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| 內容簡介： |
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《可编程控制器实验教程》以西门子公司的S7-300 PLC作为实验设备，介绍了可编程控制器的基础知识、实验内容和课程设计内容，主要内容包括S7-300 PLC的硬件组成，STEP 7编程基础及软件入门，S7-300 PLC实验设计，以及PLC控制系统课程设计。
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目录
第1章 S7-300 PLC 硬件组成
1.1 S7-300 PLC 的基本结构及其扩展 1
1.1.1 SIMATIC S7-300 PLC 的基本组成 1
1.1.2 SIMATIC S7-300 PLC 的扩展结构 3
1.2 S7-300 的CPU 模块 4
1.3 信号模块（SM） 7
1.3.1 数字量模块 7
1.3.2 模拟量模块 11
1.4 功能模块（FM） 15
1.4.1 计数器模块 16
1.4.2 定位模块 17
1.4.3 电子凸轮控制器 17
1.4.4 高速布尔处理器FM 352-5 18
1.4.5 闭环控制模块FM 355 18
1.4.6 其他功能模块 18
1.5 S7-300 的其他模块 19
第2 章 STEP 7 编程基础及软件入门
2.1 S7-300 PLC 的数据类型 21
2.2 S7-300 CPU的内部寄存器与存储区分布24
2.2.1 S7-300 CPU的内部寄存器24
2.2.2 S7-300 CPU的存储区分布25
2.3 S7-300 PLC的寻址方式26
2.4 STEP 7 软件入门29
2.5 指令系统33
2.5.1 位逻辑指令 33
2.5.2 装入指令与传送指令 36
2.5.3 定时器计数器指令36
2.5.4 跳转指令和移动指令 43
2.5.5 数据转换指令44
2.5.6 比较指令 48
2.5.7 算术运算指令49
2.5.8 字逻辑运算指令54
2.5.9 移位指令与循环移位指令 55
2.5.10 累加器操作指令 57
2.5.11 地址寄存器指令 58
2.6 S7-300 PLC的用户程序结构与编程 58
2.6.1 S7-300 PLC的用户程序结构 58
2.6.2 功能和功能块应用 61
第3章 S7-300 PLC实验
3.1 S7-300 PLC硬件组态与编程训练67
3.2 基本指令应用训练 74
3.3 顺序控制系统设计 81
3.4 PLC功能指令应用训练86
3.5 半导体加热片温度监控系统设计91
3.6 三种液体混合控制系统仿真实验99
3.7 交通灯控制系统实验 102
3.8 三层货梯控制系统实验104
第4章 PLC控制系统课程设计
4.1 可编程控制器系统设计概要 109
4.2 S7-300 PLC运动控制功能简介112
4.3 四层电梯控制系统设计124
4.4 门禁控制系统设计 129
4.5 材料分拣控制系统设计132
4.6 立体仓库控制系统设计137
4.6.1 立体仓库实物模型介绍 137
4.6.2 控制要求与分析138
4.6.3 参考IO地址分配表 144
4.6.4 参考程序流程图146
4.6.5 参考硬件接线图150
参考文献 152
免费在线读第1 章 S7-300 PLC 硬件组成
1.1 S7-300 PLC 的基本结构及其扩展
1.1.1 SIMATIC S7-300 PLC 的基本组成
S7-300 系列PLC 属于中小型PLC，采用模块式结构，由机架和模块组成，适用于中等性能的控制要求，当控制任务增加变得复杂时，可随时增加模块对PLC 进行扩展，其外观如图1.1 所示。
图1.1 S7-300 PLC的外观
S7-300 系列PLC 采用模块式无风扇结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展，其系统结构如图1.2 所示。它的各主要组成部分如电源模块（PS）、中央处理单元模块（CPU）、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）、通信处理器（CP）等都安装在DIN 导轨（RACK）上。
S7-300 采用背板总线连接各组成模块（电源模块除外），背板总线集成在模块上，模块通过U 形总线连接器相连。除了CPU 模块外，每个信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU 模块上并固定在导轨上，然后依次将各模块装入，并通过背板总线将各模块连接起来。
