电气控制系统

1、第8章电气控制系统现代工厂企业中的机械而运动部件，大多是由电动机拖动运转的。因此，按照生产过程的要求，生产机械各部件的动作应按顺序进行，这就要对电动机进行自动控制，保证生产加工的产品符合预定要求。对电动机的自动控制主要是包括起动、停止、正反转、调速、制动及顺序运行。电动机或其他电气设备的接通或断开，当前国内较多地采用有触点的继电接触器进行自动控制，无触点的可编程控制器将在8.2节介绍。可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种新型工业控制器。任何复杂的控制线路，都是由一些元器件和单元电路组成。在本章中介绍一些常用控制电器，为初学者提供PLC的基础

2、知识，最后讨论应用实例。81 常用控制电器8.1.1 组合开关组合开关又称转换开关，控制容量比较小，结构紧凑，常用于空间比较狭小的场所。组合开关一般用于电气设备的非频繁操作、切换电源和负载以及控制小容量感应电动机和小型电器。其外形图、结构图及符号如图8-1所示。组合开关由动触头、静触头、绝缘连杆转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动、静触头分别叠装于数层绝缘壳内，当转动手柄时，每层的动触片随转轴一起转动。组合开关常用的产品有HZ5、HZ10和HZ15系列。HZ15系列是类似万能转换开关的产品，其结构与一般的转换开关有所不同。组合开关有单级、双极和多极之分。 图8-1组合开关的外形图、结构图

3、及符号图8.1.2 按钮 图8-2 按钮的外形图、结构示意图及符号图按钮是一种结构简单，应用广泛的手动电器。其结构原理图如图8-2所示。在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等，再用这些电器去控制主电路。按钮也可用来转换各种信号线路与电气联锁线路等。按钮由按钮帽、复位弹簧桥式触点和外壳构成。动触点和上面的静触点组成常闭，和下面的静触点组成常开。按下按钮时，常闭触点断开，常开触点闭合；松开按钮时，在弹簧的作用下各触点恢复原态，即常闭触点闭合，常开触点断开。8.1.3 交流接触器接触器是一种自动化的控制电器，接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合

4、继电器可以实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路。 按其触头控制方式，可分为交流接触器和直流接触器，两者之间的差异主要是灭弧方法不同。交流接触器常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路，每小时可开闭千余次。交流接触器主要结构有电磁系统和触点系统两大部分组成。电磁系统包括铁芯、衔铁和线圈；触点系统包括三对常开触点，两对辅助常开触点和两对辅助常闭触点。图8-3是交流接触器的结构示意图。当线圈通电时，铁芯被磁化，吸引衔铁向下运动，使得常闭触点打开，主触点和常开触点闭合。当线圈断电时，磁力消失，在反力弹簧的作用下，衔铁回到原来的位置，所有触点恢复原态。 图8-3

5、交流接触器的外形图、结构、示意图及符号图当主触点断开时，其间产生电弧，会烧坏触点，并使切断时间拉长，因此，必须采取灭弧措施。通常交流接触器的触点都做成桥式，它有两个断点，以降低当触点断开时加在断点上的电压，使电弧容易熄灭；并且相间有绝缘隔板，以免短路。在电流较大的接触器中还专门设有灭弧装置。为了减小铁损，交流接触器的铁心由硅钢片叠成；并为了消除铁心的颤动和噪音，在铁心端面的一部分套有短路环。在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触点数量等。CJ10系列接触器的主触点额定电流有5，10，20，40，60，100，150A等数种；线圈额定电压通常是220V或380V，也有36V和127V的

6、。常用的交流接触器还有CJ40，CJ12，CJ20和引进的CJX，3TB，B等系列。8.1.4 中间继电器中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路和起中间转换作用，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。中间继电器的结构和工作原理与小型交流接触器基本相同，只是它的电磁系统小些，触点没有主、辅之分，而且触点数量较多。 图8-3所示为中间继电器的外形图及符号图。常用的中间继电器有JZ7系列和JZ8系列两种，后者是交直流两用的。此外，还有JTX系列小型通用继电器，常用在自动装置上以接通或断开电路。在选用中间继电器时，主要是考虑电压等级和触点(动合和动断)数量。 图8-4 中间继电器的外

