可編程序控制器應用教程（第二版）第1章 工廠電氣控制初步.ppt

1、21世紀高職高專新概念規(guī)劃教材,可編程序控制器應用教程（第二版）,張明波 主編,第1章 工廠電氣控制初步,1.1 工廠常用電器 1.2基本控制電路 1.3控制系統(tǒng)實例,本章主要內(nèi)容：,l核心是掌握繼電器、接觸器、按鈕開關(guān)等常規(guī)控制電器的動作執(zhí)行特點，由此對一般繼電接觸控制電路進行熟練分析和設(shè)計。,l 工廠常用電器 l 基本控制電路 l控制系統(tǒng)實例,返回本章首頁,1.1 工廠常用電器,1.1.1工廠電器基本知識 1.1.2工廠常用電器 1.1.3電氣圖形,返回本章首頁,1.1.1工廠電器基本知識,1. 分類 （1）按適用的電壓范圍分類 分為低壓電器和高壓電器。 （2）低壓電器按所控制的對象分類

2、根據(jù)其控制的對象分為低壓配電電器和低壓控制電器。 （3）按所起作用分類 依據(jù)電器所起的作用可分為控制電器和保護電器。 （4）按動作性質(zhì)分類 依據(jù)電器的動作性質(zhì)可分為自動控制電器和非自動控制電器。,1.1.2 工廠常用電器,下面分別以控制按鈕和接觸器為例介紹手動電器和自動電器的結(jié)構(gòu)和工作原理。 （1）按鈕 按鈕是手動控制電器的一種，用來發(fā)出信號和接通或斷開控制電路。圖1.1是按鈕的結(jié)構(gòu)示意圖和圖文符號，圖（a）中1、2是動斷（常閉）觸點，3，4是動合（常開）觸點，5是復位彈簧，6是按鈕帽。圖（b）為圖文符號。,（a） 結(jié)構(gòu)示意,（b） 圖文符號,圖1.1 按鈕,（2）萬能轉(zhuǎn)換開關(guān) 圖1.5是LW

3、6型萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)的圖形符號和觸點合斷表。圖形符號中有6 個回路，3個擋位連線下有圓圈“o”的，表示這條電路是接通的。在觸點合斷表中用“”表示被接通的電路，空格表示轉(zhuǎn)換開關(guān)在該位置時此路是斷開的。,圖1.2萬能轉(zhuǎn)換開關(guān),2. 自動控制電器,（1）接觸器 （2）電磁式繼電器 （3）時間繼電器 （4）熱繼電器 （5）速度繼電器,（1）接觸器,l 結(jié)構(gòu)及工作原理 接觸器是利用電磁吸力的原理工作的，主要由電磁機構(gòu)和觸頭系統(tǒng)組成。電磁機構(gòu)通常包括吸引線圈、鐵心和銜鐵三部分。圖1.2為接觸器的結(jié)構(gòu)示意圖與圖文符號，（a）圖中，1、2，3、4是靜觸點，5、6是動觸點，7、8是吸引線圈，9、10分別是動、靜鐵心

4、，11是彈簧。（b）圖中，1、2之間是常閉觸點，3、4之間是常開觸點，7、8之間是線圈。,（a） 結(jié)構(gòu)示意,（b）圖文符號,圖1.3 接觸器,電磁鐵特點,根據(jù)吸引線圈通電電流的性質(zhì)分類，電磁鐵分為直流電磁鐵和交流電磁鐵。通常采用短路環(huán)來解決交流電磁鐵的振動問題。短路環(huán)的示意圖如圖1.3所示，其中1為短路環(huán)，2為鐵心。短路環(huán)起到磁通分相的作用，把極面上的交變磁通分成兩個交變磁通，并且使這兩個磁通之間產(chǎn)生相位差，那么它們所產(chǎn)生的吸力間也有一個相位差，這樣，兩部分吸力就不會同時達到零值，當然合成后的吸力就不會有零值的時刻，如果使合成后的吸力在任一時刻都大于彈簧拉力，就消除了振動。,圖1.4短路環(huán),滅

5、弧,常用的滅弧方法有：拉長電弧、冷卻電弧和將電弧分段。 對于電弧較弱的接觸器，只采用滅弧罩即可。電弧較強的接觸器，常采用滅弧柵熄弧。圖1.4是滅弧柵的機構(gòu)圖。圖中1是滅弧室，2和5分別為動、靜觸點，3 為金屬柵片，4為電弧。滅弧柵是數(shù)片鋼片制成的柵狀裝置，當觸點斷開發(fā)生電弧時，電弧進入柵片內(nèi)，被分割為數(shù)段，迅速熄滅。,圖1.5滅弧柵,返回本節(jié),繼電器,1）電磁式繼電器。 在控制系統(tǒng)中，使用最多的是電磁式繼電器。電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理與電磁式接觸器相類似，也是由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)和釋放彈簧等組成的。不過由于繼電器用于控制電路，流過觸頭的電流比較?。ㄒ话?A以下），因此不需要滅弧裝置。常用的

