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21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 电器与电器与 PLC 控制技术控制技术 主 编 陈志新 宗学军 副主编 武 丽 谢云敏 参 编 刘 彬 李国厚 陈景文 郭克红 张卫锋 内 容 简 介 全书共分 10 章。分别介绍了电器控制和 PLC 控制技术两部分内容。前一部分主要介绍常用的低压电 器的基本类型、工作原理、主要用途，以及由低压电器构成的典型电气控制系统。后一部分选择了西门子 S7 系列和三菱 FX 系列 PLC 介绍了 PLC 的原理、 控制技术以及 PLC 应用系统的设计方法。 为了便于教学， 在每章之后还附有适量的习题与思考题，便于读者学习和掌握本章的内容。 本书可作为高等院校本科自动化、电气工程及其自动化专业及相近专业的教材，也可作为电气、机电 等领域的工程技术人员的参考书或培训教材。 图书在版编目CIP数据 电器与 PLC 控制技术/陈志新，宗学军主编. 北京中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8 21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 ISBN 7-5038-4403-5 Ⅰ. 电 Ⅱ. ①陈 ②宗 Ⅲ. ①电气设备自动控制高等学校教材②可编程序控制器高 等学校教材 Ⅳ. TM762 中国版本图书馆 CIP 数据核字2006第 090053 号 书 名电器与 PLC 控制技术 著作责任者陈志新 宗学军 主编 策 划 编 辑李娉婷 责 任 编 辑李 虎 曹 岚 何 蕊 标 准 书 号ISBN 7-5038-4403-5 出 版 者中国林业出版社地址北京市西城区德内大街刘海胡同 7 号 邮编100009 E-mailcfphz 电话编辑部 66170109 营销中心 66187711 北京大学出版社地址北京市海淀区成府路 205 号 邮编100871 E-mail pup_6 电话邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 出版部 62754962 印 刷 者 发 行 者北京大学出版社 中国林业出版社 经 销 者新华书店 787 毫米1092 毫米 16 开本 27.75 印张 599 千字 2006 年 8 月第 1 版 2006 年 8 月第 1 次印刷 定 价38.00 元 21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 专家编审委员会 主任委员 张德江 副主任委员 按姓氏拼音顺序排名 陈 静 丁坚勇 侯媛彬 纪志成 任庆昌 吴 斌 秘书长 于微波 委 员 按姓氏拼音顺序排名 陈志新 戴文进 段晨旭 樊立萍 范立南 公茂法 关根志 嵇启春 蒋 中 雷 霞 刘德辉 刘永信 刘 原 马永翔 孟祥萍 孟彦京 聂诗良 王忠庆 吴旭云 燕庆明 杨新华 尤 文 张桂青 张井岗 21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 联合编写学校名单 21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 联合编写学校名单（按拼音顺序排名） （按拼音顺序排名） 1 安徽建筑工业学院 2 安徽科技学院 3 北华大学 4 北京工商大学 5 北京建筑工程学院 6 长春大学 7 长春工程学院 8 长春工业大学 9 长春理工大学 10 成都理工大学 11 东北电力学院 12 福州大学 13 广东工业大学 14 桂林工学院 15 合肥工业大学 16 河南工业大学 17 河南科技学院 18 河南农业大学 19 华东交通大学 20 黄石理工学院 21 吉林工程技术师范学院 22 吉林化工学院 23 吉林建筑工程学院 24 江南大学 25 焦作工学院 26 兰州理工大学 27 聊城大学 28 辽宁大学 29 内蒙古大学 30 南昌工程学院 31 平顶山工学院 32 平顶山学院 33 青岛科技大学 34 山东建筑工程学院 35 山东科技大学 36 陕西科技大学 37 陕西理工学院 38 沈阳大学 39 沈阳工程学院 40 沈阳工业大学 41 沈阳化工学院 42 四川理工学院 43 太原科技大学 44 潍坊学院 45 武汉大学 46 武汉理工大学 47 西安工程科技学院 48 西安建筑科技大学 49 西安科技大学 50 西安理工大学 51 西安石油大学 52 西安外事学院 53 西安邮电学院 54 西南大学 55 西南科技大学 56 浙江大学 57 中北大学 58 中北大学分校 总 序 我们所处的时代被称为信息时代。信息科学与技术的迅速发展和广泛应用，深深地改 变着人类生产、生活的各个方面。人类社会生产力发展和人们生活质量的提高越来越得益 于和依赖于信息科学与技术的发展。自动化科学与技术涉及到信息的检测、分析、处理、 控制和应用等各个方面，是信息科学与技术领域的重要组成部分。在我国经济建设的进程 中，工业化是不可逾越的发展阶段。面对全面建设小康社会的发展目标，党和国家提出走 新型工业化道路的战略决策，这是一条我国当代工业化进程的必由之路。实现新型工业化， 就是要坚持走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充 分发挥的可持续发展的科学发展之路。在这个过程中，自动化科学与技术起着不可替代的 重要作用，高等学校的自动化学科肩负着人才培养和科学研究的光荣的历史使命。 我国高等教育中工科在校大学生数占在校大学生总数的 35～40， 其中自动化类的学 生是工科各专业中学生人数最多的专业之一。在我国高等教育已走进大众化阶段的今天， 人才培养模式多样化已成为必然的趋势，其中应用型人才是我国经济建设和社会发展需求 最多的一大类人才。为了促进自动化领域应用型人才培养，发挥院校之间相互合作的优势， 北京大学出版社组织了此套21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材。 参加这一系列教材编写的基本上都是来自地方工科院校自动化学科的专家学者，由此 确定了教材的使用范围，也为“实用教材”的定位找到了落脚点。本系列教材具有如下 特点 1 注重实用性。地方工科院校的人才培养规格大多定位在高级应用型，对这一大类 人才的培养要注重面向工程实践，培养学生理论联系实际、解决实际问题的能力。从这一 教学原则出发，本系列教材注重实用性，注意引用工程中的实例，培养学生的工程意识和 工程应用能力，因此将更适合地方工科院校的教学要求。 2 体现新颖性。更新教材内容，跟进时代，加入一些新的先进实用的知识，同时淘 汰一些陈旧过时的内容。 3 院校间合作交流的成果。每一本教材都有几所院校的教师参加编写。