項目一 可編程序控制器應用基礎

任務1 三相交流異步電動機正反轉控制

知識點

◎ 了解PLC的基本工作原理；

◎ 了解繼電器控制與PLC控制的區別；

◎ 掌握西門子S7-200和S7-300PLC輸入/輸出點的編號及I/O分配的基本方法；

◎ 掌握相關指令的基本使用方法。

技能點

◎ 掌握STEP7 V4.0和V5.4編程軟件的基本使用方法；

◎ 能根據繼電器控制原理圖，運用PLC基本指令設計控制程序；

◎ 能夠繪制I/O接線圖，并能安裝、調試PLC控制的三相交流異步電動機正反轉控制系統。

任務引入

在如今的工業生產中，電能仍是主要的動力來源，而電動機又是將電能轉換為機械能的主要設備，因此，大部分生產機械中都要用到電動機，并且在很多情況下都要求電動機既能正轉又能反轉。改變三相交流異步電動機的轉向需要改變接入電動機的三相電源的相序，其方法很簡單，只需對調接入電動機的任意兩根電源相線即可。本任務我們學習用可編程序控制器實現三相交流異步電動機的正反轉控制。

任務分析

1.控制要求

（1）能夠用按鈕控制三相交流異步電動機的正、反轉啟動和停止；

（2）具有短路保護和過載保護等必要的保護措施。

2.任務分析

繼電器控制的三相交流異步電動機正反轉電路電氣原理圖如圖1-1所示。

三相交流異步電動機的雙重聯鎖正反轉控制電路原理比較簡單，就是通過交流接觸器KM1和KM2來改變通入三相交流異步電動機M的三相交流電的相序，從而實現電動機的正反轉。其主要元器件的功能如表1-1所示。

知識鏈接

1.基礎知識

1）可編程控制器的工作原理

可編程序控制器實際上是一個特殊的計算機系統，系統上電后首先對硬件和軟件進行初始化，然后以掃描的方式工作，周而復始不斷循環。每一次掃描稱為一個掃描周期，約為幾十個微秒到十幾個毫秒甚至更短，主要可以分成輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個階段，當然還包括執行如：通信處理、CPU自診斷測試等其他功能的時間。其框圖如圖1-2所示。

（1）輸入采樣階段。

PLC在每個掃描周期都將和輸入端子相連接的外部輸入元件（如：按鈕、行程開關、傳感器等）的狀態（接通或斷開）信號采樣到輸入映像區中，并存儲起來保持一個掃描周期不變，以參與用戶程序執行的運算。

（2）程序執行階段。

PLC按“自左向右，自上而下”的順序掃描執行用戶程序的每一條指令，并從輸入映像區和輸出映像區中取出相關數據參與用戶程序的運算、處理，程序執行的結果保存在輸出映像區內。

（3）輸出刷新階段。

在整個程序執行完畢后，PLC將輸出映像區中的執行結果送到輸出狀態鎖存器鎖存，并通過輸出端子輸出驅動用戶負載設備。

2）可編程控制器控制系統和繼電器邏輯控制系統的比較

傳統繼電器控制系統如圖1-3所示，控制信號對設備的控制作用是通過控制線路板的接線來實現的。在這種控制系統中，要實現不同的控制要求必須改變控制電路的接線。

圖1-4是可編程控制器控制系統圖，它通過輸入端子接收外部輸入信號，按下SB1輸入繼電器I0.0線圈得電，I0.0常開閉合、常閉斷開；而對于輸入繼電器I0.1來說，由于外接的是SB2的常閉，因此未按下SB1時，輸入繼電器I0.1得電，其常開閉合、常閉斷開，而當按下SB2時，輸入繼電器I0.1線圈失電，I0.1的常開觸點恢復斷開、常閉觸點恢復閉合。因此，輸入繼電器只能通過外部輸入信號驅動，不能由程序驅動。

輸出端子是PLC向外部負載輸出信號的窗口，輸出繼電器的觸點接到PLC的輸出端子上，若輸出繼電器得電，其觸點閉合，負載電源加到負載上，負載開始工作。而輸出繼電器由事先編好的程序（梯形圖）驅動，因此修改程序即可實現不同的控制要求，非常靈活方便。應注意負載電源和負載的匹配，即負載電源是交流還是直流，額定電壓、額定電流和額定功率都由負載決定。

其實PLC一般有繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型三種，為方便起見，若不特殊說明，本書所用PLC均指繼電器輸出型。

