第一章 绪论及常见低压电器

可编程控制原理与应用技术矿业工程系课程安排项目一、绪论及常见低压电器（4课时）项目二、基本电气控制电路（4课时）项目三、PLC概述（2课时）项目四、PLC基本指令应用（4课时）项目五、PLC经典编程法（2课时）项目六、PLC顺控指令应用（4课时）项目七、PLC功能指令应用（2课时）项目一、绪论及常见低压电器一、课程性质与任务

是高等工科院校机械自动化专业的一门专业选修课，通过本课程的学习，使学生能够理解PLC的工作原理，能够阅读PLC的程序，分析PLC的控制系统，能够根据生产实际的需要，设计相应的PLC控制系统。任务一、绪论及低压电器定义学习的重要性：

PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。工业自动化的三大支柱---PLC技术、机器人、计算机辅助设计与制造。后续学习（课程设计毕业设计）二、低压电器（一）基本概念

1.电器－－一种能够根据外界信号（机械力、电动力和其他物理量），自动或手动接通和断开电路，从而连续或间断改变电路参数或状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节作用的电气元件或设备。（在电能的生产、输送、分配过程中，起开关、控制、调节和保护作用的电气设备）

2.

低压电器－－是指工作在交流电压1

200V、直流电压1

500V及以下的电路中起通断、保护或者调节作用的各种电器。低压断路器开启式负荷开关低压熔断器按钮交流接触器中间继电器（二）低压电器分类

常用低压控制电器分类

接触器交流接触器直流接触器继电器电磁式继电器电压继电器中间继电器电流继电器热继电器时间继电器直流电磁式空气阻尼式电动式电子式温度继电器速度继电器压力继电器开关电器低压断路器刀开关装置式开启式智能式行程开关直动式滚动式微动式熔断器管式螺旋塞式快速式其它电器(如按钮、指示灯等)（三）低压电器的发展1.低压电器的发展

低压电器的发展与电能的广泛应用密不可分，从简单的低压电器开始，到具有一定自动功能和保护功能的设备以及由它们组成的成套电器控制设备，都是随着生产及工艺控制的需求而发展的。建国以来，低压电器产品是随着我国国民经济的发展其产品品种由少到多，质量从低到高逐渐发展。但产品与电工行业的国际标准IEC仍有一定的距离。

目前，我国低压电器不断地在提高技术参数的性能指标、经济性能上下功夫，使低压电器正在向高性能、高可靠性、多功能、小型化、使用方便等方向发展。

2．低压电器的应用场所

在输送电能的输电线路和各种用电场所，需要使用不同的电器来控制电路的通断，并对电路的各种参数进行调节。低压电器就是根据外界控制信号或控制要求，通过一个或多个低压电器组合，来自动或手动组成电路的接通和分断，连续或断续地改变电路的状态。

（四）低压电器的主要技术参数（四）选择低压电器的注意事项控制对象及其工作环境。明确控制对象的额定电压、额定功率、操作特性、启动电流等技术参数。了解备选电器的正常工作条件。了解备选电器的主要技术性能。三、电磁式电器的组成与工作原理组成：电磁机构、触点系统和灭弧系统。

1.触点触点是一切有触点电器的执行部件，这些电器通过触头的动作来接通或断开被控制电路。触头通常由动、静触头组合而成。触点在闭合状态下动、静触点完全接触,并有工作电流通过时,称为电接触.（1）触点的接触形式触点的接触形式有点接触、线接触和面接触三种。点接触常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触点或继电器触点；线接触由于它的接触区域是一条直线，触点在通断过程中是滚动接触。如图示：开始接触时，静动触点在a点接触，靠弹簧压力经b点滚动到c点，断开时作相反运动，这样可以自动清除触点表面的氧化膜。同时，长期工作的位置不是在易烧灼的a点，而是在c点，保证了触点的良好接触，这种滚动线接触多用于中等容量的触点，如接触器的主触点；面接触可允许通过较大的电流，这种触点一般在接触表面上镶有合金，以减小触点接触电阻和提高耐磨性。多用作较大容量接触器的主触点。（2）触点的结构形式

触头的结构形式主要有单断点指形触点（多用于接触器的主触点）和双断点桥式触点（辅助触点）。桥式触点指形触点2.电弧的产生和灭弧方法当触头断开瞬间，（如电路中电压超过10V-12V和电流超过80-100mA）触头间距离极小，电场强度极大，触头间产生大量的带电粒子，形成炽热的电子流，产生弧光放电现象称为电弧。（或在触头断开瞬间，由于电场强度极大，使触点表面的自由电子大量溢出而产生电弧）电弧特点：外部有白炽弧光，内部有很高的温度和密度很大的电流。常用的灭弧方法有：灭弧罩、灭弧栅和磁吹灭弧装置。(1)灭弧罩：采用陶土和石棉水泥做的耐高温罩子，用以降温和隔弧。可用于交流接触器灭弧。(2)灭弧栅：

