第八章 电气控制系统

第八章 电气控制系统电气控制系统在工业生产、科学研究以及其他各个领域的应用十分广泛，已经成为实现生产过程自动化的重要技术手段。尽管电气控制系统种类繁多，功能各异，但其控制原理、基本线路、设计基础都是类似的。本章主要介绍一些电气控制系统中常用的低压电器、三相异步电动机的基本控制环节和基本控制原则、阅读控制线路原理图的方法以及可编程逻辑控制器PLC的基本使用方法。第一节 常用低压电器低压电器是组成各种电气控制系统的基础配套组件，它的正确使用是低压电力系统可靠运行、安全用电的基础和重要保证。本节主要介绍常用低压电器的结构、工作原理、用途及其图形符号和文字符号，为正确选择和合理使用这些电器进行继电接触控制系统设计打下基础。一、组合开关组合开关实质上也是一种刀开关，但它的刀片是转动式的，操作比较轻巧。组合开关的动触点和静触点装在封闭的绝缘件内，采用叠装结构，叠装的层数由动触点的数目决定，动触点装在操作手柄的转轴上，随转轴旋转而改变各对动触点静触点的通断状态。组合开关的结构和图形文字符号如图8-1所示：图8-1 组合开关的结构和图形文字符号组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数等。其中额定电流有10A、25A、60A等几个等级。常见产品有HZ5、HZ10系列。组合开关常用作机床电气控制线路的电源引入开关，也可以直接起动电压在380V、额定功率在5.5kW及以下的小容量的笼型异步电动机。二、按钮开关按钮是一种结构简单、应用广泛的低压电器，在继电接触控制系统中用于手动发出控制信号，其典型结构如图8-2所示，它由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。通常，我们将未受外力作用或线圈未通电时断开的触点称为常开触点（动合触点），情况相反的触点称为常闭触点（动断触点）。按用途和结构不同，按钮可分为起动按钮、停止按钮和符合按钮等。起动按钮带有常开触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常开触点闭合；手指松开，常开触点断开。停止按钮带有常闭触点，当手指按下按钮帽时，按钮的常闭触点断开；手指松开，常闭触点闭合。复合按钮带有常开和常闭两种触点，当手指按下按钮帽时，先断开按钮的常闭触点再闭合其常开触点；手指松开，先断开已闭合的常开触点再闭合已断开的常闭触点。为便于识别各个按钮的作用，避免误动作，通常在按钮帽上做出不同的标记或涂上不同的颜色，一般红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。按钮的图形文字符号如图8-3所示。 常闭按钮 常开按钮图8-3 按钮的图形文字符号 图8-2 按钮典型结构 三、熔断器熔断器是最简单和最常用的保护电器，广泛应用于供电线路和电气设备的短路保护中。熔断器由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的绝缘管或绝缘座等部分组成。熔体是熔断器的核心，通常由低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成。使用时应将熔断器串接于被保护电路中，电路正常工作时，熔体不应熔断；当电路发生故障从而导致通过熔断器的电流超过一定数值，导致电流在熔体上产生的热量使熔体熔断，从而保护电路和用电设备。1.熔断器的主要技术指标 额定电压指熔断器在长期工作时以及在断开后能承受的电压。 额定电流指熔断器长期工作时，设备部件温升不超过规定值时所能承受的电流。这里需要注意区分熔断器的额定电流和熔断器中熔体的额定电流。通常生产厂家为了减少熔断器额定电流的规格，其额定电流等级较少，而熔断器熔体的额定电流等级较多。因此在实际使用中可以在一个额定电流等级的熔断器的绝缘管中安装不同额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断器的额定电流。2. 熔断器的选择要使熔断器在电路中真正能起到对电路和用电设备的保护作用，必须正确选择熔断器。熔断器的额定电压、额定电流和熔体额定电流的选择熔断器的额定电压、额定电流的选择依据较为简单，可按照以下两条原则进行选择： 熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流熔体选择的原则：对于照明、电热设备等电阻性负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的额定工作电流。对于单台异步电动机，考虑电动机起动时起动电流较大的影响，熔体的额定电流按下式计算：对于保护多台异步电动机的熔断器的熔体，若各台电动机不同时起动，则应按下式计算：式中为容量最大一台的电动机的额定电流，为其余电动机额定电流的总和。为防止发生越级熔断，上、下级熔断器的熔体应有良好的协调配置，通常应使上级熔断器的熔体额定电流比下一级大12个级差。熔断器的图形、文字符号如图8-4所示。 图8-4 熔断器的图形、文字符号四、接触器交流接触器是一种用于频繁接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器，主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等，是电力拖动自动控制线路中应用最为广泛的电器元件。接触器主要包括电磁系统（静铁心、动铁心、线圈）、触点系统和灭弧装置部分。按照用途不同，接触器的触点分主触点和辅助触点两种。