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现代电气控制设备(PLC应用技术)
现代电气控制设备电气与电子工程学院09电气 2012.2目录绪论 第一章 PLC应用基础 第二章 PLC的结构及特点 第三章 PLC的基本指令及编程 第四章 PLC功能指令及应用 第五章 PLC联网与通信 第六章 PLC应用系统设计、调试及维护绪论1.什么是PLC？ 2. 典型PLC 3. PLC应用 4. 教学内容 5. 教学要求1.什么是PLC？? 全名：Programmable Logic Controller ? 中文名称：可编程序控制器 ? 名称的演变：PLC→PC→PLC ? 易混名称：PC――Personal Computer2.典型PLCOMRONCQM1HOMRONC200HOMRONCPM2A西门子S7-200系列PLC三菱FX2系列3.PLC的应用领域? 开关量的逻辑控制----开关量的逻辑控制是PLC的最基本控制 功能。PLC首用的目标，就是用于开关量的 控制。? 模拟量的闭环控制---- PLC具有A/D、D/A转换及算术运算等功 能，因此可以实现模拟量控制。●数字量的智能控制----利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能， 在配备了相应的传感器（如旋转编码器） 或脉冲伺服装置（如环型分配器、功放、 步进电机）就能实现数字量的智能控制。●数据采集与监控----利用PLC自检信号多的特点实现自诊断式 的监控，减少系统的故障，提高累计平均 无故障运行时间，同时可降低故障修复时 间，提高系统的可靠性。? 通信、联网及集散控制----利用PLC的强大的通信联网功能，把PLC 分布到控制现场，并实现各站间的通信， 上、下层间的通信，达到分散控制、集中 管理，即构成了现在的PCS系统。酒店控制系统前台RS-232CRS-485 ???控制室Rnet输入输出混合模块 Smart I/O电源控制设备 家电产品 灯客房传感器无线接收器阀门控制器 遥控器蘑菇栽培工厂加湿设备控制系统触摸屏 以太网...... ...... ...... ...... ...... ......20台20台RS-485RS-485栽培室 #1..... ..... ..... ..... ...... ...... ....#10远程监控系统GMWIN GM4 GM4RS-232C IGS-50RS-232C IGS-50RS-232C IGS-50Internet韩国中国汽车空调组装线PLC(K200S) PLC(K200S)触摸屏 (PMU330)DR6 CnetDR6 Cnet Pnet空调空调ID40ID40螺丝拧紧机螺丝拧紧机4.PLC教学内容常用电器及典型线路 ● PLC硬件结构 ● PLC指令系统 ● PLC的联网及通信 ● PLC应用系统设计、调试及维护 ● PLC实验●5.PLC教学要求课堂教学与自学相结合 ● 理论与实践相结合 ● 课上与课下相结合●考核方法平时测验与期末考试相结合 作业：10% 平时：10% 实验：10% 期末考试：70%第一章 可编程序控制器基础知识第一节 概述一、可编程控制器的产生 20世纪60年代末，随着数字电路 的发展和小型计算机的出现，人们开 始设想用小型计算机替代传统的继电 接触器来实现工业生产的自动控制。美国通用汽车公司（GM）为了适应生 产工艺的不断更新和汽车产品不断变 化的需要，向传统的汽车生产设备的 控制方法挑战，增强企业在汽车制造 工业中的竞争力，于1968年公开提出 汽车生产流水线控制系统的10项技术 要求，并在社会上公开招标。要求: 1）编程简单方便，可在现场修改程序； 2）硬件维护方便，最好是插件式结构；3）可靠性高于继电器控制柜； 4）体积小于继电器控制柜； 5）可将数据直接送入管理计算机； 6）在成本上可与继电接触器控制设备 竞争； 7）输入可以是交流115V； 8）输出为交流115V，2A以上，能直 接驱动电磁阀；9）在扩展时，原有系统只需很小改动； 10）用户程序存储器容量至少可扩展到 4kB。 这些条件实际上提出将继电器控制的 简单易懂、使用方便、价格低的优点 与计算机的功能完善、灵活性、通用 性好的优点结合起来，将继电接触器 控制的硬接线逻辑转变为计算机的软 件逻辑编程的设想。1969年，美国数字设备公司(DEC公司) 研制出了第一台可编程控制器PDP-14， 在美国通用汽车公司的生产线上试用 成功，并取得了满意的效果，可编程 控制器自此诞生。可编程序控制器 (programmable logic controller, 简称 PLC)。二. PLC的定义? 可编程序控制器是一种数字运算操作 系统，专为工业环境下应用而设计。 它采用了可编程序的存储器，用来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令， 并通过数字式或模拟式的输入和输出， 控制各种类型的生产机械和生产过程。此定义强调了可编程控制器是“数字运算 操作的电子系统”，即它也是一种计算机。 它是“专为在工业环境下应用而设计”的 计算机。这种工业计算机采用“面向用户 的指令”，因此编程方便。它能完成逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术操作， 它还具有“数字量或模拟量的输入/输出控 制”的能力，并且非常容易与“工业控制 系统联成一体”，易于“扩充”。? 定义还强调了可编程控制器直接应用 于工业环境，它须具有很强的抗干扰 能力、广泛的适应能力和应用范围。 这也是区别于一般微机控制系统的一 个重要特征。应该强调的是：可编程 控制器与以往所讲的鼓式、机械式的 顺序控制器在“可编程”方面有质的 区别。由于PLC引入了微处理机及半 导体存储器等新一代电子器件，并用 规定的指令进行编程，能灵活地修改， 即用软件方式来实现“可编程”的目 的。三、可编程控制器的发展过程可编程控制器的发展大体可分为以 下几个阶段： 第1阶段 可编程控制器问世时，功能十分简 单，只有逻辑运算、定时、计数等功 能。硬件方面以分离元件为主，存储 器采用磁芯存储器，存储容量1~2kB 左右，一台PLC只能取代200~300个 继电器。可靠性略高于继电接触器系 统，也没有成型的编程语言。第2阶段 集成电路技术的发展及微处理器的 产生，使PLC的技术得到了较大的发 展。PLC具有逻辑运算、计时、计数、 数值计算、数据处理、计算机接口、 模拟量控制等功能。软件上开发出自 诊断程序，其可靠性进一步提高，系 统开始向标准化、系列化发展；结构 上开始有模块式和整体式的区分，整 机功能也从专用型向通用型过渡。第3阶段 单片计算机的出现、半导体存储 器进入工业化生产以及大规模集成电 路的使用，推进了PLC的进一步发展， 使其演变成专用的工业计算机。此时， PLC的体积进一步缩小，可靠性大大 提高，成本大幅度下降，功能方面增 加了通信、远程输入输出（I/O）等。 此时的PLC朝两方面发展：一方面为 大型化、模块化和多功能；另一方面 为整体结构小型化、低成本。在这一阶段，PLC的软件方面出现 了面向过程的梯形图语言及其变相的 语句表（也称逻辑符号）。 第4阶段 计算机技术的飞速发展及超大规 模集成电路、门阵列电路的使用，促 使PLC完全计算机化。 PLC开始全面 使用8位或16位微处理器芯片，其处理 速度也达到1微秒/步。此时，PLC在功能上增加了高速计数、 中断、A/D，D/A，PID等，可满足过 程控制的要求，同时其联网能力也有 所增强。在软件方面，在梯形图语言 和语句表（逻辑符号）基本标准化的 基础上，又创立了SFC语言（顺序流 程图语言），并开发了基于个人微机 的编程软件。 在此期间，IEC（国际电工委员会） 发表了PLC标准草案，PLC开始向标 准化、系列化发展。第5阶段 RISC（精简指令集计算机）芯片 在计算机行业大量使用，表面贴装技 术和工艺已成熟，这些使PLC整机的 体积大大缩小，PLC开始大量使用16 位和32位的微处理器芯片，有的PLC 已使用RISC芯片。CPU芯片也向专用 化发展，系统程序中的逻辑运算等标 准化功能已用超大规模门阵列电路固 化。最小的PLC只有8个I/O点；最大的 PLC有32k个以上I/O点。PLC都可以与计算机进行联网通 信，最快的PLC处理一步程序仅需几 十纳秒。软件上使用容错技术；硬件 上使用多CPU技术。二三百步以上的 高级指令的出现，使PLC具有强大的 数值运算、函数运算和大批量数据处 理能力，并开发出各种智能化模块。 以LCD（液晶显示器）为显示设备的 人机智能接口得到普遍应用，高级 PLC已发展到触摸式屏幕，除手持式 编程器外，在PLC编程中大量使用了 笔记本电脑和功能强大的编程软件。四、可编程控制器的发展趋势 随着微处理技术的发展，可编程 控制器也得到了迅速发展，其技术和 产品日趋完善。它不仅以其良好的性 能满足了工业的广泛需要，而且将通 信技术和信息处理技术融为一体，其 功能日趋完善。今后，PLC将主要朝 着以下两个方面发展：一个是向超小 型、专用化和低价格方向发展；另一 个是向高速多功能和分布式自动化网 络方向发展。总的趋势如下： （1）CPU处理速度进一步加快 （2）控制系统分散化 （3）可靠性进一步提高 （4）控制与管理功能一体化? 编程控制器自问世以来，发展极为迅 速。1971年，日本开始生产可编程控 制器。1973年，欧洲开始生产可编程 控制器。到现在，世界各国的一些著 名的电气工厂几乎都在生产可编程控 制器装置。可编程控制器已作为一个 独立的工业设备被列入生产中，成为 当代电控装置的主导。五. PLC的组成1.可编程序控制器的基本结 构结构① CPU模块 微处理器+存储器 PLC的大脑和心脏 输入-执行-输出 ② I/O模块 系统的眼、耳、手、脚 输入：开关量、模拟量 输出：执行器（接触器、 电磁阀、调节器、调 速） ③ 编程器 编辑用户程序，监视PLC 状态 ④ 电源 为系统提供电源SB SQ SA输 入 单 元KM微处理器 存储器 电源 输 出 单 元YV HL编程器或其他编程设备【1】中央处理器(CPU)(1) 接收、存储由编程工具输入的用户程序 和数据，并通过显示器显示出程序的内容 和存储地址。 (2) 检查、校验用户程序。对正在输入的用 户程序进行检查，发现语法错误立即报警， 并停止输入；在程序运行过程中若发现错 误，则立即报警或停止程序的执行。 (3) 接收、调用现场信息。将接收到现场输 入的数据保存起来，在需要该数据时将其 调出、并送到需要该数据的地方。(4) 执行用户程序。当可编程控制器进入运 行状态，CPU根据用户程序存放的先后顺 序，逐条读取、解释和执行程序，完成用 户程序中规定的各种操作，并将程序执行 的结果送至输出端口，以驱动可编程控制 器的外部负载。 (5) 故障诊断。诊断电源、可编程控制器内 部电路的故障，根据故障或错误的类型， 通过显示器显示出相应的信息，以提示用 户及时排除故障或纠正错误。