第1章电气控制与PLC

续论一、电气控制技术与PLC的发展随着科学技术的不断发展，生产工艺的要求不断提高，电气控制技术经历了从手动到自动、从简单到复杂、从单一到多功能、从硬件控制到软件控制的不断变革。1.19世纪末到20世纪初为生产机械电力拖动的初期，由集中拖动向分散拖动发展。集中拖动：常以一台电动机拖动多台设备，或使一台机床的多个运部件由一台电动机拖动，传动机构复杂,操作不便，安全性差。随后出现了单机拖动，至30年代发展成为分散拖动，即各运动部件分别用不同的电动机拖动，不仅简化了机械传动机构，提高传动效率，也为生产机械各部分能够选择最合理的运行速度和自动控制创造了良好条件。因此目前绝大多数生产机械都采用分散控制。2.手动控制向自动控制方向发展手动：人力操作实现电机的启动，停止，正反转。适合容量小,不频繁启动的场合。自动：即继电器-接触器控制系统。这种控制方式由操作者发出信号，通过主令电器接通继电器-接触器控制电路。实现电机的启动，停止，正反转，调速，制动和各种保护功能。优点：控制方法简单、工作稳定、成本低、缺点：接线固定，使用单一。3.计算机控制系统优点：系统灵活性和通用性高、缺点：系统复杂、抗干扰能力差4.20世纪70年代，一种新型工业控制器—可编程控制器（PLC）问世，美国数字设备公司（DEC)于1969年率先研制出第一台可编程控制器，在通用汽车公司的自动装配线上试用获得成功。它以微处理技术为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，以软件手段实现各种控制功能。（1）.具有极高的抗干扰能力，适宜各种恶劣的生产环境，兼备了计算机和继电器两种控制方式的优点，（2）.形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构。因此作为一个电气技术人员必须掌握可编程控制器的基本原理、编程方法和应用技术。5.自动控制技术发展的另一分支为数控技术也在50年代研制成功，（1）1952年，美国研制出第一台三坐标数控铣床，它综合应用了计算机、自动控制、伺服驱动、等多方面新技术成就。（2）随着电子技术的发展，出现了CNC（计算机数控装置）(3)70年代出现了计算机群控系统，即，（DNC）直接数控，由一台大型计算机控制和管理多台数控机床。在此基础上增加刀具和工件的装卸输送系统及必要的检测设备，构成了柔性制造系统，(FMS)。二、本课程的性质和任务本课程的主要内容是以电动机或其它执行电器为控制对象，介绍电气控制的基本原理、控制线路及设计方法，同时着重介绍可编程控制器（PLC）的功能、指令系统、编程方法和应用技术。本课程的任务是：（1）熟悉常用低压电器的基本结构、工作原理、用途和型号，达到能正确使用和选用的目的。（2）熟练掌握常用电气控制电路的基本控制环节，具有对一般电气控制电路的独立分析能力。（3）熟悉典型生产设备电气控制电路的工作原理、分析方法，具有处理一般故障的初步能力。（4）掌握可编程控制器的基本原理、指令系统和编程方法。（5）能正确使用和选用可编程控制器，具有一般程序设计能力和调试修改能力、对传统继电器控制系统进行技术改造能力、并具有初步技术开发能力。第一章常用低压电器第一节概述低压电器定义：用于交,直流电压1200V以下的电路内起通断，保护、控制、或调节作用的电器。1．按电器的动作性质分：手动电器和自动电器两大类。手动电器是由人手操纵的电器，如闸刀开关、按钮、手动Ｙ—△起动器等。自动电器是按指令信号或某个物理的变化而自动工作的电器，如各种接2．按电器的性能和用途分：控制电器和保护电器两大类。控制电器用来控制电路接通和断开及控制电动机的各种运行状态。如刀开关、按钮、接触器等。保护电器用于保护电源、线路和电动机。3．按有无触点分：有触点电器和无触点电器。有触点电器构成断电接触器控制系统。这种系统不仅可以实现生产过程自动控制，还可以实现集中控制和远距离控制，且具有结构简单，成本低，抗干扰能力强，调整维护容易等优点。无触点电器是指现代化的电力拖动系统中的晶体管无触点逻辑元件、电子程序控制器件、数字控制系统以及计算机控制系统等。4．