电气控制与PLC第四章课件 王建平朱程辉主编

第4章电气控制与PLC电气控制系统实例本章提要4.1

卧式车床电气控制4.2

摇臂钻床电气控制4.3

平面磨床电气控制4.4

铣床电气控制4.5

电源切换控制4.6

异步电动机软启动控制4.7

异步电动机变频调速控制4.1卧式车床电气控制

车床是机械制造和修配工厂中使用最广的一类金属切削机床，可车削外圆、内园、端面、螺纹和成型表面，也可用钻头、铰刀、镗刀等进行加工。车床按结构型式和用途可分为立式车床、卧式钻床、半自动车床、仿形车床、数控车床等。在各类车床中，卧式车床操作方便，灵活，适用范围广，是机械加工中常用的机床设备。本节以C650卧式车床为例，介绍其电气控制原理。4.1.1C650卧式车床的主要工作情况

C650卧式车床属中型车床，加工工件旋转半径最大可达1020mm，长度可达3000mm。其结构主要由床身、主轴变速箱、卡盘、尾座、进给箱、刀架和溜板箱等组成，外形如图4-1所示。C650卧式车床由主轴电动机M1、冷却泵电动机M2和刀架快速移动电动机M3拖动。1-主轴变速箱2-卡盘3-刀架4-尾座5-床身6-溜板箱7-进给箱图4-1C650卧式车床结构示意图各电动机的控制要求：1）主轴电动机M1采用空载直接起动，能实现正、反向旋转的连续运行。为便于对工件作调整，主轴电动机能实现单方向的点动控制。停车采用反接制动。2）冷却泵电动机M2采用直接起动，单向连续工作。3）快速运动电动机M3为单向点动、短时运转。4）控制电路应有必要的保护环节和照明装置。4.1.2C650卧式车床的电气控制（1）主轴电动机M1的控制

①M1的点动控制；

②M1正、反转控制；

③M1的反接制动控制；

④M1的反接制动控制图4-2（2）冷却泵电动机M2的控制

（3）刀架快速移动电动机M3的控制

（4）照明电路与保护环节

车床局部照明由变压器TC输出36V安全电压，通过开关SA控制照明灯EL。

熔断器FU1～FU5分别作主电路和控制电路的短路保护，FR1与FR2分别为M1和M2的过载保护，电阻R作为M1的反接制动限流保护。此外，接触器KM1与KM2的线圈之间利用各自的辅助触点实现互锁保护。图4-2图4-2C650卧式车床的电气控制原理图M1

M2

M34.2摇臂钻床电气控制钻床是一种用途广泛的万能机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、攻螺纹及修刮端面等多种形式的加工。钻床按结构型式可分为立式钻床、卧式钻床、摇臂钻床、深孔钻床、台式钻床等。在各种钻床中，摇臂钻床操作方便，灵活，适用范围广，特别适用于带有多孔大型工件的孔加工，是机械加工中常用的机床设备，具有典型性。下面以Z3040摇臂钻床为例，分析其电气控制工作原理。4.2.1Z3040摇臂钻床的主要工作情况

Z3040摇臂钻床主要由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台等组成，如图4-3所示。内立柱固定在底座的一端，在它外面套有外立柱，由于升降螺母固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱回转。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。图4-3Z3040摇臂钻床结构示意图

Z3040摇臂钻床由主轴电动机M1、升降电动机M2、液压泵电动机M3和冷却泵电动机M4拖动。1-主轴箱2-摇臂3-工作台4-底座5-立柱各电动机的控制要求1）主轴电动机M1采用直接起动方式，单向旋转，主轴的正反转采用机械方法实现。主轴变速机构和进给变速机构均装在主轴箱内。2）摇臂升降电动机M2要求正反转。3）液压泵电动机M3用来驱动液压泵送出不同流向的压力油，推动活塞、带动菱形块动作来实现内外立柱的夹紧与放松以及主轴箱和摇臂的夹紧与放松，故液压泵电动机M3要求正反转。摇臂的移动严格按照摇臂松开→摇臂移动→移动到位摇臂夹紧的程序进行。因此，摇臂的夹紧放松与摇臂升降应按上述程序自动进行。4）冷却泵电动机M4拖动冷却泵以提供冷却液，M4采用直接起动，单向连续工作。控制电路应有必要的联锁与保护环节和照明装置。4.2.2Z3040摇臂钻床的电气控制1.主电路分析

