電氣控制與PLC程序設計

隨著工業(yè)自動化向網(wǎng)絡化、開放化、智能化和集成化方向的快速發(fā)展，作為工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)核心的PLC控制器，不但要能完成邏輯控制、順序控制、定時、計數(shù)、模擬回路控制等任務，還要具備強大的數(shù)據(jù)運算、網(wǎng)絡通信等功能，滿足電氣控制網(wǎng)絡化和工廠信息化的需求。掌握先進的PLC程序設計與應用技術，是電氣自動化類專業(yè)學生走向工作崗位或繼續(xù)專業(yè)深造的一項重要技能。

本書以目前國內市場占有率較高、網(wǎng)絡功能強大、具有較高性價比的西門子 SIMATIC 系列S7-1200為例，對電氣控制技術和PLC在電氣工程設計中的應用進行編寫。本書編著過程中注意精選內容，深入淺出，理論聯(lián)系實際，突出應用，注重對學生的能力培養(yǎng)。本書內容系統(tǒng)全面，學用一致，通俗易懂，便于學習掌握，有如下特點：

（1）適用性。從實際應用和教學的角度，對一般理論以夠用為度，對低壓電器和典型的繼電接觸器原理性內容精簡扼要，注重電路分析設計，為深入PLC程序設計打好基礎。

（2）系統(tǒng)性。把電氣控制與PLC應用技術聯(lián)系在一起，由淺入深介紹了電氣控制、PLC基礎知識、指令系統(tǒng)、模塊化程序設計方法及工藝功能設計，知識前后貫通和系統(tǒng)化。

（3）應用性。在強調基本知識、基本操作技能的同時，對程序設計方法、高速計數(shù)器、運動控制、PID控制技術等難點內容結合實例作了詳細的介紹，可操作性強，實用價值高。

（4）實踐性。注重項目訓練，各章配備相應的項目實訓，引導學生理論聯(lián)系實際，增強學生工程應用意識，培養(yǎng)學生解決問題與動手能力。

（5）先進性。以技術先進、功能強大的S7-1200系列控制器為對象，培養(yǎng)學生模塊化程序設計的思想，對網(wǎng)絡通信、人機界面設計深入講解，符合工廠自動化和電氣信息技術的發(fā)展需求。

（6）學做一體化。本書內容簡明扼要、圖文并茂、通俗易懂，繪圖上依據(jù)國家最新標準，應用上注重學生素質培養(yǎng)，便于課堂教學和學生自學。

本書由山東交通學院胡冠山擔任主編，潘為剛、韓耀振擔任副主編，張廣淵、王常順、張建軍參與了本書的編寫工作，全書由胡冠山擔任主審并進行校驗統(tǒng)稿。

本書是編者從事多年教學工作、教學研究的概括和總結，也參考了多種同類的教材、著作與科技文獻，同時得到了山東省本科高校教學改革研究項目“大學生科技競賽活動組織管理模式研究”（C2016M055）的資助，在此表示衷心的感謝！

由于編者水平有限，雖然在編寫中經(jīng)過多次認真的修改和校正，書中難免存在紕漏和錯誤，不足之處懇請廣大讀者給予批評和指正，如有任何問題可發(fā)送郵件至hugshan@126.com。

