项目一 可编程序控制器应用基础

任务1 三相交流异步电动机正反转控制

知识点

◎ 了解PLC的基本工作原理；

◎ 了解继电器控制与PLC控制的区别；

◎ 掌握西门子S7-200和S7-300PLC输入/输出点的编号及I/O分配的基本方法；

◎ 掌握相关指令的基本使用方法。

技能点

◎ 掌握STEP7 V4.0和V5.4编程软件的基本使用方法；

◎ 能根据继电器控制原理图，运用PLC基本指令设计控制程序；

◎ 能够绘制I/O接线图，并能安装、调试PLC控制的三相交流异步电动机正反转控制系统。

任务引入

在如今的工业生产中，电能仍是主要的动力来源，而电动机又是将电能转换为机械能的主要设备，因此，大部分生产机械中都要用到电动机，并且在很多情况下都要求电动机既能正转又能反转。改变三相交流异步电动机的转向需要改变接入电动机的三相电源的相序，其方法很简单，只需对调接入电动机的任意两根电源相线即可。本任务我们学习用可编程序控制器实现三相交流异步电动机的正反转控制。

任务分析

1.控制要求

（1）能够用按钮控制三相交流异步电动机的正、反转启动和停止；

（2）具有短路保护和过载保护等必要的保护措施。

2.任务分析

继电器控制的三相交流异步电动机正反转电路电气原理图如图1-1所示。

三相交流异步电动机的双重联锁正反转控制电路原理比较简单，就是通过交流接触器KM1和KM2来改变通入三相交流异步电动机M的三相交流电的相序，从而实现电动机的正反转。其主要元器件的功能如表1-1所示。

知识链接

1.基础知识

1）可编程控制器的工作原理

可编程序控制器实际上是一个特殊的计算机系统，系统上电后首先对硬件和软件进行初始化，然后以扫描的方式工作，周而复始不断循环。每一次扫描称为一个扫描周期，约为几十个微秒到十几个毫秒甚至更短，主要可以分成输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，当然还包括执行如：通信处理、CPU自诊断测试等其他功能的时间。其框图如图1-2所示。

（1）输入采样阶段。

PLC在每个扫描周期都将和输入端子相连接的外部输入元件（如：按钮、行程开关、传感器等）的状态（接通或断开）信号采样到输入映像区中，并存储起来保持一个扫描周期不变，以参与用户程序执行的运算。

（2）程序执行阶段。

PLC按“自左向右，自上而下”的顺序扫描执行用户程序的每一条指令，并从输入映像区和输出映像区中取出相关数据参与用户程序的运算、处理，程序执行的结果保存在输出映像区内。

（3）输出刷新阶段。

在整个程序执行完毕后，PLC将输出映像区中的执行结果送到输出状态锁存器锁存，并通过输出端子输出驱动用户负载设备。

2）可编程控制器控制系统和继电器逻辑控制系统的比较

传统继电器控制系统如图1-3所示，控制信号对设备的控制作用是通过控制线路板的接线来实现的。在这种控制系统中，要实现不同的控制要求必须改变控制电路的接线。

图1-4是可编程控制器控制系统图，它通过输入端子接收外部输入信号，按下SB1输入继电器I0.0线圈得电，I0.0常开闭合、常闭断开；而对于输入继电器I0.1来说，由于外接的是SB2的常闭，因此未按下SB1时，输入继电器I0.1得电，其常开闭合、常闭断开，而当按下SB2时，输入继电器I0.1线圈失电，I0.1的常开触点恢复断开、常闭触点恢复闭合。因此，输入继电器只能通过外部输入信号驱动，不能由程序驱动。

输出端子是PLC向外部负载输出信号的窗口，输出继电器的触点接到PLC的输出端子上，若输出继电器得电，其触点闭合，负载电源加到负载上，负载开始工作。而输出继电器由事先编好的程序（梯形图）驱动，因此修改程序即可实现不同的控制要求，非常灵活方便。应注意负载电源和负载的匹配，即负载电源是交流还是直流，额定电压、额定电流和额定功率都由负载决定。

