第八章电气控制系统doc.docx
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第八章电气控制系统doc
第八章电气控制系统
电气控制系统在工业生产、科学研究以及其他各个领域的应用十分广泛，已经成为实现生产过程自动化的重要技术手段。
尽管电气控制系统种类繁多，功能各异，但其控制原理、基本线路、设计基础都是类似的。
本章主要介绍一些电气控制系统中常用的低压电器、三相异步电动机的基本控制环节和基本控制原则、阅读控制线路原理图的方法以及可编程逻辑控制器PLC的基本使用方法。
第一节常用低压电器
低压电器是组成各种电气控制系统的基础配套组件，它的正确使用是低压电力系统可靠运行、安全用电的基础和重要保证。
本节主要介绍常用低压电器的结构、工作原理、用途及其图形符号和文字符号，为正确选择和合理使用这些电器进行继电接触控制系统设计打下基础。
一、组合开关
组合开关实质上也是一种刀开关，但它的刀片是转动式的，操作比较轻巧。
组合开关的动触点和静触点装在封闭的绝缘件内，采用叠装结构，叠装的层数由动触点的数目决定，动触点装在操作手柄的转轴上，随转轴旋转而改变各对动触点静触点的通断状态。
组合开关的结构和图形文字符号如图8-1所示：
图8-1组合开关的结构和图形文字符号
组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数等。
其中额定电流有10A、25A、60A等几个等级。
常见产品有HZ5、HZ10系列。
组合开关常用作机床电气控制线路的电源引入开关，也可以直接起动电压在380V、额定功率在5.5kW及以下的小容量的笼型异步电动机。
二、按钮开关
按钮是一种结构简单、应用广泛的低压电器，在继电接触控制系统中用于手动发出控制信号，其典型结构如图8-2所示，它由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。
通常，我们将未受外力作用或线圈未通电时断开的触点称为常开触点（动合触点），情况相反的触点称为常闭触点（动断触点）。
按用途和结构不同，按钮可分为起动按钮、停止按钮和符合按钮等。
起动按钮带有常开触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常开触点闭合；手指松开，常开触点断开。
停止按钮带有常闭触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常闭触点断开；手指松开，常闭触点闭合。
复合按钮带有常开和常闭两种触点，当手指按下按钮帽时，先断开按钮的常闭触点再闭合其常开触点；手指松开，先断开已闭合的常开触点再闭合已断开的常闭触点。
为便于识别各个按钮的作用，避免误动作，通常在按钮帽上做出不同的标记或涂上不同的颜色，一般红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。
按钮的图形文字符号如图8-3所示。
常闭按钮常开按钮
图8-3按钮的图形文字符号
图8-2按钮典型结构
三、熔断器
熔断器是最简单和最常用的保护电器，广泛应用于供电线路和电气设备的短路保护中。
熔断器由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的绝缘管或绝缘座等部分组成。
熔体是熔断器的核心，通常由低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成。
使用时应将熔断器串接于被保护电路中，电路正常工作时，熔体不应熔断；当电路发生故障从而导致通过熔断器的电流超过一定数值，导致电流在熔体上产生的热量使熔体熔断，从而保护电路和用电设备。
1.熔断器的主要技术指标
⑴额定电压指熔断器在长期工作时以及在断开后能承受的电压。
⑵额定电流指熔断器长期工作时，设备部件温升不超过规定值时所能承受的电流。
这里需要注意区分熔断器的额定电流和熔断器中熔体的额定电流。
通常生产厂家为了减少熔断器额定电流的规格，其额定电流等级较少，而熔断器熔体的额定电流等级较多。
因此在实际使用中可以在一个额定电流等级的熔断器的绝缘管中安装不同额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断器的额定电流。
2.熔断器的选择
要使熔断器在电路中真正能起到对电路和用电设备的保护作用，必须正确选择熔断器。
⑴熔断器的额定电压、额定电流和熔体额定电流的选择
熔断器的额定电压、额定电流的选择依据较为简单，可按照以下两条原则进行选择：
①熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压
②熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流
⑵熔体选择的原则：
①对于照明、电热设备等电阻性负载，熔体的额定电流
应大于或等于电路的额定工作电流
。
②对于单台异步电动机，考虑电动机起动时起动电流较大的影响，熔体的额定电流按下式计算：
③对于保护多台异步电动机的熔断器的熔体，若各台电动机不同时起动，则应按下式计算：