主触点用来切换大电流电路；辅助触点只能用来切换小电流电路。按照主触点控制的电路中电流种类分类，接触器有直流接触器和交流接触器。1.交流接触器交流接触器用于控制电压至380V、电流至600A的50Hz交流电路。其铁心为双E型，由硅钢片叠压而成。线圈套在静铁心上，接于控制电路中，内部结构如图856所示。图8-5 交流接触器内部结构交流接触器工作原理如下：当线圈所加电压达到其额定电压85以上时，铁心产生足够的磁通，该磁通对动铁心产生克服复位弹簧拉力的电磁吸力将动铁心可靠吸合，通过绝缘杆使固定于动铁心上的动触点动作，于是交流接触器的主触点闭合从而接通主电路；同时常开辅助触点闭合，常闭辅助触点断开，使与之相连的控制电路接通或者断开。当线圈中的电压下降到某一数值时，电磁力减小到不足以克服复位弹簧的拉力，动铁心就在复位弹簧的拉力作用下复位，使得主触点和辅助触点的常开触点断开，常闭触点闭合。接触器的触头用于分断或接通电路。交流接触器一般有3对主触点、2对辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，主触点和辅助触点一般采用双断点的桥式触点，电路的接通和断开由两个断点共同完成。由于这种双断点的桥式触点具有电动力吹弧能力，所以10A以下的交流接触器一般没有灭弧装置，而10A以上的交流接触器则采用栅片灭弧罩灭弧。交流接触器的图形、文字符号如图8-6所示。 接触器常开触点 接触器线圈 接触器常闭触点图8-6 交流接触器的图形、文字符号2.直流接触器直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路，其结构与工作原理基本上与交流接触器相同。所不同的是除触点电流和线圈电压均为直流外，其主触点大都采用可滚动接触的指型触点，辅助触点采用点接触的桥型触点。铁心由整块钢或铸铁制成，线圈制成长而薄的圆筒形。3.接触器的主要技术指标 额定电压接触器铭牌上的额定电压是指主触点的额定电压，交流有127V、220V、380V等等级；直流有110V、220V、440V等等级。 额定电流接触器铭牌上的额定电流是指主触点的额定电流。有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。 线圈额定电压交流有36V、110V、127V、220V、380V；直流有24V、48V、220V、440V。 额定操作频率额定操作频率指接触器每小时操作的次数。五、热继电器热继电器是应用电流热效应得原理制成的，用来作为电动机的过载保护电器。电动机在实际运行中，常常遇到过载的情况。若过载电流不太大且过载时间较短，电动机绕组的温度就不会超过允许温升，这种过载是允许的。但若过载的时间长、电流大，电动机绕组的温度就会超过允许温升使得电动机绕组绝缘老化，从而缩短电动机的使用寿命，严重时甚至烧毁电动机绕组，因而这种过载是不能接受的。热继电器就是应用电流热效应原理，当电动机过载时切断电路，保护电动机。另外，热继电器可以根据过载电流的大小自动调整动作时间，具有反时限保护特性。热继电器的结构如图8-7所示。 图8-7 热继电器结构热继电器工作原理如下所示：热继电器主要由热元件、双金属片和常闭触点三部分组成。热元件绕在双金属片（由两种线膨胀系数不同的金属压制而成）上，串接与电动机定子电路中，其常闭触点串接与电动机的控制电路中。当电动机工作时，热元件中有电流通过，因而使得热元件发热，热元件产生的热量使得双金属片发生弯曲。当点击正常工作时，双金属片的弯曲程度不足以使热继电器动作。当电动机过载时，热元件中的电流增大，加上时间效应，会使得双金属片接受的热量大大增加，因而弯曲程度加大，足以推动导板，通过动作机构使得常闭触点断开，控制电路断开，接触器线圈失电，常闭主触点断开，电动机脱离电源，从而起到过载保护的作用。使用热继电器时，要调整整定机构，使热继电器的整定电流等于电动机的额定电流。这样，电动机额定工作时，热继电器不动作；当电动机过载，电流为整定电流的1.2倍时，热继电器将在20分钟内动作；当过载电流为整定电流的1.5倍时，热继电器将在2分钟内动作。这里需要强调的是，由于热惯性，热继电器不能做短路保护。六、自动空气断路器自动空气断路器又称自动空气开关，可用来分配电能，也可用于非频繁的起动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护。当发生严重的过载或短路及欠电压等故障是能自动切断电路，其功能相当于熔断器与过流、欠压、热继电器等的组合。自动空气断路器的结构原理如图8-8所示，主要由触头、灭弧系统、各种脱扣和操作机构组成。图8-8 自动空气断路器手工合闸后，动、静触点闭合，脱扣联杆9被锁扣7的锁钩钩住，它又将合闸联杆5钩住，将触点保持在闭合状态。热元件14与主电路串联，有电流流过时将产生热量，从而使得热脱扣器6的下端向左弯曲；当电路过载时，热脱扣器6的弯曲程度大大增加，从而将脱扣锁钩推离脱扣联杆9，从而松开合闸联杆5，于是动、静触点10、11受脱扣弹簧3的作用迅速分开。电磁脱扣器8有一个匝数很少的线圈和主电路串联。当发生短路时，它使铁心脱扣器上部的吸力大于弹簧的反作用力，脱扣锁钩向左转动，最后也使触点断开。当需要手动脱扣时，按下手动脱扣按钮2就使得触点断开。七、行程开关行程开关是以生产机械的运动部件或行程为信号而进行动作的电器。行程开关按结构可分为机械结构的接触式有触点行程开关和电气结构的非接触式接近开关。常用的接触式有触点行程开关又可分为直动式和转动式。直动式行程开关的结构和动作原理类似与按钮，如图8-11所示。行程开关的图形、文字符号如下图所示。 