《电气控制与PLC》课堂笔记HMI触摸屏组态 · 自动伸缩门 PLC 控制系统设计一、这节课讲了什么这节课是**「电气控制 PLC HMI」三件套的第一次合体**从「为什么要有触摸屏」讲到「用触摸屏控制一台真实的门」。模块内容HMI 认知触摸屏 人机界面是什么、有什么用、有哪几类面板组态软件WinCC 的版本与定位博途实操添加 HMI 设备 → 设备组态 → 建立 HMI 连接 → 变量关联画面组态指示灯、按钮、动画与 PLC 变量的绑定项目实战自动伸缩门控制系统控制要求 → I/O 分配 → 程序分析 → 触摸屏重复控制电气控制复习启动按钮 中间继电器 自锁记忆与保持课堂节奏先跟着做一遍基础操作约 25 分钟再进入本节的正式项目自动伸缩门。二、核心结论速览触摸屏又称人机界面HMIHuman Machine Interface是操作人员与 PLC 之间的「对话窗口」。HMI 广泛应用于工业控制现场通常与PLC 配套使用。HMI 的核心作用是替代传统按钮和指示灯把设备的运行状态可视化。按用途和形态面板大致分为精简面板、精智面板、移动面板、按键面板四类。移动面板可在移动中实时监测按键面板是传统按钮的替代方案。HMI 一般带USB 接口可连接键盘、鼠标、条码扫描器等外设。HMI 通过PROFINET等工业以太网与 PLC 通信可与多种 PLC 连接。WinCC是西门子的人机界面组态软件有 Basic / Comfort / Advanced / Professional 等多个版本。组态的标准流程添加 HMI 设备 → 设备组态 → 建立 HMI 与 PLC 的连接 → 关联变量 → 编辑画面。在博途中添加 HMI 设备时要先选系列、再选具体型号含屏幕尺寸选错系列会导致后续无法连接。HMI 与 PLC 之间必须先建立「连接」否则画面上的对象找不到数据源。画面上的每个对象指示灯、按钮都要绑定一个 PLC 变量变量的值决定对象的表现。指示灯用颜色或亮/灭表示变量状态按钮按下时改变变量值置位 / 复位。每个对象都可以设置动画动画的时间轴与 PLC 变量的变化同步。HMI 组态的本质是「把电气原理图上的按钮和指示灯搬到屏幕上」——逻辑不变载体变了。本节项目是自动伸缩门控制系统控制对象是一台真实的门。门的三个执行动作开门Y1、关门Y2、暂停Y3。控制要求一按开门按钮→ 电动机正转 → 门打开 →开门限位开关动作时停止。控制要求二按关门按钮→延时 5 秒→ 电动机反转 → 门关闭 →关门限位开关动作时停止。控制要求三门的内侧设有暂停按钮用于紧急停止安全要求。控制要求四关门过程中若碰到障碍应能触发安全动作防夹。程序结构上开门与关门是两条独立的控制支路各自带自锁并通过互锁避免同时接通。硬件设计阶段要完成设备连接与地址分配明确每个输入、输出对应的物理点。项目要求用触摸屏实现重复控制——即同一套逻辑既能在屏上操作也能在现场按钮上操作。电气控制的基础仍是那三件套启动按钮 中间继电器 自锁触点实现信号的记忆与保持。自锁就是「按一下松手后电路自己保持通电」互锁就是「你通了我就不能通」。三、知识结构树电气控制与PLC本次课 | |- 1. HMI触摸屏 / 人机界面 | |- 定义操作人员与 PLC 之间的对话窗口 | |- 用途工业现场与 PLC 配套 | |- 作用替代传统按钮与指示灯状态可视化 | |- 面板分类 | | |- 精简面板简单应用 | | |- 精智面板复杂程序、精致画面 | | |- 移动面板移动中实时监测 | | - 按键面板传统按钮的替代 | - 接口 | |- USB键盘 / 鼠标 / 条码扫描器 | - PROFINET与 PLC 通信 | |- 2. 组态软件 WinCC | |- 定位人机界面组态软件 | - 版本Basic / Comfort / Advanced / Professional | |- 3. 博途TIA Portal组态流程 | |- 步骤 1打开项目添加 HMI 设备 | |- 步骤 2选择系列 - 选择具体型号含尺寸 | |- 步骤 3设备组态Device configuration | |- 步骤 4添加 / 确认 PLC 设备 | |- 步骤 5建立 HMI 连接HMI connection | |- 步骤 6关联 PLC 变量到画面对象 | - 步骤 7编辑画面指示灯、按钮、动画 | |- 4. 