西门子可编程序控制器工作原理与编程

学习单元1   西门子S7—300 PLC的认识和简单程序编制

学习目标

    1.初步认识西门子S7—300系列PLC

    2.了解S7—300PLC的结构和信号模块(SM)

    3.了解S7—300PLC的地址分配

    4.了解S7—300PLC的存储器及数据类型

    5.了解S7—300PLC的梯形图指令，学会编制简单的控制程序

知识要求

一、S7—300PLC的硬件和地址分配

    西门子(SIMATIC)自动化系统由一系列部件组合而成，包括PLC、工业控制网络、分布式I/O、人机界面(HMI)、标准工具STEP7等。在SIMATIC系列PLC产品中，又可根据性能及用途分为S7、M7、C7、WINAC等几大系列。其中S7系列是传统意义的PLC产品，它包括针对低性能要求的紧凑的微型PLCS7—200、针对中等性能要求的模块式中小型PLCS7—300及用于高性能要求的模块式大型PLCS7—400。S7—300是通用型的PLC，适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是生产制造过程中的应用。模块化、无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特点，使得S7—300在各种工业领域中实施各种控制任务时，成为一种优选的解决方案。

1.S7—300 PLC的硬件结构

    S7—300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块(PS)、CPU、信号模块(SM)、功能模块(FM)、接口模块(IM)和通信处理器(CP)都安装在导轨上。如图1—103所示。电源模块总是安装在机架的左边，CPU模块紧靠电源模块。如果有接口模块，就把接口模块放在CPU的右边。再右边就可安装其他的各种模块。电源模块为CPU模块和其他模块提供DC24V电源。

    S7—300用背板总线将除了电源模块之外的各个模块互相连接起来。背板总线集成在模块上，模块之间通过U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器接插在模块的背后，安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并用固定螺钉把模块固定在导轨上，然后依次安装各个模块，如图1—104所示。

    外部接线接在信号模块和功能模块的前连接器的端子上，前连接器有20针和40针两种，可根据模块规格选用。前连接器被安装在模块前门盖内的插座上。

    每一台S7一300PLC多可使用四个机架，其中装有CPU模块的导轨为中央机架，其他的导轨上可安装除CPU之外的各种模块，称为扩展机架。每个机架多可以安装八个信号模块、功能模块或通信处理器模块。机架之间用接口模块和专用电缆进行连接。

2.S7一300 PLC的常用模块

    除电源、CPU和IM外，S7一300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)、A0(模拟量输出)、FM(功能模块)、CP(通信模块)等。

(1)PS 30X系列电源模块

    电源模块是构成PLC 控制系统的重要组成部分，针对不同系列的CPU，西门子有匹配的电源模块与之对应，用于对PLC内部电路和外部负载供电。有多种S7一300电源模块可为可编程序控制器供电，也可以向需要24V直流的传感器/执行器供电，比如PS305、PS307。PS305电源模块是直流供电，PS307是交流供电。如图1一105所示是PS307电源模块示意图。

    PS307电源模块具有以下特性:

    1)输出电流2A(或5A、10A)。

    2)输出电压DC24V，防短路和开路保护。

    3)连接单相交流系统(输入电压AC120/230V，50/60Hz)。

    4)可用作负载电源。

(2)CPU模块

    CPU是PLC系统的运算控制核心。它根据系统程序的要求完成以下任务：接收并存储用户程序和数据；接收现场输入设备的状态和数据；诊断PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；完成用户程序规定的运算任务；更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容；实现输出控制或数据通信等功能。

    S7—300CPU模块有20多种不同型号，各种CPU按性能等级划分，可以涵盖各种应用范围。除了标准型的CPU之外，还有紧凑型的CPU。紧凑型CPU具有集成的DI/DO、AI/AO 等。它没有集成的装载存储器，运行时需插入MMC卡(Flash EPROM)，通过MMC卡执行程序和保存数据。如图1—106所示为紧凑型CPU314C—2DP。

(3)接口模块

    接口模块负责主架导轨和扩展导轨之间的总线连接，有IM365、IM360、IM361等。其中IM365只能扩展一个机架，电缆线长度只有1m。IM360、IM361可扩展三个机架，电缆线长度有10m，IM360安装于主机架，IM361安装于扩展机架，IM360和IM361之间用专用的368电缆连接。

