PLC应用技术（第4版）（微课版）（西门子S7-200 SMART）课件 项目1、2 认识PLC、PLC编程元件和基本逻辑指令应用

项目一认识PLC【项目导读】可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是在继电器-接触器控制系统的基础上发展起来的一种数字运算操作电子系统，广泛应用于工业环境的自动控制系统中。本章主要介绍继电器-接触器控制系统和PLC的产生、定义、特点、分类、应用和发展趋势等基础知识，以及S7-200SMART系列PLC。【学习目标】

了解继电器-接触器控制系统的原理、特点。

了解PLC的产生、定义、特点、分类、应用和发展趋势等基础知识。

认识和理解PLC的基本组成、编程语言，深刻理解并熟练掌握PLC的内部等效电路及工作过程。

认识S7-200SMART系列PLC，掌握不同型号CPU模块的特点、应用场合。【素质目标】

培养自主学习新知识、新技能的主动性和意识。

培养通过网络搜集资料、获取相关知识和信息的能力。

培养与人沟通的基本能力。

培养工程意识（如安全生产意识、质量意识、经济意识和环保意识等）。

培养良好的职业道德和精益求精的工匠精神。【思维导图】目录01继电器-接触器控制系统02PLC的产生及定义03PLC的特点及分类05PLC的基本组成04PLC的应用及发展趋势06PLC的编程语言07PLC的内部等效电路及工作过程08S7-200SMART系列PLC简介继电器-接触器控制系统01以小型三相异步电动机启停控制为例：继电器-接触器控制系统基础交流接触器接触器由电磁机构（线圈、铁心、衔铁）、触点系统（主触点、辅助触点）、灭弧状置和其他部件组成。继电器-接触器控制系统基础01全压启停控制电路通过控制接触器线圈的通断实现电动机的启动和停止，接触器主触点控制电动机电源，热继电器提供过载保护。继电器-接触器控制系统基础02延时启停控制电路在基本控制电路基础上增加延时继电器，实现电动机的延时启动和停止，延时继电器的延时触点控制接触器线圈。控制电路分析自锁触点保持接触器线圈得电，实现电动机持续运行，按钮松开后仍保持运行状态，同时提供失压保护，防止电源恢复时电动机自行启动。这两个简单控制电路的输入设备和输出设备相同，即都是通过启动按钮SB2和停止按钮SB1控制接触器的线圈，但因为控制要求发生了变化，所以控制电路必须重新设计并重新配线安装。自锁与失压保护控制电路设计继电器-接触器控制系统的局限性系统采用机械触点，可靠性较低，检修困难，控制要求改变时需重新接线，工作量大，成本高。硬接线与灵活性随着技术发展，如PLC等新型控制装置出现，提供更可靠、灵活和节能的控制方案，简化系统设计和维护。控制系统的进化PLC的产生及定义02PLC的产生体积大、耗能多、可靠性不高，需新型控制系统替代。继电器控制系统局限01GM公司提出十大条件，强调可靠性、灵活性与成本竞争力。新型控制器需求021968年，GM寻求更高效控制器，推动新型工业控制器研发。PLC的诞生背景03041969年第一台PLC面世，满足编程、维修、成本与性能等要求。PLC研制成功从逻辑控制到多功能，广泛应用于全球工业控制，成为自动化装置主力。PLC发展与应用05PLC的定义1987年IEC标准定义PLC为工业环境下应用的电子装置，具有可编程存储器，执行逻辑、控制、计数等操作，并能通过数字或模拟方式控制各种过程。PLC的国际电工委员会定义设计用于工业环境，具有抗干扰能力，适应性强，功能可扩展，早期主要替代继电器控制系统。PLC的特性从“可编程逻辑控制器”到“可编程控制器”，增加了对模拟量的控制，功能超越了逻辑控制。PLC的演变PLC的特点及分类03PLC的特点现代PLC采用工业级元器件与软件抗干扰措施，确保在恶劣环境中高度可靠且能自我诊断故障。01PLC编程语言多样，梯形图直观易懂，深受电气技术人员喜爱，功能图语言使编程更便捷。02PLC产品功能多样，模块化设计便于组合扩展，适应不同规模和需求的控制系统。03PLC接线简单，通过模拟调试和故障指示装置，实现便捷的调试维修。04可靠性高，抗干扰能力强编程方便，操作性强功能完善，应用灵活使用简单，调试维修方便PLC的分类PLC按I/O点数和存储容量分为小型、中型、大型，功能上分为低档、中档、高档机，大型机通常属于高档机。按应用规模和功能分类PLC按硬件结构分为整体式、模块式和叠装式。整体式紧凑、价格低，常用于小型系统；模块式灵活、便于扩展，适合中大型系统；叠装式结合两者优点。按硬件的结构形式分类PLC的应用及发展趋势04PLC的应用PLC广泛用于顺序控制，替代继电器，涉及单机、多机群、自动化流水线，如注塑、印刷、装配等领域。顺序控制PLC通过专用指令或模块控制运动，实现多轴位置控制，常用于机械、机床、机器人和电梯等领域的运动控制。运动控制PLC通过模拟量模块进行A/D、D/A转换，实现PID闭环控制，广泛应用于各工业设备中。过程控制PLC的应用PLC能进行数据采集、分析和处理，可与参考值比较，传输到其他设备，或制表打印，是工业数据处理的核心工具。数据处理PLC通过通信与计算机等设备连接，构成分布式控制系统，实现信息交换和自动化网络。通讯和联网PLC的发展趋势01微小型化：体积更小、速度更快，面向中小型工业控制，实现机电一体化和家庭自动化。微小型化02大型PLC向大存储、高速度、高I/O点数发展，强化网络通信能力，构建工厂自动化控制系统。大型网络化03开发智能模块以满足特殊功能需求，如模糊控制、语言处理等，融合控制与管理功能。智能化04PLC成为工业控制主要手段，与机器人技术、CAD/CAM技术并列，支撑现代大生产自动化需求。支撑自动化PLC的基本组成05PLC硬件结构CPU包括控制器、运算器和寄存器，集成在单一芯片，通过总线与内存、I/O接口等连接。CPU组成常见8位、16位或32位单片机，专用CPU提供更强处理能力，处理信息量大，运算速度快。如FX2N系列采用16位8096单片机。CPU类型与性能作为PLC核心，执行用户程序，处理输入/输出，监控系统状态，诊断故障，进行数据运算与控制。CPU功能接收并存储用户程序，实时接收输入设备状态，执行控制任务，更新输出设备，实现高效控制。CPU在PLC中的应用存储器系统程序存储器包含管理、用户指令解释和标准程序模块，控制PLC运行，影响其性能。系统程序存储器01用户程序存储器用于存放用户针对控制任务编写的程序，可选用RAM、EPROM或EEPROM，目前常使用闪速存储器，掉电数据不丢失。用户程序存储器02工作数据存储器存储用户程序中的ON/OFF状态、数值数据，包含元件映像寄存器和数据表，用于存储开关量、内部器件状态、变量参数值等信息。工作数据存储器03输入接口电路I/O接口电路PLC通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成PLC所需的标准电平供PLC进行处理。接到PLC输入接口的输入器件是：各种开关、按钮、传感器等。PLC输入电路通常有三种类型：①直流(12～24)V输入、②交流(100～120)V输入与交流(200～240)V输入③交直流(12～24)V输入。各种PLC的输入电路大都相同，PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。

