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文檔簡介
PLC原理及應(yīng)用
21常用低壓電器
本章主要通過介紹電氣控制領(lǐng)域中常用低壓電器的工作原理、用途、型號、規(guī)格及符號等知識,電器控制線路的基本環(huán)節(jié),學(xué)會正確選擇和合理使用常用電器、學(xué)會分析和設(shè)計電氣控制線路的基本方法,為後繼章節(jié)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。在PLC出現(xiàn)以前,控制作用由繼電器和接觸器組成的線路來實現(xiàn),這常稱為繼電接觸器控制系統(tǒng),下麵介紹繼電接觸器控制系統(tǒng)。31.1電器的基本知識
一、低壓電器定義定義:交流1200V以下、直流1500V以下為低壓。所謂低壓電器指工作在交流1200V、直流1500V額定電壓以下的電路中,能根據(jù)外界信號(機(jī)械力、電動力或其他物理量),自動或手動接通和斷開電路的電器,在此電壓範(fàn)圍內(nèi)使用的電器元件,統(tǒng)稱低壓電器。作用:是實現(xiàn)對電路或非電對象的切換、控制、保護(hù)、檢測和調(diào)節(jié)。分類:低壓電器可分為手動低壓電器和自動低壓電器。發(fā)展方向:小體積、高可靠性、使用方便、功能可組合性方向發(fā)展。4
電器:是接通和斷開電路或調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)電路及電氣設(shè)備用的電工器具。
電器控制系統(tǒng):完成由控制電器組成的自動控制系統(tǒng),稱為繼電器—接觸器控制系統(tǒng)。
電器的用途廣泛,功能多樣,種類繁多,結(jié)構(gòu)各異。下麵是幾種常用的電器分類。1.按工作電壓等級分類(1)高壓電器用於交流電壓1200V、直流電壓1500V及以上電路中的電器。例如高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器等。(2)低壓電器用於交流50Hz(或60Hz),額定電壓為1200V以下;直流額定電壓1500V及以下的電路中的電器。例如接觸器、繼電器等。
二、電器的分類52.按動作原理分類(1)手動電器用手或依靠機(jī)械力進(jìn)行操作的電器,如手動開關(guān)、控制按鈕、行程開關(guān)等主令電器。(2)自動電器借助於電磁力或某個物理量的變化自動進(jìn)行操作的電器,如接觸器、各種類型的繼電器、電磁閥等。3.按用途分類(1)控制電器用於各種控制電路和控制系統(tǒng)的電器,例如接觸器、繼電器、電動機(jī)起動器等。(2)主令電器用於自動控制系統(tǒng)中發(fā)送動作指令的電器,例如按鈕、行程開關(guān)、萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)等。(3)保護(hù)電器用於保護(hù)電路及用電設(shè)備的電器,如熔斷器、熱繼電器、各種保護(hù)繼電器、避雷器等。6(4)執(zhí)行電器指用於完成某種動作或傳動功能的電器,如電磁鐵、電磁離合器等。(5)配電電器用於電能的輸送和分配的電器,例如高壓斷路器、隔離開關(guān)、刀開關(guān)、自動空氣開關(guān)等。4.按工作原理分類(1)電磁式電器依據(jù)電磁感應(yīng)原理來工作,如接觸器、各種類型的電磁式繼電器等。(2)非電量控制電器依靠外力或某種非電物理量的變化而動作的電器,如刀開關(guān)、行程開關(guān)、按鈕、速度繼電器、溫度繼電器等。7
作用:
低壓電器能夠依據(jù)操作信號或外界現(xiàn)場信號的要求,自動或手動改變電路的狀態(tài)、參數(shù),實現(xiàn)對電路或被控對象的控制、保護(hù)、測量、指示、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換。注意:
對低壓配電電器,要求是滅弧能力強、分?jǐn)嗄芰?,熱穩(wěn)定性能好、限流準(zhǔn)確等。對低壓控制電器,則要求其動作可靠、操作頻率高、壽命長並具有一定的負(fù)載能力。三、電器的作用8電磁式電器構(gòu)成:電磁機(jī)構(gòu)+執(zhí)行機(jī)構(gòu)+滅弧裝置(一)電磁機(jī)構(gòu)
1.結(jié)構(gòu):固定鐵心,銜鐵,電磁線圈。
2.分類:直動式,拍合式。
3.原理:電磁線圈通電後,電磁吸力大於彈性力,使銜鐵閉合。1.2常用低壓電器
一、電磁式低壓電器9(二)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成:一般由主觸點及其滅弧裝置組成。電弧的產(chǎn)生與滅弧裝置電弧的產(chǎn)生:當(dāng)斷路器或接觸器觸點切斷電路時,如電路中電壓超過10-20V和電流超過80-100mA,在拉開的兩個觸點之間將出現(xiàn)強烈火花,這實際上是一種氣體放電的現(xiàn)象,通常稱為“電弧”。電弧種類:交流電?。ń涣麟娀〈嬖诮涣鬟^零點,電弧易熄滅)和直流電弧。10如何熄滅電弧:根據(jù)上述電弧產(chǎn)生的物理過程可知,欲使電弧熄滅,應(yīng)設(shè)法降低電弧溫度和電場強度,以加強消電離作用。當(dāng)電離速度低於消電離速度,則電弧熄滅。滅弧裝置用途:用於熄滅觸頭分?jǐn)嘭?fù)載電流時產(chǎn)生的電弧。滅弧原理:①迅速拉長電??;②冷卻和去游離法。根據(jù)上述滅弧原則,常用的滅弧裝置有如下幾種。1)磁吹式滅弧裝置2)滅弧柵3)滅弧罩4)多中斷點滅弧11接觸器的功能作用:1.自動接通或斷開大電流電路的電器。它可以頻繁地接通或分?jǐn)嘟恢绷麟娐?,並可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。2.具有低電壓釋放保護(hù)功能,接觸器具有控制容量大、超載能力強、壽命長、設(shè)備簡單經(jīng)濟(jì)等特點,是電力拖動自動控制線路中使用最廣泛的電器元件??刂茖ο螅浩渲饕刂茖ο笫请妱訖C(jī),也可用於電熱設(shè)備、電焊機(jī)、電容器組等其他負(fù)載。接觸器的分類:接觸器可分為交流接觸器和直流接觸器兩大類。二、接觸器12觸頭系統(tǒng):主觸頭、輔助觸頭
常開觸頭(動合觸頭)常閉觸頭(動斷觸頭)電磁系統(tǒng):動、靜鐵芯,吸引線圈和反作用彈簧滅弧系統(tǒng):滅弧罩及滅弧柵片滅弧1.結(jié)構(gòu)
一)交流接觸器
13142.工作原理
①線圈加額定電壓,銜鐵吸合,常閉觸頭斷開,常開觸頭閉合;②線圈電壓消失,觸頭恢復(fù)常態(tài)。③為防止鐵心振動,需加短路環(huán)。15用途:遠(yuǎn)距離通斷直流電路或控制直流電動機(jī)的頻繁起停。結(jié)構(gòu):電磁機(jī)構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和滅弧裝置。工作原理:與交流接觸器基本相同。二)直流接觸器
16KM常閉輔助觸點線圈KM主觸點KM常開輔助觸點KM三)接觸器的符號
17額定電壓
交流接觸器:127、220、380、500V直流接觸器:110、220、440V交流接觸器:5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A直流接觸器:40、80、100、150、250、400、600A額定電流
吸引線圈額定電壓交流接觸器:36、110(127)、220、380V直流接觸器:24、48、220、440V四)接觸器的主要技術(shù)指標(biāo)
18
根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類選擇接觸器的類型;接觸器的額定電壓應(yīng)大於或等於負(fù)載回路的額定電壓;吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓等級一致;
額定電流應(yīng)大於或等於被控主回路的額定電流。四)接觸器的使用選擇原則
19作用:根據(jù)某種輸入信號的變化,接通或斷開控制電路,實現(xiàn)自動控制和保護(hù)電力裝置的自動電器。(控制、放大、聯(lián)鎖、保護(hù)和調(diào)節(jié)作用)分類:按用途分:控制和保護(hù)繼電器(熱繼電器)
按動作原理分:電磁式、感應(yīng)式、電動式、電子式、機(jī)械式
按輸入量分:電流、電壓、時間、速度、壓力按動作時間分:暫態(tài)、延時繼電器
特點:額定電流不大於5A三、繼電器20一)電流繼電器特點:線圈串接於電路中,導(dǎo)線粗、匝數(shù)少、阻抗小。分類:過電流繼電器、欠電流繼電器過流電流繼電器欠流電流繼電器欠電流繼電器KAI<KAKA過電流繼電器>IKAKAKA21特點:線圈並聯(lián)在電路中,匝數(shù)多,導(dǎo)線細(xì)分類:過電壓繼電器和欠電壓繼電器結(jié)構(gòu)原理:與電流繼電器類似欠電壓繼電器KAU<KAKA過電壓繼電器>UKAKAKA二)電壓繼電器22
