电气控制工程师手册

全书分为7篇21章，包括： 第1篇 电气控制与识图，包括低压电器的工作原理、图形符号、文字符号、功能和选型；低压电气基本控制回路；电气控制回路的识读；传感器的接线。 第2篇 西门子S7-1200 PLC硬件和指令系统介绍，包括S7-1200系列PLC硬件、S7-1200系列PLC硬件接线、S7-1200系列PLC编译软件和S7-1200系列PLC指令系统、PLC的编程方法与调试、PLC在过程控制中的应用，章节中还有典型的工程应用实例讲解。 第3篇 变频器技术及其应用介绍，包括变频器的工作原理、G120变频器的接线与操作、G120变频器的运行与功能、变频器的常用外围电路、G120变频器的参数设置与调试，章节中还有典型的工程应用实例讲解。 第4篇 步进驱动与伺服驱动系统介绍，包括步进驱动系统的结构和工作原理、步进驱动系统的应用（速度控制和位置控制）、伺服原理与系统、三菱伺服系统介绍、三菱伺服MR-J4系统工程应用（速度控制、转矩控制和位置控制）、西门子伺服系统介绍、西门子V90伺服系统工程应用（速度控制、转矩控制和位置控制）。这部分包括了PLC在工程应用中常见的重点和难点内容，是本书具有特色的部分之一。 第5篇 电气控制系统的通信，包括PLC在的通信中应用（详尽讲解自由口通信、MODBUS通信、PROFIBUS通信、S7通信、OUC通信、PROFINET通信、PLC与变频器的通信和工业以太网通信）和PLC工程应用案例。这部分包括了PLC在工程应用中常见的重点和难点内容，是本书具有特色的部分之一。 第6篇 人机界面及其应用，包括HMI变量与系统函数、画面组态、用户管理、报警组态、创建一个HMI项目。 第7篇 电气控制综合应用，包括三个实际工程项目。

自动控制系统的集成最常用的器件是可编程控制器（PLC）、变频器和触摸屏（HMI），即“工控三大件”。“工控三大件”已经广泛应用于工业控制，通常应用于同一个控制系统，是一个有机的整体，不宜人为分割，故将电气控制技术与传感器、可编程控制器、变频器、步进驱动器、伺服驱动器、电气控制系统的通信和触摸屏合并写成一本书。这种做法更加切合工程实际，更加便于读者掌握自动控制的系统集成。
西门子PLC、变频器和触摸屏具有卓越的性能，因此在工控市场占有非常大的份额，应用十分广泛。为了使读者能更好地掌握相关知识，我们在总结长期的教学经验和工程实践的基础上，联合相关企业人员共同编写了本书，使读者通过“看书”和观看微课视频就能掌握“工控三大件”的应用技术，进而掌握自动化系统的集成。本书采用较多的小例子引领读者入门，让读者学完入门部分后，能完成简单的工程。应用部分精选工程实际案例，供读者模仿学习，提高读者解决实际问题的能力。
我们在编写过程中，将一些生动的操作实例融入其中，以提高读者的学习兴趣。本书具有以下特点。
① 用实例引导读者学习。该书的大部分章节用精选的例子讲解，例如，用例子说明现场通信实现的全过程。实例容易进行工程移植，实用性强。
② 重点的例子都包含软硬件的配置方案图、原理图和程序，而且为确保程序的正确性，程序已经在PLC上运行通过。
③ 对于重点和复杂的例子，本书还配有100多个微课视频，扫描对应二维码即可观看，便于读者学习。
全书分为7篇21章，主要包括以下内容。
第1篇电气控制基础，包括低压电器的工作原理、图形符号、文字符号、功能和选型；常用电气控制回路；电气控制回路的识读；传感器的接线。
第2篇PLC编程及应用，包括西门子S7-1200 PLC硬件、西门子S7-1200 PLC硬件接线、西门子S7-1200 PLC编译软件和西门子S7-1200 PLC指令系统、PLC的编程方法与调试、PLC在过程控制中的应用，章节中还有典型的工程应用实例讲解。
第3篇变频器技术及其应用，包括变频器的工作原理、G120变频器的接线与操作、G120变频器的运行与功能、变频器的常用外围电路、G120变频器的参数设置与调试，章节中还有典型的工程应用实例讲解。
第4篇步进驱动与伺服驱动系统，包括步进驱动系统的结构和工作原理、步进驱动系统的应用（速度控制和位置控制）、伺服原理与系统、三菱伺服系统介绍、三菱MR-J4伺服系统工程应用（速度控制、转矩控制和位置控制）、西门子伺服系统介绍、西门子V90伺服系统工程应用（速度控制、转矩控制和位置控制）。这部分包括了PLC在工程应用中常见的重点和难点内容，是本书最具特色的部分之一。
第5篇电气控制系统的通信，包括PLC在通信中的应用（详尽讲解自由口通信、Modbus通信、PROFIBUS通信、S7通信、OUC通信、PROFINET通信、PLC与变频器的通信和工业以太网通信）和PLC工程应用案例。这部分也包括了PLC在工程应用中常见的重点和难点内容，也是本书最具特色的部分之一。
第6篇人机界面及其应用，包括HMI变量与系统函数、画面组态、用户管理、报警组态、创建一个简单的HMI项目。
第7篇电气控制综合应用，包括三个实际工程项目。
这部手册由于编写内容多、工作量大，编写组邀请了具有实践经验且教学经验丰富的高校教师和具有丰富实践经验的企业专家参与讨论、提供案例和编写工作，具体如下：第1、2、6～11章由龙丽编写；第3、4、5、16、19、20、21章由无锡职业技术学院的向晓汉编写；第12～15章由无锡职业技术学院的于多编写；第17、18章由无锡雪浪环境科技股份有限公司的刘摇摇编写。本书由向晓汉任主编，龙丽、于多任副主编，无锡职业技术学院的奚茂龙（博士）教授任主审。
由于笔者水平有限，缺点和不足在所难免，敬请读者批评指正，笔者将万分感激！
 