式中
为容量最大一台的电动机的额定电流，
为其余电动机额定电流的总和。
④为防止发生越级熔断，上、下级熔断器的熔体应有良好的协调配置，通常应使上级熔断器的熔体额定电流比下一级大1－2个级差。
熔断器的图形、文字符号如图8-4所示。
图8-4熔断器的图形、文字符号
四、接触器
交流接触器是一种用于频繁接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器，主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，是电力拖动自动控制线路中应用最为广泛的电器元件。
接触器主要包括电磁系统（静铁心、动铁心、线圈）、触点系统和灭弧装置部分。
按照用途不同，接触器的触点分主触点和辅助触点两种。
主触点用来切换大电流电路；辅助触点只能用来切换小电流电路。
按照主触点控制的电路中电流种类分类，接触器有直流接触器和交流接触器。
1.交流接触器
交流接触器用于控制电压至380V、电流至600A的50Hz交流电路。
其铁心为双E型，由硅钢片叠压而成。
线圈套在静铁心上，接于控制电路中，内部结构如图856所示。
图8-5交流接触器内部结构
交流接触器工作原理如下：
当线圈所加电压达到其额定电压85％以上时，铁心产生足够的磁通，该磁通对动铁心产生克服复位弹簧拉力的电磁吸力将动铁心可靠吸合，通过绝缘杆使固定于动铁心上的动触点动作，于是交流接触器的主触点闭合从而接通主电路；同时常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开，使与之相连的控制电路接通或者断开。
当线圈中的电压下降到某一数值时，电磁力减小到不足以克服复位弹簧的拉力，动铁心就在复位弹簧的拉力作用下复位，使得主触点和辅助触点的常开触点断开，常闭触点闭合。
接触器的触头用于分断或接通电路。
交流接触器一般有3对主触点、2对辅助触点。
主触点用于接通或断开主电路，主触点和辅助触点一般采用双断点的桥式触点，电路的接通和断开由两个断点共同完成。
由于这种双断点的桥式触点具有电动力吹弧能力，所以10A以下的交流接触器一般没有灭弧装置，而10A以上的交流接触器则采用栅片灭弧罩灭弧。
交流接触器的图形、文字符号如图8-6所示。
接触器常开触点接触器线圈 接触器常闭触点
图8-6交流接触器的图形、文字符号
2.直流接触器
直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路，其结构与工作原理基本上与交流接触器相同。
所不同的是除触点电流和线圈电压均为直流外，其主触点大都采用可滚动接触的指型触点，辅助触点采用点接触的桥型触点。
铁心由整块钢或铸铁制成，线圈制成长而薄的圆筒形。
3.接触器的主要技术指标
⑴额定电压接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，交流有127V、220V、380V等等级；直流有110V、220V、440V等等级。
⑵额定电流接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流。
有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。
⑶线圈额定电压交流有36V、110V、127V、220V、380V；直流有24V、48V、220V、440V。
⑷额定操作频率额定操作频率指接触器每小时操作的次数。
五、热继电器
热继电器是应用电流热效应得原理制成的，用来作为电动机的过载保护电器。
电动机在实际运行中，常常遇到过载的情况。
若过载电流不太大且过载时间较短，电动机绕组的温度就不会超过允许温升，这种过载是允许的。
但若过载的时间长、电流大，电动机绕组的温度就会超过允许温升使得电动机绕组绝缘老化，从而缩短电动机的使用寿命，严重时甚至烧毁电动机绕组，因而这种过载是不能接受的。
热继电器就是应用电流热效应原理，当电动机过载时切断电路，保护电动机。
另外，热继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性。
热继电器的结构如图8-7所示。
图8-7热继电器结构
热继电器工作原理如下所示：
热继电器主要由热元件、双金属片和常闭触点三部分组成。
热元件绕在双金属片（由两种线膨胀系数不同的金属压制而成）上，串接与电动机定子电路中，其常闭触点串接与电动机的控制电路中。
当电动机工作时，热元件中有电流通过，因而使得热元件发热，热元件产生的热量使得双金属片发生弯曲。
当点击正常工作时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作。
当电动机过载时，热元件中的电流增大，加上时间效应，会使得双金属片接受的热量大大增加，因而弯曲程度加大，足以推动导板，通过动作机构使得常闭触点断开，控制电路断开，接触器线圈失电，常闭主触点断开，电动机脱离电源，从而起到过载保护的作用。
使用热继电器时，要调整整定机构，使热继电器的整定电流等于电动机的额定电流。
