《电气控制及PLC》重点笔记

《电气控制及PLC》重点笔记第一章绪论1.1电气控制系统的定义与重要性电气控制系统是通过电气方式实现对机械设备或过程进行监视、控制的技术体系。它广泛应用于工业生产、交通运输、建筑设施等多个领域，对于提高工作效率、保证生产安全、降低能源消耗等方面具有极其重要的意义。电气控制系统能够根据预定的目标自动调整工作状态，从而达到最优的工作效果。时间事件描述196½PLC概念提出由通用汽车公司提出需求，希望有一种新的控制装置可以替代继电器控制系统。1969第一台PLC问世美国DEC公司推出了世界上第一台名为PDP-14的小型计算机作为PLC原型。1970sPLC广泛应用随着更多制造商加入该领域，PLC开始被广泛应用于各个工业部门。1980s标准化进程国际电工委员会（IEC）开始制定相关标准，推动了PLC技术的发展。1990s至今持续创新随着信息技术的进步，PLC不断吸收新技术成果，向着更高性能方向发展。1.2电气控制技术的发展历史电气控制技术的发展经历了几个重要阶段：手动控制阶段：早期的工业生产主要依靠人力操作机械设备，这种方式效率低下且容易出错。继电器控制阶段：随着电磁继电器的发明，人们开始利用这种开关元件来实现简单的自动化控制。模拟电子控制阶段：随着半导体技术的进步，出现了基于晶体管等元件构成的模拟电路控制系统。数字控制阶段：微处理器的出现使得数字控制成为可能，尤其是可编程逻辑控制器（PLC）的诞生极大地推动了这一进程。智能控制阶段：近年来，随着人工智能技术的发展，越来越多的智能算法被应用于电气控制系统中，提高了系统的灵活性和适应能力。1.3PLC的历史背景及其在工业自动化中的作用可编程逻辑控制器（PLC）是由美国通用汽车公司于1967年首次提出的需求所催生的一种新型控制装置。其目的是为了替代当时复杂的继电器控制系统，以满足生产线快速重组的要求。自那时以来，PLC已经成为现代工业自动化不可或缺的一部分，因为它不仅提供了比传统继电器更为灵活可靠的控制方案，而且还支持多种编程语言以及网络通信功能，极大地简化了复杂系统的开发和维护过程。第二章电气控制基础2.1基本电气元件介绍在构建任何类型的电气控制系统之前，首先需要了解一些基本电气元件的功能和用途。这些元件构成了电气控制系统的物理层，并通过它们之间的相互作用实现了整个系统的功能。以下是几种常见的电气元件：继电器：一种用电磁力驱动触点闭合或断开的开关装置。根据控制电流是否流过触点来区分主触点和辅助触点。继电器可用于远程控制、过载保护等多种场合。接触器：类似于继电器但承载能力更强的开关装置，主要用于接通或切断大功率负载电路。接触器通常包含线圈、铁芯以及一组或多组触点。熔断器：一种过流保护装置，在电路发生短路或严重过载时能迅速切断电源，防止事故扩大。熔断器的选择依据主要是额定电压、额定电流以及预期短路容量等因素。断路器：除了具备与熔断器类似的功能外，还增加了手动复位机制。此外，某些型号还配备了漏电保护等功能。2.2电路图绘制规则正确地绘制电路图对于理解系统工作原理以及后续维修保养都是非常有帮助的。绘制电路图时应遵循以下几点基本原则：使用统一的标准符号表示不同类型的电气元件。保持图纸清晰易读，避免交叉过多的导线。为每一个元件分配唯一的编号或标识符，便于查找。在适当位置标注必要的参数信息，比如电压等级、电阻值等。当电路较为复杂时，可将其分解成多个子部分分别绘制。2.3控制系统的基本类型根据反馈机制的不同，可以将控制系统分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统：这类系统没有反馈环节，即输出结果不会影响输入信号。因此，一旦外界条件发生变化，系统就很难做出相应调整。开环控制系统简单可靠，适用于那些对外界干扰不敏感或者要求不高场合。闭环控制系统：与开环系统相对，闭环控制系统引入了反馈机制，通过比较实际输出与期望值之间的差异并据此调整控制策略来实现精确调节。