7、形图及符号图8.1.5 热继电器热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路以保护电器的设备，主要用于负载的过载保护，其触电的动作不是由电磁力产生的，而是通过感温元件受热产生机械变形，推动机构动作来开闭触点。图8-5所示为热继电器的外形图、结构原理图及符号图。图8-5 热继电器的外形图、结构示意图及符号图热继电器由热元件、双金属片和触点及动作机构等部分组成。双金属片是热继电器的感测元件，有两种不同膨胀系数的金属片压焊而成。三个双金属片上绕有阻值不大的电阻丝作为热元件，热元件串接于电动机的主电路中。热继电器的常闭触点串接于电动机的控制电路中。当电动机正常运转时，热元件产生的热量虽然能使双金属片弯曲，

8、但不足以使热继电器动作。当电动机过载时，热元件上流过的电流大于正常工作电流，于是温度增高，是双金属片更加弯曲，进过一段时间后，双金属片弯曲的程度使它推动导板，引起连动机构动作而使热继电器的常闭触点断开，从而切断电动机的控制电路，使电动机停转，达到过载保护的目的。待双金属片冷却后，才能使触电复位。复位有手动复位和自动复位两种方式。长期流过而不引起热继电器动作的最大电流称为热继电器的整定电流，通常选择与电动机的额定电流相等或者是在1.051.10IN的范围。如果电动机拖动的是冲击性负载或电动机起动时间较长的情况下，选择的热继电器整定电流应比IN稍大一些；对于过载能力较差的电动机，所选择的热继电器的

9、整定电流值应适当小些。8.1.6 熔断器熔断器简称保险，是最简便有效的短路保护装置。熔断器的熔体串接于被保护的电路中，熔断器以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动切断电路，实现短路保护及过载保护。熔断器具有结构简单、体积小、重量轻、使用维护方便、价格低廉、限流能力良好等优点。1）熔断器的结构及分类熔断器由熔体和安装熔体的绝缘底座组成。熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、铜、银及其合金制成，形状常为丝状或网状。熔断器的种类很多，按结构分为开启式、半封闭式和封闭式，按有无填料分为有填料式、无填料式，按用途分为工业用熔断器、保护半导体器件熔断器及自复式熔断器等。2）常用熔断器（1）插入式熔断器插入式熔断器

10、如图8-6所示。常用的产品有RC1A系列，主要用于低压分支电路的短路保护，因为其分析能力较小，多用于照明电路和小型动力电路中。（2）螺旋式熔断器 螺旋式熔断器如图8-7所示。熔芯内装有熔丝，并填充石英砂，用于熄灭电弧，分断能力强。熔体上的上端盖有一个熔断指示器，一旦熔体熔断，指示器马上弹出，可透过瓷冒上的玻璃孔观察到。常用产品有RL6、RL7和RLS2等些列，其中RL6和RL7多用于机床配电电路中；RLS2为快速器，主要用于保护半导体元件。（3）RMl0型密封管式熔断器RM10型密封管式熔断器为无填料管式熔断器，如图8-8所示，主要用于共配电系统作为线路的短路保护及过载保护，它采用变截面片状熔

11、体和密封纤维管。由于熔体较窄处的电阻小，在短路电流通过时产生的热量大，先熔断，因而可产生多个熔断点使电弧分散，以利于灭弧。短路时其电弧燃烧密封纤维管产生高压气体，以便将电弧迅速熄灭。图8-8 RM10型密封管式熔断器（4）RT型有填料密封管式熔断器RT型有填料密封管式熔断器如图8-9所示。熔断器中装有石英砂，用来冷却和熄灭电弧，熔体为网状，短路时可使电弧分散，由石英砂将电弧冷却熄灭，可将电弧在短路电流达到最大值之前迅速熄灭，以限制短路电流。此为限流式熔断器，常用于大容量电力网或配电设备中。常用产品有RT12、RT14、RT15和RS3等系列，RS3系列为快速熔断器，主要用于保护半导体元件。图8

12、-9 RT型有填料密封管式熔断器3）熔断器的主要技术参数（1）额定电压：指保证熔断器能长期正常工作的电压。（2）熔体额定电流：指熔体长期通过而不会熔断的电流。一般照明电路：熔体额定电流负载工作电流；单台电动机：熔体额定电流（1.52.5）倍电动机额定电流；但对不经常起动而且起动时间不长的电动机系数可选得小一些，主要以起动时熔体不熔断为准；多台电动机：熔体额定电流（1.52.5）倍最大电机IN+其余电动机IN。其中IN为电动机额定电流。（3）熔断器额定电流：指保证熔断器能长期正常工作的电 。（4）极限分断能力：指熔断器在额定电压下所能开断的最大短路电流。在电路中出现的最大电流一般是指短路电流值，