行程开关常开触点 行程开关常闭触点图8-11 行程开关图形、文字符号 练习与思考8-1-1 复合按钮动作具有什么特点？8-1-2 短路保护和过载保护有什么区别？为什么热继电器不能做短路保护？213第二节可编程控制器可编程控制器（Programmable logic controller，简称为PLC）是在继电器控制技术和计算机技术的基础上发展出来的，以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、 通信技术融为一体的新型工业控制装置。它具有结构简单、可靠性高、通用性强、易于编程、使用方便等优点，已经成为电气控制系统的核心部件，常用于开关逻辑控制、闭环过程控制、机械加工中的数字控制等领域，与机器人、 CAD/CAM技术已经称为并称为现代工业自动化技术的三大支柱。一、PLC的基本结构PLC种类繁多，功能和指令系统也不尽相同，但其结构和工作模式则大同小异，主要由CPU模块、输入/输出接口单元、编程器和电源四大部分组成，如图8-13所示。图8-13 PLC结构框图1.CPU模块CPU模块又称中央处理器（Center processing unit），是PLC的核心。该模块主要由CPU、存储器、控制电路、译码电路和接口电路组成，主要用于：接收并存储从编程器输入的用户程序；检查编程过程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通信及外设的某些功能。CPU模块中的存储器可分为系统程序存储器、用户程序存储器、工作数据存储器三部分。系统程序存储器用于存放系统程序，系统程序由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。用户程序存储器存储用户编制的应用程序。用户应用程序是用户根据生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。工作数据存储器存放在应用过程中要经常变化，经常存取的数据。因此，这部分数据的存储器都选用RAM，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，开辟有元件映像寄存器和数据表，包括I/O映象区以及各类软元件。I/O映象区：由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。（请参阅PLC的工作原理）因此，它需要有一定数量的存储单元(RAM)以供存放I/O的状态和数据，这些存储单元称作I/O映象区。I/O映象区包括：开关量输入（I）映象区、开关量输出（O）映象区、模拟量I/O映象区。软元件是指PLC内部具有一定功能的器件，包括逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器、变址寄存器和累加器等。为了利用这些软元件进行编程以达到控制要求，使用者必须熟悉和掌握这些软元件的功能、编号及其使用方法。2.输入/输出接口单元输入/输出接口单元是系统的五官和手脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。实际生产中信号电平多种多样，外部执行机构所需的电平也是多种多样，而PLC的CPU只能处理标准电平，正是通过输入输出接口单元实现了这种信号电平的转换。输入接口单元：输入接口单元用来接收和采集输入信号。按照接受和采集的信号类型不同输入接口单元可分为两类：模拟量输入接口单元、数字量输入接口单元（又称开关量输入接口单元）。模拟量输入接口单元主要用于接收模拟量输入信号。数字量输入接口单元主要用于接收开关量输入信号。输出接口单元：输出接口单元把CPU模块内的输出状态寄存器的内容读入，经过电平转换、 隔离和功率放大， 转换成能带一定负载的具体的输出状态。输出接口电路分继电器输出型、 晶体管输出型和晶闸管输出型三种。 3.编程器PLC的编程器一般有两种类型：简易编程器和图形编程器。简易编程器体积小，便宜，使用方便，适合小型PLC，缺点是需联机编程；图形编程器是指带有显示屏的编程器，可用指令语句编程，也可用梯形图编程，可联机编程也可脱机编程，操作方便，功能强大，但价格较高，适用于大型PLC。4、电源PLC的电源是指为CPU、存储器、输入/输出接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源。用来将外部供电电源转变成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需要的直流电源。二、PLC的工作原理PLC有两种基本工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制和调试。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过程中，PLC不还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段，PLC的这种周而复始的循环工作方式称为循环扫描工作方式。PLC的循环扫描工作方式大致可分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段：1.输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其存入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。