这种类型的系统能够很好地应对环境变化带来的挑战，在高精度要求的应用场景下表现尤为出色。第三章低压电器与控制设备3.1开关类器件开关是电气控制中最基本也是最重要的组件之一，其主要功能是在电路中建立或中断电流路径。按照操作方式的不同，可以将开关分为手动式、自动式两大类。手动式开关需要人为干预才能改变状态；而自动式开关则可以根据预设条件自行动作。此外，还有一些特殊用途的开关，例如紧急停止按钮、选择开关等。按钮开关：最常见的手动控制装置之一，通常用于启动/停止操作。旋转开关：允许用户通过旋转手柄来选择不同的电路连接方式。滑动开关：通过左右滑动拨杆来切换电路状态。翘板开关：一种两端均可按下以改变电路状态的手动开关。微动开关：体积小巧，常用于检测机械运动极限位置或触发特定事件。3.2执行机构执行机构是指能够接收来自控制器的指令并将之转化为物理动作的部件。这些动作可能是移动物体、开启阀门或者其他形式的能量转化过程。根据驱动源的不同，执行机构可以大致分为气动、液压、电动三大类。气动执行机构：利用压缩空气作为动力源，具有响应速度快、结构简单等优点。液压执行机构：借助液体压力驱动活塞运动，适合于重载场合。电动执行机构：采用电机作为动力源，易于实现精确控制。3.3保护装置为了确保电气设备的安全运行，必须采取适当的保护措施防止过压、欠压、过热等情况的发生。常用的保护装置包括但不限于以下几种：熔断器：当线路中电流超过额定值时会自动熔断，从而切断电源供给。断路器：除了提供过载保护外，还具备短路保护、欠压保护等功能。热继电器：用于监测电机或其他发热元件温度，一旦超过设定阈值就会触发报警或停机。漏电保护器：检测到线路存在漏电现象时立即切断电源，保障人身安全。3.4传感器的选择与应用传感器是用来感知环境中特定物理量（如温度、湿度、光照强度等）变化并将之转换成电信号输出的装置。合理选择合适的传感器对于确保控制系统正常工作至关重要。温度传感器：热敏电阻、热电偶是最常用的两种类型，前者灵敏度较高但线性度较差，后者则相反。压力传感器：可以是压阻式、应变片式或是电容式，具体选用取决于测量范围及精度要求。光电传感器：利用光的反射或遮挡效应来检测物体的存在与否。接近传感器：无接触式感应器，当物体靠近至一定距离时会产生信号输出。第四章继电器控制系统设计4.1继电器工作原理继电器是一种通过较小的控制电流来切换较大负载电流的开关装置。它主要由电磁铁、衔铁、弹簧和触点组成。当给电磁铁通电时，产生的磁场会吸引衔铁，从而改变触点的状态，实现电路的闭合或断开。继电器的关键优势在于其能够实现小信号对大信号的控制，并且可以实现电气隔离，提高安全性。4.2常见继电器控制电路分析在实际应用中，继电器常被用来构建各种控制电路，如启动/停止电路、互锁电路等。下面我们将讨论几种典型的继电器控制电路设计。启动/停止电路：这是一种最基本的控制电路，用于控制电机或其他设备的启停。通常包括一个启动按钮和一个停止按钮。启动按钮接通时，继电器得电并自锁，即使松开按钮也能保持设备运转；停止按钮则直接切断继电器电源，使设备停止运行。互锁电路：为了防止两个或多个不应同时工作的设备意外同时启动，可以采用互锁电路设计。在这种电路中，每个设备都有自己的控制回路，但通过互锁触点相互制约，确保只有当一个设备处于非工作状态时另一个才能启动。顺序控制电路：在需要按照特定顺序依次启动多个设备的情况下，可以使用顺序控制电路。该电路通过设置一系列继电器和定时器，确保各设备按照预设的时间间隔依次启动。表4-1：典型继电器控制电路示例电路类型功能描述主要组件应用场合启动/停止控制单个设备的启停启动按钮、停止按钮、继电器电动机、泵站互锁防止两个设备同时工作多个继电器空调系统、电梯顺序控制按照指定顺序启动多个设备继电器、定时器生产线、自动化装配线4.3设计原则与实例设计继电器控制系统时需遵循一定的原则，以确保系统的可靠性和安全性。可靠性：选择质量可靠且寿命长的继电器元件；设计冗余回路以增加系统稳定性。