电气控制与PLC应用实验指导书
电气控制与 PLC 应用 实验指导书
引言可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，它是为工业控制应用而设计制造的，综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。PLC以其功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适于在工业环境下应用等一系列优点，成为控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。德国西门子公司的PLC在我国PLC市场上的占有量已超过30%，特别是西门子公司推出的S7-200系列的PLC以其功能强大、性价比高等特点而深受国内用户的欢迎。为了使学生更易于了解并尽快掌握西门子S7-200系列PLC的性能和特点，并能更好地将其应用到工业控制中，特编写了基于西门子S7-200系列的PLC实验实验教材。本书的主要特点是：（1）由于电气控制与可编程控制器本是起源于同一体系，故在本书中增加了低压电器的介绍，使得在理论和应用上更加有机地结合在一起。（2）介绍了S7-200系列PLC的硬件、编程软件、编程语言、指令、程序结构等基础知识。（3）实验项目从提出训练目的和要求开始，设计实验内容，突出了操作技能的培养。（4）为使用方便，附录提供了S7-200系列PLC指令一览表。本书由理学院物理与电子科学系白海平编写。本书在编写过程中，得到了许多同事的支持和帮助，以及天煌仪器公司和西门子公司的帮助，在此一并表示衷心的感谢。由于编者水平有限，书中蔬漏和不足之处在所难免，恩请读者不各指正
引 言 可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，它是为工业控制应用而设计制造的，综 合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置。PLC 以 其功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及适于在工业环境下应用等一系列优点， 成为控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。 德国西门子公司的 PLC 在我国 PLC 市场上的占有量已超过 30％，特别是西门子公司推 出的 S7-200 系列的 PLC 以其功能强大、性价比高等特点而深受国内用户的欢迎。为了使学 生更易于了解并尽快掌握西门子 S7-200 系列 PLC 的性能和特点，并能更好地将其应用到工 业控制中，特编写了基于西门子 S7-200 系列的 PLC 实验实验教材。 本书的主要特点是： （1）由于电气控制与可编程控制器本是起源于同一体系，故在本书中增加了低压电器的 介绍，使得在理论和应用上更加有机地结合在一起。 （2）介绍了 S7-200 系列 PLC 的硬件、编程软件、编程语言、指令、程序结构等基础知 识。 （3）实验项目从提出训练目的和要求开始，设计实验内容，突出了操作技能的培养。 （4）为使用方便，附录提供了 S7-200 系列 PLC 指令一览表。 本书由理学院物理与电子科学系白海平编写。 本书在编写过程中，得到了许多同事的支持和帮助，以及天煌仪器公司和西门子公司的 帮助，在此一并表示衷心的感谢。 由于编者水平有限，书中疏漏和不足之处在所难免，恳请读者不吝指正
目录第一章概述PLC的分类及特点.二、PLC的结构与工作原理3三、S7-200PLC的硬件组成及指令系统.5四、PLC控制系统的设计与故障诊断..7五、PLC的应用及展望.9第二章PLC基本技能实验.实验一PLC认知实验，9实验二13典型电动机控制实操实验三16数码显示控制实验四抢答器控制.19实验五音乐喷泉控制..23实验六装配流水线控制26实验七十字路口交通灯控制.30.33实验八水塔水位控制。实验九:36天塔之光控制实验十.39自动配料装车系统控制实验十一四节传送带控制43.47实验十二多种液体混合装置控制..51实验十三自动售货机控制实验十四.55自控轧钢机控制.实验十五:59邮件分栋机控制.实验十六自控成型机控制63实验十七，机械手控制..6670实验十八加工中心控制: 75实验十九三层电梯控制。实验二十四层电梯控制.79.84实验二十一自动洗衣机控制，实验二十二电镀生产线控制.8892第三章PLC实物控制实验.92实验二十三直线运动位置检测、定位控制实验二十四步进电机控制95实验二十五直流电机控制99
目 录 第一章 概 述 . 1 一、 PLC 的分类及特点. 1 二、 PLC 的结构与工作原理. 3 三、 S7-200 PLC 的硬件组成及指令系统. 5 四、 PLC 控制系统的设计与故障诊断. 7 五、 PLC 的应用及展望. 7 第二章 PLC 基本技能实验. 9 实验一 PLC 认知实验. 9 实验二 典型电动机控制实操 . 13 实验三 数码显示控制 . 16 实验四 抢答器控制 . 19 实验五 音乐喷泉控制 . 23 实验六 装配流水线控制 . 26 实验七 十字路口交通灯控制 . 30 实验八 水塔水位控制 . 33 实验九 天塔之光控制 . 36 实验十 自动配料装车系统控制 . 39 实验十一 四节传送带控制 . 43 实验十二 多种液体混合装置控制 . 47 实验十三 自动售货机控制 . 51 实验十四 自控轧钢机控制 . 55 实验十五 邮件分拣机控制 . 59 实验十六 自控成型机控制 . 63 实验十七 机械手控制 . 66 实验十八 加工中心控制 . 70 实验十九 三层电梯控制 . 75 实验二十 四层电梯控制 . 79 实验二十一 自动洗衣机控制 . 84 实验二十二 电镀生产线控制 . 88 第三章 PLC 实物控制实验 . 92 实验二十三 直线运动位置检测、定位控制 . 92 实验二十四 步进电机控制 . 95 实验二十五 直流电机控制 . 99
实验二十六温度PID控制102105实验二十七变频器功能参数设置与操作实验二十八外部端子点动控制.110实验二十九变频器控制电机正反转112实验三十多端速度选择变频器调速114117实验三十一变频器无级调速119附录S7-200PLC指令集
1 实验二十六 温度 PID 控制 . 102 实验二十七 变频器功能参数设置与操作 . 105 实验二十八 外部端子点动控制 . 110 实验二十九 变频器控制电机正反转 . 112 实验三十 多端速度选择变频器调速 . 114 实验三十一 变频器无级调速 . 117 附 录 S7-200 PLC 指令集. 119