(4)信号模块

    信号模块也叫输入/输出模块，是CPU模块与现场输入/输出元件和设备连接的桥梁，用户可根据现场输入/输出设备选择各种用途的I/O模块。

    1)数字量输入模块SM321。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式两种。对现场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进人到输人映像区。数字量输入模块的接口电路如图1一107所示。

    数字量输入模块需由外部电源供电，外部电源的极性应如图1—107 中所示。每个输人点有一只绿色发光二极管显示输人状态，输入开关闭合(即有输入电压)时二极管点亮。

    2)数字量输出模块SM322。数字量输出模块SM322将S7—300内部信号电平转换成所要求的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用的电源不同，它可分为直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关元件的种类不同，它又可分为半导体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触点输出方式。半导体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流输出模块；晶闸管输出方式属于交流输出模块；继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，半导体管响应快，继电器响应慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电器触点输出型。半导体管输出的接口电路如图1—108所示。

    3)模拟量输入模块SM331。S7—300 模拟量输入模块的输入测量范围很宽，它可以直接输人电压、电流、电阻、热电偶等信号。SM331主要中 AD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。

    4)模拟量输出模块SM332。S7—300模拟量输出模块可以输出0~10V，1~5V，-10~10V，0~20mA，4~20mA等模拟信号。模拟量输出模块SM332目前有三种规格型号，即4A0x12位模块、2A0x12位模块和4A0x16位模块，分别为四通道的12位模拟量输出模块、两通道的12位模拟量输出模块、四通道的16位模拟量输出模块。其中具有12位输入的模块除通道数不一样外，其工作原理、性能、参数设置等各方面都完全一样。

(5)功能模块

    功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，如计数器块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、闭环控制模块、接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置等。

(6)通信处理器模块

    S7—300系列PLC有多种用途的通信处理器模块，可用于组态网络，如CP340、CP341、CP342、CP343等，可以实现点对点通信(Point to Point，PTP——用CP340、CP341模块)、Profbus(用CP342模块)、工业以太网(用CP343模块)等通信连接。

3.S7—300 PLC的地址分配

    S7—300PLC信号模块中的每个端口或模拟量信号的每个通道，都必须有唯一的地址供编程使用。地址的分配既可使用默认的地址，也可自行定义。

    使用默认地址时，S7—300为每个槽分配了4个字节的地址给数字量信号模块；16个字节的地址给模拟量信号模块。默认地址分配的规律如下:

    (1)地址编号从主机架的4#槽开始按槽号和机架号依次增大。

    (2)数字量模块每个端子的地址以对应字节的1位表示；模拟量模块每个通道的地址用1个字表示。

    (3)输入量和输出量的地址可以重叠。

    (4)使用紧凑型CPU时，CPU中集成的I/O地址默认为3#机架11上分配的地址。

    数字量信号的地址分配如图1—109所示。

     数字量模块每个端子的地址以对应字节的1位表示，如图1—110所示。

     模拟量信号的地址分配如图1—111所示。

    模拟量模块每个通道的地址用一个字表示，例如当使用紧凑型的CPU313C时，CPU中集成有四路模拟量输入，二路拟量输出，则这四路模拟量输入通道的地址分别为PIW752、PIW754、PIW756、PIW758，而二路模拟量输出通道的地址则分别为POW752和POW754。

二、S7—300 PLC的存储器及数据类型

1.CPU存储器的区域及系统存储区

(1)CPU的存储器区域

    PLC的系统程序相当于个人计算机的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种工作。系统程序由PLC生产厂家设计并固化在ROM中，用户不能读取。用户程序由用户设计，它使PC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为单位，不同的程序对应不同的存储区域。

    CPU存储器可以分为三个区域，如图1—112所示。

    1)装载存储器。装载存储器位于型存储卡(MMC)中。装载存储器的容量与MMC的容量一致。用于保存程序指令块和数据块以及系统数据，也可以将项目的整个组态数据保存在MMC中。

    2)工作存储器(RAM)。RAM集成在CPU中，不能被扩展。它可用于运行程序指令，并处理用户程序数据。CPU自动把装载存储器中可执行的部分复制到工作存储器，运行时CPU扫描工作存储器中的程序和数据。

