電氣控制與三菱PLC控制技術 課件 第1章　電氣控制技術基礎

1.1緒論 1.2常用低壓電器1.3電氣控制線路的繪圖規(guī)則1.1緒論 電氣控制系統(tǒng)是指由若干電氣元件組合而成的，用于實現(xiàn)對某個或某些對象的控制，從而保證被控設備安全、可靠運行的系統(tǒng)，其主要功能有自動控制、保護、監(jiān)視和測量。現(xiàn)代電氣控制系統(tǒng)的觸角已伸向各行各業(yè)，從食品加工到服裝加工、從大棚蔬菜種植到機械產(chǎn)品生產(chǎn)、從民用電器加工到軍工產(chǎn)品生產(chǎn)，處處都有它的身影。電氣控制技術的發(fā)展也走過了幾個比較有代表性的階段，了解這幾個有代表性的發(fā)展階段及其特點，對于學習電氣控制技術有很大幫助。1.開關控制電氣階段早期的電氣控制都比較簡單，主要是實現(xiàn)電器與電源之間的通斷控制。由于當時的電器電壓不是很高，電流不是很大，所以開關普遍采用裸露的非封閉形式，因此稱為可見斷點開關。比較有代表性的開關電器就是刀開關，至今仍然在普遍使用。由于開關一般由人直接操作，開關的通斷速度很慢，因此只能用于低壓且電流不太大的控制場合。2.繼電控制電氣階段繼電控制系統(tǒng)是利用具有繼電特性的元件進行控制的自動控制系統(tǒng)。所謂繼電特性，是指在輸入信號作用下輸出僅為通、斷等幾個狀態(tài)的特性。由于其控制方式是斷續(xù)的，因此也稱為斷續(xù)控制系統(tǒng)。各種接觸器、繼電器的使用，對電氣控制技術的發(fā)展具有決定性意義。繼電器與早期的開關電器相比具有許多優(yōu)異的特點，如具有記憶功能、動作速度快、可以實現(xiàn)較遠距離控制、具有放大作用、可以實現(xiàn)各種保護、可以實現(xiàn)監(jiān)測功能等。正是由于繼電器具有上述強大功能，自動裝置上的繼電器與其他電器一起可以組成程序控制線路，從而實現(xiàn)自動化運行。由于繼電器的出現(xiàn)，人類才第一次實現(xiàn)了電氣控制自動化。因此，繼電器的運用在電氣控制的發(fā)展史上具有里程碑意義。繼電器接觸式控制系統(tǒng)具有控制結構簡單、方便實用、易于維護、控制容量大、抗干擾能力強、價格低廉、控制裝置比較簡單等優(yōu)點。同樣功率下，繼電控制裝置的質(zhì)量和體積在各類控制系統(tǒng)中是比較小的，因此它被廣泛應用于各類電氣控制設備中。目前，繼電器接觸式控制仍然是電氣控制設備中最基本的控制形式之一，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)至今仍在許多生產(chǎn)機械設備中廣泛應用。繼電控制系統(tǒng)的主要缺點是控制的非線性，同時存在接線方式固定、靈活性差、難以適應復雜和程序可變的控制對象的要求，以及工作頻率低等。由于繼電控制系統(tǒng)的電氣接點太多，而且接點容易銹蝕、燒蝕、熔合及接觸不良，因此繼電控制系統(tǒng)的故障率較高，存在可靠性差的問題。同時繼電器的線圈耗電量很大，也不易實現(xiàn)電氣控制設備小型化的要求。3.數(shù)字邏輯控制階段開關電器和繼電器控制的實質(zhì)就是開關量的控制，因為只有接通“1”和斷開“0”兩個狀態(tài)。這里所講的數(shù)字邏輯控制階段是指集成電路被普遍采用以后，使用邏輯門電路進行的數(shù)字邏輯控制。在實際生產(chǎn)中，由于大量存在一些用開關量控制的簡單的程序控制過程，而實際生產(chǎn)工藝和流程又是經(jīng)常變化的，傳統(tǒng)的繼電器接觸式控制系統(tǒng)通常不能滿足這種要求，因此曾出現(xiàn)了繼電器接觸控制與電子技術相結合的控制裝置，叫作順序控制器。它是通過組合邏輯元件插接來實現(xiàn)繼電器接觸控制的，但裝置體積大，功能也受到一定限制。集成電路的邏輯門芯片具有體積小、質(zhì)量輕、耗電量小、工作可靠的特點。由集成的各種門電路、觸發(fā)器、寄存器、編碼器、譯碼器和半導體存儲器組成的組合邏輯電路和時序邏輯電路，已廣泛應用在電氣自動控制中，并且比較成功地解決了組合邏輯電路的競爭-冒險現(xiàn)象。