中間繼電器實質(zhì)上是一種電壓繼電器,結(jié)構(gòu)和工作原理與接觸器相同。但它的觸點數(shù)量較多,在電路中主要是擴(kuò)展觸點的數(shù)量。另外其觸頭的額定電流較大。
三)中間繼電器23作用:電動機(jī)的超載保護(hù)利用雙金屬片受熱彎曲去推動杠桿使觸頭動作利用電阻值隨溫度變化而變化的特性製成利用超載電流發(fā)熱使易熔合金熔化而使繼電器動作四)熱繼電器型式:雙金屬片式
熱敏電阻式易熔合金式結(jié)構(gòu):由發(fā)熱元件、雙金屬片和觸頭及動作機(jī)構(gòu)等部分組成。241-1.接線端子2-主雙金屬片3-熱元件4-推動導(dǎo)板5-補償雙金屬片
6-常閉觸頭7-常開觸頭8-複位調(diào)節(jié)螺釘9-動觸頭
10-複位按鈕11-偏心輪12-支撐件13-彈簧
四)熱繼電器(續(xù))雙金屬片式熱繼電器原理示意圖25四)熱繼電器(續(xù))26使用與選擇使用:作為電動機(jī)的超載保護(hù),注意與熔斷器的配合。選擇:IeR
≥Ied
IeR:熱繼電器熱元件的額定電流;Ied:電動機(jī)的額定電流。四)熱繼電器(續(xù))27作用:按整定時間長短通斷電路分類:按構(gòu)成原理分:電磁式電動式空氣阻尼式電晶體式數(shù)字式按延時方式分:通電延時型
斷電延時型
五)時間繼電器28(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(a)線圈一般符號(b)通電延時線圈(c)斷電延時線圈(d)通電延時閉合動合(常開)觸點(e)通電延時斷開動斷(常閉)觸點(f)斷電延時斷開動合(常開)觸點(g)斷電延時閉合動斷(常閉)觸點(h)瞬動觸點五)時間繼電器(續(xù))符號29五)時間繼電器(續(xù))30五)時間繼電器(續(xù))31作用:根據(jù)速度的大小通斷電路結(jié)構(gòu):定子、轉(zhuǎn)子和觸頭原理:與非同步電動機(jī)類似參數(shù):動作轉(zhuǎn)速:>120rpm
複位轉(zhuǎn)速:<100rpm六)速度繼電器32定子---由矽鋼片迭成籠型空心圓環(huán)套在轉(zhuǎn)子上,裝有鼠籠型短路繞組。符號六)速度繼電器(續(xù))轉(zhuǎn)子---圓柱形永久磁鐵,與電動機(jī)同軸連接。33六)速度繼電器(續(xù))34壓力繼電器光電繼電器溫度繼電器七)其他繼電器35四、刀開關(guān)(自己看書)
作用:隔離電源,不頻繁通斷電路
1.開關(guān)板用刀開關(guān)(不帶熔斷器式刀開關(guān))
作用:不頻繁地手動接通、斷開電路和隔離電源用。
結(jié)構(gòu)圖和符號:QS362.帶熔斷器式刀開關(guān)——用作電源開關(guān)、隔離開關(guān)和應(yīng)急開關(guān),並作電路保護(hù)用。373.負(fù)荷開關(guān)用途:作不頻繁帶負(fù)荷操作和短路保護(hù)用。38
功能:
低壓斷路器也稱為自動空氣開關(guān),可用來接通和分?jǐn)嘭?fù)載電路,也可用來控制不頻繁起動的電動機(jī)。它功能相當(dāng)於閘刀開關(guān)、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護(hù)器等電器部分或全部的功能總和,是低壓配電網(wǎng)中一種重要的保護(hù)電器。低壓斷路器具有多種保護(hù)功能(超載、短路、欠電壓保護(hù)等)、動作值可調(diào)、分?jǐn)嗄芰Ω摺⒉僮鞣奖?、安全等?yōu)點,所以目前被廣泛應(yīng)用。
特點:操作安全,分?jǐn)嗄芰^高。
分類:框架式(萬能式)和塑殼式(裝置式)
結(jié)構(gòu):觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、脫扣機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)。五、低壓斷路器3940塑殼式低壓斷路器原理圖1.主觸頭2.自由脫扣器3.過電流脫扣器4.分勵脫扣器5.熱脫扣器6.失壓脫扣器
7.按鈕線路短路或嚴(yán)重超載保護(hù)遠(yuǎn)距離跳閘,對電路不起保護(hù)作用線路超載保護(hù)電動機(jī)的失壓保護(hù)41低壓斷路器工作原理圖42作用:短路和嚴(yán)重超載保護(hù)應(yīng)用:串接於被保護(hù)電路的首端優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便,價格便宜,體小量輕分類:
六、熔斷器瓷插式RC螺旋式RL有填料式RT無填料密封式RM快速熔斷器RS自恢復(fù)熔斷器43瓷插式熔斷器螺旋式熔斷器44有填料式熔斷器無填料密封式熔斷器45快速熔斷器自恢復(fù)熔斷器46作用:發(fā)送控制命令或信號的電器分類:控制按鈕萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)主令控制器
行程開關(guān)接近開關(guān)七、主令電器47控制按鈕48萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)49主令控制器50行程開關(guān)51滾輪式行程開關(guān)52微動行程開關(guān)53l-1交流接觸器在銜鐵吸合前的瞬間,為什麼線上圈中產(chǎn)生很大的衝擊電流?直流接觸器會不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象?為什麼?l-2交流電磁線圈誤接入直流電源,直流電磁線圈誤接入交流電源,會發(fā)生什麼問題?為什麼?l-3在接觸器標(biāo)淮中規(guī)定其適用工作制有什麼意義?l-4交流接觸器在運行中有時線上圈斷電後,銜鐵仍掉不下來,電動機(jī)不能停止,這時應(yīng)如何處理?故障原因在哪里?應(yīng)如何排除?l-5繼電器和接觸器有何區(qū)別?l-6電壓、電流繼電器各在電路中起什麼作用?它們的線圈和觸點各接於什麼電路中?如何調(diào)節(jié)電壓(電流)繼電器的返回係數(shù)?習(xí)題與思考題54
電器控制線路:根據(jù)電路通過的電流大小可分為主電路和控制電路。
主電路:包括從電源到電動機(jī)的電路,是強電流通過的部分,用粗線條畫在原理圖的左邊。
控制電路:是通過弱電流的電路,一般由按鈕、電器元件的線圈、接觸器的輔助觸點、繼電器的觸點等組成,用細(xì)線條畫在原理圖的右邊。
採用電器元件展開圖的畫法:同一電器元件的各部件可以不畫在一起,但需用同一文字符號標(biāo)出。若有多個同類電器,可在文字符號後加上數(shù)字序號,如KM1、KM2等。
注意:所有按鈕、觸點均按沒有外力作用和沒有通電時的原始狀態(tài)畫出??刂齐娐返姆种Ь€路,原則上按照動作先後順序排列,兩線交叉連接時的電氣連接點須用黑點標(biāo)出。551.1電氣控制線路的設(shè)計、繪製及分析
一、電氣控制線路的設(shè)計概述(一)設(shè)計的基本原則
滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求,操作、維修方便的基本要求。通過優(yōu)選器件,提高可靠性,延長壽命,提高產(chǎn)品的競爭力。(二)設(shè)計的基本內(nèi)容
1.擬訂設(shè)計的任務(wù)書。
2.選擇拖動方案和控制方式。
3.設(shè)計電氣原理圖及合理選擇元件(原理設(shè)計)。
4.繪製電氣安裝接線圖(工藝設(shè)計)。
5.匯總資料,編寫說明書。561.選用典型環(huán)節(jié)。2.合理設(shè)計電路:必要時,可以使用邏輯代數(shù)化簡電路,優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)。①設(shè)計電氣原理圖時,還要考慮工程施工的要求。圖2-1控制電路例如(雙控)圖2-1b與圖2-1a相比,具有節(jié)省連接導(dǎo)線,可靠性高。(三)設(shè)計的一般規(guī)律57②減少控制觸點,提高可靠性(a) (b)圖2-2控制電路例如:圖2-2a電路中,繼電器線圈電流需要依次流過多個觸點。圖2-2b的控制電路每一個繼電器線圈電流僅流過一個觸點,可靠性得到提高。58③防止競爭現(xiàn)象圖2-3反身自停電路例如:圖2-3a為反身自停電路,存在電氣導(dǎo)通的競爭現(xiàn)象。圖2-3b為無競爭的反身自停電路。結(jié)論:繼電、接觸器控制電路不得用自身觸點切斷線圈的導(dǎo)電電路。59(四)設(shè)計的基本方法
電氣控制原理設(shè)計方法有兩種,經(jīng)驗設(shè)計法和邏輯代數(shù)設(shè)計法。
1.經(jīng)驗設(shè)計法
電氣控制設(shè)計的內(nèi)容包括主電路、控制電路和輔助電路的設(shè)計。(1)電氣控制設(shè)計步驟①主電路→②控制電路→③輔助電路→④反復(fù)審核。(2)常用的經(jīng)驗設(shè)計方法
①根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求,選用典型環(huán)節(jié),將它們有機(jī)的組合起來,並加以補充修改,綜合成所需的控制電路。
