电气控制与PLC程序设计（第二版）

◆ 适用性：从实际应用和教学的角度，一般理论以够用为度，低压电器和典型继电接触器的原理性内容精简扼要，注重电路分析设计，为深入学习PLC 程序设计打好基础。

◆ 系统性：把电气控制与PLC 应用技术联系在一起，由浅入深地介绍了电气控制、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，知识前后贯通且系统化。

◆ 应用性：在强调基础知识、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 控制技术等重点和难点知识内容结合工程实例做了详细介绍，可操作性强，实用价值高。

◆ 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，增强其工程应用意识，培养学生的解决问题和动手能力。

◆ 先进性：以技术先进、功能强大的S7-1200 PLC 为例介绍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。

随着工业自动化向网络化、开放化、智能化和集成化方向快速发展，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，以满足电气控制网络化和工厂信息化的需求，推进数字化生产。进入新时代，我国提出“科技强国”重大战略部署，“当今世界正经历百年未有之大变局，科技创新是其中一个关键变量”，掌握先进的PLC程序设计与应用技术，是对电气自动化类专业学生的基本要求，是学生投身社会主义现代化建设，以科技现代化推进民族工业发展的有力工具。

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 PLC为例，对电气控制技术和PLC编程技术及其在电气工程设计中的应用进行介绍，是较为全面和先进的教科书。在本书编写过程中，编者注意精选内容，讲解深入浅出，理论联系实际，突出应用，注重对学生能力的培养。本书内容系统全面、学用一致、通俗易懂，主要特点如下：

（1）适用性：从实际应用和教学的角度出发，一般理论以够用为度，低压电器和典型继电接触器的原理性内容精简扼要，注重电路分析设计，为深入学习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，由浅入深地介绍了电气控制、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，知识前后贯通且系统化。

（3）应用性：在强调基础知识、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控制技术等重点和难点内容结合工程实例做了详细介绍，可操作性强，实用价值高。

（4）实践性：注重项目训练，第1～7章配备相应的项目实训，引导学生理论联系实际，增强其工程应用意识，培养学生的解决问题能力和动手能力。

（5）先进性：以技术先进、功能强大的S7-1200 PLC为例介绍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。

第二版教材全面保留第一版教材注重工程实践和应用创新培养的复合型新工科特色，针对第一版使用中的问题和不足进行了修订和改进，主要包括以下几个方面：

（1）把握时代脉搏，高举中国特色社会主义伟大旗帜，全面贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想。本书根据课程知识特点，挖掘课程思政元素，在每一章起始位置设置了本章思政目标，使思政教育与专业知识深入融合，实现全面育人的目标，培养符合新工科需求的复合型人才。

（2）为了满足学生自学、线上线下混合教学的需求，丰富课程教学和学习资源，第二版各章节配备了专业教师团队的视频讲解，大大拓展了学习渠道，提高了学生学习的便利性和效率。

（3）完善知识内容，提高整体流畅度，精简不必要的文字，尤其是对第一版中存在的纰漏从文字内容和电路图上进行了全面更正，对描述不清的内容重新进行编写，同时电气系统文字符号全部采用新的国家标准，并从实际情况出发加上新旧文字符号的对比，便于学生查阅和学习。

本书由山东交通学院胡冠山任主编（负责统稿工作），由山东交通学院潘为刚、烟台大学杨仁弟、山东交通学院韩耀振任副主编，杨明仁教授任主审，山东交通学院孙毅、张建军、张煌、唐相猛参与本书部分章节的编写工作。

本书得到山东省高等教育本科教学改革研究项目“四种能力、五维空间、深度学习的生态课堂教学模式研究与实践”（Z2023249）的资助；在本书编写过程中，编者参考了同类教材、著作及科技文献，在此对其作者表示衷心感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在疏漏甚至错误不足之处，恳请读者批评和指正。