其实PLC一般有继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，为方便起见，若不特殊说明，本书所用PLC均指继电器输出型。

3）西门子S7系列可编程序控制器

西门子S7系列PLC主要有S7-200、S7-300和S7-400三种，S7-200结构为整体式，具有较高的性价比；S7-300和S7-400则采用模块式结构，由模块和机架组成，用户可根据需要选择模块，并将其插到机架的插槽上，指令更加丰富，功能更为完善，使用较为灵活。本书主要介绍S7-200和S7-300系列。

（1）西门子S7-200可编程序控制器。

西门子S7-200可编程序控制器（CPU 224XP）的面板图如图1-5所示。

输入继电器I：在可编程序控制器中，外部电路中的控制电信号要作为控制源，必须通过输入继电器传送到PLC内部。西门子S7系列PLC的输入继电器均以八进制编码。如S7-200（CPU 224XP）型可编程序控制器共有16点输入，其编号为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7，用做于外部开关等控制器件连接。

输出继电器Q：在可编程序控制器中，输出继电器通过输出点将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载的状态就由程序驱动输出继电器控制。输出继电器得电，输出点动作，电源加到负载上，负载得到驱动。西门子S7系列PLC的输出继电器同样以八进制编码。如S7-200（CPU 224XP）型可编程序控制器共有10点输出，其编号为Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.1，用于连接外部负载器件。

（2）西门子S7-300可编程序控制器。

西门子S7-300可编程序控制器（CPU314）的面板图如图1-6所示。

西门子S7-300可编程序控制器采用模块化结构设计，用户可以根据自己的应用要求来选择模块安装在正确的插槽上。如S7-300的4号槽上安装的是信号模板SM323（16点数字量输入、16点数字量输出、DC24V），输入/输出点的编号同样为八进制，输入点地址为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7，输出点地址为Q0.0～I0.7、Q1.0～Q1.7。

另外，西门子S7系列PLC的输入/输出点还可以以字节、字或双字的方式表示。如IB0表示I0.0～I0.7八位组成的一个字节；QW0则表示由QB0和QB1两个字节组成的一个字，其中QB0为高八位，QB1为低八位，而QW1则由QB1和QB2两个字节组成，在以后编程时应特别注意要错开两个字的重叠部分，如：QW0和QW1的重叠字节为QB1，因此在编程时用了QW0后，尽量不要再用QW1，可以用QW2，以避免重叠字节对程序造成影响。双字QD0则由QW0和QW1组成，输入的表示也类似。具体的寻址方式如图1-7所示。

2.梯形图程序

图1-4中的程序为三相交流异步电动机单向运转的控制程序。由图可以看出，它和继电器控制电路十分相似。继电器控制的三相交流异步电动机正反转控制电路也很容易转化为PLC梯形图程序。

在转化之前，首先要进行输入/输出点的分配，主要通过输入/输出分配表或输入/输出接线图来实现。

1）输入/输出分配表

三相交流异步电动机正反转控制电路的输入/输出分配表如表1-2所示。

2）输入/输出接线图

（1）S7-200输入/输出接线图。

用西门子S7-200型可编程序控制器实现三相交流异步电动机正反转控制的输入/输出接线图如图1-8所示。

图1-8中输入端直流电源可用PLC自带的内装式24V直流电源。PLC负载端电源电压应根据负载的额定电压来选定，在此负载选用220V交流接触器，故PLC负载端电源电压为交流220V。

（2）S7-300输入/输出接线图。

用西门子S7-300型可编程序控制器实现三相交流异步电动机正反转控制的输入/输出接线图如图1-9所示。

图1-9中由于S7-300的输入/输出模块的负载电压为24V直流电，而控制交流电动机正反转的接触器为交流220V，所以PLC通过控制24V直流继电器进而再控制交流接触器以实现对交流电动机的正反转控制。

3）继电器电路转化为梯形图（LAD）

由表1-2和图1-8（或图1-9）可以看出，输入元件分别和输入继电器I0.0～I0.3相对应，而控制三相交流异步电动机正反转的接触器KM1、KM2（或继电器KA1、KA2）分别由输出继电器Q0.0和Q0.1控制，即输出继电器。Q0.0得电，最终控制接触器KM1得电；Q0.1得电，则最终控制KM2得电。现将图1-1的控制电路改画成PLC梯形图程序如图1-10所示。

