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1、可编程序控制器原 理 及 应 用,引言,PLC技术是电气控制技术中的一朵奇葩。经过30多年的发展，PLC已形成了完整的工业控制器产品系列，其功能从初期的主要用于替继电-接触器控制的简单功能，发展到目前的具有接近于计算机的强有力的软硬件功能。PLC用于包括逻辑运算、数值运算、数据传送、过程控制、位置控制、高速计数、中断控制、人机对话、网络通信等功能的控制领域。PLC源于替代继电-接触器控制，它与传统的电气控制技术有着必不可分的联系。因此，要学习PLC技术，必须先了解传统的电气控制技术。为此，我们在第一章简要介绍了常用控制电器的结构，介绍了基本电气控制电路、使学生对传统的电气控制技术有个粗略的了解
2、，为进一步学习PLC奠定基础。第二、三章介绍了PLC的概况。第四八章以西门子公司的S7-200小型PLC为目标机型，对PLC的基本组成、工作原理、系统配置、指令系统、STEP7编程软件、控制系统的设计方法、网络通信等内容进行讲解。,第一章 电气控制基础第二章 PLC概述第三章 PLC的基本组成和工作原理第四章 S7-200 PLC的系统配置第五章 S7-200 PLC的指令系统第六章 编程软件功能及使用第七章 PLC控制系统设计第八章 可编程控制器的通信及网络,目 录,第一章 电气控制基础,1-1 常用低压电器,1-2电气控制电路基本环节,1.1常用低压电器,电器是一种能根据外界的信号（机械力
3、、电动力和其它物理量），自动或手动接通和断开电路，从而断续或连续地改变电路参数或状态，实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测和调节用的电气元件或设备。,什么是电器,按电压工作等级分类：低压电器(本书主要介绍):工作电压在交流1200，直流1500以下的各种电器。例如：接触器、控制器、启动器、刀开关、熔断器、继电器等高压电器：工作电压高于交流1200，直流1500以上的各种电器。例如：高压断路器、隔离开关高压熔断器、避雷器等按动作原理分类：手动电器:需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。例如：刀开关、转换开关、控制按钮等自动电器：不需人工操作，而是按电或非电信号自动完成指令任务的电器。例
4、如：交流直流接触器、继电器等按用途分类：控制电器:用于各种控制电路和控制系统的电器。例如：接触器、各种控制继电器等主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。例如：控制按钮、行程开关、万能转换开关等。保护电器：用于保护电路和用电设备的电器。例如：熔断器、过流过压欠流欠压继电器等。,电器的分类,配电电器：用于电能的输送和分配的电器。例如：刀开关、自动开关、隔离开关等。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。例如：电磁铁、电磁离合器等。按工作原理分类：电磁式电器：依据电磁感应原理工作的电器。例如：交直流接触器、各种电磁式继电器。非电量控制电器：靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。例如
5、：刀开关、行程开关、按钮、速度压力温度继电器等。,电器的分类,电力拖动自动控制系统常用电器,电磁式电器的工作原理,1.组成,电磁机构,触点系统,灭弧装置,工作原理：当吸引线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触点动作，即使常闭触点断开，常开触点闭合，当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，触点复位。以衔铁为研究对象，其受力为：电磁吸力和弹簧反力,电磁式电器工作原理示意图,1静铁芯 2吸引线圈 3衔铁 4静触点5动触点 6触点弹簧 7释放弹簧,电磁式电器工作原理图,（a）线圈通以直流电的电磁机构,I与无关 F=常数,电磁吸力,交流电磁铁的短路环1衔铁 2
