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电气控制与PLC知识总结

第一章基础知识

§1-1 PLC的产生和发展

§1-1-1 什么是可编程序控制器(PC)

可编程序控制器是一种以计算机(微处理器)为核心的,集微机技术、自动化技术、通信技术与一体的通用工业控制装置。

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器,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、模拟式的输入和输出,控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备,都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

§1-1-2 PLC的产生与发展

在PLC出现之前,工业生产控制是用继电器实现的。复杂的控制系统中,可能要使用成百上千个各式各样的继电器,接线、安装的工作量很大。且可靠性差,灵活性差。

世界上第一台PC的诞生美国的汽车制造厂家通用汽车公司(GM公司)

美国数字设备公司(DEC公司)

第一代:从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。

①cpu使用中小规模集成电路,采用磁芯存储器。②功能简单(只有计数/定时功能)

③可靠性差,略强于继电器控制。④机种单一,没形成系列。

第二代;70年代初至70年代末

①cpu使用微处理器,采用半导体存储器EPROM。②功能增强(增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能)③有了计算机接口和模拟量控制功能。④可靠性提高⑤整机功能向系列化,标准化发展,并由专用向通用方向过渡第三代;70年代末到80年代中期

①cpu使用8或16微处理器甚至多位处理器,采用半导体存储器EPROM\CMOSRAM等。

②增加浮点数运算,平方,三角函数等运算。③增加查表,列表功能。

④自诊断及容错技术提高。⑤梯形图语言及语句表成熟。

⑥大型PLC体积减小,可靠性提高,成本下降。⑦大型PLC向模块化,多功能化方向发展。

第四代;80年代中期至90年代中期

①增加高速计数,中断,A/D,D/A,PID等功能。②处理速度进一步提高(1us/步)

③联网功能增强。④编程语言进一步完善,开发了编程软件。

第五代;90年代中之后

①cpu使用16位或32位微处理器。②pl c的I/O点进一步增加,最多可达32K个I/O点

③处理速度进一步提高(1ns/步)④PLC都可以与计算机通信

⑤具有强大的数值运算,函数运算,大批量数据处理的功能。⑥开发了大量的特殊功能模块

⑦编程软件功能不断强大。⑧不断开发出功能强大的可编程终端。

§1-1-3 PLC的发展趋势

1、小型PLC

向着体积更小,速度更快,功能增强,价格低廉的方向发展,使之更利于取代继电气控制。

2、大中型PLC

向着更大的容量,更高的速度,更多的功能,更高的可靠性,易于联络通信的方向发展。使之更有利于对大规模,复杂系统的控制。

3、PLC控制系统性能

①cpu处理速度进一步加快②I/O模块直接安装在现场,CPU与现场I/O通过数据通信实现控制,使系统控制更有效,可靠性更好。③随着硬件冗余技术的应用,各种单元,甚至整个系统都可以应用冗余技术,使系统具有更高可靠性④进一步应用计算机的信息处理技术,网络通信技术和图形显示技术,使系统的生产控制功能与信息管理功能一体化。

§1-2 PLC的特点

PLC 的特点

(1)灵活性和通用性强

(2)可靠性高,抗干扰能力强(从软件和硬件方面说)

A硬件方面;①对电源变压器,cpu,编程器等主要部件,均采用严格措施进行屏蔽。以防外界干扰。②对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波。并用集成电压调整器进行调整,以适应交流电网的波动和过电压,欠电压的影响。

③CPU 与I/O电路之间,采用光电隔离措施,有效的隔离了内部电路与I/O间电路的联系,减少故障和误动作。④采用模块式结构,这种结构有助于在故障情况下短时修复。

B软件方面;监控程序定期的检测外界环境,如掉电,欠电压,后备电池电压过低及强干扰信号等,以便及时进行处理,当检测到故障时,立即把状态存入存储器,并对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何操作,当检测到外界环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来的程序工作。②设置件事定时器WDT③加强对程序的检查和检验④对用户程序及动态数据利用后备电源供电,保证信息不丢失。

(3)编程简单,使用方便PLC采用面向控制过程,面向问题的“自然语言”编程,容易掌握。

(4)接线简单PLC的接线只需要将输入设备与PLC输入端子连接;将输出设备PLC输出端子连接。接线工具仅为螺丝刀,接线工作极其简单,工作量少。

(5)功能强,功能的扩展能力强PLC可对开关量进行控制,又可对模拟量进行控制;即可控制一台电机,一条生产线,又可控制一个机群,多条生产线;即可现场控制,又可远距离控制,即可控制简单系统,又可控制复杂系统。

(6)系统设计,调试周期短由于PLC是通过程序进行控制。可以在实验室进行设计和程序调试,更为方便的是可在实验室进行系统模拟运行调试。

(7)体积小,重量轻,易于实现机电一体化PC 采用半导体集成电路,因此具有体积小,重量轻,功耗低的特点,易于装入机械设备内部实现机电一体化.