編 者

2019年1月

第1章 電氣控制中常用低壓電器 1
1.1 電磁式低壓電器基本知識 1
1.1.1 電器的概念和分類 1
1.1.2 電磁式低壓電器 1
1.2 接觸器 6
1.2.1 交流接觸器 7
1.2.2 直流接觸器 10
1.3 繼電器 10
1.3.1 電磁式繼電器 11
1.3.2 時間繼電器 12
1.3.3 熱繼電器 13
1.3.4 速度繼電器 17
1.4 低壓斷路器 18
1.4.1 低壓斷路器結構及工作原理 18
1.4.2 低壓斷路器的參數(shù) 19
1.4.3 低壓斷路器的選用 19
1.4.4 低壓斷路器典型產(chǎn)品 19
1.5 熔斷器 20
1.5.1 熔斷器結構與類型 20
1.5.2 熔斷器符號與型號表示 21
1.5.3 熔斷器的特性和技術參數(shù) 21
1.5.4 熔斷器的選擇 22
1.6 主令電器 22
1.6.1 控制按鈕 23
1.6.2 行程開關與接近開關 24
1.6.3 轉換開關 26
1.6.4 主令控制器 27
1.7 項目實訓—常用低壓電器的選用和裝配 28
思考練習題 32
第2章 電氣控制線路分析與設計 33
2.1 電氣控制系統(tǒng)圖 33
2.1.1 電氣控制系統(tǒng)圖概念及分類 33
2.1.2 常用電氣圖形和文字符號 34
2.2 三相異步電動機典型控制線路 39
2.2.1 三相異步電動機基本控制線路 39
2.2.2 三相異步電動機點動與多地控制 40
2.2.3 三相異步電動機正反轉控制線路 40
2.3 三相異步電動機降壓起動控制 43
2.3.1 Y-△降壓起動控制線路 43
2.3.2 軟起動器及其使用 43
2.4 三相異步電動機變極調速控制 46
2.4.1 變極調速原理 46
2.4.2 雙速極對數(shù)調速控制 47
2.4.3 三速電動機的控制 48
2.5 三相異步電動機制動控制 49
2.5.1 能耗制動控制電路 49
2.5.2 電動機反接制動控制 51
2.6 電氣控制線路的分析 52
2.6.1 電氣控制線路的分析方法 52
2.6.2 電氣控制線路實例分析 53
2.7 電氣控制系統(tǒng)的設計 55
2.7.1 電氣控制系統(tǒng)的設計原則 55
2.7.2 經(jīng)驗設計法 55
2.7.3 邏輯設計法 55
2.7.4 電氣控制設計中應注意的問題 56
2.7.5 電氣控制線路設計實例 57
2.8 項目實訓—電動機順序控制線路的安裝與調試 61
思考練習題 64
第3章 可編程控制器結構及組態(tài) 65
3.1 PLC的概念 65
3.1.1 PLC的產(chǎn)生 65
3.1.2 PLC的定義 66
3.1.3 PLC的發(fā)展歷程 66
3.1.4 PLC的特點 67
3.2 PLC的基本結構與工作原理 68
3.2.1 PLC的基本結構 68
3.2.2 PLC的性能指標 71
3.2.3 PLC的分類 72
3.2.4 PLC的工作原理 73
3.3 S7-1200 PLC的硬件組成 75
3.3.1 S7-1200 PLC產(chǎn)品定位 75
3.3.2 S7-1200 PLC的硬件結構 76
3.3.3 S7-1200 CPU工作模式 80
3.4 S7-1200存儲器及其尋址 81
3.4.1 S7-1200存儲器與數(shù)據(jù)存儲 81
3.4.2 S7-1200存儲器尋址 84
3.5 TIA portal組態(tài)軟件的使用 86
3.5.1 TIA博途軟件介紹 86
3.5.2 博途軟件界面視圖 87
3.6 S7-1200 PLC的項目組態(tài) 89
3.6.1 硬件設備組態(tài) 90
3.6.2 程序編譯和運行 95
3.7 PLC的編程語言 99
3.7.1 梯形圖 99
3.7.2 功能塊圖 101
3.7.3 指令表 101
3.7.4 結構文本 102
3.7.5 順序功能圖 102
3.8 項目實訓—STEP7中項目的建立 102
思考練習題 107
第4章 S7-1200 PLC數(shù)據(jù)結構和編程指令 109
4.1 PLC的數(shù)據(jù)類型 109
4.1.1 基本數(shù)據(jù)類型 109
4.1.2 復雜數(shù)據(jù)類型 110
4.1.3 參數(shù)類型 112
4.1.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型 113
4.1.5 硬件數(shù)據(jù)類型 113
4.2 S7-1200塊結構與程序構成 114
4.2.1 S7-1200的塊結構 114
4.2.2 程序結構類型 116
4.3 S7-1200基本指令及使用 118
4.3.1 位邏輯指令 118
4.3.2 定時器指令 123
4.3.3 計數(shù)器指令 127
4.3.4 比較指令 129
4.3.5 數(shù)學運算指令 131
4.3.6 移動指令 133
4.3.7 轉換操作 134
4.3.8 移位和循環(huán)移位指令 135
4.3.9 字邏輯指令 137