灭弧栅的结构图如下所示。图中1是灭弧罩，2和5分别为动、静触点，3为金属栅片，4为电弧。灭弧栅是由许多镀铜薄钢片组成，片间距离为2-3mm，安放在触点上方的灭弧罩内，一旦出现电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，迅速熄灭。这是一种常用的交流灭弧装置。154323.电磁机构

电磁机构是电磁式低压电器的感测部件，其作用是将电磁能转换成机械能，带动触点使之闭合或断开,从而实现电路的接通或分断.

电磁机构由磁路和激磁线圈两部分组成.磁路主要包括铁心、衔铁和空气隙.激磁线圈通以电流后激励磁场,通过气隙把电能转换为机械能,带动衔铁运动以完成触点的闭合或断开.

激磁线圈的作用是将电能转换成磁场能量.按通入激磁线圈的电流种类不同,可分为直流线圈和交流线圈.与之对应的有直流电磁机构和交流电磁机构.常用的磁路结构如下图所示。常用的磁路结构如图(a)衔铁沿棱角转动的拍合式铁心.此形式广泛应用于直流电器中.图(b、c)衔铁沿轴转动的拍合式铁心,其铁心形状有E形和U形两种,此种结构多用于触点容量较大的交流电器中.图(d)是衔铁直线运动的双E形直动式铁心,它多用于交流接触器、继电器中。

任务二、常见低压电器一、接触器二、继电器三、熔断器四、开关电器（刀开关、低压断路器）五、主令电器（控制按钮、行程开关、接近开关）一、接触器

CJ10系列

CJ20系列CJ40系列CJX1系列

接触器是电气控制系统中使用量大、涉及面广的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。其主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，配合继电器可以实现定时操作、联锁控制及各种定量控制和失压及欠压保护。1.结构2.工作原理3.主要技术参数4.常见型号含义和电气符号5.接触器的选择1.结构电磁机构电磁机构包括线圈、铁芯和衔铁，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点实现电路的闭合与断开。

作用：把电能转化成机械能。触点系统

触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主电路，控制较大的电流，它有3对触点，接在主电路中；而辅助触点和线圈接在控制电路中，以满足各种控制方式的要求。动合触点（常开触点）：线圈未通电时触点处于断开状态的触点。动断触点（常闭触点）：线圈未通电时触点处于闭合状态的触点。灭弧装置灭弧装置用来保证触点在断开电路时，产生的电弧能够可靠地熄灭，减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。2.工作原理

电磁机构是接触器的动力元件。触点系统是接触器的执行元件。

当接触器线圈通电后，在铁芯中产生磁通及电磁吸力，此电磁吸力克服弹簧弹力使得衔铁吸合，带动触点机构动作，常闭触点断开，常开触点闭合，互锁或接通线路；当线圈失电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧弹力，使得衔铁释放，触点机构复位，解除互锁或断开线路。3．主要技术参数（1）额定电压。接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压。交流有220V、380V、500V；直流有110V、220V、440V。（2）额定电流。接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流，有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。（3）吸引线圈额定电压。交流有36V、110V、220V、380V；直流有24V、48V、220V、440V。（4）通断能力。通断能力可分为最大接通电流和最大分断电流。最大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的最大电流值；最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。（5）电气寿命和机械寿命。接触器的电气寿命是按规定使用类别的正常操作条件下，不需修理或更换零件的负载操作次数。目前接触器的机械寿命已达1

000万次以上，电气寿命约是机械寿命的5%～20%。（6）额定操作频率。额定操作频率（次/h）是指允许每小时接通的最多次数。交流接触器最高为600次/h，直流接触器可高达1

200次/h。4.常见型号含义和电气符号

常用的交流接触器有CJ20、CJX1、CJX2等系列，直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22、CZ10、CZ2等系列。5．接触器选择（1）接触器主触点的额定电压应大于或等于被控电路的额定电压。（2）接触器主触点的额定电流应大于或等于1.3倍的电动机的额定电流。（3）接触器线圈额定电压选择。当线路简单、使用电器较少时，可选用220V或380V；当线路复杂、使用电器较多时或不太安全的场所，可选用36V或110V。（4）接触器的触头数量、种类应满足控制线路要求。（5）操作频率的选择。当通断电流较大及通断频率超过规定数值时，应选用额定电流大一级的接触器型号。二、继电器