【2】存储器可编程控制器的存储器可以分为系统程序存 储器、用户程序存储器及工作数据存储器 等三种。 ①系统程序存储器：系统程序质量的好坏， 很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要 包括三部分：第一部分为系统管理程序， 它主要控制可编程控制器的运行，使整个 可编程控制器按部就班地工作；第二部分 为用户指令解释程序，通过用户指令解释 程序，将可编程控制器的编程语言变为机 器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序， 它包括许多不同功能的子程序及其调用管 理程序，如完成输入、输出及特殊运算等 的子程序，可编程控制器的具体工作都是 由这部分程序来完成的，这部分程序的多 少决定了可编程控制器性能的强弱。②用户程序存储器: 根据所选用的存储器单 元类型的不同，可以是RAM(有用锂电池进 行掉电保护)，EPROM或EEPROM存储器， 其内容可以由用户任意修改或增删。目前 较先进的的可编程控制器采用可随时读写 的快闪存储器(FlashROM)作为用户程序存 储器。③工作数据存储器:用来存储工作数据，即用 户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等. 在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数 据表。其中元件映像寄存器用来存储开关 量/输出状态以及定时器、计数器、辅助继 电器等内部器件的ON/OFF状态。数据表用 来存放各种数据，它存储用户程序执行时 的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量 和数学运算的结果等。在可编程控制器断 电时能保持数据的存储器区称数据保持区。? 用户程序存储器和用户存储器容量的大小， 关系到用户程序容量的大小和内部器件的 多少，是反映PLC性能的重要指标之一。【3】输入/输出接口? 输入/输出接口是PLC与外界连接的接口。 ? 输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号， 一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触 点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开 关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机 和各种变送器等的模拟量输入信号。 ? 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如 接触器、电磁阀、指示灯、调节阀(模拟量)、调 速装置(模拟量)等。（1）输入端口 可编程控制器为不同的接口需求设计了不 同的接口单元。主要有以下几种。 1) 数字量输入接口 它的作用是把现场的数字(开关)量信号变成 可编程控制器内部处理的标准信号。数字 (开关)量输入接口按可接纳的外部信号电源 的类型不同分为直流输入接口单元和交流 输入接口单元。直流输入接口单元电路交/直流输入接口单元交流输入电路从图中可以看出，数字量(开关)输入接口单 元中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波 有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标 准信号的作用。图中数字量(开关)输入接口 单元的电源部分都画在了输入口外(虚线框 外)，这是分体式数字量(开关)输入接口单 元的画法，在一般单元式可编程控制器中 输入接口单元都使用可编程本机的直流电 源供电，不再需要外接电源。2) 模拟量输入接口 它的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号 转换成适合可编程序控制器内部处理的由若干位 二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标 准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号均可。 这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电 压电流信号值，如4～20 mA的直流电流信号， 0～10 V(或0～5 V)的直流电压信号等。工业现场 中模拟量信号的变化范围一般是不标准的，在送 入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。模拟量输入电路框图（2）输出端口 1) 数字(开关)量输出接口 它的作用是把可编程内部的标准信号转 换成现场执行机构所需的数字(开关)量信号。 数字(开关)量输出接口按可编程控制器机内 使用的器件可分为继电器型、晶体管型及 可控硅型。内部参考电路图如图。数字(开关)量输出电路（继电器型）数字(开关)量输出电路 (a)为晶体管型 (b)为可控硅型? 各类输出接口中也都具有隔离耦合电路。 这里特别要指出的是：输出接口本身都不 带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需 考虑到输出设备器件的类型。继电器式的 输出接口可用于交流及直流两种驱动电源， 但接通断开的频率低，晶体管式的输出接 口有较高的接通断开频率，但只适用于直 流驱动的场合，可控硅型的输出接口仅适 用于交流驱动场合。2) 模拟量输出接口 它的作用是将可编程控制器运算处理后 的若干位数字量信号转换为响应的模拟量 信号输出，以满足生产过程现场连续控制 信号的需求。模拟量输出接口一般由光电 隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。其 原理框图见图。模拟量输入/输出接口一般 安装在专门的模拟量工作单元上。模拟量输出电路框图【4】电源小型整体式可编程控制器内部有一 个开关式稳压电源。电源一方面可为 CPU板，I/O板及扩展单元提供工作电 源(5 V DC)，另一方面可为外部输入 元件提供24 V DC (200 mA)电源。【5】 编程器? 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、 调试和监视。 ? 编程器有简易型和智能型两类。简易型 的编程器只能联机编程，且往往需要将梯 形图转化为机器语言助记符(指令表)后，才 能输入。它一般由简易键盘和发光二极管 或其他显示器件组成。智能型的编程器又 称图形编程器。它可以联机，也可以脱机 编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可 以直接输入梯形图和通过屏幕对话。也可以利用微机作为编程器，这时微机应 配有相应的编程软件包，若要直接与可编 程控制器通信，还要配有相应的通信电缆。 【6】其它接口电路 扩展接口 ? 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相 连,使PLC的配置更加灵活。? 智能输入/输出接口 ? 为了适应较复杂的控制工作的需要，可 编程控制器还有一些智能控制单元。如PID 工作单元、高速计数器工作单元、温度控 制单元等。这类单元大多是独立的工作单 元。它们和普通输入/输出接口的区别在于 其一般带有单独的CPU，有专门的处理能 力。在具体的工作中，每个扫描周期智能 单元和主机的CPU交换一次信息，共同完 成控制任务。通信接口?为了实现“人－机”或“机－机”之间的对话， PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口 可以与监视器、打印机、其他的PLC或计算机相 连。 当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统 参数等输出打印；当与监视器(CRT)相连时，可 将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可 以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控 制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统， 实现控制与管理相结合的综合系统。?2.可编程序控制器的物理结构C整体式 C模块式 C叠装式 整 体 式模块式模 块 式3.可编程控制器的基本特点 （1）软硬件功能强PLC的功能非常强大，其内部 具备很多功能，如时序、计数器、 主控继电器、移位寄存器及中间寄 存器等，能够方便地实现延时、锁 存、比较、跳转和强制I/O等功能。（2） 使用维护方便 PLC不需要像用计算机控制那样在 输入输出接口上做大量的工作。PLC 的输入输出接口是已经按不同需求做 好的，可直接与控制现场的设备相连 接的接口。（3） 运行稳定可靠 由于PLC采用了微电子技术，大 量的开关动作由无触点的半导体电路 来完成，同时还采用了屏蔽、滤波、 隔离等抗干扰措施，所以其平均无故 障时间在2万小时以上。（4） 设计施工周期短 PLC采用面向控制过程和面向问 题的梯形图语言编程方法，既继承了 传统控制路线清晰直观的优点，又考 虑了人们读图习惯及应用微机的水平， 很容易被接受。梯形图语言编程方法 易于编程，且容易进行程序修改和调 试，十分灵活方便。PLC的接线十分简单，只需将输入信号 的设备（按钮、开关等）与PLC输入 端子连接，接收输出信号执行控制功 能的执行元件（接触器、电磁阀等） 与PLC输出端子连接即可。六. 可编程控制器的分类PLC的种类很多，其实现的功能、内 存容量、控制规模、外形等方面均存 在较大差异。因此，PLC的分类没有 一个严格的统一标准，这里按照结构 形式、控制规模、实现的功能等进行 大致的分类。1. 按结构分类 PLC按照其硬件的结构形式可以分 为整体式和组合式。整体式PLC外观 上是一个长方形箱体，又称箱体式 PLC。组合式PLC在硬件构成上具有较高的 灵活性，其模块可以像拼积木似地进 行组合，构成具有不同控制规模和功 能的PLC，因此这种PLC又称为模块 式PLC。（1）整体式PLC整体式（又称箱体式）PLC和CPU、 存储器、输入输出都安装在同一机体内。 （2）组合式PLC 组合式（模块式）PLC采用的是总线结 构，即在一块总线底板上有若干个总线槽， 每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的 模块实现不同的功能。2. 按控制规模分类 PLC的控制规模主要是指开关量 的输入输出点数及模拟量的输入输出 路数，但主要以开关量的点数计数。