②沒有典型環(huán)節(jié),可以根據(jù)工藝要求自行設(shè)計,採用邊分析邊畫圖的方法,不斷增加電器元件和控制觸點,以滿足給定的工作條件和要求。(3)經(jīng)驗設(shè)計的特點
①設(shè)計方法簡單易於掌握,使用廣泛。
②要求設(shè)計者有一定的設(shè)計經(jīng)驗,需要反復(fù)修改圖紙,設(shè)計速度較慢。
③設(shè)計程式不固定,一般需要進(jìn)行模擬實驗。
④不宜獲得最佳設(shè)計方案。602.邏輯設(shè)計法
利用邏輯代數(shù),從生產(chǎn)工藝出發(fā),考慮控制電路中邏輯變數(shù)關(guān)係,在狀態(tài)波形圖的基礎(chǔ)上,按照一定的設(shè)計方法和步驟,設(shè)計出符合要求的控制電路。
該方法設(shè)計出的電路較為合理、精練可靠,特別在複雜電路設(shè)計時,可以顯示出邏輯設(shè)計法的設(shè)計優(yōu)點。61注意:理論部分同學(xué)們自學(xué),實際繪製與分析,邊設(shè)計分析邊講解!二、電氣控制線路的繪製與分析三、電氣控制原則注意:時間原則、速度原則、電流原則、與行程原則,在下節(jié)實例講解!四、電動機(jī)保護(hù)環(huán)節(jié)注意:短路保護(hù);超載保護(hù);欠、失電壓保護(hù);接地保護(hù)等。五、電氣控制電路的連鎖環(huán)節(jié)注意:電氣聯(lián)鎖、機(jī)械聯(lián)鎖。622.2基本電氣控制線路
一、直接起動控制線路?直接起動:在電源容量足夠大時,小容量籠型電動機(jī)可直接起動。
優(yōu)點:是電氣設(shè)備少,線路簡單。
缺點:是起動電流大,引起供電系統(tǒng)電壓波動,干擾其他用電設(shè)備的正常工作。(一)點動控制
注意:根據(jù)控制要求,分析需要的電氣器件。
主電路:由刀開關(guān)QS、熔斷器FU、交流接觸器的主觸點KM、熱繼電器FR、籠型電動機(jī)M和接地保護(hù)PE組成;
控制電路:由起動按鈕SB和交流接觸器線圈KM組成。63圖2-4實現(xiàn)點動的控制線路(一)點動控制最簡單的點動控制:適合小功率電動機(jī)控制起動過程:先合上刀開關(guān)QS→按下起動按鈕SB→接觸器線圈KM通電→接觸器主觸點KM閉合→電動機(jī)M通電直接起動。停機(jī)過程:鬆開起動按鈕SB→接觸器線圈KM斷電→接觸器主觸點KM斷開→電動機(jī)M停電停轉(zhuǎn)。點動控制:按下按鈕,電動機(jī)轉(zhuǎn)動,鬆開按鈕,電動機(jī)停轉(zhuǎn),這種控制就叫點動控制,它能實現(xiàn)電動機(jī)短時轉(zhuǎn)動,常用於機(jī)床的對刀調(diào)整和電動葫蘆等。保護(hù)環(huán)節(jié):短路保護(hù)FU;超載保護(hù)FR;欠、失電壓保護(hù)KM;接地保護(hù)PE。64(二)長動(連續(xù))控制長動控制:在實際生產(chǎn)中往往要求電動機(jī)實現(xiàn)長時間連續(xù)轉(zhuǎn)動,即所謂長動控制。根據(jù)控制要求,分析需要的電氣器件。主電路:由刀開關(guān)QS、熔斷器FU、接觸器的主觸點KM
、熱繼電器發(fā)熱元件FR、電動機(jī)M和接地保護(hù)PE組成;控制電路:由停止按鈕SB2、起動按鈕SB1、接觸器的常開輔助觸點和線圈KM
、熱繼電器的常閉觸點FR組成。65起動過程:合上刀開關(guān)QS→按下起動按鈕SB2→接觸器線圈KM通電→接觸器主觸點KM閉合和常開輔助觸點閉合→電動機(jī)M接通電源運轉(zhuǎn);鬆開起動按鈕SB2,利用接通的接觸器常開輔助觸點KM自鎖、電動機(jī)M連續(xù)運轉(zhuǎn)。自鎖概念:這種依靠接觸器自身輔助常開觸點的閉合而使線圈保持通電的控制方式,稱自鎖或自保。(二)長動(連續(xù))控制長動控制:適合長時間連續(xù)轉(zhuǎn)動電動機(jī)控制停機(jī)過程:按下停止按鈕SB1→接觸器線圈KM斷電→接觸器主觸點KM和輔助常開觸點KM斷開→電動機(jī)M斷電停轉(zhuǎn)。保護(hù)環(huán)節(jié):短路保護(hù)FU;超載保護(hù)FR;欠、失電壓保護(hù)KM;接地保護(hù)PE。圖2-5長動控制線路66工作原理(演示)本控制線路具有如下三點優(yōu)點:1)防止電源電壓嚴(yán)重下降時電動機(jī)欠電壓運行。2)防止電源電壓恢復(fù)時,電動機(jī)自行起動而造成設(shè)備和人身事故。3)避免多臺電動機(jī)同時起動造成電網(wǎng)電壓的嚴(yán)重下降。67(三)點動和長動混合控制
在生產(chǎn)實踐中,機(jī)床調(diào)整完畢後,需要連續(xù)進(jìn)行切削加工,則要求電動機(jī)既能實現(xiàn)點動又能實現(xiàn)長動。圖2-6點動和長動結(jié)合的控制線路68開關(guān)切換點動控制:SA斷開FU1KMM3~FRQL1L3L2主電路FU2SB1KMKMFRSB2SA控制電路(三)點動和長動混合控制圖2-6a的線路比較簡單,採用鈕子開關(guān)SA實現(xiàn)點動和長動控制。連續(xù)控制:SA閉合
69採用鈕子開關(guān)SA實現(xiàn)點動和長動控制70按鈕切換工作原理:連續(xù)控制:按下按鈕SB1點動控制:按下按鈕SB3FU1KMM3~FRQL1L3L2主電路FU2SB1KMKMFRSB2SB3控制電路(三)點動和長動混合控制圖2-6b的線路採用複合按鈕SB3實現(xiàn)控制。71採用複合按鈕SB3實現(xiàn)控制72中間繼電器KA控制工作原理:連續(xù)控制:按下按鈕SB3點動控制:按下按鈕SB2(三)點動和長動混合控制圖2-6c的線路採用中間繼電器KA實現(xiàn)控制。73採用中間繼電器KA實現(xiàn)控制74以下控制電路能否實現(xiàn)即能點動、又能連續(xù)運行
思考不能點動!KMSB1KMSB2FRSB75概述:在實際應(yīng)用中,往往要求生產(chǎn)機(jī)械改變運動方向,如工作臺前進(jìn)、後退;電梯的上升、下降等,這就要求電動機(jī)能實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。實現(xiàn):對於三相非同步電動機(jī)來說,可通過兩個接觸器來改變電動機(jī)定子繞組的電源相序來實現(xiàn)。二、可逆旋轉(zhuǎn)(正反轉(zhuǎn))控制線路電路形式:電動機(jī)原理:改變電動機(jī)三相電源的相序,可改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向按鈕、接觸器控制位置控制76按鈕、接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路(續(xù))主電路:KM2FU1KM1M3~FRQL1L3L2主電路控制電路:控制電路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2正轉(zhuǎn)按鈕反轉(zhuǎn)按鈕工作原理:基本控制電路缺點:77控制電路:工作原理:接觸器聯(lián)鎖控制聯(lián)鎖接觸器聯(lián)鎖(電氣互鎖)按鈕聯(lián)鎖(機(jī)械互鎖)控制電路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2KM2KM1接觸器聯(lián)鎖新名詞:電氣互鎖按鈕、接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路(續(xù))優(yōu)點:工作安全可靠缺點:操作不便78正反轉(zhuǎn)(電氣互鎖控制)79按鈕、接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路(續(xù))控制電路:工作原理:優(yōu)點:按鈕聯(lián)鎖控制操作方便控制電路FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2SB1SB2缺點:易產(chǎn)生故障聯(lián)鎖接觸器聯(lián)鎖(電氣互鎖)按鈕聯(lián)鎖(機(jī)械互鎖)新名詞:機(jī)械互鎖80按鈕、接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路(續(xù))控制電路:工作原理:優(yōu)點:接觸器、按鈕雙重聯(lián)鎖控制安全可靠,操作方便FU2FRSB3SB1KM1KM1KM2KM2SB2SB1SB2KM2KM1控制電路圖81正反轉(zhuǎn)(電氣機(jī)械互鎖控制)演示82a) b) c) 作業(yè):分析下列a、b、c控制工作過程?解:圖a、b、c是電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制線路
a)無互鎖控制電路
b)具有電氣互鎖的控制電路
c)具有複合互鎖的控制電路(完美)83正反轉(zhuǎn)(行程開關(guān)控制)84三、三相非同步電動機(jī)的調(diào)速控制線路
