第1章电气控制系统常用器件

逻辑与可编程控制

刘汉奎

第一页，共八十三页。授课对象:电气工程及其自动化专业，自动化专业

先修课程：电路，电子，电机学，电力拖动，

计算机原理等

课程类型：专业课

主要教材及参考书：

王永华编著，

《现代电气控制及PLC应用技术》（第3版），

北京航空航天大学出版社，2013第二页，共八十三页。课程性质：一门实用性非常强的专业课课程内容1）常用各种低压电器元件的组成、工作原理、选择及使用方法以及使用中的注意事项2）以电动机为控制对象讲解几种典型的继电接触式控制系统的基本环节；继电接触式控制系统的设计原理及设计步骤；继电接触式控制线路图的分析3）可编程控制器（PLC）的定义、特点、分类、组成及工作原理4）S7-200PLC的基础知识、基本指令及程序设计、顺序控制指令及应用、功能指令及应用；PLC的设计的设计方法及设计步骤课程任务：使同学们掌握一门非常实用的技术、培养同学们的

实际应用能力和动手能力第三页，共八十三页。具体要求1、熟悉常用低压电器的工作原理和用途，达到正确使用和选用的目的，同时要了解一些新型元器件的用途。

2、掌握电气控制线路的基本环节，并具备阅读和分析电气控制原理图的能力，能根据工艺要求设计简单的电气控制线路，掌握电气控制线路的简单设计方法。

3、掌握可编程控制器的基本情况，理解可编程控制器的工作原理。

4、掌握西门子公司的S7-200可编程控制器的基本指令和常用的功能指令。熟练掌握梯形图的编程方法。

5、掌握PLC控制系统的设计方法和设计步骤。第四页，共八十三页。考核方式

总成绩=平时考核（出勤+作业）20分

+

实验成绩20分+

期末笔试成绩60分

第五页，共八十三页。引言电气控制技术的发展控制方法：手动自动控制功能：简单控制设备复杂控制系统操作方式：笨重轻巧控制原理：有触点的继电接触式控制系统以计算机为核心的“软”控制系统当代工业自动化的三大技术支柱：PLCCAD/CAMRobot第六页，共八十三页。继电接触式控制系统VS.可编程控制系统继电接触式控制系统

由继电器、接触器和按钮等组成

结构简单，价格低廉，抗干扰能力强用“硬接线方式”完成控制逻辑和功能，灵活性差工作频率低，反应速度慢易损坏，可靠性差可编程控制系统

以可编程逻辑控制器（PLC）为核心用“软件方式”完成控制逻辑和功能，功能完备，通用性和灵活性好；具有算数运送、数据转换、过程控制、数据通信等功能，能实现大型、复杂的控制任务操作方便，价格低廉，简单易懂两种方法基本上都可以实现同一种功能。它们的运用都需要“门电路”的知识。门电路就是“与门”、“非门”、“或门”之类的知识。采用PLC控制，往往在采集输入信号时，可能需要用到继电器。在输出控制信号时，还要用继电器做“功率放大”-

PLC控制系统可能包括继电器接触式控制系统。第七页，共八十三页。鼠笼式异步电动机控制图2PLC控制的输入输出接线图图3PLC控制的梯形图主回路（动力回路）:大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件。控制回路：接触器和继电器线圈等小电流线路；启动按钮停止按钮第八页，共八十三页。电气自动控制技术的新发展新一代电气自动控制技术

数控技术是电气自动控制的重要分支

直接数字控制（DDC）系统柔性制造系统（FMS）计算机集成制造系统（SIMS）计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM）

集散控制系统（DCS）

智能机器人

智能制造现场总线控制系统（FCS）FieldbusControlSystem

在计算机网络技术、通信技术和微电子技术的基础上，与自动控制技术相结合的产物继集散控制系统（DCS）后的新一代控制系统电气控制系统是FCS中底层网络的重要组成部分第九页，共八十三页。第一章电气控制系统常用器件第十页，共八十三页。主要内容1.1电器的基础知识1.2接触器1.3继电器1.4开关电器1.5熔断器1.6主令电器1.7信号电器1.8常用执行器件1.9常用检测仪表1.10常用安装附件