电源由总开关QK引入，主轴电动机M1单向旋转，由接触器KM1控制。主轴的正、反转由机床液压系统操作结构配合摩擦离合器实现。摇臂升降电动机M2由正、反转接触器KM2、KM3控制，液压泵电动机M3拖动液压泵送出压力夜，由接触器KM4、KM5控制其正、反转。冷却泵电动机M4用转换开关SA2控制。图4-42.控制电路分析图4-4（1）主轴电动机M1的控制按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电，电动机M1转动。按停止按钮SB1，接触器KM1断电，M1停止。

摇臂上升控制：按上升起动按钮SB3，时间继电器KT通电，使电磁阀YV通电，推动松开机构使摇臂松开；同时接触器KM4通电，液压泵电动机M3正转，松开机构压下限位开关SQ2，使接触器KM4断电，M3停转，停止松开，与此同时，上升接触器KM2通电，升降电动机M2正转，摇臂上升，到预定位置时松开SB3，上升接触器KM2断电，M2停转，摇臂停止上升；时间继电器KT断电，延时t（s）后，其延时闭合常闭触点闭合，接触器KM5通电，M3反转，电磁阀推动夹紧机构使摇臂夹紧，夹紧机构压动限位开关SQ3后，电磁阀YV断电，接触器KM5断电，液压泵电动机M3停转，夹紧停止。摇臂下降过程和上升情况相同，不同的是由下降起动按钮SB4和下降接触器KM3实现控制。图4-4（2）摇臂升降电动机M2的控制

主轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，均采用液压机构控制。工作过程如下：1)松开。按下松开按钮SB5，接触器KM4通电，液压泵电动机M3正转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别松开，松开后限位开关SQ4复位，使指示灯HL1亮，表示已松开。2)夹紧。按下松开按钮SB6，接触器KM5通电，液压泵电动机M3反转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别夹紧，压下限位开关SQ4，使指示灯HL2亮，表示已夹紧。图4-4（3）主轴箱与立柱的夹紧与放松控制(4)冷却泵电动机M4的控制电动机M4由转换开关SA2直接控制起停。图4-4Z3040摇臂钻床电气控制原理图M1

M2

M3

3.保护环节和照明线路

熔断器FU1～FU4分别实现电路的短路保护。热继电器FR1和FR2分别作为M1与M3的过载保护，M2电动机正反转具有双重互锁，M3电动机正反转具有电气互锁。立柱与主轴箱松开、夹紧按钮SB5、SB6的常闭触点串接在电磁阀YV线圈电路中，实现立柱与主轴箱松开、夹紧操作时，压力油只进入立柱与主轴箱夹紧油腔而不进入摇臂夹紧油腔的联锁。此外，摇臂升降有限位保护，当摇臂上升到极限位置时压动限位开关SQ1-1，或下降到极限位置时压动限位开关SQ1-2，使摇臂停止升或降。照明线路由变压器T提供36V交流照明电源电压，通过转换开关SA1控制照明灯EL。4.3平面磨床电气控制

磨床是以砂轮周边或端面对工件进行磨削加工的精密机床，不仅能加工一般金属材料，而且能加工一般刀具不能加工的硬质合金和淬火钢等硬材料。利用磨削加工能够获得较高的加工精度和光洁度，广泛应用于零件的精加工。磨床的种类很多，有平面磨床、外圆磨床、内圆磨床、无心磨床以及专用磨床（如螺纹磨床、球面磨床、齿轮磨床、导轨磨床）等。其中以平面磨床应用最为广泛。下面以M7130型平面磨床为例分析磨床的基本结构和电气控制原理。4.3.1M7130平面磨床的主要工作情况M7130型平面磨床是利用砂轮周边进行磨削加工的平面磨床，主要由床身、工作台、电磁吸盘、砂轮箱（磨头）、滑座、立柱等部分组成。主运动：砂轮的旋转运动进给运动：工作台和砂轮的往复运动辅助运动：砂轮架的快速移动和工作台的移动图4-5M7130平面磨床结构示意图1-砂轮箱2-滑座3-立柱4-工作台5-床身6-横向进给手轮7-工作台手轮8-电磁吸盘电气控制的要求1）砂轮电动机M1、冷却泵电动机M2和液压泵电动机M3在电气上均要求单向转动。2）使用电磁吸盘的正常工作和不用电磁吸盘的机床调整时，各运动部件均能动作。3）具有完善的电路保护环节。4）电磁吸盘具有吸持、松开工件，并使工件去磁的控制环节。4.3.2M7130平面磨床的电气控制1.主电路分析