北大出版社 事先在西安市和长春市召开了编写计划会和审纲会，来自各院校的教师比较充分地交流了 情况，在相互借鉴、取长补短的基础上，形成了编写大纲，确定了编写原则。因此，这一 系列教材可以反映出各参编院校一些好的经验和做法。 4 这一系列教材几乎涵盖了自动化类专业从技术基础课到专业课的各门课程，到目 前为止，列入计划的已有 30 多门，教材门数多，参与的院校多，参加编写人员多。 II 地方工科院校是我国高等院校中比例最大的一部分。本系列教材面向地方工科院校自 动化类专业教学之用，将拥有众多的读者。教材专家编审委员会深感教材的编写质量对教 学质量的重要性，在审纲会上强调了“质量第一，明确责任，统筹兼顾，严格把关”的原 则，要求各位主编加强协调，认真负责，努力保证和提高教材质量。各位主编和编者也将 尽职尽责，密切合作，努力使自己的作品受到读者的认可和欢迎。尽管如此，由于院校之 间、编者之间的差异性，教材中还是难免会出现一些问题和不足，欢迎选用本系列教材的 教师、学生提出批评和建议。 张德江 2006 年 1 月 前 言 电气控制技术是高等学校电类专业的一门传统课程，主要介绍由继电器、接触器、按 钮、行程开关等电器构成的控制系统。由于这些电气器件的控制方式是断续的，所以又称 为断续控制系统。该系统结构简单、价格低廉、抗干扰性强，至今仍是机床和其他机械设 备、拖动系统广泛采用的基本电气控制形式。计算机技术的发展，特别是可编程控制器的 出现，对电气控制技术产生了重大影响。20 世纪 80 年代末，在我国一些高校的电类专业、 机电一体化专业陆续开始设置可编程控制技术课程。由于这是一门实用性很强的课程，因 此受到各高校特别是培养应用型人才的高校的普遍欢迎，很快得到了普及。 1998 年，教育部对我国高校的专业进行了调整，将相应的课程和教学时数进行了调整 和压缩。很多高校相应调整了教学大纲和课程体系，将以上两门课程整合为“电器与可编 程控制技术”一门课程，本书正是在这个前提下编写的。全书理论联系实际，突出学生工 程应用能力的训练和培养，便于组织教学。在内容安排上，电器控制与可编程控制两部分 既相互联系，又相互独立，以便于一些分别开设这两门课的院校使用。 全书共分两部分，第一部分为电器控制部分，共分 3 章，建议教学 16 学时。主要要求 学生熟练掌握常用低压电器的基本类型、原理、用途，能合理选用控制电器，掌握继电器、 接触器控制线路的基本环节，学会阅读、分析由继电器、接触器构成的典型电气控制线路， 并具有初步的设计能力。第二部分为 PLC 控制技术部分，共分 7 章，建议教学 32 学时。 本书选择了在我国使用较为广泛的西门子S7-200系列、 S7-300系列及三菱FX系列的PLC 产品，教师可根据学校的实验条件，选择一种 PLC 的机型介绍其原理和编程指令。在此基 础上再学习 PLC 的程序设计方法，以及由 PLC 构成的控制系统。全书各章之后还留有一 些习题与思考题，便于学生课后复习掌握。 本书由北京建筑工程学院陈志新任第一主编，沈阳化工学院宗学军任第二主编，西南 科技大学武丽和南昌工程学院谢云敏任副主编，中北大学分校刘彬、河南科技学院李国厚 和陕西科技大学陈景文参加了编写。全书共分 10 章。第 1 章由陈志新编写，第 2 章由陈景 文编写，第 3、10 章由武丽编写，第 4、5 章由李国厚编写，第 6、7 章由刘彬编写，第 8 章由宗学军编写，第 9 章由谢云敏编写。陈志新对全书各章进行了修改并统稿。 由于编者水平有限，书中难免存在不当之处，敬请各位专家和读者批评指正。 编 者 2006 年 6 月 目 录 第 1 章 常用低压电器.....................................1 1.1 概述 .........................................................1 1.1.1 电器的分类..................................1 1.1.2 电器的作用..................................2 1.2 电磁式电器结构及工作原理 .................3 1.2.1 电磁机构原理..............................3 1.2.2 电磁吸力及其特性......................4 1.2.3 电弧的产生及灭弧方法..............6 1.3 电磁式接触器 .........................................9 1.3.1 接触器的结构及原理..................9 1.3.2 接触器的主要技术参数............10 1.3.3 接触器的型号............................11 1.3.4 接触器的选用............................12 1.4 电磁式继电器 .......................................12 1.4.1 电磁式继电器的结构与特性....13 1.4.2 电压继电器................................14 1.4.3 电流继电器................................15 1.4.4 时间继电器................................15 1.4.5 中间继电器................................17 1.5 热继电器 ...............................................18 1.5.1 热继电器的作用及工作原理....18 1.5.2 热继电器型号及选用................20 1.6 信号继电器 ...........................................21 1.6.1 温度继电器................................22 1.6.2 速度继电器................................23 1.6.3 压力继电器................................24 1.6.4 干簧继电器................................24 1.7 主令电器 ...............................................25 1.7.1 控制按钮....................................25 1.7.2 行程开关....................................26 1.7.3 万能转换开关............................28 1.7.4 主令控制器................................29 