6、铁芯 3线圈 4短路环,b）线圈通以交流电,(1)交流电磁机构上短路环的作用,图1-2 吸力特性与反力特性的配合1直流电磁铁吸力特性 2交流电磁铁吸力特性 3反力特性,吸力特性：是指电磁吸力随衔铁与铁芯间气隙变化的关系曲线。,反力特性：是指反作用力Fr与气隙的关系曲线,在衔铁吸合过程中，其吸力特性必须始终处于反力特性上方，即吸力要大于反力；反之衔铁释放时，吸力特性必须位于反力特性下方，即反力要大于吸力（此时的吸力是由剩磁产生的）。在吸合过程中还须注意吸力特性位于反力特性上方不能太高，否则会影响到电磁机构寿命。,2）电磁机构吸力特性与反力特性的配合,吸力特性与反力特性的配合：,（2）触点系统,触
7、点是电器的执行机构，它在衔铁的带动下起接通和分断电路的作用。结构形式：桥式触点、指形触点触点的接触形式：点接触、线接触、面接触触点的分类：按触点的运动情况：动触点和静触点 按触点的职能分：主触点和辅助触点 按触点的状态可分为：常开触点和常闭触点,3.灭弧系统,电弧的产生：在大气中开断电路时，如果被分段电路的电流超过某一数值（0.25A1A）或分断后夹在触点间隙两端电压超过某一数值（12V 20V），则触点间隙中就会产生电弧，电弧实际上是触点之间气体在强磁场下产生的放电现象，产生高温并发出强光和火花，将使触头烧损并使电路的切断时间延长，严重时会引起火灾和其他事故。常用的灭弧方法有电动力灭弧、磁吹
8、灭弧、栅片灭弧、灭弧罩几种,二.接触器,定义：,接触器是用于远距离频繁地接通和分断主电路或大容量控制电路，主要用于控制电动机，也可用于控制其他电力负载。,接触器的种类按工作原理可以分为：电磁式、气动式、液压式,电磁式接触器分类,按主触头所在动力回路的电流种类分：交流、直流按主触头对数分：单极（一对主触头）、多极（二至四对主触头）按电磁线圈回路（通常叫做控制回路）的电流种类分：交流操作、直流操作按主回路电压等级分：低压、高压按铁心结构形式分：转动式（或称角移式）和直动式,接触器结构简图,接触器的图形符号、文字符号,见附录A239页,接触器铭牌上的额定电压是指主触头的额定电压。交流接触器的额定电压
9、一般为220V、380V、660V及1140V；直流接触器一般为220V、440V及660V。辅助触头的常用额定电压：交流380V；直流220V。,接触器的主要技术参数-额定电压,接触器的主要技术参数-额定电流,接触器的额定工作电流系指主触头的额定电流。接触器电流等级为：6A、10A、16A、25A、40A、60A、100A、160A、250A、400A、600A、1000A、1600A、2500A及4000A。,接触器的主要技术参数-操作频率,交流接触器的操作频率一般为：300次/h1200次/h 直流接触器的额定操作频率比交流接触器的高,接触器的选用,1.接触器的类型选择：根据接触器所控制
10、负载的轻重和负载电流的类型来选择交流还是直流接触器。2.额定电压的选择接触器的额定电压不小于负载回路的电压。3.额定电流的选择：一般接触器的额定电流不小于被控回路的额定电流。对于电动机负载可按经验公式计算：4.吸引线圈的额定电压：吸引线圈的额定电压与所接控制电路的电压相一致。,2、继电器 定义,继电器是控制系统中一种重要的元件，它的作用就是按照某种要求接通或断开控制系统中的电路。当继电器输入电压、电流等电量或温度、压力和转速等非电量达到规定值时，继电器的触点便接通或分断所控制或保护的电路。继电器一般由输入感测机构和输出执行机构两部分组成，前者用以反映输入量的高低，后者用以接通或切断电路。常用的
11、继电器是有触点的，触点有通和断两种状态，状态的改变由某种机构带动。,继电器-分类,按动作原理，继电器可以分电磁式、感应式、电子式、热效应式、气动式、电动式等；按动作时间，继电器可以分 瞬时动作和延时动作（也叫时间继电器）等；,继电器-分类,按输入量的物理性质，继电器可以分为电压、电流、速度、时间、温度、压力、热继电器等。最常用的是电磁式继电器，它是根据吸引线圈中的电流量的大小来动作的。电磁式继电器分直流和交流两大类，它们的主要结构和工作原理与接触器基本相同，它们各自又可分为电流、电压、时间、中间继电器等。吸引线圈采用直流控制的叫直流继电器；吸引线圈采用交流控制的叫交流继电器。,继电器继电器特性