直流输入接口电路

交流输入接口电路

交直流输入接口电路输出接口电路作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。三种形式：继电器——既可接直流负载，也可接交流负载 双向晶闸管——能接交流负载 晶体管——只能接直流负载I/O接口电路双向晶闸管

晶体管输出电路

晶闸管输出电路

继电器输出电路电源在外部电源故障时，使用锂电池作为后备电源，保护PLC内部程序和数据不丢失。对外部电源要求不高，能提供直流24V稳压电源供外部传感器使用，确保PLC正常工作。转换交流电为内部组件所需的直流电，内置稳压措施，可接受电源电压-15%～10%的偏差。PLC稳压电源模块电源模块功能电源保护机制外部设备编程器用于输入PLC用户程序，可检查、修改程序，实现人机对话。分为简易型和智能型，智能型支持图形编程和脱机编程。编程器PLC可配存储器卡、EPROM写入器等外部设备，实现多功能扩展与数据交互。其他外部设备PLC的编程语言06PLC的软件系统软件包含系统的管理程序、用户指令的解释程序以及一些供系统调用的专用标准程序块等。系统软件在用户使用PLC之前就已装入计算机内，并永久保存，在各种控制工作中不需要更改。系统软件应用软件又称为用户软件或用户程序，是由用户根据控制要求采用PLC专用的程序语言编制的应用程序，以实现所需的控制目的。目前常用的PLC编程语言有梯形图程序、指令表程序、状态转移图、逻辑功能图及高级语言等。应用软件PLC的编程语言图形化编程语言，源自继电器控制，结合微型计算机，功能超越传统电路。梯形图程序概念两者皆可控制三相电机正转自锁，梯形图更灵活，体现微型计算机优势。与继电器电路比较简化电路，加入强效指令，易编程，实现复杂控制，广泛应用于PLC。编程特点遵循一定规则，各厂家略有差异，但基本结构和原则保持一致。编程规则01020304梯形图程序PLC的编程语言梯形图程序PLC的编程语言梯形图其他编程语言语句表直观简便，因具有类似电气控制原理图的结构而易于理解，但面对复杂控制过程时对设计人员编程经验的依赖性比较高。类似汇编语言，每控制功能由语句组成，便于实现复杂逻辑。顺序功能图适用于流程性控制任务。功能块图：在实践中使用较少。结构文本：具有数学运算、数据处理等功能。PLC的内部等效电路及工作过程07PLC的内部等效电路继电器-接触器控制系统输入设备如按钮、开关通过输入端子连接，输出设备如接触器线圈通过输出端子连接。PLC输入与输出部分输入部分包括按钮、开关、传感器，通过输入接口与PLC连接。输出部分有接触器、信号灯等，通过输出接口与PLC相连。内部电路等效PLC的程序控制可等同于内部继电器、接触器组成的电路，其中输入COM端为24V电源负端，输出COM端接用户负载电源。PLC的工作过程PLC有两种工作模式，即运行（RUN）模式与停止（STOP）模式PLC的工作过程输入采样阶段输出刷新阶段CPU按先左后右、先上后下的步序对语句逐句扫描执行，更新输出映像寄存器。程序执行阶段PLC扫描输入端子的状态，存入内存的输入映像寄存器中，为后续程序执行准备。CPU将输出继电器状态存入锁存器，经隔离电路驱动外部负载，完成一个扫描周期。PLC的工作过程PLC的工作特点PLC采用循环扫描工作方式，从第1条指令开始按顺序执行，不断重复此过程，每次扫描时间称为扫描周期。循环扫描工作方式PLC采用“串行”的循环扫描工作方式，与微型计算机的并行运行和继电器控制的即时动作方式不同。与其他控制系统工作方式区别S7-200SMART系列PLC简介08PLC的软件顺序功能图适用于流程性控制任务，在编程中具有上手简单、逻辑清晰、化繁为简的效果。功能块图以布尔逻辑运算的“与”“或”“非”等功能指令进行编程，但在实践中使用较少。结构文本是一种类似于C语言、Pascal语言的高级编程语言，具有数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，使用更为广泛，功能更强，在复杂控制任务编程方面已取代语句表。S7-200SMART系列PLC的部分型号支持RS-485或以太网通信，有标准型和经济型（有的地方也称“紧凑型”）两种类型、多种不同的型号供选择，此外更有多种特殊功能模块提供给不同客户。