变化了的输入信号状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。2.程序执行阶段在程序扫描阶段，PLC对用户程序存储器中存储的用户程序进行逐句扫描，当指令中涉及输入、输出状态时， PLC 就从输入映像寄存器“读入”输入采样阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入” 对应系统软设备 ( “软继电器” ) 的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件 ( “软继电器” ) 的状态会随着程序执行过程而变化。 3.输出刷新阶段当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动相应输出设备工作，这就是PLC的实际输出。三、三菱FX2N系列PLC三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一，先后推出的小型、超小型PLC有F、F1、F2、FX1、FX2、FX0、FX0N、FX2N、FX2NC等系列。其中FX2N系列PLC性价比较高，非常适合在中小企业中推广应用。1. FX2N的软元件FX2N系列PLC八类软元件：输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C、数据寄存器D、指针P、I、N。限于篇幅，这里只介绍常用的软元件：输入继电器X、输出继电器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C， 输入继电器：输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接收外部开关信号的元件，必须由外部信号来驱动，不能用程序驱动。FX2N型PLC输入继电器采用八进制地址编号，最多可达128点(X0X177)。 输出继电器：输出继电器是PLC用来输送信号到外部负载的元件，只能用程序指令驱动。每一个输出继电器有一个外部输出的常开触点。输出继电器的地址是八进制，最多可达128点(Y0Y177)。 辅助继电器：PLC内部有很多辅助继电器，辅助继电器与输出继电器一样只能用程序指令驱动，外部信号无法驱动它的常开常闭接点，但是这些接点不能直接驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。 定时器： PLC中定时器T相当于继电器控制系统中的延时继电器，定时器元件号按十进制编号，设定时间由编程时设定系数K决定。T0T199为0.1 s定时器，设定值范围为0.13276.7 s，最小单位为0.1 s。T200T245为0.01 s定时器，设定值范围为0.01327.67 s。 计数器：计数器在程序中起计数控制作用，元件按十进制编号，计数器计数次数由编程时设定的系数K决定。C0C99为通用加计数器，计数范围为132 767。C100C199为停电保持加计数器，计数范围为132 767。除此之外，还有可逆、加、减计数器等。2. FX2N基本指令FX2N系列 PLC有基本指令27种，步进指令2种，应用指令128种共298个。其中基本指令是最基础的编程语言，可以说掌握了基本指令也就初步掌握了PLC的使用方法。限于篇幅，此处只介绍这27种基本指令中最常用的一部分，如果想了解FX2N指令系统，可查阅三菱微型可编程控制器MELSEC-F FX2N系列编程手册。逻辑取及线圈驱动（LD、LDI、OUT）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件LD取逻辑运算开始的常开触点LDI取反逻辑运算开始的常闭触点OUT输出线圈驱动指令指令说明LD、LDI指令可用于将触点与左母线连接，也可与后面介绍的AND、ORB指令配合使用于分支起点处。OUT指令是对输出继电器Y、辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、计数器C的线圈进行驱动的指令，但不能用于输入继电器X。触点串联（AND、ANI）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件AND与常开触点串联ANI与非常闭触点串联指令说明AND、ANI指令为单个触点串联指令。AND用于常开触点串联，ANI用于常闭触点串联，串联触点数目不受限制。OUT指令后，可通过触点对其他线圈使用OUT指令，称之为纵接输出或连续输出。纵接输出只要顺序正确，可重复使用。触点并联（OR、ORI）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件OR或常开触点并联ORI或非常闭触点并联指令说明OR、ORI指令为单个触点并联指令。OR用于常开触点并联，ORI用于常闭触点并联，并联触点数目不受限制。与LD、LDI指令触点并联的触点要使用OR、ORI指令若两个以上触点的串联支路与其他支路并联时，不能使用OR、ORI指令，应使用后面介绍的电路块或（ORB）指令串联电路块的并联（ORB）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件ORB电路块或串联电路块的并联指令说明ORB指令是不带操作组件编号的指令。两个或两个以上触点串联连接的电路称为串联电路块，当串联电路块相并联时，须使用ORB指令，而不能使用OR或ORI指令。当串联电路块并联时，分支起点使用LD或LDI指令，分支结束后使用ORB指令若多个串联电路块并联时，则ORB指令没有使用次数限制。