第1章继电器控制系统

第1章继电器控制系统

1.1PLC发展史1.1.1继电器控制系统自1836年电磁继电器发明以来，人们就开始用导线把各种继电器、定时器、计数器及其接点连接起来，并按一定的逻辑关系控制各种生产机械。由于其结构简单易懂，从而工业进入了自动化时代。这种以硬接线方式构成的继电器控制系统，至今仍有使用。常用电器元件及符号：熔断器RD/BX：俗称保险丝，熔断速度比保险丝快，用于保护重要设备和元件。

原理：采用低熔点、电阻较大的材料（如铅），当电流过大时，产生热量，将熔片、熔丝熔断，切断电路，从而保护设备安全。符号：

例：开关控制的电机启停

继电器：继电器有几种，常用的有电磁继电器、干簧继电器、热继电器、时间继电器和接触器等。1．电磁继电器

Z简称继电器，又称中间继电器。在自动控制系统中，用于实现一定的逻辑功能，如逻辑运算，或建立某一标志使用的辅助继电器。工作原理：

1）线圈无电时，弹簧拉力使衔铁、铁芯分开，从而常闭触点闭合，常开触点断开。

2）线圈通上额定电压时，产生电磁力，克服弹簧力，将衔铁吸向铁芯，使常闭触点断开，常开触点闭合。3）线圈断电，电磁力消失，返回1）。

电气符号：线圈常开触点常闭触点

接触器：

JC工作原理：同继电器相同，区别在于接触器的触点用来通断较大的电流（由于通断大电流时产生电弧，为避免电弧烧坏触点），且带有灭弧罩。线圈失电，触点处于自然状态，常开主触点断开，常开辅助触点断开，常闭辅助触点闭合。

线圈得电，触点动作，常开主触点闭合，常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开。

接触器常用于电机等大电流控制电路，主触点用于控制主电路的通断，用于大电流的场合。辅助触点用于控制电路，可用辅助触点实现自保、互锁、或了解接触器状态等。

接触器在控制电路中为输出元件。

例：开关控制接触器，接触器控制电机

继电器的逻辑运算：与运算：在继电器电路中，常用Z表示结果：继电器线圈，得电为1；X，K表示原因：触点接通为1。Z3=X1●X2

与逻辑：触点串联。2.2.2或运算

跟与运算对应，在几个条件中，只要有一个条件成立，就会出现对应的结果，称为或运算。

或逻辑表现为触点并联。

Z3=X1+X22.2.3反运算用常闭触点可实现反逻辑。

K1闭合，Z2线圈得电。Z2常闭触点断开，Z3线圈失电。

Z2=K1Z3=Z2=K1按钮AN：

在自动控制系统中，经常需要人工干预，如启动/停止机器，此命令常由操作人员发出，做成手动。

结构原理与电气符号：按钮对控制系统而言属输入元件记忆/自保电路

例：一电机控制电路：设有两个按扭，一个按扭控制起动，一个按扭使电机停止。主电路设计：

控制电路设计：

停止优先启动优先控制电路起动/停止优先是指同时按下QA，TA时谁有效的问题。

停止优先启动优先控制电路设计自保电路的目的：由于QA按扭是一个短信号，要使JC长时间得电是不可能的，只有利用JC的触点构成自锁回路，保证在QA断开时JC仍能得电。TA用以解除自锁/自保。

3．热继电器1)结构与符号

2）工作原理A、B为两片热膨胀系数不同的金属块，A热膨胀系数比B大。当线圈通过主电路电流时，线圈发热，使A、B向下弯曲，线圈电流达到某一值时，将使常开触点闭合，常闭触点断开。

3)用途

用于主电路过电流保护，相当于过电流传感器。其线圈接在主电路中，触点输出信号给控制系统。

例：电机启停电路的保护行程开关XK：在自动控制系统中用于检测运动部件的位置，又常称为限位开关、位置检测开关等，如图中控制小车自动来回运动的两侧行程开关。

工作原理类似按钮。

行程开关与按钮不同处在于：按钮手动，行程开关靠物体碰击使触点动作。

为提高可靠性，现代设备上常采用无触点电器，如运用光电原理、电磁感应原理制成的无触点行程开关。电器符号：行程开关属输入元件。

永磁式干簧继电器作用：常用作行程开关，符号同XK。行程控制与物体位置/运动有关的控制例：有一送料小车在甲乙两地作往返运动。如图：要求小车在任意位置可向任一方向起动，一经起动，小车即在甲乙两地不断地自动往返运动，需要停止则按一下停止按扭即可。主电路：当接触器JC1闭合，则电机正转，小车从甲地到乙地。