（1）微型机 控制点数在100点左右 （2）小型机 控制点数在250点左右 （3）中型机 控制点数在500~1000点 左右 如C200H机1084点 （4）大型机 控制点数在1000点以上 （5）超大型机 控制点数可达上万点， 甚至于几万点。3. 按生产厂家分类 目前世界上能生产PLC的厂家较 多。但大、中、小、微型均能生产的 不算太多。在中国市场占有较大份额、 较有影响的公司及其生产的PLC系列 机型如下:（1）日本OMRON公司 （2）德国西门子公司 （3）美国罗克韦尔（ROCKWELL） 公司 （4）美国施耐得公司（5）日本三菱公司 （6）美国GE公司与日本法南克 （FANAC）合资的GE-FANAC公司 （7）日本松下电工公司 （8）日本日立公司 （9）日本东工农联盟公司 （10）日本富士公司第二节 常用控制电器在人类生活的各个领域中，电能的应用愈来愈广泛。 ? 低压电器是构成控制系统最常用的器件，了解它 的分类、作用和用途，对设计、分析和维护控制 系统都是十分必要的。? 电器的定义电器是一种能根据外界的信号（机械力、电动力 和其它物理量），自动或手动接通和断开电路， 从而断续或连续地改变电路参数或状态，实现对 电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调 节用的电气元件或设备。低压电器：指工作在直流1200V、交流1500V 及以下的电路中，以实现对电路或非电 对象的控制、检测、保护、变换、调节 等作用的电器。 采用电磁原理构成的低压电器，称为电磁式 低压电器； 利用集成电路或电子元件构成的低压电器， 称为电子式低压电器； 利用现代控制原理构成的低压电器，称为自 动化电器、智能化电器或可通信电器等。低压电器的分类（一）低压配电电器：用于供、配电系 统中进行电能输送和分配的电器。如： 刀开关、低压断路器、熔断器等； （二）低压控制电器：用于各种控制电 路和控制系统的电器。如：接触器、 控制继电器、主令电器、电阻器、电 磁铁等。 （三）低压主令电器：用于发送控制指 令的电器。如 按钮、 主令开关、行程 开关、主令控制器、转换开关等。（四）低压保护电器：用于对电路及用 电设备进行保护的电器。如熔断器、 热继电器、电压继电器、电流继电器 等。 （五）低压执行电器：用于完成某种动 作或传送功能的电器。如电磁铁、电 磁离合器等。一. 接触器接触器：是一种用于中远距离频繁地 接通与断开交直流主电路及大容量控 制电路的一种自动开关电器。按主触头控制的电流性质分有：交流接触器、直流接触器 ； 按操作方式分有： 电磁接触器、气动接触器和电磁气动接 触器； 按灭弧介质分有： 空气电磁式接触器、油浸式接触器和真 空接触器等； 按电磁机构的励磁方式分有： 直流励磁操作与交流励磁操作两种 。1、接触器的结构及工作原理图1-1 交流接触器结构示意图 1-动触头 2-静触头 3-衔铁 4-弹簧 5-线圈 6-铁心 7-垫毡 8-触头弹簧 9-灭弧罩 10-触头压力弹簧
?触点 ?灭弧系统 ?电磁机构? 触点? 主触点尺寸较大，并附有灭弧装置， 接在主电路，用于控制主电路通断； ? 辅助触点用于控制辅助电路的通断， 通过较小的电流。 ? 触点由动触点与静触点构成，其结构 型式主要有桥式触点和指形触点图1-2 触头的结构形式 a-点接触桥式触头 b-面接 触桥式触头 c-线接触指形 触头触点的分类触点按其动作状态可分为常开触点和常 闭触点。 常开触点是指在其线圈不通电状态下， 该接点是断开状态，当其线圈通电时， 该接点就闭合。故常开接点又称动合 接点（触点）。 常闭触点是指线圈在不通电状态是闭合 的，当其线圈通电时，该接点断开。 常闭接点又称动断接点（触点）。? 分析电路时，应注意时间间隔问题： ? 线圈通电时，常闭触点先断开，常开触点 后闭合；线圈断电时，常开触点先复位(断 开)，常闭触点后复位(闭合)，其中间存在 一个很短的时间间隔。? 灭弧当接触器接点切断电路时，如果电路中 电压超过10~12V或电流超过100mA， 此时两个触点之间就将产生火花，形 成气体放电现象，通常称为电弧。 在交流接触器中常采用桥式触头的电动 力灭弧及灭弧罩、灭弧栅、多点灭弧 等。? 电磁机构? 电磁机构由铁心、线圈和衔铁组成。1.铁心 2.线圈 3.吸力特性 4.交流电磁铁噪声的抑制? 电磁机构是电磁式低压电器的感测部 分，其作用是将电磁能转换为机械能， 从而带动触头动作，达到接通或分断 电路的目的。 ? 电磁机构由吸引线圈和磁路两部分组 成。其中磁路包括铁心、衔铁和空气 隙。工作原理：当吸引线圈通入一定的电压 或电流后，产生磁场，磁通经铁心、 衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生 电磁吸力，衔铁即被吸向铁心，从而 带动衔铁上的触头动作，以完成触头 的断开和闭合。① 铁心? 交流电磁铁在铁心中存在磁滞和涡流 损耗（铁损），引起铁心发热。为了 减少铁损，铁心用硅钢片叠铆而成；? 直流电磁铁线圈通直流电，无磁滞和 涡流损耗，铁心不发热，可以用整块 软钢或工程纯铁制成。② 线圈? 交流线圈匝数少、电阻小（靠感抗限制线圈电流），铜损小，为增加铁心 散热面积，线圈制成短而粗的形状， 且带有骨架。 ? 直流线圈匝数多、电阻大（靠电阻限 流），铜损大，线圈本身发热，因此 做成长而薄的形状，且不带骨架（线 圈与铁心直接接触），利于线圈散热。③ 吸力特性吸力特性：是指电磁吸力随衔铁与 铁芯间气隙δ变化的关系曲线。5B2S ? F=4×10? 其中， ? B――气隙磁感应强度，单位T； ? S――气隙截面积，单位m2；反力特性：是指反作用力Fr（使衔 铁释放的力）与气隙δ的关系曲线。图1.3 吸力特性与反力特性的配合直流电磁铁吸力特性? 线圈电流I不变，则有NI 1 ?? ? RC RC1 1 F ?? ? 2 ? 2 Rc ?2? 式 中 ， RC―― 闭 合 磁 路磁阻，等于铁心磁 阻与气隙磁阻R0 之和。 而RC≈R0∝δ，其中， δ为气隙长度。因此，结论：① 直流电磁铁电磁吸力与气隙的平 方成反比。② 直流电磁铁线圈电流I与气隙δ无 关。交流电磁铁吸力特性? 由于 B=Bmsinωt， 于是 1 1F?Fm ? Fm com2?t ? F0 (1 ? com2?t ) 2 2式中，Fm――电磁吸力 最大值，Fm=4×105B2S F0――电磁吸力平均值，F 01 ? F m 2结论：①F随时间周期变化，且有过零 点，将产生电磁噪声；②交流电磁铁线圈电流I与气隙δ 成正比。③交流电磁铁噪声的抑制? 为了抑制交流电磁铁的电磁噪声，可 在其铁心端部2/3处开一个槽，嵌入短 路铜环，由于环内和环外通过的磁通 相差一个电角度，且幅值也不相同， 各自产生的吸力叠加后在任何瞬间合 力均不为零，从而可以消除噪声。图1.4 交流电磁铁的短路环? 当磁极的主磁通发生变化时，由于在 短路环中产生感应电流和磁通，将阻 碍主磁通的变化，使得磁极两部分中 的磁通之间产生相位差，因而磁极各 部分的磁通不会同时降为零，磁极一 直具有一定的电磁吸力，这就消除了 衔铁的振动，也除去了噪声。交直流接触器的特点（小结）交流接触器 ? 交流接触器线圈通以交流电，主触点 接通、切断交流主电路。 ? 当交变磁通穿过铁心时，将产生涡流 和磁滞损耗，使铁心发热。 ? 交流接触器的灭弧装置通常采用灭弧 罩和灭弧栅。直流接触器? 直流接触器线圈通以直流电流，主触 点接通、切断直流主电路。 ? 直流接触器铁心中不产生涡流和磁滞 损耗，所以不发热。 ? 直流接触器灭弧较难，一般采用磁吹 灭弧装置。3.接触器的型号 交流接触器 直流接触器接触器的主要技术参数有极数和电流 种类，额定工作电压、额定工作电流 （或额定控制功率），额定通断能力， 线圈额定电压，允许操作频率，机械 寿命和电寿命，接触器线圈的起动功 率和吸磁功率，使用类别等。空气电磁式交流接触器常用的交流接触器有CJ20、CJX2、 CJ12和CJ10、CJ0等系列，直流接触 器有CZ18、CZ21、CZ22和CZ10、 CZ2等系列。典型产品有：CJ20、CJ21、CJ26、CJ35、 CJ40、NC、B、LC1-D、3TB、STF系列 交流接触器等。CJ20系列 型号含义：直流接触器? 应用于直流电力线路中，供远距离接 通与分断电路及直流电动机的频繁起 动、停止、反转或反接制动控制，以 及CD系列电磁操作机构合闸线圈或频 繁接通和断开电磁铁、电磁阀、离合 器和电磁线圈等。常用直流接触器有：CZ18、 CZ21、CZ22 和CZ0系列等。CZ18系列接触器型号含义：接触器的选用（1）接触器极数和电流种类的确定。 （2）根据接触器所控制负载的工作任务 来选择相应使用类别的接触器。 （3）根据负载功率和操作情况来确定接 触器主触头的电流等级。（4）根据接触器主触头接通与分断主电 路电压等级来决定接触器 的额定电压 （5）接触器吸引线圈的额定电压应由所 接控制电路电压确定。 （6）接触器触头数和种类应满足主电路 和控制电路的要求。4.接触器的图形符号和文字符号(a)线圈 (b)常开接点(c) 常闭接点KMKMKM5.接触器的主要技术指标?额定电压：接触器铭牌标注的额定电 压是指主触点上的额定电压。常见的 电压等级有： ? 直流接触器：220V、440V、660V。 ? 交流接触器：220V、380V、500V。 ?额定电流：指主触点的额定电流。 ? 直流接触器：25A、40A、60A、100A、 150A、250A、400A、600A。 ? 交 流 接 触 器 ： 5A 、 10A 、 20A 、 40A 、 60A、100A、150A、250A、400A、?线圈的额定电压：通常的电压等级有： ? 直流线圈：24V、48V、220V、440V。 ? 交流线圈：36V、127V、220V、380V。 ?额定操作频率：每小时接通次数。典型接触器实例CJ20接触器 B 系列交流接触器 CJ40系列交流接触器CKJ5系列真空交流接触器CJX1系列交流接触器CJ19系列切换电容器接触器使用接触器的注意事项(1) 因为分断负荷时有火花和电弧产生， 开启式的不能用于易燃易爆的场所和 有导电性粉尘多的场所，也不能在无 防护措施的情况下在室外使用。 (2) 使用时，应注意触头和线圈是否过热， 三相主触头一定要保持同步动作，分 断时电弧不得太大。(3) 交流接触器控制电机或线路时，必须 与过电流保护器配合使用，接触器本 身无过电流保护性能。 (4) 短路环和电磁铁吸合面要保持完好、 清洁。 (5) 接触器安装在控制箱或防护外壳内时， 由于散热条件差，环境温度较高，应 适当降低容量使用。二、继电器1.概念 2.电磁式继电器 3.干（舌）簧继电器 4.时间继电器 5.热继电器 6.速度继电器1.概念① ② ③ ④ 定义 特点 组成 继电器特性 ⑤ 参数①定义? 继电器是一种根据特定形式的输入信号(如电流、电压、转速、时间、 温度等)的变化而动作的自动控制 电器。