數(shù)字邏輯控制階段最為成功的案例是數(shù)控機床的應用。為解決占機械總加工量80%左右的單件和小批量生產(chǎn)的自動化難題，20世紀50年代出現(xiàn)了數(shù)控機床。它綜合應用了數(shù)字邏輯控制、檢測、自動控制和機床結構設計等各個技術領域的最新技術成就。數(shù)控機床由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等部分組成，其中伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機床加工精度和生產(chǎn)率的主要因素之一。4.電子計算機控制階段1971年，Intel公司設計了世界上第一個微處理器芯片Intel4004，并以它為核心組成了世界上第一臺微型計算機MCS-4，開創(chuàng)了計算機應用的新時代。專門為工業(yè)控制而設計的單片機也在不久后誕生。單片機又稱單片微控制器，一塊芯片就是一臺計算機。它體積小，質(zhì)量輕，價格便宜，軟件可修改，為應用和開發(fā)提供了便利條件。利用單片機可以實現(xiàn)柔性控制、通信技術、多目標控制、仿真與智能控制等功能。單片機雖然具有強大的功能，但是它的價格卻不高(一般在10元以內(nèi))。低廉的價格和強大的功能為單片機在電氣控制領域內(nèi)的應用創(chuàng)造了條件。目前，單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通信設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器技術的發(fā)展及應用，電氣控制技術也發(fā)生了根本性的變化。在20世紀70年代，人們將計算機存儲技術引入順序控制器，產(chǎn)生了新型工業(yè)控制器——?可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC，簡稱可編程控制器)，它兼?zhèn)溆嬎銠C控制和繼電器控制系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點，故目前在世界各國已作為一種標準化通用電器普遍應用于工業(yè)自動控制領域?？删幊炭刂破骷夹g以硬接線的繼電器-接觸器控制為基礎，逐步發(fā)展為既有邏輯控制、計時、計數(shù)，又有運算、數(shù)據(jù)處理、模擬量調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信等功能的控制裝置。它可通過數(shù)字量或模擬量的輸入、輸出滿足各種類型設備控制的需要?？删幊炭刂破骷坝嘘P外部設備，均按既易于與工業(yè)控制系統(tǒng)組成一個整體，又易于擴充其功能的原則設計。可編程控制器已成為生產(chǎn)機械設備中開關量控制的主要電氣控制裝置。PLC是利用單片機技術，模仿繼電器的控制原理發(fā)展起來的。20世紀70年代的PLC只有開關量邏輯控制。它用來存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令，并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，來完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步(步序號為零)起依次執(zhí)行到最終步(通常為END指令)，再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。通用PLC應用于專用設備時，可以認為它就是一個嵌入式控制器，但PLC相對一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的穩(wěn)定性。PLC作為離散控制的首選產(chǎn)品，以微處理器為核心，通過軟件手段實現(xiàn)各種控制功能。