3.4　S7-300 CPU模塊

3.4.1　CPU模塊的分類

S7-300系列的CPU元器件封裝在一個牢固而緊湊的塑料機殼內，面板上有狀態和故障指示LED、模式選擇開關和通信接口。存儲器插槽可以插入多達數兆字節的Flash EPROM微存儲器卡（簡稱為MMC），用于掉電后程序和數據的保存。

S7-300 PLC有許多種不同型號的CPU，不同類型的CPU具有不同的技術規范和性能參數。每種CPU都對應一個型號，比如CPU31×C-2DP，其中31×表示CPU序號，由低到高功能逐漸增強；31×后面的那位字母表示CPU類型，C表示緊湊型，T表示技術功能型，F表示故障安全型；2代表CPU所具有的通信接口個數；最后的DP表示通信接口類型，DP表示PROFIBUS DP接口，PN表示PROFINET接口，PtP表示點對點接口。按性能等級劃分，可以涵蓋各種應用范圍。

S7-300系列的CPU按照功能主要有以下幾種。

（1）緊湊型CPU

S7-300 PLC有6種緊湊型CPU，分別是CPU312C、CPU313C、CPU313C-PtP、CPU313C-2DP、CPU314C-PtP和CPU314C-2DP。這些CPU的共同特點是帶有集成的數字量輸入和輸出或兼有模擬量的輸入和輸出，CPU運行時需要存儲卡。多數CPU都適用于具備較高要求的系統。型號中帶“PtP”的CPU除編程端口外還帶有第二個串口；型號中帶有“2DP”的CPU帶有PROFIBUS DP主站/從站接口。緊湊型CPU模塊如圖3-3所示，非緊湊型CPU模塊如圖3-4所示。

（2）標準型CPU

它適用于大中規模的I/O配置的系統，對二進制和浮點數有較高的處理性能。標準型CPU包括CPU312、CPU313、CPU314、

CPU315-2DP、CPU315-2PN/DP、CPU317-2DP、CPU317-2PN/DP和CPU319-3PN/DP。型號中帶有PN/DP的CPU有一個PROFINET接口和一個MPI/DP接口。標準型CPU模塊如圖3-5所示。

（3）技術功能型CPU

CPU315T-2DP和CPU317T-2DP有極高的處理速度，用于對PLC性能以及運動控制功能具有較高要求的設備。除了準確的單軸定位功能以外，還適用于復雜的同步運動控制，一個通信接口是DP/MPI接口，另一個是DP（DRIVE）接口用于連接帶PROFIBUS接口的驅動系統。技術功能型CPU還有本機集成的4點數字量輸入和8點數字量輸出，使用標準的編程語言編程，無需專用的運動控制系統語言。

（4）故障安全型CPU

故障安全型CPU包括CPU315F-2DP、CPU315F-2PN/DP、CPU317F-2DP和CPU317F-2PN/DP。它們用于組成故障安全型自動化系統，以滿足安全運行的需要，使用內置的DP接口和PROFISAFE協議，可以在標準數據報文中傳輸帶有安全功能的用戶數據。不需要對故障安全I/O進行額外的布線，就可以實現與故障安全有關的通信。

（5）SIPLUS戶外型CPU

SIPLUS戶外型CPU包括SIPLUS緊湊型CPU、SIPLUS標準型CPU和SIPLUS故障安全型CPU。這些模塊可以在環境溫度-25～+70℃和有害氣體的環境中運行。

（6）高端型CPU

高端型CPU包括CPU317-2DP、CPU318-2DP等，具有大容量程序存儲器以及PROFIBUS-DP主/從接口，可以用于大規模的I/O配置，建立分布式I/O結構。

各種不同型號CPU的具體性能指標請參考手冊《SIMATIC S7-300可編程控制器》，在使用時需要進行查閱。

3.4.2　CPU面板介紹

S7-300的CPU種類繁多，具有不同的功能，所以面板也不是完全相同。如圖3-6所示分別為不同時期的CPU314面板，圖3-6（a）是2002年10月之前的CPU314，圖3-6（b）是2002年10月之后的CPU314。

S7-300系列PLC CPU模塊的面板上有狀態和故障指示LED、模式選擇開關和通信接口等。大多數CPU還有后備電池盒，存儲器卡插座可以插入多達數兆字節的Flash EPROM微存儲卡（簡稱為MMC），用于掉電后程序和數據的保存。

