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第2篇基本技能

第3章 S7—200系列PLC基本指令的应用

任务1 三相异步电动机的点动运行控制

任务目的

掌握电动机点动运行控制的电气原理图和接线

掌握LD、LDN、OUT指令

掌握编程元件输入继电器（I）、输出继电器（Q）

掌握梯形图的特点和设计规则

能利用所掌握的基本指令编程实现简单的PLC控制

会使用简易编程器和编程软件

熟悉PLC的外部结构和外部接线方法

任务要求

图3-1所示为三相异步电动机的点动运行电路， SB1 为起动按钮，KM 为交流接触器。起动时，合上QS，引入三相电源。按下 SB1，KM 线圈得电，主触点闭合，电动机 M 接通电源直接起动运行；松开SB1，KM线圈断电释放，KM常开主触点释放，三相电源断开，电动机M停止运行。

任务要求用电气控制和 PLC 两种方法来实现图3-1所示的三相异步电动机的点动运行控制电路，其控制时序图如图3-2所示。

图3-1 三相异步电动机的点动运行控制电路

图3-2 控制时序图

利用PLC基本指令中的逻辑取指令、线圈驱动指令和编程元件中的输入继电器及输出继电器可实现上述控制要求。

相关知识点

1. 三相异步电动机的起动控制

电动机起动是指电动机的转子由静止状态变为正常运转状态的过程。笼型异步电动机有两种起动方式，即直接起动和降压起动。直接起动也叫全压起动。电动机直接起动时，起动电流很大，约为额定值的4 ～7 倍，过大的起动电流会引起供电线路上很大的压降，影响线路上其他用电设备的正常运行。而且，电动机频繁起动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命。因而对容量较大的电动机，一般采用降压起动，以减小起动电流。

一般中小型机床的主电动机都采用接触器直接起动。接触器直接起动电路分成主电路和控制电路两部分。主电路（即动力电路）由接触器的主触点接通与断开，控制电路由触点组合，控制接触器线圈的通/断电，实现对主电路的通/断控制。

2. 三相异步电动机的点动控制

实际工作中，除要求电动机长期运转外，有时还需短时或瞬时工作，称为点动。例如，机床调整时，需主轴稍转一下，如图3-3（a）所示。当按下按钮 SB 时，KM 线圈得电，其主触头闭合，电动机转动；松开SB，按钮复位断开，KM线圈断电，其主触头断开，电动机停转。

长动控制电路中的接触器线圈得电后能自锁，而点动控制电路却不能自锁。当机械设备要求电动机既能持续工作，又能方便瞬时工作时，电路必须同时具有长动和点动的控制功能，如图3-3（b）和（c）所示。

图3-3 具有点动控制的电路

在图3-3（b）中，需电动机点动时，开关SA断开，当按下按钮SB2 时，线圈KM 得电，但由于不能构成自锁，因此能实现点动功能。需电动机长期工作时，开关SA合上，当按下按钮SB2 时，线圈KM得电，其常开辅助触头闭合，即可形成自锁，实现电动机的长期工作。

在图3-3（c）中，按下按钮SB2 时，线圈 KM 得电，其常开辅助触头闭合，即可形成自锁，实现电动机长期工作。当按下按钮SB3 时，其常闭触点先断开，常开触点再闭合，线圈KM得电，其常开辅助触头闭合，但由于没有形成自锁，因此可实现点动功能。

3. PLC基本指令

1）指令功能

（1）LD（取指令）：常开触点逻辑运算开始指令，用于与左母线连接的常开触点。

（2）=（OUT）：线圈驱动指令，将运算结果输出到指定的继电器。

LD、OUT指令的梯形图及语句表见表3-1。

表3-1 LD、OUT指令的梯形图及语句表

2）指令使用说明

（1）LD指令将指定操作元件中的内容取出并送入操作器。

（2）OUT指令在使用时不能直接从左母线输出（应用步进指令控制除外）；不能串联使用；在梯形图中位于逻辑行末尾；可以连续使用，相当于并联输出；如未特别设置（输出线圈使用设置），则同名输出继电器的线圈只能使用一次OUT指令。

4. 编程元件

1）输入继电器（I）输入继电器就是PLC的存储系统中的输入映像寄存器。它的作用是接收来自现场的控制按钮、行程开关及各种传感器等的输入信号。通过输入继电器，将PLC的存储系统与外部输入端子（输入点）建立起明确对应的连接关系，它的每一位对应1个数字量输入点。输入继电器的状态是在每个扫描周期的输入采样阶段接收到的由现场送来的输入信号的状态（“1”或“0”）。不能通过编程的方式改变输入继电器的状态，但可以在编程时，通过使用输入继电器的触点，无限制地使用输入继电器的状态。若没在输入端子上接器件，那这个输入继电器只能空着，不能挪作他用。

输入继电器可按位、字节、字、双字等方式进行编址，如I0．2、IB3、IW4、ID0。

S7—200的PLC输入继电器的区域有I0 ～I15 共16个字节单元，输入继电器按位操作，每一位代表一个数字量的输入点。如 CPU224的基本单元有14个数字量的输入点：I0.0 ～I0.7、I1.0～I1.5 占用了两个字节IB0、IB1。

2）输出继电器（Q）输出继电器就是PLC存储系统中的输出映像寄存器。通过输出继电器，将PLC的存储系统与外部输出端子（输出点）建立起明确对应的连接关系。输出继电器的状态可以由输入继电器的触点、其他内部器件的触点，以及它自己的触点来驱动，即它完全是由编程的方式决定其状态。也可以像使用输入继电器触点那样，通过使用输出继电器的触点，无限制地使用输出继电器的状态。输出继电器与其他内部器件的一个显著不同在于它有一个、且仅有一个实实在在的物理动合触点，用于接通负载。这个动合触点可以是有触点的（继电器输出型），或者是无触点的（晶体管输出型或双向晶闸管输出型）。没有使用的输出继电器可以做内部继电器使用，但一般不推荐这种用法，这种用法可能引起不必要的误解。

