电气控制与可编程逻辑控制器——传统低压电器与西门子S PLC控制方法

《电气控制与可编程逻辑控制器——传统低压电器与西门子S7-1500 PLC控制方法》紧跟专业*发展成果，将硬件电路和软件编程相结合，使读者能够尽快掌握S7-1500 PLC的相关知识，并能初步实现编程。 

本书主要从硬件电路、S71500 PLC和软件编程这3个方面入手，使初学者能尽快熟悉S71500 PLC，并完成一些简单的编程。
硬件电路部分介绍各类低压控制电器、电气控制线路，重点学习三相异步电动机的起动、正反转、制动和调速控制电路分析。S71500 PLC部分介绍了PLC的产生、定义、发展、分类、组成和工作原理等，并详细介绍了S71500 PLC的硬件组成。软件编程部分是学习的重点，介绍了Portal软件、S71500 PLC所处理的数据类型和变量存储地址以及编程所需的基本指令，重点介绍了梯形图的编程规则，*后用实例讲解如何用Portal软件进行硬件组态、定义变量、编写程序等。
本书可作为电气工程及其自动化、自动化、机电一体化、机械类专业本科生的教材，参考学时为64学时，包括课程理论教学环节(48学时)和实验教学环节(16学时)。

目录

绪论

第1章常用低压控制电器

1.1概述

1.1.1电磁机构

1.1.2触点系统

1.2接触器

1.2.1交流接触器

1.2.2直流接触器

1.2.3接触器的主要技术参数及型号的含义

1.2.4接触器的选择

1.3继电器

1.3.1电磁式继电器

1.3.2时间继电器

1.3.3热继电器

1.3.4速度继电器

1.3.5温度继电器

1.3.6固态继电器

1.3.7压力继电器

1.3.8液位继电器

1.4低压断路器

1.4.1结构及工作原理

1.4.2低压断路器的主要参数

1.4.3低压断路器的主要类型

1.4.4低压断路器的选择

1.4.5低压断路器型号含义与电路符号

1.5熔断器

1.5.1熔断器的结构与工作原理

1.5.2常用熔断器

1.5.3熔断器技术参数

1.5.4熔断器的选择

1.5.5熔断器的型号意义与电路符号

1.6主令电器

1.6.1控制按钮

1.6.2位置开关

1.6.3万能转换开关

1.7其他常用电器

1.7.1刀开关

1.7.2转换开关

本章小结

习题

第2章基本电气控制线路

2.1电气控制线路的绘制

2.1.1常用电气图形符号和文字符号

2.1.2电气控制线路的绘制原则

2.1.3阅读和分析电气控制路线图的方法

2.2三相异步电动机的起动控制线路

2.2.1笼型异步电动机全压起动控制线路

2.2.2三相笼型异步电动机降压起动线路

2.2.3绕线式异步电动机起动控制线路

2.3三相异步电动机的正反转控制线路

2.3.1电动机可逆运行的手动控制线路

2.3.2电动机可逆运行的自动控制线路

2.4三相异步电动机制动控制线路

2.4.1电磁机械制动控制线路

2.4.2反接制动控制线路

2.4.3能耗制动控制线路

2.5三相异步电动机调速控制线路

2.5.1变更极对数的调速控制线路

2.5.2变更转子外加电阻的调速控制线路

2.6其他典型控制线路

2.6.1多地点控制线路

2.6.2顺序起停控制线路

2.6.3步进控制线路

2.6.4多台电动机同时起停电路

本章小结

习题

第3章PLC基础知识

3.1PLC的产生和定义

3.1.1PLC的产生

3.1.2PLC的定义

3.2PLC的发展

3.2.1PLC的发展历史

3.2.2PLC的发展趋势

3.3PLC的应用领域

3.4PLC的特点

3.5PLC与其他典型控制系统的区别

3.5.1与继电器控制系统的区别

3.5.2与单片机控制系统的区别

3.5.3与DCS、FCS控制系统的区别

3.6PLC的分类

3.6.1按I/O点数容量分类

3.6.2按结构形式分类

3.7PLC的系统组成

3.8PLC的工作原理

3.8.1PLC的工作方式

3.8.2PLC工作过程的中心内容

3.8.3PLC对输入输出的处理原则

本章小结

习题

第4章TIA Portal软件概述

4.1TIA Portal软件简介

4.2TIA Portal软件的组成

4.2.1TIA Portal STEP7

4.2.2TIA Portal STEP7工程组态系统的选件

4.2.3TIA Portal WinCC

4.2.4TIA Portal WinCC工程组态系统和运行系统的选件

