.S7-400CPU和带钥匙开关的S7-300CPU通过钥匙开关进行复位，删除用户程序块及硬件配置信息。复位步骤如下：把钥匙开关放在“STOP”位置把钥匙开关保持在“MRES”位置，直到“STOP”指示灯闪烁两次（慢速）松开钥匙开关（自动回到“STOP”位置）再把钥匙开关快速拨回“MRES”位置然后松开（STOP指示灯快速闪烁表示模块正在复位）把钥匙开关拨到“RUN”或“RUN-P”位置，实现暖启动2025/3/2331复位CPU和暖启动2.插有微存储器卡（MMC）的S7-300CPU对于新型的CPU，需要在线删除MMC的内容。删除方法如下：在SIMATICManager窗口中选中块文件夹，点击“在线”按钮显示当前CPU中的程序块，选中用户程序删除。S打头的程序块（如SFC、SFB）是出厂时已经固化在CPU中的标准子程序块，用户是无法删除的。“系统数据”是硬件配置信息。2025/3/2332自动生产线