4.3.10 程序控制指令 138
4.4 擴展指令 140
4.4.1 日期時間指令 140
4.4.2 字符串指令 142
4.4.3 中斷指令 146
4.4.4 脈沖指令 149
4.5 項目實訓—步進電機的PLC控制 155
思考練習題 158
第5章 S7-1200 PLC程序設計 159
5.1 經(jīng)驗設計法編程 159
5.1.1 經(jīng)驗設計法的特點 159
5.1.2 從電路原理圖到梯形圖的轉化 159
5.1.3 PLC編程原則 161
5.2 順序功能圖設計法 163
5.2.1 順序控制設計的概念 163
5.2.2 起保停方法實現(xiàn)順序控制設計 166
5.2.3 置位復位指令實現(xiàn)順序控制設計 171
5.3 模塊化編程 174
5.3.1 模塊化程序構建 174
5.3.2 FC和FB的使用 174
5.4 組織塊在程序設計中的使用 180
5.4.1 程序循環(huán)組織塊 180
5.4.2 啟動組織塊 181
5.4.3 循環(huán)中斷組織塊 182
5.4.4 硬件中斷組織塊 183
5.4.5 延時中斷組織塊 185
5.4.6 時間錯誤組織塊 186
5.4.7 診斷中斷組織塊 187
5.5 數(shù)據(jù)塊的使用 188
5.5.1 數(shù)據(jù)塊的類型 188
5.5.2 數(shù)據(jù)塊的創(chuàng)建 189
5.5.3 數(shù)據(jù)塊聲明表的結構 190
5.5.4 數(shù)據(jù)塊在編程中的使用 190
5.6 項目實訓—材料分揀系統(tǒng)模塊化設計 191
思考練習題 195
第6章 S7-1200 PLC通信設計 196
6.1 S7-1200通信概述 196
6.1.1 S7-1200串口通信模塊 196
6.1.2 S7-1200的以太網(wǎng)通信功能 198
6.2 S7-1200的MODBUS通信設計 200
6.2.1 Modbus通信模式 200
6.2.2 Modbus功能代碼 200
6.2.3 Modbus RTU功能指令與組態(tài) 201
6.3 S7-1200的USS通信 207
6.3.1 通用串行通信的特點 207
6.3.2 USS指令 208
6.4 S7-1200的自由口通信 211
6.5 S7-1200與S7-1200之間的以太網(wǎng)通信 212
6.5.1 帶連接管理的通信指令 213
6.5.2 不帶連接管理的通信指令 216
6.5.3 S7-1200以太網(wǎng)通信組態(tài) 217
6.6 項目實訓—PLC與變頻器通信設計 224
思考練習題 227
第7章 SIMATIC精智面板的組態(tài)應用 228
7.1 HMI概述 228
7.1.1 HMI的概念 228
7.1.2 SIMATIC HMI精智面板 229
7.2 觸摸屏組態(tài)入門 230
7.2.1 HMI工程的建立 230
7.2.2 組態(tài)變量 232
7.2.3 畫面的編輯窗口 233
7.2.4 觸摸屏的在線運行與仿真模擬 234
7.3 畫面對象的組態(tài) 235
7.3.1 按鈕、開關與指示燈的組態(tài) 236
7.3.2 棒圖和時間域的組態(tài) 240
7.3.3 組態(tài)符號I/O域 241
7.3.4 組態(tài)圖形I/O域 244
7.3.5 動畫功能的使用 245
7.4 畫面對象的報警組態(tài) 246
7.4.1 HMI報警基礎知識 246
7.4.2 變量報警 248
7.4.3 報警視圖 248
7.5 用戶管理組態(tài) 249
7.6 項目實訓—精智面板的使用設置 252
思考練習題 258
第8章 PLC系統(tǒng)設計與工藝功能應用 259
8.1 PLC的系統(tǒng)設計 259
8.1.1 設計任務分析 259
8.1.2 PLC選型 260
8.1.3 硬件電路設計 261
8.1.4 軟件設計 261
8.1.5 系統(tǒng)調試 261
8.1.6 文件編制 262
8.2 PLC高速計數(shù)器功能與應用 262
8.2.1 高速計數(shù)器工作模式 262
8.2.2 高速計數(shù)器的尋址 263
8.2.3 高速計數(shù)器指令參數(shù) 264
8.2.4 高速計數(shù)器的組態(tài)應用 264
8.3 PID控制功能與應用 267
8.3.1 PID控制器結構 267
8.3.2 PID控制指令 267
8.3.3 組態(tài)PID控制器 270
8.3.4 PID Compact的調試 273
8.3.5 PID組態(tài)應用 275
8.4 運動控制功能與應用 279
8.4.1 CPU S7-1200運動控制功能 279
8.4.2 運動控制的功能原理 279
8.4.3 S7-1200 軸資源啟用 281
8.4.4 工藝對象“軸”組態(tài) 282
8.4.5 運動控制指令 286
8.4.6 運動控制功能應用 290
思考練習題 298
參考文獻 299