4.3TIA Portal软件的安装

4.3.1安装硬件要求

4.3.2支持的操作系统

4.3.3安装步骤

4.4TIA Portal软件的卸载

4.5授权管理功能

4.5.1授权的种类

4.5.2授权管理器

4.5.3安装许可证密钥

4.6TIA Portal中的视图

4.6.1TIA Portal中的导航

4.6.2Portal视图

4.6.3项目视图

4.7TIA Portal软件的特性

本章小结

习题

第5章SIMATIC S71500 PLC硬件组成

5.1S71500电源模块

5.1.1PS电源模块

5.1.2PM电源模块

5.1.3电源模块技术数据

5.2S71500 CPU模块

5.2.1S71500 CPU模块所具有的功能

5.2.2CPU模块技术数据

5.3SIMATIC存储卡

5.3.1SIMATIC存储卡概述

5.3.2设置卡类型

5.3.3使用SIMATIC存储卡进行数据传输

5.4CPU的显示屏

5.4.1显示屏的优点

5.4.2显示屏的操作温度

5.4.3显示屏

5.4.4菜单图标

5.4.5操作前盖板

5.4.6控制键

5.4.7语言设置

5.5S71500信号模块

5.5.1S71500信号模块的特性

5.5.2S71500信号模块的参数

5.6S71500通信模块

5.6.1S71500通信模块的类型

5.6.2S71500通信模块的技术数据

5.7S71500接口模块

5.8S71500工艺模块

本章小结

习题

第6章数据类型和地址区

6.1S71500 PLC的数据类型

6.1.1基本数据类型

6.1.2复合数据类型

6.1.3参数类型

6.1.4系统数据类型

6.1.5硬件数据类型

6.2S71500 PLC的地址区

6.2.1CPU的地址区的划分及寻址方法

6.2.2全局变量与局部变量

6.2.3全局常量与局部常量

本章小结

习题

第7章S71500 PLC基本指令

7．1位逻辑指令

7．1．1位逻辑指令概述

7．1．2位逻辑指令组件

7．2定时器指令

7．2．1定时器指令概述

7．2．2存储器中定时器的位置

7．2．3定时器的组件

7．3计数器指令

7．3．1计数器指令概述

7．3．2计数器的组件

7．4比较指令

7．4．1比较指令概述

7．4．2比较指令组件

7．5转换指令

7．5．1转换指令概述

7．5．2转换指令组件

7．6数据块指令

7．7逻辑控制指令

7．7．1逻辑控制指令概述

7．7．2逻辑控制指令组件

7．8整型数学运算指令

7．8．1整型数学运算指令概述

7．8．2使用整数算术指令计算状态字的位

7．8．3整数算术指令组件

7．9浮点型数学运算指令

7．9．1浮点运算指令概述

7．9．2判断浮点运算指令状态字的位

7．9．3基本指令

7．9．4扩展指令

7．10传送指令

7．11移位和循环移位指令

7．11．1移位指令

7．11．2循环移位指令

7．12状态位指令

7．12．1状态位指令概述

7．12．2状态位指令组件

7．13字逻辑指令

7．13．1字逻辑指令概述

7．13．2字逻辑指令组件

7．14程序控制指令

本章小结

习题

第8章PLC梯形图编程简介

8．1梯形图编程规则

8．1．1梯形图编程时应遵守的规则

8．1．2梯形图程序优化

8．2经验设计法

8．3顺序控制设计法

8．3．1顺序控制设计法概述

8．3．2过程与动作

8．3．3有向连线

8．3．4切换和切换条件

8．3．5状态切换图的基本结构

8．3．6切换实现的基本原则

8．3．7顺序控制设计法的本质

本章小结

习题

第9章PLC基本数字电路程序

9．1自锁和互锁电路

9．1．1自锁电路

9．1．2互锁电路

9．2起动、保持和停止电路

9．2．1复位优先型起保停电路

9．2．2置位优先型起保停电路

9．3瞬时接通/延时断开电路

9．4延时接通/延时断开电路

9．5长时间定时电路

9．5．1多个定时器组合的长时间定时电路

9．5．2定时器和计数器组合的长时间定时电路

9．6振荡电路

9．7脉冲发生电路

9．7．1顺序脉冲发生电路

9．7．2脉冲宽度可控制电路

9．7．3延时脉冲产生电路

9．8计数器应用电路

9．8．1计数器应用电路

9．8．2多个计数器的延时电路

9．9分频电路

9．10比较电路(译码电路)