继电器是一种根据电量或非电量的变化，来接通或分断小电流电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的电器。

JZ7系列中间继电器JR0系列热继电器JS7－A系列空气阻尼式1.热继电器

热继电器是利用电流的热效应来推动动作机构，使触头系统闭合或分断的保护电器。其主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡运行的保护及其他电气设备发热状态的控制。热继电器在电路中起过载保护作用。结构

由热元件、双金属片和触点组成。热元件由发热电阻丝做成；双金属片由两种热膨胀系数不同的金属辗压而成，当双金属片受热时，会出现弯曲变形。工作原理当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，流过热元件的电流增大，双金属片弯曲位移增大，推动导板使常闭触点断开，从而切断电动机控制电路，以起保护作用。热继电器动作后，要等双金属片冷却后自动复位或手动按下复位按钮复位。热继电器由于热惯性，当电路短路时不能立即动作使电路立即断开，因此不能做短路保护。热继电器的型号含义FRFR热继电器的选择

1.热继电器的类型选择。

一般轻载起动、长期工作的电动机或间断长期工作的电动机，选择两相结构的热继电器；电源电压的均衡性和工作环境较差或较少有人照管的电动机，或多台电动机的功率差别较大，可选择三相结构的热继电器；而三角形联结的电动机，应选用带断相保护装置的热继电器。2.热继电器的额定电流应略大于电动机的额定电流。

3.热继电器的整定电流选择。热继电器的整定电流是指热继电器长期不动作的最大电流，超过此值即动作。一般将热继电器的整定电流调整到等于电动机的额定电流；对过载能力差的电动机，可将热继电器的整定电流调整到电动机额定电流的0.6～0.8倍；对起动时间较长、拖动冲击性负载或不允许停车的电动机，热继电器的整定电流应调整到电动机额定电流的1.1～1.15倍。2.时间继电器

在自动控制系统中，有时需要继电器得到信号后不立即动作，而是要顺延一段时间后再动作并输出控制信号，以达到按时间顺序进行控制的目的。时间继电器就能实现这种功能。凡是继电器的感测元件得到动作信号后，其执行元件要延时一段时间后才动作的继电器称为时间继电器。按原理分有空气阻尼式，晶体管式，电子式等。感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。类型：通电延时、断电延时、带瞬动触点通电（断电）延时触点：常开延时闭合、常闭延时断开、常开延时断开、常闭延时闭合

空气阻尼式：●包括电磁机构、工作触点及气室三部分，靠空气阻尼作用实现延时。●延时范围较宽、结构简单、工作可靠、价格低廉、寿命长。●延时时间有0.4～180s和0.4～60s两种规格。

电动式：

●包括同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构。●延时时间长，可达数十小时，延时精度高。●结构复杂，体积较大。电子式：●数字计数式，包括脉冲发生器、计数器、显示器、放大器及执行机构。●延时时间长、调节方便、精度高、应用广。●可取代阻容式、空气阻尼式、电动式等时间继电器。

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼的方式获得延时时间的。它有电磁机构、延时机构、触头组成。按延时方式可分为通电延时型时间继电器和断电延时型时间继电器。通电延时型时间继电器通电延时型时间继电器是指线圈通电后触点延时动作，即当线圈通电时，其延时动合触点（常开触点）要延时一段时间才闭合，延时动断触点(常闭触点)要延时一段时间才断开；当线圈失电时，其延时动合触点迅速断开，延时动断触点迅速闭合。断电延时型时间继电器

断电延时型时间继电器是指线圈断电后触点延时动作，即当线圈通电时，其延时动合触点迅速闭合，延时动断触点迅速断开；当线圈失电时，其延时动合触点（常开触点）要延时一段时间再断开，延时动断触点(常闭触点)要延时一段时间再闭合。时间继电器的电气符号及文字符号3.电磁式继电器