项目实战自动伸缩门控制系统 | |- 控制要求 | | |- 开门按钮 - 正转 - 开门限位停止 | | |- 关门按钮 - 延时 5s - 反转 - 关门限位停止 | | |- 暂停门内侧按钮紧急停止 | | - 安全关门遇障触发 | |- I/O 分配 | | |- 输出Y1 开门 / Y2 关门 / Y3 暂停指示 | | |- 输入开门按钮 / 关门按钮 / 暂停按钮 / 两个限位开关 | | - 中间量中间继电器M、定时器T | |- 程序分析 | | |- 开门支路自锁 限位停止 | | |- 关门支路自锁 延时 限位停止 | | - 互锁开门与关门不能同时接通 | - HMI 画面 | |- 按钮启动 / 停止 / 暂停 | - 指示灯门状态、暂停状态 | - 5. 电气控制线路复习 |- 启动按钮常开 |- 中间继电器信号的记忆与保持 |- 自锁松开按钮后电路自保持 |- 互锁互斥支路不能同时通电 - 常开 / 常闭触点、线圈输出四、知识点详解4.1 HMI 是什么触摸屏又称人机界面HMI是操作人员与 PLC 之间交互的窗口广泛应用于工业控制现场通常与 PLC配套使用。它能做什么把设备的运行状态显示出来门开没开、电动机转没转让操作人员在屏幕上操作按「开门」「关门」替代传统的按钮 指示灯组合减少柜内元件与接线。面板的分类类型特点精简面板面向简单应用功能基础精智面板可做较复杂的画面与程序移动面板可在移动过程中进行实时监测按键面板传统按钮的创新替代方案接口能力USB可连接键盘、鼠标、条码扫描器等外设PROFINET与 PLC 通信的工业以太网接口。课堂上演示的是与西门子 S7 系列 PLC 配合使用的情形。4.2 组态软件 WinCCWinCC是西门子的人机界面组态软件用于给 HMI 面板「画画面」。课堂上介绍了它的多个版本按功能由简到繁大致是版本定位Basic基础版面向精简面板Comfort舒适版面向精智面板Advanced高级版面向 PC 与复杂应用Professional专业版面向分布式系统选版本的原则是与手上的面板型号匹配——面板是精简型就用 Basic是精智型就用 Comfort。4.3 在博途中添加 HMI 设备实操步骤这是本节课的动手主线步骤如下步骤 1打开项目添加 HMI 设备在项目中执行「添加设备」选择 HMI 类型。步骤 2先选系列再选型号先选系列如精简系列、精智系列再选具体型号型号里包含屏幕尺寸例如 9 寸面板。易错点系列选错后面就无法与手上的实物面板匹配连接会失败。选型号时注意区分相近的型号后缀。步骤 3设备组态进入设备组态Device configuration界面确认面板的通信接口设置。步骤 4确认 PLC 设备项目里必须已经有 PLC 设备这是 HMI 的数据来源。步骤 5建立 HMI 连接在项目的「HMI 连接」中建立 HMI 与 PLC 之间的连接。关键点连接建立之前画面上的对象是「无源」的——它们找不到变量。先连接再画画面。步骤 6关联变量打开「PLC 变量」表把 PLC 的变量包括线圈、位存储器等关联到画面对象上。步骤 7编辑画面指示灯设置颜色让它在变量为 1 时点亮按钮设置按下时对变量执行的动作置位 / 复位动画每个对象都可以设置动画动画与 PLC 变量同步。课堂原话大意HMI 组态其实是一层更深层的编辑——你编辑的不只是画面而是画面背后与 PLC 变量的绑定关系。4.4 项目实战自动伸缩门控制系统背景自动伸缩门在企业和学校很常见。本项目的目标是用 PLC 触摸屏来控制一台真实的门。控制要求课堂口述整理序号要求1按开门按钮→ 电动机正转 → 门打开 →开门限位开关动作时停止2按关门按钮→延时 5 秒→ 电动机反转 → 门关闭 →关门限位开关动作时停止3门的内侧设有暂停按钮用于紧急停止4关门过程中若碰到障碍应能触发安全动作5要求用触摸屏实现重复控制第 2 条的「延时 5 秒」是课堂上明确强调的按关门按钮后不立即关门先延时 5 秒再动作给人员留出通过时间。