电气控制与PLC程序设计

随着工业自动化向网络化、开放化、智能化和集成化方向的快速发展，作为工业网络控制系统核心的PLC控制器，不但要能完成逻辑控制、顺序控制、定时、计数、模拟回路控制等任务，还要具备强大的数据运算、网络通信等功能，满足电气控制网络化和工厂信息化的需求。掌握先进的PLC程序设计与应用技术，是电气自动化类专业学生走向工作岗位或继续专业深造的一项重要技能。

本书以目前国内市场占有率较高、网络功能强大、具有较高性价比的西门子 SIMATIC 系列S7-1200为例，对电气控制技术和PLC在电气工程设计中的应用进行编写。本书编著过程中注意精选内容，深入浅出，理论联系实际，突出应用，注重对学生的能力培养。本书内容系统全面，学用一致，通俗易懂，便于学习掌握，有如下特点：

（1）适用性。从实际应用和教学的角度，对一般理论以够用为度，对低压电器和典型的继电接触器原理性内容精简扼要，注重电路分析设计，为深入PLC程序设计打好基础。

（2）系统性。把电气控制与PLC应用技术联系在一起，由浅入深介绍了电气控制、PLC基础知识、指令系统、模块化程序设计方法及工艺功能设计，知识前后贯通和系统化。

（3）应用性。在强调基本知识、基本操作技能的同时，对程序设计方法、高速计数器、运动控制、PID控制技术等难点内容结合实例作了详细的介绍，可操作性强，实用价值高。

（4）实践性。注重项目训练，各章配备相应的项目实训，引导学生理论联系实际，增强学生工程应用意识，培养学生解决问题与动手能力。

（5）先进性。以技术先进、功能强大的S7-1200系列控制器为对象，培养学生模块化程序设计的思想，对网络通信、人机界面设计深入讲解，符合工厂自动化和电气信息技术的发展需求。

（6）学做一体化。本书内容简明扼要、图文并茂、通俗易懂，绘图上依据国家最新标准，应用上注重学生素质培养，便于课堂教学和学生自学。

本书由山东交通学院胡冠山担任主编，潘为刚、韩耀振担任副主编，张广渊、王常顺、张建军参与了本书的编写工作，全书由胡冠山担任主审并进行校验统稿。

本书是编者从事多年教学工作、教学研究的概括和总结，也参考了多种同类的教材、著作与科技文献，同时得到了山东省本科高校教学改革研究项目“大学生科技竞赛活动组织管理模式研究”（C2016M055）的资助，在此表示衷心的感谢！

由于编者水平有限，虽然在编写中经过多次认真的修改和校正，书中难免存在纰漏和错误，不足之处恳请广大读者给予批评和指正，如有任何问题可发送邮件至hugshan@126.com。