编者

本书以工业控制三大技术——PLC、变频器和触摸屏为主线，采用双色图解和大量实例引导学习的方式，全面系统地介绍电气控制基础及控制系统集成综合应用。全书共分7篇进行讲解，第1篇为电气控制基础；第2篇为PLC编程及应用，介绍西门子S7-1200 PLC编程语言及编程方法与应用；第3篇为变频器技术及其应用；第4篇为步进驱动与伺服驱动系统；第5篇为电气控制系统的通信；第6篇为人机界面及其应用；第7篇为电气控制综合应用。本书配有大量的实用案例，并举一反三帮助读者理解和模仿学习电气控制工程应用。大部分实例都有详细的软硬件配置清单、接线图和程序，且程序已在PLC上运行通过，读者可以直接使用。
本书还配有100多个微课视频，帮助读者掌握书中所讲的重点知识，读者可扫描书中二维码进行观看学习。
本书可供电气控制工程技术人员学习使用，也可作为大中专院校机电控制类、电气控制类、信息类等专业的教材。

第1篇电气控制基础  1
第1章常用低压电器	2
1.1低压开关电器	2
1.1.1刀开关	2
1.1.2低压断路器	3
1.1.3剩余电流保护电器	8
1.2接触器	10
1.2.1接触器的功能	10
1.2.2接触器的结构及其工作原理	10
1.2.3常用的接触器	11
1.2.4接触器的技术参数	12
1.2.5接触器的选用	13
1.3继电器	14
1.3.1电磁继电器	15
1.3.2时间继电器	18
1.3.3计数继电器 	22
1.3.4电热继电器	23
1.3.5其他继电器	25
1.4熔断器	26
1.5主令电器	29
1.5.1按钮	29
1.5.2行程开关	32
1.6变压器和电源	33
1.6.1变压器	33
1.6.2直流稳压电源	35
1.7其他电器	36
1.7.1浪涌保护器	36
1.7.2安全栅	36

第2章常用电气控制回路	38
2.1电气控制线路图	38
2.2继电接触器控制电路基本控制规律	40
2.2.1点动运行控制线路	40
2.2.2连续运行控制线路	41
2.2.3正/反转运行控制线路	41
2.2.4多地联锁控制线路	42
2.2.5自动循环控制线路	42
2.3三相异步电动机的启动控制电路	43
2.3.1直接启动	43
2.3.2星形-三角形减压启动	44
2.3.3自耦变压器减压启动	45
2.4三相异步电动机的调速控制	45
2.4.1改变转差率的调速	45
2.4.2改变极对数的调速	46
2.4.3变频调速	46
2.5三相异步电动机的制动控制	46
2.5.1机械制动	46
2.5.2反接制动	47
2.5.3能耗制动	47
2.6电气控制系统常用的保护环节	49
2.6.1电流保护	49
2.6.2电压保护	50
2.6.3其他保护	51