DIN 导轨（RACK）的*左边是1 号槽，*右边是11 号槽，电源模块（PS）总是安装在机架的*左边即1 号槽位，CPU 模块紧随其后安装在2 号槽位，接下来是接口模块（IM）即3 号槽位。前3 个槽位被固定占用，其他模块使用4～11 号槽位。由于各模块由总线连接器连接，所以槽号是相对的，在机架上不存在物理槽位。例如，在有扩展机架时，接口模块占用3 号槽位，如果没有扩展机架，则2 号槽位（CPU 模块）与4 号槽位是挨在一起的。下面分别介绍硬件各组成部分。
图 1.2 S7-300 PLC系统结构图
1. DIN 导轨（RACK）
导轨是安装S7-300 各类模块的机架，它的材料是特制不锈钢异型板，其长度有160mm、482mm、530mm、830mm、2000mm 五种，可根据实际需要选择。电源模块、CPU 及其他模块都可以很方便地安装在导轨上。
2. 电源模块（PS）
电源模块用于将120230V 交流电源转换为24V DC 直流电源，为CPU 模块、信号模块及其他模块供电，也可以用于为传感器和执行器供电。它与CPU 模块和其他信号模块之间通过电缆或电源连接器连接，而不是通过背板总线连接。
3. 中央处理单元模块（CPU）
S7-300 提供了多种不同性能的CPU，以满足用户不同的需求。CPU 模块除了完成执行用户程序的主要任务外，还为S7-300 背板总线提供5V 直流电源，每个CPU 模块都有一个用于通信的MPI 多点接口， 有的还带有集成的现场总线PROFIBUS-DP 接口或PtP（点对点接口）串行通信接口，S7-300 可以直接建立MPI（多点接口网络）网络，并通过MPI 接口与其他中央处理器或编程设备进行通信。
S7-300 的编程设备可以是西门子专用的编程器，如PG 705、PG 720、PG 740、PG 760 等，也可以采用通用微机，配以STEP 7 软件包，并加MPI 卡和MPI 编程电缆。
1.1 S7-300 PLC 的基本结构及其扩展 3
4. 接口模块（IM）
接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。S7-300 通过主机架（CR）和3 个扩展机架（ER），*多可以配置32 个模块。
5. 信号模块（SM）
信号模块主要有数字量输入模块SM 321、数字量输出模块SM 322、模拟量输入模块SM 331、模拟量输出模块SM 332。每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连接在信号模块的前连接器上。模拟量输入模块可以直接连接热电偶、热电阻、DC 4～20mA 电流、DC 0～10V 电压等18 种不同的信号，可以省去温度变送器，从而节约了硬件成本。
6. 功能模块（FM）
功能模块主要用于实时性强、存储量要求高的控制任务。例如，快进给和慢进给驱动定位模块FM 351、电子凸轮控制模块FM 352、步进电机定位模块FM 353、伺服电动机定位模块FM 354、PID 模块FM 355 等。
7. 通信处理器（CP）
通信处理器模块用于PLC 之间或PLC 与其他设备间联网以实现数据共享，可以将PLC 接入PROFIBUS-DP、AS-i 和工业以太网，或实现点对点通信等。例如，具有RS-232C 接口的CP 340，与现场总线连网的CP 342-5 DP 等。
1.1.2 SIMATIC S7-300 PLC 的扩展结构
每个机架导轨上的信号模块、功能模块和通信处理器可以安装在不同槽位上，但是每个机架安装模块的总数不能超过8 个，如果系统任务需要的模块超过8 个，则应该增加扩展机架，而有的低端CPU 不具备扩展功能，如CPU 312 IFM、CPU 312C、CPU 312 和CPU 313。
如果只需要扩展一个机架，可以使用IM 365 接口模块对，其价格相对便宜。
两个IM 365 接口模块用不超过1m 的电缆连接，如图1.3 所示。扩展机架的电源由IM 365 提供。由于IM 365 不提供通信总线，因此，扩展机架上只能安装信号模块，不能安装通信模块和其他智能模块。
利用IM 360IM 361 接口模块将S7-300 背板总线从一个机架连接到下一个机架，*多可以扩展3 个机架。中央机架（CR）使用IM 360，扩展机架（ER）使用IM 361，各相邻机架之间的电缆*长为10m。每个IM 361 需要一个外部DC 24V 电源，给扩展机架上的所有模块供电，也可以通过电源连接器连接PS 307 负载电源。
图 1.3 S7-300 的系统扩展结构图
每个机架上安装的信号模块、功能模块和通信处理器除了数量不能超过8 个外，还受到背板总线DC 5V 供电电流的限制，即每个机架上各模块消耗的DC 5V 电流之和应小于该机架**供电电流。CR 的DC 5V 电源由CPU 模块产生，其额定电流值与CPU 的型号有关。ER 背板总线的DC 5V 电源由接口模块IM 361 产生，各类模块消耗的电流可查阅相关产品手册。
模块化结构的S7-300 系列PLC 具有结构简单、安装和更换模块简单方便、硬件组态灵活、机架扩展方便的特点。