12、曲线,X2为继电器的吸合值；X1为继电器的释放值；K=x1/x2称为继电器的返回系数,继电器与接触器的主要区别,接触器感应固定的电压信号，继电器可感应多种输入信号的变化，包括电压、电流、速度、时间、温度、压力等。接触器主触头容量大，可以通过大电流，用于控制主回路；继电器的触头只能通过小电流，主要用于实现各种逻辑控制。接触器均带有灭弧装置，继电器则没有。,继电器-电压继电器,1）电压继电器触点的动作和线圈的动作电压大小有关的继电器叫电压继电器，它用于电力拖动系统的电压保护和控制，使用时电压继电器的线圈与负载并联。其线圈的匝数多而线径细。分类：按线圈电流的种类可以分为交流和直流电压继电器，按吸合电
13、压大小又可以分为过电压、欠电压和零电压继电器。,特点,继电器-中间断电器,中间继电器的作用是增加被控制线路的数量或加大触点允许的断开容量，以达到分配控制信号和功率放大的目的。中间继电器有交、直流两种。中间继电器的特点是触点数目较多，一般在34对以上，触点形式常采用桥形触点（与接触器辅助触点相同）。动作功率较大的中间继电器与小型接触器的结构相同。,继电器-中间断电器,适用于交流500V以下的控制线路，线圈电压为交流12V、36V、127V、220V及380V五种。继电器有八对触点，额定电流为5A，最高操作频率为1200次/h。适用于直流110V以下的控制电路，线圈额定电压为直流12V、24V、4
14、8V、110V四种，线圈消耗功率不大于3W，继电器具有带公共触点的三常开、三常闭触点，触点额定电流为3A。,继电器-电流继电器,2）电流继电器触点的动作和线圈的动作电流大小有关的继电器叫电流继电器，使用时电流继电器的线圈与负载串联。,特点,其线圈的匝数少而粗。,分类：按线圈电流的种类可以分为交流和直流电流继电器，按吸合电流大小又可以分为过电流和低电流继电器。,继电器-时间继电器,时间继电器的特点是当得到控制信号后（如继电器线圈接通或断开电源），其触点状态并不立即改变，而是经过一段时间的延迟之间，触点才闭合或断开，因此这种继电器又称为延时继电器。附录A239页,继电器-热继电器,热继电器是利用电
15、流流过热元件时产生的热量，使双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种保护电器。主要用于交流电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护及其它电气设备发热状态的控制。,热继电器的选用：,（1）过载能力较差的电动机，热元件的额定电流IRT为电动机的额定电流 IN的6080。（2）在不频繁的启动场合，若电动机启动电流为其额定电流6倍以及启动时间不超过6秒时，可按电动机的额定电流选取热继电器；（3）当电动机为重复且短时工作制时，要注意确定热继电器的操作频率，对于操作频率较高的电动机不宜使用热继电器作为过载保护。（由于热惯性，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作即表现为继电特性
16、。,主令电器,主令电器是在自动控制系统中发出指令或信号的电器，用来控制接触器、继电器或其它电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产机械的目的。主令电器应用广泛、种类繁多。按其作用可分为：控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其它主令电器（如脚踏开关、钮子开关、紧急开关）等。,按钮,1-按钮帽 2-复位弹簧 3-动触点4-常闭静触点 5-常开静触点,（二）行程开关,行程开关又称限位开关或位置开关。是一种利用生产机械某些运动部件的撞击来发出控制信号的小电流主令电器。主要用于生产机械的运动方向、行程大小控制或位置保护等。接近开关和光电开关 非接触式的、无触点行程开关 接近开关按
17、其工作原理分：有高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型等，其中高频振荡型最为常用,五、熔断器,熔断器是一种结构简单、使用方便、价格低廉的保护电器。常作为电路或用电设备的严重过载和短路保护，主要用作短路保护。熔断器的熔体串联在被保护电路中,六、低压断路器,低压断路器又称自动空气开关或自动开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。,1-12 低压断路器结构示意图1主触点 2自由脱扣机构 3过电流脱扣器4分励脱扣器 5热脱扣器 6失压脱扣器 7按钮,1.2基本电气控制电路,重点：点动控