1.CPU模块CPU模块的型号第一个字母表示产品线：经济型（C）或标准型（S）01第二个字母表示输出类型继电器输出型（R）或晶体管输出型（T）02数字表示总板载数字量I/O计数元03后的小写字母“s”表示新的经济型号04有SR/ST标准型和CR经济型两种类型，包括14个型号：CR20s、CR30s、CR40s、CR60s、CR40、CR60、SR20、ST20、SR30、ST30、SR40、ST40、SR60、ST60。CPU模块的外部端子接线CPU模块的外部端子接线数字量输出有两种方式，即晶体管输出和继电器输出，接线方式如图所示：2.信号板只有标准型CPU支持信号板安装。型号规格功能描述SBDT042DI/2DO晶体管输出提供额外的数字量I/O扩展，支持2路数字量输入和2路数字量场效应晶体管输出SBAE011AI提供额外的模拟量输入扩展，支持1路模拟量输入，量程为±10V、±5V、±2.5V或0～20mA，电压模式分辨率为11位+符号位，电流模式分辨率为11位，满量程对应的数字量分别为−27648～27648和0～27648SBAQ011AO提供额外的模拟量输出扩展，支持1路模拟量输出，电压输出范围为±10V，电流输出范围为0～20mA，对应的数字量范围分别为−27648～27648和0～27648SBCM01RS-232/RS-485提供额外的RS-232或RS-485串行接口，在组态和使用时只能选择其中一种，通过编程软件设置接口类型SBBA01实时时钟保持支持普通的CR1025纽扣电池，能断电保持时钟运行约1年3.数字量扩展模块数字量输入模块（如EMDE08、EMDE16）、数字量输出模块（如EMDR08、EMDT08、EMQR16、EMQT16）、数字量I/O模块（如EMDR16、EMDT16、EMDR32、EMDT32）型号输入点数输出点数输入方式输出方式电流消耗/mADC5VDC24VEMDE0880漏型/源型—105每点输入4EMDE16160漏型/源型—105每点输入4EMDR0808—继电器12011EMDT0808—晶体管（源型）120—EMQR16016—继电器110150（所有继电器开启）EMQT16016—晶体管（源型）12050EMDR1688漏型/源型继电器145每点输入4EMDT1688漏型/源型晶体管（源型）145每点输入4EMDR321616漏型/源型继电器180每点输入4EMDT321616漏型/源型晶体管（源型）185每点输入44.模拟量扩展模块S7-200SMART系列PLC有9种型号的模拟量扩展模块：型号描述型号描述EMAE044通道模拟量输入EMAM064通道模拟量输入/2通道模拟量输出EMAE088通道模拟量输入EMAR022通道模拟量输入EMAQ022通道模拟量输出EMAR044通道模拟量输入EMAQ044通道模拟量输出EMAT044通道模拟量输入EMAM032通道模拟量输入/1通道模拟量输出——5.其他模块EMDP01PM207EMDP01模块的接口数量为1，采用RS-485接口，支持Profibus-DP和MPI协议，传输速率从9.6kbit/s到12Mbit/s自动设置，传输距离随着传输速率的提高而缩短。PM207模块的额定电压为AC120V/230V，输入电压宽范围自调节AC85～264V，可提供3A、5A、10A的输出电流。谢谢项目二PLC编程元件和基本逻辑指令应用【项目导读】编程元件是PLC的重要元素，是各种指令的操作对象。基本逻辑指令是PLC中应用十分频繁的指令，是程序设计的基础。本项目主要介绍三菱FX3U系列PLC的编程元件和基本逻辑指令及其编程使用。【学习目标】认识和理解PLC的编程元件如I/O继电器、定时器、计数器等的功能和工作原理，深刻理解并熟练掌握PLC基本逻辑指令的编程应用。根据特定的控制任务要求绘制PLC电气原理图，完成简单的PLC控制系统设计。综合应用基本逻辑指令进行简单、中等及复杂的PLC控制系统设计，包括控制要求分析、拟定控制方案、绘制PLC电气原理图、设计梯形图程序并完成接线调试等。【素质目标】