1.雙速電機(jī)控制(按鈕控制)852.雙速電機(jī)控制(開關(guān)控制)86四、三相非同步電動機(jī)的制動控制線路原因:三相非同步電動機(jī)從切除電源到完全停止運轉(zhuǎn)。由於慣性的關(guān)係,總要經(jīng)過一段時間,這往往不能適應(yīng)某些生產(chǎn)機(jī)械工藝的要求。如萬能銑床、臥式鏜床、電梯等,為提高生產(chǎn)效率及準(zhǔn)確停位,要求電動機(jī)能迅速停車,對電動機(jī)進(jìn)行制動控制。方法:制動方法一般有兩大類
1.機(jī)械制動
2.電氣制動
①反接制動
②能耗制動87反接制動控制線路88例1:如果圖10-17的控制電路接成如圖所示的那樣,會有什麼後果?89解:圖(a)電路中,KM的輔助常開觸頭不僅鎖住了SB2,而且也鎖住了SB1。因此,在按下SB2使接觸器KM線圈通電,其常開觸頭KM實現(xiàn)自鎖作用後,再按下SB1時,線圈KM不會斷電,即起動電動機(jī)後就無法用按鈕SB1使它停轉(zhuǎn),停止按鈕SB1失去了作用。圖(c)電路中,接觸器KM的常開觸頭與線圈並聯(lián),按下SB2時接觸器線圈通電,其常開觸頭閉合,造成短路,會燒斷熔斷器中的熔體。圖(d)電路中,用一個按鈕SB1的常開和常閉兩個觸頭替代原電路中的起動和停止兩個按鈕。當(dāng)按下按鈕SB1時,由於按鈕的結(jié)構(gòu)特點通常是常閉觸頭先斷開,常開觸頭後閉合,因此無法使接觸器線圈通電,電動機(jī)也就無法起動。90例2:如圖所示的電路中用了兩個起動按鈕SB2和SB3,試分析說明這個電路的工作原理。91解:電路中兩個起動按鈕是有區(qū)別的。SB3是常開常閉組合按鈕,它的常閉觸頭串聯(lián)在自鎖電路中,因此在按下SB3時,先切斷自鎖電路,使接觸器KM不能自鎖,故SB3只能起點動控制作用。而SB2則是普通的起動按鈕,在按下SB2時,自鎖電路能起作用。由此可見,本電路是既可點動又可使電動機(jī)連續(xù)運行的控制電路。92二、實驗內(nèi)容(1)點動實驗:不接KM的自鎖觸點,按SB2。(2)直接啟動及停車試驗:接上KM的自鎖觸點,啟動按SB2,停車按SB1。(3)欠壓保護(hù)實驗:電動機(jī)啟動後,拉開實驗裝置上的三相開關(guān)QS,使電動機(jī)停轉(zhuǎn),然後重新合上實驗裝置上的三相開關(guān)QS,不按SB2按鈕,觀察電動機(jī)是否會自行啟動。(4)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)實驗:拉開實驗裝置上的三相開關(guān)QS,將電動機(jī)定子繞組的三根電源線中任意兩根的一頭對調(diào),再合上實驗裝置上的三相開關(guān)QS,重新啟動電動機(jī),觀察電動機(jī)是否改變了轉(zhuǎn)向。9394五、實驗報告內(nèi)容1.畫出實驗步驟中的線路圖。2.寫出實驗的操作步驟。3.寫出實驗心得。六、思考題1.線路是如何實現(xiàn)電氣互鎖的?2.主回路只串聯(lián)兩只發(fā)熱元件?以星行連接的負(fù)載為例,沒有串聯(lián)發(fā)熱元件的一項發(fā)生超載時,是否也能得到保護(hù)?3.熱繼電器是否也能起到短路保護(hù)?4.零壓保護(hù)是如何實現(xiàn)的?5.若在實驗中發(fā)生故障,畫出故障線路,分析故障原因。95圖3-1電磁式接觸器及其電動機(jī)起保停控制線路示意圖96圖3-2簡單的起、保、停電氣控制線路97簡單的起、保、停電氣控制線路演示98二、電動機(jī)多地點控制線路(例:三地控制的線路)99三地控制的線路演示1001.主電路實現(xiàn)順序控制2.控制電路實現(xiàn)順序控制
要求幾臺電動機(jī)的啟動或停止按一定的先後順序來完成的控制方式三、順序、連鎖控制線路順序啟動同時停止控制順序啟動逆序停止控制例如機(jī)床中要求潤滑電動機(jī)起動後,主軸電動機(jī)才能起動101#1電機(jī)M1控制要求:
1.M1(油泵)起動後,M2(主軸電機(jī))才能起動
2.M2可單獨停#2電機(jī)M2順序、連鎖控制102主電路實現(xiàn)順序控制103控制電路實現(xiàn)順序控制(1):兩電機(jī)只保證起動的先後順序,沒有延時要求。
FUKM2FR2ABCFUM3~ABCKM1FR1M3~主電路控制電路KM2SB3SB4FR2KM2KM1SB1SB2FR1KM1KM1104控制電路實現(xiàn)順序控制(2):M1起動後,M2延時起動。SB2
KM1
KT
KM2
延時
KM2
M1起動KT
M2起動主電路同前控制電路KTKM2FRKM1SB1SB2KM1KM2KTKM2105順序啟動同時停止控制或M2單獨停止特點:電氣原理圖:FU1KM1M13~FR1QL1L3L2KM2M23~FR2主電路控制電路KM2FU2FRSB3FRKM1SB1SB4SB2KM1KM2KM1106
順序控制演示107順序啟動逆序停止控制FU1KM1M3~FR1QL1L3L2KM2M3~FR2KM2FU2FRSB3FRKM1SB1SB4SB2KM1KM2KM1KM2電氣原理圖:特點:主電路控制電路108四、起動控制電路
(一)籠型非同步電動機(jī)手動開關(guān)直接起動控制線路對容量較小,並且工作要求簡單的電動機(jī),如小型臺鑽、砂輪機(jī)、冷卻泵的電動機(jī),可用手動開關(guān)在動力電路中接通電源直接起動。109
一般中小型機(jī)床的主電動機(jī)採用接觸器直接起動用接觸器直接起動控制線路圖110(二)籠型非同步電動機(jī)降壓起動控制線路原因:容量大於10kW的籠型非同步電動機(jī)直接起動時,起動衝擊電流為額定值的4~7倍,故一般均需採用相應(yīng)措施降低電壓,即減小與電壓成正比的電樞電流,從而在電路中不至於產(chǎn)生過大的電壓降。方法:常用的降壓起動方式有定子電路串電阻降壓起動、星形—三角形(Y-△)降壓起動和自耦變壓器降壓起動。降壓原理:丫一?形的降壓起動方法是,起動時將電動機(jī)定子繞組結(jié)成丫形,這時加在電動機(jī)每相繞組上的電壓為電源電壓額定值的1/3,而其起動轉(zhuǎn)矩為?形連接直接起動轉(zhuǎn)矩的1/3。起動電流降為?形連接直接起動電流的1/3,作用:減小了起動電流對電網(wǎng)的影響。優(yōu)點:在於星形起動電流只是原來三角形接法的1/3,起動電流特性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格低。缺點:是起動轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)下降為原來三角形接法的1/3,轉(zhuǎn)矩特性差,因而本線路適用於電網(wǎng)電壓380V,額定電壓660V/380V,Y/?接法的電動機(jī)輕載起動的場合。111圖3-7星形—三角形降壓起動控制電路112星形—三角形降壓起動控制電路演示113(三)定子串電阻降壓起動控制電路(1)114(三)定子串電阻降壓起動控制電路(2)115原因:三相非同步電動機(jī)從切除電源到完全停止運轉(zhuǎn)。由於慣性的關(guān)係,總要經(jīng)過一段時間,這往往不能適應(yīng)某些生產(chǎn)機(jī)械工藝的要求。如萬能銑床、臥式鏜床、電梯等,為提高生產(chǎn)效率及準(zhǔn)確停位,要求電動機(jī)能迅速停車,對電動機(jī)進(jìn)行制動控制。五、制動控制電路方法:制動方法一般有兩大類
1.機(jī)械制動
2.電氣制動
①反接制動
②能耗制動116工作原理:改變非同步電動機(jī)定子繞組中的三相電源相序,使定子繞組產(chǎn)生方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場,從而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)制動。反接制動要求在電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時及時切斷反相序的電源,以防止電動機(jī)反向起動。(一)反接制動控制線路工作過程:當(dāng)想要停車時,首先將三相電源切換,然後當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時,再將三相電源切除??刂凭€路就是要實現(xiàn)這一過程。注意:電動機(jī)正在正方向運行時,如果把電源反接,電動機(jī)轉(zhuǎn)速將由正轉(zhuǎn)急速下降到零。如果反接電源不及時切除,則電動機(jī)又要從零速反向起動運行。如圖3-10(a)、圖3-10(b)所示為反接制動的控制線路。117(a)(b)圖3-10反接制動控制線路