安全性：考虑电气隔离措施，避免因故障导致的人身伤害；设置过载保护装置。经济性：合理规划线路布局，减少不必要的连接；优选性价比高的元器件。可维护性：设计易于检查和更换的结构；使用标准化组件方便替换。举例说明如何设计一个简单的照明控制系统：假设我们需要设计一套能够根据光线强弱自动开启或关闭灯光的系统。我们可以使用光敏电阻作为感测元件，当环境光线低于某一阈值时，光敏电阻阻值增大，使得与其串联的比较器输出高电平，进而触发继电器吸合，接通照明灯具电源；反之亦然。这样就实现了对照明灯具的智能化控制。第五章可编程逻辑控制器(PLC)概述5.1PLC的组成结构可编程逻辑控制器（PLC）本质上是一个专为工业环境设计的小型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。硬件主要包括中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口以及电源模块；软件则涉及操作系统、编程环境以及应用程序等。中央处理单元（CPU）：负责执行用户编写的控制程序，并对整个系统进行管理和协调。存储器：用于存放程序代码、数据以及临时变量等信息。通常分为只读存储器（ROM）和随机访问存储器（RAM）两类。输入/输出（I/O）接口：连接外部设备与PLC内部逻辑电路之间的桥梁，负责数据交换任务。电源模块：为PLC及其外围设备供电。5.2工作原理PLC的工作过程可以概括为以下几个步骤：扫描输入：CPU周期性地读取所有输入点的状态。执行程序：根据当前输入情况及预先编制好的逻辑关系进行运算处理。更新输出：将计算结果输出到相应的输出端口。自我诊断：定期检查自身状态，确保正常运行。这种循环扫描的方式使得PLC能够快速响应外部变化，并且具有很强的抗干扰能力。5.3主要品牌介绍目前市场上主流的PLC品牌有西门子（Siemens）、罗克韦尔自动化（RockwellAutomation）、欧姆龙（Omron）、施耐德电气（SchneiderElectric）等。每家公司都有各自特色的产品线和服务支持，选择时需综合考虑成本效益、技术支持、兼容性等因素。第六章PLC硬件系统6.1输入输出模块PLC的输入输出（I/O）模块是连接实际物理世界与数字世界的桥梁。根据信号类型不同，I/O模块可以分为数字量I/O和模拟量I/O两大类。数字量输入模块：用于接收来自传感器、开关等二进制信号源的信息。数字量输出模块：向继电器、指示灯等执行机构发送二进制控制信号。模拟量输入模块：采集如温度、压力等连续变化的物理量，并将其转换为数字信号供CPU处理。模拟量输出模块：输出连续变化的控制信号，如调节阀开度等。6.2中央处理器(CPU)中央处理器（CPU）是PLC的核心组成部分，它负责执行程序指令、处理数据以及管理整个系统的运作。现代PLCCPU往往集成了高速缓存、浮点运算单元等高级特性，以提升处理速度和计算能力。此外，许多高端PLC还支持多任务处理，能够在同一时间内执行多个独立的任务，从而提高系统的整体性能。6.3存储器类型PLC使用的存储器主要有两种类型：只读存储器（ROM）和随机访问存储器（RAM）。只读存储器（ROM）：通常用来存储系统固件及用户无法修改的部分程序代码。随机访问存储器（RAM）：用来保存用户编写的应用程序、运行时的数据以及其他可变信息。为了防止断电后数据丢失，许多PLC配备了电池后备RAM或闪存来保存关键数据。6.4电源系统稳定的电源供应对于保证PLC正常工作至关重要。大多数PLC都配备了自己的电源模块，能够接受交流电或直流电输入，并转换成适合内部电路使用的稳定直流电压。此外，一些高端型号还提供了冗余电源选项，即通过双路供电来进一步提高系统的可靠性。第七章PLC软件系统7.1编程语言标准IEC61131-3IEC61131-3是国际电工委员会发布的一项关于可编程控制器编程语言的国际标准。