2.3 技能訓練 電動機起/停控制

在工業控制中，電動機起動和停止是最基本的控制環節，通常采用傳統的繼電器-接觸器進行控制。本技能訓練要解決的問題就是：如何用PLC控制電動機的起動和停止？

2.3.1 用繼電器-接觸器控制三相交流異步電動機起/停

1.主回路

主回路原理圖如圖2-13a所示，其中QS為刀開關，主要用來接通或切斷電源；FU1為熔斷器，對主回路起短路及嚴重過載保護作用；KM為運行接觸器的主觸點；FR為熱繼電器的加熱元件，當電動機長時間過載時，其常閉觸點動作，可起到過載保護作用；M為三相異步電動機。

2.控制回路

控制回路的原理圖如圖2-13b所示，其中FU2為熔斷器，對控制回路起短路保護作用；FR為主回路中熱繼電器的常閉觸點，當電動機長時間過載時，其常閉觸點動作并切斷控制回路電源，從而對電動機起到過載保護作用；SB1為起動按鈕，采用常開按鈕；SB2為停止按鈕，必須采用常閉按鈕，除完成正常停機操作功能以外，還可保證在線路故障（線頭脫落或老鼠咬斷線路）時，不會出現電動機起動后無法停機的現象，確保電動機運行安全；控制接觸器KM的常開觸點與起動按鈕SB1并聯，并且串接于KM的線圈回路中，電動機在停止狀態下，只要按下按鈕SB1（不需要保持），KM的線圈就會通電并通過其常開觸點實現自鎖。

2.3.2 用PLC控制三相交流異步電動機起/停

1.元件清單

主回路需要刀開關1個、交流接觸器1個、熔斷器3個、熱繼電器1個，主回路原理圖同圖2-13a；控制回路需要中間繼電器1個、熔斷器2個、常開按鈕1個、常閉按鈕1個、PLC裝置1套，具體配置：PS307（5 A）電源模塊1個、CPU 314模塊1個、SM321 DI 32 ×DC 24 V數字量信號輸入模塊1個、SM322 DO 16×Rel AC 120 V/230 V數字量信號輸出模塊1個（繼電器輸出）。

2.控制回路

由于PLC的驅動能力有限，一般不能直接驅動大電流負載，而是通過中間繼電器（線圈電壓為直流24 V、觸點電壓為交流380 V）驅動接觸器，然后由接觸器再驅動大電流負載，這樣還可以實現PLC系統與電氣操作回路的電氣隔離。所以控制回路包括PLC端子接線圖（見圖2-14）和接觸器控制原理圖（見圖2-15），其中KA為控制用中間繼電器的線圈及觸點，KM為控制用交流接觸器的線圈及觸點，SB1為常開型的起動按鈕，SB2為常閉型的停止按鈕，FR是主回路中熱繼電器的常閉觸點，FU2為熔斷器。

該PLC硬件系統所使用的數字量輸入模塊有32個輸入點，每8點為一組，外部控制按鈕（SB1、SB2）信號通過DC 24 V送入相應的輸入點（I0.0、I0.1）。所使用的數字量輸出模塊有16個輸出點，每8點為一組，外部負載（KA）均通過電源（如DC 24 V）接在公共電源輸入端（如1L）與輸出端（Q0.0）之間。

控制原理：在停機狀態下，按下起動按鈕SB1，輸入點I0.0接通，通過PLC內部用戶程序控制，使輸出點Q0.0接通，KA線圈得電，其常開觸點閉合，從而使KM線圈得電，串接于主回路的KM主觸點閉合，實現電動機的運轉。在PLC內部通過程序運算，實現輸出點Q0.0的自鎖。當需要停機時，按下停止按鈕SB2，輸入點I0.1斷開，通過PLC內部用戶程序控制，解除對Q0.0的自鎖，Q0.0斷開，電動機停機。