I/O 分配类型符号说明输出Y1开门电动机正转输出Y2关门电动机反转输出Y3暂停 / 状态指示输入开门按钮启动开门输入关门按钮启动关门带 5 秒延时输入暂停按钮紧急停止输入开门限位开关门开到位的信号输入关门限位开关门关到位的信号中间量中间继电器 / 位存储器记录「正在开门」「正在关门」等状态中间量定时器实现 5 秒延时课堂在分析程序时反复提到的M1.1、M1.3属于位存储器中间继电器分别代表开门、关门相关的中间状态限位开关信号则用于断开对应的支路。程序结构分析开门支路按下开门按钮 → 中间继电器动作 → 输出 Y1 接通 → 电动机正转支路带自锁松开按钮后继续保持当开门限位开关动作时断开该支路 → 门停在开到位处。关门支路按下关门按钮 →定时器开始计时计时到5 秒后 → 输出 Y2 接通 → 电动机反转支路同样带自锁当关门限位开关动作时断开该支路 → 门停在关到位处。暂停支路按下暂停按钮 → 断开正在执行的支路 → 门立即停止。互锁开门与关门不能同时接通必须在程序或线路中互锁。课堂原话大意门在关闭过程中如果碰到东西应当触发安全动作——这对应现实中的防夹保护。HMI 画面画面上放置按钮启动开门、停止、暂停放置指示灯显示门的当前状态每个对象都关联到上面 I/O 表中的变量最终效果在现场按按钮和在屏幕上点按钮效果一致。4.5 电气控制线路复习课堂在讲 PLC 程序前先回顾了继电器—接触器控制线路的基础三个基本要素启动按钮常开触点按下时接通中间继电器 / 接触器线圈得电动作带动其触点翻转自锁触点把接触器自己的常开触点并联在启动按钮两端。自锁记忆与保持按下启动按钮 → 线圈得电 → 其常开触点闭合松开启动按钮 → 电流经自锁触点继续供给线圈 →电路保持通电。这就是电气控制里的「记忆与保持」——按一下松手后电路自己记住「已启动」。互锁两条互斥支路如正转与反转之间把对方的常闭触点串进自己的回路正转支路串反转接触器的常闭触点反转支路串正转接触器的常闭触点结果一个通了另一个就通不了。常开 / 常闭触点触点未动作时动作后常开NO断开闭合常闭NC闭合断开线圈输出程序的最后一级是线圈——它对应实际的输出继电器或接触器线圈得电即动作。五、例题与解题方法汇总题型 1根据控制要求做 I/O 分配表步骤数清有几个执行动作→ 决定输出点数数清有几个操作按钮 限位开关→ 决定输入点数需要记忆状态的列出中间继电器需要延时的列出定时器。题型 2绘制带自锁与互锁的控制电路步骤画出启动按钮 自锁触点并联把停止或限位信号以常闭形式串在回路里需要互锁的把对方接触器的常闭触点串进来最后接线圈。要点停止和限位用常闭启动用常开——这是电气控制线路的基本约定。题型 3带延时的控制如延时 5 秒关门步骤按关门按钮 → 启动定时器不是直接启动电动机定时器到达设定值5 秒→ 其触点动作用定时器触点去接通关门输出。要点分清通电延时与断电延时两种定时器按题意选用。题型 4HMI 组态的步骤排序正确顺序添加 HMI 设备 → 选系列与型号 → 设备组态 →建立 HMI 连接→ 关联变量 → 编辑画面易错点把「编辑画面」放在「建立连接」之前——这样画出来的对象是没有变量来源的。六、术语速查表术语含义HMI人机界面即触摸屏WinCC西门子的人机界面组态软件博途 / TIA Portal西门子的全集成自动化工程软件平台设备组态设置设备通信接口与硬件参数的界面HMI 连接HMI 与 PLC 之间的通信通道必须先建立PLC 变量PLC 中的变量表画面对象的绑定来源精简面板面向简单应用的 HMI 面板精智面板可做复杂画面的 HMI 面板移动面板可移动使用的 HMI 面板按键面板替代传统按钮的 HMI 面板PROFINET工业以太网通信协议位存储器 / 中间继电器程序中用于记录中间状态的元件自锁松开按钮后电路自行保持通电互锁互斥支路之间互相封锁常开触点未动作时断开动作后闭合常闭触点未动作时闭合动作后断开限位开关检测运动部件是否到达指定位置的开关定时器实现延时动作的元件线圈程序的输出元件对应实际执行器件七、课堂强调与复习重点先建立 HMI 连接再编辑画面——顺序反了对象就没有数据源。添加 HMI 设备时先选系列、再选型号系列选错后面全错。