§1-2-2 PLC的应用领域

1\、关量控制开关量的逻辑控制是PLC的基本控制空能

2.、模拟量控制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,具有PLC还具有PID 控制或模糊控制的功能,可用于闭环的位置控制,速度控制和过程控制等

3.数字量智能控制利用PLC能接受和输出高速脉冲的功能,在配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如环形分配器、功效、步进电机)就能实现数字量的智能控制。

4.数据采集与监控PLC能把现场数据时显示并记录下来,共进一步研究分析使用。

5.通信、集散及智能控制PLC的通信联网能力强。PLC和PLC之间,PLC和计算机之间,PLC和智能仪器之间都可以实现通信。利用PLC强大的通信连网功能,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。

§1-2-3 PLC控制的基本概念

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概念:

1. PLC的内部继电器:并不是实际的硬继电

器,每个内部继电器是PLC内部存储单元的

一位,因此称为“软继电器”。

2. 梯形图:是从继电器控制电路的原理图演

变而来的。梯形图是由“软继电器”组成的

控制线路。它们并不是真正的物理连接。而是

逻辑关系上的连接,称为“软接线”。

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§1-3 PLC的基本组成与各部分的作用

PLC的基本分类

一、整体式小型机采用(如右图上)

二、组合式,大中型机使用(如右图下)

§1-3-1 中央处理器(CPU)

一、CPU指挥PLC 完成各种预定的功能

①接受并存储从编程器输入的用户程序和数据(编程)

②诊断电源,PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误(诊断)

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(输入)

④读取用户程序,解释和执行,完成程序中规定的操作。(执行程

序)

⑤将用户程序的执行结果送至输出端(输出结果)

§1-3-2 存储器

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①元件映像寄存器;用来存储PLC的开关量输入输出和定时器,计数器,辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。

②数据表;存放各种数据,每个数据占一个字节。可变参数,定时器/计数器的当前值和设定值,A/D转换结果等。

③数据保持区;停电时可以保持数据的储器区域称为数据保持区。

§1-3- 3 输入/输出单元

PLC与外部设备联系的桥梁

一,开关量输入单元包括直流输入单元和交流输入单元

二,开关量输出单元包括晶体管输出单元,晶闸管输出单元以及继电器输出单元

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编程工具

§1-3-4 电源单元

1,plc由开关稳压电源为内部电路供电

开关电源具有以下特征①输入电压范围宽②体积小③重量轻④效率高⑤抗干扰性能好

2、有的

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plc能向外

部提供

24v的直

流电源

3、可作为

输入单元

连接的外

部设备的

电源

§1-3-5 I/O扩展端口§1-3-6 其它外设端口

§1-3-7 编程工具

编程器是对PLC进行操作的工具

①专用编程器②简易编程器分为直插式、便携式③图形编程器④计算机辅助编程

在装有专用编程软件的计算机上编程

§1-3-8 智能单元

1、智能单元本身是一个独立的系统,具有CPU、系统程序、存储器、接口

2、(1)对组合式PLC:①智能单元是PLC系统的一个模块②与CPU单元通过系统总线相连接

③在CPU单元的协调管理下独立地进行工作

(2)对整体式PLC:①主机通过I/O扩展接口与智能单元连接

3、智能单元的工作不参加循环扫描过程,按它自己的规律工作。由其本身的CPU控制。

4、智能单元包括①A/D,D/A单元②高速计数单元③位置控制单元④PID控制单元⑤速度控制单元⑥通信单元

§1-4 PLC的编程语言

PLC的编程语言主要包括①梯形图,语句表,逻辑功能图,逻辑方程式,布尔代数式

§1-4-1 梯形图

1、定义由电气控制原理图演变而来。梯形图最左边是起始母线,最右边是结束母线。(可以省略)

2、符号

3、梯形图的特点

①梯形图中的继电器不是物理继电器,每个继电器实际上是映象寄存器中的一位,因此称为“软继电器”。

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梯形图中继电器线圈是广义的,除了输出继电器、辅助继电器线圈外,还包括定时器、计数器、移位寄存器以及各种算术运算等

②每个继电器对应映象寄存器中的一位。其状态可以反复读取,因此可以认为继电器有无限多个常开触点和常闭触点,在程序中可以被反复引用。

③梯形图的母线中无电流。

④梯形图中只出现输入继电器的触点,而不出现输入继电器的线圈。输入继电器的触点表示相应的输入信号。

⑤输出继电器供PLC作输出控制用。

⑥PLC运行的顺序是“从左到右,从上到下”,逐一处理,扫描方式工作。

⑦用户程序执行时,输入触点和输出线圈的状态是从I/O映象寄存器中读取的,不是执行时现场开关的实际状态。梯形图中前面程序执行的结果马上可以被后面的程序执行所利用。

§1-4-2 语句表

1、定义;是一种与汇编语言类似的助记符编程表达式

2、PLC的语句:操作码+ 操作数

操作码:用来指定要执行的功能,告诉CPU该进行什么操作。

操作数:包含为执行该操作所必须的信息。告诉CPU用什么地方的数据来执行此操作。

3、操作数分配原理①为了让CPU区别不同的编程元件,每个独立的元件应指定一个互不重复的地址。

②所指定的地址必须在该型机器允许的范围之内。超出机器允许的操作参数,PLC不响应,并以出错处理。

4、语句表的特点键入方便,编程灵活。不如梯形图形象直观。

§1-4-3 逻辑功能图

用基本逻辑关系表达控制功能。

§1-4-4 逻辑方程式或布尔代数式用基本方程式或布尔代数式表达控制功能。

§1-5 PLC的工作原理

一、继电器控制电路是一种并行工作方式

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扫描周期:一次循环所需的时间。其长短与PC机性能、用户程序的长短有关。通常为几十ms

1、公共处理包括:

①硬件检查和用户程序内存检查②结果正常时执行用户程序;结果不正常时分为异常时:PC停止运行。警告时:报警,继续执行③监视时间预置(WDT):WDT时间预置

2、程序执行

①定义:CPU按先左后右,先上后下的顺序对每条指令进行解释,执行

②CPU从输入映象寄存器(每个输入继电器对应一个输入映象寄存器)和元件映象寄存器(既与各种内部继电器、输出继电器对应的寄存器)中读出各继电器的状态,根据用户程序给出的逻辑关系进行逻辑运算,运算结果再写人元件映象寄存器中。