并联电路块的串联（ANB）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件ANB电路块与并联电路块的串联指令说明ANB指令是不带操作组件编号的指令两个或两个以上触点并联连接的电路称为并联电路块，当并联电路块与前面的电路串联时，须使用ANB指令，而不能使用AND或ANI指令。当并联电路块与前面的电路串联时，分支起点使用LD或LDI指令，并联电路块结束后使用ANB指令若多个并联电路块按顺序和前面的电路串联连接时，则ANB指令没有使用次数限制。主控触点（MC/MCR）指令指令助记符、名称功能梯形图表示和可操作组件MC主控主控电路块起点MCR主控复位主控电路块终点指令说明MC为主控指令，用于公共串联触点的连接。MCR为主控复位指令，即MC的复位指令。在编程时，经常遇到多个线圈同时受一个或一组控制。若在每个线圈的控制电路中都串入同样的触点，将多占存储单元。应用主控触点则可以解决上述问题。在应用主控触点指令时，主控指令控制的操作组件的常开触点要与主控指令后的母线垂直，此时此常开触点是控制一组梯形图电路的总开关。当此常开触点闭合时，将激活所控制的一组梯形图电路。主控（MC）指令母线后接的所有起始触点均以LD、LDI指令开始，最后由MCR指令返回到主控（MC）指令后的母线，向下继续执行新的程序。在没有嵌套结构的多个主控指令程序中，可以都用嵌套号N0来编程，N0的使用次数不受限制。通过更改Mi的地址号，可以多次使用MC指令，形成多级嵌套，嵌套级Ni的编号由小到大。返回时通过MCR指令,从大的嵌套级开始逐级返回。脉冲指令指令助记符、名称功能梯形图表示和可操作组件LDP取脉冲上升沿检测运算开始LDF取脉冲下升沿检测运算开始ANDP上升沿检测串联ANDF下升沿检测串联ORP上升沿检测并联ORF下升沿检测并联指令说明LDP、ANDP、ORP指令是进行上升沿检测的触点指令，仅在指定的软元件由OFFON上升沿变化时，使驱动的线圈接通1个扫描周期。LDF、ANDF、ORF指令是进行下降沿检测的触点指令，仅在指定的软元件由ONOFF下降沿变化时，使驱动的线圈接通1个扫描周期。利用取脉冲指令驱动线圈和脉冲指令驱动线圈，具有相同的效果（该指令请查阅三菱微型可编程控制器MELSEC-F FX2N系列编程手册）若多个并联电路块按顺序和前面的电路串联连接时，则ANB指令没有使用次数限制。微分脉冲输出（PLS/PLF）指令指令助记符、名称功能梯形图表示和可操作组件PLS上沿脉冲上升沿微分输出PLF下沿脉冲下降沿微分输出指令说明PLS指令使操作的元件在输入信号上升沿处产生一个扫描周期的脉冲输出，PLF指令使操作的元件在输入信号下降处产生一个扫描周期的脉冲输出上述两条指令可将输入元件脉冲宽度较宽的输入信号变成脉宽等于PLC扫描周期的触发脉冲信号，相当于对输入信号进行了微分运算。置位/复位（SET/RST）指令指令助记符、名称功能梯形图表示和可操作组件SET置位线圈接通保持命令RST复位线圈接通清除命令指令说明SET为置位指令，使线圈接通保持，RST为复位指令，使线圈断开复位。对同一软元件，SET、RST可以多次使用，最后执行者有效。空操作（NOP）指令和程序结束（END）指令符号、名称功能梯形图表示和可操作组件NOP空操作END程序结束指令说明NOP指令就是使该步程序什么也不做。在程序中插入NOP指令，在更改程序或增加指令时可以使步序号不发生变化。END指令为程序结束指令，若在程序中没有END指令，则PLC从第0步开始扫描到程序存储器最后一步，若在程序中含有END 指令，则END指令以后的程序就不再扫描执行。第三节 继电接触控制线路的基本控制环节继电接触控制线路是把各种有触点的接触器、继电器以及按钮、行程开关等电气元件，用导线按一定方式连接起来组成的控制线路。通过该线路能够实现对电动机或其他指定电器的启停、正反转、调速和制动等运行方式的控制，以实现生产过程自动化，满足生产工艺的要求。继电接触控制线路的优点是电路图比较直观，装置结构简单、价格便宜，抗干扰能力强，因此广泛应用于各类生产设备及控制系统。它可以方便的实现简单或复杂的、集中或远距离生产过程的自动控制。需要指出的是，继电接触控制线路的缺点主要是由于采用固定接线形式，其通用性和灵活性较差；由于采用有触点的开关电器，触点容易发生故障，维修量较大，因此近些年来慢慢被PLC控制系统所取代。尽管如此，继电接触控制依然是各类电气控制系统最基本的控制形式之一，即使在PLC控制系统中，主电路也仍然采用继电接触控制控制方式。一、绘制继电接触控制线路图的原则1.继电接触控制线路由主电路和控制线路组成，主电路用粗实线绘制，常画于左方或上方；控制电路用细实线画于右方或下方。2.所有电器应采用国标GB/T4728和国标GB/T71591987的图形符号和文字符号来绘制和标记。3.控制电路基本上按动作的先后顺序自上而下或自左而右平行绘制。4.触点按未受外力，或线圈未通电时的状态画出。二、电动机的起动及自锁控制三相异步电动机的起动、停车控制是继电接触控制系统中最基本的控制线路，控制线路如图8-14所示。该线路可实现三相异步电动机起动、停车的控制并具有必要的保护环节。1.电动机的起动及自锁 图8-14 电动机连续运转控制线路图需要起动电动机时，可按下起动按钮SB2，SB2按下后，与其串联的交流接触器KM线圈通电，串接于主回路的KM的主常开触点闭合，电动机起动，同时控制回路中与SB2并联的KM的辅助常开触点闭合，此时即使松手，停止对SB2按钮的按压，KM线圈依然可以保持通电，电动机不会停止，实现电动机的连续运转。