1.S7-400系列PLC结构

S7-400是S7系列PLC中等性能最好、功能最强、扩展性最好的PLC产品，可以满足绝大多数工业自动化控制要求。与S7-300 PLC一样，S7-400 PLC也属于模块式PLC，主要由CPU模块、电源模块、I／O模块、通信模块和功能模块等组成，将这些模块安装在S7-400 PLC专用机架上，依靠机架上自带的总线连为一体。图1-24列出两种S7-400 PLC硬件实物图。

S7-400可以根据需要，选择不同的模块组成一个PLC控制系统。图1-25是一个典型的包含了多种模块的S7-400 PLC硬件系统，该系统由1个电源模块、多个CPU模块、多个I／O模块、多个通信模块和1个IM接口模块组成。

2.S7-400系列PLC分类

S7-400 PLC有3大类：标准S7-400 PLC、S7-400 H硬件冗余系统和S7-400 F／FH系统。

标准S7-400 PLC广泛适用于过程工业和制造业，具有大数据量的处理能力，能协调整个生产系统，支持等时模式，可灵活、自由地进行系统扩展，支持带电热插拔，具有不停机添加／修改分布式I／O等特点。

S7-400 H硬件冗余系统非常适用于过程工业，可降低故障停机成本，具有双机热备份，避免停机；可无人值守运行，且双CPU切换时间低于100 ms，同时还有先进的事件同步冗余机制。

S7-400 F／FH系统是基于S7-400 H硬件冗余系统的，实现了对人身、机器和环境的最高安全性，符合IEC61508 SIL3安全规范，标准程序与故障安全程序在CPU中同时运行。

1）CPU412-1、CPU412-2和CPU412-2PN适用于中等性能范围的小型自动化系统。

2）CPU414-2、CPU414-3和CPU412-3PN／DP适用于中等性能范围的小型自动化系统，它满足对程序规模和指令处理速度及通信要求高的场合。

3.S7-400 PLC硬件组成

S7-400 PLC的模块安装在一个称为单机架S7-400 PLC的系统中，图1-26所示为一种单机架S7-400 PLC硬件系统，系统采用了具有18个插槽的机架，安装了电源模块、CPU模块和其他模块（I／O模块、接口模块、功能模块和通信模块等），单机架系统必须安装电源模块和CPU模块，其他模块可根据需要安装，如图1-27所示。

（1）机架

机架上已含有背板总线，模块安装在机架上后，机架上的总线会将各模块连接起来。为各模块提供电源。S7-400 PLC有7种类型的机架，分别是UR1、UR2、ER1、ER2、CR2、CR3和CR2-H。

（2）电源

S7-400 PLC电源模块的功能是通过背板总线为机架中的其他模块提供工作电压，S7-400电源模块有PS405和PS407两种类型，每种类型又分为标准型和冗余型，当S7-400的供电系统稳定性较差时，建议使用冗余型电源模块。

S7-400标准型电源模块分为4 A、10 A和20 A，冗余型电源模块只有10 A系列。

S7-400各种电源模块的面板大同小异，区别主要是有的电源模块只能安装一个备用电池，有的电源模块可以安装两个备用电池。S7-400电源模块的外形与面板如图1-28所示。

下面对S7-400电源模块的面板各部分进行说明。

①状态与故障指示灯。

S7-400电源模块的状态与故障指示灯含义见表1-2。

②按钮和开关。

电源模块上有故障消息复位（FMR）按钮、待机开关和备用电池监视（BATT.INDIC）开关。

a.故障消息复位（FMR）按钮：用于排除故障后复位故障指示灯。

b.待机开关：用于对电源模块进行开机和待机控制，当电源模块切换到待机状态时，其背板总线上的输出电压（DC 5 V／24 V）为0。

c.备用电池监视（BATT.INDIC）开关：用于选择监视备用电池。

③备用电源盒。

备用电池的功能是当电源模块关机或者供电电压过低时，系统的参数设置及RAM存储将通过背板总线备份到CPU及可编程模块。另外，备用电池可以在CPU通电后执行CPU的重启动。电源模块和被备份的模块都会监视电池电压。