3）西門子S7系列可編程序控制器

西門子S7系列PLC主要有S7-200、S7-300和S7-400三種，S7-200結構為整體式，具有較高的性價比；S7-300和S7-400則采用模塊式結構，由模塊和機架組成，用戶可根據需要選擇模塊，并將其插到機架的插槽上，指令更加豐富，功能更為完善，使用較為靈活。本書主要介紹S7-200和S7-300系列。

（1）西門子S7-200可編程序控制器。

西門子S7-200可編程序控制器（CPU 224XP）的面板圖如圖1-5所示。

輸入繼電器I：在可編程序控制器中，外部電路中的控制電信號要作為控制源，必須通過輸入繼電器傳送到PLC內部。西門子S7系列PLC的輸入繼電器均以八進制編碼。如S7-200（CPU 224XP）型可編程序控制器共有16點輸入，其編號為I0.0～I0.7、I1.0～I1.7，用做于外部開關等控制器件連接。

輸出繼電器Q：在可編程序控制器中，輸出繼電器通過輸出點將負載和負載電源連接成一個回路，這樣負載的狀態就由程序驅動輸出繼電器控制。輸出繼電器得電，輸出點動作，電源加到負載上，負載得到驅動。西門子S7系列PLC的輸出繼電器同樣以八進制編碼。如S7-200（CPU 224XP）型可編程序控制器共有10點輸出，其編號為Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.1，用于連接外部負載器件。

（2）西門子S7-300可編程序控制器。

西門子S7-300可編程序控制器（CPU314）的面板圖如圖1-6所示。

西門子S7-300可編程序控制器采用模塊化結構設計，用戶可以根據自己的應用要求來選擇模塊安裝在正確的插槽上。如S7-300的4號槽上安裝的是信號模板SM323（16點數字量輸入、16點數字量輸出、DC24V），輸入/輸出點的編號同樣為八進制，輸入點地址為I0.0～I0.7、I1.0～I1.7，輸出點地址為Q0.0～I0.7、Q1.0～Q1.7。

另外，西門子S7系列PLC的輸入/輸出點還可以以字節、字或雙字的方式表示。如IB0表示I0.0～I0.7八位組成的一個字節；QW0則表示由QB0和QB1兩個字節組成的一個字，其中QB0為高八位，QB1為低八位，而QW1則由QB1和QB2兩個字節組成，在以后編程時應特別注意要錯開兩個字的重疊部分，如：QW0和QW1的重疊字節為QB1，因此在編程時用了QW0后，盡量不要再用QW1，可以用QW2，以避免重疊字節對程序造成影響。雙字QD0則由QW0和QW1組成，輸入的表示也類似。具體的尋址方式如圖1-7所示。

2.梯形圖程序

圖1-4中的程序為三相交流異步電動機單向運轉的控制程序。由圖可以看出，它和繼電器控制電路十分相似。繼電器控制的三相交流異步電動機正反轉控制電路也很容易轉化為PLC梯形圖程序。

在轉化之前，首先要進行輸入/輸出點的分配，主要通過輸入/輸出分配表或輸入/輸出接線圖來實現。

1）輸入/輸出分配表

三相交流異步電動機正反轉控制電路的輸入/輸出分配表如表1-2所示。

2）輸入/輸出接線圖

（1）S7-200輸入/輸出接線圖。

用西門子S7-200型可編程序控制器實現三相交流異步電動機正反轉控制的輸入/輸出接線圖如圖1-8所示。

圖1-8中輸入端直流電源可用PLC自帶的內裝式24V直流電源。PLC負載端電源電壓應根據負載的額定電壓來選定，在此負載選用220V交流接觸器，故PLC負載端電源電壓為交流220V。

（2）S7-300輸入/輸出接線圖。

用西門子S7-300型可編程序控制器實現三相交流異步電動機正反轉控制的輸入/輸出接線圖如圖1-9所示。

圖1-9中由于S7-300的輸入/輸出模塊的負載電壓為24V直流電，而控制交流電動機正反轉的接觸器為交流220V，所以PLC通過控制24V直流繼電器進而再控制交流接觸器以實現對交流電動機的正反轉控制。

3）繼電器電路轉化為梯形圖（LAD）

由表1-2和圖1-8（或圖1-9）可以看出，輸入元件分別和輸入繼電器I0.0～I0.3相對應，而控制三相交流異步電動機正反轉的接觸器KM1、KM2（或繼電器KA1、KA2）分別由輸出繼電器Q0.0和Q0.1控制，即輸出繼電器。Q0.0得電，最終控制接觸器KM1得電；Q0.1得電，則最終控制KM2得電。現將圖1-1的控制電路改畫成PLC梯形圖程序如圖1-10所示。