1.2 S7-300 的CPU 模块
S7-300 的CPU 模块有20 余种不同型号可供用户选择，一些CPU 模块集成了输入 输出点，一些集成了PROFIBUS-DP 通信接口等，还有一些集成了PtP、PROFINET 等通信接口。适用于不同控制要求的CPU 大致可以分为以下几类。
① 紧凑型CPU（带集成的技术功能和输入 输出点）。
② 重新定义的标准CPU（CPU 312，CPU 314，CPU 315-2 DP）。
③ 标准的CPU（CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU 315-2 DP，CPU 316-2 DP，CPU 318-2 DP）。
④ 户外型CPU（CPU 312IFM，CPU 314IFM）。
1.2 S7-300 的CPU 模块 5
⑤ 故障安全型CPU（CPU 315F-2 DP，CPU 317F-2 DP）。
⑥ 技术功能性CPU（CPU 315T-2 DP，CPU 317T-2 DP）
不同型号的CPU 具有相似的外形结构，图1.4 所示是CPU 314C-2 PNDP 的控制和显示单元的各组成元件，对于有些CPU，单元和配置的数量会有所不同。
说明：
① 状态和出错LED
② 带有弹出装置的SIMATICMMC 卡插槽
③ 集成输入 输出端子
④ 电源连接
⑤ 接口×1（MPIDP）
⑥ 接口×2（PN），配有双端口交换机
⑦ MAC 地址和二维条形码
⑧ 模式选择开关
图 1.4 CPU 314C-2 PNDP的控制和显示单元
CPU 的面板上通常有状态与故障显示LED、模式选择开关和通信接口，大多数CPU 还配有后备电池盒、存储器卡（MMC）插槽。
（1）状态与故障显示LED。
状态与故障显示LED 用于故障诊断，下面以CPU 314C-2 PNDP 的状态与故障显示LED 为例，说明各指示灯的含义。
① SF（系统出错 故障显示，红色）：CPU 硬件或软件错误时显示。通常情况下，硬件故障、固件出错、编程出错、参数设置出错、算数运算出错、定时器出错、存储卡故障、电池故障或输入 输出故障都会引起SF 亮灯。
② BF1（总线1 错误，红色）：接口×1（MPIDP）发生总线故障；BF2（总线2 错误，红色）：接口×2（PN 接口）发生总线故障。
③ DC 5V（+5V 电源指示，绿色）：用于指示CPU 和S7-300 总线的5V 电源工作正常。
④ FRCE（强制，黄色）：至少有一个IO 被强制时点亮。
⑤ RUN（运行模式，绿色）：CPU 处于RUN 状态时点亮，重新启动时以2Hz频率闪烁，HOLD 状态时以0.5Hz 频率闪烁。
⑥ STOP（停止模式，黄色）：CPU 处于STOP 状态或HOLD 状态或重新启动时点亮，在存储器复位时以0.5Hz 频率闪烁，在存储器置位时以2Hz 频率闪烁。
（2）模式选择开关。
① RUN：运行模式。CPU 扫描用户程序，可以用编程设备读出并监控CPU 中的程序，但不能改变存储器中装载的程序。
② STOP：停止模式。CPU 不扫描用户程序，可以通过编程设备从CPU 中读出程序，也可以下载程序到CPU。
③ MRES：存储器复位模式。该位置瞬间接通，用以清除CPU 的存储器。存储器复位应遵循一定的操作顺序。
（3）SIMATIC 微存储器卡（MMC）插槽。
微存储器卡（MMC）用于在断电时保护用户程序和某些数据，它可以扩展CPU 的存储器容量，用作便携式存储媒介。保存在MMC 中的数据有以下几种：用户程序、归档和配方、组态数据（STEP 7 项目）、操作系统更新和备份数据。MMC使用时需要注意：在写访问过程中不能拆下MMC，否则卡中的数据会遭到破坏。如果发生此种情况，必须将MMC插入CPU 并删除它，或将其格式化。只有在断电状态或STOP 状态下，才能够取出MMC。
（4）通信接口。
① MPI 接口。MPI（Multipoint Interface）即多点接口，所有S7-300 的CPU模块均有此接口，用于连接CPU 和PGOPPC（编程器 操作员接口 个人计算机），以及与其他西门子PLC 之间的通信。PG 可以自动检测MPI 接口的正确参数，并建立连接。默认的传输速率为187.5kbps，若与S7-200 进行通信，传输速率也可以设置为19.2 kbps，但不能指定其他传输速率。
注意：CPU 处于RUN 模式时，只能将PG 连接至MPI 子网。其他站（OP、PC等）在RUN 模式下不能连至MPI 子网。否则，由于干扰，将导致传送数据破坏或全局数据丢包。
② PROFIBUS-DP 接口。PROFIBUS-DP 接口主要用于连接分布式IO，用于创建大型、扩展子网。例如，PROFIBUS-DP 接口既可组态为主站，也可组态为从站，传输速率**可达12Mbps，默认的
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