电工与电子技术基础-第12章 电气自动控制技术.ppt

第12章电气自动控制技术,12.4可编程控制器,12.1常用低压控制电器,12.2电气自动控制线路,12.3控制线路的绘制及识图常识,本章要求：1.了解常用低压电器的结构、功能和用途。2.掌握自锁、联锁的作用和方法。3.掌握过载、短路和失压保护的作用和方法。4.掌握基本控制环节的组成、作用和工作过程。能读懂简单的控制电路原理图、能设计简单的控制电路。5.了解可编程控制器的结构和工作原理。了解可编程控制器的几种基本编程方法。熟悉常用的编程指令。学会使用梯形图编制简单的程序。,第12章电气自动控制技术,应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电接触控制。,本章主要介绍几种常用的低压电器，基本的控制环节和保护环节的典型线路。,实现继电接触控制的电气设备，统称为控制电器，如刀闸、按钮、继电器、接触器等。下面介绍常用控制电器的用途及电工表示符号。,第12章电气自动控制技术,12.1常用控制电器,12.1.1组合开关,组合开关又称转换开关，由数层动、静触片组装在绝缘盒而成的。动触点装在转轴上，用手柄转动转轴使动触片与静触片接通与断开。可实现多条线路、不同联接方式的转换。图12.1.1为用转换开关实现三相电动机起停控制的接线图。,转换开关中的弹簧可使动、静触片快速断开，利于熄灭电弧。但转换开关的触片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中做电源开关。,图12.1.1用组合开关起停电动机的接线图,12.1.2按钮(手动切换电器),(b)结构,按钮常用于接通和断开控制电路。,按钮的外形图和结构如图所示。,按钮开关的外形和符号,(a)外形图,动画,交流接触器的外形与结构,12.1.3接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,(a)外形,(b)结构,12.1.3接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,线圈,辅助触点,铁心,衔铁,电源,电机,主触点,常闭,常开,动画,弹簧,符号,用于主电路流过的大电流(需加灭弧装置),用于控制电路流过的小电流(无需加灭弧装置),属于同一器件的线圈和触点用相同的文字表示,接触器技术指标：额定工作电压、电流、触点数目等。,常用的交流接触器有CJ10、CJ12、CJ20和3TB等系列。,12.1.4继电器,继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：接触器的主触点可以通过大电流；继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。,1.电流及电压继电器,电流继电器：可用于过载或过载保护，电压继电器：主要作为欠压、失压保护。,2.中间继电器,中间继电器触头容量小，触点数目多，用于控制线路。,通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。,(a)外形,中间继电器外形与符号,3.时间继电器,是从得到输入信号(线圈通电或断电)起，经过一段时间延时后才动作的继电器。适用于定时控制,直流电磁式结构图,阻尼铜套,衔铁,工作原理：当衔铁未吸合时，磁路气隙大，线圈电感小，通电后激磁电流很快建立，将衔铁吸合，继电器触点立即改变状态。而当线圈断电时，铁心中的磁通将衰减，磁通的变化将在铜套中产生感应电动势，并产生感应电流，阻止磁通衰减，当磁通下降到一定程度时，衔铁才能释放，触头改变状态。因此继电器吸合时是瞬时动作，而释放时是延时的，故称为断电延时。,(1)直流电磁式时间继电器,a)通电延时继电器,b)断电延时继电器,延时继电器的外形与结构,(a)外形,(2)空气式延时继电器,通电延时的空气式时间继电器结构示意图,微动开关2,微动开关1,(2)空气式时间继电器,断电延时的空气式时间继电器结构示意图,常闭延时闭合,常闭延时断开,空气式时间继电器的延时范围大(有0.460s和0.4180s两种)。结构简单，但准确度较低。,时间继电器的型号有JS7-A和JJSK2等多种类型。,12.1.5热继电器,用于电动机的过载保护。,热继电器外形与结构,(a)外形,(b)结构,发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，常闭触点断开。,发热元件,杠杆,12.1.5热继电器,工作原理,结构原理图,双金属片,常闭触头,用于电动机的过载保护。,动画,12.1.6熔断器,熔断器额定电流IF的选择,(1)电灯、电炉等电阻性负载,IFIL,(3)频繁起动的电机,(2)单台电机,用于低压线路中的短路保护。,常用的熔断器有插入式熔断器、螺旋式熔断器、管式熔断器和有填料式熔断器。,用于自动往复控制或限位保护等。,12.1.7行程开关(限位开关),(b)示意图,结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。,(a)外形图,行程开关的外形符号,可实现短路、过载、失压保护。,12.1.8自动空气断路器(自动开关),锁钩,主触点手动闭合,衔铁释放,动画,自动空气断路器原理图,连杆装置,释放弹簧,继电接触控制线路由一些基本控制环节组成，下面介绍继电接触控制线路的绘制。,在电工技术中所绘制的控制线路图为原理图，它不考虑电器的结构和实际位置，突出的是电气原理。,电器自动控制原理图的绘制原则及读图方法：,1.按国家规定的电工图形符号和文字符号画图。,2.控制线路由主电路(被控制负载所在电路)和控制电路(控制主电路状态)组成。,3.属同一电器元件的不同部分(如接触器的线圈和触点)按其功能和所接电路的不同分别画在不同的电路中，但必须标注相同的文字符号。,4.所有电器的图形符号均按无电压、无外力作用下的正常状态画出，即按通电前的状态绘制。,5.与电路无关的部件(如铁心、支架、弹簧等)在控制电路中不画出。,分析和设计控制电路时应注意以下几点：,使控制电路简单，电器元件少，而且工作又要准确可靠,(2)尽可能避免多个电器元件依次动作才能接通另一个电器的控制电路。,(3)必须保证每个线圈的额定电压，不能将两个线圈串联。,12.2鼠笼式电动机直接起动的控制线路,1.