第一章概述一、PLC的分类及特点可编程控制器简称PLC（ProgrammableLogicController），在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。(一）PLC 的分类按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等：欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等：韩台系列具有代表性的为LG、台达等：大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等：按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般I/0点数>2048点；具有多CPU，16位/32位处理器，用户存储器容量8～16K，具有代表性的为西门子S7一400系列、通用公司的GE一IV系列等；中型机一般I/0点数为2562048点；单/双CPU，用户存储器容量2～8K，具有代表性的为西门子S7一300系列、三菱Q系列等：小型机一般I/0点数<256点，单CPU，8位或16位处理器，用户存储器容量4K字以下，具有代表性的为西门子S7-200系列、三菱FX系列等；按结构分，可分为整体式和模块式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型PLC一般采用这种整体式结构。模块式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等；扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU：基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能：有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等；高档PLC机1
1 第一章 概 述 一、 PLC 的分类及特点 可编程控制器简称 PLC（Programmable Logic Controller），在 1987 年国际电工委员会 （International Electrical Committee）颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义：PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的 存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令， 并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的 外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 (一) PLC 的分类 按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、 松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通用电气、德州仪表等；韩台系列具 有代表性的为 LG、台达等；大陆系列具有代表性的为合利时、浙江中控等； 按点数分，可分为大型机、中型机及小型机等。大型机一般 I/O 点数>2048 点；具有多 CPU，16 位/32 位处理器，用户存储器容量 8～16K，具有代表性的为西门子 S7－400 系列、 通用公司的 GE－Ⅳ系列等；中型机一般 I/O 点数为 256～2048 点；单/双 CPU，用户存储器容 量 2～8K，具有代表性的为西门子 S7－300 系列、三菱 Q 系列等；小型机一般 I/O 点数<256 点，单 CPU，8 位或 16 位处理器，用户存储器容量 4K 字以下，具有代表性的为西门子 S7-200 系列、三菱 FX 系列等； 按结构分，可分为整体式和模块式。整体式 PLC 是将电源、CPU、I/O 接口等部件都集中 装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点；小型 PLC 一般采用这种整体式结 构。模块式 PLC 由不同 I/O 点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有 CPU、 I/O 接口、与 I/O 扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等；扩 展单元内只有 I/O 和电源等，没有 CPU；基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接；整 体式 PLC 一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。 这种模块式 PLC 的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于 扩展和维修。大、中型 PLC 一般采用模块式结构。还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结 合起来，构成所谓叠装式 PLC。 按功能分，可分为低档、中档、高档三类。低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位 以及自诊断、监控等基本功能；还可有少量模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、 通信等功能；主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。中档 PLC 除 具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制 转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能；有些还可增设中断控制、PID 控制等功能，适用 于复杂控制系统。高档 PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、 位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等；高档 PLC 机