由图1-10可以看出PLC梯形图和继电器控制电路十分相似，图中只是将和热继电器KH常开触点对应的输入点I0.3常闭触点移至前面，因为PLC程序规定输出继电器线圈必须和右母线直接相连，中间不能有任何元件。

3.相关PLC指令

西门子S7系列PLC除可使用直观的梯形图（LAD）编写程序外，还可以采用指令语句（STL）和功能图块（FBD）进行程序设计，下面介绍与本任务相关的语句指令。

1）S7-200相关指令

（1）标准触点与线圈指令。

标准触点指令有常开触点指令和常闭触点指令两类，其操作数是为BOOL类型。程序执行时，对应数据参考值在存储器和过程映像区（操作数为I、Q时）获得，当位值为0时，常开触点断开，常闭触点闭合；当位值为1时，常开触点闭合，常闭触点断开。线圈输出指令将运算新值写入输出点的过程映像寄存器，指令执行时，将输出过程映像寄存器中相应的位接通或断开，驱动线圈输出。指令的用法见表1-3。

（2）逻辑堆栈指令。

堆栈一般用来暂存逻辑运算结果，常用的逻辑堆栈指令如表1-4所示。

逻辑堆栈指令无操作数，常用逻辑堆栈指令执行前后，堆栈数据变化示意图如图1-11所示。

ALD：堆栈装载“与”指令，执行时将堆栈第一层和第二层的值进行逻辑“与”操作，结果放入栈顶。执行完指令后，栈深度减1。该指令可用于实现电路块串联。

OLD：堆栈装载“或”指令，执行时将堆栈第一层和第二层的值进行逻辑“或”操作，结果放入栈顶。执行完指令后，栈深度减1。该指令可用于实现电路块并联。

LPS：逻辑入栈指令，指令复制栈顶的值，并将该值推入堆栈，原堆栈中的值下移一层，原栈底值被推出并消失。

LRD：逻辑读栈指令，复制堆栈中的第二个值到栈顶，旧的栈顶值被新的复制值取代，堆栈其余各层值不变，也没有上移和下移操作。

LPP：逻辑出栈指令，弹出栈顶值，第二个栈值成为新的栈顶值，其余各层的值上移一层。

运用上述指令可写出图1-10所示梯形图程序（LAD）对应的指令语句（STL）。

2）S7-300相关指令

S7-300的指令集中也有A、AN、O、ON和=指令，其用法和S7-200指令集中对应指令基本相同，但S7-300的指令集中没有LD和LDN指令，而用A（或AN）指令直接将常开触点（或常闭触点）与左母线相连。S7-300的指令集中也无专用的堆栈指令，当需要暂存当前运算结果时，则将其暂存于LB20开始的局域数据区内；另外S7-300还设置了将当前逻辑操作位的结果RLO（Result of Logic Operation）保存的指令，即连接符并将结果向下传输。

图1-12为一梯形图（LAD）转化为指令语句（STL）的例子。

图1-12中块2和块3由或指令O并联，再和I0.3常闭并联成为块4，并由括号形成一个整体后，通过与指令A和块1串联；然后将当前逻辑运算结果暂存在M1.2中，再取出结果和块5串联。也可不暂存运算结果直接和块5串联，不影响程序的执行结果。由图1-12还可看出，在进行块并联和块串联时通常用括号将一个块连成整体，以使指令语句结构清晰。

图1-10对应的S7-300的指令语句如下：

指令语句中I0.0常闭和I0.3常闭串联后，自动将当前运算结果暂存在局域数据区L20.0内，在正转控制程序写完后自动取出该结果，并在该点处继续写反转控制程序，起到了和S7-200堆栈指令相同的作用。