②特点? 继电器与接触器不同，主要用于反应控制信号的变化，其触点通常接在控制电 路中。 继电器与接触器的区别在于：继电器用于控 制电路、电流小，没有灭弧装置，可在电 量或非电量的作用下动作；而接触器用于 主电路、电流大，有灭弧装置，一般只能 在电压作用下动作。③组成?继电器由承受机构、中间机构和执行机构三部分组 成。④继电器特性? 继电器的特点是具有跳跃式的输入-输 出特性。（X2为继电器吸合值，X1为 继电器释放值）⑤参数? k＝x1／x2称为继电器的返回系数。它是继 电器的重要参数之一，可通过调节释放弹 簧的松紧程度或调整铁心与衔铁之间非磁 性垫片的厚度来达到所要求的值。 ? 灵敏度是使继电器动作所需的最小功率。 ? 吸合时间是指从线圈接受信号到衔铁完全 吸合所需的时间。 ? 释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放 所需的时间。2.电磁式继电器?概念 ?电流继电器 ?电压继电器 ?中间继电器 ?电磁继电器吸力特性与反力特性的配 合关系 ?电磁继电器的整定方法 ?电压（流）继电器的整定 ?图形符号和文字符号? 概念① 组成电磁式继电器 与接触器类似， 是由铁心、衔 铁、线圈、释 图1-5 电磁式继电器的典型结构 放弹簧和触点 1-底座 2-铁心 3-释放弹簧 4-调节螺母 5-调 节螺母 等部分组成 6-衔铁 7-非磁性垫片 8-极靴 9-触头系统10-线圈电磁式继电器的分类电磁式继电器按输入信号不同分有：电 压继电器、电流继电器、时间继电器、 速度继电器和中间继电器 按线圈电流种类不同分有：交流继电器 和直流继电器 按用途不同分有：控制继电器、保护继 电器、通讯继电器和安全继电器等? 电流继电器①概念 ②过电流继电器 ③欠电流继电器① 概念? 电流继电器的线圈是电流线圈，它与负载串联以反应负载电流的变化，线 圈匝数少而导线粗。 ? 除一般用的电流继电器外，还有控制 与保护用的过电流继电器和欠电流继 电器② 过电流继电器? 在正常工作时衔铁不动作，当电流超 过某一整定值时，衔铁动作 ? 交流过电流继电器调整在110~400%IN 动作 ? 直流过电流继电器调整在70~300%IN 动作③ 欠电流继电器? 当电流降低到某一整定值时，继电 器释放，所以电路电流正常时，衔 铁吸合 ? 动作电流可在30%~65% IN范围内 调整图1-7 电流继电器的图形符 号与文字符号 （a）过电流继电器的图文 符号 （b）欠电流继电器的 图文符号? 电压继电器? 电压继电器的线圈是电压线圈，导线细、 电阻大，与负载并联以反映电路电压的变 化。 ? 电压继电器有过电压、欠电压、零电压继 电器等。 ? 过电压继电器是在电压为110~115%UN以 上时动作 ? 欠电压继电器是在电压为40~70%UN时动 作 ? 零电压继电器是当电压降至5~35%UN时动 作图1-8 电压继电器的图形符 号与文字符号 （a）过电压继电器的图文 符号 （b）欠电压继电器的 图文符号? 中间继电器? 中间继电器实质上也是一个电压线圈的继电器。 中间继电器的作用是增加被控制线路的数量或加 大触点允许的断开容量（额定电流为5～10A）， 以达到分配控制信号和功率放大的目的。 ? 特点： ①触点多(六对甚至更多) ②触点电流大(额定电流为5~10A) ③动作灵敏(动作时间小于0.05s) ? 可以用中间继电器来增加控制电路的回路数或放 大信号。? 电磁继电器的吸力特性与反力特 性的配合关系配合原则：衔铁吸合时，吸力特性必须始终 大于反力特性； 释放时，吸力特性必须始终低于反力特性。图1-6 电磁机构吸力特性与反力 特性的配合 1-直流吸力特性 2-交流吸力特性 3-反力特性 4-剩磁吸力特性?电磁继电器的整定方法 ? 整定方法 ①改变反作用弹簧的松紧 ②调整非磁性垫片的厚薄? 电压（流）继电器的整定? 用电压表并接于线圈两端，用滑线电阻调节线圈两端电压。 ? 如欲整定动作电压，则将电压调节到 所要求的动作值，断开电源(滑线电阻 不要改变)。调节反作用弹簧的松紧， 每调节一次，合上一次电源，直到合 上电源后，衔铁刚好动作为止。? 如欲整定返回电压，则应主要改变非磁性垫片的厚度(如果吸合电压没有固 定要求，也可调节反作用弹簧)。 ? 电流继电器的整定方法与上面一样， 只不过改用电流表中串接在线圈回路 内。? 图形符号和文字符号KKK典型电磁式继电器DX-30系列信号继电器 DL-10系列电流继电器 DY-20C系列电压继电器JZ7系列中间继电器JZC4(CA2)系列接触器式继电器GL-10、20系列反时限过流继电 器JJDZ3-3中间继电器3.干（舌）簧继电器 ?结构 ?工作原理 ?特点? 结构干簧继电器的舌簧片由铁镍合金 (坡莫合成)做成。 舌片的接触部分通常镀以金属如 金、铐、钯等，具有良好的导电 性， 干簧继电器的触点密封在充有惰 性气体的玻璃管中，所以避免了 尘埃的污染，减小了触点的腐蚀， 提高了工作的可靠性。? 工作原理①当线圈通电后，管中两舌簧片分 别被磁化成N极与S极而相互吸引， 因而接通了被控制的电路。 ②线圈断电后，舌簧片在本身的弹 力作用下分开并复位，控制电路即 被切断。? 特点?吸合功率小，灵敏度高。一般舌簧继电器 的吸合与释放时间均在0.5~2ms以内； ?因触点密封，故触点寿命长，一般可达108 次左右。 ?结构简单，体积小，价格低，维修方便。 ?缺点是触点易冷焊粘住，过载能力低，触 点开距小，耐压低，断开瞬间触点易抖动。4.时间继电器? 概念 ? 电磁式时间继电器 ? 空气阻尼式时间继电器 ? 电动机式时间继电器 ? 电子式时间继电器 ? 时间继电器的图形符号和文字符号 ? 时间继电器的选用原则? 概念① 定义? 时间继电器是在电路中控制动作时间的继电器。当它的检测元件获得 信号后，经过一段时间，其执行元 件才会动作并输出信号。② 种类 ? 常用的有电磁阻尼式、空气阻 尼式、电动机式、半导体式等。? 电磁式时间继电器JS7-A系列时间继电器① 原理阻尼铜（铝）套 短接线圈利用阻尼套产生延时的原理a.当线圈通电时，衔铁处于释放位置，气隙 大、磁阻大、磁通小，所以阻尼套的作用 很小，可不记延时作用； b.在线圈断电时，由于电流瞬间减小，根据 楞次定律，阻尼套中将产生一个感应电流， 阻碍磁通的变化，维持衔铁不立即释放， 直至磁通经阻尼套电阻消耗逐渐使电磁吸 力不足以克服反力时，衔铁释放，产生断 电延时。利用线圈短接产生延时的原理? 当线圈断电时，立即将线圈短接，为 了防止电源短路，应在线圈回路串接 一个电阻R.KRJ② 延时时间的调整Ⅰ. 改变释放弹簧的松紧程度：释放弹 簧越紧，释放磁通越大，延时越短。 Ⅱ. 改变非磁性垫片厚度：垫片厚度增 加，延时增加。 Ⅲ. 为增大断电延时。对带阻尼套的时 间继电器可兼用短接线圈方法，如K3 型通用继电器通过这种措施，延时时 间可达5s。? 空气阻尼式时间继电器 ①组成 ②原理 ③特点 ④优缺点① 组成? 电磁系统 ? 气囊式延时机构 ? 触点② 工作原理? 当线圈得电使衔铁和支撑杆动作时，带动联结在 一起的胶木块下降，但由于空气室中的空气受进 气孔处调节螺钉的阻碍，在活塞下降过程中空气 室内造成空气稀薄而使活塞下降缓慢，起到延时 作用。 ? 到达最终位置时压合微动开关，触点闭合送出信 号。 ? 当线圈失电，活塞在恢复弹簧作用下迅速复位， 这时空气室的空气可由出气孔及时排出。③特点? 通过改变电磁机构方向可改变延时 方式（通电延时型或断电延时型）； ? 电磁机构可以是交流的，也可以是 直流的。 ? 延时时间可以通过调节螺钉来调节 进气孔气隙来改变。④ 优缺点? 优点：延时范围大、结构简单、 寿命长、价格低。? 缺点：延时误差大。?电动机式时间继电器① 原理? 由微型同步电动机拖动减速齿轮以获得延 时。 ? 当继电器内的同步电动机通电后，通过减 速齿轮带动动触点经过一定延时与静触点 闭合，从而发出信号。 ? 延时范围：JS11型：0~8s、0~40s、 0~4min、0~20min、0~2h、0~12h和 0~72h。② 优缺点? 优点：延时范围宽，延时的整定偏差 和重复偏差都比较小，且延时值不受 电源电压波动以及环境温度变化的影 响； ? 缺点：机械结构复杂、寿命低，不适 于频繁操作，且体积较大、成本高。? 电子式时间继电器① 分类 ? 按结构原理可分为阻容式和数 字式两种； ? 按延时方式可分为通电延时型、 断电延时型、带瞬动触点的通 电延时型等。② 优缺点? 优点：延时范围广、体积小、重量 轻、延时精度高、寿命长、工作稳 定可靠、调节和安装维修方便、触 点输出容量大、耐冲击和耐震动。 ? 缺点：延时易受温度变化和电源 波动的影响，抗干扰性差，价格较 贵。? 时间继电器符号一般符号 通电延时 断电延时KTKTKT通电延时断电延时? 通电延时：收到输入信号后延迟一定 的时间，输出信号才发生变化；当输 入信号消失后，输出瞬时复原。 ? 断电延时：收到输入信号后，瞬时产 生相应的输出信号；当输入信号消失 后，延迟一定的时间输出才复原。?时间继电器的选用原则? 根据线路要求，决定选择通电延时型还是断电延 时型； ? 在延时精度不高时，可选择价格较低的电磁式或 气囊式时间继电器； ? 电源电压波动大时，应选用气囊式或电动机式； 电源频率波动大时，忌用电动机式产品； ? 环境温度变化大处，忌用气囊式时间继电器； ? 延时精度及操作频率要求较高时，应选用电子式 时间继电器。5.热继电器? 组成 ? 双金属片式热继电器工作原理 ? 双金属片式热继电器的使用 ? 带断相保护装置的热继电器 ? 热继电器的图形符号和文字符 号热继电器是电流通过发热元件加热使双金属片弯曲， 推动执行机构动作的电器。 主要用来保护电动机或其它负载免于过载以及作为 三相电动机的断相保护。? 组成图1-8 双金属片式热继电器结构原理 1-主双金属片 2-电阻丝 3-导板 4-补偿双金属片 5-螺钉 6-推杆 7-静触头 8-动触头 9-复位按钮 10-调 节凸轮 11-弹簧? 工作原理? 双金属片由两种热膨胀系数不同的金属碾 压而成，当双金属片受热时，就会出现弯 曲变形。 ? 使用时，把热元件串接于电动机的主电路 中，而常闭触点串接于电动机的控制电路 中。 ? 热继电器动作电流的调节可以通过调节螺 钉的位置来实现。? 当电动机正常运行时，热元件产生的热量 不足以使热继电器触点动作； ? 当电动机过载时，双金属片弯曲位移增大， 推动推杆使触点动作，从而切断控制电路 以起到保护作用。 ? 热继电器动作后，经过一段时间的冷却后， 能自动复位或手动复位。?双金属片式热继电器的使用?在三相电源对称，电动机三相绕组绝缘良 好的情况下，电动机的三相线电流是对称 的，这时可以采用一相结构的热继电器。 ?当电动机出现一相断线故障，并且正好发 生在串有一相结构的热继电器这一相时， 就需采用两相结构的热继电器。 ?当三相电源因供电线路故障而发生严重的 不平衡、电动机绕组内部发生短路或绝缘 不良等故障时，需采用具有三个热元件的 三相结构热继电器。?