输出继电器Q的线圈一般不能直接与梯形图的逻辑母线连接，如果某个线圈确实不需要经过任何编程元件触点的控制，可借助于特殊继电器SM0．0的动合触点。

输出继电器可按位、字节、字、双字等方式进行编址，如Q0．2、QB3、QW4、QD0。

S7—200的PLC输出继电器的区域有Q0～Q15 共16个字节单元，输出继电器按位操作，每一位代表一个数字量的输出点。如 CPU224的基本单元有16个数字量的输出点：Q0.0～Q 0.7、Q1.0～Q1.7 占用了两个字节QB0、QB1。

任务实现

1. 方法一：电气控制实现

（1）分析控制要求。

（2）画出电气原理图，分别画出主电路和控制电路，如图3-1所示。

（3）按照电气原理图进行硬件接线。

（4）对控制电路进行检测、运行。

2. 方法二：PLC实现

1）I/O（输入/输出）地址分配分析上述任务控制要求，可确定 PLC 需要1个输入点，1个输出点，其I/O地址分配如下所述。

I0．0：起/停按钮SB1

Q0．0：运行用交流接触器KM

2）编程梯形图及语句表如图3-4所示。

图3-4 梯形图及语句表

3）硬件接线 PLC的外部硬件接线如图3-5所示。

图3-5 PLC的外部硬件接线

知识进阶

1. 基本指令

1）指令功能

（1）LDN（取反指令）：逻辑运算开始指令，用于与左母线连接的常闭触点。

（2）指令格式：逻辑取反LDN的梯形图及语句表格式如图3-6所示。

图3-6 取反指令

2）指令使用说明

（1）LD、LDN指令用于与梯形图左侧母线相连的触点，也可以与 OLD、ALD 指令配合使用于分支回路的开头。

（2）并联的=指令可以连续使用任意次。

（3）LD、LDN指令的操作数：I，O，M，SM，T，C，V，S；=指令的操作数：Q，M，SM，T，C，S。

（4）在同一程序中不能使用双线圈输出，即同一元器件在同一程序中只能使用一次=指令。

注意

=指令不能用于驱动输入继电器I的线圈。

图3-7所示梯形图及语句表表示了上述三条基本指令的用法。

图3-7 LD、LDN、=指令梯形图及语句表

2. 梯形图的特点及设计规则

梯形图是一种从电气控制电路图演变而来的图形语言。它是借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈，以及串/并联等术语和符号，根据控制要求连接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，直观易懂。

梯形图中常用和图形符号分别表示PLC编程元件的动合和动断触点；用（）表示它们的线圈。梯形图中编程元件的种类用图形符号及标注的字母或数加以区别。触点和线圈等组成的独立电路称为网络，用编程软件生成的梯形图和语句表程序中有网络编号，允许以网络为单位给梯形图加注释。

1）梯形图的特点

（1）梯形图按从左到右、自上而下地顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）起始于左母线，然后是触点的串/并联连接，最后是线圈。

（2）梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用于形象地描述用户程序执行中应满足线圈接通的条件。

（3）输入寄存器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入寄存器的触点，而不出现其线圈。输出寄存器则输出程序执行结果给外部输出设备，当梯形图中的输出寄存器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出寄存器的触点也可供内部编程使用。

2）梯形图设计规则

（1）触点应画在水平线上，并且根据自左至右、自上而下的原则和对输出线圈的控制路径来画。

（2）不包含触点的分支应放在垂直方向，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径。

（3）在有几个串联回路相并联时，应将触头多的那个串联回路放在梯形图的最上面。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这样所编制的程序简洁明了，语句较少。

（4）不能将触点画在线圈的右边。

任务2 三相异步电动机的连续运行

任务目的

掌握电动机连续运行控制的电气原理图和接线

掌握A、AN、O、ON、S、R指令

掌握编程元件辅助继电器（M）、计数器

能使用触点串/并联、置位/复位指令及计数器来实现三相异步电动机的连续运行

熟悉PLC的外部结构和外部接线方法

任务要求

图3-8所示为三相异步电动机的连续运行电路。起动时，合上QS，引入三相电源。按下SB2，交流接触器KM线圈得电，主触点闭合，电动机接通电源直接起动。同时，与SB2并联的常开辅助触点闭合，使接触器线圈有两条线路通电。这样即使松开SB2，接触器KM的线圈仍可通过自己的辅助触点继续通电，保持电动机的连续运行。

图3-8 三相异步电动机的连续运行电路

任务要求用电气控制与PLC两种方法来实现图3-8所示的三相异步电动机的连续运行电路，其控制时序图如图3-9所示。

图3-9 控制时序图

利用PLC基本指令中的触点串/并联指令或置位/复位指令可实现上述控制要求。

相关知识点

1. 三相异步电动机的连续运行控制

机械设备长时间运转，即电动机持续工作，称为长动（也称连续运行）。

1）手动开关实现连续运行对容量较小，且工作要求简单的电动机，如小型台钻、砂轮机、冷却泵的电动机，可用手动开关直接接通电源起动，如图3-10所示的控制电路。

图3-10 开关直接起动控制电路

2）通过接触器实现连续运行一般中小型机床的主电动机都采用接触器来实现起动控制，如图3-11所示的控制电路。

图3-11 接触器直接起动控制电路

具体控制过程分析如下：合总开关QS，按下常开按钮SB2，使得接触器KM线圈得电，其常开主触点闭合，三相电源接通，电动机起动并运行。KM辅助动合触点闭合，起动按钮被短路，暂时失去控制作用。KM的线圈通电时，其辅助动合触点闭合，而辅助动合触点闭合又维持其线圈通电，这一相互依存的现象称为“自锁”或“自保持”。所以松开可复位的按钮SB2 时，该KM线圈不失电，电动机得以持续运行。电动机需停止时，按下常闭按钮SB1，KM线圈失电，其常开主触点和辅助触点均断开，电动机脱离三相电源停止转动。