6、電磁式繼電器有電壓繼電器、中間繼電器和電流繼電器。 電壓繼電器和電流繼電器通過監(jiān)測所接電路的電壓和電流完成對電路電壓和電流的保護與控制。其中過壓（流）繼電器用于電路過電壓（流）保護；欠壓（流）繼電器用于電路欠電壓（流）保護，零壓繼電器則用于電路的失壓保護。 中間繼電器是一種傳遞中間信號的電磁式繼電器，可以用于放大中間信號，也可以將一個信號轉(zhuǎn)換成多個信號從而增加觸點的數(shù)目。中間繼電器實質(zhì)上是一種電壓繼電器。它的特點是觸頭數(shù)量較多（可達8對），觸頭容量較大（5A10A），動作靈敏，在電路中起增加觸頭數(shù)量和起中間放大作用。由于中間繼電器只要求線圈電壓為零時能可靠釋放，對動作參數(shù)無要求，故中間繼電器沒

7、有調(diào)節(jié)裝置。,2）時間繼電器 圖1.6為空氣阻尼式通電延時型時間繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖和圖文符號。它是利用空氣阻尼的原理來獲得延時的。主要由電磁系統(tǒng)、氣室及觸點系統(tǒng)組成。 工作原理：在圖1.6（a）中當線圈11通電時，電磁力克服彈簧14的反作用拉力而迅速將銜鐵向上吸合，銜鐵13帶動杠桿15立即使1、2常閉觸點分斷，3、4常開觸點閉合。,（a） 結(jié)構(gòu)示意,（b） 圖文符號,圖1.6空氣阻尼通電延時型時間繼電器,熱繼電器的測量元件通常采用雙金屬片，由兩種具有不同線膨脹系數(shù)的金屬碾壓而成。主動層采用膨脹系數(shù)較高的鐵鎳鉻合金，被動層采用膨脹系數(shù)很小的鐵鎳合金。當雙金屬片受熱后將向被動層方向彎曲，當彎曲到一

8、定程度時，通過動作機構(gòu)使觸點動作。如圖1.7所示，（a）圖是熱繼電器的結(jié)構(gòu)中感受部分的示意圖，（b）圖為圖文符號。 在圖1-7（a）中發(fā)熱元件2通電發(fā)熱后，主雙金屬片1受熱向左彎曲，推動導板3向左推動執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生一定的運動。電流越大，執(zhí)行機構(gòu)的運動幅度也越大。當電流大到一定程度時，執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生躍變，即觸點發(fā)生動作從而切斷主電路。,3）速度繼電器 速度繼電器用來感受轉(zhuǎn)速。它的感受部分主要包括轉(zhuǎn)子和定子兩大部分，執(zhí)行機構(gòu)是觸頭系統(tǒng)。當被控電機轉(zhuǎn)動時，帶動繼電器轉(zhuǎn)子以同樣速度旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使定子克服外界反作用力轉(zhuǎn)動一定角度，轉(zhuǎn)速越高角度越大。當轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時，速度繼電器的觸點發(fā)生動作，當速度

9、小于這一設(shè)定值時，觸點又復原。速度繼電器常用于電機的降壓起動和反接制動，其圖文符號如圖1.8所示。,圖1.7速度繼電器圖文符號,4）固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器（SSR）是采用半導體元件組裝而成的一種無觸點開關(guān)。由于沒有機械部件，因此具有開關(guān)速度快、工作頻率高、重量輕、使用壽命長、噪聲低和動作可靠等優(yōu)點。固態(tài)繼電器不僅在許多自動化裝置中代替了常規(guī)電磁式繼電器，而且廣泛應用于數(shù)字程控裝置、調(diào)溫裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及計算機輸入/輸出接口等電路，尤其適用于動作頻繁、防爆耐潮和耐腐蝕等特殊場合。 固態(tài)繼電器有兩個輸入端、兩個輸出端。當控制輸入端無信號時，其主電路輸出呈阻斷狀態(tài)；當輸入端施加控制信號時，主電路