按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器。电磁式电器根据电磁感应原理来工作，如：交流接触器，各种电磁式继电器。非电量电器根据非电量（压力、温度、时间、速度等）的变化而工作的电器。如：按钮、行程开关、压力继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等。目前低压电器朝着体积小、重量轻、安全可靠、使用方便的方向发展，主要途径是利用微电子技术提高传统电器的性能：在产品品种方面，大力发展电子化的新型控制器，保护电器和半导体启动器。图1.1电磁机构的结构形式(a)、(d)螺管式(c)、(f)、(g)转动式(b)、(e)直动式第二节低压电器的电磁机构及执行机构一、电磁机构电磁机构通常采用电磁铁的形式，由吸引线圈、铁芯和衔铁组成。吸引线圈绕在铁芯柱上，它是静止不动的，故铁芯又称为静铁芯。而衔铁是可以动作的,称为动铁芯。电磁机构又称为磁路系统，其主要作用是将电磁能转换为机械能并带动触头动作从而接通或断开电路。工作原理为：当线圈中通入电流后，产生磁场，磁场的磁通经铁芯、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁芯。但衔铁的运动还受到反作用弹簧拉力的作用，只有当电磁吸力大于反作用弹簧的拉力，衔铁才可被铁芯可靠的吸住。但是电磁吸力过大，又会使衔铁与铁芯发生严重的碰击。1.衔铁沿直线运动的双E型直动式铁芯，如图1.1（b）、(e)所示。一般用于交流接触器、继电器。2.衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，如图1.1(f)、(g)所示。多用于触点容量较大的交流电器中。3.衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，如图1.1(c)所示。一般用于直流电器中。图1.2交流电磁铁的短路环1-衔铁2-铁芯3-线圈4-断路环二.吸引线圈吸引线圈的作用是将电能转化为磁场能。按线圈的接线形式分为电压线圈和电流线圈；电压线圈并接在电源两端，电流大小由电源电压和线圈本身的阻抗决定,其匝数多、导线细、阻抗大、电流小，一般用绝缘性能好的漆包线绕成。电流线圈串接于电路中，反应电路中的电流，其匝数少、导线粗，一般用扁铜带或粗铜线绕成。1.交流电磁机构上短路环的作用电磁机构在工作中，衔铁总受到反作用弹簧的拉力作用。当电磁吸力大于反作用弹簧拉力时，衔铁吸和。当电磁吸力小于反作用弹簧拉力时，衔铁释放。电磁机构通入交流电时，因产生的电磁吸力是脉动的，使电磁吸力时而大于反作用弹簧拉力，时而小于反作用弹簧拉力，使得衔铁产生振动。消除振动的措施是在铁芯中引用短路环。具体方法为:在交流电磁铁铁芯柱距端面1/3处开一个槽，槽内嵌入铜环（又称短路环、或称分磁环），如图1.2所示。当吸引线圈通入交流电时，由于短路环的作用，使铁芯中的磁通分为两部分，即通过短路环的磁通和不通过短路环的磁通。两部分磁通存在相位差，二者不会同时为零，如果短路环设计的合理，使得合成电磁吸力总大于反作用弹簧拉力，衔铁吸和时不会产生振动和噪音。二、触头系统触头是有触点电器的执行部分，通过触头的闭合、断开控制电路通、断。触头通常有以下几种形式:1．桥式触头为两个点接触的桥式触头，图1.3(b)是两个面接触的桥式触头。两个触头串接与于同一电路，共同完成电路的通、断。点接触型适用于小电流、触头压力小的场合。面接触型适用于大电流的场合。2．指式触头图1.3（c）为指式触头，其接触区为一直线，触头动作时产生滚动摩擦，以利于去掉氧化膜，适用于接通次数多，电流大的场合。触头通常采用具有良好导电、导热性能的铜材料制成，但铜的表面易生成氧化膜，增大触头表面的接触电阻，使埙耗增大，温度升高。对于一些继电器或容量小的电器，触点常用银质材料制成，这样可以增加导电、导热性能，降低氧化膜电阻率（银质氧化膜的电阻率和纯银相似），且银质氧化膜只有在高温下才能形成，又容易被粉化。对于容量大的电器，触头采用滚动接触时，可将氧化膜去掉，也常用铜质触头。