2. PLC基本指令

1）指令功能

（1）触点串联指令A（And）、AN（And Not）。

A（And）：与指令，串联一个常开触点

指令格式：A bit

AN（And Not）：与非指令，串联一个常闭触点

指令格式：AN bit

图3-12所示梯形图及指令表表示了上述两条基本指令的用法。

图3-12 A、AN指令应用梯形图及语句表

（2）触点并联指令O（Or）、ON（Or Not）。

O（Or）：或指令，并联一个常开触点

指令格式：O bit

ON（Or Not）：或非指令，并联一个常闭触点

指令格式：ON bit

图3-13所示梯形图及语句表表示了O及ON指令的用法。

图3-13 O、ON指令应用梯形图及语句表

（3）置位S（Set）、复位R（Reset）指令。置位/复位指令格式及功能描述见表3-2。图3-14所示为S/R指令应用程序及时序图。

表3-2 置位/复位指令格式及功能描述

图3-14 S/R指令应用程序及时序图

2）指令使用说明

（1）A、AN是单个触点串联连接指令，可连续使用；若按正确次序编程，可以反复使用=指令；A、AN的操作数为I，Q，M，SM，T，C，V，S。

（2）O、ON指令可作为一个接点的并联连接指令，紧接在LD、LDN指令之后用，即对其前面LD、LDN指令所规定的触点再并联一个触点，可以连续使用；O、ON的操作数为I，O，M，SM，T，C，V，S。

（3）对位元件来说，一旦被置位，就保持在通电状态，除非对它复位；而一旦被复位就保持在断电状态，除非再对它置位；S/R指令可以互换次序使用，但由于PLC采用扫描工作方式，所以写在后面的指令具有优先权。如在图3-14 中，若I0.0 和I0.1 同时为1，则Q0.0肯定处于复位状态而为0；如果对计数器和定时器复位，则计数器和定时器的当前值被清零；N的范围为1～255，N可为 VB、IB、QB、MB、SMB、SB、LB、AC、常数、∗VD、∗AC和∗LD，一般情况下使用常数；S/R 指令的操作数为 Q，M，SM，T，C，V，S和L。

3. 编程元件

1）辅助继电器（M）在逻辑运算中，经常需要一些辅助继电器，它的功能与传统的继电器控制电路中的中间继电器相同，用于存储中间操作数或其他控制信息。在 PLC 中没有I/O端与之对应，辅助继电器与外部没有任何联系，不可能直接驱动任何负载。每个辅助继电器对应着数据存储区的一个基本单元，它可以由所有的编程元件触点（当然包括它自己的触点）来驱动。它的状态同样可以无限制使用。借助于辅助继电器的编程，可使 I/O之间建立复杂的逻辑关系和联锁关系，以满足不同的控制要求。S7—200 PLC的 CPU22X 系列的辅助继电器的数量为256个（32B，256位）。

在S7—200 PLC中，有时也将辅助继电器称为位存储区的内部标志位（Marker），所以辅助继电器一般以位为单位使用，可按位、字节、字、双字来存/取数据，如 M25．4、MB1、MW12、MD30。建议用户存储数据时使用变量寄存器（V）。

S7—200的PLC位存储器的寻址区域为M0.0～M31.7。

2）计数器用于累计输入脉冲的次数，其结构与定时器类似，使用时要提前输入它的设定值（计数的个数），通常设定值在程序中赋予，有时也可根据需求在外部进行设定。

计数器也是广泛应用的重要编程元件，用于对输入脉冲的个数进行累计，实现计数操作。使用计数器时，要事先在程序中给出计数的设定值（也称预置值，即要进行计数的脉冲数）。

计数器包含两方面的信息，即计数器状态位和计数器当前值。

计数器状态位：当计数器的当前值达到设定值时，C⁃bit为“ON”

计数器当前值：在计数器当前值寄存器中存储的当前所累计的脉冲个数，用16位符号整数表示

PLC的计数器的设定值和定时器的设定值，一般不仅可以用程序设定，也可以通过PLC内部的模拟电位器或PLC外界的拨码开关方便、直观地随时修改。

计数器利用输入脉冲上升沿累计脉冲个数，在实际应用中用于对产品进行计数或完成复杂的逻辑控制任务。S7—200 系列PLC有递增计数（CTU）、增/减计数（CTUD）、递减计数（CTD）3类计数指令。计数器的使用方法和基本结构与定时器基本相同，主要由预置值寄存器、当前值寄存器、状态位等组成。

（1）指令格式：计数器的梯形图指令符号为指令盒形式，其指令格式及功能描述见表3-3。

表3-3 计数器指令格式及功能描述

梯形图指令符号中CU为增1计数脉冲输入端；CD为减1 计数脉冲输入端；R为复位脉冲输入端；LD为减计数器的复位脉冲输入端。编程范围C0～C225；PV预置值最大范围32767；PV数据类型：INT。

（2）工作原理分析：下面从原理、应用等方面，分别叙述增计数指令（CTU）、增/减计数指令（CTUD）、减计数指令（CTD）3 种类型计数指令的应用方法。

增计数指令CTU（Count Up）：计数指令在 CU 端输入脉冲上升沿，计数器的当前值增1 计数。当前值大于或等于预置值（PV）时，计数器状态位置1。当前值累加的最大值为32767。复位输入（R）有效时，计数器状态位复位（置“0”），当前计数值清零。增计数指令的应用可以参考图3-15 理解