118圖3-10(a)圖有這樣一個問題:在停車期間,如果為了調(diào)整工件,需要用手轉(zhuǎn)動機(jī)床主軸時,速度繼電器的轉(zhuǎn)子也將隨著轉(zhuǎn)動,其常開觸點閉合,KM2通電動作,電動機(jī)接通電源發(fā)生制動作用,不利於調(diào)整工作。存在問題與解決方案圖3-10(b)圖的反接制動線路解決了這個問題:控制線路中停止按鈕使用了複合按鈕SB1,並在其常開觸點上並聯(lián)了KM2的常開觸點,使KM2能自鎖。這樣在用手轉(zhuǎn)動電動機(jī)時,雖然KS的常開觸點閉合,但只要不按複合按鈕SB1,KM2就不會通電,電動機(jī)也就不會反接於電源,只有按下SB1,KM2才能通電,制動電路才能接通。注意:因電動機(jī)反接制動電流很大,故在主回路中串入電阻R,可防止制動時電動機(jī)繞組過熱。119反接制動控制線路演示120能耗制動時,制動轉(zhuǎn)矩隨電動機(jī)的慣性轉(zhuǎn)速下降而減小,因而制動平穩(wěn)。這種制動方法將轉(zhuǎn)子慣性轉(zhuǎn)動的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,又消耗在轉(zhuǎn)子的制動上,所以稱為能耗制動。能耗制動的制動轉(zhuǎn)矩大小與通入直流電流的大小與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n有關(guān),同樣轉(zhuǎn)速,電流大,制動作用強。一般接入的直流電流為電動機(jī)空載電流的3~5倍,過大會燒壞電動機(jī)的定子繞組。電路採用在直流電源回路中串接可調(diào)電阻的方法,調(diào)節(jié)制動電流的大小。工作原理:
在三相電動機(jī)停車切斷三相交流電源的同時,將一直流電源引入定子繞組,產(chǎn)生靜止磁場。電動機(jī)轉(zhuǎn)子由於慣性仍沿原方向轉(zhuǎn)動,則轉(zhuǎn)子在靜止磁場中切割磁力線,產(chǎn)生一個與慣性轉(zhuǎn)動方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的制動。設(shè)計方案:1.單向運行能耗制動控制線路
①按時間原則控制線路;
②按速度原則控制線路。
2.可逆運行能耗制動控制線路
3.單管能耗制動控制線路(二)能耗制動控制線路1211.單向運行能耗制動控制線路
(1)按時間原則控制線路。122(2)按速度原則控制線路。123單向能耗制動線路演示124能耗制動與反接制動比較
反接制動時,制動電流很大,因此制動力矩大,制動效果顯著,但在制動時有衝擊,制動不平穩(wěn)且能量消耗大。能耗制動與反接制動相比,制動平穩(wěn),準(zhǔn)確,能量消耗少,但制動力矩較弱,特別在低速時制動效果差,並且還需提供直流電源。
在實際使用時,應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作要求選用合適的制動方法。125六、行程控制實現(xiàn)工作臺自動往復(fù)運動控制線路分析:(一)工作:1.合刀開關(guān)QS;2.按下啟動按鈕SB1;接觸器線圈KM1上電,進(jìn)給,到SQ1切換狀態(tài),KM2得電,KM1失電複位;返回,到SQ2切換,循環(huán)往復(fù)。(二)保護(hù):1.短路保護(hù)FU;2.超載保護(hù)FR;3.自鎖、互鎖保護(hù);4.PE接地保護(hù);5.欠壓保護(hù)(接觸器)。126行程控制實現(xiàn)工作臺自動往返運動控制線路127行程、時間控制實現(xiàn)動力頭滑臺鑽孔加工自動迴圈電器控制線路
分析:(一)工作:1.合刀開關(guān)QS;2.按下啟動按鈕SB1;接觸器線圈KM1上電,進(jìn)給加工開始,到SQ2切換狀態(tài),時間繼電器KT得電延時開始即進(jìn)行無進(jìn)給切削;同時KM1失電複位;KT時間到觸點切換,KM2得電,返回,到SQ1切換,KM2失電,釋放;KM1得電,重複前面的過程.(二)保護(hù):1.短路保護(hù)FU;2.超載保護(hù)FR;3.自鎖、互鎖保護(hù);4.PE接地保護(hù);5.欠壓保護(hù)(接觸器)。128行程、時間控制實現(xiàn)動力頭滑臺鑽孔加工的電器控制線路
(對前面進(jìn)行改造)分析:(一)工作:1.合刀開關(guān)QS;2.按下啟動按鈕SB1;接觸器線圈KM1上電,進(jìn)給加工開始,到SQ2切換狀態(tài),時間繼電器KT得電延時開始即進(jìn)行無進(jìn)給切削;同時KM1失電複位;KT時間到觸點切換,KM2得電,返回,到SQ1切換,KM2失電,釋放。(二)保護(hù):1.短路保護(hù)FU;2.超載保護(hù)FR;3.自鎖、互鎖保護(hù);4.PE接地保護(hù);5.欠壓保護(hù)(接觸器)。129補充:電流控制橫樑自動夾緊的線路在龍門刨床上裝有橫樑機(jī)構(gòu),刀架裝在橫樑上,隨加工件大小不同橫樑需要沿立柱上下移動,在加工過程中,橫粱又需要保證夾緊在立柱上不允許鬆動。橫樑升降電動機(jī)安裝在龍門項上,通過渦輪傳動,使立柱上的絲杠轉(zhuǎn)動,通過螺母使橫樑上下移動。橫樑的夾緊與放鬆由夾緊電動機(jī)完成。橫粱夾緊電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)傳動夾緊螺桿,通過杠桿作用使壓塊將橫樑夾緊或放鬆。130橫粱夾緊裝置示意圖131橫樑的狀態(tài):橫樑在靜止時,是被機(jī)械杠桿機(jī)構(gòu)央緊在龍門刨床的立柱上的,要求橫樑運動時必須首先放鬆橫樑。而在橫樑運動結(jié)束後,自動夾緊在立柱上。反映橫樑放鬆的參量:採用行程開關(guān)SQ來檢測和控制。反映橫樑夾緊程度的參量:用夾緊電動機(jī)的電流來反映夾緊力的大小,因為產(chǎn)生夾緊力後,夾緊力要增大,電流也增大,電流參量反映橫樑夾緊程度,我們使用電流繼電器來檢測夾緊電動機(jī)的電流值,當(dāng)電流到達(dá)預(yù)定值時,標(biāo)誌夾緊到位,電流繼電器的觸點動作,切換電路,夾緊停止,達(dá)到控制目的。132橫粱自動夾緊控制線路133橫粱自動夾緊控制工作分析:按橫樑運動按鈕SBl後(橫樑運行電動機(jī)和控制線路末畫出),中間繼電器K通電,其常閉觸點打開,常開觸點閉合,KM2吸合,電動機(jī)反轉(zhuǎn),帶動機(jī)械杠桿機(jī)構(gòu)使橫樑放鬆,放鬆一定程度後行程開關(guān)SQ按壓合,其常閉觸點打開,KM2釋放,橫樑放鬆完畢。SQ常開觸點閉合,為橫粱夾緊作準(zhǔn)備。當(dāng)不用要橫樑運動時,可鬆開按鈕SBl,中間繼電器K釋放,其常閉觸點閉合,接觸器KM1動作,電動機(jī)正轉(zhuǎn),開始夾緊。此時行程開關(guān)SQ釋放,但KM1通過中間繼電器K及自鎖觸點仍然通電,繼續(xù)夾緊。隨著夾緊電動機(jī)電流越來越大,大到一定值時,電流繼電器KA動作,其常閉觸點打開,KM1失電,夾緊停止。134分析下列a、b、c控制工作過程?圖2-7兩臺電動機(jī)順序起動控制線路圖2-7a所示控制線路的特點是:KM2的線圈接在KM1自鎖觸頭後面,這就保證了M1起動後,M2才能起動的順序控制要求。圖2-7b所示控制電路的特點是:在KM2的線圈回路中串接了KM1的常開觸頭。顯然,KM1不吸合,即使按下SB2,KM2也不能吸合,這就保證了只有M1電機(jī)起動後,M2電機(jī)才能起動。停止按鈕SB3控制兩臺電動機(jī)同時停止,停止按鈕SB4控制M2電動機(jī)的單獨停止。圖2-7c所示控制電路的特點:在圖2-7b中的SB3按鈕兩端並聯(lián)了KM2的常開觸頭,從而實現(xiàn)了M1起動後,M2才能起動,而M2停止後,M1才能停止的控制要求,即M1、M2是順序起動,逆序停止。135習(xí)題與思考題3-1如何決定籠型非同步電動機(jī)是否可採用直接起動法?3-2長動和點動的區(qū)別是什麼?3-3籠型非同步電動機(jī)是如何改變轉(zhuǎn)動方向的?3-4什麼叫能耗制動?什麼叫反接制動?各有什麼特點及適用場合?3-5什麼是自鎖?什麼是互鎖?試舉例說明各自的作用。3-6畫出帶有熱繼電器超載保護(hù)的籠型非同步電動機(jī)正常起動運轉(zhuǎn)的控制線路。3-7畫出具有雙重互鎖的非同步電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制線路。3-8某三相籠型非同步電動機(jī)單向運轉(zhuǎn),要求起動電流不能過大,制動時要快速停車。試設(shè)計主電路和控制電路,並要求有必要的保護(hù)。3-9某三相籠型非同步電動機(jī)可正反轉(zhuǎn),要求降壓起動,快速停車。試設(shè)計主電路和控制電路,並要求有必要的保護(hù)。3-10星形—三角形降壓起動方法有什麼特點並說明其使用場合?1363-11試設(shè)計一個採取兩地操作的點動與連續(xù)運轉(zhuǎn)的電路圖。3-12試設(shè)計一控制電路,要求:按下按鈕SB,電動機(jī)M正轉(zhuǎn);鬆開SB,M反轉(zhuǎn),1min後M自動停止,畫出其控制線路。3-13試設(shè)計兩臺籠型電動機(jī)M1、M2的順序起動停止的控制線路。(1)M1、M2能順序起動,並能同時或分別停止。(2)M1起動後M2起動,M1可點動,M2可單獨停止。3-14設(shè)計一個控制電路,要求第一臺電動機(jī)起動10s以後,第二臺電動機(jī)自動起動。運行5s後,第一臺電動機(jī)停止,同時第三臺電動機(jī)自動起動;運行15s後,全部電動機(jī)停止。3-15設(shè)計一控制電路,控制一臺電動機(jī),要求:(1)可正反轉(zhuǎn);(2)兩處起停控制;(3)可反接制動;(4)有短路和超載保護(hù)。137?繼電器控制系統(tǒng)存在的缺點