编 者

2019年1月

第1章 电气控制中常用低压电器 1
1.1 电磁式低压电器基本知识 1
1.1.1 电器的概念和分类 1
1.1.2 电磁式低压电器 1
1.2 接触器 6
1.2.1 交流接触器 7
1.2.2 直流接触器 10
1.3 继电器 10
1.3.1 电磁式继电器 11
1.3.2 时间继电器 12
1.3.3 热继电器 13
1.3.4 速度继电器 17
1.4 低压断路器 18
1.4.1 低压断路器结构及工作原理 18
1.4.2 低压断路器的参数 19
1.4.3 低压断路器的选用 19
1.4.4 低压断路器典型产品 19
1.5 熔断器 20
1.5.1 熔断器结构与类型 20
1.5.2 熔断器符号与型号表示 21
1.5.3 熔断器的特性和技术参数 21
1.5.4 熔断器的选择 22
1.6 主令电器 22
1.6.1 控制按钮 23
1.6.2 行程开关与接近开关 24
1.6.3 转换开关 26
1.6.4 主令控制器 27
1.7 项目实训—常用低压电器的选用和装配 28
思考练习题 32
第2章 电气控制线路分析与设计 33
2.1 电气控制系统图 33
2.1.1 电气控制系统图概念及分类 33
2.1.2 常用电气图形和文字符号 34
2.2 三相异步电动机典型控制线路 39
2.2.1 三相异步电动机基本控制线路 39
2.2.2 三相异步电动机点动与多地控制 40
2.2.3 三相异步电动机正反转控制线路 40
2.3 三相异步电动机降压起动控制 43
2.3.1 Y-△降压起动控制线路 43
2.3.2 软起动器及其使用 43
2.4 三相异步电动机变极调速控制 46
2.4.1 变极调速原理 46
2.4.2 双速极对数调速控制 47
2.4.3 三速电动机的控制 48
2.5 三相异步电动机制动控制 49
2.5.1 能耗制动控制电路 49
2.5.2 电动机反接制动控制 51
2.6 电气控制线路的分析 52
2.6.1 电气控制线路的分析方法 52
2.6.2 电气控制线路实例分析 53
2.7 电气控制系统的设计 55
2.7.1 电气控制系统的设计原则 55
2.7.2 经验设计法 55
2.7.3 逻辑设计法 55
2.7.4 电气控制设计中应注意的问题 56
2.7.5 电气控制线路设计实例 57
2.8 项目实训—电动机顺序控制线路的安装与调试 61
思考练习题 64
第3章 可编程控制器结构及组态 65
3.1 PLC的概念 65
3.1.1 PLC的产生 65
3.1.2 PLC的定义 66
3.1.3 PLC的发展历程 66
3.1.4 PLC的特点 67
3.2 PLC的基本结构与工作原理 68
3.2.1 PLC的基本结构 68
3.2.2 PLC的性能指标 71
3.2.3 PLC的分类 72
3.2.4 PLC的工作原理 73
3.3 S7-1200 PLC的硬件组成 75
3.3.1 S7-1200 PLC产品定位 75
3.3.2 S7-1200 PLC的硬件结构 76
3.3.3 S7-1200 CPU工作模式 80
3.4 S7-1200存储器及其寻址 81
3.4.1 S7-1200存储器与数据存储 81
3.4.2 S7-1200存储器寻址 84
3.5 TIA portal组态软件的使用 86
3.5.1 TIA博途软件介绍 86
3.5.2 博途软件界面视图 87
3.6 S7-1200 PLC的项目组态 89
3.6.1 硬件设备组态 90
3.6.2 程序编译和运行 95
3.7 PLC的编程语言 99
3.7.1 梯形图 99
3.7.2 功能块图 101
3.7.3 指令表 101
3.7.4 结构文本 102
3.7.5 顺序功能图 102
3.8 项目实训—STEP7中项目的建立 102
思考练习题 107
第4章 S7-1200 PLC数据结构和编程指令 109
4.1 PLC的数据类型 109
4.1.1 基本数据类型 109
4.1.2 复杂数据类型 110
4.1.3 参数类型 112
4.1.4 系统数据类型 113
4.1.5 硬件数据类型 113
4.2 S7-1200块结构与程序构成 114
4.2.1 S7-1200的块结构 114
4.2.2 程序结构类型 116
4.3 S7-1200基本指令及使用 118
4.3.1 位逻辑指令 118
4.3.2 定时器指令 123
4.3.3 计数器指令 127
4.3.4 比较指令 129
4.3.5 数学运算指令 131
4.3.6 移动指令 133
4.3.7 转换操作 134
4.3.8 移位和循环移位指令 135
4.3.9 字逻辑指令 137