砂轮电动机M1由接触器KM1控制。冷却泵电动机M2经KM1和插头XP1控制。液压泵电动机M3由接触器KM2控制。三台电动机均直接起动，单向旋转。共用熔断器FU1作短路保护。M1和M2分别由热继电器FR1与FR2作长期过载保护。图4-62.控制电路

砂轮电动机M1和冷却泵电动机M2的工作过程：合上刀开关QK并插上插头XP1，按下起动按钮SB2，接触器KM1通电，电动机M1、M2同时起动。按下停止按钮SB1，接触器KM1断电，电动机M1、M2同时停止。液压泵电动机M3的工作过程：按下起动按钮SB4，接触器KM2通电，液压泵电动机M3起动。按下停止按钮SB3，接触器KM2断电，M3停止。特别注意：电动机的起动必须在电磁吸盘YH工作、且欠电流继电器KA通电吸合，其常开触点KA（6-8）闭合，或YH不工作，但转换开关SA1置于“去磁”位置，其触点SA1-5（6-8）闭合的情况下方可进行。图4-63.电磁吸盘控制充磁SA1扳向“充磁”位置，SA1的触头SA1-3、SA1-4闭合，电流继电器触点KA（6-8）闭合，按下按钮SB2，接触器KM1通电，M1转动；按下按钮SB4，接触器KM2通电，M3转动，此时可进行磨削加工。表4-1开关SA1的触点通断情况去磁SA1扳向“去磁”位置，SA1的触头SA1-1、SA1-2闭合，电磁吸盘通以反向电流实现去磁。去磁结束，SA1扳向“断电”位置，电磁吸盘断电，取下工件。图4-64.必要的保护环节和照明线路1）电磁吸盘的欠电流保护。2）电磁吸盘的过电压保护。3）整流装置的过电压保护。4）短路保护。5）过载保护。6）变压器TC提供36V交流照明电源电压，由转换开关SA2控制照明灯EL。图4-6图4-6M7130平面磨床电气控制原理图主电路