培养团队协作意识、创新意识和严谨求实的科学态度。

培养与人沟通的基本能力。

培养自主学习新知识、新技能的主动性和意识。

培养工程意识（如安全生产意识、质量意识、经济意识和环保意识等）。

培养通过网络搜集资料、获取相关知识和信息的能力。

培养良好的职业道德和精益求精的工匠精神。【思维导图】目录01三相电动机全压启停控制02三相异步电机正反转控制03三相异步电动机延时启动控制05洗手间冲水清洗控制04进库物品统计监控06七段数码管显示设计三相电动机的全压启停控制任务一任务分析在电气控制中，对于小型三相交流异步电动机，一般采取全压启停控制。图2-1所示为三相电动机全压启停的继电器-接触器控制电路。按下启动按钮SB2，接触器线圈KM得电，其主触点闭合使电动机全压启动；按下停止按钮SB1，电动机停止运行。如何用PLC进行控制呢？相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令PLC编程元件中的软继电器是虚拟器件，由电子电路和存储器构成，其结构和动作原理与物理继电器类似，但只能在PLC内部编程使用。不同型号的PLC，软继电器的数量和种类会有所差异。PLC编程元件：软继电器01相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令输入继电器（I）是PLC专门用来接收外界输入信号的内部虚拟继电器。输入继电器线圈在PLC内部与输入端子相连，其有无数常开触点和常闭触点，可供用户在PLC编程时随意使用。因为输入继电器线圈通过输入端子和外部的输入设备连接，所以只能由输入信号驱动，不能由程序驱动。S7-200SMART系列PLC的输入继电器采用字母I、字节地址和位地址联合编址。例如，I0.4表示输入继电器0字节的4位。1个字节包含8个位，因此西门子PLC的输入继电器地址为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7等，S7-200SMART系列PLC的输入继电器地址范围为I0.0～I31.7。输入继电器02输出继电器（Q）是PLC专门用来将程序执行的结果信号送达并控制外部负载的虚拟继电器。输出继电器线圈由程序驱动，其有一个常开触点在PLC内部直接与输出端子相连，以控制和驱动外部负载。输出继电器有无数常开触点和常闭触点，可供用户在PLC编程时随意使用。S7-200SMART系列PLC的输出继电器采用字母Q、字节地址和位地址联合编址，例如Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7、Q2.0～Q2.7等，S7-200SMART系列PLC的输出继电器地址范围为Q0.0～Q31.7。输出继电器（Y）03相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令1个输入设备原则上占用PLC的1个输入继电器地址（也称为输入点）；1个输出设备原则上占用PLC的1个输出继电器地址（也称为输出点）。选择I/O设备，分配I/O地址，绘制I/O接线图04相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令梯形图程序：左、右母线类似于继电器-接触器控制电路中的电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图程序由若干梯级组成，自上而下排列，每个梯级起于左母线，经输入触点和输出线圈，止于右母线，右母线可以不画出。PLC编程05相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令语句表程序是一种与计算机汇编语言类似的助记符编程方式。PLC编程05（1）取/取反（LD/LDI）指令功能：取单个常开触点或常闭触点与母线（包括左母线、电路块母线、分支母线等）相连。操作元件有I、Q、V、M、T、C。（2）输出（＝）指令功能：驱动线圈。操作元件有Q、M、T、C等。S7-200SMART系列PLC的基本逻辑指令06相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令相关知识—I/O继电器、基本逻辑指令（3）与/与非（A/AN）指令功能：串联单个常开触点或常闭触点。（4）或/或非（O/ON）指令功能：并联单个常开触点或常闭触点。注意：并联起点规定在O/ON指令之前最近的LD/LDN指令处S7-200SMART系列PLC的基本逻辑指令06任务实施（1）按照I/O接线图规范接线（2）输入程序（3）观察运行结果程序调试根据上述梯形图程序，写出对应的指令表程序，如图2-9所示。编写电动机全压启停的指令表程序按下启动按钮SB2，电动机启动；按下停止按钮SB1或过载，电动机停止，实现全压启停控制。编写电动机全压启停的指令表程序010203I1.0I1.1L+Q0.0LQ0.0Q0.0知识拓展——常闭触点的输入信号处理I1.0I1.1L+Q0.0LQ0.0Q0.0知识拓展——S/R指令与=指令的用法比较常闭触点在接线图中的状态要与梯形图程序中的触点状态相适应。在工业控制中，停止按钮、限位开关及热继电器触点等在接线图中常使用常闭触点，以提高安全保障，此时要注意对梯形图程序中的触点状态做相应的改变。常闭触点的输入信号处理置位（S）指令使操作元件置位（接通并具有保持该状态的功能）；复位（R）指令使操作元件复位（断开并具有保持该状态的功能）。当S和R指令同时接通时，写在后面的指令有效。S/R指令知识拓展——