图3-15 增计数指令应用程序

增/减计数指令 CTUD（Count Up/Down）：增/减计数器有两个脉冲输入端，其中 CU端用于递增计数，CD端用于递减计数，执行增/减计数指令时，CU/CD 端的计数脉冲上升沿增1/减1 计数。当前值大于或等于计数器预置值（PV）时，计数器状态位置位。复位输入（R）有效或执行复位指令时，计数器状态位复位，当前值清零。达到计数器最大值32767 后，下一个CU输入上升沿将使计数值变为最小值（- 32768）。同样，达到最小值（-32768）后，下一个 CD 输入上升沿将使计数值变为最大值（32767）。增/减计数器指令应用程序及运行时序如图3-16所示

图3-16 增/减计数器指令应用程序及运行时序

减计数指令CTD（Count Down）：复位输入（LD）有效时，计数器把预置值（PV）装入当前值存储器，计数器状态位复位（置0）。CD端每一个输入脉冲上升沿，减计数器的当前值从预置值开始递减计数，当前值等于0 时，计数器状态位置位（置“1”），停止计数。减计数指令应用程序及运行时序如图3-17所示。减计数器在计数脉冲I3.0的上升沿减1计数，当前值从预置值开始减至0时，定时器输出状态位置“1”，Q0.0通电（置“1”）。在复位脉冲I1.0的上升沿，定时器状态位置“0”（复位），当前值等于预置值，为下次计数工作做好准备

图3-17 减计数指令应用程序及运行时序

任务实现

1. 方法一：电气控制实现

（1）分析控制要求。

（2）画出电气原理图，分别画出主电路和控制电路，如图3-8所示。

（3）按照电气原理图进行硬件接线。

（4）测试、运行。

2. 方法二：PLC实现

1）I/O（输入/输出）地址分配分析上述任务控制要求可确定PLC需要2个输入点， 1个输出点，其I/O地址分配如下所述。

I0．0：起动按钮SB2

I0．1：停止按钮SB1

Q0．0：运行用交流接触器KM

2）编程根据I/O地址分配及图3-9控制时序图可知，当按钮SB2 被按下时，输入继电器I0.2接通，输出继电器Q0.0 置“1”，交流接触器KM线圈得电，这时电动机连续运行。此时即便按钮SB2 被松开，输出继电器Q0.0仍保持接通状态，这就是“自锁”或“自保持功能”；当按下停止按钮SB1 时，输入继电器I0.1置“0”，电动机停止运行。从以上分析可知，满足电动机连续运行的控制要求，需要用到起动和复位控制程序。可以通过下面两种方案来实现PLC控制电动机连续运行电路的要求。

（1）方案一：直接用起动、停止来实现，其梯形图及指令表如图3-18所示。

图3-18所示电路又称为“起—保—停”电路，它是梯形图中最基本的电路之一。“起—保—停”电路在梯形图中的应用极为广泛，其最主要的特点是具有“记忆”功能。

图3-18 PLC控制电动机连续运行电路方案一

（2）方案二：利用置位/复位指令来实现，其梯形图及指令表如图3-19所示。

图3-19 PLC控制电动机连续运行电路方案二

图3-19所示的置位/复位电路与图3-18所示的“起—保—停”电路的功能完全相同。该电路的记忆作用是通过置位、复位指令实现的。置位/复位电路也是梯形图中的基本电路之一。

图3-20 PLC的外部硬件接线

3）硬件接线 PLC 的外部硬件接线如图3-20所示。

任务3 三相异步电动机的正/反转控制

任务目的

掌握三相异步电动机正/反转控制的原理及接线

掌握ALD、OLD、LPS、LRD、LPP、LDS指令

能利用“起—保—停”基本电路、置位/复位电路及堆栈指令分别实现电动机正/反转运行

任务要求

图3-21所示为三相异步电动机正/反转运行电路。起动时，合上QS，引入三相电源。按下正转控制按钮SB2，KM1 线圈得电，其常开触点闭合，电动机正转并实现自锁。当电动机需要反转时，按下反转控制按钮SB3，KM1 线圈断电，KM2 线圈得电，KM2 的常开触点闭合，电动机反转并实现自锁，按钮SB1 为总停止按钮。

图3-21 三相异步电动机的正/反转运行电路

任务要求用电气控制及PLC来实现图3-21所示的三相异步电动机的正/反转运行电路，其控制时序图如图3-22所示。利用PLC基本指令中的块及多重I/O指令可实现上述控制要求。

相关知识点

1. 电动机正/反转控制

生产实践中，很多设备需要两个相反的运行方向，如主轴的正向和反向转动，机床工作台的前进和后退，起重机吊钩的上升和下降等，这样两个相反方向的运动均可通过电动机的正转和反转来实现。我们知道，只要将三相电源中的任意两相交换就可改变电源相序，从而使电动机改变旋转方向。实际电路构成时，可在主电路中用两个接触器的主触点实现正转相序接线和反转相序接线，在控制电路中控制正转接触器线圈得电，其主触点闭合，电动机正转，或者控制反转接触器线圈通电，主触点闭合，电动机反转。

图3-22 控制时序图

2. 按钮控制的电动机正/反转控制电路

图3-23所示为按钮控制的正/反转控制电路，其主电路中的接触器KM1 和KM2 构成正/反转的相序接线。在图3-23（a）所示的控制电路中，按下正向起动按钮SB2，正向控制接触器KM1 线圈得电动作，其主触点闭合，电动机正向转动；按下停止按钮SB1，电动机停转；按下反向起动按钮SB3，反向接触器KM2 线圈得电动作，其主触点闭合，给电动机送入反相序电源，电动机反转。