第十一页，共八十三页。电器就是根据外界施加的信号和要求，能手动或自动地断开或接通电路，断续或连续地改变电路参数，以实现对电或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电工器械。低压电器通常指工作在交流电压1200V、直流电压1500V以下的电器。1.1电器的基础知识第十二页，共八十三页。电器的分类第十三页，共八十三页。控制电器：用于控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器等。配电电器：用于电能输送和分配的电器，例如高压断路器。主令电器：用于自动控制系统中发送指令的电器，例如按钮、开关等。保护电器：用于保护电路及设备的电器，例如熔断器、热继电器等。执行电器：用于完成某种动作或传达功能的电器，例如电磁离合器等。常用低压电器的作用第十四页，共八十三页。常用低压电器的类型第十五页，共八十三页。常用低压电器实物第十六页，共八十三页。电磁式电器：采用电磁感应原理完成电器功能的电器电磁式电器组成：触点（头）

电磁机构

灭弧装置（部分电器）是对电路的通断起作用的功能性部件

是保证触点高质量通断及保护电器安全的保护性部件电磁式电器及组成第十七页，共八十三页。电磁式电器工作原理1—铁芯2—线圈3—衔铁4—静触点5—动触点6—触点弹簧7—复位弹簧

（b）线圈通以交流电的电磁机构电磁式电器工作原理示意图

（a）线圈通以直流电的电磁机构电磁吸力B-气隙磁感应强度S-磁极截面积对单相交流电磁机构，加短路环减小噪声和振动第十八页，共八十三页。触点（头）触点是电器的执行机构，它在衔铁的带动下起接通和分断电路的作用。结构形式：触点的接触形式：触点的分类：按触点的运动情况：动触点和静触点按触点的职能分：主触点和辅助触点按触点的状态可分为：常开触点和常闭触点单断点指形触头和双断点桥式触头点接触、线接触和面接触第十九页，共八十三页。作用：电磁机构是电磁式低压电器的感测部件，它的作用是将电磁能量转换成机械能量，带动触头动作使之闭合或断开，从而实现电路的接通或分断。结构：电磁机构1第二十页，共八十三页。吸力特性：电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。反力特性：电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系曲线称为反力特性。交流电磁机构的吸力特性：F与δ无关直流电磁机构的吸力特性：F与δ的平方成反比－双曲线吸力和反力的配合：吸合过程和释放过程电磁机构的工作原理第二十一页，共八十三页。反力装置包括：复位弹簧、触点弹簧复位弹簧的作用：激磁线圈断电后，利用复位弹簧的反力将衔铁复位，从而带动触点复位。触点弹簧的作用：保证触点在磨损情况下，仍能良好的接触。图1-4触点弹簧的作用电磁机构的反力装置第二十二页，共八十三页。灭弧装置（1）(2)电弧的危害

a.延长了切断故障的时间;b.高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏；

c.形成飞弧造成电源短路事故;d.电弧是造成电器的寿命缩短的主要原因。(1)电弧开关电器切断电流电路时，触点间电压大于10V，电流超过80mA时，触点间会气体放电，即电弧。产生电弧的根本原因在于电器触头本身及触头周围的介质中含有大量可被游离的电子，当分断的触头间存在足够大的外施电压，而且电路电流也达到最小生弧电流时，就会强烈游离而形成电弧。第二十三页，共八十三页。如何熄灭电弧：根据上述电弧产生的物理过程可知，欲使电弧熄灭，应设法降低电弧温度和电场强度，以加强消电离作用。当电离速度低于消电离速度，则电弧熄灭。灭弧装置用途：用于熄灭触头分断负载电流时产生的电弧。灭弧原理：①迅速拉长电弧；②冷却和去游离法。常用的灭弧装置有如下几种。1）多断点灭弧2）灭弧栅3）磁吹式灭弧装置4）灭弧罩-冷却电弧灭弧装置（2）F＋F＋第二十四页，共八十三页。接触器是用来频繁地、远距离地接通或分断电动机主电路或其他负载电路的自动控制电器。用途控制电动机的起动、反转、制动和调速等。控制电动机主电路和大电流电路的通断的开关电器。分类交流接触器、直流接触器1.2接触器第二十五页，共八十三页。线圈通电（5）后,在铁芯（6）中产生磁通,由此在衔铁（3）气隙处产生吸力,使衔铁产生闭合动作,带动主触点（1,2）闭合,接通主电路,同时衔铁还带动辅助触点动作,使原来断开的辅助触点闭合,而原来闭合的辅助触点断开。当线圈断电或线圈的电压降低到一定值时，电磁吸力消失或减弱，衔铁在反力弹簧（4）的作用下打开，主、辅触点又恢复到原来的状态。接触器的工作原理第二十六页，共八十三页。触头系统：主触点、辅助触点常开触点（动合触点）常闭触点（动断触点）电磁机构：铁心、衔铁，吸引线圈和反作用弹簧灭弧装置：灭弧罩、灭弧栅灭弧、桥式触点灭弧1．结构

