《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。

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）、**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��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120/230V 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. **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**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 360/IM 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。**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**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 PN/DP 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（MPI/DP）
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 PN/DP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 PN/DP 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（MPI/DP）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I/O 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PG/OP/PC（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I/O，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

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I/O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