图3-23 两种正/反转控制电路

由主电路可知，若KM1 与KM2 的主触点同时闭合，将会造成电源短路，因此任何时候，只能允许一个接触器通电工作。要实现这样的控制要求，通常是在控制电路中将两接触器的动断触点分别串接在对方的工作线圈电路里，如图3-23（a）中KM1 与KM2 的动断触点那样，这样可以构成互相制约关系，以保证电路安全正常的工作。这种互相制约的关系称为“联锁”，也称为“互锁”。

在图3-23（a）所示的控制电路中，当变换电动机转向时，必须先按下停止按钮，才能实现反向运行，这样很不方便。图3-23（b）所示的控制电路利用复合按钮SB3、SB2，可直接实现由正转变为反转的控制（反之亦然）。

复合按钮具有联锁功能。当某一线圈工作时，按下其回路中的动断触点，此线圈失电，而后另一线圈得电。

3. 往复自动循环控制电路

机械设备中如机床的工作台、高炉的加料设备等均需在一定的距离内能自动往复不断循环，以实现所要求的运动。图3-24所示为机床工作台往返循环的控制电路。它实质上是用行程开关来自动实现电动机正/反转的。组合机床、铣床等的工作台常用这种电路来实现往返循环。在图3-24中，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4 为行程开关，按要求安装在床身固定的位置上，反映加工终点与原位（即行程）的长短。当撞块压下行程开关时，其常开触点闭合，常闭触点打开。这其实是在一定行程的起点和终点用撞块压行程开关，以代替人工操作按钮。

图3-24 机床工作台往返循环的控制电路

合上电源开关QS，按下正向起动按钮SB2，接触器KM1 得电动作并自锁，电动机正转使工作台前进；当运行到SQ2 位置时，其常闭触点断开，KM1 线圈失电，电动机脱离电源，同时，SQ2 常开触点闭合，使KM2 线圈通电，电动机实现反转，工作台后退；当撞块又压下SQ1 时，使KM2 线圈断电，KM1 线圈又得电，电动机又正转使工作台前进，这样可一直循环下去。

SB1为停止接钮，SB3 与SB2 为不同方向的复合起动按钮。之所以用复合按钮，是为了满足改变工作台方向时，不按停止按钮便可直接操作的要求。限位开关SQ3 与SQ4 安装在极限位置。若由于某种故障使工作台到达SQ1（或SQ2）位置时未能切断KM2（或KM1），则工作台继续移动到极限位置，压下SQ3（或SQ4），此时可最终把控制电路断开，使电动机停止，避免工作台由于越出允许位置所导致的事故。因此，SQ3、SQ4 起极限位置保护作用。

4. PLC基本指令

1）基本指令包括ALD、OLD、LPS、LRD、LPP、LDS。

（1）块“与”指令ALD（And Load）：用于两个或两个以上触点并联连接的电路之间的串联，称为并联电路块的串联连接，是将梯形图中以LD/LDN起始的电路块与另一以LD/LDN起始的电路块串联起来。

指令格式：ALD

块“与”指令ALD的操作示例如图3-25所示。

图3-25 ALD指令应用梯形图及语句表

（2）块“或”指令OLD（Or Load）：用于两个或两个以上触点串联连接的电路之间的并联，称为串联电路块的并联连接，是将梯形图中以LD/LDN起始的电路块和另一以LD/LDN起始的电路块并联起来。

指令格式：OLD

块“或”指令OLD操作示例如图3-26所示。

图3-26 OLD指令应用梯形图及语句表

（3）栈操作指令：即逻辑堆栈操作指令。堆栈是一组能够存储和取出数据的暂存单元，其特点是“先进后出”。每次进行入栈操作，新值放入栈顶，栈底值丢失；每次进行出栈操作，栈顶值弹出，栈底值补进随机数。逻辑堆栈指令主要用于完成对触点进行的复杂连接，其主要作用是用于一个触点（或触点组）同时控制两个或两个以上线圈的编程。逻辑堆栈指令无操作数（LDS例外）。

LPS：逻辑入栈指令（分支电路开始指令）。在梯形图的分支结构中，可以形象地看出，它用于生成一条新的母线，其左侧为原来的主逻辑块，右侧为新的从逻辑块，因此可以直接编程。从堆栈使用上来讲，LPS指令的作用是把栈顶值复制后压入堆栈

LRD：逻辑读栈指令。在梯形图分支结构中，当新母线左侧为主逻辑块时LPS开始右侧的第1个从逻辑块编程，LRD开始第2个以后的从逻辑块编程。从堆栈使用上来讲，LRD读取最近的LPS压入堆栈的内容，而堆栈本身不进行入栈和出栈工作

LPP：逻辑出栈指令（分支电路结束指令）。在梯形图分支结构中，LPP用于LPS产生的新母线右侧的最后一个从逻辑块编程，它在读取完离它最近的LPS压入堆栈内容的同时复位该条新母线。从堆栈使用上来讲，LPP把堆栈弹出一级，堆栈内容依次上移