    CPU的RAM都具有保持功能。

    3)系统存储区。RAM系统存储区集成在CPU中，不能被扩展。它分为多个区域，对应各种编程元件，用户程序可对其进行读写访问。

(2)系统存储区中的编程元件映像

    1)过程映像输入(I)。共有128个字节，地址为IB0~IB127，对应信号输入端口的地址。

    2)过程映像输出(Q)。共有128个字节，地址为QB0~QB127，对应信号输出端口的地址。

    I和Q在编程中可用“位”“字节(B)”“字(W)”“双字(D)”的形式表示，如图1—113所示。

    注意：以字或双字形式存储数据时，高位字节是放在地址小的字节中的。

    3)外设I/O存储区(PI和PQ)。直接保存外部输入/输出端口的数据。

    读写外设I/O存储区时只能用“字节(B)”“字(W)”“双字(D)”的形式，如 PIW0、PQB2等，不能用“位”的形式表示。

    4)位存储区(M)。共有256个字节(即2048位)，地址范围为MB0~MB255，可用“位”“字节(B)”“字(W)”“双字(D)”的形式表示，如M10.0、MB12、MW8、MD32等。

    5)定时器(T)。共有256个16位定时器，地址为T0~T255。

    6)计数器(C)。共有256个16位计数器，地址为C0~C255。

2.S7—300 PLC的数据类型

    在编制PLC程序时，不可避免地会用到各种数据，这需要用规定的形式来加以表示，因此就必须了解PLC中的数据类型。S7—300PLC的数据类型有三类：基本数据类型、复合数据类型及参数数据类型。此处仅对基本数据类型进行介绍。

基本数据类型有以下几种:

(1)位(BOOL)

    数据长度1位，对应数值为“0”和“1”。

(2)字节(BYTE)

    数据长度8位，数据格式为“B#16#”，数值范围为B#16#0~B#16#FF。

(3)字(WORD)

    数据长度16位，有四种表达形式:

    1)二进制：2#✱✱，如2#101。

    2)十六进制：W#16#✱✱✱✱，如W#16#90F，数值范围为W#16#0~W#16#FFFF。

    3)BCD码：C#✱✱✱，如C#354，数值范围为C#0~C#999。

    4)无符号十进制：B#(✱，✱)，如B#(12，254)，取值范围为B#(0，0)~B#(255，255)。括号中的数字是用十进制的0~255来表示二进制中1个字节的内容，则16位的数就要用两个0~255的数来表示。B#(12，254)即为2#00001100 11111110。

    这四种表达形式中，STEP7中常用十六进制格式，即W#16#✱✱✱✱。

(4)双字(Double Word)

    数据长度为32位，同样有二进制、十六进制、BCD、无符号十进制四种表达形式，通常用十六进制格式：DW#16#✱✱✱✱✱✱✱✱。数值范围为DW#16#0~DW#16#FFFFFFFF。

(5)整数(INT)

    数据长度16位，带符号，高位是符号位：0为正数，1为负数。后面15位表示数值，以补码表示。

(6)双整数(Double INT)

    数据长度32位，高位表示符号，后面31位表示数值，以补码表示。常数前需加上L#以表示双整数，如L#27648表示32位的整数+27648(十进制)；L#-9764表示32位的整数-9764。

(7)浮点数(REAL)

    数据长度32位，格式为✱.✱✱✱✱e±✱✱，如3.524e+3表示3.524x10³=3524，1.0513e-2表示1.0513x10⁻²=0.010513。浮点数用于表示带小数的数值、很大的数值及很小的数值，数值范围为±1.175495x10负38次方~±3.402823x1038次方。

(8)S5TIME(SIMATIC时间)

    在定时器指令中表示时间，数据长度16位，包括时基和时间常数两个部分。时间常数采用BCD码，占12位，取值范围0~999；时基占2位，表示时间单位。其时间格式如图1—114所示，图中即为定时439s，高2位不用。

    在定时器指令中，用直接设置方式表示时间时可写为“S5T#439s”或“S5T#7 m19s”；用间接设置方式时，存储定时时间的存储单元内必须为如图1—114所示的格式。

三、S7—300 PLC的梯形图指令

1.S7—300 PLC的指令概述

(1)S7—300PLC的编程语言

    对S7—300进行编程时，可使用多种编程语言，如STL(语句表)、LAD(梯形图)、FBD(功能块图)、Graph(顺序功能图)、SCL(结构化控制语言)、Hi-Graph(图形编程语言)、CFC(连续功能图)等。不同的编程语言可供不同知识背景的人员使用，但基本的编程语言是STL、LAD、FBD。