3）编程技巧提示

在梯形图编写时，并联多的支路应尽量靠近母线，以使程序简单明了。为此可将三相交流异步电动机正反转控制程序改画成如图1-13所示。

图1-13所示梯形图和图1-10所示梯形图执行结果相同，但省去了块串联和堆栈（或数据暂存）指令，减少了程序步数，使程序更加简单明了。

技能训练

1.训练目标

（1）能够正确编制、输入和传输三相交流异步电动机正反转PLC控制程序。

（2）能够独立完成三相交流异步电动机正反转PLC控制线路的安装。

（3）按规定进行通电调试，出现故障能根据设计要求独立检修，直至系统正常工作。

2.训练内容

1）程序的输入

（1）输入S7-200梯形图程序。

[1]双击“V4.0 STEP7 MicroWIN”图标，进入编程界面，如图1-14所示。

[2]单击“指令”前的“+”号，打开指令树，选择“位逻辑”中的“常开”触点，双击或将其拖拽至网络1，如图1-15所示。

[3]单击触点上方“？？.？”将其修改为“I0.1”。用同样的方法输入常闭触点，如图1-16所示。

[4]双击线圈或将其拖拽至图1-16所示光标处，并将其命名为“Q0.0”，如图1-17所示。

[5]在I0.0常开触点下方输入常开触点“Q0.0”，如图1-18所示。

[6]将光标停留在Q0.0常开触点处，单击“向上连线”按钮，如图1-19所示。

[7]实现Q0.0常开和I0.1常开的并联，完成正转控制程序的输入，如图1-20所示。

[8]双击“网络1”，单击“复制”按钮或按“Ctrl+C”键，如图1-21所示。

[9]单击“粘贴”按钮或按“Ctrl+V”键将网络1复制到网络2，并对各元件标号进行修改，完成正反转控制程序的输入，如图1-22所示。

[10]编译后，再单击“查看”→“STL”，如图1-23所示，可将梯形图转换为指令语句。

[11]单击“保存项目”按钮，将项目命名为“正反转”，并单击“保存”按钮保存，如图1-24所示。

（2）输入S7-300梯形图程序。

[1]双击“SIMETIC Manager”图标，打开STEP7编程软件，在自动弹出的STEP7新建项目向导的界面中单击“下一个”按钮，如图1-25所示。

[2]选择CPU型号后单击“下一个”按钮，若CPU型号列表中未列出，则直接单击“下一个”按钮进入下一步，如图1-26所示。

[3]选择组织块OB和块语言，主程序均在OB1块中，它是用户和CPU的接口，因此OB1必选，其他OB块可根据需要选择。选择默认项继续单击“下一个”按钮，如图1-27所示。