对于Δ联结的三相感应电动机，一般热继 电器的热元件串接于电源进线中，并且按 电动机的额定电流来选择热继电器。当三 相电源断相时，如果故障电流达到额定值 时，电动机内部电流较大的那一相绕组的 故障相电流已超过额定相电流了Δ联结的 三相鼠笼式电动机的断相保护问题，可以 采用带断相保护装置的热继电器。?带断相保护装置的热继电器当电流为额定值时，三个热元件发热正常， 其端部均向左弯曲并推动上下导板同时左 移，但到不了动作线，继电器不会动作； ? 当电流过载到达整定电流时，双金属片弯 曲较大，把导板和杠杆推到动作位置，继 电器动作；??当一相断路时，该相热元件温度由原来正 常发热状态下降，双金属片由弯曲状态伸 直，推动上导板右移，同时由于其它两相 电流较大，推动下导板左移，使杠杆扭转， 继电器动作，起到了断相保护作用。? 热继电器符号FR6.速度继电器 ?结构 ?工作原理 ?速度继电器的图形符号 和文字符号? 结构由转子、定子和触点三 部分组成。 转子结构：转子是一块 永久磁铁，固定在轴上 定子结构:定子的结构与 笼型异步电动机的转子 相似，由硅钢片叠成， 并装有鼠笼型绕组。?工作原理? 定子与轴同心且能独自偏摆，与转子间有 气隙。 ? 速度继电器的轴与电动机的轴同轴连接。 当电动机旋转时，速度继电器的转子跟着 一起转，永久磁铁产生旋转磁场，定子上 的笼型绕组切割磁通而产生感应电势和电 流，导体与旋转磁场相互作用产生转距， 使定子跟着转子的转动方向偏摆，转子速 度越高，定子导体内产生的电流越大，转 矩也就越大。? 定子偏摆到一定角度时，通过定子柄拨动 触点，使继电器相应的动断、动合触点动 作。 ? 当转子的速度下降到接近零时(约100r／ min)，定子柄在动触点弹簧力的作用下恢复 到原来的位置。?速度继电器符号KV三、主令电器? 主令电器是用来接通和分断控制电路以发 布命令、或对生产过程作程序控制的开关 电器。 ? 分类：控制按钮、行程开关、万能转换开 关和主令控制器等。 1.控制按钮 2.行程开关 3.凸轮控制器和主令控制器 ? 4.万能转换开关1.控制按钮?作用 ?组成 ?原理 ?控制按钮的图形符号和文字符号? 作用 ? 控制按钮用作低压电路中 远距离手动控制各种电磁 开关，或用来转换各种信 号电路与电器联锁线路等。? 组成? ? ? ? 按钮 恢复弹簧 动、静触点 外壳? 原理? 当按下按钮时，常闭触点断开， 常开触点闭合； ? 当按钮释放后，在恢复弹簧的 作用下使按钮复原。? 控制按钮符号SBSBSB常开按钮常闭按钮复式按钮典型按钮蘑菇头带灯按 钮LA42MD6 按钮开关KN12A02一般按钮LA42急停按钮LA42J6按钮盒TYX（105） 推拉式急停按钮LA42JT 按钮盒TYX（085）2.行程开关?结构 ?原理 ?行程开关的图形符号和文字符号? 结构? 行程开关是一种根据运动部件的行程 位置而切换电路的电器。主要用于生 产机械的运动方向、行程大小控制或 位置保护等。 ? 结构：操作头、触点系统和外壳。? 原理?操作头是开关的感应部分，它接受 机械设备发出的行程位置信号，并 将此信号传递到触点系统； ?触点系统是开关的执行部分，它将 行程位置信号通过本身的转换动作， 变换为电信号，输出到有关的控制 回路，使之作出相应的反应。?行程开关符号SQ SQ典型行程开关柱塞缓冲式LX29-1H-1防尘单臂滚轮式LX29-2Q防尘二节滚轮式LX29-3Q防尘滚轮柱塞式LX29-5Q防水二节滚轮式LX29-3SOMRON接近开关3.凸轮控制器和主令控制器?结构 ?原理 ?符号? 结构? 手柄 ? 定位机构 ? 转轴 ? 凸轮 ? 触点? 原理转动手柄时，转轴带动 凸轮一起转动，转动到 一定位置时，凸轮顶动 辊子，克服弹簧压力使 动触点顺时针方向转动， 脱离静触点而分断电路。 在转轴上叠装不同形状 的凸轮，可以使若干个 触点按规定的顺序接通 或分断。? 符号? 打“●”表示手柄在该位置时，该触点接 通。SA凸轮控制器和主令控制器外形LK17系列交流主令控制器LK1系列主令控制器KT14系列凸轮控制器4.万能转换开关 ?结构 ?符号? 结构万能转换开关是由多组 相同结构的触点组件叠 装而成的多回路控制器。 结构：由操作机构、定 位装置和触点等三部分 组成。触点的通断由凸 轮控制。触点为双断点 桥式结构。（2）万能转换开关的图形符号左102右接通表 位置 触点 1-2 左 0 右34563-4 5-6787-8画“”标记表示万能转换开关外形转换开关LW42 LW8万能转换开关 LW2万能转换开关LW5D万能转换开关LW6型万能转换开关四、其他常用电器1.刀开关 2.熔断器 3.低压断路器1.刀开关?组成结构 ?分类 ?选用原则 ?符号? 组成结构绝缘底板 绝缘手柄 触刀? 分类? 按极数可分为单极、双极和三极型； ? 按结构可分为平板式和条架式； ? 按操作方法可分为直接手柄操作式、 杠杆操作式和电动操作式。? 刀开关的选用原则①根据在线路中的作用和安装位置确定结构 形式（分断负载时，须带灭弧罩及杠杆操 作机构）； ②考虑操作位置（正面、侧面）、手柄操作 或杠杆操作、接线方式（板前或板后）等； ③根据线路电压和电流来选择。注意：如果 可能出现的最大短路电流超过动热稳定电 流的允许值，则要选择工作电流高一级的 产品。QQQ刀开关外形HR3系列熔断器式刀开关HS系列单投和双头刀开关HD系列单投和双头刀开关2.熔断器?用途 ?结构 ?原理 ?分类 ?符号 ?技术参数 ?选用原则? 用途? 短路保护。? 结构熔体 ? 熔断管?? 原理? 熔断器串接于被保护电路中，当电路发生短路故障时，熔体 被瞬时熔断而分断电路。? 分类? ① 按发热时间常数(热惯性)分为无热惯性、 大热惯性、小热惯性三种，热惯性越小， 熔化越快。 ? ② 按熔体形状分为丝状、片状、笼状(栅状) 三种。 ? ③ 按支架结构分为螺旋式、插入式和管式 三种。管式又分为有填料与无填料两种， 填料采用石英砂等材料以增加灭弧能力。? 符号FU? 熔断器的技术参数? 额定电流：通常把熔断体内能装入的最大 熔体的额定电流称为熔断器的额定电流； ? 额定电压：熔断器长期工作时和分断线路 时能够承受的电压，称为熔断器的额定电 压；? 熔断器的额定分断能力：在规定使用条件 （线路电压、功率因数、时间常数）下， 熔断器所能分断的预期短路电流（对交流 来说为方均根值）；对于有限流作用的熔 断器，其分断能力用预期短路电流和限流 系数表示。限流系数是指实际分断电流与 预期短路电流最大值（交流指峰值）之比。 限流系数越小，限流能力越强。? 熔断器的选用原则①熔断器的额定电压大于等于线路的额定电 压； ②熔断器的额定电流等于或高于所装熔体的 额定电流； ③熔断器的额定分断能力不小于线路中可能 出现的最大故障电流；④熔体额定电流： ? a）电阻性负载：Ifu≥I，其中：Ifu：熔体额 定电流； I：电路工作电流。 ? b）保护单台长期工作电动机： Ifu ≥ （1.5~2.5） IN ， IN为电动机额定电流 ? c）保护频繁启动电动机： Ifu ≥（3~3.5） IN ? d）保护多台电动机： Ifu ≥（1.5~2.5） INm +∑ IN ? e）降压启动电动机：熔体的额定电流等于 或稍高于电动机的额定电流。典型熔断器RL1螺旋式熔断器RS1□系列快速熔断器RT14系列圆筒形帽熔断器HDLRS0(RS0)系列熔断器3.低压断路器?作用 ?结构 ?分类 ?原理 ?参数 ?选用原则 ?符号? 作用? 低压断路器也称自动空气断路器或自动开关，主要用在低压动力线路中。 它除了能手动或自动接通动力电源外， 还能在发生严重过载、短路及欠电压 等故障时自动切断电路，实现对线路、 电源设备及电动机的保护，也可用于 不频繁地转换及起动电动机。? 结构? 低压断路器由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器、开关机构、框架或外 壳组成。? 分类? 分类：按结构和用途分为塑料外壳式、 框架式、限流式及漏电保护式断路器。 ? 塑料外壳式低压断路器的结构特点是 具有安全保护用的塑料外壳，适用于 作配电网络的保护开关和作电动机、 照明电路及电热电路的控制开关。? 框架式低压断路器为敞开式结构，主 要用作配电网络的保护开关，适用于 大容量线路。? 原理? 工作原理： ①低压断路器主触头闭合时，传动杆由锁扣 钩住，分断弹簧受到拉伸并且储能。 ②当主线路电流超过一定数值时，过流脱扣 器衔铁吸合，其顶杆向上运动将锁扣顶开， 已储能的分断弹簧将触头分断。 ③如果主线路欠压，则失压脱扣器工作； ④分励脱扣器由控制电源供电，由操作人员 或保护信号控制。? 低压断路器技术参数? 额定电压：指其最大工作电压，包括额定 工作电压UN和额定绝缘电压Ui。电压等级 有：交流220V、380V、660V、1140V，直 流110V、220V、440V等；? 额定电流是指过流脱扣器的额定电流，或 断路器的额定持续工作电流； ? 额定短路分断能力是指在规定的使用条件 下，分断预期短路电流的能力。? 断路器的选用原则断路器的额定工作电压等于或大于线路的 额定电压； ? 断路器的过流脱扣器的额定电流等于或大 于负载工作电流； ? 断路器的欠电压脱扣器的额定电压等于线 路的额定电压； ? 根据不同需要选择不同用途的断路器；?断路器的极限分断能力大于线路可能出现 的最大短路电流； ? 与熔断器配合使用时，应使熔断器作为断 路器的后备保护使用。?? 断路器的符号QF典型低压断路器DZ10系列塑壳断路器DW15系列万能式空气断路器DW10系列万能式断路器DW17(ME)系列万能式空气断路器 DZ15系列塑料外壳式断路器 ABB塑壳断路器DW16系列万能式断路器塑壳式断路器NM1LE系列漏电断路器DZ20漏电断路器NB1LE-04电子式剩余电流动作断路器JS14S系列数显时间继电器JSS20-4AMS数显时间继电器JS14晶体管时间继电器JD-9电动机保护器JD-501S数显智能型电动机保护器第三节 电气控制线路设计基础 一、概念 二、电气原理图的绘制 三、设计电气控制线路的一般原 则 四、电气控制线路设计方法一、概念电气控制线路是由接触器、继电器、按钮、 行程开关等电器组成的控制线路，又称继 电-接触控制线路。 ? 电气控制线路的作用： ① 实现对电力拖动系统的启动、制动及调速 等运行的控制； ② 实现对拖动系统的保护； ③ 满足生产工艺要求，实现生产过程自动化。?电气控制线路的表示方法：①②安装图，安装图是按照电器实际位置 和实际接线线路，用规定的图形符号 画出来的，这种电路便于安装； 电气原理图，电气原理图是根据工作 原理而绘制的，具有结构简单、层次 分明、便于研究和分析电路的工作原 理等优点。二、电气原理图的绘制1.表示导线、信号通路、连接线等图线 都应是交叉和折弯最少的直线。可以 水平布置，也可以采用斜的交叉线。 2.