1.8 熔断器 ...................................................29 1.8.1 熔断器的结构与分类................29 1.8.2 熔断器的选用 ...........................31 1.9 低压开关和低压断路器 .......................32 1.9.1 低压开关 ...................................32 1.9.2 低压断路器 ...............................33 1.10 常用电子电器 .....................................35 1.10.1 晶体管时间继电器 .................35 1.10.2 固态继电器 .............................37 1.10.3 无触头行程开关 .....................38 思考题与习题 ................................................39 第 2 章 继电接触器与电动机的 电气控制.............................................40 2.1 电气控制系统的电路图及 绘制原则................................................40 2.1.1 电器控制线路常用的图形、 文字符号 ...................................40 2.1.2 电气原理图 ...............................44 2.1.3 电气安装接线图 .......................47 2.2 电气控制的基本环节及规律 ...............48 2.2.1 点动控制环节 ...........................48 2.2.2 连续运转控制环节 ...................49 2.2.3 启动、保护和停止控制环节 ...50 2.2.4 电气控制常用的保护环节 .......50 2.2.5 自锁控制与互锁控制 ...............52 2.2.6 多地联锁控制 ...........................53 2.2.7 多台电动机先后顺序 工作的控制 ...............................54 2.2.8 自动循环控制 ...........................55 2.3 三相异步电动机的启动控制 ...............55 2.3.1 三相笼型电动机直接 启动控制 ...................................55 2.3.2 星-三角形减压启动控制 .........56 2.3.3 延边三角形减压启动控制 .......57 2.3.4 定子绕组串电阻减压 启动控制 ...................................57 电器与 PLC 控制技术 VI VI 2.3.5 自耦变压器减压启动的控制....58 2.3.6 绕线转子绕组电动机的电路....59 2.4 三相异步电动机的制动控制 ...............61 2.4.1 电磁机械制动控制线路............61 2.4.2 三相异步电动机反接 制动控制....................................63 2.4.3 三相异步电动机能耗 制动控制....................................63 思考题与习题 ................................................64 第 3 章 电气控制系统的设计.....................65 3.1 电气控制系统设计的基本原则 ...........65 3.1.1 电气控制系统设计要求............65 3.1.2 电气控制系统设计的 基本内容....................................71 3.1.3 电气控制系统设计步骤............72 3.2 电气控制系统的设计方法 ...................73 3.2.1 分析设计法................................73 3.2.2 逻辑设计法................................75 思考题与习题 ................................................79 第 4 章 可编程控制器概述..........................81 4.1 可编程控制器的产生与发展 ...............81 4.1.1 可编程控制器的产生................81 4.1.2 可编程控制器的发展................82 4.2 可编程控制器的分类及特点 ...............84 4.2.1 可编程控制器的分类................84 4.2.2 可编程控制器的特点................85 4.2.3 PLC 的主要功能.......................87 4.2.4 PLC 的性能指标.......................88 思考题与习题 ................................................89 第 5 章 可编程控制器的结构 和工作原理........................................90 5.1 可编程控制器的基本结构 ...................90 5.1.1 CPU中央处理器.....................90 5.1.2 存储器........................................91 5.1.3 输入/输出模块 ..........................92 5.1.4 智能模块....................................93 5.1.5 编程设备....................................93 5.1.6 电源 ...........................................93 5.2 可编程控制器的资源与编程语言 .......93 5.2.1 可编程控制器的硬件资源 .......93 5.2.2 可编程控制器的编程语言 .......96 5.3 可编程控制器的工作原理 ...................97 5.3.1 