交流接触器2．用途

远距离地频繁地通断交流电路或控制交流电动机的频繁起停。第二十七页，共八十三页。结构：电磁机构、触头系统和灭弧装置。用途：远距离地频繁地通断直流电路或控制直流电动机的频

繁起停。直流接触器第二十八页，共八十三页。接触器的图形符号和文字符号第二十九页，共八十三页。接触器的技术参数额定电压：主触点的额定电压交流接触器的额定电压一般为220V、380V、660V及1140V直流接触器一般为110V、220V、440V及660V辅助触头的常用额定电压：交流380V；直流220V额定电流：主触点的额定电流

6A、10A、16A、25A、40A、60A、100A、160A、250A、400A、600A、1000A、1600A、2500A及4000A线圈额定电压接通和分断能力：负载类型操作频率：允许每小时接通的最多次数交流接触器的操作频率一般为：300次/h~1200次/h

；

直流接触器的额定操作频率比交流接触器的高第三十页，共八十三页。接触器的选择1.接触器的类型选择：根据接触器所控制负载的轻重和负载电流的类型:直流、交流型2.额定电压的选择接触器的额定电压不小于负载回路的电压。3.额定电流的选择：一般接触器的额定电流不小于被控回路的额定电流。4.吸引线圈的额定电压：吸引线圈的额定电压与所接控制电路的电压相一致。5.接触器的触点数量、种类选择。根据主回路和控制回路的要求选择。第三十一页，共八十三页。定义 继电器是根据某种输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现远距离控制和保护的自动控电器。其输入量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量，而输出则是触头的动作或者是电路参数的变化。1.3继电器分类

按输入信号的性质分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、压力继电器等。

按工作原理分为：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器和电子式继电器等。

按输出形式分为：有触点和无触点两类。

按用途分为：控制用和保护用继电器等。第三十二页，共八十三页。电压继电器：过电压和欠电压继电器电流继电器：过电流和欠电流继电器

中间继电器：是一种电压继电器表示符号电磁式继电器第三十三页，共八十三页。相同点：输入信号都是电压，都是利用电磁机构的工作原理进行工作的。不同点：中间继电器用于小电流的控制电路，在控制电路中起信号传递、放大、翻转和分路等作用，主要用来扩展触点数量，实现逻辑控制。接触器用于频繁地、远距离地接通或分断电动机主电路或其他负载电路。它是一种执行电器。它的触点分为主触点和辅助触点，大部分情况下它还带有灭弧装置。中间继电器和接触器的区别第三十四页，共八十三页。作用当三相交流电动机出现长期带负荷欠电压运行、长期过载运行以及长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热乃至烧坏。 用于电动机的过载保护分类单相、两相和三相式共三种类型，其中三相式热继电器常用于三相交流电动机做过载保护。按功能来分，三相式热继电器又有不带断相保护和带断相保护两种类型。热继电器第三十五页，共八十三页。热继电器主要由热元件（3）、双金属片（2）、触头系统（6、7、9）等组成。

热继电器的工作原理2.双金属片3.热元件4.导板5.补偿双金属片6,7,9.触点8.复位螺钉10.按钮11.偏心轮12.支撑件13.压簧14.推杆第三十六页，共八十三页。控制电路中最常用的是热继电器的常闭触点，热继电器是怎样保护电机的？热继电器的表示符号第三十七页，共八十三页。产品一般和接触器配合使用，连接方便。选用额定电流：比电动机的额定电流稍微大一些。动作电流：约为电动机额定电流的80%左右。

由于热继电器的保护特性为反时限特性，所以对于可逆运行和频繁通断的电动机，不宜采用热继电器保护，必要时可以选用装入电动机内部的温度继电器。热继电器的选择第三十八页，共八十三页。热继电器的应用电动机定子绕组星形接法:

带断相保护和不带断相保护的热继电器均可接在线电路中。电动机定子绕组三角形接法:

带断相保护热继电器接在线电路中。不带断相保护热继电器的热元件必须串接在电动机每相绕组上。第三十九页，共八十三页。

最为常用的一种控制电器。当吸引线圈通电或断电后其触点经过一定延时再动作的继电器。分类：通电延时型、断电延时型。

按工作原理分类，有电磁式、电动机式、空气阻尼式、电子式等。最常用的是电子式时间继电器，其他产品已基本淘汰。表示符号：时间继电器第四十页，共八十三页。时间继电器第四十一页，共八十三页。作用：主要应用于三相笼型异步电动机的反接制动转速接近零时，自动切除反相序电源，因此又称为反接制动控制器。

组成：主要由定子、转子和触点三部分组成。工作原理：感生电流产生力矩表示符号速度继电器1－转轴2－转子3－永久磁铁(定子)

4－绕组5－动触点6、7－静触点8、9－簧片

第四十二页，共八十三页。作用：主要应用于温度检测和保护。应用于精度要求不高的场合。组成和工作原理

双金属片和热敏电阻温度继电器1-外壳2–盘式双金属片3-导电片4,9-连接片5,7-绝缘垫片6-静触点8-动触点第四十三页，共八十三页。作用：用于液位检测。应用于精度要求不高的场合。高精度的液位传感器有差压式等产品。液位继电器第四十四页，共八十三页。作用：通过检测各种气体和液体压力的变化，压力继电器可以发出信号，实现对压力的检测和控制。工作原理压力继电器第四十五页，共八十三页。固态继电器是采用固态半导体元件组装而成的一种无触点开关。固态继电器（SSR）第四十六页，共八十三页。种类

直流和交流；光隔离和磁隔离；过零和非过零触发，

有源和无源触发优点和缺点优点：高寿命，高可靠；灵敏度高，控制功率小；转换速度快；电磁干扰小

缺点：漏电流大，接触电压大，触点单一，过载能力差，价格高固态继电器第四十七页，共八十三页。电磁式继电器热继电器时间继电器速度继电器温度继电器液位继电器压力继电器固态继电器继电器小结第四十八页，共八十三页。作用开关电器广泛用于配电系统和电力拖动控制系统，用作电源的隔离、电气设备的保护和控制。分类手动开关和自动开关1.4开关电器第四十九页，共八十三页。作用刀开关俗称闸刀开关，是一种结构最简单、应用最广泛的一种手动电器。主要用于接通和切断长期工作设备的电源及不经常起动及制动、容量小于7.5KW的异步电动机。结构

操作手柄、触刀、静插座和底板分类按刀数可分为单极、双极和三极安装

合闸时手柄应向上，以防断电时由于重力而闭合；电源进线接在刀开关上端，负载接在下端。开关电器-刀开关第五十页，共八十三页。开关电器-刀开关(1)胶盖开关。胶盖开关是一种带熔断器的开启式负荷开关。

(2)铁壳开关。铁壳开关是带灭弧装置和熔断器的封闭式负荷开关，其图形符号及文字符号与胶盖开关相同

刀开关的选用

1）额定电压应等于或大于电路的额定电压。

2）额定电流应等于或稍大于电路工作电流。注意：若用刀开关来控制电动机，则必须考虑电动机的起动电流比较大，

应选用比额定电流大一级的刀开关第五十一页，共八十三页。俗称空气开关，是一种自动开关。作用用于分配电能、不频繁地启动异步电动机以及对电源线路及电动机等的保护。当发生严重的过载、短路或欠电压等故障时能自动切断电路。是低压配电线路应用非常广泛的一种保护电器。组成

触头、灭弧系统和各种脱扣器

开关电器-低压断路器第五十二页，共八十三页。开关电器-低压断路器低压断路器结构示意图1—主触点2—自由脱扣机构3—过电流脱扣器4—分磁（远程控制）脱扣器5—热脱扣器6—欠压脱扣器7—按钮工作原理

1）正常状态通/断电路：由操作机构手动、电动（分励脱扣器）合/分闸。

2）保护功能：

短路（过流）保护-过电流脱扣器（3）短路电流→过流脱扣器线圈的衔铁吸合→自由脱扣机构上移→触点动作过载保护-热脱扣器（5）电路过载→热脱扣器双金属片向上弯曲→自由脱扣机构上移→触点动作

失压（欠压）保护-失压脱扣器（6）失压→失压脱扣器的衔铁释放→失压脱扣器动作→自由脱扣机构上移→触点动作分磁脱扣器-远程控制脱扣器（4）

正常其线圈失电。

需要远程控制时，给其加电→触点动作

第五十三页，共八十三页。表示符号主要参数：额定电压、额定电流、通断能力产品类型从小到大、从简单的到智能化负载的产品开关电器-低压断路器选择主要是选择额定电流、额定电压对单台设备：IZ≥KIq