（1）卡槽

FlashEPROM微存儲卡用于在斷電時保存用戶程序和某些數據，它可以擴展CPU的存儲器容量，也可以將有些CPU的操作系統包括在MMC中，這對于操作系統的升級是非常方便的。MMC用作裝載存儲器或便攜式保存媒體，它的讀寫直接在CPU內進行，不需要專用的編程器。由于CPU 31×C沒有安裝集成的裝載存儲器，在使用CPU時必須插入MMC，因此必須在購買CPU的同時也配置MMC，CPU與MMC是分開訂貨的，否則CPU將無法工作。插入存儲卡前，把CPU切換到STOP狀態，或關斷電源。存儲卡如圖3-7所示。

（2）狀態與故障指示燈LED

CPU模塊面板上的LED（發光二極管）的意義如表3-1所示。

CPU處于RUN模式時RUN LED亮；啟動期間以2Hz的頻率閃亮；HOLD狀態時以0.5Hz的頻率閃亮。CPU處于STOP、HOLD狀態或重新啟動時STOP LED常亮；請求存儲器復位時以0.5Hz的頻率閃動，正在執行存儲器復位時以2Hz的頻率閃動。

（3）CPU的操作模式

CPU有四種操作模式：STOP（停機）、STARTUP（啟動）、RUN（運行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通過MPI接口與其他設備通信。

①STOP（停機）模式：可以用模式選擇開關在STOP位置時，PLC上電后自動進入STOP模式。在該模式下不執行用戶程序，可以接收全局數據和檢查系統。

②RUN（運行）模式：執行用戶程序，刷新輸入和輸出，處理中斷和故障信息服務。

③HOLD模式：在啟動和RUN模式執行程序時遇到調試用的斷點，用戶程序的執行被掛起（暫停），定時器被凍結。

④STARTUP（啟動）模式：可以用模式選擇開關或STEP 7啟動CPU。如果模式選擇開關在RUN或RUN-P的位置，通電時自動進入啟動模式。

老式的CPU使用鑰匙開關來選擇操作模式，它還有一種RUN-P模式，允許在運行時讀出和修改程序。操作時需要插入鑰匙，用來設置CPU當前的運行方式。鑰匙拔出后，就不能改變操作方式。這樣可以防止未經授權的人員非法刪除或改寫用戶程序。仿真軟件PLCSIM的仿真CPU也有RUN-P模式，這些監控功能只能在RUN-P的模式下進行。

（4）CPU模式選擇開關

①RUN（運行）位置：CPU執行用戶程序。

②STOP（停止）位置：CPU不執行用戶程序。

③MRES（復位存儲器）：可使CPU復位。

有以下情況執行CPU存儲器復位：

a.當第一次啟動前。

b.當新的完整的用戶程序下載前。

c.如果CPU要求存儲器復位時（STOP LED閃爍）。

用模式開關執行CPU存儲器復位的操作步驟如下：

a.合上電源開關。

b.把開關轉到STOP位置。

c.把開關轉到MRES位置，并保持在這個位置直到STOP指示燈再次變亮（大約3s）。

d.把鑰匙開關轉回STOP位置，然后轉到MRES，直到STOP指示燈再次亮1s。

（5）電源接線端子

電源模塊上的L+和M端子分別是DC 24V輸出電壓的正極和負極。用專用的電源連接器或導線分別連接電源模塊和CPU模塊的L+和M端子。

（6）CPU模塊的集成I/O

CPU31×C模塊上有集成的I/O，集成I/O的點數見表3-2。

3.4.3　CPU模塊通信接口

SIMATIC S7-300的CPU中集成了MPI、DP等不同的通信接口。

（1）多點（MPI）接口

多點（MPI）接口用于連接編程器、PC、人機界面系統及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統。它是一個經濟而有效的解決方案，它為用戶的STEP 7界面提供了通信組態功能，使得組態非常容易、簡單。MPI接口用于與其他西門子PLC、PG/PC、OP通過MPI網絡通信。所有的CPU模塊都有一個MPI通信接口X1。