常闭触点的输入信号处理、置位/复位指令任务拓展—三相异步电动机的两地启停控制某些生产机械需要在几个地方都能进行控制。图2-15所示为万能卧式铣床外形图，为操作方便，需要在铣床的正面和侧面都能进行主轴及工作台的启停控制。请读者思考如何运用所学知识完成这样的控制任务，详情见学习任务工单1。三相异步电动机的正、反转运行控制任务二任务分析在生产设备中，很多运动部件需要两个相反的运动方向，这就要求电动机能实现正、反两个方向的转动。由三相交流电动机的工作原理可知，实现电动机反转的方法是将任意两根电源线对调。电动机主电路需要两个交流接触器分别提供正转和反转两个不同相序的电压。任务分析I0.0——SB1（停止按钮，接常开触点）；I0.1——SB2（正转启动按钮）；I0.2——SB3（反转启动按钮）；I0.3——FR（热继电器常闭触点）；Q0.1——KM1（正转接触器）；Q0.2——KM2（反转接触器）。选择I/O设备，分配I/O地址，绘制I/O接线图根据继电器-接触器控制系统原理，设计电动机正、反转的梯形图程序。设计PLC控制程序相关知识—PLC基本逻辑指令（二）功能：串联一个并联电路块，无操作元件。（1）并联电路块的起点用LD/LDN指令，并联电路块编写完毕后使用ALD指令将其与前面的电路串联。（2）有多个并联电路块串联时，如果依次用ALD指令与前面的电路连接，支路数量没有限制；如果连续使用ALD指令编程，使用次数应不超过32次。与装载指令（ALD）01相关知识—PLC基本逻辑指令功能：并联一个串联电路块，无操作元件。或装载指令（OLD）02相关知识—PLC基本逻辑指令ALD指令和OLD指令的综合应用相关知识—PLC基本逻辑指令PLC中有一个32位的堆栈存储器，用于存储中间结果。堆栈存储器的操作规则：先进栈的数据后出栈，后进栈的数据先出栈。LPS（LogicPush）——逻辑入栈指令，复制栈顶的数据并将其压入逻辑堆栈的第2层，栈内原有的数据依次下移一层，堆栈最底部数据被推出。LRD（LogicRead）——逻辑读栈指令，将堆栈中第2层的数据复制到栈顶，原栈顶的数据被复制数据取代，栈中其他各层数据不变。LPP（LogicPop）——逻辑出栈指令，弹出栈顶的数据，其他各层的数据依次上移一层。逻辑堆栈指令03相关知识—PLC基本逻辑指令逻辑堆栈指令03相关知识—PLC基本逻辑指令逻辑堆栈指令03任务实施根据图2-18所示，用逻辑堆栈指令编写的电动机正、反转语句表程序。按照I/O接线图接好外部各线，输入电动机正、反转控制程序，进行运行调试，观察结果。任务实施本任务的控制程序也可以用S/R指令设计完成，如图2-26所示。知识拓展—S7-200SMART仿真软件的使用在网络上用搜索工具搜索“S7-200仿真软件”，找到S7-200的仿真软件压缩包，下载并解压缩后，双击运行“S7-200汉化.exe”文件，就可以打开它。设置CPU型号，配置扩展模块。用户还可以修改CPU的网络地址，一般使用默认的地址2。01仿真软件不能直接接收S7-200SMART的用户程序，必须用“导出”功能将S7-200SMART的用户程序转换为ASCII文本文件，然后下载到仿真软件中。02生成ASCII文本文件后，单击仿真软件工具栏上的“下载”按钮，开始下载程序。在出现的“下载CPU”对话框中选择下载什么块，一般选择下载逻辑块。03用鼠标切换CPU模块下面开关板上各个小开关的通断状态，改变PLC上输入变量的状态。通过模块上的LED观察PLC输出点的状态变化，可以了解程序执行的结果是否正确。04硬件设置生成ASCII文本文件下载程序模拟调试程序任务拓展—机床工作台的自动往复运动控制学习任务工单2机床设备中做往复运动的工作台或刀具拖板等运动部件，需要频繁地进行正、反转切换。合理利用位置检测器件，可实现运动部件往复循环的自动控制。请应用已学知识完成学习任务工单2。三相异步电动机的延时启动控制任务三任务分析按下启动按钮SB1，延时继电器线圈KT得电并自保，延时（比如50s）后接触器线圈KM得电，电动机启动运行。按下停止按钮SB2，电动机停止运行。延时继电器KT使电动机完成延时启动的任务。用PLC进行控制时要怎样完成这一任务呢？控制要求：相关知识—定时器功能：用于定时操作，起延时接通或延时断开电路的作用。相当于继电器—接触器控制系统中的延时继电器。结构：设定值寄存器（16位）、当前值寄存器（16位）、线圈以及无数个常开/常闭触点（延时触点）。实质：在PLC内部，定时器是通过对内部某一时钟脉冲进行计数来完成定时的。常用的计时脉冲有3类，即1

