电气基础知识

主讲内容1.工厂配电2.常用低压电器3.电机与电机应用4.传感器5.变频器6.plc基础知识7.触摸屏8.上位机第1页，共57页。

工厂配电1.电的输送发电——输电——用电为了把发电厂发出的电力输送到四面八方的用户，需要将发电机输出的20kV左右的电压升高。在我国，一般升高到220kV或500kV。变压器的电压等级：

20kV/500kV(220kV)500kV(220kV)/110kV110kV/35kV35kV/10kV10kV/380V第2页，共57页。

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2.线制从变压器出来的电有两种接线方式三项四线制三项五限制三项四线制零与地是混在一起的。三项五线制零与地是分开的。第5页，共57页。

3.线径用作电线电缆的导电材料，通常有铜和铝两种铜的导电性能比铝强。线径计算口诀10下五，100上二，2535三四界，7595两倍半，穿管温度八九折，裸线加一半，铜升级算。第6页，共57页。

常用低压电器一.电气常识高压：1000V以上强电：110V,220V,380V弱电：5V,12V,24V,36V(人体安全电压）两根火线的电压380V，一火线一零线220V人体为什么会触电第7页，共57页。

二.电气常用的颜色标识1.指示灯颜色第8页，共57页。

2.按钮颜色指示第9页，共57页。

3.电缆颜色标识第10页，共57页。三.常用低压电器都有哪些1.刀开关，熔断器，低压断路器，继电器，接触器，主令电器，行程开关与传感器。第11页，共57页。

2.刀开关第12页，共57页。

3.主令电器第13页，共57页。

第14页，共57页。4.断路器第15页，共57页。

5.接触器第16页，共57页。

6.熔断器第17页，共57页。

7.继电器第18页，共57页。

7.时间继电器第19页，共57页。

8.热继电器第20页，共57页。

9.行程开关与传感器第21页，共57页。10.低压电器应用举例第22页，共57页。

11.万用表第23页，共57页。

12.摇表第24页，共57页。

电机与电机应用1、按结构和工作原理可划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。2、按用途可划分：驱动用电动机和控制用电动机。1）驱动用电动机可划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。2）控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。第25页，共57页。

1）异步电机原理三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。第26页，共57页。

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2）同步电机同步电机与异步电机的定子绕组是相同的，区别在于电机的转子结构。异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。而同步电机的转子结构相对复杂，有直流励磁绕组，因此需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；因此同步电机的结构相对比较复杂，造价、维修费用也相对较高。第28页，共57页。

3)单项电机单项电机是异步电机的一种它的极对数是1我们家中的洗衣机就是采用单级电机采用电容倒转第29页，共57页。

4)步进电机什么是步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机工作原理当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。第30页，共57页。

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5)伺服电机原理：交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。控制方式：

用户通过对伺服驱动器的控制操作，伺服驱动器转换为对应的三相电输出进行控制。

对伺服驱动器的控制操作方式，有三种的控制方式位置，速度和转矩控制。

位置，使用脉冲输入方式进行控制，其中又分为AB相脉冲，正反脉冲和脉冲+方向控制；

速度和转矩，一般使用模拟量输入进行控制。第32页，共57页。

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传感器1.传感器定义传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。第34页，共57页。

2.我们所常用的分两类（1）开关量的1）电容开关：检测非金属物体的位置。2）电感开关：检测金属物体的位置三线制NPN型（输出负信号）PNP型（输出正信号）。3）漫反射型的：当开关被挡住时会有信号输出。反射板式的：当光无法从反射板返回时会有信号输出。4）光纤放大器：但物体在光纤放大器的范围内时会有限号输出第35页，共57页。

（2）模拟量1）热敏电阻：当温度变化时电阻的阻值会发生变化然后根据阻值来确定温度。2）热电偶：当温度变化时会在热电偶内部产生感应电压通过感应电压的大小来反应温度高低。3）压力变送器：当液体气体或者固体的压力发生变化时会在会使传感器内部的电阻值发生变化通过阻值来反应压力大小（压阻效应）在通过电子电路产生4-20MA或者是0-5V的电压。

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4）液位传感器:常见的有超声波式液位传感器、伺服式液位传感器和静压式液位传感器三种超声波液位传感器的工作原理是由换能器发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CT/2（在通过电子电路产生4-20MA或者是0-5V的电压）。静压式的它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号（在通过电子电路产生4-20MA或者是0-5V的电压）

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变频器1.异步电机的调速方法可以从交流异步电机的公式n=(60f/p)(1-s)看出。其中p是异步电机的极对数，s是转差率（异步才有转差，同步没有），f是频率，所以可以知道调速的方法就是调频-f，调极对数-p，还有调转差率-s。变转差率可以通过定子调压，转子串电阻，串级调速等实现。第38页，共57页。

2、什么是变频器？

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能

变频器实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。第39页，共57页。

3、变频器工作原理通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。第40页，共57页。

4.变频器的控制方式

(1)控制字，采用通讯线给变频器一个控制字变频器回馈一个状态字，通过控制字对变频器进行启停转速控制通过状态字反应变频器的运行状态。如sew，西门子s120（2）模拟量控制，通过plc或其他控制设备将电压电流电阻信号传给变频器通过改变控制量的大小来改变变频器的频率。如西门子的m440

（3）简单手动控制通过信号线给启停信号。如LG第41页，共57页。plc基础知识第42页，共57页。

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1.PLC的由来在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。

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PLC的构成

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

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CPU的构成

CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

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I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

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5电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。

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底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。第49页，共57页。

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触摸屏与上位机组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。第53页，共57页。

组态软件通常有以下几方面的功能：（1）强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。（2）良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。（3）丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块，完成实时监控产生功能报表显示历史曲线、实时曲线、提醒报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既可适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程通信能力的远程测控系统。（4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增强图形界面（6）周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权眼，保证整个系统的安全可靠运行。（7）仿真功能．捉供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。第54页，共57页。

一，国外组态软件：

1、Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。2、IFix：GEFanuc

智能设备公司由美国通用电气公司（GE）和Fanuc公司合资组建，提供自动化硬件和软件解决方案，帮助用户降低成本，提高效率并增强其盈利能力。3、Citech：悉雅特集团（Citect）是世界领先的提供工业自动化系统、设施自动化系统、实时智能信息和新一代

MES

的独立供应商。

Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似C语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言是类似于C语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。4、WinCC：西门子自动化与驱动集团(A&D)是西门子股份公司中最大的集团之一，是西门子工业领域的重要组成部分。

Siemens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，包括一个调