控制电路

电磁吸盘控制4.4铣床电气控制

铣床可以用来加工平面、斜面和各种形式的沟槽等，装上分度头后可以铣切直齿轮和螺旋面，装上圆工作台还可以铣切凸轮和弧形槽，是一种常用的机床设备。铣床的种类很多，有立铣、卧铣、龙门铣、仿形铣及各种专用铣床。本节以X62W卧式万能铣床为例，分析中小型铣床控制线路的工作原理。4.4.1X62W铣床的主要工作情况X62W卧式万能铣床由主轴、刀杆、横梁、工作台、回转盘、横溜板、升降台、床身等部分组成。铣床的主要运动形式有：1.主轴（带刀具）旋转运动和工作台（固定工件）的进给运动，两种运动分别用两台电动机拖动。2.主轴所带铣刀的旋转运动有顺铣和逆铣两种工作方式，升降台分为矩形和圆形两层结构，矩形工作台可实现工作台纵向、横向和垂直三种直线进给运动，对应左右、前后、上下六个移动方向。3.装有圆工作台的万能铣床还有圆形工作台的回转运动，万能铣床的矩形、圆形工作台共有4种运动形式。1-主轴2-刀杆3-横梁4-工作台5-回转盘6-横溜板7-升降台8-床身图4-7X62W卧式万能铣床结构示意图铣床对电气控制的要求1）主轴电动机M1空载时直接起动，要求实现两地控制的正反转（顺逆铣）运动及反接制动停车。2）工作台驱动电动机M2要求能够实现正、反转，并要求两个工作台（矩形、圆形）各个方向的运动互锁，矩形工作台的六个运动方向和圆形工作台的旋转运动要求互锁，任何时刻，只允许存在一种运动形式的一个方向运动3）主轴旋转与工作台进给运动均采用机械齿轮变速箱调速，要求主轴电动机和工作台电动机在主轴和进给变速时能够瞬时冲动，保证变速时齿轮的正确啮合和设备的安全。4）为避免打刀，要求主轴驱动电动机起动后，工作台驱动电动机方能起动。5）电气控制系统有完善的保护环节和照明装置。4.4.2X62W铣床的电气控制1.主轴电动机M1的电气控制M1的起动、停止可在两地操作。一处在升降台上；另一处在床身上。M1的停止采用速度继电器实现反接制动。主轴的变速冲动控制。主轴变速可在主轴不动时进行；也可在主轴旋转时进行，利用变速手柄与限位开关SQ6的联动机构进行控制。变速时，先把变速手柄下压，使它从第一道槽内拔出，（再转动变速盘，选择所需速度），然后慢慢拉向第二道槽，通过手柄压下限位开关SQ6，其常闭触点先断开，使接触器KM1断电，电动机M1失电；SQ6常开触点后闭合，使接触器KM2通电，M1反向冲动一下，变速手柄迅速推回原位，使限位开关SQ6复位，接触器KM2断电，电动机M1停转，变速冲动过程结束。图4-82.进给电动机M2的电气控制工作台进给方向有左右（纵向）、前后、上下（垂直）运动。利用正向接触器KM3和反向接触器KM4控制M2的正、反转。接触器KM3、KM4由两个机械操作手柄控制，其中一个是纵向手柄，另一个是垂直手柄。操作手柄同时完成机械挂档和压动相应的限位开关，从而接通正反转接触器，起动M2，拖动工作台按预定方向进给，这两个手柄各有两套，分别设在铣床工作台正面与侧面。限位开关SQ1、SQ2与纵向手柄有机械联锁，限位开关SQ3、SQ4与垂直和横向手柄有机械联锁。当扳动手柄时，将压动相应限位开关。SA1为圆工作台选择开关，设有接通与断开两个位置，三对触点通断情况如表4-3（p101）所示。图4-8进给运动电气控制电路分析

1、工作台左、进给运动的控制把纵向操作手柄扳向“右”，挂上纵向离合器，压动限位开关SQ1，正向接触器KM3通电，进给电动机M2正转，拖动工作台向右运动。把正向操作手柄扳向“左”，挂上纵向离合器，压动限位开关SQ2，反向接触器KM4通电，进给电动机M2反转，拖动工作台向左运动。停止时，把操作手柄扳向“中间”位置，脱开纵向离合器，限位开关SQ1（或SQ2）复位，接触器KM3（或KM4）断电，电动机M2停转，停止右（或左）进给运动。2、工作台前后和上下进给运动的控制

由十字开关操作，共有5个位置：上、下、前、后及中间位置。“向前”进给。十字开关手柄扳向“前”，挂上横向离合器，压动限位开关SQ3，正向接触器KM3通电，进给电动机M2正转，拖动工作台向前进给。“向下”进给。十字开关手柄扳向“下”，挂上垂直离合器，压动限位开关SQ3，正向接触器KM3通电，进给电动机M2正转，拖动工作台向下进给。“向后”进给。十字开关手柄扳向“后”，挂上横向离合器，压动限位开关SQ4，反向接触器KM4通电，进给电动机M2反转，拖动工作台向后进给。“向上”进给。十字开关手柄扳向“上”，挂上横向离合器，压动限位开关SQ4，反向接触器KM4通电，进给电动机M2反转，拖动工作台向上进给。3、工作台的快速移动主轴转动时的快速移动。当工作台已经进行工作时，按下按钮SB5（或SB6），接触器KM5通电，快速移动电磁铁YA通电，工作台快速移动，松开SB5（或SB6），接触器KM5断电，快速移动电磁铁YA断电，快速移动停止。工作台仍按原来进给速度原方向继续进给。快速移动是点动控制方式。主轴不转动时的快速移动。将开关SA4扳向“停止”位置，按动SB1（或SB2），接触器KM1通电并自锁，提供进给运动的电源，操作工作台手柄，进给电动机M2转动，按下按钮SB5（或SB6），接触器KM5通电，快速移动电磁铁YA通电，工作台快速移动。4、进给变速时的冲动控制。进给变速冲动是由进给变速手柄配合进给变速冲动位置开关SQ5实现的。将进给变速手柄向外拉，对准所需速度，把手柄拉出到极限位置，压动限位开关SQ5，接触器KM3通电，进给电动机M2正转，再把手柄推回原位，进给变速完成。3.圆工作台进给的电气控制