ms、10

ms和100

ms。不同的计时脉冲，其计时精度不同。设定值：设定计时脉冲的个数（范围为1～32

767），脉冲的数量可用常数设定，也可用某些寄存器设定。。地址编号：定时器采用字母T和十进制数字编址，如T0、T1、T2等。S7-200SMART系列PLC的定时器地址范围为T0～T255。相关知识—定时器类型：S7-200SMART系列PLC有3种类型的定时器，分别是接通延时定时器TON、断开延时定时器TOF和保持型接通延时定时器TONR。定时器类型定时器地址计时时基最大定时时间TONRT0和T641ms32.767sT1～T4和T65～T6810ms327.67sT5～T31和T69～T95100ms3276.7sTON、TOFT32和T961ms32.767sT33～T36和T97～T10010ms327.67sT37～T63和T101～T255100ms3276.7s相关知识—定时器接通延时定时器01定时器线圈被驱动时，计时开始，当前值不断增大，达到设定值时触点动作（常开触点闭合、常闭触点断开）；定时器线圈失电时，当前值立即清零，触点立即复位（常开触点断开、常闭触点闭合）。TON是接通延时定时器的标识符，Tn是定时器地址，IN是定时器线圈的启动信号输入端，PT是时间设定值，用于设定脉冲的数量。相关知识—定时器应用举例设计照明灯的控制程序。要求：当按下接在I0.0上的启动按钮后，接在Q0.0上的照明灯可发光30s。如果在这段时间内又有人按下启动按钮，则时间间隔从头开始计算。这样可确保在最后一次按下启动按钮后，灯光维持30s的照明。相关知识—定时器断开延时定时器02TOF是断开延时定时器的标识符。定时器线圈被驱动时，当前值清零，触点立即动作（常开触点闭合、常闭触点断开）；定时器线圈失电时，当前值开始计数，达到设定值时触点复位（常开触点断开、常闭触点闭合），当前值保持不变。相关知识—定时器①同一程序中，TON与TOF不能应用于相同的定时器地址，例如不能同时对T37使用指令TON和TOF。②在第一个扫描周期，TON和TOF均被自动复位，当前值清零、定时器触点状态复位。③可以用复位指令R复位定时器。复位信号接通时，定时器线圈和触点均复位，当前值清零，并且不计时。特别说明：相关知识—定时器保持型接通延时定时器03TONR是保持型接通延时定时器的标识符。TONR与TON的区别在于：TONR的线圈驱动信号断开时，当前值保持不变，触点的状态也保持不变；当线圈再次被接通时，TONR累计计数。需要注意的是，只能用复位指令R将TONR复位。复位后TONR的当前值清零、触点状态复位。相关知识—辅助继电器辅助继电器（M）不能直接对外输入和输出，经常用于状态暂存、中间运算等，类似于继电器-接触器控制系统中的中间继电器。辅助继电器在结构上有线圈和触点，其常开触点和常闭触点可以无限次在程序中使用，但不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须由输出继电器进行。辅助继电器采用字母M、字节地址和位地址联合编址。S7-200SMART系列PLC的辅助继电器地址范围是M0.0～M31.7。有断电保持功能的辅助继电器用于保存停电前的状态，并在运行时再现该状态的情形。打开STEP7-Micro/WINSMART编程软件，双击指令树中的“系统块”图标，在“系统块”对话框的“保持范围”选项中可以设置断电保持的辅助继电器地址范围，如图2-40所示，表示对辅助继电器进行断电保持设置，其断电保持范围为从M14.0开始的18个连续字节，即M14.0～M31.7。设置完成后要在下载时将系统块下载到PLC中才能生效。相关知识—辅助继电器应用举例设计路灯的控制程序。要求：每晚7点由工作人员按下按钮I0.0，点亮路灯Q0.0，次日凌晨用按钮I0.1关闭路灯。需要特别注意的是，如果夜间出现意外停电，则要求供电恢复后继续点亮路灯。首先，设置断电保持的辅助继电器地址范围为M14.0～M31.7。图2-41所示是路灯的控制程序：任务实施I0.0—SB1启动按钮，I0.1—SB2停止按钮，与FR并联。Q0.0—接触器KM线圈。选择I/O设备，分配I/O地址，画出I/O接线图01根据继电器控制原理，设计PLC程序，X20提供启动信号，M0自保，T0定时，实现电动机延时启动。设计PLC控制程序02接好各信号线，输入程序，观察运行结果。