如果备用电池电压偏低或极性装反，则系统无法执行备份功能，因此安装备用电池后，应开启BATT.INDIC（备用电池监视）开关，以便随时了解备用电池的情况。

如果安装了两块备用电池，并且将BATT.INDIC开关置于“2BATT”时，电源模块将会使用其中一块电池，当该电池耗完后，会自动切换使用另一块电池。

备用电池为选件，其类型为AA锂电池，额定电压为3.6 V，额定容量为2.3 A·h，订货号为6ES7971-0BA00。

（3）CPU

S7-400 CPU模块型号很多，图1-29列出了两种典型的CPU模块的操作面板，从图中可看出面板上主要有状态和故障指示灯，存储卡插槽、模式选择开关和通信接口等。

下面对S7-400 CPU模块面板进行详细说明。

①状态和故障指示灯。

CPU模块的状态和故障指示灯含义见表1-3。

②存储卡插槽。

存储卡插槽可以插入RAM卡来扩展CPU的装载存储器，也可以插闪存卡。RAM卡的容量有：64 KB，256 KB，1 MB，2 MB；RAM卡的内容利用CPU模块上的电池保持。

闪存卡是用于存储用户程序和数据的非易失性存储器（不需要备用电池），可在编程设备或CPU模块中进行编程，插入闪存卡也扩展了CPU的装载存储器。快闪EPROM卡的容量有：64 KB，256 KB，1 MB，2 MB，4 MB，8 MB，16 MB；这些内容备份到集成的E2 PROM。

③模式选择开关。

模式选择开关用来设置CPU的当前工作模式。模式选择开关有RUN（运行）、STOP（停止）和MRES（存储器复位）3种模式。

④通信接口。

S7-400 CPU模块的通信接口类型有：MPI接口（多点接口）、DP接口（现场总线接口）和PN接口（工业以太网接口）。

所有的CPU模块至少有一个MPI接口（多点接口），用于连接PG（编程器）、PC（个人计算机）或OP（操作员面板）。CPU模块是否有DP接口、PN接口，可查看CPU型号中是否含有DP、PN字符，若有则表明该CPU模块具有这两种接口（或可在接口插槽中插入接口模块获得DP接口），例如CPU414-3 PN／DP模块中含有PN／DP，表示同时具有DP和PN接口。

⑤外部备用电源插口。

当该接口输入DC 5～15 V的外部备用电源时，可使CPU模块实现以下功能：

a.备份存储在RAM中的用户程序；

b.保存动态DB中的标志值、定时器值、计数器值和系统数据；

c.备份内部时钟。

用该接口为CPU提供备用电源，可制作一个带直径为2.5 mm插头的电源线，也可在机架的电源模块中安装备用电池，起到同样的效果。

（4）数字量模块

S7-400的数字量模块有SM421输入模块和SM422输出模块。

①数字量输入模块。

数字量输入模块SM421的规格型号很多，各型号连接方式有所不同，主要区别在于电源和公共端。SM421的接线方式为单列方式。

a.技术规格。

数字量输入模块SM421的技术规格见表1-4。

b.接线。

数字量输入模块SM421的接线图如图1-30所示。

②数字量输出模块SM422。

数字量输出模块SM422用于连接接触器线圈、阀门、指示灯等负载，其输出形式有DC24 V晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出。

a.技术规格。

数字量输出模块SM422型号很多，其主要规格见表1-5。

b.接线。

数字量输出模块SM422的接线图如图1-31所示。

【任务实施】

西门子S7-300PLC模块的安装

1.任务实施步骤及工艺要求

S7-300 PLC的硬件安装主要包括：导轨、电源（PS）、中央处理器（CPU）、微型存储卡（MMC）、开关量输入模块（DI）、开关量输出模块（DO）、模拟量输入模块（AI）、模拟量输出模块（AO）、多针前连接器、PC适配器或CP5611通信适配器以及功能模块等部件的安装。