3、扫描周期计算处理

①扫描周期为固定值(由用户通过数据存储区DM6619设定)②扫描周期时间不到则等待,时间到继续往下执行。

③扫描周期为不固定值④进行扫描周期计算

4、I/O刷新

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①输入刷新:CPU从输入电路读出各输入点的状态写入输入映象寄存器

②输出刷新:输出继电器的元件映象寄存器内容送到输出锁存器——>隔离放大——>驱动负载

5、外设端口服务:完成与外设端口连接的外围设备(如编程器)或通信适配器的通信处理。

二、信号传递过程

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开关的状态从输入端子反映到输出端子,至少需要两个I/O刷新阶段,既至少需要一个扫描周期

三、死循环自诊断功能

PLC内部设置了一个监视定时器WDT,其定时时间可由用户设置为大于用户程序的扫描周期,PLC在每个扫描周期的公共处理阶段将监视定时器复位。正常情况下,监视定时器不会动作。如果由于CPU内部故障使程序执行进入死循环,那么,扫描周期将超过监视定时器的定时时间,这时监视定时器动作,停止运行。

§1-5-2 PLC的I/O滞后现象

一、PLC有很多优越特性,但也有不足之处,其中,最显著的是:PLC的输入输出有响应滞后现象。对一般工业控制设备来说。这些滞后现象是完全允许的。但对某些设备,需要输出对输入作出快速响应时,则可采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。

二、产生滞后的原因:

(1).输入滤波器时间常数τ。(2).输出继电器机械滞后。

(3).扫描周期。(4).程序语句的安排。

三、I/O响应时间:从输入触点动作到输出触点动作有一段延迟时间,称为I/O响应时间。

①最小I/O响应时间=输入ON延时+扫描时间+输出ON延时(左图)

②最大I/O响应时间=输入ON延时+扫描时间?2+输出ON延时(右图)

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§1-5-3 PC对输入点计数的频率问题

一、PLC对外部事件计数分为高速计数,普通计数

①高速计数输入信号不经输入滤波器直接送到CPU,计数不受输入滤波器时间常数、扫描周期的影响,计数频率可以很高,如CPMIA的高速计数频率可达5kHZ。

②普通计数输入信号经输入滤波器后在PLC扫描周期的I/O刷新阶段被CPU读入,因此,计数频率受输入滤波器时间常数和扫描周期的限制,不可能很高。

二、

为了保证CPU能够可靠地读入开关接通或断开的状态,不丢失脉冲,输入滤波后的信号其有效高电平和低电平持续时间不能少于一个扫描周期。即T’≥τ+ Ts

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若τ=8ms,Ts=2ms 则

上式假定程序执行时间为0,所以,计数频率 f < fmax

§1-6 PLC的性能指标

一、描述PLC内部器件的常用术语

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位(bit):二进制的一位。仅0、1两个状态,对应继电器。

数字(digit):四个二进制。0000~1111,可以表示0~9 (BCD码)或0~F

字节(byte):二个数字或8个二进制位构成。

字(word):二个字节或16个二进制位构成。字也称为通道。

一个通道含16个继电器

二、PLC的性能指标

1、用户程序存储器容量-——决定可以容纳用户程序的长短,一般以字为单位计算,中小型PLC在8k字以下;大型达256k~2m字

2、I/O点数——输入输出端子的个数。I/O点数越多,PLC可外接的输入开关器件和输出控制器件越多,控制规模就越大,I/O点数是衡量PLC 的一个重要指标

3、扫描速度——是指PLC执行程序的速度。是衡量PLC控制速度的重要指标。以ms/K字为单位表示。

4、指令种类几条数——这是衡量PLC编程能力强弱的主要指标。指令种类几条数越多,其编程功能就越强。及处理能力,控制能力越强。

5、内部器件的种类和数量——内部器件包括辅助继电器、定时器、计数器、保持继电器、特殊辅助继电器、数据存储器等等。其种类和数量越多,同样反映其控制功能越强。

6、扩展能力——I/O点数扩展;特殊功能模块扩展

7、智能单元——PLC利用智能单元可完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等。智能单元的种类、功能的强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要指标。

第二章常用器件

一,电气控制,电气控制技术在生产过程、科学研究及其他各个领域的应用十分广泛.电气控制技术涉及面很广,各种电气控制设备种类繁多,功能各异,但就其控制原理、基本线路、设计基础而言它是类似的。本篇主要是以电动机或其他执行电器为控制对象.介绍电气控制的基本原理、线路及设计方法,从应用角度出发.培养对电气控制系统的分析和设计的基本能力。

1、常用低压元件

电器对电能的生产、传输、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。

随着电子技术、自控技术和计算机应用的迅猛发展,一些电器元件可能被电子线路所取代。但是由于电器元件本身也朝着新的领域扩展(表现在提高元件的性能,生产新型的元件,实现机、电、仪一体化,扩展元件的应用范围等),且有些电器元件有其特殊性,故是不可能完全被取代的。在今后的电气控制技术中继电接触器控制技术仍占有相当重要的地位。另一方面可编程序控制器(PLC)是计算机技术与继电接触器控制技术相结合的产物。而且

PLC的输入、输出仍然与低压电器密切相关,因此掌握继电接触器控制技术也

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是学习和掌握PLC应用技术所必需的基础。

2、电器的分类:

(1)按电压等级分类①高压电器:用于交流电压1200V、直流电压1500V及以

上的电路中的电器。如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。②低压电

器:用于50Hz(60Hz)、额定电压1200V以下及直流额定电压1500V及以下的电

路中起通断、保护、控制或调节作用的电器(简称电器)。如接触器、继电器等。

(2)按动作原理分类:①手动电器:手动发出操作命令。如刀开关、按钮等。②自动电器:利用电磁吸力而自动完成动作指令的电器。如接触器、继电器、电磁阀等。

(3)按用途分类:①控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器。如接触器、继电器、电机启动器等。②配电电器:用于电能的输送和分配的电器。如高压断路器。③主令电器:用于自动控制系统中发出动作命令的电器。如按钮、转换开关等。④保护电器:用于保护电路及用电设备。如熔断器、热继电器等。⑤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。

第一节,接触器

一、触器的结构和工作原理

1、接触器的作用

用来频繁地接通和分断交直流主回路或大容量控制电路。主要控制对象是电动机能远距离控制,具有欠(零)压保护。

2、接触器的结构:

(1)电磁系统——电磁系统包括动铁心(衔铁)、静铁心和电磁线圈三部分,其作用是将电磁能转换成机械能,产生电磁吸力带动触头动作。

(2)触头系统——a、触头又称为触点,是接触器的执行元件,用来接通或断开被控制电路。

b、触头的分类:①按分为控制的电路分为:主触头——主触头用于接通或断开主回路,允许通过较大的电流。辅助触头——辅助触头用于接通或断开控制回路,只能通过较小的电流

②按其原始状态分为:(线圈断电后所有触头复位,即回复到原始状态。)

常开触头(动合触点)——原始状态时(即线圈未通电)断开线圈通电后闭合的触头

常闭触头(动断触点)——原始状态时闭合,线圈通电后断开的触头。

(3)灭弧装置——触头在分段电流瞬间,触头间的气隙中产生电弧,电弧的温度能将触头烧损,并可能造成其他事故,因此,应采用适当措施迅速熄灭电弧。常采用灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。

3 接触器的工作原理

当电磁线圈通电后,使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁,并带动触头动作,使常闭触头断

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开,常开触头闭合,两者是联动的、当线圈断电时,电磁力消失,衔铁在释放弹簧的作

用下释放,使触头复原,即常开触头断开,常闭触头闭合。

4接触器的图形符号、文字符号(如右图)

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二交、直流接触器的特点

接触器按其主触头所控制主电路电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。

①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。为减少铁损,铁心用硅钢片冲压而成。为便于散热,线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上。为防止交变磁通使衔铁产生强烈振动和噪声,交流接触器铁心端面上都

安装一个铜制的短路环。交流接触器的灭弧装置通常采用灭弧罩和灭弧栅。 ②直流接触器线圈通以直流电流,主触头接通、切断直流主电路。

a 直流接触器铁心中不产生涡流和磁滞损耗,所以不发热。铁心可用整块钢制成。为散热良好,通常将线围绕制成长而薄的圆筒状。

b 250A 以上的直流接触器采用串联双绕组线圈。

c 直流接触器灭弧较难,一般采用灭

弧能力较强的磁吹灭弧装置。

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三接触器的选择原则

①、控制交流负载应选用交流接触器;控制直流负载则选用直流接触

②接触器的使用类别应与负载性质相一致。

③主触头的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。

主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。还要注意的是接触器主触头的额定工作电流是在规定条件下(额定工作电压、使用类别、操作频率等)能够正常工作的电流值,当实际使用条件不同时,这个电流值也将随之改变。

④吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致,接触器在线圈额定电压85%及以上时应能可靠地吸合。 ⑤主触头和辅助触头的数量应能满足控制系统的需要。 §1-2 继电器

一、作用:用于控制和保护电路中,作信号转换用 输入电路:输入量(如电流、电压、温度、压力等)变化到一定值时继电器动作。

输出电路:执行元件接通或断开控制回路。

继电器种类①电流继电器②时间继电器③电压继电器④热继电器⑤中间继电器⑥速度继电器 二、 继电特性

继电特性是继电器的输入—输出特性(如右图) ①当输入量X 增长时

X <X2 时,Y=0 ;X ≥X2 时,Y=Y1,继电器吸合 X >X2 时,Y=Y1 不变 ②当输入量X 减小时

X >X1 时,Y=Y1 ; X ≤X1 时,Y=0,继电器释放 X 继续减小时, Y=0 不变

X2 称为继电器吸合值,欲使继电器吸合,则X ≥X2 X1 称为继电器释放值,欲使继电器释放,则X ≤X1 三. 继电器返回系数

①继电器返回系数 K=X1/X2

K 可以通过调节释放弹簧或调节铁芯与衔铁间非磁性垫片的厚度来改变。 调节弹簧:拧紧时,X1、X2增大,K 增大,

放松时,X1、X2减小,K 减小。 调节垫片:增加垫片厚度,X1增加,K 增加。

一般继电器要求低返回系数 K=0.1~0.4,继电器吸合后,输入量波动较大时,不致引起误动作。 欠电压继电器则要求高的返回系数 K ≥0.6

如 K=0.66,吸合电压为 U=0.9Ue ,则 U ≤60%Ue 时,继电器释放,起到欠压保护的作用。 四、 吸合时间和释放时间

①吸合时间:线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间。 ②释放时间:线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。 一般继电器,吸合时间和释放时间为0.05 ~ 0.15S 快速继电器,吸合时间和释放时间为0.005 ~ 0.05S 五、 继电器的符号(如右图) §1-2-1 电压、电流继电器