圆工作台只作单向转动。工作过程如下：转换开关SA1扳向“接通”位置，其触点SA1-2(31-33)闭合，将工作台两个进给手柄扳向“中间”位置，按下按钮SB1（或SB2），接触器KM1通电，主轴电动机M1转动，接触器KM3通电，进给电动机M2起动，圆工作台回转。图4-84.冷却泵电动机M3的控制和照明电路冷却泵电动机的控制把开关SA2扳向“接通”位置，接触器KM6通电，电动机M3起动，拖动冷却泵送出切削液。铣床局部照明由变压器TC输出36V安全电压，通过开关SA3控制照明灯EL。

图4-85.控制电路的联锁和其他保护环节1）主运动与进给运动的顺序联锁。保证主轴电动机M1起动后（若不需要M1转动，可将开关SA4扳至中间位置）才可起动进给电动机M2。而主轴停止时，进给立即停止。2）工作台6个进给方向的联锁。铣床工作时，只允许一个进给方向运动，为此工作台6个进给方向运动都有联锁。3）其他保护环节。熔断器FU1～FU4分别实现电路的短路保护。热继电器FR1～FR3分别作为M1～M3的过载保护，M2电动机正反转具有电气互锁。电阻R用于反接制动时限流电流。图4-8图4-8X62W卧式万能铣床电气控制原理图M1

M2

M3

圆工作台4.5电源切换控制

随着社会的发展，人们对供电可靠性要求也越来越高。很多场合用两路电源来保证供电的可靠性，这就需要在两路电源之间进行自动或手动切换控制。本节将介绍主辅电源切换和双电源切换控制。4.5.1主辅电源切换控制

1.接触器控制的主辅电源切换对于那些只有单路市电供电且又比较重要的单位和部门，往往采用自备发电机来保障停电时的正常供电。在这种情况下，市电供电电源称为主电源，而自备发电机供电电源称为辅助电源。图4-9低压主辅电源自投手复控制原理电路

a)主电路b)主电源控制电路c)辅助电源控制电路

当主辅电源切换控制工作在辅助电源自投方式下时，先后合上隔离开关QS1、QS2和断路器QF1、QF2。主电源正常工作时，时间继电器KT通电，其断电延时常开触点瞬时闭合，接触器KM1线圈通电，KM1的主触点闭合实现主电源供电。KM1的常闭辅助触点打开，切断辅助电源控制电路。当主电源出现故障停电或缺相时，时间继电器KT断电，其断电延时常开触点延时打开，断开主电源的控制电路，KM1的主触点打开，切断主电源供电回路；KT的断电延时常闭触点延时闭合，辅助电源控制接触器线圈KM2通过SA1-2，KT、KM1的常闭触点构成通电回路，其主触点闭合，此时由辅助电源供电，实现了主电源到辅助电源的自动切换控制。

在辅助电源供电时，若主电源恢复供电，则时间继电器KT通电，其断电延时常开、常闭触点瞬时闭合和打开。由于KM2常开辅助触点的自锁，使得KM2保持通电，因此接触器KM1不可能通电，继续由辅助电源供电。此时若要恢复主电源供电，必须通过手动复位，将选择开关SA1置于主电源运行位置，使KM2线圈断电和KM1线圈通电，恢复主电源供电。说明：主辅电源除自投手复控制外，还有自投自复控制方式。智能主辅电源切换控制器是一种新型的产品，它采用单片机控制电路取代传统的继电器控制线路，驱动两只接触器实现两路电源的自动转换。功能:主辅电源切换控制器能对主电源、辅助电源的六路电压信号进行实时检测，具有过载、欠压、短路、断相保护和故障报警等，可以实现手动和自动控制方式。应用:消防、机场、电视台、医院、商场、银行、化工、冶金、高层建筑和军事设施等不允许断电的重要场所。2.智能主辅电源切换控制器图4-10自投自复式主辅电源切换动作原理框图4.5.2双电源自动切换控制