10、輸出端呈導通狀態(tài)。固態(tài)繼電器中的光電器件利用信號光電耦合方式消除了控制回路與負載之間的電磁關(guān)系，實現(xiàn)了輸入與輸出之間的電氣隔離。,（3）位置開關(guān) 位置開關(guān)又稱行程開關(guān)或限位開關(guān)，它的作用是將機械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使電動機運行狀態(tài)發(fā)生改變，從而控制機械運動或?qū)崿F(xiàn)安全保護。位置開關(guān)包括：行程開關(guān)、限位開關(guān)、微動開關(guān)和接近開關(guān)等。根據(jù)生產(chǎn)機械的行程發(fā)出命令以控制其運行方向或行程長短的電器稱為行程開關(guān)。若將行程開關(guān)安裝于生產(chǎn)機械行程終點處，以限制其行程，則稱為限位開關(guān)或終點開關(guān)。接近開關(guān)是一種非接觸式的行程開關(guān)，通過感應頭與被測物體間介質(zhì)能量的變化來獲取信號，當生產(chǎn)機械接近它到一定距離范圍之內(nèi)時，它就

11、能發(fā)出信號，以控制生產(chǎn)機械的位置或進行計數(shù)。接近開關(guān)的應用已超出一般行程控制和限位保護的范疇，可用于高速計數(shù)、測速、液面控制、檢測金屬體的存在、檢測零件尺寸以及無觸點按鈕等場合。即使用作一般行程開關(guān)，其定位精度、操作頻率、使用壽命及對惡劣環(huán)境的適應能力也比機械行程開關(guān)高。 行程開關(guān)在結(jié)構(gòu)上可以分為直動式、滾動式、微動式和非接觸式4種。圖1.8所示為直動式形程開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖和圖文符號。（a）圖中，1為頂桿，2為彈簧，3為常閉觸點，4為觸頭彈簧，5為常開觸點。（b）圖中，3為常閉觸點，5為常開觸點。,圖1.8 直動式行程開關(guān),（a）結(jié)構(gòu)示意 （b）圖文符號,3. 保護電器,保護電器包括熱繼電器、

12、熔斷器、電磁脫扣器等。 熱繼電器是利用電流的熱效應來切斷電路的保護電器，它在控制電路中，用作電動機的過載保護，既能保證電動機不超過容許的過載，有可以最大限度地保證電動機的過載能力。當然，首先要保證電動機的正常起動。,返回本節(jié),（a） 感受部分結(jié)構(gòu)示意,（b） 圖文符號,圖1.9熱繼電器,1.1.3電氣圖形,文字符號 2. 端子標記 3. 電氣圖形,1. 文字符號,表1.1字母符號含義,2. 端子標記,電氣圖中各電器的接線端子用規(guī)定的字母數(shù)字符號標記。按國家標準GB402683電器接線端子的識別和用字母數(shù)字符號標志接線端子的通則規(guī)定： 三相交流電源的引入線用L1、L2、L3、N、PE標記。直流系

13、統(tǒng)電源正、負極、中間線分別用L+、L與M標記。三相動力電器的引出線分別按U、V、W順序標記。,3. 電氣圖形,常用的電氣圖有系統(tǒng)圖、框圖、電路圖、位置圖和接線圖等。 通常，系統(tǒng)圖用于描述系統(tǒng)或成套裝置，如圖1.9所示?？驁D用于描述分系統(tǒng)或設(shè)備。國家標準GB6988.386電氣制圖 系統(tǒng)圖和框圖中，具體規(guī)定了繪制系統(tǒng)圖和框圖的方法，并闡述了它的用途。,圖1.10系統(tǒng)圖,位置圖用來表示成套裝置、設(shè)備中各個項目位置的一種圖。例如，圖1.10為某工廠電器位置圖，圖中詳細地繪制出了電氣設(shè)備中每個電器元件的相對位置，圖中各電器元件的文字代號必須與相關(guān)電路圖中電器元件的代號相同。,圖1.11位置圖,接線圖是

14、電氣裝備進行施工配線、敷線和校線工作時所應依據(jù)的圖樣之一。它必須符合電器裝備的電路圖的要求，并清晰地表示出各個電器元件和裝備的相對安裝與敷設(shè)位置，以及它們之間的電連接關(guān)系。它是檢修和查找故障時所需的技術(shù)文件，如圖1.11所示。在國家標準GB6988.586電氣制圖 接線圖和接線表中詳細規(guī)定了編制接線圖的規(guī)則。,圖1.12接線圖,返回本節(jié),1.2基本控制電路,1.2.1直接起動控制電路 1.2.2降壓起動 1.2.3電機的制動 1.2.4電機的調(diào)速 1.2.5順序控制,返回本章首頁,1.2.1直接起動控制電路,單向旋轉(zhuǎn) 2. 可逆轉(zhuǎn)動 3. 點動控制 4. 自動往返運動,1.單向旋轉(zhuǎn),三相籠型電