由圖1-10可以看出PLC梯形圖和繼電器控制電路十分相似，圖中只是將和熱繼電器KH常開觸點對應的輸入點I0.3常閉觸點移至前面，因為PLC程序規定輸出繼電器線圈必須和右母線直接相連，中間不能有任何元件。

3.相關PLC指令

西門子S7系列PLC除可使用直觀的梯形圖（LAD）編寫程序外，還可以采用指令語句（STL）和功能圖塊（FBD）進行程序設計，下面介紹與本任務相關的語句指令。

1）S7-200相關指令

（1）標準觸點與線圈指令。

標準觸點指令有常開觸點指令和常閉觸點指令兩類，其操作數是為BOOL類型。程序執行時，對應數據參考值在存儲器和過程映像區（操作數為I、Q時）獲得，當位值為0時，常開觸點斷開，常閉觸點閉合；當位值為1時，常開觸點閉合，常閉觸點斷開。線圈輸出指令將運算新值寫入輸出點的過程映像寄存器，指令執行時，將輸出過程映像寄存器中相應的位接通或斷開，驅動線圈輸出。指令的用法見表1-3。

（2）邏輯堆棧指令。

堆棧一般用來暫存邏輯運算結果，常用的邏輯堆棧指令如表1-4所示。

邏輯堆棧指令無操作數，常用邏輯堆棧指令執行前后，堆棧數據變化示意圖如圖1-11所示。

ALD：堆棧裝載“與”指令，執行時將堆棧第一層和第二層的值進行邏輯“與”操作，結果放入棧頂。執行完指令后，棧深度減1。該指令可用于實現電路塊串聯。

OLD：堆棧裝載“或”指令，執行時將堆棧第一層和第二層的值進行邏輯“或”操作，結果放入棧頂。執行完指令后，棧深度減1。該指令可用于實現電路塊并聯。

LPS：邏輯入棧指令，指令復制棧頂的值，并將該值推入堆棧，原堆棧中的值下移一層，原棧底值被推出并消失。

LRD：邏輯讀棧指令，復制堆棧中的第二個值到棧頂，舊的棧頂值被新的復制值取代，堆棧其余各層值不變，也沒有上移和下移操作。

LPP：邏輯出棧指令，彈出棧頂值，第二個棧值成為新的棧頂值，其余各層的值上移一層。

運用上述指令可寫出圖1-10所示梯形圖程序（LAD）對應的指令語句（STL）。

2）S7-300相關指令

S7-300的指令集中也有A、AN、O、ON和=指令，其用法和S7-200指令集中對應指令基本相同，但S7-300的指令集中沒有LD和LDN指令，而用A（或AN）指令直接將常開觸點（或常閉觸點）與左母線相連。S7-300的指令集中也無專用的堆棧指令，當需要暫存當前運算結果時，則將其暫存于LB20開始的局域數據區內；另外S7-300還設置了將當前邏輯操作位的結果RLO（Result of Logic Operation）保存的指令，即連接符并將結果向下傳輸。

圖1-12為一梯形圖（LAD）轉化為指令語句（STL）的例子。

圖1-12中塊2和塊3由或指令O并聯，再和I0.3常閉并聯成為塊4，并由括號形成一個整體后，通過與指令A和塊1串聯；然后將當前邏輯運算結果暫存在M1.2中，再取出結果和塊5串聯。也可不暫存運算結果直接和塊5串聯，不影響程序的執行結果。由圖1-12還可看出，在進行塊并聯和塊串聯時通常用括號將一個塊連成整體，以使指令語句結構清晰。

圖1-10對應的S7-300的指令語句如下：

指令語句中I0.0常閉和I0.3常閉串聯后，自動將當前運算結果暫存在局域數據區L20.0內，在正轉控制程序寫完后自動取出該結果，并在該點處繼續寫反轉控制程序，起到了和S7-200堆棧指令相同的作用。