当接触器JC2闭合，则电机反转，小车从乙地到甲地。（显然JC1、JC2不能同时闭合，否则烧保险）主电路：控制电路：控制电路：验证：可采用表格

初态QA1JC1XK2JC1JC2XK1JC2JC1JC101

0

11JC200

1

0

0设计小结：

1、电机起停、正/反转主电路

电机起停主电路正/反转主电路2、添加必要的自保电路

、互锁电路3、继电器线圈得电条件为开始时有电：向右正转JC1闭合的条件：起动按扭QA右或XK1闭合。左边、并联、常开4、继电器线圈失电条件—开始无电：

向右正转JC1断开的条件：到达乙地。中间、串联、常闭向左正转JC2的条件同理。5要设定必要的禁止措施禁止，指一动作有效，则另一动作无效。

上例，XK1、XK2外侧应加XK3、XK4，当XK1、XK2失灵时XK3、XK4动作使电机停止并反转退回。XK3XK4XK3XK4例：有一送料小车在甲、乙、丙之间往返，如图：要求：小车轮流将料从甲地送往乙地或丙地。设计要点：设计此电路要求小车能记住小车上一次将料送往乙地或丙地，从而决定下一次将料送往何地，为此需设计有记忆电路单元。标志设定要满足：正确性、唯一性

Z1：得电：XK2失电：Z2（考虑停止优先）

Z2：得电：XK3

失电：XK1JC1：得电：XK1、QA1

失电：XK2（Z1有电不停），XK3JC2：得电：XK2(考虑到互锁)、QA2，XK3失电：XK1

Z1：得电：XK2失电：Z2（考虑停止优先）

Z2：得电：XK3

失电：XK1JC1：得电：XK1、QA1

失电：XK2（Z1有电不停），XK3JC2：得电：XK2(考虑到互锁)、QA2，XK3失电：XK1

小结：继电器线圈得电条件：左边、并联、常开继电器线圈失电条件：中间、串联、常闭

初态QA1JC1XK2JC1Z1JC2XK1JC2JC1XK3JC1Z2JC2Z1XK2XK1JC101

0

1

0

JC20

1

0

1

Z10

1

0

Z20

1

思考题：1、二/三工位能否自启动

2、四工位小车4．时间继电器

1

1)原理结构与继电器类似，只是采用各种办法使衔铁在线圈通电或断电瞬间不能立即吸合或不能立即释放。常采用的办法有：电子充放电式、短路铜套涡流式、气囊式等。

2)符号

3)时序实线为时间继电器时序，虚线为继电器时序

2.2.10定时控制

与时间有关的控制有一生产流水线，有下料机和皮带运输机的组合。为不引起堆积材料及事故，要求起动时皮带运输机D2先启动，下料机D1过5秒后启动；而停机时要求相反，即下料机D1先停，皮带运输机D2后停。例：QA为起动按扭；TA为停止按扭；JC1为电机D1接触器；JC2为电机D2接触器。

Z1为启动过程标志：从按下启动按钮，D2启动，过5秒后D1启动；Z2为停止过程标志：从按下停止按钮，D1停止，过3秒后D2停止；YS1为延时闭合继电器，延时起动D1；YS2为延时释放继电器，延时断开D2。1、主电路：电机启动停止电路2个，分别控制电机D1、D2

CTQAZ1JC25SYS1JC1Z1YS1TAZ2JC13SYS2JC2Z2JC10

1

1

0

0JC20

1

1

0

0Z101

0

0

0Z20

01

00YS10

1

00

0YS20

0

1

02.2.13复杂系统的设计可利用真值表和卡诺图进行化简。上面我们介绍了继电器控制系统几种典型连接和应注意的事项，由此可以通过由简到繁，积累经验。进行一般电器控制电路的设计工作。由于PLC是仿继电器研制出来的产品，继电器设计是PLC的基础。希望读者能较好大掌握。同时也提醒读者，大多简单的设备并非PLC控制不可，用继电器控制成本可能更低一些。继电器控制系统的弊端：1)可靠性差、寿命短、故障率高对于复杂的控制系统，如果某一继电器损坏，甚至一个继电器的触点接触不良，都会影响整个控制系统的正常运行。2)修理难当系统庞大而复杂时，查找和排除故障往往是非常困难的，有时可能要花费很长的时间。3)更新换代难如果生产工艺发生变化，控制柜的元件和接线也需要作相应的变动。但是这种改造工期长、费用高，以至于有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。还有设备体积大、耗电多、运行速度不高、通用性、灵活性差等缺点。现代社会的激烈竞争要求生产厂家对市场的需求作出迅速的反映，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品。老式的继电器控制系统已无法满足这一要求，迫使人们去寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统。如60年代的小型计算机、单片机等，但由于成本高、编程技术复杂、I/O电路不匹配等原因，未能得到推广应用。