(主要是線路複雜):1.繼電器控制線路是接線開關(guān)電路,實現(xiàn)控制的程式就線上路接法的本身,線路一旦確定,難以調(diào)整和更改,不能適應(yīng)當(dāng)前快速的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品更新的要求。2.輸出回應(yīng)時間長,不能適應(yīng)生產(chǎn)自動化程度不斷提高的要求。3.控制要求複雜時,繼電器控制系統(tǒng)將變得十分龐大笨重,難以實現(xiàn)。因此隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們在不斷探求著實現(xiàn)開關(guān)量控制的新途徑。4.1PLC的由來一、產(chǎn)生138?PLC控制系統(tǒng)比電氣控制系統(tǒng)好得多①控制方法上:硬:軟②工作方式上:
並行工作方式:串行工作方式③控制速度上:
速度慢:快
④定時和計數(shù)控制上:
精度低:高
⑤可靠性和可維護(hù)性上:可靠性低:高1391968年美國通用汽車公司GM:適應(yīng)汽車型號的不斷更新;生產(chǎn)工藝不斷變化的需要;小批量、多品種生產(chǎn)。盡可能減少重新設(shè)計;盡可能減少更換繼電器控制系統(tǒng)及接線;降低成本,縮短週期。PLC產(chǎn)生的背景1401968年,GM公司提出十項設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)——招標(biāo):編程簡單,可在現(xiàn)場修改程式;維護(hù)方便,採用插件式結(jié)構(gòu);可靠性高於繼電器控制櫃;體積小於繼電器控制櫃;成本可與繼電器控制櫃競爭;可將數(shù)據(jù)直接送入電腦;可直接使用115V交流輸入電壓;輸出採用115V交流電壓,能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等;通用性強,擴(kuò)展方便;能存儲程式,記憶體容量可以擴(kuò)展到4KB。141這次招標(biāo)引起了工業(yè)界的密切注視,吸引了不少大公司前來投標(biāo),最後DEC公司(美國數(shù)字設(shè)備公司)一舉中標(biāo),並於1969年研製成功第一臺PC,當(dāng)時命名為PC(ProgrammableController)。這臺PLC投運到汽車生產(chǎn)線後,取得了極為滿意的效果,引發(fā)了效仿的熱潮,從此PLC技術(shù)得以迅猛的發(fā)展。142
嚴(yán)格地講,至今對PLC沒有最終的定義。
國際電工委員會(IEC)1985年在可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案(第二稿)中作了如下的定義:“可編程序控制器是一種數(shù)字運算的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境條件下應(yīng)用而設(shè)計。它採用可編程序的記憶體,用來在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令,並通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出,控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程??删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備都應(yīng)按易於使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體、易於擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。”
美國電氣製造協(xié)會(NEMA)1987年作的定義如下:“它是一種帶有指令記憶體、數(shù)字或模擬I/O介面,以位運算為主,能完成邏輯、順序、定時、計數(shù)和算術(shù)運算功能,用於控制機(jī)器或生產(chǎn)過程的自動控制裝置?!?/p>
IEC(國際電工委員會)在標(biāo)準(zhǔn)草案中,將這種裝置定義為可編程序控制器(ProgrammableController),簡稱PC。為了避免同個人電腦混淆,現(xiàn)在一般將可編程序控制器簡稱PLC(ProgrammableLogicController)。二、定義143①可編程控制器與微機(jī)的比較學(xué)習(xí)難易程度不同
PLC繼承了繼電器系統(tǒng)的基本格式和習(xí)慣,對於有繼電器控制經(jīng)驗的人,學(xué)習(xí)起來容易。微機(jī)需要更多的知識儲備。通用性不同
PLC一般是由電氣控制器的製造廠家研製生產(chǎn),各廠家的產(chǎn)品不通用。微機(jī)是由通用電腦推廣應(yīng)用發(fā)展起來的,標(biāo)準(zhǔn)化程式高,相容性強。運行方式不同
PLC不能直接使用微機(jī)的許多軟體。PLC一般具有模組結(jié)構(gòu),可針對不同對象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。微機(jī)可使用通用微機(jī)的各種編程語言,對要求快速,即時性強、模型複雜的工業(yè)對象的控制佔有優(yōu)勢,但它要求使用者具有一定電腦專業(yè)知識。相同點:PLC和微機(jī)都是專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計的,都具有很高的可靠性。三、關(guān)於PLC的幾個比較144②可編程控制與繼電接觸器控制的比較◆控制邏輯不同
PLC為“軟接線”技術(shù),繼電為硬接線邏輯?!艨刂七壿嫹矫?/p>
PLC:同一個器件的線圈和它的各觸點動作不同時發(fā)生。繼電:同一繼電器的所有觸點與線圈通電或斷電同時發(fā)生◆控制速度
PLC:速度極快;繼電:速度慢◆定時/計數(shù)
PLC定時精度高,範(fàn)圍大,有計數(shù)功能,繼電:定時精度不高,範(fàn)圍小,無計數(shù)功能◆設(shè)計與施工
PLC:現(xiàn)場施工與程式設(shè)計同步進(jìn)行,週期短,調(diào)試和維修方便。繼電:設(shè)計、現(xiàn)場施工、調(diào)試必須依次進(jìn)行,周期長,而且修改困難◆可靠性和維護(hù)性
PLC連線少,使用方便,並具有自診斷作用等◆價格
PLC:貴(長遠(yuǎn)利益)繼電:便宜(短期利益)145③繼電-接觸器控制與PLC控制原理圖的比較主電路原理圖相同PLC控制原理圖原理圖
繼電-接觸器控制原理圖
146繼電-接觸器控制線路PLC控制線路(梯形圖)④繼電-接觸器控制與PLC控制控制圖的比較147⑤繼電-接觸器控制與PLC控制實際控制的比較
繼電-接觸器控制直接控制(起保停)148⑤繼電-接觸器控制與PLC控制實際控制的比較
PLC控制連續(xù)控制(起保停)149⑤繼電-接觸器控制與PLC控制實際控制的比較繼電-接觸器控制正反轉(zhuǎn)控制電路150⑤繼電-接觸器控制與PLC控制實際控制的比較PLC控制正反轉(zhuǎn)控制電路151點數(shù)(I/OPoints):指能夠輸入/輸出開關(guān)量、模擬量的總個數(shù)。一般是4或8的倍數(shù)。四、常用術(shù)語掃描週期:是指PLC執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)控程序、用戶程式、I/O刷新一次所用的時間。它直接反映PLC的回應(yīng)速度,因此是PLC的重要指標(biāo)之一,其單位是ms/kw(kb)。梯形圖:梯形圖是PLC用戶編程時最常用的一種圖形編程方法,是表示I/O點之間邏輯關(guān)係的一種圖。它實質(zhì)上是變相的繼電器控制邏輯圖,形式和規(guī)範(fàn)非常相似,其目的是為了讓工廠技術(shù)人員不必懂電腦,就可使用(設(shè)計、閱讀)它。1524.2PLC的功能、特點與分類
一、主要功能1.開關(guān)邏輯和順序控制這是PLC應(yīng)用最廣泛、最基本的場合。它的主要功能是完成開關(guān)邏輯運算和進(jìn)行順序邏輯控制,從而可以實現(xiàn)各種控制要求。2.模擬控制(A/D和D/A控制)
在工業(yè)生產(chǎn)過程中,許多連續(xù)變化的需要進(jìn)行控制的物理量,如溫度、壓力、流量、液位等,這些都屬於模擬量。過去,PLC長於邏輯運算控制,對於模擬量的控制主要靠儀錶或分佈式控制系統(tǒng),目前大部分PLC產(chǎn)品都具備處理這類模擬量的功能,而且編程和使用方便。3.定時/計數(shù)控制
PLC具有很強的定時、計數(shù)功能,它可以為用戶提供數(shù)十甚至上百個定時器與計數(shù)器。對於定時器,定時間隔可以由用戶加以設(shè)定;對於計數(shù)器,如果需要對頻率較高的信號進(jìn)行計數(shù),則可以選擇高速計數(shù)器。1534.步進(jìn)控制
PLC為用戶提供了一定數(shù)量的移位寄存器,用移位寄存器可方便地完成步進(jìn)控制功能。5.運動控制