3）編程技巧提示

在梯形圖編寫時，并聯多的支路應盡量靠近母線，以使程序簡單明了。為此可將三相交流異步電動機正反轉控制程序改畫成如圖1-13所示。

圖1-13所示梯形圖和圖1-10所示梯形圖執行結果相同，但省去了塊串聯和堆棧（或數據暫存）指令，減少了程序步數，使程序更加簡單明了。

技能訓練

1.訓練目標

（1）能夠正確編制、輸入和傳輸三相交流異步電動機正反轉PLC控制程序。

（2）能夠獨立完成三相交流異步電動機正反轉PLC控制線路的安裝。

（3）按規定進行通電調試，出現故障能根據設計要求獨立檢修，直至系統正常工作。

2.訓練內容

1）程序的輸入

（1）輸入S7-200梯形圖程序。

[1]雙擊“V4.0 STEP7 MicroWIN”圖標，進入編程界面，如圖1-14所示。

[2]單擊“指令”前的“+”號，打開指令樹，選擇“位邏輯”中的“常開”觸點，雙擊或將其拖拽至網絡1，如圖1-15所示。

[3]單擊觸點上方“？？.？”將其修改為“I0.1”。用同樣的方法輸入常閉觸點，如圖1-16所示。

[4]雙擊線圈或將其拖拽至圖1-16所示光標處，并將其命名為“Q0.0”，如圖1-17所示。

[5]在I0.0常開觸點下方輸入常開觸點“Q0.0”，如圖1-18所示。

[6]將光標停留在Q0.0常開觸點處，單擊“向上連線”按鈕，如圖1-19所示。

[7]實現Q0.0常開和I0.1常開的并聯，完成正轉控制程序的輸入，如圖1-20所示。

[8]雙擊“網絡1”，單擊“復制”按鈕或按“Ctrl+C”鍵，如圖1-21所示。

[9]單擊“粘貼”按鈕或按“Ctrl+V”鍵將網絡1復制到網絡2，并對各元件標號進行修改，完成正反轉控制程序的輸入，如圖1-22所示。

[10]編譯后，再單擊“查看”→“STL”，如圖1-23所示，可將梯形圖轉換為指令語句。

[11]單擊“保存項目”按鈕，將項目命名為“正反轉”，并單擊“保存”按鈕保存，如圖1-24所示。

（2）輸入S7-300梯形圖程序。

[1]雙擊“SIMETIC Manager”圖標，打開STEP7編程軟件，在自動彈出的STEP7新建項目向導的界面中單擊“下一個”按鈕，如圖1-25所示。

[2]選擇CPU型號后單擊“下一個”按鈕，若CPU型號列表中未列出，則直接單擊“下一個”按鈕進入下一步，如圖1-26所示。

[3]選擇組織塊OB和塊語言，主程序均在OB1塊中，它是用戶和CPU的接口，因此OB1必選，其他OB塊可根據需要選擇。選擇默認項繼續單擊“下一個”按鈕，如圖1-27所示。