该标准定义了五种主要的编程语言，以确保不同厂商生产的PLC之间具有良好的互操作性。这五种语言分别是：梯形图（LadderDiagram,LD）功能块图（FunctionBlockDiagram,FBD）结构化文本（StructuredText,ST）顺序功能图（SequentialFunctionChart,SFC）指令列表（InstructionList,IL）这些语言各有特点，适用于不同类型的应用场景。了解并掌握它们有助于提高编程效率及维护便利性。表7-1：IEC61131-3编程语言对比编程语言特点适用场合梯形图图形化表示，直观易懂；基于继电器逻辑初学者入门、简单逻辑控制功能块图以图形方式展示功能模块间的连接关系；适合复杂算法数据处理、过程控制结构化文本类似于高级编程语言，支持复杂的数据结构与控制结构高级算法实现、数学运算顺序功能图用于描述系统状态及状态间转换逻辑；适合多步骤或循环任务生产线控制、批处理过程指令列表文本格式，类似于汇编语言；紧凑高效但不易阅读硬件底层优化、性能要求高的场合7.2梯形图(LD)编程梯形图是一种非常直观的编程语言，它模仿了传统的继电器逻辑电路，使用水平线表示“电源轨”，垂直线表示逻辑联系。梯形图由触点（Contacts）、线圈（Coils）、定时器（Timers）等元素组成，通过这些元素的组合可以实现复杂的逻辑控制。触点：代表输入条件，可以是常开（NO）或常闭（NC）触点。线圈：代表输出结果，当其所在的逻辑行满足条件时激活。定时器：用于实现延时功能，可分为通电延时（TON）和断电延时（TOF）两种类型。梯形图编程的优势在于其直观性，即使是没有深厚编程背景的操作人员也能够快速上手。然而，对于特别复杂的逻辑或算法，梯形图可能不如其他语言来得高效。7.3功能块图(FBD)编程功能块图是一种基于功能块的图形化编程语言，每个功能块代表一个特定的功能或运算，如加法、减法、比较等。通过将不同的功能块连接起来，就可以构建出完整的控制逻辑。FBD特别适合处理数据流和信号流，能够清晰地表达出数据是如何从一个模块传递到另一个模块的过程。功能块：每个功能块都有输入端和输出端，可以通过连线将多个功能块串联起来形成完整的逻辑链路。连线规则：连线必须遵循一定的规则，例如不能有悬空的输入或输出端，所有的输入必须与输出匹配等。使用FBD进行编程的好处是它能够让程序员更加专注于算法本身而不是具体的实现细节。这对于需要频繁调整参数或者进行功能测试的情况尤其有利。第八章PLC程序开发流程8.1需求分析在开始编写PLC程序之前，首要任务是对项目需求进行全面分析。这包括明确控制对象、所需实现的功能、预期的性能指标等。需求分析阶段应当尽可能收集详细的资料，并与相关人员充分沟通，确保对项目的理解准确无误。确定控制对象：首先要弄清楚需要控制哪些设备或过程。明确功能需求：列出所有必需的功能项，比如启动/停止、速度调节、故障检测等。设定性能指标：如响应时间、精度要求等，这些都是衡量最终产品是否合格的重要标准。8.2硬件选型基于需求分析的结果，接下来要进行的是硬件选型工作。这一步骤涉及选择合适的PLC型号、I/O模块以及其他必要的外围设备。选择时要考虑的因素包括但不限于：处理能力：根据预期的工作负荷选择足够强大的CPU。I/O点数：确保有足够的输入输出点来连接所有外部设备。特殊功能：如果需要特定的控制功能，如高速计数、温度控制等，则应选择支持这些功能的PLC。成本效益：在满足性能要求的前提下寻找性价比最高的解决方案。8.3软件设计软件设计阶段是整个开发过程中最为核心的部分之一。在此阶段，程序员需要根据前期准备好的文档来编写实际的控制程序。一般而言，这个过程可以细分为以下几个子步骤：逻辑规划：首先确定整个系统的逻辑框架，决定使用哪种编程语言以及大致的程序结构。编写代码：利用选定的语言逐行编写程序代码，注意遵循良好的编码习惯。仿真测试：在正式部署前，先通过仿真软件对程序进行初步验证，检查是否有逻辑错误。