在機(jī)械加工行業(yè),可編程序控制器與電腦數(shù)控(CNC)集成在一起,用以完成機(jī)床的運動控制。6.數(shù)據(jù)處理大部分PLC都具有不同程度的數(shù)據(jù)處理能力,它不僅能進(jìn)行算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送,而且還能進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示列印等操作,有些PLC還可以進(jìn)行浮點運算和函數(shù)運算。7.通信聯(lián)網(wǎng)
PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能,它使PLC與PLC之間、PLC與上位電腦以及其他智能設(shè)備之間能夠交換資訊,形成一個統(tǒng)一的整體,實現(xiàn)分散集中控制。154二、可編程控制器的特點編程方法簡單易學(xué)功能強,性能價格比高通用性強,控制程式可變硬體配套齊全.用戶使用方便。(適應(yīng)性強)可靠性高。(抗干擾能力強:硬體、軟體)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少維護(hù)工作量小,維修方便體積小,能耗低成本低,水準(zhǔn)高155可編程序控制器採取了一系列硬體和軟體抗干擾措施,具有很強的抗干擾能力,平均無故障時間達(dá)到數(shù)萬小時以上,可以直接用於有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。硬體抗干擾措施:(1)常規(guī)手段:選用優(yōu)質(zhì)元器件,設(shè)計合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實施加固使其易於抗衝擊,印製板的設(shè)計加工和焊接工藝嚴(yán)格規(guī)範(fàn)。(2)隔離:所有I/O電路一律採用光電器件進(jìn)行隔離,使內(nèi)外無電氣回路的聯(lián)接點(電浮空),這樣可以抗電干擾。(3)濾波:對供電系統(tǒng)及輸入回路採用模擬量濾波(如LC、π型濾波網(wǎng)路),再加上數(shù)字濾波,以消除或抑制高頻干擾。(4)遮罩:採用導(dǎo)電、導(dǎo)磁性能良好的材料進(jìn)行遮罩,以防電磁波輻射的干擾。(5)增強電源的適應(yīng)性:PLC的供電系統(tǒng)(內(nèi)部為DC)採用開關(guān)電源,並用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整,使之適應(yīng)電網(wǎng)電壓較寬範(fàn)圍的波動。(6)採用模組式結(jié)構(gòu):一旦某模組有故障,能迅速更換,使系統(tǒng)停用時間減到最低程度。156軟體抗干擾措施:(1)設(shè)置警戒時鐘WDT(看門狗):PLC在正常的運行程式中對WDT定時複位,若超過了WDT規(guī)定的時間,WDT會發(fā)出報警信號,並強制系統(tǒng)CPU複位,使之走入正常的運行程式。(2)系統(tǒng)軟體對用戶軟體自動進(jìn)行檢查:能對用戶程式進(jìn)行查錯、報錯,使用戶程式無語法、結(jié)構(gòu)性錯誤,錯誤的程式或參數(shù)得不到運行。(3)掉電保護(hù):對RAM區(qū)用後備電池或蓄能電容,掉電時使RAM繼續(xù)有電,保證用戶程式運行的狀態(tài)資訊和中間數(shù)據(jù)不會丟失。(4)自檢:系統(tǒng)程式中有對CPU及週邊器件自動檢測的功能,一旦出錯,立即報警。157按I/O點數(shù)分小型PLC
I/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC
(其中I/O點數(shù)小於64點的為超小型或微型PLC)中型PLC
I/O點數(shù)為256點以上、2048點以下的為中型PLC大型PLC
I/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC
(其中I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC)三、可編程控制器的類型目前PLC的種類非常多,型號和規(guī)格也不統(tǒng)一,瞭解PLC的分類有助於PLC的選型和應(yīng)用。158按結(jié)構(gòu)形式分整體式PLC
將電源、CPU、I/O介面等部件都集中裝在一個機(jī)箱內(nèi),具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低等特點。模組式PLC
將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模組,如CPU模組、I/O模組、電源模組(有的含在CPU模組中)以及各種功能模組。緊湊式PLC
還有一些PLC將整體式和模組式的特點結(jié)合起來。模組式PLC
將PLC各組成部分分別作成若干個單獨的模組,如CPU模組、I/O模組、電源模組(有的含在CPU模組中)以及各種功能模組。緊湊式PLC
還有一些PLC將整體式和模組式的特點結(jié)合起來。整體式PLC
將電源、CPU、I/O介面等部件都集中裝在一個機(jī)箱內(nèi),具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低等特點。159按功能分低檔PLC
具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能,還可有少量模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。中檔PLC
具有低檔PLC功能外,增加模擬量輸入/輸出、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠(yuǎn)程I/O、副程式、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還增設(shè)中斷、PID控制等功能。
高檔PLC
具有中檔機(jī)功能外,增加帶符號算術(shù)運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)運算、製錶及表格傳送等。高檔PLC機(jī)具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能。
1604.3PLC的應(yīng)用狀況和發(fā)展趨勢
一、應(yīng)用狀況
PLC自問世以來,經(jīng)30多年的發(fā)展,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美、日、德等)已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一,生產(chǎn)廠家不斷湧現(xiàn),PLC的品種多達(dá)幾百種。國內(nèi)應(yīng)用始於80年代。一些大中型工程專案引進(jìn)的生產(chǎn)流水線上採用了PLC控制系統(tǒng),使用後取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益,從而促進(jìn)了國內(nèi)PLC的發(fā)展和應(yīng)用。
目前國內(nèi)PLC的應(yīng)用已取得了許多成功的經(jīng)驗和成果,證明了PLC是大有發(fā)展前途的工業(yè)控制裝置,它與DCS、SCADA、電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互集成、互相補充而形成的綜合系統(tǒng)將得到更加廣泛的應(yīng)用。161
我國PLC的生產(chǎn)廠家主要是80年代湧現(xiàn)出來的,靠技術(shù)引進(jìn)、轉(zhuǎn)讓、合資等方式進(jìn)行生產(chǎn),目前約有十幾家表4-1我國PLC的生產(chǎn)廠家及生產(chǎn)的PLC型號(不全)生產(chǎn)廠家PLC型號生產(chǎn)廠家PLC型號天津中環(huán)自動化儀錶公司DJK-84無錫華光電子工業(yè)有限公司KCK系列上海東屋電器有限公司CF系列蘇州機(jī)床電器廠CYK系列杭州機(jī)床電器廠DKK、D系列上海電力電子設(shè)備廠KKI-IC大連組合機(jī)床研究所S系列機(jī)械部北京自動化所MPC、KB系列上海國際程式控制公司E、EM、H系列上海工業(yè)自動化研究所TCMS-300/D杭州通靈控制電腦公司HZK系列蘇州電子電腦廠YZ系列162日本:立石(OMRON)、三菱、日立、夏普、松下、東芝、富士、安川、橫河、光洋(Koyo)等公司。美國:AB(AllenBradley)、GM(GouldModicon)、GE(GE-Fanuc)、SquareD、西屋(WestingHouse)、TI儀器(Texas,Instruments德洲儀器)等公司。德國:西門子(Siemens)、BBC、AEG等公司。法國:TE(Telemecanique)公司等。目前國內(nèi)市場還有韓國、臺灣等PLC產(chǎn)品國內(nèi)流行的PLC多是國外產(chǎn)品,主要有:163