直接起动,(a)结构图,主电路,控制电路,12.2鼠笼式电动机直接起动的控制线路,(1)电路,动画,(b)原理图,控制电路,一、直接起动,电动机的保护,过载保护,短路保护,零压、欠压保护,主电路,控制电路,电动机的保护,短路保护是因短路电流会引起电器设备绝缘损坏产生强大的电动力，使电动机和电器设备产生机械性损坏，故要求迅速、可靠切断电源。通常采用熔断器FU和过流继电器等。,欠压是指电动机工作时，引起电流增加甚至使电动机停转，失压(零压)是指电源电压消失而使电动机停转，在电源电压恢复时，电动机可能自动重新起动(亦称自起动)，易造成人身或设备故障。常用的失压和欠压保护有：对接触器实行自锁；用低电压继电器组成失压、欠压保护。,过载保护是为防止三相电动机在运行中电流超过额定值而设置的保护。常采用热继电器FR保护，也可采用自动开关和电流继电器保护。,KM,合上开关Q,起动,(2)控制原理,KM辅助触点闭合自锁。,按下起动按钮SB2,KM线圈通电，,通电,转动,动画,合上开关Q,(2)控制原理,松开起动按钮SB2,利用自身辅助触点，维持线圈通电的作用称自锁,自锁,(2)控制原理,主电路,FR,FU,Q,Q,转动,停车,(2)控制原理,转动,停车,停转,去掉KM辅助触点,实现点动控制。,2.既能长期工作又能点动的控制电路,按下起动按钮，电动机运转，松开起动按钮，电动机停转。,点动按钮SB3的作用：,(1)使接触器线圈KM通电；(2)使线圈KM不能自锁。,复合按钮,2.既能长期工作又能点动的控制电路,后闭合,先断开,按下SB3,闭合,电机运转,点动时：,自锁触点不起作用,通电,先断开,后闭合,断开,断电,2.既能长期工作又能点动的控制电路,松开SB3,2.既能长期工作又能点动的控制电路,松开SB3,电机停转,实现点动,用途:试车、检修以及车床主轴的调整等。,KM1,FU,Q,KM2,M1,M2,3,3,.,SB,SB1,KM1,KM1,SB2,KM2,KM2,按SB1,通电,闭合,再按SB2,闭合,通电,闭合,闭合,1.控制顺序：M1起动后M2才能起动。M2既不能单独起动，也不能单独停车。,3.电机的顺序控制,.,.,.,.,动画,M13,两电机各自要有独立的电源；这样接，主触头(KM1)的负荷过重。,KM1,KM2,SB,KM2,SB,KM1,FR1,KM1,例1：两条皮带运输机分别由两台鼠笼异步电动机拖动，由一套起停按钮控制它们的起停。为避免物体堆积在运输机上，要求电动机按下述顺序起动和停止：起动时:M1起动后M2才能起动；停车时:M2停车后M1才能停车。应如何实现控制？,起动：,通电,通电,闭合,闭合,SB,KM1,FR1,例：两条皮带运输机分别由两台鼠笼异步电动机拖动，由一套起停按钮控制它们的起停。为避免物体堆积在运输机上，要求电动机按下述顺序起动和停止：起动时:M1起动后M2才能起动；停车时:M2停车后M1才能停车。应如何实现控制？,停止：,断电,断电,断开,断开,12.3鼠笼式电动机正反转的控制线路,将电动机接到电源的任意两根线对调一下，即可使电动机反转。,需要用两个接触器来实现这一要求。当正转接触器工作时，电动机正转；当反转接触器工作时，将电动机接到电源的任意两根联线对调一下，电动机反转。,SBF和SBR决不允许同时按下，否则造成电源两相短路。,正反转的控制线路,3,M,FR,FU,正转触点,KMR,动画,KMF,KMF,.,KMR,FR,Q,KMF,正转接触器,正转按钮,正反转控制电路必须保证正转、反转接触器不能同时动作。,反转接触器,反转按钮,反转触点,按下SBF,SB,KMF,在同一时间内，两个接触器只允许一个通电工作的控制作用，称为“联锁”。,“联锁”触点,利用接触器的触点实现联锁控制称电气联锁。,缺点：改变转向时必须先按停止按钮。,解决措施：在控制电路中加入机械连锁。,KMR,SBF,KMF,KMF,SBR,KMR,KMR,.,.,.,.,.,通电,断开,断电,闭合,利用复合按钮的触点实现联锁控制称机械联锁。,鼠笼式电动机正反转的控制线路,KMF,KMF,SBR,SB,KMR,SBF,KMF,KMR,KMR,KMF,KMF,SBR,SB,KMR,SBF,KMF,KMR,KMR,当电机正转时，按下反转按钮SBR,先断开,断电,闭合,通电,断开,闭合,闭合,电机反转,12.4行程控制,自动往返运动：,1.能正向运行也能反向运行2.到位后能自动返回,行程控制：,控制某些机械的行程，当运动部件到达一定行程位置时利用行程开关进行控制。,STa,STb,1,2,按SBF时,(其常闭断开，常开闭合),KMF断电,KMR通电,行程开关,自动往返运动：,挡块,动画,12.5时间控制,1.Y换接起动控制线路,Y接法,接法,动画,通电,通电,通电,断电,通电延时继电器,通电延时断开,复合按钮,起动过程：,按SB2,KM1通电,KM2断电,绕组Y接,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,常闭断开,常闭延时断开,电动机Y接起动,通电瞬时闭合,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,松开SB2,电机仍处于Y接起动状态。,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,通电延时继电器,通电延时断开,KM1断电,常开断开,常闭闭合,当KT常闭触点延时断开时,断电,复合按钮,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,通电,通电,SB1,SB2,KT,KM1,KM3,KM2,KM3,KM1,KM1,KT,KM2,KT,KM2,通电,断电,通电延时继电器,通电延时断开,复合按钮,断电,通电,断电,通电,电机接运行,2.鼠笼式电动机能耗制动控制线路,断电延时继电器,直流电源,断电延时断开,动画,正常运行：,按SB2,常开闭合自锁,常闭断开,KT通电,常开闭合,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,断电延时断开,通电,通电,断电,断电延时继电器,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,通电,通电,断电,断电延时断开,制动时：,按SB1,KM1主触点断开,常开断开,常闭闭合,断电,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,断电延时断开,通电,断电,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,常闭闭合,常开断开,KT触点断开,断电延时断开,断电,正反转控制线路,下图所示的鼠笼式电动机正反转控制线路中有几处错误，请改正之。