调试优化：将程序下载到实际PLC中运行，并根据实际情况进行调试和优化。8.4测试与调试完成初步编程后，还需要经过严格的测试与调试阶段才能投入实际使用。测试工作通常包括以下几个方面：单元测试：针对单独的功能模块进行验证，确保每个部分都能按预期工作。集成测试：将各个模块整合起来作为一个整体进行测试，重点检查模块间的交互是否顺畅。现场调试：将PLC安装到真实的环境中，观察其表现是否符合设计初衷。此阶段可能会发现一些只有在实际工况下才会显现出来的问题，需要及时修正。通过细致周到的测试与调试，可以大大提高系统的稳定性和可靠性，为后续的长期运行打下良好基础。第九章数字量输入输出处理9.1数字信号的特点数字信号是一种离散型信号，它只有两种状态：0（低电平）和1（高电平）。这种二进制性质使得数字信号非常适合用于表示开关状态、计数结果等信息。相比于模拟信号，数字信号具有更好的抗干扰能力和更高的传输效率，因此在现代工业控制系统中得到了广泛应用。9.2I/O点配置在PLC中，数字量输入输出（DI/DO）点是与外部设备交互的主要途径。合理配置这些点对于确保系统正常工作至关重要。输入点：用于接收来自外部传感器、按钮等设备的状态信息。配置时应注意确保输入信号的电平与PLC要求相匹配。输出点：用来控制继电器、指示灯等执行机构的动作。输出类型可以是继电器输出、晶体管输出或晶闸管输出，选择时应考虑负载特性和环境条件。9.3逻辑运算PLC内部通过执行各种逻辑运算来处理数字量输入输出信号。常见的逻辑运算包括AND（与）、OR（或）、NOT（非）等。这些基本运算可以组合起来实现更加复杂的逻辑控制。AND（与）：仅当所有输入条件均为真时输出才为真。OR（或）：只要有一个输入条件为真输出即为真。NOT（非）：反转输入信号的状态。通过巧妙地结合这些逻辑运算，可以构建出满足特定需求的控制逻辑。例如，利用AND运算可以实现多个条件同时满足时才触发某个动作；而使用OR运算则可以让任一条件成立时都产生相应反应。9.4应用案例研究为了更好地理解数字量I/O的应用，这里举一个简单的例子——车库门控制系统。该系统需要实现以下功能：开门：当按下遥控器上的“开”按钮时，车库门应自动打开。关门：按下“关”按钮时，车库门应关闭。障碍物检测：如果在关门过程中遇到障碍物（如人或车），门应立即停止并向相反方向移动一段距离后再尝试关闭。为了实现上述功能，我们可以设计如下控制逻辑：设置两个数字量输入点，分别对应遥控器上的“开”、“关”按钮。设置一个数字量输出点，用来控制驱动电机正反转。安装一个光电传感器作为障碍物检测装置，并将其信号接入另一个数字量输入点。程序中可以定义如下逻辑：当收到“开”信号且当前状态为关闭时，激活电机正转输出；当收到“关”信号且当前状态为打开时，激活电机反转输出；如果在关门过程中检测到障碍物，则立即停止电机，并短暂延时后激活正转输出，直到门完全打开为止。这样一个简单的控制系统就能有效地管理车库门的开启与关闭，同时还能确保安全。第十章模拟量输入输出处理10.1模拟信号的特点模拟信号是连续变化的电信号，它可以表示温度、压力、流量等物理量的变化。与数字信号不同，模拟信号可以在无限多个值之间变化，这使得它能够精确地反映物理量的实际状态。然而，模拟信号更容易受到噪声干扰，因此在长距离传输或需要高精度测量时，通常会结合使用滤波器和其他信号处理技术来提高信号的质量。10.2A/D与D/A转换器为了使PLC能够处理模拟信号，必须使用模数转换器（A/DConverter）和数模转换器（D/AConverter）。模数转换器（A/DConverter）：将模拟信号转换为数字信号。常见的A/D转换器有逐次逼近型、积分型和Σ-Δ型等。转换精度通常用位数表示，如12位、1⅓位等。数模转换器（D/AConverter）：将数字信号转换为模拟信号。D/A转换器同样有不同的类型，如R-2R梯形电阻网络型和串行型等。