其中美國的A-B、GE-Fanuc、Modicon,德國的西門子(Siemens),法國的TE(Telemecanique),日本的三菱、立石(OMRON)等7家公司,在所有PLC製造廠中佔有主導(dǎo)地位。這7家公司佔有著全世界PLC市場80%以上的份額,他們的系列產(chǎn)品有其技術(shù)廣度和深度,從售價為100美元左右的微型PLC到有數(shù)千個I/O點的大型PLC應(yīng)有盡有。
小型PLC日本各廠家佔領(lǐng)的市場份額最大,其結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點也較為突出,故其他國家小型PLC的結(jié)構(gòu)形式也都向日本看齊。大、中型PLC市場份額的90%一直被美、日、歐三家佔領(lǐng),具有三足鼎立之勢,近年來日本稍有頹勢。164165166167圖例:ABSLC500168二、PLC的應(yīng)用領(lǐng)域:
目前,PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用冶金、石油、化工、建材、機(jī)械製造、電力、汽車、輕工、環(huán)保及文化娛樂等各行各業(yè),隨著PLC性能價格比的不斷提高,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從PLC應(yīng)用類型看,大致可歸納為以下幾個方面:開關(guān)量邏輯控制、運動控制、過程控制(PID閉環(huán)控制)、數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)(構(gòu)成DCS、FCS系統(tǒng))。
PLC的應(yīng)用範(fàn)圍已從傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)設(shè)備和機(jī)械的自動控制,擴(kuò)展到以下應(yīng)用領(lǐng)域:中小型過程控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程維護(hù)服務(wù)系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)視控制系統(tǒng),以及與生活相關(guān)的機(jī)器、與環(huán)境相關(guān)的機(jī)器,而且有急速的上升趨勢。注:DCS:集散控制系統(tǒng);FCS:現(xiàn)場匯流排控制系統(tǒng)169170傳送帶生產(chǎn)線控制灌裝及包裝機(jī)械木材加工電梯控制空調(diào)控制紡織機(jī)械印刷機(jī)械171172173174175176177178179180
隨著PLC技術(shù)的推廣、應(yīng)用,PLC將向兩個方面發(fā)展:一方面向著大型化的方向發(fā)展,另一方面則向著小型化的方向發(fā)展。
PLC向大型化方向發(fā)展,主要表現(xiàn)在大中型PLC高功能、大容量、智能化、網(wǎng)路化發(fā)展,使之能與電腦組成集成控制系統(tǒng),對大規(guī)模、複雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合的自動控制。
PLC向小型化方向發(fā)展,主要表現(xiàn)在下列幾個方面:為了減小體積、降低成本,向高性能的整體型發(fā)展;在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上,產(chǎn)品的體積越來越小,功能越來越強;應(yīng)用的專業(yè)性,使得控制品質(zhì)大大提高。三、發(fā)展趨勢181高性能、高速度、大容量方向發(fā)展為了提高PLC的處理能力,要求PLC具有更好的回應(yīng)速度和更大的存儲容量。目前,有的PLC的掃描速度可達(dá)0.1ms/k步左右。PLC的掃描速度已成為很重要的一個性能指標(biāo)。在存儲容量方面,有的PLC最高可達(dá)幾十兆位元組。為了擴(kuò)大存儲容量,有的公司已使用了磁泡記憶體或硬碟。
182向小型化和大型化兩個方向發(fā)展小型PLC由整體結(jié)構(gòu)向小型模組化結(jié)構(gòu)發(fā)展,使配置更加靈活,為了市場需要已開發(fā)了各種簡易、經(jīng)濟(jì)的超小型微型PLC,最小配置的I/O點數(shù)為8~16點,以適應(yīng)單機(jī)及小型自動控制的需要。大型化是指大中型PLC向大容量、智能化和網(wǎng)路化發(fā)展,使之能與電腦組成集成控制系統(tǒng),對大規(guī)模、複雜系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的自動控制?,F(xiàn)已有I/O點數(shù)達(dá)14336點的超大型PLC,其使用32位微處理器,多CPU並行工作和大容量記憶體,功能強。183大力開發(fā)智能模組,加強聯(lián)網(wǎng)與通信能力為滿足各種控制系統(tǒng)的要求,不斷開發(fā)出許多功能模組,如高速計數(shù)模組、溫度控制模組、遠(yuǎn)程I/O模組、通信和人機(jī)介面模組等。PLC的聯(lián)網(wǎng)與通信有兩類:①PLC之間聯(lián)網(wǎng)通信,各PLC生產(chǎn)廠家都有自己的專有聯(lián)網(wǎng)手段;②PLC與電腦之間的聯(lián)網(wǎng)通信。為了加強聯(lián)網(wǎng)與和通信能力,PLC生產(chǎn)廠家也在協(xié)商制訂通用的通信標(biāo)準(zhǔn),以構(gòu)成更大的網(wǎng)路系統(tǒng)。
184增強外部故障的檢測與處理能力據(jù)統(tǒng)計資料表明:在PLC控制系統(tǒng)的故障中,CPU占5%,I/O介面占15%,輸入設(shè)備占45%,輸出設(shè)備占30%,線路占5%。前二項共20%故障屬於PLC的內(nèi)部故障,它可通過PLC本身的軟、硬體實現(xiàn)檢測、處理。而其餘80%的故障屬於PLC的外部故障。PLC生產(chǎn)廠家都致力於研製、發(fā)展用於檢測外部故障的專用智能模組,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。
185編程語言多樣化在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時,PLC的編程語言也越來越豐富,功能也不斷提高。除了大多數(shù)PLC使用的梯形圖、語句表語言外,為了適應(yīng)各種控制要求,出現(xiàn)了面向順序控制的步進(jìn)編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與電腦相容的高級語言(BASIC、C語言等)等。多種編程語言並存、互補與發(fā)展是PLC進(jìn)步的一種趨勢。1865.1PLC硬體結(jié)構(gòu)組成PLC由三個基本部分組成:輸入部分、邏輯處理部分、輸出部分?;窘Y(jié)構(gòu)示意圖參見圖5-1所示。圖5-1PLC的基本組成框圖輸入部分輸出部分187輸入部分:是指各類按鈕、行程開關(guān)、感測器等介面電路,它收集並保存來自被控對象的各種開關(guān)量、模擬量資訊和來自操作臺的命令資訊等。邏輯處理部分:用於處理輸入部分取得的資訊,按一定的邏輯關(guān)係進(jìn)行運算,並把運算結(jié)果以某種形式輸出。輸出部分:是指驅(qū)動各種電磁線圈、交/直流接觸器、信號指示燈等執(zhí)行元件的介面電路,它向被控對象提供動作資訊。
為了使用方便,PLC還常配套有編程器等外部設(shè)備,它們可以通過匯流排或標(biāo)準(zhǔn)介面與PLC連接。不同廠家不同類型的PLC指令系統(tǒng)的指令符號、指令內(nèi)容、指令條數(shù)也是不同;關(guān)於軟器件和I/O口的相應(yīng)規(guī)定也不一樣。雖然PLC方方面面都有很多不同,但是這種裝置都稱為可編程序控制器,它們在基本內(nèi)涵上一定同多異少。188PLC硬體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成外部設(shè)備現(xiàn)場用戶輸出設(shè)備微處理器(CPU)運算器控制器輸出部件輸入部件系統(tǒng)存儲器用戶存儲器I/O擴(kuò)展接口通訊及編程接口編程設(shè)備電腦印表機(jī)等感測器按鈕、開關(guān)現(xiàn)場信號電磁閥中間繼電器執(zhí)行器現(xiàn)場用戶輸入設(shè)備擴(kuò)展設(shè)備擴(kuò)展單元通訊模組功能模組電源變換器~110V/220V市電PLC基本單元PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖189主CPU單元(10/20/30/40/60)擴(kuò)展單元(特殊功能,通訊.)數(shù)字量輸入輸出單元
:Max2模擬量輸入輸出單元
:Max2通訊單元
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