13、所以极限分断能力也反映了熔断器分断短路电流的能力。使用熔断器过程中应注意：安装更换熔丝时，一定要切断电源，将闸刀拉下，不要带电作业，以免触电。熔丝烧坏后，应换上和原来同样材料、同样规格的熔丝，千万不要随便加粗熔丝，或用不易熔断的其他金属去替换。熔断器电路符号如图8-10所示，熔断器型号含义如图8-11所示。8.1.7 空气断路器空气断路器又称自动空气开关，是低压配电网络中一种非常重要的电器。它具有操作安全、使用方便、工作可靠、安装简单、动作值可调、分断能力较高、兼有短路、过载或欠压等多种保护功能、动作后不需要更换元件等优点。自动空气断路器按极数分为单级、双极和三级。按分断时间分为一般式和快速式

14、，按结构形式分为塑壳式、框架式、限流式、直流快速式、灭磁式和漏电保护式等。图8-12为塑壳式三极断路器外形。图8-12 断路器外形自动空气断路器主要由3个基本部分组成，即触头、灭弧系统和各种脱扣器(包括过电流脱扣器、失压(欠电压)脱扣器、热脱扣器、分励脱扣器和自由脱扣器)。图8-13是断路器工作原理示意图及图形符号。断路器开关是靠操作机构手动或电动合闸的，触头闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路发生故障时，通过各自的脱扣器使自己脱扣机构动作，自动跳闸以实现保护作用。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。不同断路器的保护是不同的，使用时应根据需要选用。在图形符号中也可以标注其保护方

15、式，如图8-13所示，断路器图形符号中标注了失压、过负载和过电流3种保护方式。自动空气断路器的选择（1）自动空气断路器类型的选择：应根据使用场合和保护要求来选择。一般选用塑壳式，短路电流很大时选用限流型，额定电流比较大或有选择性保护要求时选用框架式，控制和保护含有半导体器件的直流电路时应选用直流快速断路器。（2）自动空气断路器额定电压、额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压、工作电流。（3）自动空气断路器极限通断能力大于或等于电路最大短路电流。（4）欠电压脱扣器额定电压等于线路额定电压。（5）过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流。82可编程控制器（PLC）继电接触器控制系统

16、长期在生产上得到广泛应用，但由于它的机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高，并当生产工艺流程改变时须重新设计和改装控制线路，通用性和灵活性也就较差，因此很难满足现代化生产过程复杂多变的控制要求。现代生产设备和自动控制系统迫切需求具有极高的可靠性和灵活性的新式控制系统。随着微电子技术的发展，尤其是20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们将微机技术应用到控制系统中，用逻辑编程软件取代了传统的电器硬件连线逻辑，用“软件编程”代替继电接触器控制的“硬件接线”，并充分发挥“计算”功能，增加了运算、数据传送和处理等功能。传统的继电器控制系统逐渐被计算机工业控制机取代。国外工业界在1980年正式

17、将这种计算机工业控制机命名为可编程控制器（Programmable Logic Controller），简称PC。但由于它和个人计算机（Personal Computer）的简称PC容易混淆，所以把可编程控制器简称为PLC。PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它以功能强、通用灵活、可靠性高、体积小等一系列优点成为生产过程控制的重要手段，在工业上应用越来越广泛。8.2.1 可编程控制器的结构和工作方式1可编程控制器的结构1）可编程控制器（PLC）控制系统的构成可编程控制器（PLC）控制系统由主机、输入

18、设备、输出设备和外围设备等构成，如图8-14所示。输入输出设备用于完成PLC与生产机械间的信息传递。外部输入设备的各种开关信号或模拟信号均为输入变量，它们经输入单元寄存到PLC内部的数据存储区，然后经过中央处理机处理后作为输出变量送到输出单元，以控制输出设备。外围设备用于完成PLC与工作人员之间的信息变换。图8-14 PLC控制系统的构成输入设备的作用是产生输入控制信号送入PLC主机。常用的输入设备有控制开关（包括按钮开关、限位开关、行程开关、接触器的触点等）和传感器。输出设备是由PLC的输出信号直接驱动的。常用的输出设备由电动机、继电器线圈、电磁阀等。可编程控制器是控制系统的核心。它接收输入