    梯形图是一种图形语言，形象直观，容易掌握。梯形图与继电控制电路图的表达方式极为相似，适合于熟悉继电器控制电路的工程人员使用，特别适用于数字量逻辑控制。

    梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列，左边的竖线为左母线，然后按一定的控制要求和规则连接各个触点，后以线圈(或指令)结束，右边再加上一根竖线，称为右母线。通常一个梯形图中由若干个网络(Network)即梯级组成。

(2)S7—300的寻址方式

    寻址方式即是程序中对编程元件进行访问的方式。S7—300编程时可使用的寻址方式有立即寻址、直接寻址及间接寻址三种，用梯形图编程时，一般只使用立即寻址和直接寻址方式。

    1)立即寻址。立即寻址是指在指令中直接提供操作数，如L276(276装入累加器)。

    2)直接寻址。直接寻址也称为地址寻址，是指直接在指令中指定地址——即所访问的存储区域、访问形式及地址数据。地址由地址标识符和存储器位置组成。其中地址标识符的形式为指定存储区(如I、Q、M)加上描述数据大小的符号(如B、W、D)；或指定软元件(如T、C)或块(如FC、DB、SFC)加上软元件或块的编号。

    在编程时，可采用四种直接寻址的方式。

①位寻址

    格式：地址标识符+字节地址+位地址(0~7)。例如，I4.0，Q20.3，M100.1，DBX0.0等。

②字节寻址

    格式：存储区关键字+B+字节地址(存储区关键字+B即为地址标识符)。例如，MB0，IB10，QB2，DBB1等。

③字寻址

格式：存储区关键字+W+第1字节地址(存储区关键字+W即为地址标识符)。例如，MWO，IW10，PIW752，DBW12等。

④双字寻址

    格式：存储区关键字+D+第1字节地址(存储区关键字+D即为地址标识符)。例如，MD50，DBD20等。

    在使用直接寻址时应注意：1个字包括2个字节，如MW10中包括了MB10、MB11。若再使用MW11，则MW11中包括了MB11、MB12。这样MB11就被重复使用而会造成数据的错乱。同样1个双学包括4个字节，如MD50中包括了MB50、MB51、MB52、MB53。应尽量避免地址重叠情况的发生，使用字寻址时，尽量采用偶数地址；使用双字寻址时，采用加4寻址。

2.位逻辑指令

    位逻辑指令是对位信号进行逻辑处理的指令，使用位逻辑指令对触点的组合进行逻辑运算，当逻辑运算结果(RLO)为“1”时可执行其后的功能。

    常用的位逻辑指令有:

    上述有关线圈操作的指令中，输出线圈指令无保持功能，而线圈置位和线圈复位指令都有保持功能。使用位逻辑指令的例子如图1—115所示。注意其中的触点和线圈均采用位寻址方式来加以表示。

    常用的位逻辑指令还有上升沿脉冲和下降沿脉冲指令。

    脉冲指令的使用实例如图1—116所示。

    在脉冲指令中，“边沿存储位”地址(即如图1—116所示的M0.0及M0.1)在每个扫描周期中记忆逻辑运算结果RLO的状态。RLO上升沿检测指令可以检测从“0”到“1”的信号变化，并将RLO的当前信号状态与“边沿存储位”地址中的信号状态进行比较。如果指令执行之前“边沿存储位”地址的信号状态(即上一个扫描周期的RLO状态)为“0”，若当前的RLO变为“1”，则在执行本指令后，指令后的线圈(04.1)产生一个脉宽为1个扫描周期的脉冲。

    RLO下降沿检测指令的功能与其类似，但检测的是RLO的下降沿变化。

3.定时器指令

    S7—300PLC中有256个定时器T0~T255，任何一个都可按照所使用的定时器指令作为不同类型的定时器使用。

    在S7—300中，有五种不同的定时器指令：

    脉冲定时器——(SP)

    扩展脉冲定时器——(SE)

    开通延时定时器——(SD)

    保持型开通延时定时器——(SS)

    关断延时定时器——(SF)

(1)脉冲定时器指令(SP)

    SP指令是产生指定时间宽度脉冲的定时器指令。脉冲定时器指令的使用如图1—117所示，程序中定时器T1的定时值为2s。

    如图1—117a所示的程序中，T1接点控制Q0.0线圈，因此T1接点的状态与Q0.0的状态一致。由如图1—117b所示的时序图可以看出，脉冲定时器启动的条件是控制信号10.0接通，在定时器启动计时的同时，T1接点开始输出高电平“1”；定时器定时时间到则T1接点输出低电平“0”。在定时器计时的过程中，控制信号10.0的状态若变为“0”则定时器立即停止计时，且T1接点输出立即被复位为“0”。因此，脉冲定时器输出的高电平的宽度小于或等于所定义的时间值。