编 者

2023年12月

第1章 电气控制中的常用低压电器 1
1.1 电磁式低压电器基础知识 1
1.1.1 电器的概念和分类 1
1.1.2 电磁式低压电器 2
1.2 接触器 7
1.2.1 交流接触器 7
1.2.2 直流接触器 11
1.3 继电器 11
1.3.1 电磁式继电器 11
1.3.2 时间继电器 13
1.3.3 热继电器 14
1.3.4 速度继电器 18
1.4 低压断路器 19
1.4.1 低压断路器的结构及工作原理 19
1.4.2 低压断路器的技术参数 20
1.4.3 低压断路器的选用 20
1.5 熔断器 21
1.5.1 熔断器的结构与类型 21
1.5.2 熔断器的电气符号与型号表示 21
1.5.3 熔断器的特性和技术参数 22
1.5.4 熔断器的选择 22
1.6 主令电器 23
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 电气控制系统图的概念及分类 33
2.1.2 常用的电气图形符号和文字符号 34
2.1.3 电气原理图的构成及绘制原则 37
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
控制线路 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启动控制线路 43
2.3.1 Y-△降压启动 43
2.3.2 定子绕组串电阻降压启动
控制线路 44
2.4 三相异步电动机变极调速控制线路 45
2.4.1 变极调速原理 45
2.4.2 双速极对数调速控制线路 45
2.4.3 三速电动机的调速控制线路 47
2.5 三相异步电动机的制动控制线路 48
2.5.1 能耗制动控制线路 48
2.5.2 电动机反接制动控制线路 50
2.6 电气控制线路的分析 51
2.6.1 电气控制线路的读图分析方法 51
2.6.2 电气控制线路实例分析 52
2.7 电气控制线路的设计 53
2.7.1 电气控制线路的设计原则 53
2.7.2 经验设计法 54
2.7.3 逻辑设计法 54
2.7.4 电气控制系统设计中应注意的
问题 55
2.7.5 电气控制线路设计实例 56
2.8 项目实训—电动机顺序控制线路的
安装与调试 59
思考练习题 63
第3章 可编程逻辑控制器的结构及组态 64
3.1 PLC概述 64
3.1.1 PLC的产生 64
3.1.2 PLC的定义 65
3.1.3 PLC的发展历程 65
3.1.4 PLC的特点 66
3.2 PLC的基本结构与工作原理 67
3.2.1 PLC的基本结构 67
3.2.2 PLC的性能指标 70
3.2.3 PLC的分类 70
3.2.4 PLC的工作原理 72
3.3 S7-1200 PLC的硬件组成 74
3.3.1 S7-1200 PLC的产品定位 74
3.3.2 S7-1200 PLC的硬件结构 75
3.3.3 S7-1200 CPU的工作模式 79
3.4 S7-1200存储器及其寻址 80
3.4.1 S7-1200存储器与数据存储 80
3.4.2 S7-1200存储器寻址 82
3.5 博途软件的使用 84
3.5.1 博途软件介绍 84
3.5.2 博途软件界面视图 85
3.6 S7-1200 PLC的项目组态 87
3.6.1 硬件设备组态 87
3.6.2 程序编译和运行 93
3.7 PLC的编程语言 97
3.7.1 梯形图 97
3.7.2 功能块图 99
3.7.3 指令表 99
3.7.4 结构文本 99
3.7.5 顺序功能图 99
3.8 项目实训—STEP 7中项目的建立 100
思考练习题 105
第4章 S7-1200 PLC程序结构和编程指令 106
4.1 PLC的数据类型 106
4.1.1 基本数据类型 106
4.1.2 复杂数据类型 107
4.1.3 参数类型 109
4.1.4 系统数据类型 110
4.1.5 硬件数据类型 110
4.2 S7-1200的块结构与程序结构 111
4.2.1 S7-1200的块结构 111
4.2.2 S7-1200的程序结构 113
4.3 S7-1200的基本指令及使用 115
4.3.1 位逻辑指令 115
4.3.2 定时器指令 119
4.3.3 计数器指令 124
4.3.4 比较指令 126
4.3.5 数学运算指令 128
4.3.6 移动指令 131
4.3.7 转换指令 131
4.3.8 移位和循环移位指令 132
4.3.9 字逻辑指令 134
4.3.10 程序控制指令 135
4.4 扩展指令 137
4.4.1 日期时间指令 137
4.4.2 字符串指令 140
4.4.3 中断指令 144
4.4.4 脉冲指令 146
4.5 项目实训—步进电动机的PLC
控制 152
思考练习题 155
第5章 S7-1200 PLC程序设计 156
5.1 经验设计法编程 156
5.1.1 经验设计法的特点 156
5.1.2 从电路图到梯形图的转换 157
5.1.3 PLC编程原则 159
5.2 顺序功能图设计法 160
5.2.1 顺序控制设计的概念 160
5.2.2 用起保停方法实现顺序控制设计 163
5.2.3 用置位复位指令实现顺序
控制设计 168
5.3 模块化编程 172
5.3.1 模块化程序构建 172
5.3.2 功能和功能块的使用 172
5.4 组织块在程序设计中的使用 178
5.4.1 程序循环组织块 178
5.4.2 启动组织块 179
5.4.3 循环中断组织块 180
5.4.4 硬件中断组织块 181
5.4.5 延时中断组织块 183
5.4.6 时间错误中断组织块 184
5.4.7 诊断中断组织块 185
5.5 数据块的使用 186
5.5.1 数据块的类型 186
5.5.2 数据块的创建 186
5.5.3 数据块声明表的结构 187
5.5.4 数据块在编程中的使用 188
5.6 项目实训—材料分拣系统模块化
设计 189
思考练习题 193
第6章 S7-1200 PLC通信设计 194
6.1 S7-1200通信概述 194
6.1.1 S7-1200串口通信模块 194
6.1.2 S7-1200的以太网通信功能 196
6.2 S7-1200的Modbus通信设计 198
6.2.1 Modbus通信模式 198
6.2.2 Modbus功能代码 198
6.2.3 Modbus RTU指令与组态 199
6.3 S7-1200的USS通信 205
6.3.1 通用串行通信的特点 205
6.3.2 USS指令 206
6.4 S7-1200的自由口通信 209
6.5 S7-1200与S7-1200之间的以太网
通信 211
6.5.1 带连接管理的通信指令 211
6.5.2 不带连接管理的通信指令 214
6.5.3 S7-1200以太网通信组态 216
6.6 项目实训—PLC与变频器通信
设计 222
思考练习题 226
第7章 SIMATIC HMI精智面板的组态应用 227
7.1 HMI概述 227
7.1.1 HMI的概念 227
7.1.2 SIMATIC HMI精智面板 228
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 231
7.2.3 画面编辑窗口 232
7.2.4 触摸屏的在线运行与仿真模拟 233
7.3 画面对象的组态 234
7.3.1 按钮、开关与指示灯的组态 235
7.3.2 棒图和时间域的组态 239
7.3.3 组态符号I/O域 240
7.3.4 组态图形I/O域 243
7.3.5 动画功能的使用 244
7.4 画面对象的报警组态 245
7.4.1 HMI报警基础知识 245
7.4.2 变量报警 247
7.4.3 报警视图 247
7.5 用户管理组态 248
7.6 项目实训—精智面板的使用设置 251
思考练习题 257
第8章 PLC系统设计与工艺功能应用 258
8.1 PLC的系统设计 258
8.1.1 设计任务分析 258
8.1.2 PLC选型 259
8.1.3 硬件电路设计 260
8.1.4 软件设计 260
8.1.5 系统调试 261
8.1.6 文件编制 261
8.2 PLC高速计数器的功能与应用 261
8.2.1 高速计数器的工作模式 261
8.2.2 高速计数器的寻址 262
8.2.3 高速计数器的指令参数 263
8.2.4 高速计数器的组态应用 263
8.3 PID控制功能与应用 266
8.3.1 PID控制器结构 266
8.3.2 PID控制指令 267
8.3.3 组态PID控制器 269
8.3.4 PID Compact的调试 272
8.3.5 PID组态应用 274
8.4 运动控制功能与应用 278
8.4.1 S7-1200 CPU运动控制功能 278
8.4.2 运动控制的功能原理 278
8.4.3 S7-1200轴资源启用 280
8.4.4 工艺对象轴组态 281
8.4.5 运动控制指令 285
8.4.6 运动控制功能应用 289
思考练习题 297
参考文献 298

