机械电气控制S7-200 SMART PLC编程入门与提高

可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专门为在工业环境下应用而设计。可编程逻辑控制是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的基础上发展起来的一项电气控制技术,已经形成了完整的工业产品系列。PLC以微处理器为核心,通过程序进行逻辑控制、定时、计数、算术运算、人机对话、网络通信等,并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。目前,PLC技术已广泛应用于机械制造等行业,成为机械电气控制研发人员必须掌握的一门专业技术。

本书从PLC机械电气控制设计与应用的实际情况出发,在内容安排上突出科学性和系统性,重点介绍PLC控制原理、控制系统设计及应用实例,理论联系实际,实用性强,力求内容新颖、系统和详尽,原理介绍深入浅出,图文并茂,难易适度,便于自学和实践。

全书共分9章,主要内容包括:PLC机械控制的基本原理,PLC硬件结构及工作原理,西门子S7-200 SMART系列PLC的基本指令和功能指令系统,PLC的机械控制系统设计与应用、通信及应用,PLC应用与数字化虚拟工厂等。

本书可供从事机械设计和电气自动控制的工程技术人员参考,也可作为机械工程及自动化、机械电子工程以及相近专业师生的参考书。

本书由陈继文、于永鹏、程伟志、孙爱花、郑忠才、姬帅、杨红娟、李丽、范文利、逄波等编写。感谢山东建筑大学机电工程学院、山东省绿色制造工艺及其智能装备工程技术研究中心、山东省起重机械健康智能诊断工程研究中心、山东省绿色建筑协同创新中心的支持。本书在编写过程中,参阅了相关的文献资料,在此一并致以深深的感谢。

本书承蒙国家自然科学基金项目(61303087)、山东省重点研发计划项目(2019GGX104095)、山东省研究生教育创新计划项目(SDYY16027)、山东省研究生导师能力提升计划项目(SDYY18130)、山东省绿色建筑协同创新中心创新团队支持计划项目(X18024Z)的支持。

由于编者水平所限,加之时间仓促和缺乏经验,书中不足之处在所难免,敬请批评指正。

编者

全书主要介绍S7-200 SMART PLC机械电气控制结构原理、控制系统设计、应用实例等,以帮助从事机械设计的技术人员利用PLC进行机械电气控制系统设计。内容主要包括:继电器-接触器控制的基本电路及PLC常用的外围器件,PLC硬件结构及工作原理,西门子S7-200 SMART PLC的基本指令和功能指令系统,PLC控制系统程序设计方法,PLC在机械电气控制中的设计与应用,PLC应用与数字化虚拟工厂等。