4.3.10 程序控制指令 138
4.4 扩展指令 140
4.4.1 日期时间指令 140
4.4.2 字符串指令 142
4.4.3 中断指令 146
4.4.4 脉冲指令 149
4.5 项目实训—步进电机的PLC控制 155
思考练习题 158
第5章 S7-1200 PLC程序设计 159
5.1 经验设计法编程 159
5.1.1 经验设计法的特点 159
5.1.2 从电路原理图到梯形图的转化 159
5.1.3 PLC编程原则 161
5.2 顺序功能图设计法 163
5.2.1 顺序控制设计的概念 163
5.2.2 起保停方法实现顺序控制设计 166
5.2.3 置位复位指令实现顺序控制设计 171
5.3 模块化编程 174
5.3.1 模块化程序构建 174
5.3.2 FC和FB的使用 174
5.4 组织块在程序设计中的使用 180
5.4.1 程序循环组织块 180
5.4.2 启动组织块 181
5.4.3 循环中断组织块 182
5.4.4 硬件中断组织块 183
5.4.5 延时中断组织块 185
5.4.6 时间错误组织块 186
5.4.7 诊断中断组织块 187
5.5 数据块的使用 188
5.5.1 数据块的类型 188
5.5.2 数据块的创建 189
5.5.3 数据块声明表的结构 190
5.5.4 数据块在编程中的使用 190
5.6 项目实训—材料分拣系统模块化设计 191
思考练习题 195
第6章 S7-1200 PLC通信设计 196
6.1 S7-1200通信概述 196
6.1.1 S7-1200串口通信模块 196
6.1.2 S7-1200的以太网通信功能 198
6.2 S7-1200的MODBUS通信设计 200
6.2.1 Modbus通信模式 200
6.2.2 Modbus功能代码 200
6.2.3 Modbus RTU功能指令与组态 201
6.3 S7-1200的USS通信 207
6.3.1 通用串行通信的特点 207
6.3.2 USS指令 208
6.4 S7-1200的自由口通信 211
6.5 S7-1200与S7-1200之间的以太网通信 212
6.5.1 带连接管理的通信指令 213
6.5.2 不带连接管理的通信指令 216
6.5.3 S7-1200以太网通信组态 217
6.6 项目实训—PLC与变频器通信设计 224
思考练习题 227
第7章 SIMATIC精智面板的组态应用 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 触摸屏组态入门 230
7.2.1 HMI工程的建立 230
7.2.2 组态变量 232
7.2.3 画面的编辑窗口 233
7.2.4 触摸屏的在线运行与仿真模拟 234
7.3 画面对象的组态 235
7.3.1 按钮、开关与指示灯的组态 236
7.3.2 棒图和时间域的组态 240
7.3.3 组态符号I/O域 241
7.3.4 组态图形I/O域 244
7.3.5 动画功能的使用 245
7.4 画面对象的报警组态 246
7.4.1 HMI报警基础知识 246
7.4.2 变量报警 248
7.4.3 报警视图 248
7.5 用户管理组态 249
7.6 项目实训—精智面板的使用设置 252
思考练习题 258
第8章 PLC系统设计与工艺功能应用 259
8.1 PLC的系统设计 259
8.1.1 设计任务分析 259
8.1.2 PLC选型 260
8.1.3 硬件电路设计 261
8.1.4 软件设计 261
8.1.5 系统调试 261
8.1.6 文件编制 262
8.2 PLC高速计数器功能与应用 262
8.2.1 高速计数器工作模式 262
8.2.2 高速计数器的寻址 263
8.2.3 高速计数器指令参数 264
8.2.4 高速计数器的组态应用 264
8.3 PID控制功能与应用 267
8.3.1 PID控制器结构 267
8.3.2 PID控制指令 267
8.3.3 组态PID控制器 270
8.3.4 PID Compact的调试 273
8.3.5 PID组态应用 275
8.4 运动控制功能与应用 279
8.4.1 CPU S7-1200运动控制功能 279
8.4.2 运动控制的功能原理 279
8.4.3 S7-1200 轴资源启用 281
8.4.4 工艺对象“轴”组态 282
8.4.5 运动控制指令 286
8.4.6 运动控制功能应用 290
思考练习题 298
参考文献 299

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]