9．11优先电路

9．12报警电路

本章小结

习题

第10章S71500组态控制

10．1PLC组态

10．1．1创建新项目

10．1．2设备组态

10．1．3编译与下载

10．2查看或修改I/Q地址

10．3定义变量与编写程序

10．3．1定义变量

10．3．2编写程序

10．3．3程序运行

10．3．4程序监视

10．3．5变量的监控与强制

10．3．6程序段的复制和粘贴

10．4添加函数FC、函数块FB及数据块DB

10．4．1添加函数FC

10．4．2添加函数块FB

10．4．3调用和添加数据块DB

本章小结

习题

参考文献

前言
工业制造是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，“工业4．0”和“中国制造2025”等概念的提出标志着新一轮工业革命的开始。可编程逻辑控制器(PLC)在这次革命中扮演着至关重要的角色，为了顺应工业电气化、自动化、数字化生产的潮流，各大公司的PLC也逐渐趋于集成化、灵活化和网络化。
西门子公司作为全球工业自动化的领航者，早在数年前便提出了全集成自动化（Totally Integrated Automation，TIA）的概念，并且将全部自动化组态任务完美地集成在一个单一的开发环境——TIA Portal(Totally Interated Automation Portal)之中。所研发的新一代SIMATIC系列控制器是TIA全集成自动化架构的核心单元，其中新型的SIMATIC S71500控制器除了包含多种创新技术之外，还设定了新标准，最大程度地提高生产效率，而且无论是小型设备还是对速度和准确性要求较高的复杂设备装置都适用。SIMATIC S71500无缝集成到TIA Portal中，极大提高了工程组态的效率，在工程研发、生产操作与日常维护等各个阶段，在提高工程效率、提升操作体验、增强维护便捷性等各个方面树立了新的标杆。
目前市面上有关SIMATIC S71500 PLC的书籍还相对较少，大部分教材以SIMATIC S7300/400 PLC为主，缺少有关新型控制器的介绍，使得广大高校学生、电气工作者难以学习到最新知识。另外，尽管西门子工业自动化技术丛书对SIMATIC系列控制器有较详细的介绍(如参考文献［8］)，但却不适用于初学者或者本科生教学，其中缺少继电器型硬件电路的介绍，割裂了硬件控制电路与PLC之间的联系，难以使初学者对梯形图形成快速、直观的认识进而掌握。基于此，本书主要从以下3个方面入手，使初学者能尽快熟悉S71500 PLC，并完成一些简单的编程。
 硬件电路部分。介绍各类低压控制电器，包括接触器、继电器、断路器、熔断器和主令电器等； 介绍电气控制线路，包括如何绘制和阅读分析电气控制线路，重点学习三相异步电动机的启动、正反转、制动和调速控制电路分析，为后面的梯形图编程打下基础。
 S71500 PLC。介绍了PLC的产生、定义、发展、分类、组成和工作原理等，并专门对S71500 PLC的组成硬件做了详细介绍，以熟悉所使用的对象。
 软件编程。这一部分是学习重点，首先介绍Portal软件的组成、安装、卸载、授权和视图； 其次介绍S71500 PLC所处理的数据类型和变量存储地址，并将编程所需的基本指令一一罗列，介绍它们的功能、示例用法等； 再次重点介绍梯形图的编程规则，主要包括经验设计法和顺序控制设计法，以基本数字电路为例，示意如何使用指令编辑程序； 最后示例如何用Portal软件进行硬件组态、定义变量、编写程序等。
“电气控制与可编程逻辑控制器”是一门应用性很强的课程，学习本门课程的主要目的在于通过课程与实验，培养学生设计电气控制线路、应用西门子PLC编程指令控制电动机实际应用的能力； 通过课堂讲授和实践教学，使学生熟悉电气控制设备的基本构成，掌握电气设备的基本原理和分析方法，学会正确选择和使用电气设备，具有一定的电气控制线路设计能力； 通过参观实验室和企业的深入学习，使学生建立感性认识，再通过课程设计对所学内容和所参观的实物作进一步的深入研究。
最后，感谢杨丽、张凯歌、王佳浩、刘智聪、连宏汇等同学对本书的编写做出的贡献。
因作者水平有限，书中难免有不足之处，恳请读者批评指正。
编者2018.2

第5章
CHAPTER 5

SIMATIC S71500 PLC硬件组成

新一代的SIMATIC S71500控制器经过多方面的革新，以其最高的性价比，在提升客户生产效率、缩短新产品上市时间、提高客户关键竞争力方面树立了新的标杆，并以其卓越的产品设计理念为实现工厂的可持续性发展提供强有力的保障。
SIMATICS71500 PLC外形如图51所示。

图51S71500 PLC配置示例

1—系统电源； 2—CPU； 3—I/O模块； 4—带有集成DIN导轨的安装导轨

5.1S71500电源模块
SIMATIC S71500电源模块是S71500 PLC系统中的一员，分为系统电源模块(Power Supply，PS)和负载电源模块(Power Module，PM)。基于S71500统一的平台设计开发和测试以及西门子在自动化领域的丰富经验，S71500电源模块，其功能、安全及EMC完全满足系统需求，最佳匹配于S71500 PLC系统。
5.1.1PS电源模块
PS电源模块连接到背板总线，并专门为背板总线提供内部所需的系统电源，这种系统电源可为模块电子元件和LED指示灯供电，且满足以下两点。
(1) 总线电气隔离和安全电气隔离符合EN 61131—2标准。
(2) 支持固件更新、标识数据I&M0~I&M4、在RUN模式下组态、诊断报警和诊断中断。
5.1.2PM电源模块
PM电源模块为CPU/IM、I/O模块、PS电源等提供高效、稳定、可靠的直流24V供电，且具有以下特性。
(1) 输入交流120V/230V自适应，适应世界各地供电网络。
(2) 优秀的输入抗过压性能和输出过压保护功能，有效提高了系统的运行安全。
(3) 卓越的起动和缓冲能力，增强了系统的稳定性。
(4) 先进的电路设计和高品质电子器件，保证了电源的高可靠性。
(5) 符合SELV，提高了S71500 PLC的应用安全。
(6) 优异的EMC兼容性能，完全符合S71500 PLC系统的TIA集成测试要求。