上述这三条指令也称为多重输出指令，主要用于一些复杂逻辑的输出处理。其用法如图3-27所示。

图3-27 逻辑堆栈指令梯形图及语句表

LDS（Load Stack）：装入堆栈指令。它的功能是复制堆栈中的第n个值到栈顶，而栈底丢失。

指令格式：LDS n（n为0～8的整数）

该指令在编程中使用较少，不多说明。

2）指令使用说明

（1）ALD指令使用说明：

分支电路（并联电路块）与前面电路串联连接时，使用 ALD 指令。分支的起始点用LD、LDN指令，并联电路块结束后，使用ALD指令与前面电路串联

如果有多个并联电路块串联，顺次以ALD指令与前面支路连接，支路数量没有限制

ALD指令无操作数

（2）OLD指令使用说明：

几个串联支路并联连接时，其支路的起点以LD、LDN开始，支路终点用OLD指令

若需要将多个支路并联，从第2条支路开始，在每一支路后面加 OLD 指令。用这种方法编程时，对并联支路的个数没有限制

OLD指令无操作数

任务实现

1. 方法一：电气控制实现

（1）分析控制要求。

（2）画出电气原理图，分别画出主电路和控制电路，如图3-21所示。

（3）按照电气原理图进行硬件接线。

（4）测试、运行。

2. 方法二：PLC实现

1）I/O（输入/输出）地址分配由上述控制要求可确定PLC需要3个输入点，2个输出点，其I/O地址分配如下所述。

I0．0：停止按钮SB1

I0．1：正转起动按钮SB2

I0．2：正转起动按钮SB3

Q0．0：正转运行用交流接触器KM1

Q0．1：反转运行用交流接触器KM2

2）编程根据I/O地址分配及图3-22所示的控制时序图，当正转起动按钮SB2 被按下时，输入继电器I0．1接通，输出继电器Q0．0置“1”，交流接触器KM1 线圈得电并自保，这时电动机正转连续运行；当按下停止按钮SB1 时，输入继电器I0．0接通，输出继电器Q0．0置“0”，电动机停止运行；当按下反转起动按钮SB3 时，输入继电器I0．2接通，输出继电器Q0．1置“1”，交流接触器KM2 线圈得电并自锁，这时电动机反转连续运行；当按下停止按钮SB1时，输入继电器接通I0．0，输入继电器Q0．1置“0”，电动机停止运行。从图3-21所示的继电器控制电路可知，不仅正/反转按钮实行了互锁，而且正/反转运行接触器之间也实行了互锁。结合以上的编程分析及所学的“起—保—停”基本编程环节、置位/复位指令和栈操作指令，可以通过下面3种方案来实现PLC控制三相异步电动机连续运行电路的要求。

（1）方案一：直接用“起一保一停”基本电路来实现，其梯形图及指令表如图3-28所示。

图3-28 PLC控制三相异步电动机正/反转运行电路方案一

此方案通过在正转运行支路中串入I0．2常闭触点和Q0．1的常闭触点，在反转运行支路中串入I0．1常闭触点和Q0．0的常闭触点来实现按钮及接触器的互锁。

（2）方案二：利用“置位/复位”基本电路来实现，其梯形图及指令表如图3-29所示。

图3-29 PLC控制三相异步电动机正/反转运行电路方案二

（3）方案三：利用栈操作指令来实现，其梯形图及指令表如图3-30所示。

图3-30 PLC控制三相异步电动机正/反转运行电路方案三

3）硬件接线 PLC 的外部硬件接线图如图3-31所示。

图3-31 PLC的外部硬件接线图

由图3-31可知，外部硬件输出电路中使用KM1、KM2的常闭触点进行了互锁。这是因为PLC内部软继电器互锁只相差一个扫描周期，来不及响应。例如，虽然断开，可能触点还未断开，在没有外部硬件互锁的情况下，KM2的触点可能接通，引起主电路短路。因此，不仅要在梯形图中加入软继电器的互锁触点，而且还要在外部硬件输出电路中进行互锁，这也就是常说的“软、硬件双重互锁”。采用双重互锁，同时也避免了因接触器KM1 和KM2的主触点熔焊而引起电动机主电路短路。

任务4 两台电动机顺序起动逆序停止控制

任务目的

掌握两台电动机顺序起动逆序停止控制的原理及电气控制接线

掌握编程元件定时器

能用所学的指令和编程器件实现两台电动机顺序起动逆序停止控制

能熟练地应用延时控制电路

任务要求

图3-32所示为两台电动机顺序起动逆序停止的控制电路图。按下起动按钮SB2，第1台电动机M1 开始运行，5s后第2台电动机M2 开始运行；按下停止按钮SB3，第2台电动机M2 停止运行，10s后第1台电动机M1 停止运行；SB1 为紧急停止按钮，当出现故障时，只要按下SB1，两台电动机均立即停止运行。

图3-32 两台电动机顺序起动逆序停止的控制电路

任务要求用电气控制和PLC来实现图3-32所示的两台电动机顺序起动逆序停止的控制电路，其控制时序图如图3-33所示。

利用PLC的定时器及其通电延时控制电路可实现上述控制要求。

图3-33 控制时序图

相关知识点

1. 多台电动机顺序起/停控制电路

在装有多台电动机的生产机械上，各电动机所起的作用不同，有时需要按一定的顺序起动才能保证操作过程的合理和工作的安全可靠。例如，在铣床上就要求先起动主轴电动机，然后才能启动进给电动机。又如，带有液压系统的机床，一般都要先起动液压泵电动机，然后才能起动其他电动机。这些顺序关系反映在控制电路上，称为顺序控制。

图3-34所示的是两台电动机M1 和M2 的顺序控制电路。该电路的特点是，电动机M2的控制电路是接在接触器KM1 的常开辅助触点之后。这就保证了只有当KM1 接通，M1 起动后，M2 才能起动。如果由于某种原因（如过载或失压等）使KM1 失电，M1 停转，那么M2也立即停止，即M1 和M2 同时停止。

图3-34 顺序控制电路

图3-35所示的是其他两种顺序控制电路（主电路未画出）。图3-35（a）所示控制电路的特点是，将接触器KM1 的另一常开触点串联在接触器KM2 线圈的控制电路中，同样保持了图3-34中的顺序控制作用；该电路还可实现M2 单独停止。

图3-35（b）所示控制电路的特点是，由于在SB12停止按钮两端并联着一个KM2 的常开触点，因此只有先使接触器KM2 线圈断电，即电动机M2 停止后，才能按动SB12，断开接触器KM1 线圈电路，使电动机M1 停止。

