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西门子PLC S7-400的基本结构和特点有哪些

2.S7-400的特点

  1)运行速度高。CPU417-4执行一条位操作指令、字操作指令或定点运算指令只要18ns。

  2)存储器容量大。例如CPU417-4集成的工作存储器为30MB，可以扩展64MB的装载存储器(FEPROM或RAM)。

  3)I/O扩展功能强。可以扩展21个机架，CPU417-4*多可以扩展262144点数字量V0和16384点模拟量I/0。

  4)有极强的通信能力。有的CPU集成了多种通信接口，容易实现分布式结构和冗余控制系统。用ET200分布式I/O可以实现远程扩展，用于分布范围很广的系统。

  5)诊断功能强。*新的故障和中断时间保存在FIFO(先入先出)缓冲区中。

  6)集成有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与S7-300一样，都用STEP7编程软件编程，编程语言与编程方法完全相同。

1.S7-400的基本结构

  S7-400是具有中**性能的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。S7-400采用大模块结构(见图2-9和图2-10)，大多数模块的尺寸为25mm(宽)×290mm(高)×210mm(深)。S7-400由机架(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元(CPU)、数字量输入/输出(DI/DO)模块、模拟量输入/输出(AI/AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块(SM)。

  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。S7-400的模块插座焊在机架的总线连接板上，模块插在模块插座上，有不同槽数的机架供用户选用，如果一个机架容纳不下所有的模块，可以增设一个或数个扩展机架(见图2-11)，各机架之间用接口模块和通信电缆交换信息。

  S7-400提供多种级别的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。中央机架(或称中央控制器，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IM(接口模块)之外的所有S7-400模块。如果有扩展机架，中央机架和扩展机架都需要安装接口模块。

  扩展机架(或称扩展单元，EU)可以安装除CPU、发送IM、IM463-2适配器之外所有的S7-400模块。电源模块不能与IM461-1(接收IM)一起使用。

  电源模块应安装在机架的*左边(第1槽)，有冗余功能的电源模块是一个例外。中央机架只能插入*多6块发送型的接口模块，每个模块有两个接口，每个接口可以连接4个扩展机架，*多能连接21个扩展机架。中央机架中传送电源的发送接口模块(IM460-1)不能超过两块，IM460-1的每个接口只能带一个扩展机架。

  扩展机架中的接口模块只能安装在*右边的槽(第18槽或第9槽)。通信处理器CP只能安装在编号不大于6的扩展机架中。

第一节 PLC概念

1、PLC的基本概念

可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，将可编程控制器简称PLC 

2、PLC的基本结构 

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

a. 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，*后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

为了提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

b、存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

C、电源 

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

3、PLC的工作原理

一. 扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

(一) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

(二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

(三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

比较下二个程序的异同：

程序1：

程序2：

这两段程序执行的结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。

※ 程序1只用一次扫描周期，就可完成对%M4的刷新；

※ 程序2要用四次扫描周期，才能完成对%M4的刷新。

这两个例子说明：同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。也可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。