这样，电动机额定工作时，热继电器不动作；当电动机过载，电流为整定电流的1.2倍时，热继电器将在20分钟内动作；当过载电流为整定电流的1.5倍时，热继电器将在2分钟内动作。
这里需要强调的是，由于热惯性，热继电器不能做短路保护。
六、自动空气断路器
自动空气断路器又称自动空气开关，可用来分配电能，也可用于非频繁的起动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护。
当发生严重的过载或短路及欠电压等故障是能自动切断电路，其功能相当于熔断器与过流、欠压、热继电器等的组合。
自动空气断路器的结构原理如图8-8所示，主要由触头、灭弧系统、各种脱扣和操作机构组成。
图8-8自动空气断路器
手工合闸后，动、静触点闭合，脱扣联杆9被锁扣7的锁钩钩住，它又将合闸联杆5钩住，将触点保持在闭合状态。
热元件14与主电路串联，有电流流过时将产生热量，从而使得热脱扣器6的下端向左弯曲；当电路过载时，热脱扣器6的弯曲程度大大增加，从而将脱扣锁钩推离脱扣联杆9，从而松开合闸联杆5，于是动、静触点10、11受脱扣弹簧3的作用迅速分开。
电磁脱扣器8有一个匝数很少的线圈和主电路串联。
当发生短路时，它使铁心脱扣器上部的吸力大于弹簧的反作用力，脱扣锁钩向左转动，最后也使触点断开。
当需要手动脱扣时，按下手动脱扣按钮2就使得触点断开。
七、行程开关
行程开关是以生产机械的运动部件或行程为信号而进行动作的电器。
行程开关按结构可分为机械结构的接触式有触点行程开关和电气结构的非接触式接近开关。
常用的接触式有触点行程开关又可分为直动式和转动式。
直动式行程开关的结构和动作原理类似与按钮，如图8-11所示。
行程开关的图形、文字符号如下图所示。
行程开关常开触点行程开关常闭触点
图8-11行程开关图形、文字符号
[练习与思考]
8-1-1复合按钮动作具有什么特点？
8-1-2短路保护和过载保护有什么区别？
为什么热继电器不能做短路保护？
第二节可编程控制器
可编程控制器（Programmablelogiccontroller，简称为PLC）是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展出来的，以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。
它具有结构简单、可靠性高、通用性强、易于编程、使用方便等优点，已经成为电气控制系统的核心部件，常用于开关逻辑控制、闭环过程控制、机械加工中的数字控制等领域，与机器人、CAD/CAM技术已经称为并称为现代工业自动化技术的三大支柱。
一、PLC的基本结构
PLC种类繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作模式则大同小异，主要由CPU模块、输入/输出接口单元、编程器和电源四大部分组成，如图8-13所示。
图8-13PLC结构框图
1.CPU模块
CPU模块又称中央处理器（Centerprocessingunit），是PLC的核心。
该模块主要由CPU、存储器、控制电路、译码电路和接口电路组成，主要用于：
接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。
CPU模块中的存储器可分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器三部分。
系统程序存储器用于存放系统程序，系统程序由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。
系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。
用户程序存储器存储用户编制的应用程序。
用户应用程序是用户根据生产工艺的控制要求而编制的应用程序。
为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。
为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。
工作数据存储器存放在应用过程中要经常变化，经常存取的数据。
因此，这部分数据的存储器都选用RAM，以适应随机存取的要求。
在PLC的工作数据存储器中，开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类软元件。
I/O映象区：
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。
（请参阅PLC的工作原理）因此，它需要有一定数量的存储单元（RAM）以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。
I/O映象区包括：
开关量输入（I）映象区、开关量输出（O）映象区、模拟量I/O映象区。
软元件是指PLC内部具有一定功能的器件，包括逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等。
为了利用这些软元件进行编程以达到控制要求，使用者必须熟悉和掌握这些软元件的功能、编号及其使用方法。
2.输入/输出接口单元