电磁式继电器的构造原理和接触器相似，有电磁机构和触头系统构成。由于用于控制电路中，故不设灭弧装置。

电磁式继电器按其在电路中连接方式的不同可分为电流继电器、电压继电器和中间继电器。

电磁式电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器。

电磁式电压继电器有欠电压继电器和过电压继电器。（1）电流继电器电流继电器主要用于电动机、发电机或其他负载的过载及短路保护，直流电动机磁场控制或失磁保护等。电流继电器的线圈串联接入主电路，用来感测主电路的电流；触点接于控制电路，为执行元件。电流继电器反映的是电流信号，常用的电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两种。欠电流继电器在电路正常工作时，其衔铁是吸合的，其动合触点闭合，动断触点断开。只有当电流降低到某一整定值时，衔铁释放，其动合触点恢复断开，动断触点恢复闭合。过电流继电器在电路正常工作时，其衔铁不吸合。当被保护线路的电流高于额定值，并达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，其动合触点闭合，动断触点断开。（2）电压继电器电压继电器用于电力拖动系统的电压保护和控制。其线圈并联接入主电路，感测主电路的电压；触点接于控制电路，为执行元件。按吸合电压的大小，电压继电器可分为欠电压继电器和过电压继电器。欠电压继电器用于电路的欠电压保护。当被保护电路电压正常时，衔铁可靠吸合，其动合触点闭合，动断触点断开；当被保护电路电压降至欠电压继电器的释放整定值时，衔铁释放，触点机构复位，控制接触器及时分断被保护电路。过电压继电器的工作原理与之相反。3.中间继电器

中间继电器实质上是一种电压继电器。它的特点是触点数目较多，且没有主辅触点之分，电流容量可增大，起到中间放大（触点数目和电流容量）的作用。三、熔断器

熔断器是一种当电流超过规定值一定时间后,以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器.广泛应用于低压配电系统中。是一种保护电器。熔断器串接于被保护电路中，能在电路发生短路或严重过电流时快速自动熔断，从而切断电路电源，起到保护作用。1.结构2.主要技术参数3.熔断器的选择4.熔断器的型号含义和电气符号1．结构熔断器由熔断管（或座）、熔断体、填料、导电部件等组成。

熔断管：由硬质纤维或瓷质绝缘材料制成封闭或半封闭式管状外壳，熔断体装于其内，有利于熔断体熔断时熄灭电弧。熔断体：由金属材料制成不同的丝状、带状、片状或笼状。填料：广泛应用的填料是石英砂，主要有两个作用，即作为灭弧介质和帮助熔断体散热，从而有助于提高熔断器的限流能力和分断能力。2．主要技术参数①额定电压：熔断器的额定电压是指熔断器长期工作时到分断后所能够承受的电压值。②额定电流：熔断器的额定电流是指熔断器长期工作时，各组成部件的温升不超过规定值时所能承受的电流强度。

③极限分断能力：熔断器的极限分断能力是指熔断器在规定的额定电压和功率因数（或时间常数）的条件下，能够分断的最大短路电流值。3．熔断器选择（1）熔断器的类型应根据线路的要求、使用场合以及安装条件进行选择；（2）熔断器的额定电压必须等于或者高于其所在工作点的电压；（3）熔断器的额定电流应根据被保护的电路及设备的额定负载电流选择。熔断器的额定电流必须等于或者高于所安装的熔体的额定电流；（4）熔断器的额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大故障电流值；（5）熔断器的选择需考虑在同一电路网络中与其他配电电器、控制电器之间的选择性级差配合的要求。上一级熔断器熔体的额定电流应比下一级熔断器熔体的额定电流大1～2个级差。

（6）熔体额定电流的选择：1)用于保护负载电流比较平稳的照明或电热设备，以及一般控制电路的熔断器，其熔体额定电流IN一般按线路计算电流确定。

2)用于保护电动机的熔断器，应将电动机的启动电流倍数作为考虑因素，一般选熔断体额定电流IFN为电动机额定电流IMN的1.5～2.5倍。对于不经常启动或启动时间不长的电动机，选较小倍数；对于频繁启动的电动机，选较大倍数。对于给多台电动机供电的主干线母线处的熔断器的熔断体额定电流，可按下式计算：

IFN

≥(2.0～2.5)IMNmax+

式中：IFN——熔断器的额定电流；

IMN——电动机的额定电流；

IMNmax——多台电动机中容量最大的一台电动机的额定电流；

——其余电动机额定电流之和。为防止发生越级熔断，上、下级(即供电干、支线)熔断器间应有良好的协调配合，宜进行较详细的整定计算和校验。4.熔断器的型号含义和电气符号

熔断器按结构形式可分为瓷插式、螺旋式、无填料封闭管式、有填料封闭管式等类别。四、开关电器开关电器主要包括刀开关、低压断路器等。（一）刀开关刀开关是一种手动配电电器，是低压配电电器中结构最简单、应用最广泛的电器。广泛应用于照明电路、小容量（5.5KW及以下）的动力电路且不频繁启动的控制电路中。