第3章常用传感器及其应用	52
3.1开关式传感器	52
3.2传感器和变送器	57
3.3隔离器	58

第2篇PLC编程及应用  59
第4章西门子S7-1200 PLC的硬件	60
4.1西门子S7-1200 PLC概述	 60
4.1.1西门子PLC简介	60
4.1.2西门子S7-1200 PLC的性能特点	61
4.2西门子S7-1200 PLC常用模块及其接线	62
4.2.1西门子S7-1200 PLC的CPU模块及接线	62
4.2.2西门子S7-1200 PLC数字量扩展模块及接线	67
4.2.3西门子S7-1200 PLC模拟量模块 	70
4.2.4西门子S7-1200 PLC信号板及接线 	76
4.2.5西门子S7-1200 PLC通信模块 	78
4.2.6其他模块	78

第5章TIA博途（Portal）软件使用入门	80
5.1TIA博途（Portal）软件简介	80
5.1.1TIA博途（Portal）软件	80
5.1.2安装TIA博途软件的软硬件条件	81
5.1.3安装TIA博途软件的注意事项	82
5.2TIA Portal视图与项目视图	83
5.2.1TIA Portal视图结构	83
5.2.2项目视图	84
5.2.3项目树	86
5.3创建和编辑项目	87
5.3.1创建项目	87
5.3.2添加设备	88
5.3.3编辑项目	90
5.4西门子S7-1200 PLC的I/O参数的配置 	92
5.4.1数字量输入模块参数的配置	92
5.4.2数字量输出模块参数的配置	93
5.4.3模拟量输入模块参数的配置 	94
5.4.4模拟量输出模块参数的配置	94
5.4.5在“设备概览”选项卡中进行模块参数的配置	95
5.5编译、下载、上传和检测	96
5.5.1编译	96
5.5.2下载	98
5.5.3上传	100
5.5.4 硬件检测	104
5.6用TIA博途软件创建一个完整的项目	106

第6章西门子S7-1200 PLC的编程语言	112
6.1西门子S7-1200 PLC的编程基础知识	112
6.1.1数制	112
6.1.2数据类型	113
6.1.3西门子S7-1200 PLC的存储区	118
6.1.4全局变量与区域变量	123
6.1.5编程语言	124
6.2变量表、监控表和强制表的应用	124
6.2.1变量表	124
6.2.2监控表	128
6.2.3强制表	131
6.3位逻辑运算指令	132
6.4定时器和计数器指令	138
6.4.1IEC定时器	138
6.4.2IEC计数器	148
6.5移动操作指令	151
6.6比较指令	154
6.7转换指令	156
6.8数学函数指令	160
6.9实例	164
6.9.1电动机的控制	164
6.9.2定时器和计数器应用	167

第7章西门子S7-1200 PLC的程序结构	171
7.1TIA博途软件编程方法简介	 171
7.2函数、数据块和函数块	172
7.2.1块的概述	172
7.2.2函数（FC）及其应用	173
7.2.3数据块（DB）及其应用	178
7.2.4函数块（FB）及其应用	182
7.3组织块（OB）及其应用	184
7.3.1中断的概述	184
7.3.2启动组织块及其应用	185
7.3.3主程序块（OB1）	186
7.3.4循环中断组织块及其应用	186
7.3.5时间中断组织块及其应用	187
7.3.6延时中断组织块及其应用	187
7.3.7硬件中断组织块及其应用	188
7.3.8错误处理组织块	188
7.4实例	189

第8章PLC的编程方法	192
8.1功能图	192
8.1.1功能图的画法	192
8.1.2梯形图编程的原则	198
8.2逻辑控制的梯形图编程方法	199
8.2.1经验设计法	199
8.2.2功能图设计法 	201

