电气控制工程师手册
作　者： 向晓汉 编
出版时间： 2021

内容简介
　　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太阳城 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