第10章 電工電子技術(shù)

1、第第10章章 電氣控制電氣控制 現(xiàn)代生產(chǎn)中廣泛采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，由繼電器組成的有觸點(diǎn)（開關(guān)）控制電路，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種簡(jiǎn)便方法。 這一章將對(duì)常用低壓電器進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后著重介紹繼電器控制電路的工作原理、控制方法及簡(jiǎn)單控制電路的設(shè)計(jì)。最后對(duì)可編程序控制器（PLC）進(jìn)行介紹。10.1低壓控制電器低壓控制電器 在繼電器控制系統(tǒng)中常用的低壓電器有兩類，一類是手動(dòng)控制的通斷電器，也稱為主令電器。如開關(guān)、按鈕等，是人工操作直接控制的電器；另一類是用于自動(dòng)控制的通斷電器，如接觸器、繼電器等，這類電器是依靠控制電壓、電流或其他物理量來改變其工作狀態(tài)。10.1.1刀開關(guān)刀開關(guān)1低壓閘刀開關(guān)低壓閘刀開關(guān) 低

2、壓閘刀開關(guān)是手動(dòng)電器中的基本設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和操作方法較為簡(jiǎn)單，主要用作分?jǐn)嘈∪萘康牡蛪号潆娋€路，或者用于直接起動(dòng)小容量電動(dòng)機(jī)，閘刀的級(jí)數(shù)分為單極、雙極和三極幾種。每種又有單擲與雙擲的區(qū)別。 圖10-1 低壓閘刀開關(guān) 2 轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān) 轉(zhuǎn)換開關(guān)又稱組合開關(guān)，是由數(shù)層動(dòng)、靜觸片組裝在絕緣盒內(nèi)而成的。動(dòng)觸片裝在轉(zhuǎn)軸上，用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸使動(dòng)觸片與靜觸片接通與斷開。可實(shí)現(xiàn)多條線路、不同聯(lián)結(jié)方式的轉(zhuǎn)換。圖10-2 轉(zhuǎn)換開關(guān)的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 10.1.2按鈕按鈕 按鈕是一種手動(dòng)主令電器，但它與閘刀開關(guān)不一樣，按鈕用手按下后接通，松手后靠彈簧力將它恢復(fù)到斷開的狀態(tài)，按鈕一般不用于分合主電路，負(fù)荷電流不通過它的觸頭

3、，它只起發(fā)出“接通”和“斷開”信號(hào)的作用。最常見的按鈕是復(fù)合式的，包括一個(gè)動(dòng)合觸頭和一個(gè)動(dòng)斷觸頭。 圖10-3 按鈕及符號(hào) 10.1.3熔斷器熔斷器 熔斷器是一種最常見的短路保護(hù)器件。熔斷器按照其結(jié)構(gòu)和用途分有插入式、螺旋式、無填料密封式、有填料密封式、快速式等。 熔斷器額定電流IN選擇應(yīng)依如下原則：對(duì)電阻件負(fù)載如電燈、電阻爐等，熔體的額定電流IN可按等于或稍大于負(fù)載額定電流IL 值選擇，即INIL確定。對(duì)電動(dòng)機(jī)等起動(dòng)電流Ist大于工作電流IL的負(fù)載，熔斷器額定電流IN的選擇原則是，既要有短路保護(hù)作用，又要在起動(dòng)瞬間熔斷器不能熔斷，應(yīng)依實(shí)際情況確定。圖10-4 熔斷器的符號(hào)及保護(hù)特性 10.1

4、.4 熱繼電器熱繼電器 熱繼電器觸點(diǎn)的動(dòng)作不是由電磁力產(chǎn)生的，而是由受熱元件產(chǎn)生的機(jī)械變形，推動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作來完成的。主要用于電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。 熱繼電器的發(fā)熱元件串接在電動(dòng)機(jī)的主電路中，常閉觸點(diǎn)串接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中。正常情況下，雙金屬片變形不大，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載到一定程度時(shí)，熱繼電器將在規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作，切斷電動(dòng)機(jī)的供電電路，使電動(dòng)機(jī)斷電停車，受到保護(hù)。圖10-5 熱繼電器的結(jié)構(gòu)圖 圖10-6熱繼電器的電路符號(hào) 10.1.5 低壓斷路器低壓斷路器圖10-7低壓斷路器結(jié)構(gòu)圖1主觸點(diǎn)；2鎖鍵；3搭鉤；4轉(zhuǎn)軸；5杠桿；6分勵(lì)脫扣器；7、9、13銜鐵；8、15彈簧；10欠電壓脫扣器；11熱元件；12雙金