它具有通用性強，可靠性高，能適應惡劣的工業(yè)環(huán)境，指令系統(tǒng)簡單，編程簡便易學、易于掌握，體積小，維修工作少，現(xiàn)場連接安裝方便等一系列優(yōu)點，正逐步取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，廣泛應用于各個行業(yè)。1.2常用低壓電器低壓電器是實現(xiàn)電氣控制線路的基本器件，是一種能根據(jù)外界的信號和要求，手動或自動地接通、斷開電路，以實現(xiàn)對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調(diào)節(jié)的元件或設備?？砂措娖鞴ぷ麟妷旱母叩停越涣?200?V、直流1500?V為界，劃分為高壓控制電器和低壓控制電器兩大類；按電器的動作性質(zhì)可分為手動電器和自動電器；按電器的性能和用途可分為控制電器和保護電器；按有無觸點可分為有觸點電器和無觸點電器；按電器的工作原理又可分為電磁式控制電器和非電磁式控制電器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防以及人們的日常生活中，大多數(shù)時候采用低壓供電，因此低壓電器被大量使用。低壓電器的種類也特別繁多，產(chǎn)品結構各式各樣，生產(chǎn)廠家眾多。目前，比較知名的國外低壓電器生產(chǎn)廠商有西門子公司(德國)、施耐德公司(法國)、OMRON公司(日本)、ABB公司(瑞士)、通用GE電氣(美國)等；國內(nèi)知名的廠商有正泰公司、德力西公司、上海華通企業(yè)集團、TCL工業(yè)電器、CNC長城電器等。下面介紹一些常用的控制系統(tǒng)中的低壓電器元件。1.2.1開關開關(CircuitBreaker)是指可以使電路開路、使電流中斷或使其流到其他電路的電子元件，是一種最常見的低壓電器。圖1-1為幾種常見的開關外形。在配電和電機保護電路中經(jīng)常使用的開關種類非常多，如刀開關、隔離開關、負荷開關、轉(zhuǎn)換開關、組合開關、斷路器等。在PLC自動控制電路中，使用最多的是斷路器。斷路器的圖形及文字符號如圖1-2所示。1.2.2接觸器接觸器(Contactor)是指利用通電線圈產(chǎn)生磁場，使觸點閉合來控制負載的電器。接觸器分為交流接觸器和直流接觸器，它應用于電力、配電與用電場合，經(jīng)常安裝在電動機的控制回路中，也可用于控制工廠設備﹑電熱器﹑工作母機和各種電力機組等電力負載。接觸器不僅能接通和切斷電路，而且還具有低電壓釋放保護作用。接觸器控制容量大，適用于頻繁操作和遠距離控制，最高操作頻率可達每分鐘20次，是自動控制系統(tǒng)中的重要元件。在工業(yè)電氣中，接觸器的型號很多，工作電流為5～1000?A，其用途相當廣泛。如圖1-3所示為部分接觸器的外形。接觸器的工作原理是：接觸器線圈通電后，線圈電流會產(chǎn)生磁場，使靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力吸引動鐵芯，并帶動接觸器觸點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合；當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，常開觸點斷開，常閉觸點閉合。接觸器一般利用主觸點來控制電路，用輔助觸點來導通控制回路。主觸點一般是常開觸點，而輔助觸點有常開觸點和常閉觸點。小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用?？諝馐诫姶沤佑|器(MagneticContactor)主要由接點系統(tǒng)、電磁操動系統(tǒng)、支架、輔助接點和外殼(或底架)組成。因為交流電磁接觸器的線圈一般采用交流電源供電，在接觸器激磁之后，通常會有一聲高分貝的“咯”的噪聲，這也是電磁式接觸器的特色。