[4]输入项目名称“ZFZ”，如图1-28所示。

[5]单击“完成”按钮创建项目，如图1-29所示。

[6]单击“SIMATIC 300站点”或单击其前面的“—”号，再在图1-30中双击“硬件”可进入硬件组态界面。

[7]出现如图1-31所示的硬件配置（组态）的界面。若需更改CPU型号则可用光标选中CPU，按“Delete”键。

[8]出现如图1-32所示的几个确认删除的对话框。

[9]确认后原有CPU被删除。选择需要的CPU类型，将其拖拽至2号槽；或先选中2号槽，双击所需的CPU，如图1-33所示。

[10]由于所选CPU具有以太网PN接口，因此会出现如图1-34所示网络接口属性对话框，单击“取消”按钮。

[11]所选择的CPU被加入2号槽。将光标选中1号槽，再在右栏中打开PS-300文件夹，选择所需电源，将其拖拽至1号槽或双击之，如图1-35所示。

[12]将光标选中4号槽，双击数字量输入和输出模块文件夹DI/DO-300，选择所需模块，将其拖入或双击之，如图1-36所示。

[13]单击存盘编译工具，如图1-37所示。

[14]选择消息号分配，如图1-38所示。

[15]进行硬件组态编译，如图1-39所示。

[16]完成硬件组态编译，单击左栏“SIMATIC 300站点”→单击“CPU315-2PN/DP”→单击“S7程序”→单击“块”，如图1-40所示。

[17]双击右栏组织块“OB1”，如图1-41所示。

[18]设置组织块属性，如图1-42所示。

[19]单击“确定”按钮进入梯形图程序设计界面，如图1-43所示。

[20]单击左栏“位逻辑”，选择常开触点将其拖至图1-44所示处，或单击梯形图水平线后，选择常开触点并双击之。

[21]单击触点标号处，输入点编号“I0.1”，如图1-45所示。

[22]将光标单击左母线，并单击“打开分支”按钮或按“F8”键，如图1-46所示。

[23]在打开的分支上拖入常开触点或双击之，并输入元件号“Q0.0”，如图1-47所示。

[24]将光标单击如图1-48所示位置，并单击“关闭分支”按钮或按“F9”键。

[25]依次拖入I0.0、I0.3、I0.2、Q0.0常闭触点，或将光标停留在触点所需输入处并双击之，如图1-49所示。

[26]拖入Q0.0的线圈或将光标停留在触点所需输入处并双击之，完成正转控制程序的输入，如图1-50所示。

[27]用光标单击“程序段1”，再单击右键→选择“插入程序段”，如图1-51所示。

[28]在程序段2中按同样的方法输入反转控制程序，如图1-52所示。

[29]将程序保存后下载至PLC即可进行调试了，如图1-53所示。

2）系统安装和调试

（1）准备工具和器材。

所需工具、器材清单如表1-5所示。

（2）S7-200正反转控制系统可按图1-54布置元件并安装接线，主电路则按三相交流异步电动机正反转电路的主电路接线。S7-300正反转控制系统可根据图1-9自行进行元件布置和接线。

（3）程序下载与监控。

[1]S7-200程序的下载与监控。

a.单击工具条中的“下载”按钮，如图1-55所示。

b.出现如图1-56所示下载界面，单击“下载”按钮。

c.出现如图1-57所示的将PLC设置为STOP模式的对话框。

d.单击“确定”按钮进行块的下载，如图1-58所示。

e.下载完毕后出现图1-59所示的设置PLC为RUN模式的对话框。

f.单击工具条的“程序状态监控”按钮，即可进行程序监控了，如图1-60所示。

[2]S7-300程序的下载与监控。

a.S7-300程序新建时一般会自动生成一个MPI网络，如图1-61所示。双击它可打开如图1-62所示窗口，其中橙色的线即为MPI网，由图可以看出PLC和MPI网并没进行连接。

b.双击MPI/DP接口打开网络接口属性对话框，如图1-63所示。

c.单击“属性”按钮打开如图1-64所示的MPI接口属性对话框，图中已有一条MPI网络存在；若没有可通过“新建”按钮新建。

d.单击“属性”按钮打开如图1-65所示的MPI属性对话框，在网络标签中可设置MPI通信速率，在此设定为187.5Kbps。

e.在主菜单上选择选项→设置PG/PC接口，如图1-66所示。

f.在设置PG/PC接口对话框中单击“选择”按钮，为使用的接口分配参数，如图1-67所示。

g.由于选用的适配器是通过PC的USB接口连接的MPI适配器，在此在左面选择“PC Adapter”，单击“安装”按钮进行安装，若右面已安装栏已有，则不需再安装，如图1-68所示。

h.安装后右栏即会出现已安装的接口，若需删除接口则可在右栏中选中后单击“卸载”按钮进行删除，如图1-69所示。

i.在如图1-70所示的设置PG/PC接口对话框中单击“属性”按钮。

j.在PC Aapter属性对话框中可以查看MPI和本地连接的属性，如图1-71所示。

k.按上述步骤将通信口设置好了，就可以打开OB1块，在图1-61中单击工具条中“下载”按钮。

（4）系统调试。

[1]在教师现场监护下进行通电调试，验证系统功能是否符合控制要求。

[2]如果出现故障，学生应独立检修。线路检修完毕和梯形图修改完毕应重新调试，直至系统正常工作。

3.考核评分

考核时采用两人一组共同协作完成的方式，按表1-6评分作为成绩的60%，并分别对两位学生进行提问作为成绩的40%。

巩固提高

用PLC控制系统实现电力拖动控制线路中小车自动往返控制线路的控制功能。小车运动示意图如图1-72所示。