  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。

根据上述工艺流程，为了**产品质量和成品率，控制系统的设计非常关键。本生产对控制系统的具体要求是：控制系统必须严格**印刷电动机、底贴色标电动机与糊口主电
动机同步。能根据主／从电动机实际的位置不断校正从电动机转速，使其与主电动机同步；**主／从电动机启停和加减速时的响应时间差不**过200ms，为此，采取如下总体控制方案。
采用西门子CPU313C-2DP为核心的控制系统，配备1个触摸屏，1个糊口操作台、1个印刷操作台、1个变频柜。触摸屏采用西门子SIMATIC TP270B并作为人机界面，主要完成工艺参数的显示、控制参数的设置、控制操作、历史数据的记录等；以糊口操作台为主站，配备1个CPU313C -2DP，2个DO和1个带诊断功能的DI扩展模块，主要完成现场同步信号的采集、工程单位变换、回路控制和连锁控制算法、控制信号输出等功能；印刷操作台通过ET200M与主站进行通信，并配有2个DO，1个AI，1个印刷变频器，主要完成现场温度的采集、电动机连锁控制的输出、急停等；变频柜装有4台变频器，每台变频器通过专用通信卡与S7-300站进行通信。实现电动机启停和加减速控制；所有工作站之间的通信都采用PROFIBUS-DP现场总线来实现。本控制系统的硬件组成如图7-20所示。
该生产线利用聚丙烯编织布(PP)、聚乙烯薄膜(PE)等材料作为制袋布。袋长660～1020mm任意调节，袋宽450～700mm任意调节；90～180mm规格任意调节。采用4套色印刷。生产速度60袋/min，包括印刷和糊口2个工段。包装机的工作流程示意图如图7-19所示，印刷工段主要负责将编织袋卷进行塑编袋4种颜色的正反面着墨印刷，印刷后的编织袋通过烘干部，将其墨迹烘干，在切断部，通过切刀按照设定的袋长进行切割。然后经送袋部袋子进入糊口工段并转向，在阀口部将其袋口打开并折叠，底贴部主要负责袋口的粘贴并成型出袋。
图7-19包装机工作流程
图7-19包装机工作流程
    为**袋子从印刷部到糊口部的线速度不变，底贴的线速度与糊口部编织袋的线速度一致，所以必须使得印刷部与糊口部同步、色标底贴部与糊口部同步。但由于包装机结构复杂，负载波动比较大，而且糊口部的惯性较大，印刷和底贴部的惯性又相对较小，所以要使主从电动机严格同步比较困难。这也是本控制的难点，为此提出基于模糊PID和现场总线的多电动机同步控制方案。
电源控制程序不在工艺控制程序中调用，和工艺控制程序一样，通过在监控画面中任意对象“属性”一“几何”处组态C动作来实现电源的控制，该动作调用编写好的电源控制项目函数并由图7-17所示的“调节电流”信号触发。电源也可以单独运行，在“手动”状态下工人可以在监控界面中输入电流设定值，并单击“电流调节”按钮，就可以实现电源单独控制。电源控制的关键是要大幅度减小因电源电动机转动惯性引起的电流**调、提高控制精度，通过采集该电源电流全程输出过程中的电流特性曲线得知，系统的动态响应过程呈现非线性特性，如直接采用直线函数近似全过程，输出电流的精度远远不能满足工艺的要求，为此采用分段线性控制策略，在每一个线性段内电源电动机转动近似匀速且在该段内由电动机惯性引起的电流**调值近似相等。通过实验可以采集每个段内的电流**调值，这样就可以计算出精确的电流调制时间，利用时间的控制实现电流的精确控制。由采集的数据计算出的5个分段点的数据，如表7-5所示，其中t(i)表示电流从0上升到Y(i)时的时间。通过实验可以采集到每个近似线性段内的电流**调量，这里记为Y(i)。
表7-5分段线性段点记录
表7-5分段线性段点记录
在电流上升调节的过程中，首先判断电流设定值Ys所在的分段区间(y(i)，Y(i+1)），从理论上说，电流调节时间t等于设定值YS所在区间的低段点的时间值t(i)加上分段区间内按线性模型计算出的时间，再减去电流从0上升至当前电流值Ye所对应的时间，考虑到电源电动机的惯性，实际调节时应将设定值减去**调值(即Ys= Ys- Y(i)），由此确定的电流上升过程分段线性脉宽模型为：

式中  t(k)——当前电流值Ye所在分段区间(y(k)，y(k+1))的低段点所对应的时间值；
    △t(i)——设定电流值所在分段区间的时间差；
    △t(k)——当前电流所在分段区间的时间差。
    对于电流下降过程也需要通过分析采集数据以建立同样的模型。电源控制流程，如图7-18所示。
本系统采用WinCC组态软件和S7-300系列PLC作为恢复深孔电镀系统自动控制的工具，不仅缩短了工程的开发和维护周期，提高了系统的可靠性和稳定性，并节省了工程的开发费用。系统投入运行后大大减轻了工人的工作量且产品合格率高，受到用户的**。
升速过程中，需要待别关注的是跨越临界过程，一般中小型高炉TRT由于采用钢性联轴器，应考虑跨越临界转速的控制，某一个轴转速达到临界转速发生共振，必然会带动其他联轴设备的振动，如果透平机和电动机的临界转速相差不大，一次跨越就可以实现，在控制程序里，需要对跨越临界时的PID参数进行整定，首先计算跨越临界的起点、终点和速率，在起点和终点范围内采用高速率升速，相应的PID增益参数也应该加大，以**静叶的快速干预；其次在跨越临界之前，管道煤气应保持一定流量储备，以**在跨越临界的时侯有足够的煤气驱动透平升速。
    跨越临界过程结束后，透平升速较快，PID自动调节静叶关闭一定角度，使升速速率降低，接近3000r/min时，升速速率应该降低，以**不**速，同时发出准备并网信号，投入自动并网装置。
要**透平机安全地升速，首先要**现场所有的设备完好，包括阀和泵的可靠动作、外围设备的正确测量和显示。经过单体试车，无负荷联动试车和带负载试车完成后，确保启动条件满足，启动连锁条件满足后，向高炉发出申请，高炉回答同意后
升速过程中，需要待别关注的是跨越临界过程，一般中小型高炉TRT由于采用钢性联轴器，应考虑跨越临界转速的控制，某一个轴转速达到临界转速发生共振，必然会带动其他联轴设备的振动，如果透平机和电动机的临界转速相差不大，一次跨越就可以实现，在控制程序里，需要对跨越临界时的PID参数进行整定，首先计算跨越临界的起点、终点和速率，在起点和终点范围内采用高速率升速，相应的PID增益参数也应该加大，以**静叶的快速干预；其次在跨越临界之前，管道煤气应保持一定流量储备，以**在跨越临界的时侯有足够的煤气驱动透平升速。
    跨越临界过程结束后，透平升速较快，PID自动调节静叶关闭一定角度，使升速速率降低，接近3000r/min时，升速速率应该降低，以**不**速，同时发出准备并网信号，投入自动并网装置。