在继电接触控制系统电路设计中将交流接触器KM的辅助常开触点和起动按钮SB2并联称为自锁。自锁具有对命令的“记忆”能力，当命令下达后，能长期保持其状态，即使命令消失。自锁不仅可用于电动机的起动控制，凡是需要对命令进行记忆的控制，都可使用自锁。2.电动机的停止需要停止电动机时，可按下停止按钮SB1，交流接触器KM线圈断电，主触点断开，电动机停止转动，同时，KM的辅助触点断开，取消自锁。3.保护环节要使电动机能长时间连续运转，必须为其施加必要的保护，在图中所施加的保护包括： 短路保护短路保护由串接于主回路中的熔断器FU实现。当主电路发生短路时，通过FU的电流将超过其额定电流从而熔体将熔断，使电动机立即停转。 过载保护过载保护由分别串接于主电路中的热继电器FR的热元件和串接于控制电路中的FR的常闭触点实现。当电动机过载时，FR的热元件将过热，从而导致其常闭触点断开，KM线圈断电，从而使得KM的主触点断开，电动机停转。 失压及欠压保护失压及欠压保护由交流接触器KM实现。当电源电压消失（失压）或电源电压严重下降（欠压）时，交流接触器KM中铁心的引力将消失或减小，不足以克服复位弹簧的拉力，使得KM的常开触点断开，常闭触点闭合，电动机停转并失去自锁。失压及欠压保护可防止在电压严重下降时，电动机带载的低压运行；也可防止在失压后，当电源恢复时，电动机的自行起动，从而避免对设备及人员的伤害。三、互锁控制及顺序控制互锁控制是指生产机械的不同运动部件之间的相互联系、相互制约，又称联锁控制。1.电动机的正反转控制在需要改变电动机转向的情况下，例如机床工作台的前进和后退，主轴的正转和反转等，可采用图8-14所示的正反转控制线路。其工作原理和电动机起动线路基本相同，不同之处只是利用了两套起动按钮和接触器分别控制电动机的起动和停止。其中SB1为停止按钮，SBF为正转按钮，SBR为反转按钮；KMF为正转交流接触器，其主触点单独闭合时，电动机正转；KMR为反转交流接触器，其主触点单独闭合时，电动机正转。在主电路中，要注意两个接触器主触点之间的连接方式。根据第七章的知识，在电动机正转时，欲使其反转，可使电动机M接至电源的三根导线中的两根通过KMR主触点对调，从而使得电动机反转。图815 电动机正反转控制线路需要强调的是，在图8-15中，KMF和KMR两个交流接触器的主触点不能同时闭合，否则将导致电源两相短路事故。如何才能避免该事故的发生呢？很显然，只要保证正转交流接触器KMF动作时，反转交流接触器KMR不能动作即可，反之亦然。这种要求显然就是前面提到过的互锁。为满足上述要求，图中在KMF交流接触器线圈前串接了KMR交流接触器的常闭辅助触点；同时在KMR交流接触器线圈前串接了KMF交流接触器的常闭辅助触点。其工作过程如下所示：需要电动机正转的时候，可按下正转按钮SBF,于是正转交流接触器KMF线圈通电，主回路中KMF的主触点闭合，电动机正转。同时控制回路中与SBF并联的KMF常开辅助触点闭合，实现自锁；控制回路中与反转交流接触器KMR线圈串联的KMF的常闭辅助触点断开，此时即使因操作失误，按下反转按钮SBR，反转交流接触器KMR的线圈也不会通电，从而实现互锁，由于这种互锁是通过电气装置实现的，因而将其称为电气互锁。从上述说明中可以发现，如要实现电动机的换向，不能通过直接按压相应的按钮实现，那么应怎样才能实现电动机的换向呢？当电机需要换向时，需首先按下停止按钮SB1，当SB1按钮按下后，KMF、KMR两个交流接触器的线圈均不会有电流通过，因而其主触点全部断开，电动机停转。此时再按下相应的正转或反转按钮，即可实现电动机的换向。为此当电机需要换向时需按压两次按钮，略显繁琐。为此，在生产实践中，常采用复合按钮与触点串联的控制线路，见图8-16。图816 带有机械互锁的电动机正反转控制线路当电动机正转时，按下反转按钮SBR，与其同轴相连的常闭触点断开，从而使得正转交流接触器KMF的线圈断电，主触点断开。与此同时，串接在反转控制电路中的KMF的常闭触点闭合，反转交流接触器KMR的线圈通电，电动机反转。同时串接在正转控制电路中的反转交流接触器KMR的常闭触点断开，实现互锁。由于这种互锁是通过机械装置实现的，因而称为机械互锁。2.电动机的顺序控制装有多台电动机的生产机械，有时要求按照一定的顺序起动电动机，有的还要求按顺序停机，这就要求对电动机进行顺序控制。顺序控制可通过互锁实现，具体原则如下： 要求甲接触器动作后乙接触器才能动作，则需将甲接触器的常开触点串联在乙接触器的线圈电路中。 要求甲接触器动作后乙接触器不能动作，则需将甲接触器的常闭触点串接在乙接触器的线圈电路中。图8-17为车床油泵和主轴电动机的联锁控制电路。要求油泵电机M1先起动，使润滑系统有足够的润滑油以后，才能起动主轴电机M2。图817 电动机顺序起动控制线路工作原理如下：按下SB1，KM1线圈通电，KM1主触点闭合，油泵电机M1起动，同时KM1的自锁触点闭合，为KM2线圈通电做准备。这时，按下SB2，主轴电机M2才能起动；如果M1未起动，即使按下SB2，主轴电机M2也不能起动。3.保护环节电路中的熔断器FU1、FU2起短路保护作用；热继电器FR1、FR2起过载保护作用，因为两个热继电器的动断触点是串联的，所以任何一台电动机发生过载都会使M1、M2停转。四、继电接触控制实例普通车床电气控制线路普通车床是一种金属切削机床，在机械加工中广泛使用。根据其结构和用途不同，分成普通车床、立式车床、六角车床、仿形车床等。主要用于加工各种回转表面（内外圆柱面、圆锥面、成形回转面等）和回转体的端面。下面以CA6140普通车床为例进行车床电气控制线路的分析。