式中，k为安全系数，可取1.5～1.7；Iq电动机的起动电流。对多台电动机：IZ≥K(Iqmax+电路中其它的工作电流)

式中，k也可取1.5～1.7；Iqmax为最大一台电动机的起动电流。第五十四页，共八十三页。作用：熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬动特性，用于电路的短路保护和严重过载保护。结构：熔断器在结构上主要由熔断管（或盖、座）、熔体及导电部件等部分组成。其中熔体是主要部分，它既是感测元件又是执行元件。

工作原理：熔断器串接于被保护电路，当电路发生短路或过载故障时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时熔体自行熔断，从而分断故障电路，保护设备和人身安全。开关电器-熔断器第五十五页，共八十三页。(1)瓷插式熔断器：

多用于低压分支电路的短路保护，常见型号为RC1A系列(2)螺旋式熔断器：

多用于机床电气控制线路的短路保护。此类熔断器在瓷帽上有明显的分断指示器，便于发现分断情况；换熔体简单方便，不需任何工具。开关电器-熔断器熔断器的分类（1）第五十六页，共八十三页。(3)封闭管式熔断器：此类熔断器可分为以下三种。①无填料：多用于低压电网、成套配电设备的保护。②有填料：熔管内装有SiO2（石英砂），用于具有较大短路电流的电力输配电系统，。③快速：主要用于硅整流管及其成套设备的保护，其特点是熔断时间短，动作快。(4)自复式熔断器：特点是能重复使用，不必更换熔体;其熔体采用金属钠，利用它常温时电阻很小，高温气化时电阻值骤升，故障消除后温度下降，气态钠回归固态钠。(5)快速熔断器开关电器-熔断器熔断器的分类（2）第五十七页，共八十三页。

熔断器的保护特性熔断器的保护特性亦称安秒特性，是指熔体的熔化电流与熔化时间之间的关系，它和热继电器的保护特性一样，也具有反时限特性。开关电器-熔断器第五十八页，共八十三页。表示符号

熔断器的技术参数额定电压额定电流极限分断能力开关电器-熔断器第五十九页，共八十三页。熔断器的选择类型选择溶体额定电流的选择对阻性负载：Ire≥Ie对单台电动机：Ire≥(1.5～2.5)Ie对单台频繁启动的电动机：Ire≥(3～3.5)Ie对多台电动机：Ire≥(1.5～2.5)Iemax+ΣIe开关电器-熔断器第六十页，共八十三页。熔断器和热继电器的区别相同点：

都属于电流保护电器，都具有反时限特性。不同点：熔断器主要用于短路保护，热继电器用于过载保护；熔断器利用的是热熔断原理，要求溶体有较高的熔断系数；热继电器利用的是热膨胀原理，要求双金属片有较高的膨胀系数；热继电器保护有较大的延迟性，而短路保护要求熔断器的动作必须具有瞬时性。开关电器-熔断器第六十一页，共八十三页。主令电器的定义和作用定义：主令电器是自动控制系统中用于发送和转换控制命令的电器。作用：主令电器用于控制电路，不能直接分合主电路。

1.6主令电器第六十二页，共八十三页。作用：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。

工作原理主令电器-控制按钮6-按钮帽7-复位弹簧5-动触点1,2-常闭静触点3,4-常开静触点第六十三页，共八十三页。主令电器-按钮的图形符号第六十四页，共八十三页。作用

转换开关是一种多档式、控制多回路的主令电器。广泛应用于各种配电装置的电源隔离、电路转换、电动机远距离控制等，也常作为电压表、电流表的换相开关，还可用于控制小容量的电动机。表示符号主令电器-转换开关第六十五页，共八十三页。作用用于控制生产机械的运动方向、速度、行程大小或位置的一种自动控制器件。表示符号由于机械触点易磨损，反应速度慢，所以在重要场合已不再使用有触点的行程开关了。主令电器-行程开关第六十六页，共八十三页。特点－非接触、无触点。作用－不仅用于行程控制和限位保护，还用于高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存在、零件尺寸以及无触点按钮等。既使用于一般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式行程开关。产品类型－测量金属物体和非金属物体的产品。缺点－测量距离短，抗电磁干扰能力差。主令电器-接近开关第六十七页，共八十三页。特点－非接触、无触点，测量距离长，能方便地检测非金属材料。它具有体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗电磁干扰能力强等优点。作用－可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、液体、