电路或元件应按功能布置，并尽可能 按工作顺序排列，对因果次序清楚的 简图，其布局顺序应该是从左到右或 从上到下。3.为了突出和区分某些电路、功能等， 导线、信号通路、连接线等可采用粗 细不同的线条来表示。 4.元器件和设备的可动部分通常应表示 在非激励或不工作的状态或位置。5.所用图形符号应符合GB4728《电器图 用图形符号》的规定。如果采用上述 标准中未规定的图形符号时，必须加 以说明。当GB4728给出几种形式时， 选择符号应遵循以下原则： (1)应尽可能采用优选形式； (2)在满足需要的前提下，应尽量采用最 简单的形式； (3)在同图纸中使用同一种形式。6.同一电器元件不同部分的线圈和触点均采 用同一文字符号标明。 7.线路采用字母、数字、符号及其组合标记。 ?三相交流电源引入线用L1 、L2 、L3标记， 中性线用N标记； ?电源开关后的三相交流电源主电路分别按U、 V、W顺序标记；用数字1、2、3等表示分级， 如1U、1V、1W；2U、2V、2W等；?各电动机支路用三相文字代号后加数字表示，数 字中个位表示电动机代号，十位表示该支路各接 点代号，如：U11表示M1电动机的第一相的第一个 接点，U21表示第一相的第二个接点，依此类推； ?电动机绕组首端用U、V、W表示，尾端用U′、V′、 W′表示； ?控制电路采用阿拉伯数字编号，一般由三位或三 位以下数字组成。凡是线圈、绕组、触点或电阻、 电容等元器件所隔离的线段都应表以不同的标记。三、设计电气控制线路的一般原则 1.在满足生产要求的前提下，控制线 路应力求简单、经济。 2.必须保证控制线路工作的可靠和安 全。 3.必须设有完善的保护环节，以减少 事故的损失。1.在满足生产要求的前提下，控制线路 应力求简单、经济。 ?尽量选用标准的、常用的、或经过实 际考验过的线路和环节。 ?尽量缩短连接导线的数量和长度。 ?尽量缩减电器的数量，采用标准件， 并尽可能选用相同型号。?应减少不必要的触点以简化线路。在 控制线路图设计完成后，应将逻辑关 系化成代数式进行验算，以便得到最 简线路。 ?控制线路在工作时，除必要的电器必 须通电外，其余的尽量不通电以节约 电能，延长电器使用寿命。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两个 部分。主电路从电源到电动机，是大电流 通过的路径。辅助电路包括控制电路、照 明电路、信号电路及保护电路等，由继电 器和接触器的线圈、继电器的触点、接触 器的辅助触点、按钮、照明灯、信号灯、 控制变压器等电器元件组成。2.必须保证控制线路工作的可靠和 安全。?正确连接电器的触点。 ?正确连接电器的线圈――许并不许串 ?在控制线路中应避免出现寄生电路。 ?在线路中应尽量避免许多电器依次动作才 能接通另一个电器的控制线路。 ?在频繁操作的可逆线路中，正、反向接触 器之间不仅要有电气联锁，而且要有机械 联锁。?设计的线路应能适应所在电网的情况。根 据电网容量的大小、电压和频率的波动范 围 以及允许的冲击电流数值等决定电动机 的起动方式是直接起动还是间接起动。 ?在线路中采用小容量继电器的触点来控制 大容量接触器的线圈时，要计算继电器触 点断开和接通容量是否足够。如果不够必 须加小容量接触器或中间接触器，否则工 作不可靠。具体：? 正确连接电器的触点SQ KA1 SQ KA2SQ KA2 SQ KA1(a)不合理，可能在两触点间 形成飞弧造成电源短路。(b)合理，两触点电位相同， 不会造成飞弧。? 正确连接电器的线圈――允许并 不允许串? 既使外加电压是两个线圈额定电压之 和，也是不允许的。因为每个线圈上 所分配到的电压与线圈阻抗成正比， 两个电器动作总是有先有后，不可能 同时吸合。? 假如交流接触器KM2先吸合，由于KM2的磁路闭合，线圈的电感显著增 加，因而在该线圈上的电压降也相应 增大，从而使另一个接触器KM1的线 圈电压达不到动作电压。因此两个电 器需要同时动作时其线圈应该并联连 接。? 在控制线路中应避免出现寄生电 路。HL1SB1SB2KM2KM1FR当电动机过载热继 电器FR动作时， 线路就出现了寄生电路（虚线）KM1 KM1 SB3KM2 HL2KM2?在线路中应尽量避免许多电器依次动作才 能接通另一个电器的控制线路。KA1KAKA KA1KA1 KA2KA1KA2KA2KA2 KA3KA3（a）不合理（b）合理3.必须设有完善的保护环节，以 减少事故的损失。?短路保护 ?过载保护 ?过电流保护 ?失压保护?短路保护~380V~380V断路器熔断器 FU1QFFU2 KMKMFRM3~M3~? 过载保护~380V~380V熔断器 FU1断路器QFFU2 KMKMFR 热继电器MM3~3~? 过电流保护四、电气控制线路设计方法 ? 经验设计法：根据生产工艺要 求，利用各种典型的线路环节， 直接设计控制线路。 ? 逻辑设计法：根据生产工艺的 要求，利用逻辑代数来分析、 设计线路的方法。? 过程控制图示法：以纵坐标表 示电气元件的工作状态――触 点、开关的通断状态，线圈的 得电和失电，即状态轴。 ? 以横坐标表示电气元件的时间， 即时间轴。1、经验设计法? 步骤： ?了解系统工艺要求。 ?设计主电路。 ?设计控制电路。 ?完善和校核。2. 逻辑设计法?逻辑变量 ?逻辑函数与真值表 ?逻辑运算 ?举例? 逻辑变量? 继电器、接触器线圈通电状态 为“1‖状态，线圈断电状态为 “0‖状态； ? 继电器、接触器控制按钮触点 闭合状态为“1‖状态，断开状 态为“0‖状态。? 逻辑函数与真值表? 输入逻辑变量：表示触点状态的逻辑 变量； ? 输出逻辑变量：表示继电器、接触器 等受控元件的逻辑变量； ? 逻辑函数：输入、输出逻辑变量的相 互关系； ? 真值表：控制线路中输入和输出关系 用列表的方式表达出来。? 逻辑运算①逻辑与――触点串 联 KM＝KA1? KA2 ②逻辑或――触点并 联 KM＝KA1＋KA2 ③逻辑非 KM＝ KA ④逻辑函数的化简① 逻辑与――触点串联KA1 KA2 KM逻辑与电路② 逻辑或――触点并联KA1 KMKA2逻辑或电路③ 逻辑非KAKM逻辑非电路④ 逻辑函数的化简1）交换律 A? B＝B? A；A十B＝B十A 2）结合律 A? C)＝(A? C A十(B十C)＝(A十B)十C (B? B)? 3）分配律 A? 十C)＝A? 十A? (B B C； A十B? C＝ (A十B)? 十C) (A 4）吸收律 A十AB＝A；A? 十B)＝A (A A十 B＝A十B； 十A? B＝ 十B 5）重迭律 A? A＝A；A十A＝A 6）非非律 =A 7）反演律3.过程控制图示法? 用图表示出各电气元件动作状态对时 间的关系CW6132型普通车床电气原理图电气原理图中，在继电器、接触器线圈的 下方注有该继电器、接触器相应触点所在 图中位置的索引代号，索引代号用图面区 域号表示。 电气图中各电气元器件和型号，常在电气原 理图中电器元件文字符号下方标注出来。安装接线图安装接线图主要用于电器的安装接线、线路 检查、线路维修和故障处理，通常接线图 与电气原理图和元件布置图一起使用。 电气接线图的绘制原则是： 1）各电气元件均按实际安装位置绘出，元件 所占图面按实际尺寸以统一比例绘制。 2）一个元件中所有的带电部件均画在一起， 并用点划线框起来，即采用集中表示法。3）各电气元件的图形符号和文字符号必须与 电气原理图一致，并符合国家标准。 4）各电气元件上凡是需接线的部件端子都应 绘出，并予以编号，各接线端子的编号必 须与电气原理图上的导线编号相一致。 5）绘制安装接线图时，走向相同的相邻导线 可以绘成一股线。基本概念①电气联锁：自锁与互锁的控制统称为电气 的联锁控制 ②自锁：依靠接触器自身辅助触点而使其线 圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用 的辅助触点，则称为自锁触点。 ③互锁：指生产机械或自动生产线不同的运 动部件之间互相联系又互相制约。④点动控制：一按（点）就动，一松（放） 就停”的电路称为点动控制电路。 ⑤连续运行：点动控制加入自锁就可以连续 运行。 ⑥短路保护：短路时通过熔断器的熔体来切 断电路，使电动机立即停转。 ⑦过载保护：通过热继电器来实现。⑧欠电压保护：通过接触器KM的自锁触点来实现。 ⑨反接制动控制：通过改变电动机电源相序使电动 机制动 ⑩能耗制动控制：当电动机脱离三相交流电源后， 立即将直流电源接入定子的两绕组，绕组中流过 直流电流，产生一个静止不动的直流磁场。此时 电动机的转子切割直流磁通产生感生电流，在静 止磁场和感生电流相互作用下，产生一个阻碍转 子转动的制动利于，因此电动机转速迅速下降， 达到制动目的。典型继电接触控制线路1. 单向点动控制线路 ? “一按（点）就动，一松（放）就停”的 电路称为点动控制电路。点动控制电路常 用于调整机床，对刀操作等。因短时工作， 电路中不设热继电器。 ? 如图所示为单向点动控制线路图。其中， QS为开关，FU1、FU2为主电路与控制电 路的熔断器，KM为接触器SB为点动按钮， M为笼型感应电动机。
2. 单向全压起动控制线路 如图所示为单向全压起动控制线路图。其中，QS为 刀开关，FU1、FU2为主电路与控制电路的熔断 器，KM为接触器，FR为热继电器，SB1、SB2分 别为起动按钮与停止按钮，M为笼型感应电动机。 （1）工作过程： 合上QS → 按下SB2 → KM线圈吸合 → KM主触点闭合→电动机运转 KM辅助常开触点闭合→自锁 按下SB1 → KM线圈断电 → 主触点、辅助触点 → 断开 → 电动机停止。 依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现 象称为自锁。起自锁作用的辅助触点，则称为自 锁触点。自锁另一作用是实现欠、失压保护。
（2）保护环节： ① 短路保护。熔断器FU1、FU2分别作为主、 辅电路的短路保护。 ② 过载保护。热继电器FR作电动机的过载保 护。当电动机出现长期过载时，热继电器 FR动作，其动断触点断开，KM线圈断电， 电动机停止运转，从而实现对电动机的过 载保护。③ 欠压和失压保护。当电源电压低到一定程 度或失电时，KM就会释放，其主触点断开， 电动机停转。当电源恢复时，由于控制电 路失去自锁，电动机不会自行起动。这种 防止电动机在低压下运行和停电后恢复供 电时电动机自起动的保护措施，称为欠压 和失压保护。 ? 欠压保护可以避免电机在低压下运行而损 坏。失压保护可防止电动机自起动运行可 能造成的安全事故。3. 单向点动和连续工作控制线路 ? 生产过程中，有时不仅要求生产机械 连续运行，还需要点动控制。图2.7为 单向点动和连续工作控制线路。图中 的控制电路既可实现点动控制，又可 实现连续运行。? 如图（a）是在上图基础上增加了一个复合 按钮SB3来实现点动控制的。需要点动控制 时，按下点动按钮SB3，其常闭触点先断开 自锁电路，常开触点后闭合，接通控制电 路，KM线圈得电，主触点闭合，电动机起 动运行；当松开点动按钮SB3时，KM线圈 断电，主触点断开，电动机停止运行。按 钮SB2、SB1实现连续控制。