按钮替代不了逻辑HMI 只是把按钮搬到屏幕上控制逻辑仍在 PLC 里。关门延时 5 秒是本题的关键细节别漏。开门与关门必须互锁。限位开关要用常闭触点串在回路里这样断线也能停机故障安全。电气控制的根基还是自锁与互锁PLC 程序只是把线路「翻译」成梯形图。做项目先写控制要求再做I/O 分配表最后才写程序——顺序不要颠倒。八、【以教材为准】待核对清单本节录音中教师大量使用口语化的操作指导以下内容无法从录音中准确还原请以教材与教师演示为准HMI 的具体型号录音中出现「9 寸面板」等描述但型号字母识别不清请以教材第 168 页为准。面板按钮的元件符号课堂提到的按钮符号识别为「SB1」「SB3」一类识别不可靠请以教材为准本文统一改用「开门按钮 / 关门按钮 / 暂停按钮」描述。限位开关的符号课堂提到「SX3」按电气控制惯例应为行程开关 SQ但录音无法确认请以教材为准。中间继电器的编号录音中出现的「M1.1」「M1.3」等编号在不同段落不一致有时识别为 V1.3、L1.3具体编号请以教材例题为准。「暂停」输出的具体作用录音中既提到 Y3 是暂停也提到 Y3 是「指示灯」二者关系未能确认。延时 5 秒的作用位置录音确认「按关门按钮后延时 5 秒再关门」但延时是否同时作用于开门未提及。WinCC 版本与面板的对应关系本文按通行做法列出 Basic / Comfort / Advanced / Professional课堂上只提到「多个版本」具体对应关系请查教材。「碰到障碍触发安全」的实现方式录音只提到要求未讲实现手段是压力开关还是力矩保护请以教材为准。作业页码课堂布置了「177 页 9-19-5」「214 页 10-110-3」「179 页 7-8」页码与题号识别基本可靠但仍建议对照课本确认。九、复习自测HMI 的全称是什么它在控制系统中处于什么位置为什么工业现场要用 HMI 替代传统按钮和指示灯HMI 面板按形态大致分为哪四类各适合什么场合HMI 通常通过什么接口与 PLC 通信还能接哪些外设WinCC 是什么软件它有哪些主要版本在博途中添加 HMI 设备时为什么要「先选系列、再选型号」设备组态这一步主要设置什么为什么必须先建立 HMI 连接、再编辑画面画面上的指示灯是如何与 PLC 变量绑定的画面按钮被按下时对 PLC 变量执行什么动作「HMI 组态是更深层的编辑」这句话怎么理解自动伸缩门项目的五条控制要求分别是什么画出该项目的 I/O 分配表至少列出 3 个输出、5 个输入。按关门按钮后为什么要延时 5 秒这 5 秒由什么元件实现开门支路和关门支路为什么必须互锁不互锁会有什么后果限位开关为什么用常闭触点串在回路里什么是自锁它在电气控制中起什么作用什么是互锁画出正反转互锁的基本接法。常开触点和常闭触点在「未动作」时分别是什么状态做这类项目时正确的设计顺序是什么电气控制线路中的「线圈」对应实际系统中的什么器件PLC 程序与继电器控制线路之间是什么关系十、复习自测参考答案建议先自己做完第九部分再对照这里。带「★」的是本题的重点。1.HMI Human Machine Interface人机界面日常就叫触摸屏。它位于操作人员与 PLC 之间是人与控制系统交互的窗口向上给操作者显示设备状态向下与 PLC 交换数据。2.① 把设备运行状态可视化操作者一眼就能看清门开没开、电动机转没转② 用软件画面替代实物按钮和指示灯减少柜内元件与接线③ 工艺变了只需改画面不用改硬件④ 还能做报警、趋势、配方这些传统按钮做不到的功能。3.精简面板面向简单应用功能基础、精智面板可做较复杂的画面与程序、移动面板可在移动过程中实时监测、按键面板传统按钮的创新替代方案。4.通信一般通过PROFINET工业以太网。此外通常带USB接口可接键盘、鼠标、条码扫描器等外设。5.WinCC 是西门子的人机界面组态软件用于给 HMI 面板做画面。主要版本由简到繁为Basic、Comfort、Advanced、Professional。6. ★因为型号是挂在系列下面的——先确定系列才能列出该系列下可选的型号。系列决定了面板的能力范围支持的画面复杂度、可用控件、配套的组态软件版本型号进一步确定屏幕尺寸与接口配置。系列选错后面就无法与手上的实物面板匹配连接会失败。