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  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。

 SCALANCE X005是非网络管理型交换机，有5个RJ - 45接口，价格低廉。

    2)  SCALANCE X-100系列是非网络管理型交换机，带有冗余电源和信号触点。

    3)  SCALANCE X-200系列是网络管理型交换机，可以用于环形冗余网。

    4)  SCALANCE X- 2001RT是网络管理型交换机，可以用于具有严格的实时要求的网络。

    5)  SCALANCE X-300是网络管理增强型千兆交换机。

    6)  SCALANCE X-400是高性能模块化的千兆交换机，可扩展。

    如果在系统的快速性和冗余控制方面没有什么要求，现场环境较好，工业以太网可以使用普通的交换机和普通的网卡，反之则应选用西门子公司的交换机和网卡。

程序采用模块化设计，分为主程序、子程序和中断程序3大部分。主程序根据不同的条件随时调用不同的子程序，例如采样子程序、温度控制子程序、PID调用子程序等。在具体调用这些子程序时，只需赋予子程序接口的具体参数和存储地址，这样可大大提高代码的使用效率，并减少代码的编写量，提高程序的可移值性。由于本生产线对实时性要求较强，所以中断采用了优先级较高的硬件中断( OB40)，即当印刷信号、糊口信号、色标信号、定位信号中任何一个到来时，立即产生硬件中断并调用高速定时器定时，以计算2个信号之间的时间差，调用同步调速控制算法，实现印刷与糊口部、底贴色标与糊口部传动电动机的同步。其算法如图7-22所示。

由于该包装机生产线比较复杂，切刀、凸轮等不规则器件比较多。所以每次停车这些器件所处的位置都不一样。从而导致再次开车时的负载不尽相同。例如停机停在切刀的刀口处时，开机时的负载就比平时大，反之则小。而通常的PID控制算法针对恒负载对象，其参数一旦整定好就固定不变。对于这条生产线，若采用传统PID控制器就难以满足工艺要求，而且整定出的参数只能是针对包装机某次停车时的负载较优，并不能使得全局较优。为此，通过反复摸索和试验，采用模糊控制技术与PID控制相结合的控制思想（即所谓的模糊PID控制算法），用于对电动机转速的准确控制，收到比较满意的控制效果。

模糊PID控制器是一种在常规PID控制器的基础上，应用模糊集合理论建立参数并通过查表的方法，以实现对于不同的误差和误差变化率在线调整比例、积分和微分系数，使其根据对象的变化而变化以满足工业控制的要求。由于模糊PID可以根据实际被控对象的变化，通过其规则库不断地自动整定PID参数，因此可以解决本套设备负载变化较大的问题。为此选用增量式旋转编码器与变频器形成闭环控制，PLC通过PROFIBUS-DP总线从变频器速度通信口上读取实际转速，并与给定转速比较产生误差|e|，误差变化率|ec|，模糊推理机通过误差和误差变化率得出新的比例、积分和微分系数，再经过PROFIBUS-DP修改变频器的PID参数以实现模糊PID控制。

    对于模糊控制规则的制定，需要以实际的工程经验为依据，对于不同的|e|和|ec|，被控对象对参数Kp、Ki和Kd有不同的要求。

根据实际的工程经验得出的、不同负载下较优的PID参数为依据，建立数据块(DBl)，PLC通过查表的方式，根据模糊化后的不同的误差和误差变化率：按照规则If |e| is A and|ec| is B，then Kpis c，Kiis D，Kd isE（其中A和B为实际转速与给定转速的比较值，C、D、E为新的PID参数）。从DB1中找出新负载下的PID参数。通过西门子专用功能块SFC 15 DPWR-DAT（写参数功能块），将整定后的PID参数写入到变频器中，达到优化控制，满足工业要求。其流程如图7-21所示。

 在该系统中，由于控制精度要求较高。因此电动机速度必须从通信口给定，这样控制精度可以达到两万分之一，选用PROFIBUS-DP作为通信媒介。

    以糊口操作台为主站，印刷操作台、5台变频器为从站，分别设置不同的站地址，使得PLC和变频器、操作台之间建立主、从关系。由于CPU313C-2DP有自带的DP通信口，因此触摸面板可以通过PROFIBUS-DP与PLC进行通信，即从触摸面板输入工艺参数，由TP270B经过MPI口传递给PLC，PLC经过数据运算处理，通过PROFIBUS-DP将数据发送给各个变频器来控制各电动机转速。PLC再从变频器、温度变送器等采集有关数据，通过计算传给TP270B进行显示。