第9章PLC的工艺功能及应用	212
9.1PID控制简介	212
9.1.1PID控制原理简介	212
9.1.2PID控制器的参数整定	215
9.1.3PID指令简介	217
9.1.4PID控制应用	217
9.2S7-1200 PLC的高速计数器及其应用	227
9.2.1S7-1200 PLC高速计数器的简介	227
9.2.2S7-1200 PLC高速计数器的应用	231

第3篇变频器技术及其应用 241
第10章变频器基础知识	242
10.1变频器概述	242
10.1.1变频器的发展	242
10.1.2变频器的分类	243
10.1.3变频器的应用	244
10.2变频器的工作原理	245
10.2.1交-直-交变换技术	245
10.2.2变频变压的原理	245
10.2.3正弦脉宽调制波的实现方法	247
10.2.4交-直-交变频器的主电路	249

第11章G120变频器的接线与操作	252
11.1G120变频器配置	252
11.1.1西门子变频器概述	252
11.1.2G120变频器的系统构成	253
11.2G120变频器的接线	255
11.2.1G120变频器控制单元的接线	 255
11.2.2G120变频器功率模块的接线	 259
11.2.3G120变频器的接线实例	259
11.3G120变频器的基本操作	260
11.3.1G120变频器常用参数简介	260
11.3.2用BOP-2基本操作面板设置G120变频器的参数	263
11.3.3BOP-2基本操作面板的应用		265

第12章G120变频器的速度给定与功能	268
12.1G120变频器的BICO和宏	268
12.1.1G120变频器的BICO功能		268
12.1.2预定义接口宏的概念	269
12.1.3G120C的预定义接口宏	269
12.2变频器正反转控制	271
12.2.1正反转控制方式	271
12.2.2二线制和三线制控制	273
12.2.3命令源和设定值源	274
12.3G120变频器多段速给定	275
12.3.1数字量输入	275
12.3.2数字量输出	276
12.3.3直接选择模式给定	277
12.4G120变频器模拟量输入给定	281
12.4.1模拟量输入	281
12.4.2模拟量输出	282
12.4.3模拟量给定的应用	283
12.5V/f控制功能	286
12.5.1V/f控制方式	286
12.5.2转矩补偿功能	286

第13章变频器的常用外围电路	289
13.1变频器并联控制电路	289
13.1.1模拟电压输入端子控制的并联运行电路	289
13.1.2由升降速端子控制的同速运行电路	291
13.2停车方式与制动控制电路	293
13.2.1电动机四象限运行	293
13.2.2停车方式	294
13.2.3制动控制	295
13.2.4抱闸功能控制电路	298
13.3保护功能及其电路	302
13.3.1变频器的温度保护	302
13.3.2电动机的温度保护	303
13.3.3电动机的过流保护	305
13.3.4报警及保护控制电路	305
13.4工频-变频切换控制电路	306

第14章G120变频器的参数设置与调试	309
14.1G120变频器的参数设置与调试软件简介	309
14.2用TIA Portal软件对G120变频器设置参数和调试	309
14.3用软件设置G120变频器的IP地址		313

第4篇步进驱动与伺服驱动系统  316
第15章步进驱动系统原理及工程应用	317
15.1步进驱动系统的结构和工作原理	317
15.1.1步进电动机简介	317
15.1.2步进电动机的结构和工作原理		320
15.1.3步进驱动器工作原理	322
15.2步进驱动系统的应用	324
15.2.1PLC对步进驱动系统的速度控制	324
15.2.2PLC对步进驱动系统的位置控制	331

第16章伺服原理与系统	344
16.1伺服系统概述	344
16.1.1伺服系统的概念	344
16.1.2主流伺服系统品牌	345
16.2伺服系统行业应用	345
16.2.1伺服控制在机床行业的应用	345
16.2.2伺服控制在纺织行业的应用	345
16.2.3伺服控制在包装行业的应用	346
16.2.4伺服控制在印刷行业的应用	346
16.2.5伺服控制在机器人行业的应用	346
16.3伺服技术的发展趋势	346
16.4伺服电动机及其控制技术	 347
16.4.1伺服电动机的特点	347
16.4.2直流伺服电动机	348
16.4.3交流伺服电动机	350
16.4.4直接驱动电动机	351
16.4.5伺服电动机的选型	352
16.5伺服系统的检测元件	353
16.5.1编码器的分类	353
16.5.2光电编码器的结构和工作原理	354
16.5.3编码器的主要应用场合	355
16.5.4编码器的选型	355