（2）通過PROFIBUS-DP接口通信

部分CPU模塊還可以通過配置的DP X2接口進行通信。PROFIBUS-DP接口主要用于連接分布式I/O。

（3）通過PROFINET（PN）接口通信

部分帶有“PN”后綴的CPU配有一個PN X2接口。使用CPU的集成PROFINET（PN）接口可與“工業以太網”建立連接。

3.4.4　CPU模塊存儲器

PLC的操作系統使PLC具有基本的智能，能夠完成PLC設計者規定的各種工作。用戶程序由用戶設計，它使PLC能完成用戶要求的特定功能。用戶程序存儲器的容量以字節（Byte，B）為單位。

（1）PLC使用的物理存儲器

①隨機存取存儲器（RAM）　CPU可以讀出RAM中的數據，也可以將數據寫入RAM，因此，RAM又叫作讀/寫存儲器。RAM具有易失性，即電源中斷后，存儲的信息會丟失。

RAM的工作速度快，價格便宜，改寫方便。在切斷PLC的外部電源后，可以用鋰電池來保存RAM中存儲的用戶程序和數據。需要更換鋰電池時，由PLC發出信號，通知用戶。

②只讀存儲器（ROM）　ROM的內容只能讀出，不能寫入。它具有非易失性，即電源消失后，仍能保存存儲的內容。ROM一般用來存放PLC的操作系統。

③快閃存儲器（Flash EPROM）和EEPROM　快閃存儲器簡稱為FEPROM，可電擦除、可編程的只讀存儲器簡稱為EEPROM。它們具有非易失性，可以用編程裝置對它們編程，兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取優點，但是將信息寫入它們所需的時間比RAM長得多。它們用來存放用戶程序和斷電時需要保存的重要數據。

（2）微存儲卡

基于FEPROM的微存儲卡簡稱為MMC，用于在斷電時保存用戶程序和某些數據。

MMC用來作為S7、C7和ET200S的CPU的裝載存儲器，程序和數據下載后保存在MMC內。如果CPU未插MMC，不能下載STEP 7的程序和數據。應當注意，不能帶電插拔MMC，否則會丟失程序或損壞MMC。西門子的PLC必須使用西門子專用的MMC，不能使用數碼產品使用的通用型MMC。

如果對MMC中的項目加了密碼，但是忘記了密碼，只能用西門子專用編程器上的讀卡槽或用西門子帶USB接口的讀卡器來刪除MMC上的程序、數據和密碼，這樣MMC就可以作為一個未加密的空卡使用了。

（3） CPU的存儲區

CPU的存儲區由裝載存儲器、工作存儲器和系統存儲器組成。工作存儲器類似于計算機的內存條，裝載存儲器類似于計算機的硬盤。

①裝載存儲器　CPU的裝載存儲器用于保存不包含符號地址和注釋的邏輯塊、數據塊和系統數據（硬件組態、連接和模塊的參數等）。下載程序時，用戶程序（邏輯塊和數據塊）被下載到裝載存儲器，符號表和注釋保存在編程設備中。在PLC上電時，CPU把裝載存儲器中的可執行部分復制到工作存儲器。在CPU斷電時，需要保存的數據被自動保存在裝載存儲器中。

S7-300將MMC用做裝載存儲器。現在生產的S7-300 CPU沒有集成的裝載存儲器，必須插入MMC才能下載和運行用戶程序。

S7-400的CPU有集成的裝載存儲器（帶后備電池的RAM），也可以用FEPROM存儲卡或RAM存儲卡來擴展裝載存儲器。

系統存儲區的分布如圖3-8所示。

②工作存儲器　工作存儲器是集成在CPU中的高速存取的RAM存儲器，用于存儲CPU運行時的用戶程序和數據，例如組織塊、功能塊、功能和數據塊。為了保證程序執行的快速性和不過多地占用工作存儲器，只有與程序執行有關的塊被裝入工作存儲器。用模式選擇開關復位CPU的存儲器時，RAM中的程序被清除，FEPROM中的程序不會被清除。

③系統存儲器　系統存儲器是CPU為用戶程序提供的RAM區，用于存放用戶程序的操作數據，例如過程映像輸入、過程映像輸出、位存儲器、定時器和計數器、塊堆棧、中斷堆棧和診斷緩沖區等。系統存儲器還包括臨時存儲器（局部數據堆棧），在程序塊被調用時用來存儲臨時變量。在執行程序塊時它的臨時變量才有效，執行完后可能被覆蓋。