图4-11所示为采用接触器控制的低压双电源自投自复控制原理图。两路低压电源分别用电源1和电源2表示（如图4-11b）所示），如果两路电源正常时均工作，则母线分段运行，当一路电源发生故障或需要检修时，通过母线联络接触器KM3自动切换，两路母线由完好的一路电源供电，故障消除后可自动恢复至两路电源供电。图4-11低压双电源自投自复控制原理电路a)双电源切换控制电路图4-11低压双电源自投自复控制原理电路b)双电源主电路c)双电源失压母联自投控制电路

SA1和SA2为双电源工作方式选择开关，当双电源切换工作在自投自复方式下时，先后合上隔离开关QS1、QS2、QS3、QS4和断路器QF1、QF2，时间继电器KT1和KT2分别通电，其断电延时常开触点瞬时闭合，接触器KM1和KM2线圈通电，KM1和KM2的主触点闭合，KT1和KT2的常闭触点及KM1和KM2的常闭辅助触点打开，切断接触器KM3线圈的供电回路，此时电源1和电源2分别向两路母线供电。4.6异步电动机软起动控制异步电动机起动器传统控制电路简单，起动转矩基本固定且不可调，起动过程切换又会带来二次冲击电流和冲击转矩，并且受电网电压波动的影响较大。如果电网电压下降大，甚至会造成电机停转和起动困难。为了克服上述缺点，可采用软起动器控制异步电动机的起动。软起动器具有体积小、节能、多种起动和停车方式、远程通讯接口、动态故障记忆和多种保护功能等特点，越来越被广大用户所接受，正得到广泛的应用，是传统起动器理想的更新换代产品。本节将介绍异步电动机软起动控制电路及相关问题。4.6.1单台电动机软起动控制

目前，国内外软起动器生产厂家众多，产品系列规格繁杂。按电压高低等级不同，软起动器分为低压软起动器、中压软起动器和高压软起动器三类；按运行模式不同，软起动器分为在线型和旁路型两类；按拖动电动机的数量不同，软起动器分为一拖一型和一拖多型。本节将以国产某KRQS型软起动器为例，介绍单台电动机软起动控制。图4-12三线控制接线图1）三线控制。三线控制输入端子的接线如图4-12所示。在此控制方式下，起动、停车、外部停车等触点皆为瞬动式。点动按钮按下时，输出点动电压（可调）。若不使用“外部停车”按钮时，应将“SHUT”与“COM”短接。1.输入端子的使用

图4-13两线控制接线图2）两线控制。两线控制输入端子的接线如图4-13所示。在此控制方式下，K闭合时，软起动器起动；K断开时，软起动器按设定方式停车（立刻停车或软停车）。外部停车为立刻停车方式，若不使用该按钮，应将“SHUT”与“COM”短接。2.在线型软起动控制拖动单台电动机软起动在线型控制电路如图4-14所示。在线型软起动器又叫L型软起动器，主回路输入端子R、S、T接三相电源；主回路输出端子U、V、W接电动机。图4-14L型软起动器两线控制方式接线图a)主电路b)控制电路3.旁路型软起动控制

图4-15所示为单台电动机软起动旁路型控制电路，输入采用三线控制。旁路型软起动器又叫P型软起动器。在有软停车要求的场合，起动完毕后不能切掉软起动器工作电源；在不要求软停车的场合，为节约能源和延长软起动器的使用寿命，起动完毕后应切掉软起动器的工作电源。若不使用外部关闭按钮，应将端子“SHUT”与“COM”短接。※注意：图4-15所示电路用于不需要软停车的场合。若有软停车要求，D1、D2接线端子应直接与电源连接。图4-15P型软起动器三线控制方式接线图a)主电路b)控制电路

4.6.2多台电动机软起