生产过程中，有时不仅要求生产机械连续运行，还 需要点动控制。上图为单向点动和连续工作控制线 路。图中的控制电路既可实现点动控制，又可实现 连续运行。 ? 如图（b）是在前图基础上增加了一个点动按钮 SB3和一个中间继电器KA来实现点动控制的。需 要点动控制时，按下点动按钮SB3，KM线圈得电， 主触点闭合，电动机起动运行；当松开点动按钮 SB3时，KM线圈断电，主触点断开，电动机停止 运行。需要连续工作时，按下起动按钮SB2，KA 线圈得电并自锁，其常开触点闭合，KM线圈得电， 主触点闭合，电动机起动连续运行；当按下停止 按钮SB1时，KA、KM线圈断电，主触点断开， 电动机停止运行。4. 正反转控制线路 ? 在实际生产中常需要电动机能做正反两方 向的运转。从电机原理可知，改变电动机 三相电源相序即可改变电动机旋转方向。 这可由正反向接触器来实现，其线路如图 所示。
? 图（a）所示线路中，当误操作即同时按正 反向起动按钮SB2、SB3时将发生相间短路 故障，因此正反向间需要有一种联锁关系。 通常采用图（b）所示的接触器互锁控制线 路，将其中一个接触器的常闭触点串入另 一个接触器线圈电路中，则任一接触器线 圈先带电后，即使按下相反方向按钮，另 一个接触器也无法得电，这种联锁通常称 为“互锁”，即二者存在相互制约的关系。 ?? 图（b）所示线路要实现反转，必须先停止， 再按反向起动按钮才行，反之亦然。所以 该线路又称为“正―停―反”控制。 图（c）所示的按钮、接触器双重互锁控制 线路可以实现不按停止按钮，直接按反向 起动按钮就能使电动机反转，所以该线路 又称为“正―停―反”控制。 ? 实际中，往往还采用带机械互锁的可逆 接触器，进一步保证两接触器不能同时得 电，提高线路的可靠性。5. 自动往返控制线路? 在实际生产中，常常要求生产机械的运动 部件能实现自动往返。因为有行程限制， 所以常用行程开关做控制元件来控制电动 机的正反转。 ? 如图利用行程开关SQ1、SQ2来实现工作 台自动往返运动的工作示意图。下图是自动往返行程控制线路（主电路同图 2.8），KM1、KM2分别为电动机正、反转 接触器。起动时，按下正转按钮SB2，正转 接触器KM1线圈通电并自锁，电动机正转， 工作台前进。当运行到A点时，机械挡铁使 SQ1动作，其动断触点断开，切断KM1线 圈支路，电动机停机。其动合触点闭合， 接通反转接触器KM2线圈支路，KM2线圈 通电并自锁，电动机反转，工作台后退。SQ1复位为下次工作做准备，工作台运行至 B点时，机械档铁使SQ2动作，其动断触点 断开，切断KM2线圈支路，电动机停机。 其动合触点闭合，接通正转接触器KM1线 圈支路，电动机正转，工作台又开始前进。 SQ2复位为下次工作做准备。如此循环往 复，实现自动往返控制。如首先按下反转 按钮SB3，工作原理一样。按下停止按钮 SB1，电动机停机，工作台停止运动。
6. 多地控制线路 ? 有些生产设备，为了操作方便等原因，常 要在不同地点进行操作。如生产线既可由 中央控制台集中控制，也可由每台设备就 地控制，以方便调试检修等操作。 ? 要在多地进行控制，就应该有多组按钮， 而且这多组按钮的连接原则是：常开按钮 要并联，常闭按钮应串联。如图所示是实 现两地控制的线路图。
7. 顺序控制线路在多台电动机拖动的生产设备中，有时 需要按一定的顺序控制电动机的起动 和停止，即满足按顺序工作的联锁要 求。例如车床主轴要有润滑时才能转 动，即要求润滑油泵电动机先起动后 主轴拖动电动机方可起动。? 如图所示为实现“顺序起动，逆序停止” 的控制线路。当要求电动机M1起动后方允 许M2起动时，可将控制电动机M1的接触器 KM1的常开辅助触点串入控制电动机M2的 接触器KM2的线圈电路中，即可实现按顺 序起动的联锁要求；当要求电动机M2停止 后方允许M1停止时，可将控制电动机M2的 接触器KM2的常开辅助触点并联在控制电 动机M1的接触器KM1的停止按钮两端，即 可实现按顺序停止的联锁要求。
定子串电阻降压起动控制线路定子串电阻降压起动就是在起动时在电动 机定子绕组中串入电阻起降压限流作用， 当电动机转速达到一定值时，再将电阻切 除，使电动机在额定电压下运行。通常采 用时间继电器控制起动时间，并自动切除 电阻。当合上刀开关QS，按下起动按钮SB2时，KM1通 电并自锁，电动机在串接电阻R的情况下起动， 同时通电延时型时间断电器KT通电开始计时，当 达到整定值（根据起动所需时间整定）时，其延 时闭合的常开触点闭合，使KM2通电，切除串入 电阻，电动机全压运行。图（a）中，电动机起动 结束后，KM1和KT线圈一直得电是没有必要的。 图（b）是其改进型，在KM1和KT线圈回路中串 入KM2常闭辅助触点，组成互锁电路；同时加入 自锁电路。这样当KM2通电后，其常闭辅助触点 断开，使KM1及KT断电以减小能量损耗，延长其 使用寿命，同时KM2自锁，线路中只有KM2得电， 电动机全压运行。星形―三角形降压起动控制线路正常运行时定子绕组接成三角形的三相鼠笼 式异步电动机，均可采用星―三角降压起 动方法，以达到限制起动电流的目的。图 示为星―三角降压起动控制线路，当合上 刀开关QS后，按下起动按钮SB2，接触器 KM1，KM3及通电延时型时间继电器KT的 线圈通电，并由KM1的常开辅助触点自锁。 此时，主电路中电动机绕组首端U、V、W 接入三相电源，未端U′、V′、W′被短接，形 成星形接法。? 这时电动机每相绕组承受的电压为额定电 压的，起动电流(线电流)只有三角形接法时 的1/3。当电动机转速升高到一定值时，时 间继电器KT延时动作，其延时断开触点断 开，KM3线圈断电，其主触点断开；同时 KT延时闭合触点闭合，KM2线圈通电并自 锁，其常闭辅助触点（与KM3动断辅助触 点形成互锁，以防止同时通电造成主电路 短路）断开，使KT断电，避免时间继电器 长期通电工作。其主触点闭合，将U与V′、 V与W′、W与U′连在一起形成三角形接法。? 此时电动机绕组承受全部额定电压， 即全压运行。三相笼型异步电动机 星―三角降压起动具有投资少，线路 简单的优点。但是起动转矩只有直接 起动时的1/3。因此，它只适用于空载 或轻载起动的场合。自耦变压器（补偿器）降压起动控 制线路? 采用自耦变压器降压起动的控制线路中， 是依靠自耦变压器的降压作用，来实现限 制起动电流的目的。电动机起动时，定子 绕组和自耦变压器的二次端相连，即定子 绕组承受自耦变压器的二次电压，自耦变 压器一般有65%、85%等抽头。调整抽头 的位置可获得不同的起动电压，可根据需 要选择。一旦起动结束，自耦变压器便被 切除，这时定子绕组直接与电源电压相连， 即全压运行。如图是采用时间继电器来实现的自动控制 自耦变压器降压起动的控制线路。起动时， 合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接 触器KM1、KM2线圈通电并自锁，其主触 点闭合，电动机定子串自耦变压器降压起 动。同时通电延时型时间继电器KT通电延 时，当电动机转速上升到一定转速时，KT 延时结束，其常开延时闭合触点闭合，中间继电器K线圈通电并自锁， 其常闭触点先断开，KM1、KM2和KT 线圈断电释放，将自耦变压器切除， 同时KM1常闭触点复位，为KM3线圈 通电作准备。K常开触点后闭合，KM3 线圈通电。其主触点闭合，电动机全 压运行。三相鼠笼式异步电动机制动控制线路（按时间原则控制的单向运行能耗制动线路）? 下图为三相交流异步电动机按时间原则控制的单 向运行能耗制动线路，在电动机正常运行时，若 按下停止复合按钮SB1，接触器KM1线圈断电释 放，电动机脱离电源，同时KM2线圈、通电延时 型时间继电器KT线圈通电并自锁，直流经KM2的 主触点接入定子绕组，建立固定磁场，进入能耗 制动，当KT整定值到达时，其延时断开常闭触点 断开，切断KM2线圈回路，使KM2和KT释放，能 耗制动结束。线路中电阻Rp用于调节直流制动电 流，直流电流越大，制动力矩就越大，但电流太 大会对定子绕组造成损坏，一般根据要求可调节 其为电动机空载电流的3―5倍。 。
按速度原则控制的可逆运行能耗制动控制线 路。下图为三相交流异步电动机按速度原则 控制的可逆运行能耗制动控制线路。合上电源开关QS，根据工作需要按下正转或反转 起动按钮SB2或SB3，相应接触器KM1或KM2线 圈得电并自锁，电动机正常运行。此时速度继电 器的正转或反转触点KV1或KV2闭合，为停车接 通KM3实现能耗制动作准备。停车时，按下停止 按钮SB1，KM1或KM2失电，电动机定子绕组脱 离三相交流电源。当SB1按到底时，KM3线圈得 电并自锁，电动机定子接入直流电源进行能耗制 动，电动机转速迅速下降，当转速降至100r/min 时，速度继电器KV1或KV2触点断开，使KM3断 电释放，能耗制动结束，以后电动机自然停车。? 时间原则控制的能耗制动，一般适用于负 载转矩较为稳定的电动机，这时对时间继 电器的延时整定值比较固定。而对于那些 能够通过传动系统来实现负载变换的生产 机械采用速度原则控制较为合适。三相鼠笼式异步电动机制动控制线路（单向运转反接制动控制线路）上图为三相交流异步电动机单向反接制动控制线路。 合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器 KM1线圈通电并自锁，电动机起动，当转速达到 120r/min以上时，速度继电器KV的常开触点闭合， 为制动做好准备。需要停机时，按下停止复合按 钮SB1，KM1断电其主触点打开，KM2通电并自 锁其主触点通过反接制动电阻R，使电动机得到 反相序电源，形成反接制动。当转速下降至 100r/min以下时KV的常开触点打开，切断KM2线 圈支路，使电动机断电，制动过程结束。图中 KM1和KM2之间有电气互锁。下图为三相交流异步电动机双向反接制动控制线路。 图中R既是反接制动电阻，也是起动限流电阻。KV1 和KV2分别是速度继电器KV的正转和反转常开触点? 合上电源开关QS，按下正转起动按钮SB2， 中间继电器K3得电并自锁，其常闭触点断 开，K4线圈不能得电，K3常开触点闭合， KM1线圈得电，KM1主触点闭合，电动机 串电阻降压起动。当电动机转速达到一定 值时，KV1闭合，K1得电自锁。这时由于 K1、K3的常开触点闭合，KM3得电，KM3 主触点闭合，电阻R被短接，电动机全压运 行。在电动机正常运行过程中，若按停止 按钮SB1，则K3、KM1、KM3的? 线圈先后失电，由于惯性这时KV1仍处于闭 合状态，K1线圈仍处于得电状态，所以在 KM1常闭触点复位后，KM2线圈便得电， 其常开触点闭合，使定子绕组经电阻R获得 反相序三相交流电源，对电动机进行反接 制动，电动机转速迅速下降。当电动机转 速低于速度继电器动作值时，速度继电器 常开触点复位，K1线圈失电，KM2释放， 反接制动结束。