20世紀80年代后，各國研究交流接觸器電磁鐵的無聲和節(jié)電問題，基本的可行方案之一是將交流電源用變壓器降壓后，再經(jīng)內(nèi)部整流器轉(zhuǎn)變成直流電源供電，但這種復雜的控制方式并不多見。真空接觸器是接點系統(tǒng)采用真空滅弧室的接觸器。真空滅弧室的外殼用玻璃或陶瓷等絕緣材料制成，內(nèi)部的真空度通常在0.01?Pa以上。由于殼內(nèi)的空氣少，觸點開距可以做得很小，電弧也較容易被熄滅。觸點材料一般用銅、銻、鋨等合金制成。滅弧室內(nèi)屏蔽罩的作用是：當分斷電流時，凝結觸點間隙中擴散出來的金屬蒸氣，有助于熄弧，還可以防止金屬蒸氣濺落到絕緣外殼上降低其絕緣強度。動觸點與外殼下端用波紋管連接，動觸點可以上下運動又不會漏氣。半導體接觸器是一種通過改變電路回路的導通狀態(tài)和斷路狀態(tài)來完成電流操作的接觸器。永磁交流接觸器是利用磁極的同性相斥、異性相吸的原理，用永磁驅(qū)動機構取代傳統(tǒng)的電磁鐵驅(qū)動機構而形成的一種微功耗接觸器。1.2.3繼電器最早的繼電器(Relay)是一種利用電磁鐵在通電和斷電時磁力產(chǎn)生和消失的現(xiàn)象，來控制另一高電壓、高電流電路開合的低壓電器。它的出現(xiàn)使得電路的遠程控制和保護等工作得以順利進行。繼電器是人類科技史上的一項偉大發(fā)明創(chuàng)造，它不僅是電氣工程的基礎，也是電子技術、微電子技術的重要基礎。繼電器按工作原理或結構特征分為以下幾類：(1)電磁繼電器：利用輸入電路內(nèi)電流在電磁鐵鐵芯與銜鐵間產(chǎn)生的吸力作用而工作的一種電氣繼電器。其結構及符號如圖1-5所示。(2)固體繼電器：由無機械運動構件的電子元件構成的、輸入和輸出隔離的一種繼電器。(3)溫度繼電器：當外界溫度達到設定值時才動作的繼電器。(4)舌簧繼電器：利用密封在管內(nèi)、具有觸點簧片和銜鐵磁路雙重作用的舌簧動作來開、閉或轉(zhuǎn)換線路的繼電器。(5)時間繼電器：當加上或除去輸入信號時，輸出部分需延時或限時到規(guī)定時間才閉合或斷開其被控線路的繼電器。(6)高頻繼電器：用于切換高頻、射頻線路而具有最小損耗的繼電器。(7)極化繼電器：由極化磁場與控制電流通過控制線圈所產(chǎn)生的磁場綜合作用而動作的繼電器。繼電器的動作方向取決于控制線圈中流過的電流方向。(8)其他類型的繼電器，如光繼電器、聲繼電器、熱繼電器、儀表式繼電器、霍爾效應繼電器、差動繼電器等。由于繼電器形式很多，其體積和外形也各不相同。圖1-6所示為幾種繼電器的外形。1.2.4熔斷器熔斷器(Fuse)是指當電流超過規(guī)定值時，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，斷開電路的一種電器。熔斷器廣泛應用于高低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以及用電設備中，作為短路和過電流的保護器，是應用最普遍的保護器件之一。常見熔斷器有以下種類：(1)插入式熔斷器：常用于380?V及以下電壓等級的線路末端，作為配電支線或電氣設備的短路保護用。(2)螺旋式熔斷器：熔體的上端蓋有一熔斷指示器，一旦熔體熔斷，指示器馬上彈出，可透過瓷帽上的玻璃孔觀察到。它常用于機床電氣控制設備中。螺旋式熔斷器的分斷電流較大，可用于電壓等級500?V及其以下、電流等級200?A以下的電路中，作短路保護。(3)封閉式熔斷器：分有填料熔斷器和無填料熔斷器兩種。有填料熔斷器一般采用方形瓷管，內(nèi)裝石英砂及熔體，分斷能力強，用于電壓等級500?V以下、電流等級1?kA以下的電路中。無填料熔斷器將熔體裝入密閉式圓筒中，分斷能力稍小，用于500?V以下、600?A以下電力網(wǎng)或配電設備中。(4)快速熔斷器：主要用于半導體整流元件或整流裝置的短路保護。由于半導體元件的過載能力很低，只能在極短時間內(nèi)承受較大的過載電流，因此要求短路保護具有快速熔斷的能力?？焖偃蹟嗥鞯慕Y構和有填料封閉式熔斷器基本相同，但熔體材料和形狀不同，它的熔體是用銀片沖制的有V形深槽的變截面熔體。