18、制、自锁控制、互锁控制原理和几种基本控制电路的设计电气原理图即把低压电器国际标准图形符号和文字符号用导线按用户的要求连接起来，目的是分析控制线路的工作原理，为阅读、检验故障提供信息，也为编制接线图提供依据。,继电器-接触器原理图的绘制规则,基本原则1）同一电路中串联的各部件都展开地画在一条线上。全部控制线路分为主回路、控制回路和辅助回路。主回路是电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件，一般由（QS,FU,FR的热元件KM主触点和电动机）组成。接触器和继电器线圈等是小电流线路属于控制回路；其他如信号、保护、测量等也是小电流线路但属于辅助回路。,继电器-接触器原理图的绘
19、制,2）所有的主回路（或称动力回路）在图上都用粗线画出，并且一般都画在图纸的上方或左方。控制和辅助回路用细线表示，画在同一张图纸的下方或右方。3）图中各电器元件均应用国标规定的图形符号和文字符号同一电器的各部件（如继电器的线圈和触点）可以画在不同的位置，但必须采用相同的文字符号表示。为了区分同一电器的各触点或同一类型的各电器，可以用辅助符号或数字序号加以区别。,继电器-接触器原理图的绘制,4）线路图中的所有触点都按其“正常”位置画出所谓正常位置是指各电器在没有通电或受外力作用时的状态。例如接触器线圈未通电，主令控制器手柄在零位，按钮未按下时的情况等。5）尽可能减少线条和避免线条交叉 各导线之间
20、有电的联系时，在导线的交点处画一个实心圆点。根据图面布置的需要，可以将图形符号旋转90度，但文字符号不可倒置。,三相笼型异步电动机全电压启动控制线路原理图单向点动控制,“一按（点）就动，一松（放）就停”的电路称为点动控制电路。点动控制电路常用于调整机床，对刀操作等。因短时工作，电路中不设热继电器,单向点动控制电路,单向自锁控制电路,依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的辅助触点，则称为自锁触点,单向自锁控制电路,单向点动、自锁混合电路,（1）,（2）,2.电动机正反向运行控制电路-互锁,接触器KM1和KM2触点不可同时闭合，以免发生相间短路故障。互锁：利用接触器常
21、闭辅助触点互相制约的方法称为互锁。而这两个常闭辅助触点称为互锁触点。,2正一反一停控制电路,1.正停反控制电路,2.电动机正反向运行控制电路 自动停止控制电路,2.电动机正反向运行控制电路 自动往返控制电路,三相笼型异步电动机减压起动控制电路：容量大的笼型异步电动机的启动电流很大，不允许直接启动。,典型控制电路,（一）多地点控制,（二）顺序启动,步进控制电路,组成电气控制电路的基本规律,(一)按联锁控制的规律,联锁控制：电气控制电路中，各电器之间的互相制约、互相配合的控制,如：顺序控制，电动机正，反转控制电路，单相点动、自锁混合控制电路,正确选择联锁触点,关键,组成电气控制电路的基本规律,(二
22、)按控制过程的变化参量进行控制的规律,：星形三角形降压起动控制电路时间作为控制参量,在自动往返控制电路中，选择运动部件的行程作为控制参量,反接制动控制电路中，选择速度作为控制参量,绕线式异步电动机的控制电路，选择电流作为控制参量,控制过程中选择电压、压力、温度等控制参量进行控制的方式分别称为电压原则、压力原则、温度原则,按控制过程的变化参量进行控制的关键是正确选择控制参量、确定控制原则，并选定能反映该控制参量变化的电器元件。例如按时间原则控制时应选定时间继电器来反映时间参量的变化,如,电动机控制的保护环节,电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、失压、欠压保护、弱磁保护、安全接地、工作接地等,电动机控制的保护环节,设计题：1、设计三台电机启停控制线路，要求：启动时M1M2M3的顺序启动停止时按M3M2M1的顺序停止。2、电动机M1和M2可以分别启动和停止，也可以同时启动和停止。3、试设计一个工作台前进-退回的控制电路，工作台由电动机拖动，SQ1、SQ2分别装在工作台的原位和终点要求（1）能自动实现前进-后退-停止到原位；（2）工作台在前进中可以立即后退到原位。4、设计一台异步电动机控制电路，要求（1）能实现启、停的两地控制；（2）能实现点动调整；（3）能实现单方向的行程控制；（4）要有短路和过载保护。,
