电器控制与PLC

前言

第一篇 电器控制

第一章 常用低压电器

第一节 低压电器的作用、分类及发展概况

一、电器的定义及作用

二、电器的分类

三、电力拖动自控系统常用的低压电器

四、低压电器的发展概况

习题

第二节 接触器

一、接触器的结构与工作原理

二、交、直流接触器的特点对比

三、接触器的主要技术数据

四、智能接触器简介

习题

第三节 继电器

一、继电器的定义及与接触器的区别

二、继电器的种类及其特点

三、继电器触点的种类

四、继电器的特性

五、继电器的结构及原理

六、交流固态继电器简介

习题

第四节 低压熔断器

一、熔断器的功能

二、熔断器的种类与型号

三、熔断器的安秒特性

四、熔断器的选择

习题

第五节 主令电器

一、控制按钮

二、行程开关

三、转换开关

习题

第六节 低压断路器

一、低压断路器的工作原理

二、低压断路器的种类

三、低压断路器的功能

四、低压断路器的选择

五、智能断路器简介

习题

第二章 电器控制线路

第一节 电器控制线路的绘制

一、图形和文字符号

二、电器控制线路的表示方法

三、控制线路的组成及分类

四、电器控制原理图的绘制原则

五、阅读和分析控制线路图的方法

习题

第二节 笼型电动机的直接起停控制

一、功能

二、动作过程

习题

第三节 组成电器控制线路的基本规律

一、自锁控制

二、联锁控制

三、变化参量控制

习题

第四节 电器控制线路的一般设计方法

一、电器控制线路的设计方法

二、设计中应注意的几个原则

三、经验设计法举例

习题

第五节 电器控制的逻辑设计法

一、三种基本逻辑运算

二、逻辑代数定理

三、逻辑函数的化简

四、继电器-接触器控制线路的逻辑函数

五、用逻辑设计法设计控制线路

习题

第六节 常用典型控制线路

一、笼型异步电动机的起动控制线路

二、笼型异步电动机错动的控制线路

三、笼型异步电动机的调速控制线路

四、软起动器起动的控制线路简介

习题

第二篇 可编程序控制器

第三章 PLC的产生、基本特点和主要功能

第一节 PLC的产生、演变和发展趋势

一、PLC的产生

二、国际上PLC的发展过程

三、我国PLC的发展过程

四、PLC的发展趋势

第二节 PLC的分类

一、按I/O点数分类

二、按功能分类

三、按结构形式分类

第三节 PLC的基本特点和主要功能

一、PLC的主要特点

二、PLC的主要功能及应用领域

习题

第四章 PLC的硬件组成及工作原理

第一节 PLC的基本组成及各部分的作用

一、PLC的基本组成

二、整体式和模块式PLC的组成

三、PLC各部分的作用

习题

第二节 PLC的工作原理

一、PLC的系统工作过程

二、用户程序的循环扫描过程

三、PLC的I/O响应滞后问题

四、PLC的中断

习题

第三节 PLC的I/O模块和外围设备

一、数字量I/O模块

二、模拟量I/O模块

三、特殊I/O模块（智能模块）

四、外围设备简介

习题

第四节 西门子S7-300PLC的硬件组成及硬件配置

一、S7-300的概况

二、硬件组成

三、S7-300PLC的模块简介

四、分布式I/O简介

五、硬件配置

习题

第五章 PLC的缩程基础

第一节 PLC编程语言

一、编程语言的种类及其特点

二、梯形图语言

三、语句表语言

四、梯形图的绘制原则

习题

第二节 S7-300PLC编程基础

一、STEP7的程序结构

二、STEP7的编程语言

三、结构化程序中的块

四、STEP7的数据类型

五、PLC中的存储器与寄存器

六、S7-300PLC编址

七、STEF7的指令类型与指令结构

习题

第六章 S7-300PLC指令系统及编程

第一节 逻辑指令

一、位逻辑指令

二、字逻辑指令

习题

第二节 、定时器与计数器指令

一、定时器指令

二、计数器指令

习题

第三节 数据处理与算术运算指令

一、数据装入与传送指令

二、数据转换指令

三、数据比较指令

四、算术运算指令

五、移位与循环移位指令

六、累加器操作指令

七、地址寄存器加指令

第四节 程序执行控制指令

一、跳转指令

二、循环指令

三、功能块调用指令与数据块指令

四、主控继电器指令

五、显示和空操作指令

第五节 指令系统综合应用

习题

第七章 PLC控制系统设计

第一节 PLC控制系统的设计原则、内容与步骤

一、设计原则

二、设计内容

三、设计步骤

第二节 PLC控制系统的硬件设计

一、PLC的选型

二、PLC容量的估算

三、I/O模块选择

四、电源模块选择

五、外部接线设计

第三节 PLC控制系统的软件设计

一、PLC软件设计的一般步骤