图3-35 其他顺序控制电路

2. 编程元件——定时器

定时器是PLC中最常用的元器件之一，掌握它的工作原理对PLC的程序设计非常重要。

S7—200 PLC的定时器为增量型定时器，用于实现时间控制，可以按照工作方式和时间基准（时基）分类，时间基准又称定时精度或分辨率。

1）工作方式按照工作方式，定时器可分为通电延时型（TON）、有记忆的通电延时型（TONR）、断电延时型（TOF）3种。

2）时基标准按照时基标准，定时器可分为1ms、10ms、100ms 3种类型。不同的时基标准，其定时精度、定时范围和定时器的刷新方式不同。

（1）定时精度：定时器的工作原理是定时器使能输入有效后，当前值寄存器对PLC内部的时基脉冲增1计数，最小计时单位为时基脉冲的宽度。故时间基准代表着定时器的定时精度（又称分辨率）。

（2）定时范围：定时器使能输入有效后，当前值寄存器对时基脉冲递增计数，当计数值大于或等于定时器的预置值后，状态位置“1”。从定时器输入有效到状态位输出有效经过的时间为定时时间。定时时间 T 等于时基乘预置值，时基越大，定时时间越长，但精度越差。

（3）定时器的刷新方式：1ms定时器每隔1ms刷新一次，定时器刷新与扫描周期和程序处理无关，它采用的是中断刷新方式。扫描周期较长时，定时器一个周期内可能多次被刷新（多次改变当前值）。

10ms定时器在每个扫描周期开始时刷新。每个扫描周期之内当前值不变（如果定时器的输出与复位操作时间间隔很短，调节定时器指令盒与输出触点在网络段中位置是必要的）。

100ms定时器是在定时器指令执行时被刷新，下一条执行的指令即可使用刷新后的结果，非常符合正常思维，使用方便可靠。但应当注意，如果该定时器的指令不是每个周期都执行（如条件跳转时），定时器就不能及时刷新，可能会导致出错。

CPU 22X系列PLC的256个定时器分属TON（TOF）和TONR工作方式，以及3种时基标准，TOF和 TON 共享同一组定时器，不能重复使用。定时器工作方式及分类见表3-4。

表3-4 定时器工作方式及分类

使用定时器时，应参照表3-4的时基标准和工作方式合理选择定时器编号，同时要考虑刷新方式对程序执行的影响。

3）定时器指令格式定时器指令格式及功能描述见表3-5。表中，IN 是使能输入端，编程范围T0～T225；PT是预置值输入端，最大预置值32767；PT数据类型为INT。

表3-5 定时器指令格式及功能描述

4）定时器工作原理分析下面从原理、应用等方面，分别叙述通电延时型（TON）等3 种类型定进器的使用方法。

（1）通电延时定时器 TON：使能端（IN）输入有效时，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置“1” （输出触点有效），当前值的最大值为32767。使能端无效（断开）时，定时器复位（当前值清零，输出状态位置“0”）。TON 定时器应用程序及运行结果时序分析如图3-36所示。

图3-36 TON定时器应用程序及运行时序图

（2）有记忆通电延时型TONR：使能端（IN）输入有效时（接通），定时器开始计时，当前值递增，当前值大于或等于预置值（PT）时，输出状态位置“1”。使能端输入无效（断开）时，当前值保持（记忆）；使能端（IN）再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。TONR定时器采用线圈的复位指令（R）进行复位操作，当复位线圈有效时，定时器当前值清零，输出状态位置“0”。TONR 定时器的应用程序及运行结果时序分析如图3-37所示。

图3-37 TONR定时器应用程序及运行时序图

（3）断电延时型TOF：使能端（IN）输入有效时，定时器输出状态位立即置“1”，当前值复位（为0）。使能端（IN）断开时，开始计时，当前值从0递增，当前值达到预置值时，定时器状态位复位置“0”，并停止计时，当前值保持。TOF定时器应用程序及程序运行结果时序分析如图3-38所示。

图3-38 TOF定时器应用程序及运行时序图

5）S7—200 系列PLC的定时器的正确使用图3-39所示为使用定时器本身的动断触点作为激励输入，希望经过延时产生一个机器扫描周期的时钟脉冲输出。定时器状态位置位时，依靠本身的动断触点（激励输入）的断开使定时器复位，重新开始设定时间，进行循环工作。采用不同时基标准的定时器时会有不同的运行结果，具体分析如下所述。

（1）T32为1ms时基定时器，每隔1ms定时器刷新一次当前值，CPU当前值若恰好在处理动断触点和动合触点之间被刷新，Q0．0可以接通一个扫描周期，但这种情况出现的概率很小，一般情况下，不会正好在此时刷新。若在执行其他指令时，定时时间到，1ms的定时刷新，使定时器输出状态位置位，动断触点打开，当前值复位，定时器输出状态位立即复位，所以输出线圈Q0．0一般不会通电。

（2）若将图3-39中定时器T32换成T33，时基变为10ms，当前值在每个扫描周期开始刷新，定时器输出状态位置位，动断触点断开，立即将定时器当前值清零，定时器输出状态位复位（为0），这样输出线圈Q0．0永远不可能通电（ON）。

（3）若将图3-39 中定时器 T32 换成 T37，时基变为100ms，当前指令执行时刷新， Q0.0在T37计时时间到时准确地接通一个扫描周期。可以输出一个OFF时间为定时时间， ON时间为一个扫描周期的时钟脉冲。

结论：综上所述，用本身触点激励输入的定时器，时基为lms和10ms时不能可靠工作，一般不宜使用本身触点作为激励输入。若将图3-39改成图3-40，无论何种时基都能正常工作。

