啤酒发酵计算机控制系统硬件设计与实现 第5页4.2.3 PLC模块的配置
一个完整的S7-300系统主要由CPU模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，模拟量输出模块，电源模块及一些特殊模块组成。
根据啤酒发酵的工艺流程和实际需要，PLC的选型需要满足以下条件。
（1）具有模拟量的采集，处理过程及开关量的输入/输出功能；
（2）具有PID调节控制功能。
（3）I/O点数留有充分的余量，考虑以后系统修改升级及扩大生产规模。
在本系统中，选择西门子S7-315-2DP作为CPU模块。该模块内置40KB RAM最大可扩展512KB FLASHEPROM存储卡，最大数字量量I/O点数为1024，最大模拟量I/O点数为128，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，配置有PROFIBUS DP主站/从站接口，满足啤酒发酵分布式系统要求。
数字量输入模块选用SM321的DI32×24VDC模块,输入过程包括电平转换，光隔离和滤波等。该模块一共可以接入32路直流输入信号，这些输入信号被分成2组，相互隔离；每组16个信号，互不隔离。SM321（DI32×24VDC）直流输入型模块接线方法如图4-2.
图4-2 SM321（DI32×24VDC）直流输入型模块的内部电路
数字量输出模块选用SM322的DO32×24VDC/0.5A模块,经过电平转换，信号可直接用于驱动二位式电磁阀进行控制。输出点数为32点，每8点1组隔离，输出电流为0.5A，额定负载电压为24VDC。SM322（DO32×24VDC/0.5A）模块接线方法如图4-3.
图4-3 SM322（DO32×24VDC/0.5A）模块的内部电路
模拟量输入模块选用SM331的8AI×12bit模块,该模块作用是将模拟量转换成PLC的CPU可以接收的数字量。一般输入模拟信号都为标准的工业信号，精度为12位。可以检测1～5V电压信号，4～20mA电流信号，热电偶信号等。每两个通道构成一个通道输入组可以任意选择所测信号类型。对于变送器的输入具有保护功能。SM331（8AI×12bit）模块接线方法如图4-4.
图4-4 SM331（AI 8×12bit）模块的内部电路
模拟量输出模块选用SM332的4AO×12bit模块,该模块作用是将PLC处理后的数字量转换为可用于模拟量控制的模拟量输出信号，然后传达给执行机构调节控制。模拟量输出模块由锁存器，多路选择开关，光电隔离，数模转换和驱动电路组成。模块上有4个通道，每个通道都可单独设置为电压输出或电流输出，输出精度为12位。SM332（4AO×12bit）模块接线方法如图4-5.
图4-5 SM332（AO 4×12bit）模块的内部电路
本系统选用PS307 10A作为电源模块，该模块的输入电压230VAC/24VDC,2A/5A，50HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离，除了给S7-300的CPU模块供电，还给各机架槽板提供负载电流。
综上所述，将啤酒发酵系统所需的各个模块直接安装在DIN标准导轨（机架）上（模块先钩在导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧）构成S7-300的模块式结构。一般情况导轨上安装模块按顺序依次是：电源模块（PS）,CPU模块，接口模块（IM）,信号模块（SM）,功能模块（FM）。每个机架上最多可装8个I/O模块。如果一个机架不够用，还可以扩展，所选的CPU-315-2DP模块还可扩展4个机架以满足生产规模扩大需要。扩展机架时，还需装接口模块（IM），其功能是将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。各模块通过背板总线相连接，而电源模块通过电缆与其他信号模块连接而不是通过背板总线。
4.2.4 PLC的I/O资源配置
每只发酵罐需要有上温，中温，下温，压力4个模拟量需要测量，并相应需要一个二位式电磁阀进行控制。所以每只发酵罐的I/O点数为4个模拟量，4个开关量。
4.2.5选择变送器和执行机构
除上述选择的PLC输入/输出模块之外，另外还需模拟量输入模块所涉及的设备仪表有啤酒温度变送器，压力变送器，二位式电磁阀。
根据啤酒发酵过程的特点，啤酒发酵过程的温度范围最低可以到–1℃以下，最高到12℃以上，可以选择的量程为–5℃～45℃或者–10℃～90℃的一体化温度变送器；压力变送器可以选择量程为0～200kpa或者0～400kpa。变送器内的现场传感器会将现场设备的模拟信号转化 为4～20mA或 1～5 V标准工业信号 ，通过电缆(屏蔽线 )直接传输到模拟量输入模块 ，完成数据采集工作。
4.3上,下位机通信
本系统采用上、下位微机协调监控的控制方案，由PC机作为上位机，西门子S7-300PLC作为下位机,于是存在上，下位机通信问题。采用PROFIBUS—DP总线技术实现计算机主站和PLC从站、现场检测与调节仪表等设备有机的连在一起，构成一体化控制系统。
4.3.1 PROFIBUS现场总线
现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，是连接连接现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多点通信的通信技术。PROFIBUS是目前最成功的现场总线之一，广泛应用于制造自动化，过程自动化，是一种开放式的现场总线国际标准。
PROFIBUS家族成员主要有三个：①PROFIBUS-FMS 主要应用于车间级的通用自动化，是最初的PROFIBUS系统； ②PROFIBUS-DP 主要用于装置级及现场级的制造自动化，构成主站-从站通信系统； ③PROFIBUS-PA 主要为过程控制而设计。
PROFIBUS的协议结构以ISO/OSI为参考模型，它只使用了ISO/OSI的第1层物理层，第2层数据链路层，第7层应用层，另外加了一层用户层（Profile,即行规）。PROFIBUS的行规分为应用行规和系统行规两大类。
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