输入/输出接口单元是系统的五官和手脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
实际生产中信号电平多种多样，外部执行机构所需的电平也是多种多样，而PLC的CPU只能处理标准电平，正是通过输入输出接口单元实现了这种信号电平的转换。
输入接口单元：
输入接口单元用来接收和采集输入信号。
按照接受和采集的信号类型不同输入接口单元可分为两类：
模拟量输入接口单元、数字量输入接口单元（又称开关量输入接口单元）。
模拟量输入接口单元主要用于接收模拟量输入信号。
数字量输入接口单元主要用于接收开关量输入信号。
输出接口单元：
输出接口单元把CPU模块内的输出状态寄存器的内容读入，经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。
输出接口电路分继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种。
3.编程器
PLC的编程器一般有两种类型：
简易编程器和图形编程器。
简易编程器体积小，便宜，使用方便，适合小型PLC，缺点是需联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程，操作方便，功能强大，但价格较高，适用于大型PLC。
4、电源
PLC的电源是指为CPU、存储器、输入/输出接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源。
用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。
二、PLC的工作原理
PLC有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。
运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制和调试。
在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段，PLC的这种周而复始的循环工作方式称为循环扫描工作方式。
PLC的循环扫描工作方式大致可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段：
1.输入采样阶段
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。
变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。
2.程序执行阶段
在程序扫描阶段，PLC对用户程序存储器中存储的用户程序进行逐句扫描，当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”输入采样阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应系统软设备（“软继电器”）的当前状态。
然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。
3.输出刷新阶段
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动相应输出设备工作，这就是PLC的实际输出。
三、三菱FX2N系列PLC
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX1、FX2、FX0、FX0N、FX2N、FX2NC等系列。
其中FX2N系列PLC性价比较高，非常适合在中小企业中推广应用。
1.FX2N的软元件
FX2N系列PLC八类软元件：
输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C、数据寄存器D、指针P、I、N。
限于篇幅，这里只介绍常用的软元件：
输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C，
⑴输入继电器：
输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接收外部开关信号的元件，必须由外部信号来驱动，不能用程序驱动。
FX2N型PLC输入继电器采用八进制地址编号，最多可达128点（X0～X177）。
⑵输出继电器：
输出继电器是PLC用来输送信号到外部负载的元件，只能用程序指令驱动。
每一个输出继电器有一个外部输出的常开触点。
输出继电器的地址是八进制，最多可达128点（Y0～Y177）。
⑶辅助继电器：
PLC内部有很多辅助继电器，辅助继电器与输出继电器一样只能用程序指令驱动，外部信号无法驱动它的常开常闭接点，但是这些接点不能直接驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。
⑷定时器：
PLC中定时器T相当于继电器控制系统中的延时继电器，定时器元件号按十进制编号，设定时间由编程时设定系数K决定。
T0～T199为0.1s定时器，设定值范围为0.1～3276.7s，最小单位为0.1s。