普通车床主要由床身、主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、光杠、丝杠和尾座等部件组成，结构如图8-18所示：1带轮；2进给箱；3挂轮架；4带轮；5主轴管；6床身；7刀架；8溜板；9尾座； 10丝杠；11光杠；12床腿图818 普通车床结构由图8-18可见该车床共有三台电机：其中M1为主轴电机，拖动主轴旋转，并通过进给机构实现进给运动；M2为冷却电机，提供切削液；M3为快速移动电机，拖动刀架快速运动。根据切削工艺要求，对该车床的电气控制要求如下：1.主电动机M1完成主轴主运动和刀具的纵横向进给运动的驱动，电动机为不调速的笼型异步电动机，采用直接起动方式，主轴采用机械变速，正反转采用机械换向机构。2.冷却泵电动机M2加工时提供冷却液，防止刀具和工件的温升过高。采用直接起动方式，为防止车床切削工件时无冷却液，M2电动机需与M1电动机互锁。3.电动机M3为刀架快速移动电动机，可根据使用需要，随时手动控制起停。CA6140型普通车床的电气控制线路原理图如图8-19所示。图8-19 CA6140型普通车床控制线路M1电动机的控制 起动： 闭合组合开关 按下起动按钮SB2接触器KM1线圈通电 KM1主触点闭合，M1电动机运行 KM1辅助触点闭合，实现自锁。停止：按下停止按钮SB1接触器KM1线圈失电KM1主触点断开，M1电动机止 KM1辅助触点断开，取消自锁。M2电动机的控制起动：M1电动机起动与KM2交流接触器线圈串联的KM1辅助触点闭合KM2交流接触器线圈通电M2电动机自动起动运行。停止：M1电动机停止与KM2交流接触器线圈串联的KM1辅助触点断开KM2交流接触器线圈失电M2电动机停止运行。M3电动机的控制起动： 闭合组合开关 按下起动按钮SB3接触器KM3线圈通电 KM3主触点闭合，M3电动机运行停止：松开起动按钮SB3接触器KM3线圈失电KM3主触点断开，M3电动机停止。练习与思考8-2-1 什么是自锁？什么是互锁？8-2-2 有两台电动机M1、M2，试绘制起动时M1先起动，停止时M2先停止的控制线路第四节 基于可编程序控制器的电气控制系统如前所述，可编程序控制器PLC已经成为电气控制系统的核心部件。除了主电路之外，传统的继电接触控制中的各种控制环节，例如自锁、电气联锁、顺序控制、时间控制、行程控制以及其他复杂的控制功能等，都可以用PLC实现。越是复杂的控制系统，越能显示PLC的优越性。一、PLC控制系统设计步骤1.根据生产设备工艺要求，确定PLC控制系统的输入输出点数。以电动正反转控制电路为例，根据该电路的工艺要求，操作命令和控制信息是由2个按钮（SBF、SBR）的动合触点、一个按钮（SB1）的动断触点及热继电器（FR）的动断触点输入的，它们是PLC的输入信号，需要接在4个输入接线端子上，为其分配X000、X001、X002、X003；两个交流接触器KMF、KMR的线圈是被控对象，需接在两个输出接线端子上，可分配为Y000、Y001。故总共需要4个输入点、2个输出点。2.列出PLC I/O分配表及其外部接线图根据上述分析，可列出I/O分配表和外部接线图如图8-20所示：图8-20 PLC控制电动正反转电路外部接线图I/O分配表输入SBF：X000输出KMR：Y000SBR：X001SB1：X002KMF：Y001FR：X003从本例可以看出，PLC的外部接线图和I/O分配表之间存在一一对应的关系，从其中一个可以很容易的推出另外一个。所以在本章后述部分，根据需要将仅仅给出I/O分配表或外部接线图。3.根据生产工艺要求画出梯形图梯形图作为PLC的编程语言，在绘制时需遵守如下绘制原则。PLC编程元件的触点在编程时可无限次使用。梯形图的各种符号，要以左母线为起点，右母线为终点，从左母线开始向右分行绘制；任何触点不能放在线圈的右侧与右母线相连；线圈一般不允许直接与左母线相连必须通过触点与左母线连接，如图821。错误 正确图8-21不包含触点的分支应放在垂直方向，不可水平放置，以便于识别触点的组合和输出线圈的控制线路。如果有几个电路块并联，应将触点最多的块放在最上面。若有几个支路块串联，应使并联支路多的块靠近左母线，即使梯形图满足“上重下轻、左重右轻”的原则，如图822。错误 正确错误正确图8-22尽量避免同一继电器线圈在程序中重复出现，否则将引起误动作。按照上述控制原则，可画出满足生产工艺要求的梯形图如图8-23：图8-23 PLC控制电动正反转电路梯形图4. 根据需要写出梯形图对应的语句表该梯形图对应的语句表如表所示：地址指令0LDX0001ORY0002ANIY0013ANIX0034ANIX0025OUTY0006LDX0017ORY0018ANIY0009ANIX00310ANIX00211OUTY001该梯形图的执行流程如下：当需要电动机正转时，按下正转按钮SBF，X000常开触点闭合，Y000线圈得电，正转交流接触器KMF线圈得电，其主触点闭合，电动机正转；Y000置1同时，并联在X000触点上的Y000辅助常开触点闭合，实现自锁；与Y001线圈串联的Y000辅助常闭触点断开，实现互锁。如需换向，先按下停止按钮SB1，X002常闭触点断开，Y000、Y001线圈失电，正反转交流接触器KMF、KMR线圈失电，电动机停转，同时Y000、Y001辅助常开触点断开，常闭触点闭合，取消自锁和互锁；再按下反转按钮SBR，X001常开触点闭合，Y001线圈得电，反转交流接触器KMR线圈得电，其主触点闭合，电动机反转；Y001置1同时，并联在X001触点上的Y001辅助常开触点闭合，实现自锁；与Y000线圈串联的Y001辅助常闭触点断开，实现互锁。