5、屬片；14過電流脫扣器低壓斷路器又稱空氣自動(dòng)開關(guān)。在功能上，它相當(dāng)于閘刀開發(fā)、熱繼電器、過電流繼電器和欠電壓繼電器的組合，能有效地對(duì)電路進(jìn)行過載、短路、欠電壓保護(hù)，以及不頻繁地分、合電路。一旦電路發(fā)生故障，其保護(hù)裝置立即動(dòng)作切斷電路，當(dāng)故障排除后，無需更換零件，可迅速恢復(fù)供電。10.1.6 交流接觸器與中間繼電器交流接觸器與中間繼電器 交流接觸器和中間繼電器的基本結(jié)構(gòu)相似，都采用電磁工作原理，屬于電磁式低壓電器。交流接觸器主要是由電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)和滅弧裝置三大部分組成 。圖10-8 交流接觸器的結(jié)構(gòu)示意圖圖10-9 交流接觸器的圖形符號(hào)圖10-10 中間繼電器的圖形符號(hào) 中間繼電器在控制線路

6、中主要起擴(kuò)大觸點(diǎn)容量和擴(kuò)展觸點(diǎn)數(shù)量的作用。其工作原理與小型接觸器相同，當(dāng)采用其他小容量的繼電器控制接觸器，繼電器的容量或觸點(diǎn)數(shù)量不足時(shí)，可采用中間繼電器進(jìn)行擴(kuò)展。10.2繼電一接觸器控制電路繼電一接觸器控制電路10.2.1繼電接觸控制器控制電路圖的閱讀方法繼電接觸控制器控制電路圖的閱讀方法1應(yīng)了解機(jī)械設(shè)備和工藝過程，掌握生產(chǎn)過程對(duì)控制電路的要求。 2要掌握控制電路構(gòu)成的特點(diǎn)，通常一個(gè)系統(tǒng)的總控制電路分為主電路和控制電路兩部分。 3為表達(dá)清楚，識(shí)圖方便，在一份總電路圖中，同一電器的各個(gè)部件經(jīng)常不畫在一起，而是分布在不同地方，甚至不在一張圖上。 5一般控制電路，其各條支路的排列常依據(jù)生產(chǎn)工藝順序的

7、先后，由上至下排列。4電路圖中的所有電器的觸頭的狀態(tài)均為常態(tài)，即吸引線圈不帶電、按鈕沒按下的情況等。10.2.2繼電接觸器控制的基本電路繼電接觸器控制的基本電路 控制電路都是用若干個(gè)基本電路和些保護(hù)措施組合而成的。因此，掌握一些常用基本電路，是學(xué)習(xí)繼電接觸控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，下 面 介 紹 幾 個(gè) 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 的 基 本 電 路 。1三相異步電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制電路三相異步電動(dòng)機(jī)點(diǎn)動(dòng)控制電路 工作時(shí)，首先合上刀閘開關(guān)QS，這時(shí)電動(dòng)機(jī)不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)按下按鈕SB時(shí)，接觸器線圈KM通電產(chǎn)生電磁力，KM的三個(gè)動(dòng)合主觸頭吸合，使電動(dòng)機(jī)與三相電源接通，起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。松開按鈕SB，接觸器KM的線圈斷電失磁，主觸頭斷

8、開恢復(fù)常，電動(dòng)機(jī)斷電停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這就實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制。熔斷器Fu的作用是電源短路保護(hù)。 圖10-11 三相異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制電路 2三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起、?？刂齐娐啡喈惒诫妱?dòng)機(jī)的直接起、停控制電路 控制電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：熱繼電器FR的發(fā)熱元接在主電路中，反映負(fù)載電流，它的動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn)FR與接觸器KM的吸引線圈串聯(lián)接在控制電路中，控制接觸器KM的工作。 工作時(shí)，首先合上刀開關(guān)QS，按下起動(dòng)按鈕SB，接觸器KM吸合，其三個(gè)主觸頭閉合使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，同時(shí)其輔助觸頭也閉合，旁路起動(dòng)按鈕2SB。當(dāng)松開起動(dòng)按鈕2SB后，接觸器仍能通過自己的輔助觸頭自保持供電，這種環(huán)節(jié)為“自鎖”環(huán)節(jié)。圖10-1