一、电流继电器——电流继电器的文字符号为KI

Y Y1

X

X1

X2

KA KA KA 线圈常开触头常闭触头

1、定义:根据输入(线圈)电流大小而动作的继电器称为电流继电器。

2、电流继电器包括:过电流继电器,欠电流继电器

①欠电流继电器的任务是当电路电流过低时立即将电路切断,因此欠电流继电器线圈通过的电流大于或等于整定电流时继电器吸合,只有电流低于整定电流时,继电器才释放。欠电流继电器动作电流整定范围,吸合电流为(30%~50%)IN ,释放电流为(l0%~20%)IN ,欠电流继电器一般是自动复位的。

②过电流继电器的任务是当电路发生短路及过流时立即将电路切断。因此过流继电器线圈通过的电流小于整定电流时继电器不动作,只有超过整定电流时,继电器才动作。过电流继电器的动作电流整定范围,交流为(110%~350%)IN ;直流为(70%~300%)IN 。

3、JL18系列电流继电器的型号表示方法(如右图)

二、电压继电器——电压继电器的文字符号为KI和KV

1、定义;电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器。

2、分类:①过电压继电器(过电压继电器动作电压整定范围为(105%~120%)UN)②欠电压继电器(欠电压继电器吸合电压调整范围为(30%~50%)UN ,释放电压为(7% ~20%)UN)

§1-2-2 中间继电器

一、作用:是将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大(即增大触头容量)的继电器。

二、常用的中间继电器有JZ7系列——以JZ7-62为例:JZ为中间继电器的代号,7为设计序号,有6对常开触头,2对常闭触头。(如右表)

§1-2-3 时间继电

一、定义:是一种按照时间原则进行控制的继电器。

二、分类

①空气阻尼式时间继电器——它由电磁机构、工作触头及气室三部分组成,它的延时是靠空气的阻尼作用来实现的。常见的型号有JS7-A系列,按其控制原理有通电延时和断电延时两种类型。空气阻尼式时间继电器延时时间有0.4~180s 和O.4~60s 两种规格,具有延时范围较宽,结构简单,工作可靠,价格低廉,寿命长等优点,是机床交流控制线路中常用的时间继电器。

我国生产的新产品JS23系列,可取代JS7-A、B及JS16等老产品、JS23系列时间继电器的型号意义如下:

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当通电延时型时间继电器电磁铁

线圈1通电后,将衔铁吸下,于

是顶杆6与衔铁间出现一个空隙,

当与顶杆相连的活塞在弹簧7作

用下由上向下移动时,在橡皮膜

上面形成空气稀薄的空间(气室),空气由进气孔逐渐进入气室,活塞因受到空气的阻力,不能迅速下降,在降到一定位置时,杠杆15使触头14

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动作(常开触点闭合,常闭触

点断开)。线圈断电时,弹簧

使衔铁和活塞等复位,空气经

橡皮膜与顶杆6之间推开的

气隙迅速排出,触点瞬时复

位。断电延时型时间继电器

与通电延时型时间继电器的

原理与结构均相同,只是将其

电磁机构翻转180゜安装。

②电动式时间继电器

它由同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构组成,电动式时间继电器延时时间长。可达数十小时, 延时精度高,但结构复杂,体积较大,常用的有JS10、JS11系列和7PR 系列。

③电子式时间继电器

早期产品多是阻容式,近期开发的产品多为数字式,又称计数式,其结构是由脉冲发生器、计数器、数字显示器、放大器及执行机构组成,具有延时时间长、调节方便、精度高的优点。有的还带有数字显示,应用很广,可取代阻容式、空气式、电动式等时间继电器。

我国生产的产品有JSS1系列,其型号意义为(如下图)

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三、时间继电器的图形、文字符号:

§1-2-4 热继电器

一、定义 是专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护,以防止电动机过热而烧毁的保护电器。 l. 热继电器的结构 及工作原理 (1).结构(如右图)

由双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。 (2).工作原理

双金属片作为温度检测元件,由两种膨胀系数不同的金属片压焊而成,它被加热元件加热后因两层金属片伸长率不同而弯曲、加热元件串接在电动机定子绕组中,在电动机正常运行时,热元件产生的热量不会使触点系统动作。当电动机过载,流过热元件的电流加大,经过一定的时间,热元件产生的热量使双金属片的弯曲程度超过一定值,通过导板推动热继电器的触点动作(常开触点闭合,常闭触点断开)。通常用其串接在接触器线圈电路的常闭触点来切断线圈电流,使电动机主电路失电。故障排除后按手动复位按钮,热继电器触点复位,可以重新接通控制电路。 2. 热继电器主要参数及常用型号 (1).热继电器主要参数

①热继电器额定电流,热继电器中可以安装的热元件的最大整定电流值 ②相数,

③热元件额定电流,热元件的最大整定电流值。

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④整定电流——热元件能够长期通过而不致引起热继电器动作的最大电流值。通常热继电器的整定电流是按电动机的额定电流整定的。 ⑤调节范围等。对于某一热元件的热继电器,可手动调节整定电流旋钮,通过偏心轮机构,调整双金属片与导板的距离,能在一定范围内调节其电流的整定值,使热继电器更好地保护电动机。 (2).热继电器图形、文字符号及型号意义 JR16、JR20系列热继电器型号意义

§1-2-5 速度继电器

F R

热元

F R

热继电器常闭触点

速度继电器根据电磁感应原理制成,用于转速的检测,如用来在三相交流异步电动机反接制动转速过零时,自动切除反相序电源。

一、组成(如右图)