3.控制程序

PLC的控制程序可使用類似數字電路的功能塊圖實現。根據控制要求：在停機狀態下按下起動按鈕SB1，則電動機起動并保持運轉狀態；按下停止按鈕SB2，則電動機立即停機。由此可列出電動機的控制邏輯簡化真值表，如表2-2所示。其中，1表示PLC“軟元件”的狀態為1，即觸點閉合或線圈得電；0表示PLC“軟元件”的狀態為0，即觸點斷開或線圈失電；“T”表示輸出元件操作前的狀態（現態）；“T+1”表示輸出元件操作完成后的狀態（次態）。

根據控制邏輯簡化真值表，利用數字電路的基本知識，將使Q0.0T+1為1的最小項分別相加，可寫出Q0.0T+1的邏輯表達式：

化簡后的邏輯表達式如下：

Q0.0T+1=I0.1·（I0.0+Q0.0T）

由此可繪制出Q0.0的電動機控制邏輯圖，如圖2-16所示。

在STEP 7環境下，FBD語言的邏輯“與”指令及邏輯“或”指令與數字電路中的邏輯“與門”及邏輯“或門”的符號及意義相同，FBD語言的賦值指令用方框內的“=”表示。由此可畫出電動機起/停控制功能塊圖（FBD）語言程序，如圖2-17所示。

當然，在STEP 7的梯形圖語言（LAD）環境下，也可以用若干個觸點（或邏輯塊）的串聯來表示邏輯“與”的關系（邏輯與指令），用若干個觸點（或邏輯塊）的并聯來表示邏輯“或”的關系（邏輯或指令），用一對圓括弧“（ ）”表示邏輯輸出（賦值指令）。一個完整的邏輯關系必須從左邊一條母線開始向右繪制，邏輯賦值指令必須與最右邊一條母線相連，能流只能通過左母線、經狀態為1的觸點和賦值指令到右母線形成能流回路。按照這種方法可畫出電動機起/停控制的梯形圖（LAD）語言程序，如圖2-18所示。其中的常開觸點和常閉觸點的符號及意義與繼電器-接觸器控制系統中的常開觸點和常閉觸點的符號及意義相同。

2.3.3 PLC系統的硬件組態及程序編制

要用S7-300系列PLC實現對電動機的起/停控制，除了要連接好前面介紹的主回路、PLC外圍控制回路及中間繼電器-接觸器控制回路以外，還必須在STEP 7環境下進行PLC的硬件組態（設置與實際硬件配置完全相同的硬件信息）、編寫PLC的控制程序，并將硬件組態信息及控制程序下載到PLC。下面結合電動機起/停控制任務，介紹如何在STEP 7環境下完成PLC系統設計。

1.創建S7項目

創建新項目的最簡單方法就是使用“新建項目”向導，創建步驟如下。

首先打開SIMATIC Manager，然后執行菜單命令“File”→“New Project Wizard...”打開“新建項目”向導“Step 7 Wizards‘New Project’”對話框，首先進入介紹對話框，即向導之一——“Introduction”，如圖2-19所示。勾選“Display Wizard on starting the SIMATIC Manager”復選按鈕，則每次啟動SIMATIC管理器時將自動顯示“新建項目”向導；單擊“Preview”按鈕可在項目向導下方預覽項目結構。

在圖2-19中單擊“Next”按鈕確認，并進入CPU選擇對話框，即向導之二——“Which CPU are you using in your project?”：選擇CPU型號，如圖2-20所示。由于每個CPU都有自己的特性，所選擇的CPU必須適合系統需要，并配置相應的MPI（多點接口）地址，以便于CPU與編程設備（PG/PC）通信。本例選擇CPU314，設置MPI地址為2，CPU名稱為“My CPU314”。

在圖2-20中單擊“Next”按鈕確認，并進入組織塊（OB）和編程語言（STL、LAD、FBD）選擇對話框，即向導之三——“Which blocks do you want to add?”：選擇組織塊及編程語言，如圖2-21所示。