图3-39 自身激励输入程序

图3-40 非自身激励输入程序

任务实现

1. 方法一：电气控制实现

（1）分析控制要求。

（2）画出电气原理图，分别画出主电路和控制电路，如图3-32所示。

（3）按照电气原理图进行硬件接线。

（4）对控制电路进行检测、运行。

2. 方法二：PLC实现

1）I/O（输入/输出）地址分配由上述控制要求可确定PLC需要3个输入点，2个输出点，其I/O地址分配如下所述。

I0．0：紧急停止按钮SB1

I0．1：起动按钮SB2

I0．2：停止按钮SB3

Q0．1：电动机M1 运行用交流接触器KM1

Q0．2：电动机M2 运行用交流接触器KM2

2）编程根据I/O地址分配及图3-33控制时序图可知，当起动按钮SB2 被按下时，输入继电器I0．1接通，输出继电器Q0．1置“1”，交流接触器KM1 线圈得电并自保，这时第1台电动机M1 运行，5s后输出继电器Q0．2置“1”，第2台电动机M2 开始运行；当按下停止按钮SB3 时，输入继电器I0．2接通，输出继电器Q0．2置“0”，第2台电动机M2 停止运行，10s后输出继电器Q0．1置“0”。其梯形图及语句表如图3-41所示。

图3-41 PLC控制两台电动机顺序起动逆序停止的梯形图及语句表

3）硬件接线 PLC的外部硬件接线图如图3-42所示。

图3-42 PLC的外部硬件接线图

任务5 —△降压起动控制

任务目的

掌握—△降压起动控制的原理及电气控制接线

掌握PLC逻辑指令的综合应用

任务要求

图3-43所示为三相异步电动机—△降压起动的原理图。KM1 为电源接触器。KM2 为△联结接触器，KM3 为联结接触器，KT为起动时间继电器。其工作原理是，起动时合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，则KM1、KM3 和KT同时吸合并自锁，这时电动机接成联结起动。随着转速升高，电动机电流下降，KT延时5s后，其延时断开的常闭触点断开，其延时闭合的常开触点闭合，从而使KM3 断电释放，KM2 通电吸合自锁，这时电动机换接成△联结正常运行。停止时只要按下停止按钮SB1，KM1 和KM2 相继断电释放，电动机停止。

图3-43 三相异步电动机—△降压起动的原理图

任务要求用电气控制及 PLC 来实现图3-43所示—△降压起动的控制电路，其控制时序图如图3-44所示。

利用PLC基本指令中的逻辑指令可实现上述控制要求。

图3-44 控制时序图

相关知识点

电动机起动时接成联结，绕组电压降为额定电压的1/，正常运转时换接成△联结。由电工知识可知，I△L = 3I L（分别代表两种接法时的线电流）。接成联结时，起动电流仅为△联结时的1/3，相应的起动转矩也是△联结时的1/3。因此，—△起动仅适用于正常运行时按△联结的电动机的空载或轻载起动。

在电动机起动时，定子绕组首先接成星形，至起动即将完成时再换接成三角形。图3-45所示的是—△降压起动的控制电路。图中，主电路由3组接触器主触点分别将电动机的定子绕组接成三角形或星形。当KM3 线圈得电，主触点闭合时，绕组接成星形；当KM2 主触点闭合时，接为三角形。KM1 用于接通电源。两种接线方式的切换需在极短的时间内完成，在控制电路中采用了时间继电器，可定时自动切换。

图3-45 —△降压起动控制电路

电路的工作过程可通过电器动作顺序表来描述。—△降压起动控制电路的工作过程为，合上开关QS，为起动做准备；按下起动按钮 SB2 时，KM1、KM3、KT线圈同时得电，KM1 辅助触头闭合形成自锁；KM1，KM3 主触头闭合，电动机以星形起动，当KT延时时间到时，其常闭触头断开，常开触头闭合，KM3 线圈断电，KM2 线圈得电自锁，KM3 主触头断开，KM2 主触头闭合，电动机转为三角形正常运行；当电动机正常运行时，KM2 常闭辅助触头断开，可让 KT线圈断电，以节约电能；需电动机停止时，按下SB1 即可。

电路图中常闭触点KM2 和KM3 构成了互锁，保证电动机绕组只能连接成一种形式，即星形或三角形，以防止同时连接成星形或三角形而造成电源短路，使电路可靠工作。

任务实现

1. 方法一：电气控制实现

（1）分析控制要求。

（2）画出电气原理图，分别画出主电路和控制电路，如图3-43所示。

（3）按照电气原理图进行硬件接线。

（4）对控制电路进行检测、运行。

2. 方法二：PLC实现

1）I/O（输入/输出）地址分配由上述控制要求可确定PLC需要2个输入点，3个输出点，其I/O地址分配见表3-6。

表3-6 I/O分配表

2）编程直接用串联、并联及输出指令来实现，其梯形图及语句表如图3-46所示。

图3-46 梯形图及语句表

3）硬件接线 PLC的外部硬件接线图如图3-47所示。

图3-47 PLC的外部硬件接线图

任务6 人行横道交通信号灯控制

任务目的

掌握微分指令、取反指令及空操作指令

能利用所学的指令来编写梯形图完成常用的逻辑功能，如五组抢答器控制、三电动机的循环起/停运转控制、分频电路等

任务要求

这是一条公路与人行横道之间的信号灯顺序控制，没有人横穿公路时，公路绿灯与人行横道红灯始终都是亮的，当有人需过公路时按路边设有的按钮（两侧均设SB1或SB2，15s后公路绿灯灭、黄灯亮，再过10s后黄灯灭、红灯亮，然后过5s人行横道红灯灭、绿灯亮，绿灯亮10s后又闪烁4．5s后红灯又亮了，再过5s公路红灯灭、绿灯亮，在这个过程中按路边的按钮是不起作用的，只有当整个过程结束后也就是公路绿灯与人行横道红灯同时亮时再按按钮才起作用。

任务要求利用PLC设计完成人行横道交通信号灯控制，交通信号灯时序图如图3-48所示。