速度继电器主要由转子、圆环(笼型空心绕组)和触点三部分组成。 ①转子由一块永久磁铁制成,与电动机同轴相联,用以接受转动信号 二、工作原理

当转子(磁铁)旋转时,笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势,形成环内电流,此电流与磁铁磁场相作用,产生电磁转矩,圆环在此力矩的作用下带动摆杆,克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动,并拨动触点改变其通断状态(在摆杆左右各设一组切换触点,分别在速度继电器正转和反转时发生作用)。当调节弹簧弹力时 可使速度继电器在不同转速时切换触点改变通断状态。

速度继电器的动作转速一般不低于120r/min ,复位转速约在100r/min 以下,工作时,允许的转速高达1000~3600r/min 。

由速度继电器的正转和反转切换触点的动作,来反映电动机转向和速度的变化。常用的型号有JY1和JFZ0型。 三、速度继电器的图形、文字符号如右图: §1-3 熔断器

§1-3-1 熔断器的工作原理 一、熔断器的组成

①熔体:熔体是熔断器的核心,通常用低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成,新型的熔体通常设计成灭弧栅状和具有变截面片状结构。

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②外壳:由玻璃、陶瓷等绝缘材料制成。起保护熔体的作用。 二、工作原理

当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后,电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而分断电路,从而保护了电路和设备。 三、熔断器的安-秒特性

1、熔断器熔体熔断的电流值与熔断时间的关系称为熔断器的保护特性曲线,也称为熔断器的安秒特性。

2、由特性曲线可以看出。流过熔体的电流越大,熔断所需的时间越短。熔体的额定电流IfN 是熔体长期工作而不致熔断的电流。

§1-3-2 常用熔断器的种类和符号(如右图)

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一、 熔断器的种类

1、按其结构型式分:插入式、螺旋式、有填料密封管式、无填料密封管式等

电气控制系统中经常选用螺旋式熔断器,它有明显的分断指示和不

用任何工具就可取下或更换熔体等优点。

§1-3-2 熔断器的选择

1、熔断器种类的选择——熔断器的种类主要由电控系统整体设计确定

2、熔断器的额定电压——熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压

3、熔断器的额定电流——确定熔体电流是选择熔断器的主要任务,选择原则:

①电路上、下两级都装设熔断器时,为使两级保护相互配合良好,两级熔体额定电流的比值不小于1.6:1。

②对于照明线路或电阻炉等没有冲击性电流的负载,熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流,即IfN ≥I1。式中IfN 为熔体的额定电流, I1为电路的工作电流。 ③保护一台异步电动机时.考虑电动机冲击电流的影响,熔体的额定电流按下式计算; IfN ≥(l.5~2.5)IN 式中IN 为电动机的额定电流。 ④ 保护多台异步电动机时,若各台电动机不同时起动,则应按下式计算 IfN ≥(l.5~2.5)INmax + ∑IN

式中, INmax 为容量最大的一台电动机的额定电流,∑IN 为其余电动机额定电流的

FU

总和。

§1-4 低压隔离器

低压熔断器主要有:①低压刀开关——切断电源②熔断器式刀开关——切断电源及分段一定的负载电流 ③组合开关——电路转换

§1-4-1 刀开关(如右图)

一、结构:低压刀开关由操纵手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板等组成。 二、主要类型

1、带灭弧装置的大容量刀开关

2、带路断器的开启式负荷开关(胶盖开关)

3、带灭弧装置和断路器的封闭式负荷开关(铁壳开关)等。 三、刀开关型号的含义(如右图) 四、刀开关的图形 文字符号(如右图)

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五、刀开关的选择原则

①刀的极数要与电源进线相数相等;

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②刀开关的额定电压应大于所控制的线路额定电压; ③刀开关的额定电流应大于负载的额定电流。

§1-4-2 组合开关

1、组合开关也是一种刀开关,它的刀片是转动式的,操作比较轻巧,它的动触头(刀片)和静触头装在封闭的绝缘件内,采用叠装式结构,其层数由动触头数量决定。动触头装在操作手柄的转轴上,随转轴旋转而改变各对触头的通断状态

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2、由于采用了扭簧储能,可使开关快速接通及分断电路而与手柄旋转速度无关,因此它不仅可用作不频繁地接通、分断及转换交、直流电阻性负载电路,而且降低容量使用时可直接起动和分断运转中的小型异步电动机。

3、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 等几级。全国

统一设计的常用产品有HZS 、HZ10系列和新型组合开关HZ15等系列。

§1-5 低压断路器

低压断路器过去称为自动开关,为了和IEC (国际电气技术委员会)标准一致,故改用此名。 一、低压熔断器的作用

①可用来分配电能;②不频繁地起动异步电动机;③对电源线路及电动机等实行保护。

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当它们发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合,而且在分断故障电流后一般不需要更换零部件,因而获得了广泛的应用。

二、低压熔断器的结构

1、框架式(万能式)——为敞开式结构,适用于大容量配电装置 。

2、塑料外壳式(装置式)——塑料外壳式断路器的特点是外壳用绝缘材料制作,

具有良好的安全性,广泛用于电气控制设备及建筑物内作电源线路保护,及对电动机进行过载和短路保护。 ① DZ47系列小型断路器适用于交流50Hz/60Hz 、额定工作电压为230V/400V 及以下,额定电流至63A 的电路中,主要用于现代建筑物的电气线路及设备的过载、短路保护、亦适用于线路的不频繁操作及隔离。