19、设备产生的输入信号，将其按照预先设置的控制规律进行处理，然后产生输出控制信号，用输出信号驱动输出设备工作。外围设备包括编程器、打印机、显示器等。其中编程器是PLC控制系统不可缺少的外围设备，用户用它实现程序的输入、编辑、调试和监视等。编程器与PLC主机间采用插接线，当完成程序编制，并输入PLC内部后，编程器就可以拔掉，以便给其他PLC编程用。2）可编程控制器（PLC）的结构可编程控制器由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、电源（前几部分装在一个机壳内，称为主机）和编程器等组成，如图8-14所示。（1）中央处理单元（CPU）中央处理单元（CPU）是可编程控制器的核心，CPU是由控制器

20、、运算器和寄存器组成的。一般采用80C51单片机芯片，它通过地址总线、数据总线、控制总线与存储器、I/O接口相连。其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。（2）存储器可编程控制器的存储器是用来存储数据或程序的。存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。系统程序存储器存放着生产厂家根据相应CPU的指令系统编写的程序。这些程序固化在集成芯片上，是不能修改的固定程序。所以系统程序存储器是由只读存储器ROM构成的。PLC功能的强弱主要取决于系统程序。用户程序存储器用来存放用户编写的程序。这种存储器的内容可以随意修改，所以用户程

21、序存储器是由随机存取存储器RAM构成的。为了使输入的程序在停电时不致丢失，在PLC内部设有专用电池。用户程序存储器的容量因机型不同而异。（3）输入接口电路输入信号经输入接口电路处理后转换成中央处理单元所能接受的信号。由于输入输出接口直接与现场信号相连，因此输入接口电路中要配有电平转换、光电隔离和滤波电路，以使PLC具有很强的抗干扰能力。根据不同现场要求，PLC配置了各种类型的输入接口电路，其中最常用的有开关量输入接口电路，开关量输入接口电路可分为直流输入型和交流输入型。图8-15 直流输入接口电路图8-15所示电路是对应一个输入点的直流输入型输入接口电路，各输入点的输入电路均相同，它们有一个公

22、共端子COM。在直流输入接口电路中，R1、R2构成分压器，R2与电容C构成滤波电路，发光二极管LED用于指示输入开关状态。当现场开关闭合时，LED亮，外部信号加到光电耦合器的发光二极管上，光电耦合器导通，光电三极管接收光信号，送给内部电路一个接通信号。光电耦合输入电路隔离输入信号，防止现场强电干扰。输入直流电源一般由PLC内部电源供给，也有的PLC要由用户提供。 （4）输出接口电路输出接口电路的作用是将PLC输出信号转换为外部负载所需要的输出信号。PLC有继电器输出、晶体管输出和双向可控硅输出三种输出方式。图8-16是以一个输出点为例的继电器输出方式。图8-16 继电器输出方式在继电器输出方式

23、中，电阻R1和发光二极管LED构成输出状态显示。当内部电路输出一个接通信号时，LED被点亮，输出继电器线圈通电，继电器触点闭合，使负载回路接通。负载所需电源由用户提供，视负载需要，可选直流电源，也可选交流电源。从该电路可以看出，继电器既是开关器件又是隔离器件，以防止干扰和保证PLC不受外部强电干扰。继电器输出方式的特点是：既可以控制交流负载，又可以控制直流负载。但机械触点寿命较短，触点断开时易产生电弧。晶体管输出方式可用于驱动直流负载，是无触点输出，使用寿命长，可靠性高，通断速度高，但过载能力差。可控硅输出方式可用于驱动交流负载，是无触点输出，使用寿命长，可靠性高，通断速度高，但过载能力差。（

24、5）电源可编程控制器一般都使用220V，50Hz的交流电源，通过电源电路将交流电变换成内部电路所需的直流电。为了提高抗干扰能力，拓宽电源电压范围，电源电路由输入滤波、整流滤波、开关式稳压、线性稳压等几部分组成，如西门子S7-200系列PLC的电源电压范围为85V264V，可承受1500V的冲击电压，允许电源间歇80ms。（6）编程器编程器是用来输入和编辑程序的专门装置，也可用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。一般由键盘、显示器、工作方式开关以及与PLC的通信接口等几部分组成。一般情况下只在程序输入、调试阶段和检修时使用，所以一台编程器可供多台PLC使用。（7）I/O扩展口当用户所需要的输

25、入输出点数超过PLC的输入输出点数时，可以通过I/O扩展口来扩展输入输出点数。3）可编程控制器（PLC）的工作方式（1）可编程控制器（PLC）的扫描工作方式可编程控制器（PLC）采用循环扫描方式工作。从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。可编程控制器工作时的扫描过程如图8-17所示。它包括5个阶段：内部处理、通信处理、输入扫描、程序执行、输出处理。PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描周期。扫描周期的长短与用户程序的长短和扫描速度有关。内部处理阶段，CPU检查内部各