本书适合从事机械设计和电气自动控制的工程技术人员阅读,也可作为机械工程及自动化、机械电子工程以及相近专业师生的参考书。

第1章　可编程控制器机械控制基础 1

　　1.1　电气控制系统的组成 1

　　1.2　常用低压电器 2

　　　1.2.1　常用低压电器的分类与应用 2

　　　1.2.2　接触器原理及应用 3

　　　1.2.3　继电器的分类及应用 4

　　1.3　机械电气控制的基本电路 4

　　　1.3.1　电路的绘制原则和保护措施 4

　　　1.3.2　三相异步电动机控制的基本电路 9

　　1.4　电气控制电路的设计方法 13

　　　1.4.1　经验设计法 13

　　　1.4.2　逻辑设计方法 17

第2 章　S7-200 SMART PLC 硬件系统与编程基础 20

　　2.1　S7-200 SMART PLC 概述与控制系统硬件组成 20

　　　2.1.1　S7-200 SMART PLC 的特点及应用 20

　　　2.1.2　S7-200 SMART PLC 的技术规格与分类 20

　　　2.1.3　S7-200 SMART PLC 的硬件结构 22

　　　2.1.4　S7-200 SMART PLC 扩展模块 23

　　2.2　适用于S7-200 SMART 的HMI 设备 28

　　2.3　S7-200 SMART PLC 的安装及寻址方式 28

　　　2.3.1　PLC 的安装 28

　　　2.3.2　PLC 的寻址方式 30

第3 章　STEP 7-Micro/WIN SMART 软件的使用 32

　　3.1　STEP 7-Micro/WIN SMART 编程软件的界面 32

　　　3.1.1　桌面菜单的结构 33

　　　3.1.2　新建、打开、保存项目文件 34

　　　3.1.3　关闭和显示窗口 34

　　　3.1.4　隐藏或动态隐藏窗口 35

　　　3.1.5　设置CPU 时钟 35

　　　3.1.6　向导和工具介绍 37

　　　3.1.7　如何使用在线帮助 38

　　3.2　硬件组态 39

　　3.3　程序的新建、编辑、下载和调试 45

　　3.4　变量符号表 49

　　3.5　数据块介绍 54

　　3.6　交叉引用 57

　　3.7　状态图表 59

第4 章　PLC 的指令系统及编程方法 61

　　4.1　PLC 的指令系统概述 61

　　4.2　S7-200 SMART 的基本指令 61

　　　4.2.1　触点指令与逻辑堆栈指令 61

　　　4.2.2　输出类指令与其他指令 66

　　4.3　定时器指令与计数器指令 68

　　　4.3.1　定时器指令 68

　　　4.3.2　计数器指令 72

　　4.4　编程规则与技巧 74

　　4.5　S7-200 SMART 的功能指令概述 77

　　4.6　程序控制指令 79

　　　4.6.1　跳转指令 79

　　　4.6.2　循环指令 80

　　　4.6.3　其他指令 82

　　4.7　局部变量与子程序 84

　　　4.7.1　局部变量 84

　　　4.7.2　子程序的编写与调用 85

　　4.8　数据处理指令 89

　　　4.8.1　比较指令与数据传送指令 89

　　　4.8.2　移位与循环移位指令 91

　　　4.8.3　数据转换指令 92

　　　4.8.4　表格指令 94

　　　4.8.5　数据运算指令 96

　　　4.8.6　逻辑运算指令 98

　　　4.8.7　中断程序与中断指令 100

　　　4.8.8　高速计数器与高速脉冲输出指令 104

　　　4.8.9　数据块应用与字符串指令 106

第5 章　顺序控制梯形图程序设计方法 113

　　5.1　顺序控制设计法与顺序功能图 113

　　　5.1.1　步与动作 113

　　　5.1.2　有向连线与转换条件 115

　　　5.1.3　顺序功能图的基本结构 116

　　　5.1.4　顺序功能图中转换实现的规则 118

　　5.2　使用置位、复位指令的顺序控制梯形图设计方法 119

　　　5.2.1　单序列的编程方法 120

　　　5.2.2　选择序列与并行序列的编程方法 121

　　　5.2.3　应用举例 123

　　5.3　使用SCR 指令的顺序控制梯形图设计方法 125

　　　5.3.1　顺序控制继电器指令 125

　　　5.3.2　选择序列与并行序列的编程方法 127

　　　5.3.3　应用举例 128

　　5.4　具有多种工作方式的系统的顺序控制梯形图设计方法 130

　　　5.4.1　系统的硬件结构与工作方式 130

　　　5.4.2　公用程序与手动程序 132

　　　5.4.3　自动程序 134

第6章　PLC 控制系统的设计与应用 137

　　6.1　PLC 控制系统的设计方法及步骤 137

　　　6.1.1　PLC 控制系统设计的基本步骤 137

　　　6.1.2　PLC 硬件系统设计 139

　　　6.1.3　PLC 软件系统设计一般步骤 141

　　6.2　PLC 系统控制程序设计方法 142

　　　6.2.1　经验设计法 142

　　　6.2.2　逻辑设计法 144

　　　6.2.3　移植设计法 151

　　　6.2.4　顺序功能图设计法 154

　　6.3　PLC 在控制系统中的典型应用实例 155

　　6.4　变频器及其PLC 控制 162

　　　6.4.1　变压变频调速原理 162

　　　6.4.2　变频器的基本结构和分类 162

　　　6.4.3　变频器的选用、运行和维护 163

　　　6.4.4　变频器的操作方式及使用 164

第7 章　S7-200 SMART PLC 的通信功能 166

　　7.1　通信基础知识 166

　　　7.1.1　通信方式 166

　　　7.1.2　通信传输介质 167

　　　7.1.3　串行通信接口标准 168

　　7.2　S7-200 SMART PLC 自由口通信 169

　　　7.2.1　自由口模式的参数设置 169

　　　7.2.2　发送与接收指令 170

　　　7.2.3　自由口通信的应用实例 172

　　7.3　Modbus RTU 通信 174

　　　7.3.1　Modbus 寻找 174

　　　7.3.2　主站指令与从站指令 175

　　　7.3.3　应用案例 175

　　7.4　S7-200 SMART PLC 以太网通信 180

　　　7.4.1　S7-200 SMART CPU 模块以太网连接的设备类型 180

　　　7.4.2　IP 地址的设备 180

　　　7.4.3　以太网通信指令 185

第8章　PID 控制应用及案例设计 188

　　8.1　PID 控制设计 188

　　　8.1.1　PID 控制简介 188

　　　8.1.2　PID 指令 193

　　　8.1.3　PID 控制编程思路 194

　　8.2　温度PID 控制程序的设计 194

　　　8.2.1　触摸屏设计简介 194

　　　8.2.2　温度PID 控制程序实例 197

　　8.3　PID 向导及应用实例 199

　　　8.3.1　PID 向导编程步骤 200

　　　8.3.2　PID 向导应用案例——恒压控制 207

　　8.4　PID 控制器的参数整定方法 208

　　　8.4.1　PID 参数的物理意义 208

　　　8.4.2　PID 参数的整定方法 211

第9 章　PLC 应用与数字化虚拟工厂 212

　　9.1　数字化虚拟工厂概述 212

　　9.2　数字化虚拟工厂的优势与差异性 213

　　9.3　数字化虚拟工厂的关键技术 214

　　9.4　FACTORY I/O 的应用 215

　　　9.4.1　FACTORY I/O 简述 215

　　　9.4.2　FACTORY I/O 的应用特点 215

　　　9.4.3　PLC 与FACTORY I/O 的应用实例 218

参考文献 232

本书主要是围绕西门子S7-200 SMART PLC编程展开的，在基础理论讲解的基础上，加入了大量实例，使相关理论理解及实践更容易。本书有以下几大特色： 

1.全书从PLC控制的基础知识讲起，系统深入地介绍了S7-200 SMART的结构特点及相关软件的使用，为各个层次的读者理解S7-200 SMART PLC编程做了很好的铺垫； 

2.以章节为单位深入详细讲解PLC编程指令、方法、梯形图设计、系统通信及控制系统设计等知识时，做到了理论与实例相结合，介绍完相关理论知识后均有对应的实例，使读者理解起来更加容易，同时也使读者在实际应用时更加方便。