T200～T245为0.01s定时器，设定值范围为0.01～327.67s。
⑸计数器：
计数器在程序中起计数控制作用，元件按十进制编号，计数器计数次数由编程时设定的系数K决定。
C0～C99为通用加计数器，计数范围为1～32767。
C100～C199为停电保持加计数器，计数范围为1～32767。
除此之外，还有可逆、加、减计数器等。
2.FX2N基本指令
FX2N系列PLC有基本指令27种，步进指令2种，应用指令128种共298个。
其中基本指令是最基础的编程语言，可以说掌握了基本指令也就初步掌握了PLC的使用方法。
限于篇幅，此处只介绍这27种基本指令中最常用的一部分，如果想了解FX2N指令系统，可查阅《三菱微型可编程控制器MELSEC-FFX2N系列编程手册》。
逻辑取及线圈驱动（LD、LDI、OUT）指令
符号、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
LD取
逻辑运算开始的常开触点
LDI取反
逻辑运算开始的常闭触点
OUT输出
线圈驱动指令
指令说明
⑴LD、LDI指令可用于将触点与左母线连接，也可与后面介绍的AND、ORB指令配合使用于分支起点处。
⑵OUT指令是对输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C的线圈进行驱动的指令，但不能用于输入继电器X。
触点串联（AND、ANI）指令
符号、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
AND与
常开触点串联
ANI与非
常闭触点串联
指令说明
⑴AND、ANI指令为单个触点串联指令。
AND用于常开触点串联，ANI用于常闭触点串联，串联触点数目不受限制。
⑵OUT指令后，可通过触点对其他线圈使用OUT指令，称之为纵接输出或连续输出。
纵接输出只要顺序正确，可重复使用。
触点并联（OR、ORI）指令
符号、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
OR或
常开触点并联
ORI或非
常闭触点并联
指令说明
⑴OR、ORI指令为单个触点并联指令。
OR用于常开触点并联，ORI用于常闭触点并联，并联触点数目不受限制。
⑵与LD、LDI指令触点并联的触点要使用OR、ORI指令
⑶若两个以上触点的串联支路与其他支路并联时，不能使用OR、ORI指令，应使用后面介绍的电路块或（ORB）指令
串联电路块的并联（ORB）指令
符号、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
ORB电路块或
串联电路块的并联
指令说明
⑴ORB指令是不带操作组件编号的指令。
⑵两个或两个以上触点串联连接的电路称为串联电路块，当串联电路块相并联时，须使用ORB指令，而不能使用OR或ORI指令。
⑶当串联电路块并联时，分支起点使用LD或LDI指令，分支结束后使用ORB指令
⑷若多个串联电路块并联时，则ORB指令没有使用次数限制。
并联电路块的串联（ANB）指令
符号、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
ANB电路块与
并联电路块的串联
指令说明
⑴ANB指令是不带操作组件编号的指令
⑵两个或两个以上触点并联连接的电路称为并联电路块，当并联电路块与前面的电路串联时，须使用ANB指令，而不能使用AND或ANI指令。
⑶当并联电路块与前面的电路串联时，分支起点使用LD或LDI指令，并联电路块结束后使用ANB指令
⑷若多个并联电路块按顺序和前面的电路串联连接时，则ANB指令没有使用次数限制。
主控触点（MC/MCR）指令
指令助记符、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
MC主控
主控电路块起点
MCR主控复位
主控电路块终点
指令说明
⑴MC为主控指令，用于公共串联触点的连接。
MCR为主控复位指令，即MC的复位指令。
在编程时，经常遇到多个线圈同时受一个或一组控制。
若在每个线圈的控制电路中都串入同样的触点，将多占存储单元。
应用主控触点则可以解决上述问题。
⑵在应用主控触点指令时，主控指令控制的操作组件的常开触点要与主控指令后的母线垂直，此时此常开触点是控制一组梯形图电路的总开关。
当此常开触点闭合时，将激活所控制的一组梯形图电路。
⑶主控（MC）指令母线后接的所有起始触点均以LD、LDI指令开始，最后由MCR指令返回到主控（MC）指令后的母线，向下继续执行新的程序。
⑷在没有嵌套结构的多个主控指令程序中，可以都用嵌套号N0来编程，N0的使用次数不受限制。
⑸通过更改Mi的地址号，可以多次使用MC指令，形成多级嵌套，嵌套级Ni的编号由小到大。
返回时通过MCR指令,从大的嵌套级开始逐级返回。
脉冲指令
指令助记符、名称
功能
梯形图表示和可操作组件
LDP取脉冲
上升沿检测运算开始
LDF取脉冲
下升沿检测运算开始
ANDP
上升沿检测串联
ANDF
下升沿
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