,12.4可编程控制器,12.4.1可编程控制器概述,1.定义：可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统装置，专为工业现场应用而设计的，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计,2.可编程控制器的发展：它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器简称PLC（ProgrammableLogicalController）。,进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，因此将其称为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC,但为了与个人电脑PC相区别，仍将其称为PLC。PLC已被称为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。,目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。,各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其结构和工作原理大同小异，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。,PLC内部主要由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几部分组成。,12.4.2可编程控制器的工作原理,1.可编程控制器的结构及各部分的作用,(1)主机,主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器,系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。,用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。,(2)输入/输出(I/O)接口,输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。,输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。,(3)电源,电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源,(4)编程器,编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。,(6)外部设备接口,I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。,(5)输入输出扩展接口,此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。,2.可编程控制器的工作原理,PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。,输入采样,程序执行,输出刷新,一个扫描周期,2.可编程控制器的工作原理,PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。,(1)输入采样阶段,PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。,(2)程序执行阶段,PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。,(3)输出刷新阶段,在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。,由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。,3.可编程控制器的主要技术性能,(2)用户程序存储容量,用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。,(3)扫描速度,指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。,(4)指令系统条数,指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。,(5)编程元件的种类和数量,编程元件指：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。其种类和数量是衡量PLC的一个指标。,FP1C24编程元件的表示形式及编号范围,4.可编程控制器的主要功能和特点,(1)主要功能,开关逻辑控制,定时/计数控制,步进控制,数据处理,过程控制,运动控制,通信联网,监控,数字量与模拟量的转换,(2)PLC的主要特点,可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。,编程简单，使用方便。,通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。,缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。,体积小，易于实现机电一体化。,12.2可编程控制器的程序编制,12.2.1可编程控制器的编程语言,同其它电脑装置一样，PLC的操作是依其程序操作进行的，而程序是用程序语言表达的，并且表达的方式多种多样，不同的生产厂家，不同的机种，采用的表达方式不同，但基本上可归纳为：,1.梯形图,是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器接点、线圈、串联、并联等术语和类似的图形符号，具有形象、直观、实用的特点，不需学习计算机专业知识，电气技术人员使用最方便。,例：用PLC组成电机起停控制电路,继电接触控制图,(1)PLC系统图,起动按钮,停止按钮,如：接通SB0，则X0存储单元对应的位为“1”