1. 大学生创新创业实践——外语类 [主编　王纯磊　袁　媛]
2. 自然拼读黄金法则（第二版） [李汉回　编著]
3. 应急管理体系建设的理论与实践探析 [张岩]
4. 大学生创新创业实践——信息类 [主编　陆超　袁静　秦玉龙]
5. Photoshop图像处理案例教程 [李清玲]
6. 智慧能源典型技术及应用 [主编　张斌　王锋]
7. 设计构成基础教程（第二版） [刘艳芳　王阳]
8. 系统架构设计师备考一本通（第二版） [倪奕文 王建平 编著]
9. 用英语讲中国热词（微课版） [白阳明　编著]
10. 信息系统监理师考试32小时通关 （第二版） [薛大龙]
11. 学前儿童教育戏剧活动指导 [主编　王一鸥　黄科]
12. 信息安全工程师考试32小时通关 [薛大龙]
13. 典型替代燃料的低温氧化反应动力学理论研究 [邢利利 著]
14. 电力施工企业内控合规实务操作手册 [白雪鹏　张　义　张海峰　编著]
15. 基于双元制的机电一体化技术专业、工业机器人技术专业标准开发 [主编 黄崇富 朱永丽 胡银全]
16. 职前教师职业伦理教育研究—以云南为例 [侯阿冰 著]
17. Java Web项目化设计实践教程 [邱云 曾陈萍]
18. 系统集成项目管理工程师5天修炼（第四版） [黄少年 刘毅 编著]
19. 中国通信工业协会教育专委会2023年会议论文集 [中国通信工业协会教育专委会]
20. 氧化石墨烯在页岩陶粒高强轻质混凝土中的应用研究 [洪晓江 著]
21. 应用型高校通识教育课程思政教学设计研究 [唐敬伟 江娜 著]
22. 系统集成项目管理工程师考试32小时通关（第二版） [薛大龙]
23. 鸿蒙系统应用开发项目化教程 [邓文达　史劲　李礼]
24. 新形势下全球价值链视角的地方汽车产业集群升级实证研究 [张兆英 著]
25. 梅兰竹菊松诗词与君子文化再读 [李汶净 著]
26. 战略管理——新思维与商业竞争分析工具 [主编 舒波]
27. 用英语介绍中国：经典诵读 [青闰　编译]
28. 化工分离技术与优化策略研究 [王婷婷 著]
29. 人工智能开发框架应用 [主编 王明超 芦娅云]
30. 信息系统项目管理师案例分析一本通（第二版） [王树文 编著]