第17章三菱MR-J4伺服系统工程应用	356
17.1三菱伺服系统	356
17.1.1三菱伺服系统简介	356
17.1.2三菱MR-J4伺服系统接线	356
17.1.3三菱伺服系统常用参数介绍	363
17.1.4用操作单元设置三菱伺服系统参数	367
17.1.5用MR Configurator2软件设置三菱伺服系统参数	368
17.2三菱MR-J4伺服系统工程应用	369
17.2.1伺服系统的工作模式	369
17.2.2PLC对MR-J4伺服系统的位置控制	370
17.2.3PLC对MR-J4伺服系统的速度控制	372
17.2.4PLC对MR-J4伺服系统的转矩控制	374

第18章西门子SINAMICS V90伺服系统工程应用	378
18.1西门子伺服系统	378
18.1.1西门子伺服系统简介	378
18.1.2V90伺服系统的接线	378
18.1.3V90伺服系统的参数介绍	385
18.1.4V90伺服系统的参数设置与调试	385
18.2V90伺服系统工程应用	393
18.2.1PLC对V90伺服系统的速度控制（基于PROFINET）	393
18.2.2PLC对V90伺服系统的位置控制（基于高速脉冲）	401

第5篇电气控制系统的通信  412
第19章电气控制系统的通信及其应用	414
19.1通信基础知识	413
19.1.1通信的基本概念	413
19.1.2PLC网络的术语解释	414
19.1.3RS-485标准串行接口	416
19.1.4OSI参考模型	417
19.2现场总线概述	417
19.2.1现场总线的概念	417
19.2.2主流现场总线的简介	418
19.2.3现场总线的发展	419
19.3PROFIBUS 通信及其应用	419
19.3.1PROFIBUS 通信概述	419
19.3.2S7-1200 PLC与西门子S7-1200 PLC间的PROFIBUS-DP通信	420
19.4以太网通信及其应用	428
19.4.1以太网通信基础	428
19.4.2S7-1200 PLC的以太网通信方式	431
19.4.3S7-1200 PLC之间的OUC通信及其应用	431
19.4.4S7-1500 PLC与S7-1200 PLC之间的Modbus TCP通信及其应用	439
19.4.5S7-1200 PLC之间的S7通信及其应用	447
19.5PROFINET IO通信及其应用	453
19.5.1PROFINET IO通信基础	453
19.5.2S7-1200 PLC与分布式IO模块的PROFINET IO通信及其应用	454
19.5.3S7-1200 PLC之间的PROFINET IO通信及其应用	460
19.6串行通信及其应用	464
19.6.1S7-1200 PLC与S7-1200 PLC之间的Modbus RTU通信	464
19.6.2S7-1200 PLC与SINAMICS G120变频器之间的USS通信	471
19.6.3S7-1200 PLC之间的自由口通信	476

第6篇人机界面及其应用  482
第20章西门子人机界面（HMI）应用	 483
20.1人机界面简介	483
20.1.1初识人机界面	483
20.1.2西门子常用触摸屏的产品简介	483
20.1.3触摸屏的通信连接	484
20.2使用变量与系统函数	485
20.2.1变量分类与创建	485
20.2.2系统函数	486
20.3画面组态	488
20.3.1按钮组态	488
20.3.2I/O域组态	490
20.3.3开关组态	491
20.3.4图形输入输出对象组态	492
20.3.5时钟和日期的组态	494
20.3.6符号I/O域组态	494
20.3.7图形I/O域组态	495
20.3.8画面的切换	497
20.4用户管理	499
20.4.1用户管理的基本概念	499
20.4.2用户管理的组态	500
20.5报警组态	505
20.5.1报警组态简介	505
20.5.2离散量报警组态	506
20.6创建一个简单的HMI项目	508
20.6.1一个简单的HMI项目技术要求描述	508
20.6.2一个简单的HMI项目创建步骤	508

第7篇电气控制综合应用  516
第21章PLC、触摸屏、变频器和伺 服系统工程应用	517
21.1送料小车自动往复运动的PLC控制 	517
21.2刨床的PLC控制	521
21.3剪切机的PLC控制	530
21.4物料搅拌机的PLC控制	539

参考文献	549