26、硬件是否正常，在RUN模式下，还要检查用户程序存储器是否正常，如果发现异常，则停机并显示报警信息。图8-17 PLC扫描过程图通信处理阶段，CPU自动检测各通信接口的状态，处理通信请求，如与编程器交换信息，与微机通信等。在PLC中配置了网络通信模块时，PLC与网络进行数据交换。当PLC处于STOP状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于RUN状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，还要完成输入扫描、程序执行和输出处理。（2）用户程序的循环扫描过程PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图8-18所示。图8-18 用户程序的循环扫

27、描过程输入采样阶段，PLC以扫描方式顺序读入所有输入端的状态，并将此状态存入输入映象寄存器，这是一种集中采样方式。输入映象寄存器的信息供用户程序执行时取用。在程序执行期间即使外部输入信号状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，这些变化只有到下一个扫描周期的输入采样阶段才被读入。程序执行阶段，PLC在无中断或跳转控制的情况下，根据梯形图程序从首地址开始自左向右、自上向下的顺序，对每条指令逐句进行扫描，扫描一条，执行一条，并将运算的结果存放在输出映象寄存器对应的位中（但不是实际输出）。CPU运算过程中所取用的I/O数据均取自于输入和输出映象寄存器，输出映象寄存器的内容将随着执行的进程而变化。

28、指令执行完毕，进入输出刷新阶段，CPU将输出映象寄存器的内容集中转存到输出锁存寄存器，然后传送到各相应的输出端子，最后驱动输出负载，这才是PLC的实际输出，这是一种集中输出的方式。一般PLC在一个工作周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长短不同而不同。8.2.2 可编程控制器的程序编制不同厂家、不同型号的可编程控制器产品，采用的编程语言不尽相同，归纳起来，常用的有以下几种。1梯形图语言梯形图编程语言（Ladder Diagram），是一种图形语言，它沿用了传统继电器控制电路中的触点、线圈、串联等术语和图形符号，因此梯形图与继电器控制电路的形式及符号有许多相

29、似之处，如图8-19所示。设计思路也与继电器控制图基本一致，还很容易由电气控制线路转化而来。逻辑关系清晰直观，编程容易，可读性强，容易掌握，通过丰富的指令系统可实现许多接触器继电器电路难以实现的功能，充分体现了微机控制的特点。这是目前PLC使用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。(a)继电器控制电路图 (b)梯形图图8-19 继电器控制电路图与梯形图梯形图有以下几个主要特点。（1）梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是接点的各种连接，最后终于继电器线圈（有时还加上一条右母线）。整个图形呈阶梯形。（2）梯形图中的各种继电

30、器不是实际中的物理继电器，它实质上是存储器中的一个二进制位。相应位的触发器为“1”的状态，表示继电器线圈通电，常开触点闭合，常闭触点断开。梯形图中的继电器的线圈除了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括计时器、计数器、移位寄存器以及各种算术运算刷握结果等。（3）梯形图中，一般情况下（除有跳转指令和步进指令等的程序段以外），某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器接点则无限次引用，既可以是常开接点，也可以是常闭接点。（4）输入继电器供PLC接受外部输入信号，而不能由内部其他继电器的接点驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的接点，而不出现输入继电器的线圈。（5）输出继电器供PLC做输出控制用。它通

31、过开关量输出模块对应的输出开关（晶体管、双向晶闸管或继电器触点）去驱动外部负载。因此，当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件时，就表示在对应的输出点有输出信号。（6）PLC的内部继电器不做输出控制用，接点只能供PLC内部使用。（7）程序结束时要有结束标志END。（8）当PLC处于运行状态时，PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序（自上而下，从左到右）逐一处理。2指令语句表（助记符语言）语句表类似于计算机汇编语言的形式，它是采用指令的助记符来编程的。但PLC的语句表却比汇编语言通俗易懂，因此也是一种比较常用的编程语言。不同的PLC，语句表使用的助记符不相同，以三菱FX系列PLC为例，可编出如下语句：LD X100 （表示逻辑操作开始，常开接点与母线连接）OR X101 （表示常开接点并联）AND X102 （表示常闭接点串联）OUT Y12 （表示输出）可见，语句表是由若干条语句组成的程序。语句是程序的