程序调试03任务实施-拓展图2-44、2-45所示分别是用TON、TOF设计的电动机延时启动、延时停止的PLC梯形图程序。知识拓展—定时器延时扩展电路单个定时器最长的延迟时间为3276.7s，如果生产实际中要求的延迟时间大于此数据，就需要使用定时器延时扩展电路，即用两个或多个定时器串联定时。计时中计时中计时中知识拓展—定时器振荡电路计时中计时中知识拓展—定时器振荡电路计时中计时中知识拓展—定时器自复位电路任务拓展—两台电动机的顺序启停控制由多台电动机拖动的机械设备，通常对电动机的启停控制有一定的顺序要求，称为电动机的顺序启停控制。请读者思考如何运用所学知识完成这样的设计任务，详情见学习任务工单3。进库物品的统计监控任务四任务分析01有一个小型仓库，工作人员需要对每天存放进来的物品进行统计：当物品达到150件时，仓库监控室的黄灯被点亮；当物品达到200件时，仓库监控室的红灯以1s的时间间隔闪烁报警。要求02本任务的关键是对进库物品进行统计计数。解决的思路是在进库口设置传感器，以检测是否有物品进库，然后将传感器的检测信号通过输入端子传给PLC进行计数。分析相关知识—计数器计数器是PLC的重要内部元件，在CPU执行扫描操作时对内部元件I、Q、M、S、T、C的信号进行计数。01设定值寄存器（16位）、当前值寄存器（16位）、一个线圈以及无数个常开/常闭触点（位）。02西门子PLC的计数器采用字母C和十进制数字编址，如C0、C1等。S7-200SMART系列PLC的计数器地址范围为C0～C255。03S7-200SMART系列PLC有3种类型的计数器，分别是加计数器、减计数器和加减双向计数器。04功能结构地址编号分类相关知识—计数器加计数器01CTU为加计数器的标识符，CU为计数脉冲输入端，R为复位信号输入端，PV为计数脉冲设定值，Cn为计数器地址。相关知识—计数减计数器02CTD为减计数器的标识符，CD为计数脉冲输入端，LD为复位信号输入值，PV为计数脉冲设定值，Cn为计数器地址。相关知识—计数器加计数器和减计数器都只能单方向计数，只是计数的方向不同而已。加计数器的当前值等于设定值后还可以继续计数，所以加计数器的当前值可以在一定范围（SV≤32767）内真实反映计数脉冲的数量。减计数器在当前值SV=0后便不再计数，因此工程实际中多采用加计数器进行单向计数。从以上两种计数器的工作原理可以看出，计数器有两种工作状态，即复位状态和计数状态。当复位信号接通时计数器处于复位状态，此时，当前值清零（加计数器）或当前值等于设定值（减计数器），触点复位，并且不计数。因此，在分析程序时首先要判断计数器是否处于复位状态，只有当计数器的复位信号断开，计数器处于计数状态时才会计数。所有的计数器均可设置断电保持功能。特别说明：相关知识—计数器应用举例某包装线上需要对生产的产品进行计数，每100件产品进行打包装箱相关知识—特殊继电器SM0.0（运行监控）：当PLC运行时，SM0.0始终为“1”状态，可以利用其常开触点驱动输出继电器，在外部显示程序是否处于运行状态。SM0.1（初始脉冲）：每当PLC开始运行时，SM0.1线圈接通一个扫描周期，因此SM0.1的常开触点常用于调用初始化程序。SM0.4（1min时钟脉冲）、SM0.5（1s时钟脉冲）：当PLC处于运行状态时，SM0.4产生周期为1min的时钟脉冲，SM0.5产生周期为1s的时钟脉冲，占空比均为50%。SM1.0、SM1.1和SM1.2分别是运算指令执行完毕后的零标志位、溢出标志位和负数标志位。PLC内部有很多特殊继电器（SM），这些特殊继电器各自具有特定的功能。任务实施I0.0——进库物品检测传感器；I0.1——监控系统启动按钮（计数器复位按钮）SB；Q0.0——监控室红灯L0；Q0.1——监控室黄灯L1。选择I/O设备，分配I/O地址，绘制I/O接线图01任务实施程序（一）每进库一件物品，传感器就通过X0输入一个信号，计数器C0、C1分别计数一次。C0计满150件时其触点动作，使黄灯（Y1）点亮；C1计满200件时其触点动作，与M8013（1s时钟脉冲）串联后实现红灯（Y0）以1s的时间间隔闪烁报警。设计控制程序02任务实施程序（二）当C0计满150件后再用C1接着计数，计满51件后让红灯闪烁。因为当第150件物品到来时，C0的当前值达到设定值，其常开触点闭合使C1计数一次，所以C1的设定值是51而不是50，这一点应格外注意。设计控制程序02任务实施按照I/O接线图接好电源线、通信线及I/O信号线，输入程序进行调试，直至满足要求。