② DZ47LE 漏电断路器适用于交流50Hz 额定电压至400V 的线路中,作漏电保护之用。当人触电或电路泄漏电流

1-静插座 2-操作手柄 3-触刀 4-支座 5-绝缘底版

超过规定值时,能在极短的时间内自动切断电源,保障人身安全和防止设备因发生泄漏电流造成的事故。同时也具有过载和短路保护功能,亦可在正常情况下作为不频繁转换之用。

三、低压断路器的组成及工作原理

1、低压断路器的组成①触头和灭弧装置②可供选择的脱扣器与操作机构③自由脱扣 其中脱扣器包括过流、欠压(失压)脱扣器和热脱扣器等。

2、低压断路器的工作原理(如右图)

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开关的主触头靠操作机构手动或电动合闸,在正常工作状态下能接通和分断工作电流,当电路发生短路或过流故障时,过流脱扣器3的衔铁被吸合,使自由脱扣机构的钩子脱开,自动开关触头分离,及时有效地切除高达数十倍额定电流的故障电流。若电网电压过低或为零时,失压脱扣器6的衔铁被释放,自由脱扣机构动作,使断路器触头分离,从而在过流与零压欠压时保证了电路及电路中设备的安全。

四、塑料外壳断路器的主要参数 1、额定工作电压、壳架额定电流等级、极数、脱扣器类型及额定电流、短路分断能力等。 2、塑壳式断路器的主要产品有DZ15、DZ20系列及DZS 、DZ10、DZX10、DZX19等系列,其中DZS 的壳架电流为10~50A ,DZ10为100~600A .

五、低压断路器图形文字符号(由上图)

我国新研制的DZ20系列断路器按其极限分断故障电流的能力分为一般型(Y 型)、较高型(J 型)、最高型(G 型)。J 型是利用短路电流的巨大电动斥力将触头斥开,紧接着脱扣器动作,分断时间在14ms 以内,G 型可在8~10ms 以内分断短路电流。我国生产的带漏电保护功能的低压断路器有DZL25系列漏电断路器等。

DZ20系列低压断路器型号意义为:

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六、 六、漏电保护断路器

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①是一种安全保护电器②在线路或设备出现对地漏电或人身触电时,迅速自动断开电路,能有效保护人身和线路安全。

③工作原理——检测“零序电流”(“零序电流”测量,来源于三相电路的对称分量法。) 正常运行为零,IL=IN ,则I0=0

发生漏电时, IL >IN ,所测量到的电流就是漏电电流I0>0 。 当I0大于整定值时,断路器自动分闸。 §1-6 主令电器

一、作用:发布命令、改变控制系统工作状态。它可以直接作用在控制电路,也可以通过电 磁式电器的转换对电路实现控制。

二、主要类型:按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。 §1-6-1 按钮一、. 结构及工作原理

二、为标明按钮的作用,避免误操作。通常将按钮帽做成红 绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色。国标GB5226一85对按钮颜色作了如下规定:

1. “停止” 和“急停”按钮必须是红色。当按下红色按钮时,必须使设备停止工作或断电。

2. “起动” 按钮的颜色是绿色。

L N

I 0

M

按钮开关结构示意图 1、2—常闭触头 3、

4—常开触头 5—桥式触头 6—复位弹簧

7—按钮帽

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SQ

SQ

常开触点

常闭触点

3. “起动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑白、白色或灰色,不得用红色和绿色。

4. “点动”按钮必须是黑色。

5. “复位”(如保护继电器的复位按钮)必须是蓝色。当复位按钮还有停止的作用时,则必须是红色。 §1-6-2 行程开关

1.作用:检测工作机械的位置,发出命令以控制其运动

方向或行程长

短。行程开关也称位置开关。

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2 行程开关的图形、文字符号(如右图)

常用的行程开关有LX10、LX21、JLXK1等系列。 3、行程开关的结构

①机械结构的接触式有触点行程开关 ②电气结构的非接触式接近开关 4、 结构及工作原理

移动物体碰撞行程开关的操作头而使行程开关的常开触头接通,常闭触头打开,从而实现对电路的控制。

第三章继电接触控制系统的基本控制电路

§2-1 电动机控制的基本环节 §2-1-1 起动、停止控制线路 一、定义

1、主电路:主电路是设备的驱动电路,包括从电源到电动机的电路,是

强电流通过的部分。

2、控制电路:控制电路由按钮、接触器和继电器的线圈、各种电器的动合(常开)、动断(常闭)触点组合构成控制逻辑,实现需要的控制

功能,是弱电流通过的部分。

二. 线路的工作原理

1、起动控制

2、停止控制

当手松开SB1时,KM 线圈不能再依靠自锁通电。 三、电路的保护措施

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1、短路保护——用熔断器FU 作为电路短路的电器

2、过载保护——用热继电器FR 作为过载保护的电器

当电动机长时间过载,热元件动作,热继电器的常闭触点断开控制电路,使接触器线圈断电释放,其主触头断开主电路,电动机停止运转,实现过载保护。 3、欠压和失压保护——它是依靠接触器自身的电磁机构来实现的。条件是主电路与

控制电路共用同一电源。

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§2-1-2 点动控制线路 一、线路(a ):按下SB ,KM 线圈通电,电机启动。手松 开按钮SB 时,接触器KM 线圈又断电,其主触点断开, 电机停止转动

二、线路(b )是带手动开关SA 的点动控制线路。 当需要点动控制时,只要把开关SA 断开,

由按钮SB 来进行点动控制。当需要正常运行时, 只要把开关SA 合上,将KM 的自锁触点接入, 即可实现连续控制。

三、线路(c )

增加了一个复合按钮SB3

来实现点动控制。

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四、线路(d )