(2)扩展脉冲定时器指令(SE)

    SE指令与SP指令相似，但SE指令具有保持功能。如图1—118所示为扩展脉冲定时器指令的使用。

    由图1—118b时序图可看出，如果定时时间尚未到达，控制信号10.0的状态就由“1”变为“0”(t=6.5s处)，这时定时器仍然继续运行，直到计时完成。这是SE指令与SP指令的不同之处。

(3)开通延时定时器指令(SD)

    SD相当于继电器控制系统中的通电延时时间继电器。通电后延时一段时间触点动作。直到控制信号触点断开时，定时器触点被复位为“0”。如图1—119所示为开通延时定时器指令的使用情况。在定时器计时的过程中，控制信号10.0的状态若变为“0”则定时器立即停止计时。

(4)保持型开通延时定时器指令(SS)

    SS指令与SD指令类似，但SS指令有保持功能。如图1—120所示为保持型开通延时定时器指令的使用情况。从如图1—120b所示波形图中可看出，一旦定时器SS指令被启动开始计时，即使控制信号10.0的状态变为“0”，定时器SS指令仍然继续计时，定时时间到时定时器触点动作。但正是因为如此，只要定时器被启动，其触点就会接通并且不能由控制信号10.0对其复位，因此需要使用复位指令来对定时器进行复位。

(5)关断延时定时器指令(SF)

    SF指令相当于继电器控制系统中的断电延时时间继电器。也是定时器指令中唯一的一个由下降沿启动的定时器指令。关断延时定时器的工作情况如图1一121所示。

    在关断延时定时器中，当控制信号10.0接通时，定时器的触点立即动作，但定时器的计时要等到控制信号10.0断开时才开始，等计时结束时定时器的触点被复位。若计时过程中控制信号10.0又被接通，则立即停止计时，等控制信号10.0断开时重新开始计时。

技能要求

使用S7—300PLC的电动机Y/Δ启动程序编程

一、操作要求

    用S7—300PLC梯形图指令编制电动机的Y/Δ启动程序。

    交流笼型电动机采用Y/Δ降压启动的电路原理图如图1—122所示，要求当启动按钮SB1被按下后，电动机定子绕组接通电源，并以Y形接法启动。经过一段时间后(设为3s)，改为Δ形接法运行。按下停止按钮SB2，切断电源，电动机停止运行。

二、操作准备

    本项目所需元器件清单见表1—17。

三、操作步骤

    步骤1  在S7—300型PLC实训工作台上认识电源、CPU、输入/输出等模块PLC实训工作台、CPU313C—2DP、电源模块PS307—2A和MPVRS—232适配器等分别如图1—123、图1—124和图1—125所示。

    在如图1—124所示紧凑型CPU313C—2DP中集成有DI16/DO16、AI4/A02等输入/输出模块，机架中未使用PS307电源模块，而是使用的外部DC24V电源。另外，在CPU313C—2DP右边安装的是CP343—1以太网通信模块。

    步骤2  根据电气电路图列出所需的控制器件并进行I/O分配

    电动机Y/Δ启动输入/输出元件分配法见表1—18。

    步骤3  根据控制要求用S7—300PLC梯形图指令编制电动机Y/Δ启动控制程序

    用S7—300PLC梯形图指令编制的电动机Y/Δ启动控制程序如图1—126所示。在程序中，M0.0为运行标记，为了防止按下停止按钮电动机停转，但停止按钮释放又自行启动的情况(启动按钮按下未放或被卡住时)发生，在10.0常开触点后加了一个上升沿脉冲检测指令。在使用置位指令(S)或复位指令(R)时，为了防止线圈被闭锁[即(S)或(R)指令在控制条件未被释放时处于一直被执行的状态]，通常应使用脉冲检测指令。但注意在整个程序中，各个脉冲检测指令上的“边沿存储位”的地址不能重复。

注意事项

    1.注意实物和教材说明的对照。

    2.注意S7—300梯形图指令的形式和用法。

    3.注意定时器的种类和时间常数的设置形式。

    4.注意西门子PLC和三菱、松下等PLC梯形图程序的异同。注意在S7—300的程序结束时，不需要用程序结束指令(在三菱FXNPLC程序中要用“END”指令、松下FP0 PLC程序中要用“ED”指令)。