在“Blocks”區域中列出了當前CPU所能支持的組織塊，其中OB1為主循環組織塊，相當于一般語言的主程序，可調用S7的其他程序塊，是PLC項目不可缺少的組織塊。本例控制邏輯比較簡單，所以只需選擇主循環組織塊OB1；在“Language for Selected Blocks”區域列出了可供選擇的程序塊編程語言，本例選功能塊圖語言（FBD）；“Create with source files”選項用來選擇是否創建源文件，一般不需要。

單擊“Next”按鈕確認，并進入向導的最后一步，項目命名對話框，即向導之四——“What do you want to call your project?”：給項目命名，如圖2-22所示。在“Project name”文本框中需輸入PLC項目名稱。項目名稱最長由8個ASCII字符組成，它們可以是大小寫英文字母、數字或下劃線，第一個符號必須為英文字母，名稱不區分大小寫。如果項目名稱超出8個ASCII字符的長度，系統自動截取前8個字符作為項目名。因此，不同項目名稱的前8個字符必須有所不同。本例將項目命名為“ch2-1”。

最后單擊“Finish”按鈕完成新項目創建，并返回到SIMATIC管理器。用“新建項目”向導所創建的項目如圖2-23所示，項目已經創建了SIMATIC 300工作站及MPI子網。

2.硬件組態

所謂硬件組態，就是使用STEP 7對SIMATIC工作站進行硬件配置和參數分配。所配置的數據可以通過“下載”命令傳送到PLC。硬件組態的條件是必須創建一個帶有SIMATIC工作站的項目，組態步驟如下。

在圖2-23所示的項目窗口的左視窗內，單擊“工作站”圖標，然后在右視窗內雙擊硬件配置圖標，則自動打開“HW Config”（硬件配置）窗口，如圖2-24所示。如果窗口右邊未出現硬件目錄，可單擊硬件目錄圖標顯示硬件目錄。利用向導所創建的項目，系統自動插入了一個機架（UR），并在2號槽位插入一個CPU模塊。如果所插入的CPU模塊與實際所用的CPU模塊不一致，還可以手動插入一個CPU模塊。

（1）插入電源模塊

在圖2-24中選中1號槽位，然后在硬件目錄內單擊SIMATIC 300左邊的符號展開目錄，再展開PS-300子目錄，雙擊圖標插入電源模塊，配置S7-300 PLC硬件模塊如圖2-25所示，1號槽位只能放電源模塊。

（2）插入CPU模塊

在圖2-25中選中2號槽位，然后在硬件目錄內展開CPU-300子目錄下的CPU 314子目錄，雙擊圖標插入V2.6版本的CPU 314模塊，參見圖2-25所示。2號槽位只能放置CPU模塊，且CPU的型號及訂貨號必須與實際所選擇的CPU相一致，否則將無法下載程序及硬件配置。

在模塊列表內雙擊CPU 314可打開“Properties-CPU 314-（R0/S2）”（CPU 314屬性）對話框，如圖2-26所示。

選中“General”選項卡，在“Name”文本框中可輸入CPU的名稱，如“My CPU 314”；在“Interface”區域中單擊“Properties…”按鈕可打開“Properties-MPI interface CPU 314（R0/S2）”（CPU接口屬性）對話框，如圖2-27所示。系統默認MPI子網名為MPI（1），子網地址為2，默認通信波特率為187.5 kbit/s。

在圖2-27中的“Address”下拉列表中可重設MPI子網地址，可設置的最高子網地址為31，本例保持默認值。單擊“Properties…”按鈕打開“Properties-MPI”（MPI屬性）對話框，在“Network Settings”（網絡設置）選項卡的“Highest MPI address”下拉列表中可設置MPI子網的最高可用地址；在“Transmission rate”下拉列表中可設置通信波特率。