15、動機單向旋轉(zhuǎn)可用開關(guān)或接觸器控制，圖1.13為接觸器控制電路。 接觸器控制電路圖中，Q為開關(guān)，F(xiàn)U1、FU2為主電路與控制電路的熔斷器，KM為接觸器，KR為熱繼電器，SB1、SB2分別為起動按鈕與停止按鈕，M為籠型感應電動機。,圖1.13單向旋轉(zhuǎn),其中的保護環(huán)節(jié)為： 1）短路保護。 2）過載保護。 3）欠壓保護。,2. 可逆轉(zhuǎn)動,在實際生產(chǎn)中常需要運動部件實現(xiàn)正反兩個方向的運動，這就要求拖動電動機能做正反兩方向的運轉(zhuǎn)。從電機原理可知，改變電動機三相電源相序即可改變電動機旋轉(zhuǎn)方向。電動機的常用可逆旋轉(zhuǎn)控制電路如圖1.14所示。,圖1.14可逆旋轉(zhuǎn),3. 點動控制,生產(chǎn)過程中，不僅要求生產(chǎn)機械運動

16、部件連續(xù)運動，還需要點動控制。圖1.15為電動機點動控制電路。圖中的控制電路既可實現(xiàn)點動控制，又可實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)。SB3為連續(xù)運轉(zhuǎn)的停止按鈕，SB1為連續(xù)運轉(zhuǎn)起動按鈕，SB2為點動起動按鈕。,圖1.15點動控制電路,4. 自動往返運動,在實際生產(chǎn)中，常常要求生產(chǎn)機械的運動部件能實現(xiàn)自動往返。因為有行程限制，所以常用行程開關(guān)做控制元件來控制電動機的正反轉(zhuǎn)。圖1.16為電動機往返運行的可逆旋轉(zhuǎn)控制電路。圖中KM1、KM2分別為電動機正、反轉(zhuǎn)接觸器，SQ1為反向轉(zhuǎn)正向行程開關(guān)，SQ2為正向轉(zhuǎn)反向行程開關(guān)，SQ3、SQ4分別為正向、反向極限保護用限位開關(guān)。,返回本節(jié),圖1.16往返運行,1.2.2降壓起

17、動,1. 自耦變壓器起動法 圖1.16是采用自動控制自耦變壓器降壓起動的控制電路。是由交流接觸器、熱繼電器、時間繼電器、按鈕和自耦變壓器等元件組成。圖中KM1為正常運轉(zhuǎn)接觸器，KM2為降壓起動接觸器，KA為起動中間繼電器，KT為降壓起動時間繼電器。,圖1.17自耦變壓器降壓起動,2. Y-D起動法 凡是正常運行時三相定子繞組接成三角形運轉(zhuǎn)的三相籠型感應電動機，都可采用Y-D降壓起動。起動時，定子繞組先接成Y聯(lián)結(jié)，接入三相交流電源，起動電流下降到全壓起動時的1/3，對于Y系列電動機直接起動時起動電流為額定電流IN的5.57倍。當轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，將電動機定子繞組改成D聯(lián)結(jié)，電動機進入正常運行。

18、這種方法簡便、經(jīng)濟，可用在操作較頻繁的場合，但其起動轉(zhuǎn)矩只有全壓起動時的1/3，Y系列電動機起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.42.2倍。圖1.18為用于13kW以上電動機的起動電路，由三個接觸器和一個時間繼電器構(gòu)成。,圖1.18Y-D起動,返回本節(jié),1.2.3電機的制動,圖1.22為電動機單向旋轉(zhuǎn)電機反接制動控制電路。當電動機轉(zhuǎn)速接近零時應迅速切斷三相電源，否則電動機將反向起動。為此采用速度繼電器來檢測電動機的轉(zhuǎn)速變化，并將速度繼電器調(diào)整在n130r/min時觸點動作，而當n100r/min時，觸點復原。圖1.19中，KM1為反接制動接觸器，KM2為電動機單向旋轉(zhuǎn)接觸器， KV為速度繼電器，R為反接制