第二章 PLC的结构及特点? 第一节 PLC控制与继电-接触控制的比 较 可编程控制器与继电器控制系统都是 典型的工业控制装置。从基本控制目 标看，两者的开关量控制功能和信号 的输入输出形式是相同的，能实现开 关量的逻辑和顺序控制。输入信号是按钮、限位开关、光电开关和开 关式传感器等，输出信号可直接控制外部 负载，如电机、电磁阀、接触器和指示灯 等。 ? 从设计表达形式看，PLC的梯形图与继电器 的控制线路图是相似的，都采用电气元件 符号表示，且十分易于掌握。? 但可编程控制器系统与继电器系统在 以下几方面的不同表现了两者性能的 明显差异。 1．组成器件不同 继电器系统由许多真正的继电 器――D硬继电器”组成，一般一个中 间继电器由4～8对机械触点，而PLC 梯形图中的继电器是“软继电器”。这些软继电器实质上是存储器中每一 位触发器，因其内容(状态0或1)可读取 任意次数，所以“软继电器”能提供 的触点数是无限的，而且不存在机械 触点的电蚀问题。2．控制技术不同继电器控制系统针对固定的生产机械和生 产工艺而设计，以硬接线方式安装而成， 各个继电器中触点的通断状态(1、0)经电路 组合而构成一种固定的逻辑运算关系。以 此构建的控制系统不但体积庞大，而且只 有重新配线安装才能适应生产工艺的微小 改变。? PLC以集成电路模块组成，采用计算 机技术，由程序实现控制，各种逻辑 运算和算术运算均可通过编制修改程 序来实现，即不必改变系统硬件就可 以实现不同生产过程的控制以及进行 在线修改。与继电器系统相比，可编 程控制器系统具有很高的可靠性和极 好的柔性。3．工作方式不同? 在继电器系统中，当电源接通时，线 路中各个继电器都处于受制约状态： 或吸合，或断开。这种工作方式被称 作并行工作方式。在PLC中，程序处 于周期性循环扫描中，受同一条件制 约的各部分的状态变化次序取决于程 序扫描顺序，这种工作方式称作串行 工作方式。? 若将表达形式相同的PLC梯形图与继 电器控制线路图相比较，会发现由于 分别工作在串行与并行方式下，两者 的控制结果却不一定相同。4．功能范围不同继电器控制系统只能进行开关量的控制， 实现既定的逻辑、顺序、定时和计数 的简单功能。而PLC不但有逻辑运算 能力，还有算术运算能力，因此，既 可进行开关量控制，又能进行模拟量 控制，还能实现网络通信，具有十分 完善的功能。可编程控制器系统以可靠性高、柔性好、 功能强、体积小、系统易于开发、扩 展、安装和维护的优势取代了继电器 控制系统的绝大多数应用场合。而继 电器系统因其容易掌握、元件便宜的 优点，目前在工艺定型、控制简单的 生产过程中仍有使用。可编程控制器与计算机的比较1．PLC更适合工业现场使用 因为可编程控制器在设计上对抗干扰能 力、可靠性及体积等方面有专门的考虑， 所以工业控制的专业性强。而计算机系统 通用性强，适合于在计算机房运行。2．PLC的编程语言面向用户可编程控制器的梯形图语言符合 电气原理图规律，易于接受和掌握， 工程技术人员即使不具备计算机知识 亦可方便地使用。而计算机系统采用 汇编语言或高级语言编程，要求使用 者必须具有一定程度的计算机基础知 识。3．PLC采用顺序扫描方式工作可编程控制器的扫描方式有利于顺序逻辑控 制的可靠实施，各个逻辑元素状态的先后 次序与时间的对应关系明确。但使输入输 出出现滞后现象，响应较慢(为ms级)。计 算机是中断工作方式，响应速度快(为s级)， 且容易处理模拟信号。PLC的中断控制功能 主要用于某些状态监测而并非主要工作方 式。4．PLC侧重于开关量的逻辑控制可编程控制器以逻辑运算为主，存储容量小， 体积小，价格便宜；计算机系统侧重于模 拟量的过程控制，数据处理量大，芯片配 置要求高，价格昂贵。事实上，对于现代 工业控制系统，可编程控制器系统与计算 机系统已无严格界限，相互之间的技术渗 透和综合应用已成趋势。例如在集散控制 系统和工厂自动化网络中，采用计算机集 中管理，进行信息处理，采用PLC作 为下位机完成分散的功能控制。第二节 可编程控制器的基本结构及 工作原理一、PLC的基本结构 可编程控制器内部电路的基本结构 与普通微机是类似的，特别是和单片 机的结构极为相似。 根据控制系统的基本要求，PLC采 用典型的计算机结构。它主要由中央处理单元CPU、存储器 （RAM， ROM， EEPROM， EPROM等）、专门设计的输入输出接 口电路、通信接口电源等单元组成。 二、PLC各单元的作用1、中央处理单元（CPU） 中央处理单元（center process unit, CPU）可比作PLC的大脑，是 PLC实现信息处理和控制的关键部件， 其性能的优劣直接影响PLC的技术性 能指标。（1）CPU的组成 CPU一般由控制电路、运算器、 存储器和总线等部件组成，这些电路 一般都集成在一块芯片上。CPU通过 地址总线、数据总线和控制总线与存 储单元、输入输出接口电路相连接。 （2）CPU的主要功能 ①运行程序：PLC的程序存放于 内存中，但程序运行却在CPU中。PLC运行时，首先CPU从地址总线上给 出存储地址，从控制总线上给出读命 令，从数据总线上得到读出的指令， 并存入CPU内的指令存储器中。然后 CPU将指令逐一进行译码。最后，CPU执行指令规定的操作，如读 取输入信号，取操作数，进行逻辑运 算或算术运算，并将运算结果输出给 有关部件。CPU运行程序是周而复始 不断重复着的，这与PLC扫描工作方 式是相适应的。若PLC设置在中断工作方式，当有外部 中断输入或内部中断激活被响应时， 则CPU中断主程序转而执行中断服务 程序。中断服务程序完成后，自动返 回主程序。②接收程序：PLC的系统程序由厂家提 供并固化在CPU内部存储器ROM中， 它除了编译、运行用户程序外，还对 PLC进行上电初始化、I/O刷新及公共 处理，CPU通过系统程序对用户程序 进行编辑或编译，并把相应的操作数 转存到内存中去。用户通常用编程器 或计算机来实现上述过程。③系统监控：PLC除了可处于运行及编 程状态外，还可设置成监控状态。此 时，PLC既可实现对系统的监控，也 可通过编程器和计算机修改程序或改 变数据。 2、存储器 存储器是具有记忆功能的半导体电 路，用来存放系统程序、用户程序、 逻辑变量和其他一些信息。（1）只读存储器ROM ROM中的内容一般是由PLC制造 厂家写入的系统程序，并且永远驻留， 系统程序主要包括检查程序、编译程 序和监控程序。 （2）随机存储器RAMRAM中一般存放用户程序、逻辑变量、 中间结果、最终运算结果以及供内部 监控、管理程序使用的系统数据等内 容。用户程序是指选择编程工作方式 时，用编程工具输入的程序经过预处 理后，存放在RAM的低地址区。逻辑变量指在RAM中若干个存储单元 中用来存放的变量，用PLC的术语来 说这些逻辑变量就是指输入输出继电 器、内部辅助继电器、保持继电器、 定时器、移位继电器等。（3）EPROM， EEPROM 部分PLC还使用内置EEPROM或 外置EEPROM, EPROM存储器用于存 放用户程序，这样用户程序可实现 “永久”保存，不会出现存储器采用 RAM+锂电池结构时，随着锂电池电能 的消耗，电量不足而出现用户程序丢 失的现象。3、电源部件 电源部件将交流电源转换成供 PLC的中央处理器、存储器等电路工 作所需要的直流电源，使PLC能正常 工作。PLC内部使用的电源是整机的 供给中心，它的优劣直接影响到PLC 的功能和可靠性，因此目前大部分 PLC采用开关式稳压电源供电。４、输入输出接口电路它是PLC与被控设备相连接的接口电路。 用户设备需输入PLC的各种控制信号， 如限位开关、操作按钮、选择开关、 行程开关以及其他一些传感器输出的 开关量或模拟量等，通过输入接口电 路将这些信号转换成中央处理器能够 接收处理的信号。输出接口电路将中 央处理器送出的弱电控制信号转换成 现场需要的强电信号输出，以驱动电 磁阀、接触器、电机等被控设备的执 行元件。（1）输入接口电路 输入接口电路一般由光电耦合电 路和微电脑输入接口电路组成。 （2）输出接口电路 PLC的输出接口电路一般由微电 脑输出接口电路和功率放大电路组成。 微电脑输出接口电路一般由输出数据 存储器、选通电路和中断请求电路集 成而成。CPU通过数据总线将要输出 的信号放到输出存储器中，并通过光 电耦合器隔离后输出。①继电器输出电路：负载电源由用户提 供，可以是交流也可以是直流，视负 载情况而定。继电器输出电路抗干扰 能力强，负载能力大（工作电流可达 2~5A），但信号响应速度较慢，其延 迟一般为8~10ms。 ②晶闸管输出电路：负载电源由用户 提供，通常是交流。晶闸管输出电路 负载能力较大（工作电流约1A左右）， 其响应速度较快，延迟一般为导通1～ 2ms，关断8～10ms。③晶体管输出电路：负载电源由用户提供， 只能是直流。晶体管输出电路负载能力小 （工作电流仅0.3～0.5 A），但响应速度快， 其延迟一般为0.5～1ms。 二、PLC的基本工作原理 CPU从第一条指令开始执行程序至遇 到结束符后又返回第一条指令，如此周而 复始不断循环。这种工作方式是在系统软件控制下，扫 描输入的状态（输入刷新），按用户 程序进行运算处理，然后向输出发出 相应的控制信号（输出刷新），整个 工作过程可分为5个阶段：自诊断，与 编程器或计算机等的通信，现场输入 信号的采集，用户程序执行，输出结 果。第1阶段：自诊断。每次扫描用户程序之 前，都先执行故障自诊断程序。自诊 断内容分I/O、存储器、CPU等，发现 异常停机显示出错。若自诊断正常， 继续向下扫描。第2阶段：与编程器或计算机通信。 PLC检查是否有与编程器或计算机等 的通信请求，若有则进行相应处理， 例如接收由编程器送来的程序、命令 和各种数据，并把要显示的状态、数 据、出错信息等发送的编程器进行显 示。第3阶段：读入现场信号。PLC的中央处理器 对各个输入端进行扫描，将输入端的状态 送到状态存储器。也即输入采样阶段。 第4阶段：执行用户程序。CPU将指令 逐条调出并执行，以对输入和原输出的状 态进行处理，即按程序对数据进行逻辑、 算术运算，再将正确的结果送到输出状态 存储器中，这就是程序执行阶段。第5阶段：输出结果。当所有的指令执 行完毕时，集中把输出状态存储器的 状态通过输出部件转换成被控设备所 能接受的电压或电流信号，以驱动被 控设备，这就是输出刷新阶段。PLC经过这5个阶段的工作过程，称为 一个扫描周期。完成一个扫描周期后， 又重新执行上述过程，扫描周而复始 地进行。 由于PLC是采用循环扫描的工作 方式，所以它的输入输出响应速度受 扫描周期的影响较大。PLC与继电器控制的重要区别之一就是工作 方式的不同。继电器是按“并行”方式工 作的，也就是说是按同时执行的方式工作 的，只要形成电流通路，就有可能有几个 电器同时动作。而PLC是以反复扫描的方式 工作的，它是循环地连续逐条执行程序， 任一时刻它只能执行一条指令，这就是说 PLC是以“串行”方式工作的，这种串行工 作方式可以避免继电器控制的触点竞争和 时序失配等