（1）安装导轨

将导轨用螺钉固定在机柜的合适位置上，安装导轨时应留有足够的空间用于安装模块和散热，如图1-32所示。

（2）安装电源和CPU模块

将电源模块（PS）安装在导轨的最左端，接着在其右侧安装CPU模块。

①电源模块安装在导轨上，用螺钉旋具拧紧电源模块上的螺钉，将电源模块固定在导轨上。

②总线连接器插入CPU模块背部的总线连接插槽中，将CPU模块安装在导轨上电源模块的旁边，用螺钉旋具拧紧CPU模块的螺钉，如图1-33所示，将CPU模块固定在导轨上。

③将SIYIATIC微存储卡（MMC）插入CPU模块的插槽中。

（3）安装信号模块

将总线连接器插入信号模块（SM），并将模块安装在CPU模块右侧的导轨上。如图1-34所示。

说明：每个模块（除CPU外）都有一个总线连接器。在插入总线连接器时，必须从CPU开始。为此，应取出最后一个模块的总线连接器，将总线连接器插入另一个模块；最后一个模块不用安装总线连接器。按照接口模块（如果不需要扩展机架可以不接）、信号模块（一般先接输入模块再接输出模块）和功能模块的顺序，将所有模块悬挂在导轨上，将模块滑到左边的导轨上，然后向下回转模块，再拧紧模块上的螺钉将其固定在导轨上。

（4）安装前连接器

打开信号模块的前盖板，将前连接器置于接线位置。将前连接器推入正确的位置，拧紧连接器中心的固定螺钉。如图1-35a所示。

（5）插入标签条和槽号标签

①将标签条插入到模块的前面板上，如图1-35b所示。

②模块安装完毕后，给每一个模块指定槽号。根据这些槽号，可以在STEP 7组态表中更容易地指定模块地址。贴槽号标签时按照表1-1所示的顺序将槽号标签插入各个模块下端的槽号插槽中，如图1-36所示。如果无接口模块（IM）则将槽号3空出，CPU模块后面的信号模块槽号从槽号4开始编号。

（6）接线

①连接电源模块（PS）的接地线和电源线。如图1-37所示。

②连接电源模块（PS）和CPU模块之间的U形电源连接器。

③保护接地导线和导轨的连接。导轨已固定在安装表面上，保护接地导线的最小截面积为10 mm ² 。

④屏蔽连接器件。屏蔽连接器件直接连接到导轨上，将固定支架的两个螺栓推到导轨底部的滑槽里，将支架固定在屏蔽电缆需连接的模块下面，将固定支架旋紧到导轨上。屏蔽端子下面带有一个开槽的金属片，将屏蔽端子放在支架一边，然后向下推屏蔽端子到所要求的位置。

如果还需要安装其他功能模块（FM）或通信模块（CP），则将模块安装到信号模块后面的导轨上，安装后的S7-300PLC如图1-38所示。

（7）机柜选型与安装

对于大型设备的运行或安装环境中有干扰或污染时，应该将S7-300安装在一个机柜中。

在选择机柜时，应注意以下事项：

①机柜安装位置处的环境条件（温度、湿度、尘埃、化学影响、爆炸危险）决定了机柜所需的防护等级；

②模块导轨间的安装间隙；

③机柜中所有组件的总功率消耗。

在确定S7-300机柜安装尺寸时，应注意以下技术参数：

①模块导轨所需安装空间；

②模块导轨和机柜柜壁之间的最小间隙；

③模块导轨之间的最小间隙；

④电缆导管或风扇所需的安装空间；

⑤机柜固定位置。

【技能训练】

实训 安装一个典型的S7-300 PLC硬件系统

1.实训目的

（1）熟悉S7-300 PLC常用模块。

（2）掌握S7-300 PLC常用模块的安装规范。

2.实训任务和要求

安装一个单导轨PLC控制系统，包含电源模块、CPU模块、数字量模块、模拟量模块、通信模块等。

要求各模块安装符合安装规范。

3.实训设备

电源模块PS 305（5A）、CPU模块313C-2DP、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量模块SM334、通信模块CP341-1和CP341-5、总线连接器、前连接器、导轨、螺钉、螺钉旋具、导线若干。