它主要用来隔离电源、手动接通或断开交直流电路。

刀开关按极数分为单级、双极和三级；按操作方式分为直接手柄操作式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按刀开关可转换的方向分为单投式和双投式。1.结构与型号2.主要技术参数与选择3.刀开关的型号含义和电气符号4.安装与使用1．结构与型号

右图所示为刀开关的结构图。它主要有与操作手柄相连的动触点、静触点刀座、进线及出线接线座，这些导电部分都固定在瓷底板上，且用胶盖盖着，所以当闸刀合上时，操作人员不会触及带电部分。胶盖还具有下列保护作用：（1）将各极隔开，防止因极间飞弧导致电源短路；（2）防止电弧飞出盖外，灼伤操作人员；（3）防止金属零件掉落在闸刀上形成极间短路。图（b）所示为装设有熔丝的刀开关，它提供了短路保护功能。2．主要技术参数与选择

刀开关种类很多，有两极（额定电压250V）和三极（额定电压380V）的刀开关，额定电流由10～100A不等，其中60A及以下的用来控制电动机。正常情况下，刀开关一般能接通和分断其额定电流，因此，对于普通负载可根据负载的额定电流来选择刀开关的额定电流。（1）用于照明电路时可选用额定电压220V或250V，额定电流等于或大于电路最大工作电流的两极开关。（2）用于电动机的直接起动，可选用额定电压为380V或500V，额定电流等于或大于电动机额定电流3倍的三极开关。3.刀开关的型号含义和电气符号4．安装与使用（1）胶盖刀开关必须垂直安装在控制屏或开关板上，不能倒装，即接通状态时手柄朝上，否则有可能在分断状态时闸刀开关松动落下，造成误接通。（2）操作胶盖刀开关时，不能带重负载，因为HK1系列瓷底胶盖闸刀开关不设专门的灭弧装置，它仅利用胶盖的遮护防止电弧灼伤。（3）如果要带一般性负载操作，动作应迅速，使电弧较快熄灭，一方面不易灼伤人手；另一方面也减少电弧对动触头和静夹座的损坏。（二）低压断路器低压断路器（也称自动空气开关）是一种既可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，又可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、过载、欠压、漏电保护等。低压断路器可以手动直接操作也可以电动操作，还可以远方遥控操作。与接触器的区别：接触器允许频繁地接通或分断电路，但不能分断短路电流；而低压断路器不仅可以分断额定电流、一般故障电流，还能分断短路电流，但单位时间内允许的操作次数较低。1.结构2.工作原理3.型号含义和电气符号4.分类5.主要技术参数1．结构

低压断路器主要由触头、灭弧装置、操动机构、保护装置等组成。低压断路器的保护装置由各种脱扣器来实现。低压断路器的脱扣器形式有过电流脱扣器、热脱扣器、欠压脱扣器、分励脱扣器等。2.工作原理

在电路发生严重过载短路、失压等故障时能自动切断故障电路有效的保护串接在他后面的电器设备。3.型号含义和电气符号

4．分类低压断路器的分类方式很多，按极数分为单极式、二极式、三极式和四极式；按灭弧介质分为空气式和真空式（目前国产多为空气式）；按操作方式分为手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；按安装方式分为固定式、插入式、抽屉式、嵌入式等；按结构形式分为DW15、DW16、CW系列万能式（又称框架式）和DZ5系列、DZ15系列、DZ20系列、DZ25系列塑壳式低压断路器。低压断路器容量范围很大，最小为4A，最大可达5

000A。控制线路中，常用塑壳式低压断路器作为电源引入开关或作为控制和保护不频繁起动、停止的电动机开关，以及用于宾馆、机场、车站等大型建筑的照明电路。其操作方式多为手动，主要有扳动式和按钮式两种。万能式（框架式）低压断路器主要用于供配电系统。5．主要技术参数（1）额定电压。低压断路器的额定电压是指与通断能力及使用类别相关的电压值。对多相电路而言，是指相间的电压值。（2）额定电流①低压断路器壳架等级额定电流用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。②低压断路器额定电流。低压断路器额定电流是指在规定条件下低压断路器可长期通过的电流，又称为脱扣器额定电流。对带可调式脱扣器的低压断路器而言，是可长期通过的最大电流。（3）额定短路分断能力。额定短路分断能力是指低压断路器在额定频率和功率因数等规定条件下，能够分断的最大短路电流值。低压断路器的选用原则

①根据线路对保护的要求确定自动开关的类型和保护形式；②低压断路器的额定电压应等于或大于被保护线路的额定电压；③低压断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值；④配电线路中的上、下级自动开关的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交。⑤自动开关的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。五、主令电器