    1．S7-300系列PLC的结构
    S7-300系列PLC采用紧凑的、无槽位限制的模块化组合结构，根据应用现象的不同，可选用不同型号和不同数量的模块，并可以将这些模块安装在同一个机架（导轨）或者多个机架上。与CPU312 IFM和CPU313配套的模块只能安装在同一个机架上。机架是一种专用的金属机架，只需将模块装在DIN标准的安装机架上，然后用螺栓锁紧就可以了。有多种不同长度规格的机架供用户选择。
S7-300的结构示意图如图1-6所示，电源模块总是安装在机架的较左边，CPU模块紧靠电源模块；如果有接口模块(IM)，接口模块放在CPU模块的右侧；除了电源模块、CPU模块和接口模块外，一个机架上较多只能再安装8个信号模块、通信处理器模块或者功能模块。
1-6  S7-300系列PLC的结构
如果系统任务需要的信号模块、功能模块和通信处理器模块**过8块，则可以增加扩展机架(ER)来进行系统的扩展，如图1-7所示。CPU314/315/315-2DP较多可以扩展4个机架，包括带CPU的*机型(CR)和3个扩展机架(ER)，每个机架可以插8个模块（不包括电源模块、CPU模块和接口模块），4个机架较多可以安装32个模块。
图1-7 S7-300系列PLC的扩展结构（CPU 314以上）
图1-7  S7-300系列PLC的扩展结构（CPU 314以上）
    2．S7-400 PLC的结构
    S7-400系列PLC采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求较高的大型复杂的控制系统。其大部分模块的尺寸为25mm（宽）×290mm（高）×210mm（深）。
    S7-400系列PLC的结构如图1-8所示。S7-400系列PLC的模块安装采用无槽位规则，除电源和扩展机架(ER)的接口模块外，所有模块可插入任何槽位。
    S7-400系列PLC的机架用来固定模块、提供模块工作电压和实现局部接地，并通过信号总线将不同模块连接在一起。模块插座焊在机架中的总线连接板上，模块插在模块插座上，有不同槽数的机架供用户选用。
S7-400系列PLC提供了多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能的模块，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。S7-400系列PLC采用模块化设计，性能范围宽广的不同模块可以灵活组合，扩展十分方便。
图1-8 S7-400系列PLC的结构
图1-8  S7-400系列PLC的结构
    *机架(或者称为*处理器，CC)必须配置CPU模块和一个电源模块，可以安装除用于接收的接口模块(IM)外的所有S7-400模块。
    如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或者多个扩展机架（或者称为扩展单元，EU），各机架之间用接口模块和通信电缆交换信息，扩展机架可以安装除CPU、发送IM、IM463-2适配器外的所有S7-400模块。但是电源模块不能与IM461-1（接收IM）一起使用。
    S7-400系列PLC的扩展结构如图1-9所示。当中央控制器不够用时，S7-400可以集中式或者分布式扩展多达21个扩展单元。
    S7-400系列PLC具有以下几个特点。
    ①运行速度高，存储器容量大，I/O扩展能力强，可以扩展21个机架。
    ②有较强的通信能力，*实现分布式结构和冗余控制系统，集成的MPI（多点接口）能建立较多32个站的简单网络。大多数CPU集成有PROFIBUS-DP主站接口，可以用来建立高速的分布式系统。从用户的角度看，分布式I/O的处理与集中式I/O没有什么区别，具有相同的配置、寻址和编程方法。CPU能与在通信总线和MPI上的站点建立联系，较多为16~44个站点，通信传输速率较高12Mbit/s。
    ③通过钥匙开关和口令实现安全保护。
    ④诊断功能强，较新的故障和中断时间保存在FIFO（先入先出）缓冲区中。
    ⑤集成地HMI（人机接口）服务，用户只需要为HMI服务定义源和目的地址，系统会自动地传送信息。
S7-400系列PLC与S7-300系列PLC -样，都用STEP 7编程软件编程，编程语言与编程方法完全相同。

  S7-300/400系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可以进行广泛组合和扩展。它的主要组成部分有机架（或者导轨）、电源(PS)模块、*处理单元(CPU)模块、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)和通信处理器(CP)模块。
    1．机架（或者导轨）
    机架用来安装和固定PLC的各类模块，如图1-3所示。
    S7-300和S7-400的机架特点，如表1-1所示。
   2．电源(PS)模块
    电源模块用于将AC 120/230V电源或者DC 24V转换为DC 24V和5V电源，供CPU、I/O模块、传感器和执行器使用。它与CPU模块和其他信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。
    S7-300系列PLC可供选择的电源模块有：PS305 (2A)、PS307 (2A)、PS307 (5A)和PS307 (10A)等。
    PS305 (2A)电源模块的特点为：连接直流电源(输入电压为DC 24V/48V/72V/96V/110V)；输出电流为2A，输出电压为DC 24V;防短路和开路保护；可靠的隔离特性，符合EN 60950;可用作负载电源。
    PS307系列电源模块是西门子公司为S7-300 PLC专配的DC 24V电源，可安装在S7-300PLC的专用导轨上，其额定输出电流有2A、SA和10A等多种。PS307系列电源模块除输出额定电流不同，它们的工作原理和各种参数都基本相同。
    图1-4所示为PS307电源模块的布置图，图1-5所示为PS307电源模块的基本电路原理图。
PS307系列电源模块的特点为：连接单相交流系统(输入电压为AC 120V/230V，50/60Hz)；输出电流为2A/5A/10A，输出电压为DC 24V;防短路和开路保护；可靠的隔离特性，符合EN 60950;可用作负载电源。
图1-4 PS307电源模块的布置示意图
图1-4 PS307电源模块的布置示意图
图1-5 PS307电源模块的基本电路
图1-5  PS307电源模块的基本电路