（3）插入數字量輸入模塊

在圖2-25中選中4號槽位，然后在硬件目錄內展開SM-300子目錄下的DI-300子目錄，雙擊圖標，插入數字量輸入模塊。

在模塊列表內雙擊數字量輸入模塊，可打開“Properties-DI32xDC24V-（R0/S4）”（數字量輸入模塊屬性）對話框，如圖2-28所示。

在“General”選項卡的“Name”文本框中可更改模塊名稱；在“Addresses”選項卡的“Inputs”區域，系統自動為4號槽位上的信號模塊分配了起始字節地址“0”和末字節地址“3”，對應各輸入點的位地址為：I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7、I3.0～I3.7。若不勾選“System selection”復選按鈕，用戶可自由修改起始字節地址，然后系統會根據模塊輸入點數自動分配末字節地址。

注意：對于某些早期的CPU不支持信號模塊的地址修改功能。

（4）插入數字量輸出模塊

在圖2-25中選中5號槽位，然后在硬件目錄內展開SM-300子目錄下的DO-300子目錄，雙擊圖標，插入數字量輸出模塊。

在模塊列表內雙擊數字量輸出模塊，可打開類似于圖2-28的模塊屬性窗口。系統自動為5號槽位上的信號模塊分配了起始字節地址“4”和末字節地址“5”，對應各輸出點的位地址為：Q4.0～Q4.7、Q5.0～Q5.7。若不勾選“System selection”復選按鈕，用戶可自由修改起始字節地址，然后系統會根據模塊輸出點數自動分配末字節地址。本例取消對“System selection”復選按鈕的勾選，將輸出模塊的首字節地址設為0，由于該模塊的輸出點數為16點，所以其末字節地址自動變為1，對應各輸出點的位地址為：Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7。

（5）編譯硬件組態

硬件配置完成后，在硬件配置環境下使用菜單命令“Station”→“Consistency Check”可以檢查硬件配置是否存在組態錯誤。如沒有出現組態錯誤，可單擊工具圖標保存并編譯硬件配置結果。如果編譯能夠通過，系統會自動在當前工作站的程序塊（Blocks）文件夾下創建一個系統數據（System data），該系統數據包含了所組態的全部硬件信息，SIMATIC 300的系統數據如圖2-29所示。

3.編輯符號表

在STEP 7程序設計過程中，為了增加程序的可讀性，常用與設備或操作相關的用戶自定義字符串（如SB1、SB2等）來表示并與PLC的單元對象（如I/O信號、存儲位、計數器、定時器、數據塊和功能塊等）關聯，這些字符串在STEP 7中被稱為符號或符號地址，STEP 7編譯時會自動將符號地址轉換成所需的絕對地址。

例如，可以將符號名SB1賦給地址I0.0，然后在程序指令中就可用SB1進行編程。使用符號地址，可以比較容易地辨別出程序中所用操作數與過程控制項目中元素的對應關系。

符號表是符號地址的匯集，屬于共享數據庫，可以被不同的工具使用，如LAD/STL/FBD編輯器、Monitoring and Modifying Variables（監視和修改變量）、Display Reference Data（顯示參考數據）等。在符號表編輯器內，通過編輯符號表可以完成對象的符號定義，具體方法如下。

在項目管理器的左視窗內，單擊S7 Program（1）文件夾，在右視圖內雙擊圖標（見圖2-8），打開符號表編輯器，系統自動打開符號表，如圖2-30所示。符號表包含Status（狀態）、Symbol（符號名）、Address（地址）、Data type（數據類型）和Comment（注釋）等字段。每個符號占用符號表的一行。當定義一個新符號時，會自動插入一個空行。

參照圖2-30填入符號名稱（Symbol列）、絕對地址（Address列）和注釋（Comment列），完成后單擊按鈕保存。在符號表編輯器內，可通過項目管理器窗口中的“View”菜單實現對符號的排序、查找和替換，并可以設置過濾條件。