可编程控制器的工作过程 .......98 5.3.2 可编程控制器的 输入/输出过程 ........................100 思考题与习题 ..............................................101 第 6 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统特性及硬件构成...................102 6.1 SIMATIC S7-200 系列 PLC 的 硬件系统..............................................102 6.1.1 概述 .........................................102 6.1.2 SIMATIC S7-200 系列 PLC 系统基本构成.................102 6.2 SIMATIC S7-200 系列 PLC 模块性能简介......................................104 6.2.1 CPU 模块.................................104 6.2.2 数字量模块 .............................107 6.2.3 模拟量模块 .............................109 6.2.4 温度测量模块 .........................115 6.2.5 智能接口模块 .........................117 思考题与习题 ..............................................123 第 7 章 SIMATIC S7-200 系列 PLC 基本指令系统.........................124 7.1 编程软件 STEP7-Micro/WIN32 简介......................................................124 7.2 指令及其结构 .....................................126 7.2.1 指令的组成 .............................126 7.2.2 寻址方式 .................................127 7.2.3 操作数 .....................................132 7.2.4 状态字 .....................................134 7.3 位逻辑指令 .........................................135 7.3.1 位操作指令 .............................135 7.3.2 位逻辑运算指令 .....................141 7.3.3 立即指令 .................................147 目 录 VII VII 7.3.4 位逻辑指令编程举例..............147 7.4 定时器与计数器指令 .........................152 7.4.1 定时器指令..............................152 7.4.2 计数器指令..............................156 7.4.3 定时器与计数器编程举例......159 7.5 数据处理功能指令 .............................164 7.5.1 传送指令和表功能指令..........165 7.5.2 转换指令..................................173 7.5.3 比较指令..................................183 7.5.4 移位和循环移位指令..............184 7.5.5 数据处理功能指令 编程举例..................................189 7.6 数据运算指令 .....................................190 7.6.1 算术运算指令..........................190 7.6.2 逻辑运算指令..........................197 7.6.3 数据运算指令编程举例..........200 7.7 程序控制指令 .....................................202 7.7.1 END、MEND、STOP 及 WDR 指令..........................202 7.7.2 跳转及循环指令......................204 7.7.3 子程序指令..............................208 7.7.4 中断程序控制指令..................211 7.7.5 程序控制指令编程举例..........215 7.8 S7 系列 PLC 的顺序控制指令...........218 7.8.1 状态转移图..............................218 7.8.2 顺序控制指令..........................219 7.8.3 顺序控制指令编程要点..........220 7.8.4 多流程顺序控制......................221 7.9 其他重要功能指令 .............................224 7.9.1 高速计数器指令......................224 7.9.2 高速脉冲输出指令..................230 7.9.3 PID 回路指令..........................236 7.9.4 时钟功能指令..........................243 思考题与习题 ..............................................245 第 8 章 SIMATIC S7-300 PLC 硬件特性与软件设计...................246 8.1 S7-300 概述.........................................246 8.1.1 概述..........................................246 8.1.2 组成部件..................................247 8.1.3 系统结构 .................................251 