    PS307系列电源模块的输入和输出有可靠的隔离，输出正常电压为24V时，绿色LED亮；输出过载时，LED闪烁；输出过电流时，以PS307 (10A)为例，输出电流大于13A时，电压跌落，跌落后自动恢复；输出短路时，输出电压消失，短路故障排除后，电压自动’恢复。
    3．*处理单元(CPU)模块
    SIMATIC S7-300/400系列PLC提供了多种不同性能的CPU模块，以满足用户不同的要求，如表1-2所示。各种CPU有不同的性能，例如有的CPU模块集成有数字量和模拟量输入／输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU模块前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒（有的CPU没有）等。
表1-2    S7-300/400*处理单元
表1-2 S7-300/400*处理单元
    4．接口模块(IM)
    接口模块用于多机架配置时连接主机架（或者称*机架，CR）和扩展机架(ER)，S7-300/400的接口模块如表1-3所示。
表1-3    S7-300/400接口模块
表1-3 S7-300/400接口模块
表1-3 S7-300/400接口模块
    5．信号模块(SM)
    信号模块是数字量输入／输出模块和模拟量输入／输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或者电流与PLC内部的信号电平匹配，S7-300/400系列PLC的信号模块如表1-4所示。
表1-4    S7-300/400信号模块
表1-4 S7-300/400信号模块
    6．功能模块(FM)
    功能模块主要用于实时性强、存储计数量较大的过程信号处理任务，S7-300/400系列PLC的功能模块如表1-5所示。
表1-5    S7-300/400的功能模块
表1-5 S7-300/400的功能模块
    7．通信处理器(CP)模块
    通信处理器模块是一种智能模块，它用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能模块之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。 SIMATIC S7系列PLC是德国西门子公司于1995年陆续推出的性能价格比较高的PLC系列产品。SIMATIC S7系列包括：微型SIMATIC S7-200系列，较小配置为8DI/6DO，可扩展2～7个模块，较大I/O点数为64DI/64DO、12AI/4AO；中小型SIMATIC S7-300系列，如图1-1所示，较多可扩展32个模块；中**性能的SIMATIC S7-400系列，如图1-2所示，较多可扩展300多个模块。
图1-1 S7-300系列PLC
    图1-1  S7-300系列PLC
1-电源模块（选项）；2-状态和故障指示灯；3-存储器卡（CPU313以上）：4-前门；5-前连接器：
    6-多点接口(MPI); 7-模式开关；8-后备电池（CPU313以上）；9-DC 24V连接器
S7-300/400系列PLC均采用模块式结构，由机架和模块组成。品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的通信连网能力，使其应用十分灵活。近年来，它被广泛应用于机床、纺织机械、包装机械、通用机械、控制系统、普通机床、楼宇自动化、电器制造工业及相关产业等诸多领域。通信处理器可以减轻CPU处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作，S7-300/400系列PLC的通信处理模块的介绍如表1-6所示。
  典型的PLC模拟量闭环控制系统如图10-1所示，点画线中的部分是用PLC实现的。
    在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（例如压力、温度、流量、转速等）是连续变化的模拟量，大多数执行机构（例如电动调节阀等）要求PLC输出模拟量信号mv(t)，而PLC的CPU只能处理二进制数字值。c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，PLC用模拟量输入模块中的A/D转换器将它们转换为时间上离散的数字值pv(n)。
PLC模拟量闭环控制系统框图
    图10-1    PLC模拟量闭环控制系统框图
    模拟量与数字值之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间称为采样周期Ts。各数字值括号中的n表示该变量是*n次采样计算时的数字值。
    图10-1中的sp(n)是给定值，pv(n)为A/D转换后的过程值（即反馈值），误差ev(n)=sp(n)-pv(n)。模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字值mv(n)转换为模拟量（直流电压或直流电流）mv(t)，再去控制执行机构。
    例如在加热炉温度闭环控制系统中，被控对象为加热炉，被控制的物理量为温度c(t)。用热电偶检测炉温，温度变送器将热电偶输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转换后得到与温度成比例的数字值，CPU将它与温度设定值比较，并按某种控制规律（例如PID控制算法）对误差值进行运算，将运算结果（数字值）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制电动调节阀的开度，通过它控制加热用的天然气的流量，实现对温度的闭环控制。
    闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈值pv(n)等于或跟随给定值sp(n)。以炉温控制系统为例，假设被控量温度值c(t)低于给定的温度值，反馈值pv(n)小于给定值sp(n)，误差ev(n)为正，控制器的输出量mv(t)将增大，使执行机构（电动调节阀）的开度增大，进入加热炉的天然气流量增加，加热炉的温度升高，较终使实际温度接近或等于给定值。
    天然气压力的波动、工件进入加热炉，这些因素称为扰动量，它们会破坏炉温的稳定，有的扰动量很难检测和补偿。闭环控制具有自动减小和消除误差的功能，可以有效地抑制闭环中各种扰动对被控量的影响，使控制系统的反馈值pv(n)）等于或跟随给定值sp(n)。
    闭环控制系统的结构简单，*实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。