4.編制程序

在STEP 7環境下編寫PLC控制程序時，一種直接將所有程序全部放在組織塊OB1中，另一種將控制程序按功能劃分為若干個子程序塊，分別放在功能（FCx）或功能塊（FBx）中，然后在OB1中通過調用FCx和FBx實現程序的控制功能。第一種方法直接將所有程序全部放在組織塊OB1中不便于程序的檢查，不推薦采用這種方法。下面采用第二種方法編寫程序。首先創建一個功能FC1，并用功能塊圖（FBD）語言對FC1進行編輯，然后在OB1中調用FC1，具體步驟如下。

（1）創建功能FC1（子程序）

在圖2-29所示的左視窗內單擊Blocks文件夾，然后在右視窗口中右擊，執行快捷菜單命令“Insert new Object”→“Function”，則彈出“Properties-Function”（功能屬性）對話框，創建功能FC1，如圖2-31所示。

在對話框的“Name”（名稱）文本框內輸入“FC1”，在“Symbolic Name”（符號名）文本框內輸入“FC1”，在“Symbol Comment”（符號注釋）文本框內輸入“電動機運行”，在“Created in Language”（編程語言）下拉列表內選擇FBD（功能塊圖語言），然后單擊“OK”按鈕確認，則在Blocks文件夾下創建一個功能FC1。

（2）編輯功能FC1

在Blocks文件夾內雙擊打開程序編輯窗口，如圖2-32所示。編輯過程如下。

1）單擊FC1的程序塊標題（Title），輸入“電動機起保停控制程序”；單擊FC1的程序塊說明（Comment），輸入“SB1（I0.0）為起動按鈕，常開；SB2（I0.1）為停止按鈕，常閉；KA1（Q0.0）為運行中間繼電器”說明信息。

2）單擊第一個程序段（Network 1）的標題部分，輸入“電動機起保停控制程序段”；單擊第一個程序段的說明部分，輸入“在電動機停止狀態下，按起動按鈕SB1，電動機運轉并自鎖；在電動機運行狀態下，按停止按鈕SB2，電動機停機并保持。”說明信息。

3）單擊Network 1的程序編輯區域，參照圖2-17及圖2-32依次單擊邏輯或指令圖標、邏輯與指令圖標及輸出指令圖標，然后在邏輯與指令塊上選中一個輸入信號端子，再依次添加輸入信號端子圖標和輸入信號端子取反圖標，完成第一個程序段的結構框架編輯，如圖2-33所示。單擊問號“??.?”，按圖2-32分別輸入相關信息，完成電動機控制程序的編輯。

電動機起保停控制程序（FBD語言）如圖2-34所示。執行菜單命令“View”→“Display with”→“Comment”可顯示/隱藏程序塊及程序段的說明；執行菜單命令“View”→“Display with”→“Symbol Information”可顯示/隱藏符號信息；執行菜單命令“View”→“Display with”→“Symbolic Representation”或單擊快捷圖標可顯示/隱藏符號地址。

（3）查看FC1的梯形圖（LAD）程序及語句表（STL）程序

在STEP 7環境下，程序可以方便地在幾種基本語言（FBD、LAD、STL）之間進行轉換，查看其他語言形式的程序結構，操作過程為：首先保存程序（如果程序有語法錯誤則不能保存，必須修正語法錯誤），然后執行菜單命令“View”→“LAD”，可切換到LAD顯示及編輯方式，LAD語言控制程序如圖2-35所示；執行菜單命令“View”→“STL”，可切換到STL顯示及編輯方式，STL語言控制程序如圖2-36所示。

（4）編輯組織塊OB1

子程序（FC1）編輯完成以后，還必須在OB1中進行調用才能被CPU執行，OB1的編輯過程如下。

1）在項目管理器的Blocks文件夾內雙擊圖標打開OB1編輯窗口，然后執行菜單命令“View”→“LAD”切換到梯形圖語言環境，在OB1的第一個程序段（Network 1）的標題區輸入：“調用電動機運行子程序，即調用功能FC1”。

2）單擊Network 1的程序編輯區域，在程序元素窗口內單擊（功能子程序塊）圖標展開目錄，雙擊圖標（也可將FC1直接拖到Network 1的編輯區域），即可將FC1加入到OB1，完成FC1的調用，如圖2-37所示。