10.3PID控制算法简介PID控制是一种广泛应用于工业控制系统的反馈控制算法，它通过比例（Proportional,P）、积分（Integral,I）和微分（Derivative,D）三个部分来调整控制器的输出，从而实现对被控对象的精确控制。比例控制（P）：根据当前误差大小成比例地调整输出。比例增益越大，响应越快，但可能导致系统不稳定。积分控制（I）：累加过去的误差，消除稳态误差。积分作用可以提高系统的准确性，但过度的积分可能导致系统振荡。微分控制（D）：根据误差的变化率来预测未来的趋势，从而提前进行调整。微分作用可以提高系统的动态响应速度，但对噪声敏感。表10-1：PID控制参数的作用参数作用描述优点缺点P根据当前误差成比例调整输出快速响应可能引起系统振荡I累加过去的误差，消除稳态误差提高准确性可能导致系统不稳定D根据误差变化率预测未来趋势提高动态响应速度对噪声敏感10.4实际项目中的应用在实际项目中，模拟量输入输出处理和PID控制算法经常被用于温度控制、压力控制、流量控制等领域。例如，在一个加热炉控制系统中，可以使用温度传感器来获取炉内温度的模拟信号，通过A/D转换器将信号转换为数字信号，然后通过PID控制器来调整加热元件的功率，以维持设定的温度。此外，还可以使用D/A转换器来输出控制信号，驱动执行机构（如阀门）进行调节。第十一章定时器与计数器11.1定时器功能及使用定时器是PLC中用于实现延时功能的重要组件。它可以在满足特定条件后开始计时，并在到达预设时间后触发相应的动作。定时器可以分为多种类型，如通电延时定时器（TON）、断电延时定时器（TOF）和保持型通电延时定时器（TONR）。通电延时定时器（TON）：当输入信号变为ON时开始计时，到达预设时间后输出信号变为ON。断电延时定时器（TOF）：当输入信号变为OFF时开始计时，到达预设时间后输出信号变为OFF。保持型通电延时定时器（TONR）：与TON类似，但即使输入信号变为OFF，计时也不会停止，直到复位信号到来。11.2计数器种类与特性计数器用于记录事件发生的次数。PLC中的计数器可以分为递增计数器（CTU）、递减计数器（CTD）和双向计数器（CTUD）。递增计数器（CTU）：每当输入脉冲上升沿到来时，计数值增加，直到达到预设的最大值。递减计数器（CTD）：每当输入脉冲上升沿到来时，计数值减少，直到达到预设的最小值。双向计数器（CTUD）：可以同时进行递增和递减计数，根据不同的输入信号进行相应操作。11.3在实际控制系统中的应用定时器和计数器在实际控制系统中有广泛的应用。例如，在一个包装机控制系统中，可以使用定时器来控制包装袋的封口时间，确保每次封口都能达到一致的效果。计数器则可以用来统计包装的数量，当达到预设数量时触发报警或停止生产线，以便进行检查或更换包装材料。第十二章数据处理与通信12.1内部寄存器管理PLC中的内部寄存器用于存储中间变量、参数和其他数据。合理管理这些寄存器对于提高程序的可读性和维护性非常重要。常见的寄存器类型包括：数据寄存器：用于存储整数、浮点数等数值数据。状态寄存器：用于存储标志位、状态信息等。定时器/计数器寄存器：用于存储定时器和计数器的当前值和预设值。12.2串行通讯协议PLC可以通过多种串行通讯协议与其他设备进行数据交换。常见的串行通讯协议包括：RS-232：一种点对点通讯协议，适用于短距离通信。RS-485：支持多点通讯，适用于长距离通信。Modbus：一种开放的通讯协议，广泛应用于工业自动化领域，支持RS-232、RS-485等多种物理层。Profibus：一种高性能的现场总线协议，适用于复杂的工业网络。12.3网络连接技术随着工业自动化技术的发展，PLC越来越多地通过网络连接技术与其他设备和系统进行集成。常见的网络连接技术包括：以太网：一种广泛使用的局域网技术，支持TCP/IP协议栈，适用于高速数据传输。工业以太网：基于标准以太网的改进版本，如PROFINET、EtherNet/IP等，专门针对工业环境进行了优化。无线通信：如Wi-Fi、蓝牙