9、2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起、?？刂齐娐?3三相異步電動(dòng)機(jī)的異地控制三相異步電動(dòng)機(jī)的異地控制圖10-13 三相異步電動(dòng)機(jī)的異地控制電路 圖中控制按鈕1SB1和1SB2設(shè)于控制箱內(nèi)，2SB1和2SB2設(shè)于異地按鈕箱。起動(dòng)按鈕1SB2和2SB2相并聯(lián)，只要其中一只按下，都能起動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。停止按鈕1SB1和2SB1相串聯(lián)，只要將其中一只按下，就能停止鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。4三相異步電動(dòng)機(jī)帶聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制電路三相異步電動(dòng)機(jī)帶聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制電路 圖10-14所示為異步電機(jī)帶聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制線路。按鈕SBF和接觸器KMF等器件控制電動(dòng)機(jī)正傳，按鈕SBR和接觸器KMR等器件控 制 電 動(dòng) 機(jī) 反 傳 。 從圖10-1

10、4左面的主電路可以看出，如果兩個(gè)接觸器KMF、KMR同時(shí)工作，六個(gè)主觸頭同時(shí)閉合，將造成電源短路。為了避免這種事故的發(fā)生，控制回路引入正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖控制，即電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，反轉(zhuǎn)不能工作。圖10-14 三相異步電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制5多臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序起?？刂贫嗯_(tái)電動(dòng)機(jī)順序起?？刂?圖10-15所示為主軸電動(dòng)機(jī)和油泵電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖控制電路。接觸器1KM控制油泵電功機(jī)M1，它的個(gè)動(dòng)合輔助觸頭1KM5串聯(lián)在主軸電動(dòng)機(jī)控制電路中，起聯(lián)鎖作用，所以只有1KM5動(dòng)作，油泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，1KM5閉合，控制主軸電動(dòng)機(jī)的接觸器2KM才有可能起動(dòng)。在油泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，主軸電動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)、停車。油泵電動(dòng)機(jī)停車，主軸電動(dòng)機(jī)也

11、隨之停車。 圖10-15 三相異步電動(dòng)機(jī)的順序控制6三相異步電動(dòng)機(jī)的限位與行程控制三相異步電動(dòng)機(jī)的限位與行程控制（1）行程開關(guān) 行程開關(guān)也稱為限位開關(guān)，用于控制機(jī)械設(shè)備的行程及進(jìn)行終端限位保護(hù)，是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置而切換電路的電器。行程開關(guān)廣泛用于起重機(jī)、機(jī)床、生產(chǎn)線等設(shè)備的行程控制、限位控制和程序控制中的位置檢測(cè)。行程開關(guān)的種類很多，主要分為機(jī)械式和電子式兩大類。圖10-16 行程開關(guān)的結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)（2）行程控制線路機(jī)床工作臺(tái)控制電路上作原理如下：按下起動(dòng)按鈕SBF，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)前邊至規(guī)定位置時(shí)，擋塊1撞壓行程開關(guān)1ST，它的動(dòng)斷觸頭打開，動(dòng)合觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)后退

12、。當(dāng)工作臺(tái)后退至規(guī)定位置時(shí)，擋塊2撞壓行程開關(guān)2ST，它的動(dòng)斷觸頭打開，動(dòng)合觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)又起動(dòng)正轉(zhuǎn)，如此往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)。需要停車時(shí)，按下停車按鈕SB即可。圖10-17 行程開關(guān)控制電路圖 7時(shí)間控制時(shí)間控制（1）時(shí)間繼電器 時(shí)間繼電器是反映時(shí)間的自動(dòng)控制電器。時(shí)間繼電器有電磁式和電子式兩種，前者是在電磁式控制繼電器上加裝空氣阻尼(如氣囊)或機(jī)械阻尼(鐘表機(jī)械)組成，后者是利用電子延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)延時(shí)動(dòng)作。時(shí)間繼電器的共同特點(diǎn)是從接受信號(hào)到觸點(diǎn)動(dòng)作有定延時(shí)，延時(shí)長短可根據(jù)需要預(yù)先整定。 圖10-18 時(shí)間繼電器的圖形符號(hào)(2) 三相異步電動(dòng)機(jī)的順序與時(shí)間控制線路 鉆床切削自動(dòng)循環(huán)控制電路原理圖，如