2.3.4 方案調試

在完成電動機運行控制系統的主回路及PLC控制回路接線以后，還必須將PLC系統硬件信息及控制程序下載到PLC中，才能對系統進行調試。

1.打開仿真工具PLCSIM

下載PLC控制程序及硬件信息的前提是PLC必須連接到計算機，即有可用的PLC連接。如果用戶練習時現場沒有實際的S7-300系列PLC，則可用STEP 7專業版自帶的S7-300系列PLC仿真工具進行模擬下載及調試。在SIMATIC Manager窗口內，觀察PLCSIM圖標，如果該圖標為灰色，說明PLCSIM工具沒有安裝，需安裝后才能使用。

單擊PLCSIM圖標，彈出“Open Project”對話框，如圖2-38所示。選中“Select CPU access node”（選擇可訪問的CPU節點）單選按鈕，單擊“OK”按鈕則彈出“Select CPU Access Node”對話框，如圖2-39所示。選中需要下載或調試的可訪問的CPU節點，然后單擊“OK”按鈕即可打開PLCSIM仿真工具，PLCSIM窗口如圖2-40所示。

執行菜單命令“Tools”→“Options”→“Attach Symbols”，選擇ch1-1項目下的Symbols（符號表）進行符號顯示匹配，然后單擊Insert Vertical Bit圖標，插入兩個按位垂直排列的字節變量，并分別輸入字節地址IB0和QB0。

CPU仿真模塊有RUN、STOP和RUN-P共3種工作模式：在RUN模式下，仿真器只能運行程序，而不能下載程序；在STOP模式下只能下載程序，而不能運行程序；在RUN-P下可下載程序，下載完成后自動切換到運行模式。因此，在下載PLC硬件信息及控制程序之前，需要將CPU的工作模式開關放到STOP或RUN-P模式。

在PLCSIM窗口的“PLC”菜單中選擇“MPI Address”命令，設定PLC仿真器的MPI地址與硬件組態中CPU的MPI地址相同。

2.下載PLC硬件信息

在確認PLC與PC已經連接，且PG-PC接口設置與所用連接相匹配后，即可進行PLC硬件信息的下載。

在SIMATIC Manager的左視窗內，單擊工作站圖標，然后在右視窗內雙擊硬件配置圖標打開PLC硬件配置窗口。單擊下載工具圖標，則彈出“Select Target Module（選擇目標模塊）”對話框。單擊“Select All”按鈕，再單擊“OK”按鈕，則彈出“Select Node Address（選擇節點地址）”對話框。單擊“View”按鈕，則會在“Accessible Nodes”（可訪問節點）視窗內列出所有可訪問的節點地址，選擇節點地址如圖2-41所示。選中需要下載的節點，然后單擊“OK”按鈕進行下載，同時將顯示下載進度對話框。下載完成后該對話框自動關閉。

3.下載PLC控制程序

在SIMATIC Manager的左視窗內，單擊程序塊圖標，然后在右視窗內選擇要下載的程序塊（本例為OB1和FC1），再單擊下載工具圖標進行下載。

4.調試PLC控制系統

在PLCSIM仿真窗口內，將CPU模式開關切換到RUN模式，表2-3所示為PLC起/停控制系統仿真調試的順序。通過設置SB1、SB2的狀態，可觀察KA1的狀態，KA1的狀態不要人為設置。當位變量被勾選時，該變量為1，否則為0，如圖2-42所示。

在仿真調試的同時還可以打開FC1程序塊，在線監視程序的運行狀況。在SIMATIC Manager的左視窗內，單擊程序塊圖標，然后在右視窗內雙擊以打開FC1。單擊工具欄中監視圖標，通過操作PLCSIM窗口內變量的狀態，可觀察程序中元件狀態的變化，在線監視程序如圖2-42所示。其中綠色（實線）表示元件狀態為1，或已形成能流回路；藍色（虛線）表示元件狀態為0，或未形成能流回路。