1.1.2可编程控制器想法的提出1968年美国通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断翻新，想寻找一种方法，尽可能减少重新设计系统和接线，降低成本，缩短时间，设想把计算机功能完备、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作简便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用的控制装置。并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程，使不熟悉计算机的人也能方便使用。这样，使用人员不必在编程上花费大量的精力，而是集中力量去考虑如何发挥该装置的功能和作用。

通用汽车公司制定10项招标的技术要求：编程简单方便，可在现场修改程序。硬件维护方便，采用插件式结构。可靠性要高于继电器控制装置。体积小于继电器控制装置。可将数据直接送入管理计算机。成本上可与继电器控制装置竞争。输入可以是交流115V。

输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀。扩展时，原有系统只需做很小的改动。用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。美国数字设备公司（DEC）率先响应，于1969年研制出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司的汽车自动装配线上首次应用，获得成功。从此这项新技术就迅速发展起来。

1971年日本从美国引进技术，很快就研制出日本第一台可编程控制器。

1973年西欧也相继研制出他们的第一台可编程控制器并在工业领域开始应用。

我国1974年开始研制，1977年开始工业应用。1.1.3可编程控制器的产生和发展过程1.1.4可编程控制器的蓬勃发展可编程控制器技术上由刚开始的分立元件和小规模集成电路，到使用微处理器，使它的体积更小、功能增强、价格更便宜，不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数字运算、数据处理、远动控制、模拟量控制、联网通讯等功能，并可采用高级语言编程，在工业发达国家，可编程控制器已广泛应用于所有的工业部门，成为当代工业生产自动化的四大主要支柱之一。

（PLC技术、机器人技术、CAD/CAM技术、数控技术）1.1.5PLC定义早期的可编程控制器在功能上以微处理器模拟继电器运行，只能进行逻辑运算、计时、计数等顺序控制，故被称为可编程序逻辑控制器ProgrammableLogicController。随着技术的发展，PLC的功能越来越强大，不仅可进行逻辑控制，而且还可进行模拟量控制，故美国电气制造协会NationalElectricalManufacturersAssociation（NEMA）于1980年正式命名为可编程控制器ProgrammableController，即PC。

近年来由于个人电脑PersonalComputer（PC）的迅速普及，为了区别，现在也常把可编程控制器称为PLC。

1.1.6PLC的定义

1）美国电气制造协会NEMA给PLC的定义为：

PLC是一种数字式的电子装置，它使用了可编程序的存储器以存储指令，能完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，用于控制各种机械或生产过程。2）国际电工委员会IEC给PLC作了如下定义：可编程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。

1.2PLC的特点和应用范围1.2.1可编程控制器的主要特点1．可靠性高，抗干扰能力强可靠性是选择控制装置的首要条件，平均无故障时间几十万小时（10年=87600小时）

为了满足PLC专为在工业环境下应用的要求，电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压等暂时性故障和元件损坏引起的硬故障。PLC采用了如下硬件和软件措施：(1)光电耦合隔离和RC滤波器，有效地防止了各类电磁干扰信号的进入。(2)采用内部电磁屏蔽，防止辐射干扰。(3)采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。(4)采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，避免触头拉弧，接触不良等故障。(5)具有良好的自诊断功能。可以对CPU等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。(6)对程序及有关数据用电池供电进行后备，一旦电源断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。(7)对采用的器件都进行严格筛选和老化处理，排除了因器件可靠性问题而造成的故障。(8)采用了冗余技术进一步增强可编程控制器的可靠性。对于大型的PLC，采用双CPU构成冗余系统，或三CPU构成表决式系统。2、功能强，适应面广不仅可实现逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还可进行A/D、D/A转换、数值运算、数据处理等功能。现代PLC还具有通讯联网，可与上位计算机构成分布式控制系统。

3、PLC产品系列化、模块化，品种齐全，可满足各种控制要求的控制系统

4、编程简单，容易掌握5、PLC控制系统的设计、调试、安装和维修工作量少,系统设计周期短采用与继电