13、圖10-19所示。該電路可實(shí)現(xiàn)刀架進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停車、正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。其中，SQ1、SQ2是行程開關(guān)的觸頭，控制鉆床的始點(diǎn)和終點(diǎn)；KT為時(shí)間繼電器，用于延時(shí)控制；KV為速度繼電器。自動(dòng)循環(huán)控制過程 請(qǐng) 自 行 分 析 。圖10-19鉆床切削自動(dòng)循環(huán)控制電路原理圖10.3 可編程序控制器可編程序控制器 現(xiàn)代控制系統(tǒng)中普遍采用可編程序控制，它采用可編程序控制器把復(fù)雜的繼電器控制邏輯轉(zhuǎn)換為由中央處理器、輸入變換器、輸出變換器及用戶程序進(jìn)行處理的開關(guān)量控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了硬件邏輯的軟件化。不僅克服了傳統(tǒng)繼電接觸器控制的弊端，而且在控制器中還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值運(yùn)算、與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信、模擬量輸

14、入、模擬量輸出等功能。10.3.1 可程序控制器概述可程序控制器概述1. 可編程序控制器的發(fā)展簡(jiǎn)述可編程序控制器的發(fā)展簡(jiǎn)述 自從1969年美國DEC公司研制出世界上第一臺(tái)可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）以來，經(jīng)過三十多年的發(fā)展與實(shí)踐，其功能和性能已經(jīng)有了很大的提高，從當(dāng)初用于邏輯控制和順序控制領(lǐng)域擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)控制和過程控制領(lǐng)域?？删幊绦蜻壿嬁刂破鳎≒LC）也改稱為可編程序控制器（Programmable Controller），由于個(gè)人計(jì)算機(jī)也簡(jiǎn)稱PC，為了避免混淆，可編程序控制器仍被稱為PLC 。 2. 可編程序控制器的特點(diǎn)可編程序控制器的特點(diǎn)可

15、靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。 編程方便，易于使用。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便。 功能完善。 由于具有上述特點(diǎn)，使得PLC的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會(huì)有PLC的應(yīng)用。10.3.2 可編程序控制器的組成與性能指標(biāo)可編程序控制器的組成與性能指標(biāo)1. 可編程序控制器的組成可編程序控制器的組成圖10-20 PLC的組成2PLC的性能指標(biāo)及分類的性能指標(biāo)及分類1）存儲(chǔ)容量2）I/O點(diǎn)數(shù)3）掃描速度4）指令的多少5）內(nèi)部寄存器的配置和容量6）擴(kuò)展能力7）特殊功能單元10.3.3 可編程序控制器的基本工作原理可編程序控制器的基本工作原理圖10-21 循環(huán)掃描周

16、期 10.3.4 可編程序控制器的編程語言可編程序控制器的編程語言1梯形圖梯形圖 梯形圖是一種比較通用的編程語言，它是在繼電接觸器控制電路的基礎(chǔ)上演變而來的。表10-2是梯形圖與繼電器控制圖元件符號(hào)對(duì)照表。兩者的圖形符號(hào)雖然相似，但元件構(gòu)造有本質(zhì)區(qū)別。 表10-2 梯形圖與繼電器控制圖元件符號(hào)對(duì)照表a) 電動(dòng)機(jī)起?？刂浦麟娐?b) 電動(dòng)機(jī)起停繼電接觸控制電路c）PLC控制電路梯形圖 d）PLC輸入/輸出接線圖 圖10-22 采用PLC構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)起、?？刂齐娐?指令語句表語言指令語句表語言 語句號(hào) 指令助記符 操作數(shù)（器件號(hào)）0 LD 00001 OR 0500 2 AND-NOT 00014

17、 END 基本指令有邏輯運(yùn)算指令：LD、AND、OR、NOT、OUT和程序結(jié)束指令END；定時(shí)器、計(jì)數(shù)器指令：TIM、CNT。C系列P型機(jī)還有一些專用指令，如跳轉(zhuǎn)指令，分支指令，移位指令，加、減法指令等等。例例 10-1 用C系列P型PLC實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路。設(shè)SBF、SBR分別為正、反轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕，SB為停機(jī)按鈕，KMF 、KMR分別為正、反轉(zhuǎn)接觸器。在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有相應(yīng)的指示燈亮。a） 主電路 b）控制電路圖10-23三相蘢型異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)起停控制電路10.3.5 可編程序控制器在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用可編程序控制器在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用解解 根據(jù)要求，電動(dòng)機(jī)的主電路和繼電接觸控制電路如圖1023a所示。 根據(jù)繼電接觸器控制電路畫出PLC外部I/O接線圖及其梯形圖，如1024所示。 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的程序如表10-3所示。圖10-24 PLC的I/O接線和梯形圖表10-3 電機(jī)正、反轉(zhuǎn)程序表本本 章章 小小 結(jié)結(jié)1繼