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2. 網(wǎng)絡工程師5天修煉（適配第6版考綱） [主編　朱小平 施游]
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5. 土木工程材料檢測實訓 [洪曉江 達則曉麗 錢波]
6. 科技信息檢索與論文寫作實用教程 [李振華]
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9. 計算機基礎實訓指導 [主編 袁春萍 朱妮]
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11. Vienna整流器技術 [桂存兵 著]
12. 變頻器與伺服應用 [陳剛 葉云飛]
13. 物聯(lián)網(wǎng)工程設計與實踐 [湯琳 李敏]
14. 爐邊夜話——深入淺出話AI [汪建　著]
15. 電商運營與管理 [鐘肖英 陳瀟]
16. Java面向對象程序設計 [主編 姜春磊 陳虹潔]
17. 信息技術基礎（Windows 10+WPS Office）（微課版） [主編　石利平　田輝平　謝盛嘉]
18. 人工智能應用 [主編　陳　萍　劉培培　陳孟軍]
19. 大學生職業(yè)發(fā)展與就業(yè)指導 [主編　劉志堅]
20. 高級辦公應用項目教程 [主編 屈晶 趙成麗]
21. 微信小程序開發(fā)項目實戰(zhàn)（微課版） [主編 黃龍泉 郭峰 朱倩]
22. 企業(yè)檔案工作實戰(zhàn)寶典百問百答 [華俊 盧秀英 邵甜甜 著]
23. 計算機網(wǎng)絡原理及應用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢娜]
24. 大學生創(chuàng)業(yè)基礎 [主編 王麗莉 王 楊]
25. 船舶輔機 [主編 王連海 于洋 姜淑翠]
26. 大學生就業(yè)指導 [主編 王麗莉 董宴廷]
27. 系統(tǒng)架構設計師章節(jié)習題與考點特訓 [主編 薛大龍 鄒月平]
28. 高校學生工作探索與實踐 [郭亮 著]
29. 大學生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年長沙市會展業(yè)發(fā)展報告 [主編 周棟良]