[4]輸入項目名稱“ZFZ”，如圖1-28所示。

[5]單擊“完成”按鈕創建項目，如圖1-29所示。

[6]單擊“SIMATIC 300站點”或單擊其前面的“—”號，再在圖1-30中雙擊“硬件”可進入硬件組態界面。

[7]出現如圖1-31所示的硬件配置（組態）的界面。若需更改CPU型號則可用光標選中CPU，按“Delete”鍵。

[8]出現如圖1-32所示的幾個確認刪除的對話框。

[9]確認后原有CPU被刪除。選擇需要的CPU類型，將其拖拽至2號槽；或先選中2號槽，雙擊所需的CPU，如圖1-33所示。

[10]由于所選CPU具有以太網PN接口，因此會出現如圖1-34所示網絡接口屬性對話框，單擊“取消”按鈕。

[11]所選擇的CPU被加入2號槽。將光標選中1號槽，再在右欄中打開PS-300文件夾，選擇所需電源，將其拖拽至1號槽或雙擊之，如圖1-35所示。

[12]將光標選中4號槽，雙擊數字量輸入和輸出模塊文件夾DI/DO-300，選擇所需模塊，將其拖入或雙擊之，如圖1-36所示。

[13]單擊存盤編譯工具，如圖1-37所示。

[14]選擇消息號分配，如圖1-38所示。

[15]進行硬件組態編譯，如圖1-39所示。

[16]完成硬件組態編譯，單擊左欄“SIMATIC 300站點”→單擊“CPU315-2PN/DP”→單擊“S7程序”→單擊“塊”，如圖1-40所示。

[17]雙擊右欄組織塊“OB1”，如圖1-41所示。

[18]設置組織塊屬性，如圖1-42所示。

[19]單擊“確定”按鈕進入梯形圖程序設計界面，如圖1-43所示。

[20]單擊左欄“位邏輯”，選擇常開觸點將其拖至圖1-44所示處，或單擊梯形圖水平線后，選擇常開觸點并雙擊之。

[21]單擊觸點標號處，輸入點編號“I0.1”，如圖1-45所示。

[22]將光標單擊左母線，并單擊“打開分支”按鈕或按“F8”鍵，如圖1-46所示。

[23]在打開的分支上拖入常開觸點或雙擊之，并輸入元件號“Q0.0”，如圖1-47所示。

[24]將光標單擊如圖1-48所示位置，并單擊“關閉分支”按鈕或按“F9”鍵。

[25]依次拖入I0.0、I0.3、I0.2、Q0.0常閉觸點，或將光標停留在觸點所需輸入處并雙擊之，如圖1-49所示。

[26]拖入Q0.0的線圈或將光標停留在觸點所需輸入處并雙擊之，完成正轉控制程序的輸入，如圖1-50所示。

[27]用光標單擊“程序段1”，再單擊右鍵→選擇“插入程序段”，如圖1-51所示。

[28]在程序段2中按同樣的方法輸入反轉控制程序，如圖1-52所示。

[29]將程序保存后下載至PLC即可進行調試了，如圖1-53所示。

2）系統安裝和調試

（1）準備工具和器材。

所需工具、器材清單如表1-5所示。

（2）S7-200正反轉控制系統可按圖1-54布置元件并安裝接線，主電路則按三相交流異步電動機正反轉電路的主電路接線。S7-300正反轉控制系統可根據圖1-9自行進行元件布置和接線。

（3）程序下載與監控。

[1]S7-200程序的下載與監控。

a.單擊工具條中的“下載”按鈕，如圖1-55所示。

b.出現如圖1-56所示下載界面，單擊“下載”按鈕。

c.出現如圖1-57所示的將PLC設置為STOP模式的對話框。

d.單擊“確定”按鈕進行塊的下載，如圖1-58所示。

e.下載完畢后出現圖1-59所示的設置PLC為RUN模式的對話框。

f.單擊工具條的“程序狀態監控”按鈕，即可進行程序監控了，如圖1-60所示。

[2]S7-300程序的下載與監控。

a.S7-300程序新建時一般會自動生成一個MPI網絡，如圖1-61所示。雙擊它可打開如圖1-62所示窗口，其中橙色的線即為MPI網，由圖可以看出PLC和MPI網并沒進行連接。

b.雙擊MPI/DP接口打開網絡接口屬性對話框，如圖1-63所示。

c.單擊“屬性”按鈕打開如圖1-64所示的MPI接口屬性對話框，圖中已有一條MPI網絡存在；若沒有可通過“新建”按鈕新建。

d.單擊“屬性”按鈕打開如圖1-65所示的MPI屬性對話框，在網絡標簽中可設置MPI通信速率，在此設定為187.5Kbps。

e.在主菜單上選擇選項→設置PG/PC接口，如圖1-66所示。

f.在設置PG/PC接口對話框中單擊“選擇”按鈕，為使用的接口分配參數，如圖1-67所示。

g.由于選用的適配器是通過PC的USB接口連接的MPI適配器，在此在左面選擇“PC Adapter”，單擊“安裝”按鈕進行安裝，若右面已安裝欄已有，則不需再安裝，如圖1-68所示。

h.安裝后右欄即會出現已安裝的接口，若需刪除接口則可在右欄中選中后單擊“卸載”按鈕進行刪除，如圖1-69所示。

i.在如圖1-70所示的設置PG/PC接口對話框中單擊“屬性”按鈕。

j.在PC Aapter屬性對話框中可以查看MPI和本地連接的屬性，如圖1-71所示。

k.按上述步驟將通信口設置好了，就可以打開OB1塊，在圖1-61中單擊工具條中“下載”按鈕。

（4）系統調試。

[1]在教師現場監護下進行通電調試，驗證系統功能是否符合控制要求。

[2]如果出現故障，學生應獨立檢修。線路檢修完畢和梯形圖修改完畢應重新調試，直至系統正常工作。

3.考核評分

考核時采用兩人一組共同協作完成的方式，按表1-6評分作為成績的60%，并分別對兩位學生進行提問作為成績的40%。

鞏固提高

用PLC控制系統實現電力拖動控制線路中小車自動往返控制線路的控制功能。小車運動示意圖如圖1-72所示。