(5)自復熔斷器：采用金屬鈉作熔體，在常溫下具有高電導率。當電路發(fā)生短路故障時，短路電流產(chǎn)生高溫使鈉迅速汽化，汽態(tài)鈉呈現(xiàn)高阻態(tài)，從而限制了短路電流，當短路電流消失后，溫度下降，金屬鈉恢復原來的良好導電性能。自復熔斷器只能限制短路電流，不能真正分斷電路。其優(yōu)點是不必更換熔體，能重復使用。熔斷器的外形、圖形符號、文字符號如圖1-7所示。1.2.5主令開關主令開關主要用于閉合、斷開控制線路，以發(fā)布命令或進行程序控制，實現(xiàn)對電力傳動和生產(chǎn)機械的控制。因此，它是人機聯(lián)系和對話所必不可少的一種元件。由于它專門發(fā)送命令或信號，故稱為主令電器，也稱主令開關，主要類型有按鈕開關、位置開關、萬能轉(zhuǎn)換開關、主令控制器和其他主令開關，如接近開關、腳踏開關、十字開關、信號燈等。1.按鈕開關按鈕開關又稱控制按鈕(SwitchButton)，是一種手動且一般可以自動復位的低壓電器。按鈕通常用于在電路中發(fā)出啟動或停止指令，以控制電磁啟動器、接觸器、繼電器等電器線圈電流的接通和斷開。按鈕開關是一種按下即動作，釋放即復位的用來接通和分斷小電流電路的電器。它一般用于交直流電壓440?V以下、電流小于5?A的控制電路中，一般不直接操縱主電路，也可以用于互聯(lián)電路中。在實際的使用中，為了防止誤操作，通常在按鈕上做出不同的標記或涂以不同的顏色加以區(qū)分，其顏色有紅、黃、藍、白、黑、綠等。一般紅色表示“停止”或“危險”情況下的操作；綠色表示“啟動”或“接通”。急停按鈕必須用紅色蘑菇頭按鈕。按鈕必須有金屬的防護擋圈，且擋圈要高于按鈕帽，以防止意外觸動按鈕而產(chǎn)生誤動作。安裝按鈕的按鈕板和按鈕盒的材料必須是金屬的并與機械的總接地母線相連。按鈕實物如圖1-8所示，其原理如圖1-9所示，其圖形符號、文字符號如圖1-10所示。2.行程開關行程開關(TravelSwitch)是位置開關(又稱限位開關)的一種，是一種常用的小電流主令電器。它利用生產(chǎn)機械運動部件的碰撞使其觸頭動作來實現(xiàn)接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。在實際生產(chǎn)中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。它的作用原理與按鈕類似。通常這類開關被用來限制機械運動的位置或行程，使運動機械按一定位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。圖1-11為部分行程開關外形。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用于控制其行程，進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度，自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。行程開關的圖形及文字符號如圖1-12所示。1.3電氣控制線路的繪圖規(guī)則1.圖形符號和文字符號為了便于交流與溝通，我國參照國際委員會(IEC)頒布的有關文件，制定了電氣設備的有關國家標準，頒布了GB/T18135—2008《電氣工程CAD制圖規(guī)則》、GB/T6988—2008《電氣技術用文件的編制》、GB/T4728—2018《電氣簡圖用圖形符號》、GB/T22371—2013《電氣設備用圖形符號》及其他相關標準，從標準頒布之日起，電氣圖中的圖形符號和文字符號必須符合最新的國家標準。1)圖形符號設備的圖形符號由符號要素、限定符號、一般符號以及常用的非電操作控制的動作符號(如機械控制符號等)根據(jù)不同的具體器件情況組合構成。2)文字符號用基本文字符號(單字母符號和雙字母符號)表示電氣設備、裝置和大類，如K表示繼電器類元件大類；雙字母符號由一個表示大類的單字母與另一表示器件某些特性的字母組成，例如KA表示