程序调试03加减双向计数器（CTUD）：用一个计数器实现两个方向的计数。CTUD为加减双向计数器的标识符，CU为加计数脉冲输入端，CD为减计数脉冲输入端，R为双向计数器的复位端，PV为双向计数器的设定值，Cn为计数器地址。知识拓展——加减双向计数器知识拓展——加减双向计数器应用举例对进出仓库的物品都进行统计，实现对库存物品的监控。硬件方面增加一个物品进出库方式开关I0.2。使用一个传感器对进出仓库的物品进行检测，通过I0.0端子发送计数信号给PLC。当物品需要出库时将I0.2合上，使CU端断开，为CD端实现减计数作好准备。此时每出库一件物品I0.0给CD端提供一个脉冲，双向计数器的当前值减1。当物品需要进库时将I0.2断开，使CD端断开，为CU端实现加计数做好准备。此时每进库一件物品I0.0给CU端提供一个脉冲，双向计数器的当前值加1。这样就实现了双向计数。知识拓展——计数器自复位电路应用举例设计时钟电路程序：采用T37、T38两个定时器构成的振荡电路产生1s脉冲信号（Q0.0）并送入C0进行计数。C0每计数60次（1min）就向C1发出一个计数信号，C1每计数60次（1h）就向C2发出一个计数信号。C0、C1分别计数60次，C2计数24次。Q0.0产生60个脉冲即C0计满60次后需及时复位，以便进入下一轮计数，也就是说C0要循环计数，这是计数器自复位电路的典型应用。后面的C1、C2也是如此。知识拓展——计数器自复位电路S7-200SMART系列PLC的计数器计数的最大值是32767，若需更大的计数范围，则要进行扩展。可用两个计数器对进库物品进行计数，C0达到设定值时C1才开始计数，总计数值等于C0的设定值加上C1的设定值减1知识拓展——计数范围扩大还可以用定时器和计数器串联使用扩大定时器的定时范围。知识拓展——计数范围扩大任务拓展—间歇润滑装置的自动控制定时器、计数器在工业控制中应用非常广泛。例如，某些间歇润滑装置就需要运用定时器进行自动控制，详情见学习任务工单4，请运用定时器知识进行设计。洗手间的冲水清洗控制任务五任务分析当使用者进去时，光电开关动作使X0接通，3s后Y0接通，使控制水阀打开，开始冲水，时间为2s；使用者离开后，再一次冲水，时间为3s。要求根据本任务的控制要求，可以画出洗手间的冲水清洗控制I/O波形。分析相关知识—跳变触点指令正跳变触点（EU）指令的功能是当检测到一次上升沿（触点的输入信号由0变为1）时，触点接通一个扫描周期。负跳变触点（ED）指令的功能是当检测到一次下降沿（触点的输入信号由1变为0）时，触点接通一个扫描周期。正、负跳变触点可以将输入信号的宽脉冲变成两个窄脉冲使用。知识拓展——跳变触点指令应用举例单按钮（I0.7）实现电动机（Q0.5）的启停控制。知识拓展——跳变触点指令应用举例设计单按钮控制台灯两挡发光亮度的程序。要求：按钮（I0.5）第1次被按下时，Q1.0接通；I0.5第2次被按下时，Q1.0和Q1.1都接通；I0.5第3次被按下时，Q1.0、Q1.1都断开。任务实施设计洗手间的冲水清洗控制程序时，可以分别采用正跳变触点指令和负跳变触点指令作为Q0.0第1次接通前的开始定时信号和第2次接通的启动信号。注意：同一编号的继电器线圈不能在梯形图程序中出现两次，否则称为“双线圈输出”。七段数码管显示设计任务六任务分析LED数码管（也称“七段数码管”）由7段条形LED和一个圆点LED组成，根据条形LED和圆点LED的亮暗可以显示0～9共10个数字和许多字符。设计用PLC控制的LED数码管显示程序，要求：分别按下X0、X1和X2时，数码管相应显示数字“0”“1”“2”；按下X3时，数码管显示小圆点。每个字符显示1s后自动熄灭。有共阴极和共阳极两种接法。在共阴极接法中，COM端子一般接低电平，这样只需控制阳极端子的电平高低就可以控制数码管显示不同的字符。七段数码管结构任务分析相关知识—梯形图程序设计规则与梯形图程序优化（1）I/O继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等器件的触点可以多次重复使用，无须复杂的程序结构来减少触点的使用次数。（2）梯形图程序每行都是从左母线开始的，经过许多触点的串、并联，最后用线圈终止于右母线。触点不能放在线圈的右边，任何线圈不能直接与左母线相连。（3）在梯形图程序中，不允许同一编号的线圈多次输出（即不允许双线圈输