7.设备组态主要设置设备的通信接口与硬件参数——即面板用哪个接口、以什么协议与 PLC 通信以及模块的地址分配。8. ★因为画面上的每个对象指示灯、按钮都必须绑定一个 PLC 变量才能工作而连接就是变量传输的通道。连接没建立对象就没有数据源画出来的东西是「死」的。所以必须先把连接建好再画画面。9.在对象属性里指定它绑定的变量地址如某个输出位或位存储器。运行时 HMI 周期性读取该变量的值为 1 时按设定的「亮」状态显示为 0 时按「灭」状态显示。颜色、闪烁、动画都由这个值驱动。10.按钮按下时对变量执行写操作——通常是置位Set或复位Reset也可以是「按下置位、松开复位」点动。具体动作在按钮的事件配置里设定。11.意思是HMI 组态改的不只是画面长什么样而是画面背后与 PLC 变量的绑定关系。你表面上在拖控件、调颜色实际上是在配置「哪个控件读写哪个变量、在什么条件下动作」——这一层逻辑才是 HMI 的实质所以它比单纯的「画图」深一层。12.① 按开门按钮 → 电动机正转 → 门打开 →开门限位开关动作时停止② 按关门按钮 →延时 5 秒→ 电动机反转 → 门关闭 →关门限位开关动作时停止③ 门内侧设暂停按钮用于紧急停止④ 关门过程中碰到障碍应能触发安全动作⑤ 要求用触摸屏实现重复控制。13. ★类型符号说明输出Y1开门电动机正转输出Y2关门电动机反转输出Y3暂停 / 状态指示输入开门按钮启动开门输入关门按钮启动关门带 5 秒延时输入暂停按钮紧急停止输入开门限位开关门开到位信号输入关门限位开关门关到位信号中间量中间继电器 / 位存储器记录「正在开门 / 正在关门」中间量定时器实现 5 秒延时14.延时是为了给人员留出通过时间——按下关门按钮后门不立刻动5 秒内人员可以安全通过或退出。这 5 秒由定时器实现按关门按钮先启动定时器定时到达后再接通关门输出。15. ★开门Y1正转与关门Y2反转如果同时接通会造成主电路两相短路正反转接触器同时吸合 → 电源相间短路是严重事故。互锁就是让两条支路互相封锁一个通了另一个就通不了。16. ★用常闭触点串在回路里是为了故障安全正常时触点闭合、回路通畅一旦导线断线、触点接触不良或限位开关损坏回路立即断开门停止动作。如果反过来用常开触点断线时回路反而「以为已经到位」会造成失控。这就是电气控制里「停止与保护一律用常闭」的原因。17.自锁把接触器或继电器自己的常开辅助触点并联在启动按钮两端。按下启动按钮 → 线圈得电 → 常开触点闭合松开按钮后电流经这个触点继续供给线圈电路自行保持通电。作用是实现信号的记忆与保持——「按一下松手后电路记住已经启动」。18. ★互锁把对方接触器的常闭触点串进自己的回路使两条互斥支路不能同时通电。主回路 三相电源 --[KM1 主触点]-- 电动机正转 --[KM2 主触点]-- 电动机反转两相对调 控制回路正转支路 L --[SB0 停止(常闭)]--[SB1 正转(常开)]--[KM2 常闭]----[KM1 线圈]-- N | [KM1 常开(自锁)]-- 控制回路反转支路 L --[SB0 停止(常闭)]--[SB2 反转(常开)]--[KM1 常闭]----[KM2 线圈]-- N | [KM2 常开(自锁)]--记忆要点正转支路串 KM2 的常闭触点反转支路串 KM1 的常闭触点——用对方的常闭来封锁自己。19.常开NO未动作时断开动作后闭合。常闭NC未动作时闭合动作后断开。20.① 先写清控制要求有哪几个动作、什么条件启动、什么条件停止② 再做I/O 分配表输出点数、输入点数、中间量、定时器③ 然后画电气原理图或写程序④ 最后做HMI 画面并与变量关联。顺序颠倒容易漏掉条件。21.线圈对应实际系统中的执行器件——输出继电器、中间继电器、接触器的线圈。在 PLC 里线圈对应输出端子Q或位存储器M得电即动作进而驱动接触器、电磁阀、指示灯等。22.PLC 程序梯形图与继电器控制线路是逻辑等价的梯形图的触点对应线路里的常开/常闭触点线圈对应继电器/接触器线圈自锁、互锁这些结构一一对应。区别在于继电器线路靠硬件接线实现PLC 靠程序扫描实现——改逻辑不用改线还能实现定时、计数、运算等继电器做不到的功能。