4.实训步骤

（1）对照部件清单检查部件是否齐备；

（2）安装导轨；

（3）安装电源；

（4）把总线连接器连接到CPU，并安装模块；

（5）把总线连接器连接到I／O模块和CP模块，并安装模块；

（6）连接前连接器，并插入标签条和槽号；

（7）给模块配线（电源、CPU和I／O模块）。

5.实训报告

（1）写出PLC硬件系统安装顺序

（2）写出每一个部件的安装规范

（3）填表1-6，写出PLC硬件名称、订货号

表1-7是目前国内市场上常用的S7-300 PLC部分产品及其订货号。

【巩固练习】

一、填空题

1.S7-300 PLC的负载电源模块用于将____电源转换为____电源。

2.SM模块是____I／O模块和____I／O模块的总称。

3.通信处理器用于实现PLC与____之间的通信。

4.S7-300 PLC各个模块之间通过____相互连接。

5.每个S7-300机架，最多可安装____个SM模块。

6.____应当安装在机架的最左边。

7.S7-300 PLC扩展机架上的接口模块应安装在____边或者在____之后。

8.S7-300 PLC若采用IM360／IM361接口模块，则每个扩展机架都需要____。

9.S7-300 PLC若采用IM360／IM361接口模块，IM360应当安装在____上，而IM361应当安装在____上。

10.微存储器卡MMC用于对____的扩充。

11.CPU型号后缀有“DP”字样，表明该型号的CPU集成有现场总线____通信接口。

12.型号为DI32×DC 24 V的模块属于____，有32点的____通道，适用于电压为____的现场信号。

13.型号为DI8×DC 24 V，Interrupt的模块，带有____和中断功能。

14.AI模块转换结果为有符号数，符号位存放在____位，“1”表示转换结果为____，“0”表示结果为____。

15.现场数字量传感器若需要DC 24 V电源，可以利用负载电源模块（PS），通过____模块向传感器供电。

16.S7-300 PLC对各个I／O点的编址是依据其所属模块的____决定的。

17.S7-300 PLC给每个槽位分配的字节数是____B。

18.I9.0是一个数字量____通道的地址，它位于____机架的____号槽位。

19.若在1号扩展机架的8号槽位安装了一块D08×DC 24 V模块，则该槽位第2个点的地址编号为____。

20.负载电源模块具有自保护功能，如果输出短路，则输出电压为____，短路故障解除后可____恢复供电。

21.QW272表示一个模拟量____通道的地址，其中高位字节是____，低位字节是____。

22.S7-400 PLC的中央机架必须配置CPU模块和____模块。

23.S7-300／400 PLC用户程序的开发与设计，必须使用____软件包进行组态和编程。

24.S7-300／400 PLC指令中的基本数据类型用于定义不超过____位的数据。

25.PI／PO存储区又称为____区，可直接访问____模块。

26.在S7指令系统中，十进制常数100可用B＃16＃64表示，其中“＃”为____符，“16”表示____进制，并且占用了____个存储字节。

二、判断题 （判断下列说法的正误，正确的在括号中打“ √ ”，错误的打“×”）

1.S7-300／400系列的PLC属于一体化式结构的PLC。（ ）

2.负载电源模块（PS）不负责向CPU模块供电。（ ）

3.CPU单元模块内部有将DC 24 V电源转换为DC 5 V的电路，负责向微处理器供电。（ ）

4.通信处理器属于一种功能模块。（ ）

5.在组成一套S7-300 PLC时，导轨是必选件。（ ）

6.S7-300 PLC各模块之间信息的传递通过背板总线来完成。（ ）