二、西门子STEP7程序设计方法

第四节 PLC控制系统的人机接口设计

一、人机接口（界面）概述

二、人机接口系统的选型

三、系统设计

第五节 PLC控制系统的可靠性与抗干搠设计

一、PLC的环境适应性设计

二、PLC控制系统的冗余性设计

三、PLC控制系统的抗干扰设计

四、PLC控制系统的故障诊断

第六节 PLC控制系统设计举例

一、机械手控制系统简介

二、使用起、保、停电路的编程方法

三、使用置位、复位指令的编程方法

习题

附录A STEP7语句表指令一览表

附录B PLC实验指导书

实验一 实验系统简介及STEP7编程软件编程练习

实验二基本指令的编程练习I——与、或、非逻辑功能实验

实验三 基本指令的编程练习Ⅱ——定时器功能实验

实验四 基本指令的编程练习Ⅲ——计数器功能实验

实验五 移位指令练习——装配流水线控制的模拟

附录C 电器控制实验指导书

实验一 三相笼型异步电动机的点动和自锁控制线路

实验二 三相笼型异步电动机减压起动控制线路

实验三 三相笼型异步电动机可逆旋转控制线路

实验四 三相笼型异步电动机电气制动控制线路

实验五 小车变速自往复循环运动行程控制线路

参考文献2100433B

西门子S7-300 PLC是国内应用范围极广、市场占有率很高的可编程序控制器产品。故《电器控制与PLC(西门子S7-300机型)(少学时)》以西门子S7-300 PLC为基础，主要介绍了常用低压电器；电器控制线路；S7-300 PLC硬件组成及工作原理；PLC的编程基础；S7-300 PLC指令系统及编程；PLC控制系统设计。此外，为了方便教学和自学，各章叙述详细、全面、易懂，并配有大量例题和习题，附录中还有实验指导书，可供读者选择。

《电器控制与PLC技术》主要介绍了：电器控制技术及其典型实用环节的设计、PLC原理及其应用，系统地阐述了PLC分析与设计的方法。全书共11章。第1、2章为电器控制，主要介绍常用低压电器及电气控制系统的基本环节。第3～10章为PLC技术，主要介绍PLC的系统构成与工作原理，三菱PLC的指令系统，PLC的程序设计与应用，手持式编程器与编程、仿真软件的使用方法，第11章为实训指导。《电器控制与PLC技术》的PLC技术部分以三菱GX编程、仿真软件的使用贯穿全书，避免了必须等到试验、实训时连接一台PLC才可调试程序的被动性，能使读者更好地掌握PLC技术。《电器控制与PLC技术》第1～9章都附有小结和适量的习题。

PLC和继电器控制系统是相辅相成，继电器从来没有停止进一步的发展，包括SIEMENS在内从来没有承诺普通PLC是安全的，如：设备的安全控制（停电、重起、人身防护）都是由专门安全继电器来保证，所以至今欧洲还有许多专门生产商在生产、研发。

一个继电器控制系统和PLC控制系统都是由输入部分、输出部分和控制部分组成。PLC的梯形图与继电器控制电路图十分相似，主要原因是PLC梯形图大致沿用了继电器控制的电路元器件符号。

继电器控制系统的特点

继电器控制系统由器件和导线连接而成，具有结构简单、成本低等优点，同时由于原理简单，对工程技术人员来说易于掌握。但继电器控制系统对于复杂系统，整个系统的设计和安装的工作量就特别大，有时变得不可能完成。机械触点的物理接触容易带来损坏；接线也易受振动等影响，可靠性会变差。

由于控制作用是通过器件的连接来实现的，当需要改变控制作用时，就需要改变硬件接线，对控制系统的维护性和升级很不利。

但继电器的动作对于控制系统来说，是一种可靠的机械隔离，所以经常和其他控制装置（如可编程控制器）配合使用。

PLC的特点

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

三方面的对比

1.控制方式

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2.控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3.延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

总的来说，继电器控制系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时和计数等功能。一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，所以各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性和安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。因此，PLC控制系统将取代大多数传统的继电器控制系统。