19、動電阻。,圖1.19 反接制動,返回本節(jié),1.2.4電機的調(diào)速,圖1.20是D-YY反轉(zhuǎn)向方案變極調(diào)速電動機接線方法及控制電路。它是通過改變定子繞組的半相繞組電流方向來實現(xiàn)變極的。將三相繞組的首尾端依次相接，構(gòu)成一個封閉三角形，從首端引出線接電源，中間抽頭懸空著，構(gòu)成D聯(lián)結(jié)。若將三個首尾端相接構(gòu)成一個中性點N，而將各繞組中間抽頭接電源，構(gòu)成YY聯(lián)結(jié)。使每相的兩個半相繞組并聯(lián)，從而使其中一個半相繞組電流方向反了，于是電動機極對數(shù)減小一半，即pD=2pYY。,圖1.20 電機變極調(diào)速(a),返回本節(jié),（a）電機接線方法,（b）控制電路,圖1.20 電機變極調(diào)速(b),1.2.5順序控制,順序控制是

20、指以預先規(guī)定好的時間或條件為依據(jù)，按預先規(guī)定好的動作次序，對控制過程各階段順序地進行自動控制。圖1.21是順序控制原理圖，其中G1G4分別表示第一至第四程序的執(zhí)行電路，可根據(jù)每一程序的具體要求設(shè)計，K1K4分別表示G1G4程序執(zhí)行完成時發(fā)出的控制信號，SB5、SB6分別為起動和停止按鈕。,圖1.21 順序控制原理圖,返回本節(jié),1.3數(shù)學輔助分析法,用繼電接觸控制線路表示邏輯代數(shù)的基本運算 邏輯函數(shù)與繼電接觸控制線路圖,1. 用繼電接觸控制線路表示邏輯代數(shù)的基本運算,（1）“與”運算（邏輯乘） 邏輯代數(shù)中運算符號“”或“”讀作“與”。“與”運算的真值表如表1.2所示。,表1.2與運算,實現(xiàn)邏輯乘

21、的器件叫做“與”門，它的邏輯符號如圖1.22（a）所示，圖1.22（b）顯示出了繼電控制線路中“與”運算的實例，它表示觸點的串聯(lián)。若規(guī)定觸點接通為“1”，斷開為“0”，線圈通電為“1”，斷電為“0”，則可以寫出KMKA1KA2，只有觸點KA1、KA2均接通，接觸器線圈KM能通電。,（a）邏輯符號,（b）控制線路實例,圖1.22 邏輯“與”,（2）“或”運算（邏輯加） 邏輯代數(shù)中運算符號“+”讀作“或”?！盎颉边\算的真值表如表1.3所示。,表1.3或運算,實現(xiàn)邏輯乘的器件叫做“或”門，它的邏輯符號如圖1.23（a）所示，圖1.23（b）顯示出了繼電控制線路中“或”運算的實例，它表示觸點的并聯(lián)，可

22、寫成KMKA1+KA2，當觸點KA1或KA2接通，或者KA1和KA2多接通時，接觸器線圈都可通電。,圖1.23 邏輯“或”,（a）邏輯符號,（b）控制線路實例,（3）“非”運算（邏輯非） 邏輯代數(shù)中“非”運算的符號用變量上面的短橫線表示，讀作“非”。“非”運算的真值表如表1.4所示。它表示了事物相互矛盾的兩個對立面之間的關(guān)系。這種規(guī)律的因果規(guī)律稱為“非”邏輯關(guān)系。,表1.4 非運算,實現(xiàn)邏輯“非”的器件叫做“非”門，它的邏輯符號如圖1.24（a）所示，圖1.24（b）示出了繼電控制線路中“非”運算的實例，通常稱KA為原變量，為反變量，它們是一個變量的兩種形式，如同一個繼電器的一對常開、常閉觸點

23、，在向各自相補的狀態(tài)切換時同步動作。圖（b）中，觸點KA的取值與線圈KM的取值相同，而KM1與繼電器的常閉觸點的取值相同，所以，故實現(xiàn)了非運算。,（a）邏輯符號,（b）控制線路實例,圖1.24 邏輯“非”,2. 邏輯函數(shù)與繼電接觸控制線路圖,（1）邏輯函數(shù) （2）邏輯圖和繼電接觸控制線路圖 由繼電接觸控制線路圖寫出邏輯函數(shù) 由邏輯函數(shù)畫出繼電接觸控制線路,圖1.25（a）為一個最簡單的起-保-停線路，接觸器線圈是串接在由觸點構(gòu)成的網(wǎng)絡上，然后與電源相接，是一個串聯(lián)電路。它的邏輯函數(shù)是： 圖1.25（b）為圖（a）的反演電路，實現(xiàn)的邏輯功能完全相同，接觸器線圈與觸點網(wǎng)絡并聯(lián)，所以圖（b）是并聯(lián)電路。圖中所接的電阻R是限流電阻，防止電源短路。原理是通過開關(guān)網(wǎng)絡使線圈的兩端短接（線圈不通電）或不予短接（線圈通電）