三、灭弧系统实践证明，电气设备的开关电器切断有电流的电路时，如果触头间电压大于10～20V，电流超过80mA时，触头间会产生强烈而耀眼的光柱，即是电弧。电弧是电流流过空间气隙的现象，说明电路中仍有电流通过。当电弧持续不熄时，会产生很多危害：①延长了开关电器切断故障的时间；②由于电弧的温度很高（表面温度可达3000℃～4000℃，中心温度可达10000℃），如果电弧长时间燃烧，不仅将触头表面的金属熔化或蒸发，而且引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，引起事故；③使油开关的内部温度和压力剧增引起爆炸；④形成飞弧造成电源短路事故。因此应在开关电器中采用有效措施，使低压控制电器常用的灭弧方法1.机械灭弧通过机械装置将电弧迅速拉长2.磁吹灭弧在一个与触头串联的磁吹线圈产生的磁场作用下，电弧受电磁力的作用而拉长，被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，与固体介质相接触，电弧被冷却而熄灭。3.窄缝灭弧法在电弧形成的磁场电动力的作用下，可使电弧拉长并进入灭弧罩的窄缝中，几条纵缝可以将电弧分割成数段且与固体介质相接触，电弧便迅速熄灭。多用于交流接触器上。4.栅片灭弧当触头分开时，产生的电弧在电动力的被推入一组金属栅片中而被分割成数段。从而达到灭弧目的。第二节开关电器1.2.1a)刀开关结构开关电器的作用主要是实现对电路进行通、断控制。常用来作为电源的引入开关，也可以直接控制小容量电动机的起动和停止，局部照明线路也常用它来进行控制。一、刀开关刀开关主要作用是隔离电源，或作不频繁接通和断开电路用。它是结构最简单、应用最广泛的一种低压电器。刀开关的典型结构如图，主要由静插座、触刀、操作手柄、绝缘底板组成。静插座由导电材料和弹性材料制成，固定在绝缘材料制成的底板上，推动手柄带动触刀插入静插座中，电路便接通。否则电路便断开。刀开关的种类很多。按刀的级数分为：单极、双极和三极。按灭弧装置分为：带灭弧装置和不带灭弧装置。按刀的转换方向分为：单掷和双掷。按接线方式分为：板前接线式和板后接线式。按操作方式分为：直接手柄操作和远距离联杆操作。按有无熔断器分为带熔断器式刀开关和不带熔断器式刀开关。a)刀开关结构1．开关板用刀开关（不带熔断器式刀开关）：23(１)(２)(１)开启式负荷开关(HK系列)又称闸刀开关,是由刀开关和熔断器组合而成。用于额定电压为交流380Ｖ、50Ｈz电气照明装置的设备中，在短路电流不大的线路中作不频繁带负荷操作和短路保护用。此系列闸刀开关不设专门灭弧装置，因此分闸和合闸时应动作迅速，使电弧较快地熄灭.(２)封闭式负荷开关（HH系列）又称铁壳开关，具有铸铁或铸钢制成的全封闭外壳，防护能力较好，供手动不频繁地通、断电路，以及作为线路末端的短路保护之用。交流50HZ、380V、60A以下等级的开关，可作为交流电动机不频繁地直接刀开关和负荷开关在安装时要垂直安放，为了使分闸后刀片不带电，进线端在上端与电源相接，出线端在下端与负载相接。合闸时手柄朝上，拉闸时手柄朝下，以保证检修和装换熔丝时的安全，若水平或上下颠倒安放，拉闸后由于闸刀的自重或螺丝松动等原因，易造成误合闸，引起意外事故。二、组合开关组合开关又称转换开关。常用的组合开关有HZ10系列，其结构如图1.8所示。三极组合开关有三对静触头和三个动触片，分别装在三层绝缘底板上。静触头一端固定在胶木盒内，另一端伸出盒外，以便和电源或负载相连接。三个动触片是两个磷铜片或硬紫铜片和消弧性能良好的绝缘钢纸板铆合而成，和绝缘垫板一起套在附有手柄的绝缘方杆上，每次可使绝缘方轴按正或反方向每次作90°的转动，带动三个动触片分别与三对静触头接通或断开，完成电路的通断动作。1．低压断路器的用途主要在电路正常工作条件下作为线路的不频繁接通和分断用，并在电路发生过载、短路及失压时能自动分断电路。具有操作安全，分断能力较高，兼有多种保护功能，动作值可调整等优点，且一旦发生短路故障后，故障排除一般不需要更换部件，因此应用较为广泛。2．DZ系列断路器的结构和工作原理(１)触头系统：(２)灭弧结构：(３)传动机构：(４)脱扣机构123