利用中间继电器实现点动的控制线路

§2-1-3 多地控制线路如图3-3

1、在大型生产设备上,为使操作人员在不同方位均能进行起、停操作,常常要求组成多地控制线路。

2、原则:①多个起动按钮并联,② 多个停止按钮串联。

§2-1-4 可逆运行控制线路

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各种生产机械常常要求具有上、下、左、右、前、后等相反方向的运动,这就要求电动机能够实现可逆运行。三相交流电动机可借助正、反向接触器改变定子绕组相序来实现。为避免正、反向接触器同时通电造成电源相间短路故障,正反向接触器之间需要有一种制约关系——

互锁。

(a

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§2-2 按连锁控制的规律

一、连锁控制:凡是生产线上某些环节或一台设备的某些部件之间具有互相制约或互相配合的控制,均是连锁控制 前面介绍的“自锁”、“互锁”、“点动—连续控制”均属于连锁控制。

二、. 按顺序工作时的连锁控制

在机床的控制线路中常常要求电动机的起停有一定的顺序 例如:

磨床:要求先起动润滑油泵,然后再起动主轴电机;龙门刨床:在工作台移动前,导轨润滑油泵要先起动;

铣床:主轴旋转后,工作台方可移动等。

2、做法线路(a): 顺序起动,同时停止起动顺序: 线路(b )

§2-3 按控制过程的变化参量进行控制

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任何一个生产过程的进行,总伴随着一系列的参数变

化,如机械位移、温度、流量、压力、电流、电压、转矩等。原则上说,只要能检测出这些物理量,便可用它来对

生产过程进行自动控制、对电气控制来说,只要选定某些能反映生产过程中的参数变化的电器元件,例如各种继电器和行程开关等,由它们来控制接触器或其他执行元件,实现电路的转换或机械动作,就能对生产过程进行控制。 常见的有按时间变化、转速变化、电流变化、位置变化参量进行控制的电路,分别称为时间、速度、电流和行程原

则的自动控制。

顺序工作控制线

路有 顺序起动、同时停止控制线路 顺序起动、顺序停止控制线路

顺序起动、逆序停止控制线

总结:要实现顺序动作连锁 顺序启动:将先通电的电器的常开触头串接在后通电的电器的线图通路中。 顺序停止:将先断电的电器的常开触头并接到后断电电器的线图通路中的停止按钮(或其他断电触头)上。

§2-3-1 时间原则控制

时间继电器是时间控制的基本电器。利用时间控制原则可以实现电动机降压起动和制动过程的自动控制,自动间歇和各种动作的时间顺序的控制等。

1、直流启动

2、定子串电阻降压启动控制线路

电动机启动时在三相定子电路串接电阻, 使得加在定于绕组上的电压降低,起动结束后再将电阻短接,电 动机在额定电压下正常运行。

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自耦变压器降压启动的特点: 自耦变压器绕组一般具有多个

抽头以获得不同的变化。在获得同样大小的起动转矩的前提下,自

耦变压器降压起动从电网索取的电流要比定子串电阻降压起动小得多,或者说,如果两者要从电网索取同样大小的起动电流,则采用自耦变压器降压起动的起动转矩大。缺点:自耦变压器价格较贵,而且不允许频繁起动

(三). 星型-三角形降压起动控制线路

①正常运行时定于绕组接成三角形的笼型三相异步电动机可采用星形--三角形的降压起动方法达到限制起动电流的目的。 起动时,定

常用的三相笼型电 启动的方法直接启动

降压启动 高压电机:串电抗

低压电机:

串电阻 自耦变压器降压启动

Y —Δ 降压启动

于绕组首先接成星形,待转速上升到接近额定转速时,再将定于绕组的接线换接成三角形,电动机便进人全电压正常运行状态。因功率在4kW以上的三相笼型异步电动机均为三角形接法,故都可以采用星形--三角形起动方法。②优点与其他降压起动相比,Y-Δ降压起动投资小,线路简单,但起动转矩小。这种起动方法只适用于空载或轻载状态。

§2-3-2 速度原则控制

一、速度原则控制取转速为变化参量。速度继电器是检测转速和转向的自动电器,也是速度控制的基本电器。利用速度原则可以实现电动机反接制动和能耗制动的自动控制,以及电动机的低速脉动控制等。

(一). 速度原则控制的单向能耗制动控制线路

1、控制原理电动机脱离三相交流电之后,向定子绕组通以直流电流,在转子感应电流与静止磁场的作用下,产生制动转矩,达到制动的目的。制动过程中,电流、时间、转速均在变,原则上可以选其中任何一个进行控制,在此选转速n

2、控制线路速度在120~3000r/min范围内,速度继电器常开触头闭合。当n<100r/min时,其触点复位。SB2为启动按钮,SB1为停

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止按钮。

(二).反接制动控制线路

1、控制原理①反接制动是利用改变电动机电源的相

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序,使定于绕组产生相反方向的旋转磁场,因而产生

制动转矩。反接制动常采用转速为变化参量进行控

制。②反接制动时,转子与旋转磁场的相对速度接

近于两倍的同步转速,所以定子绕组中流过的反接制

动电流相当于全电压直接起动时电流的两倍,因此反

接制动特点之一是制动迅速,效果好,冲击大,通常

仅适适用于10kw以下的小容量电动机。为了减小冲

击电流,通常要求在电动机主电路中串接限流电阻。

2、控制线路

注意:正常运行时KS已经闭合

3、具有限流电阻的可逆运行的反接制动控

制线路

①在启动过程和制动过程中,均由电阻R起限制启

动电流和制动电流的作用。

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②正向启动KM1得电,正常运行KM1、KM3

得电,反向制动KM2得电。