二、PLC控制系统设计实例作为第2节基本指令的应用，下面通过一些实例讨论PLC应用系统中的一些基本环节的编程，这些环节常作为梯形图中的基本单元出现在PLC程序中。例8-1： 三相异步电动机的起停保电路：图8-24 三相异步电动机起停保电路图8-24是我们在第三节介绍过的三相异步电动机单向连续运转的主电路和控制电路图，图中的控制电路在继电接触控制系统或PLC控制系统中使用非常广泛，被称为“起动保持停止电路”，简称“起停保”电路。下面根据前面介绍的PLC控制系统设计方法，介绍如何将该继电接触控制系统转换为PLC 控制系统。由图8-24可知，对该系统的控制要求为：当按下起动按钮SB2，电动机起动并连续运行，按下停止按钮SB1，电动机停止运行。该PLC控制系统共有SB1、SB2、FR三个输入信号，KM一个输出信号。为这些信号分配I/O引脚，可得其I/O分配表如表所示：I/O分配表输入SB1：X000输出KMR：Y000SB2：X001FR：X003根据控制要求要求可以画出该PLC控制系统的梯形图，如图8-25所示：图8-25 PLC控制三相异步电动机起停保电路梯形图该梯形图对应的语句表如表所示：地址指令0LDX0001ORY0002ANIX0013OUTY0004END例8-2：两台电动机顺序起动要求设计一用PLC控制的两台电动机顺序起动的控制系统具体要求如下：第一台起动10s后，第二台自动起动停止时可同时停止根据题目要求，该控制系统共需2个输入SB1（起动按钮）、SB2（停止按钮）2个输出KM1（控制第一台电动机）、KM2（控制第二台电动机）。据此可得其I/O分配表如表9.6.3所示：I/O分配表输入SB1：X000输出KM1：Y000SB2：X001KM2：Y001根据控制要求可以画出该PLC控制系统的梯形图，如图8-26所示：图8-26 PLC控制两台电动机顺序起动梯形图该梯形图对应的语句表如表所示：地址指令0LDX0001ORY0002ANIX0013OUTY0004OUTT0 K1007LDT08ORY0019ANIX00110OUTY001系统工作时需按下启动按钮SB1X000闭合（1）Y000线圈得电KM1交流接触器闭合第一台电动机起动（2）Y000常开触点闭合，实现自锁（3）T0定时器启动，定时时间由指令中的K100指定，具体时间为100×100ms=10sT0定时器定时时间到T0常开触点闭合Y001线圈得电KM2交流接触器闭合第二台电动机起动。例8-3：三台电动机循环启停运行控制，具体要求如下：三台电动机A、B、C，要求它们相隔5s启动，各运行10s停止。该PLC控制系统共有1个输入SB作为启动按钮，3个输出KM1、KM2、KM3分别控制三台电机A、B、C，其中KM1控制电机A，KM2控制电机B，KM3控制电机C。为这些信号分配I/O引脚，可得其I/O分配表如表所示：I/O分配表输入SB：X001输出KM1：Y001KM2：Y002KM3：Y003根据控制要求要求可以画出该PLC控制系统的梯形图，如图8-27所示：图8-27 PLC控制三台电动机循环启停梯形图地址指令0LDX0011PLSM03LDX0014ANIT15OUTT1 K508LDM09ORC310RSTC012RSTC114RSTC216RSTC317LDT120OUTC0 K122OUTC1 K224OUTC2 K325OUTC3 K426LDX00127ANIC128OUTY00129LDX00130ANDC131ANIC232OUTY00229LDX00130ANDC131ANIC332OUTY003系统工作时需先按下启动按钮SBX001闭合（1）在X001由断开变为闭合的瞬间，辅助继电器M0线圈得电M0常开触点闭合，C0、C1 、C2、 C3 4个计数器被清零，其常开触点断开，常闭触点闭合（2）Y001线圈得电，A电机启动（3）定时器T1开始工作，定时时间为50×100ms=5s，定时时间到后T1的常闭触点断开，T1线圈失电，定时器停止工作T1的常闭触点闭合，T1线圈得电，T1再次开始工作进行计时，通过上述分析可知，T1定时器线圈每隔5s得电一次，即其触点应每隔5s动作一次。T1的常开触点闭合，C0、C1 、C2、 C3 4个计数器开始对T1的常开触点闭合次数进行计数。A T1的常开触点闭合一次，C0计数器的常开触点C0闭合Y002线圈得电，B电机启动，其启动时间和A电机启动时间间隔5sB T1的常闭触点闭合两次a) C1计数器的常开触点闭合，Y003线圈得电，C电机启动其启动时间和B电机启动时间间隔5sb) C1计数器的常闭触点断开，Y001线圈失电，A电机停止运行，其运行时间为10sC T1的常闭触点闭合三次C2计数器的常闭触点断开，Y002线圈失电，B电机停止运行，其运行时间为10sD T1的常闭触点闭合四次a) C3计数器的常闭触点断开，Y003线圈失电，C电机停止转动，其运行时间为10sb) C3计数器的常开触点闭合，C0、C1 、C2、 C34个计数器被清零程序返回（1）例8-4： 三相异步电动机循环正反转控制要求设计一个用PLC的基本指令来控制电动机循环正反转的控制系统，具体要求如下：按下起动按钮，电动机正转3s，停2s，反转3s，停2s，如此循环5个周期，然后自动停止。运行中，可按停止按钮停止，热继电器动作也应停止。根据题目要求，该控制系统共需3个输入SB1（起动按钮）、SB（停止按钮）、FR（热继电器常开触点），2个输出KM1（正转交流接触器）、KM2（反转交流接触器）。据此可画出PLC外部接线图如图图915所示。图8-28 PLC控制三相异步电动机循