8.1.4 I/O 模块地址的确定...............252 8.2 S7-300 的 CPU 模块..........................253 8.3 S7-300 的输入/输出模块....................254 8.3.1 数字量输入模块 .....................254 8.3.2 数字量输出模块 .....................255 8.3.3 数字量输入/输出模块 ............255 8.3.4 模拟量模块 .............................256 8.3.5 模拟量输入/输出模块 ............259 8.3.6 模拟量模块的诊断与中断 .....260 8.4 S7-300 的编程语言.............................261 8.5 STEP 7 指令系统简介........................263 8.5.1 LAD/FBD 指令系统 ...............263 8.5.2 STL 指令系统 .........................269 8.6 编程方式与程序块、数据块 .............274 8.6.1 编程方式简介 .........................274 8.6.2 关于功能块 .............................277 8.6.3 功能块编程与调用 .................280 8.6.4 数据块 .....................................282 8.7 S7-300 的网络通信.............................285 8.7.1 MPI 通信介绍 .........................286 8.7.2 PROFIBUS 通信介绍 .............288 8.7.3 Industrial Ethernet 通信介绍 .................................289 8.8 S7-300 的程序设计.............................289 8.8.1 程序结构设计 .........................289 8.8.2 程序设计实例 .........................290 思考题与习题 ..............................................303 第 9 章 三菱 FX 系列 PLC 及其 指令系统...........................................304 9.1 FX 系列 PLC 简介..............................304 9.1.1 FX 系列 PLC 的特点..............304 9.1.2 FX 系列 PLC 型号 名称的含义 .............................304 9.1.3 FX 系列 PLC 的技术指标......305 9.2 FX 系列 PLC 的编程元件..................306 9.2.1 FX 系列 PLC 的用户 数据结构 .................................306 电器与 PLC 控制技术 VIII VIII 9.2.2 输入继电器和输出继电器......307 9.2.3 辅助继电器M.......................308 9.2.4 状态继电器S.........................310 9.2.5 定时器T ................................310 9.2.6 计数器C................................312 9.2.7 数据寄存器D........................314 9.2.8 指针P/I..................................315 9.3 FX 系列 PLC 的基本指令..................315 9.3.1 LD，LDI，OUT 指令............316 9.3.2 AND，ANI 指令.....................316 9.3.3 OR，ORI 指令........................317 9.3.4 ANB，ORB 指令....................317 9.3.5 栈操作指令..............................318 9.3.6 主控与主控复位指令..............319 9.3.7 取反指令..................................321 9.3.8 PLS 与 PLF 指令.....................321 9.3.9 边沿检测触点指令..................322 9.3.10 置位与复位指令....................322 9.3.11 NOP 与 END 指令................323 9.4 FX 系列 PLC 功能指令......................323 9.4.1 功能指令的基本表示方法......324 9.4.2 比较与传送指令......................325 9.4.3 算术运算与逻辑运算指令......328 9.4.4 程序流向控制指令..................330 9.4.5 循环移位与移位指令..............333 9.4.6 数据处理指令..........................336 9.4.7 浮点数运算指令......................340 9.4.8 时钟运算与格林码变换 指令..........................................342 9.4.9 触点型比较指令......................344 9.4.10 高速处理指令........................345 9.4.11 方便指令................................349 9.4.12 外部 I/O 设备指令................352 9.4.13 外部设备指令........................356 思考题与习题 ..............................................359 第 10 章 可编程控制器应用 系统设计..
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