7.S7-300 PLC背板总线集成在每一个模块中。（ ）

8.S7-300的总线接头固定在导轨上。（ ）

9.SIMATIC人机界面（HMI）的控制程序被集成在S7-300 PLC操作系统内。（ ）

10.机架上各个模块的耗电量也是选择CPU模块的依据之一。（ ）

11.S7-300 PLC的扩展机架不需要接口模块。（ ）

12.中央机架的编号为0，与其相连的扩展机架编号为1，其余类推。（ ）

13.S7-300的工作存储器、系统存储器都属于CPU的内置RAM。（ ）

14.某些CPU模块集成有I／O通道，可直接按组成小点数系统，无须配置信号模块。（ ）

15.S7-300 PLC允许的最大I／O点数是固定的，都为1024点。（ ）

16.AI模块是模拟量输入模块，属于SM模块的一种，其核心部件是A-D转换器。（ ）

17.AI模块的转换结果按二进制补码形式存放。（ ）

18.电源模块（PS）可通过数字量输出模块向负载供电。（ ）

19.若信号模块的I／O点数少于槽位上允许的最大点数，则它所占用的槽位上多余的地址可分配给其他模块。（ ）

20.S7-400 PLC的信号模块可以带电插拔更换。（ ）

21.S7-400 PLC的扩展能力与S7-300 PLC大致相同。（ ）

22.S7系列PLC的位存储区（M）用于存储用户程序的中间运算结果和标志位。（ ）

23.S7系列PLC的位存储区（M）不能按双字（MD）存取。（ ）

24.PI／PO存储区可以按位存取。（ ）

25.本地数据（L）是局域数据，也称为动态数据。（ ）

三、选择题

1.高速计数器模块属于（ ）。

A.信号模块（SM） B.功能模块（FM） C.接口模块（IM）

2.在下列模块中，（ ）是S7-300 PLC必须具备的。

A.负载电源模块 B.信号模块 C.CPU模块

3.S7-300 PLC的一个机架上所有模块所需的DC 5 V电源，由（ ）提供。

A.CPU模块 B.负载电源模块 C.接口模块

4.中央机架上接口模块的位置是（ ）。

A.最左端 B.PS模块之后 C.CPU模块之后

5.S7-300 PLC的系统存储器用于存放（ ）。

A.PLC系统程序

B.用户程序

C.I／O映像寄存器、位存储器、计数器、定时器等

6.S7-300 PLC的允许容量（I／O最大点数）取决于（ ）。

A.CPU模块的型号 B.系统存储器的容量 C.电源模块的功率

7.存放AI模块转换结果所需的长度为（ ）。

A.单字节 B.单字（双字节） C.双字（四字节）

8.S7-300 PLC的每个机架最多可以安装的模块数量是（ ）。

A.8块 B.10块 C.11块

9.S7-300 PLC的I／O编址从第（ ）开始。

A.3号槽位 B.4号槽位 C.5号槽位

10.S7-300 PLC的每个槽位最多可有（ ）I／O。

A.16点 B.24点 C.32点

11.（ ）系列的PLC适宜于多点数、分布式I／O的场合。

A.S7-200 B.S7-300 C.S7-400

12.下列（ ）是32位无符号整数类型符号。

A.DWORD B.DINT C.WORD

四、分析思考题

1.接口模块（IM）的作用是什么？

2.简述AI模块转换结果的存储格式。

3.S7-300 PLC的背板总线是通过怎样的形式连接起来的？S7-300 PLC的电源模块是否为必选器件？S7-400 PLC的背板总线结构与S7-300 PLC有何不同？

4.S7-300 PLC最大可以扩展几个机架？每个机架最多可以安装几个I／O模块？

5.PI／PQ与I／Q有什么区别？位逻辑指令可以使用PI／PQ存储区的地址吗？ KT0cnk4PSkuLFKtjBVp0e9q5IzBkBwiR325lvIOQuVwKn7ab48vzC9QWtnf8a4Gn