[理学]2012年PLC第1节.ppt

主讲教师主讲教师 吴凌云吴凌云 n n 课程名称：课程名称：“可编程序控制器原理及应用可编程序控制器原理及应用” “ “常用电器设备常用电器设备” n n 教材：教材： “ “S7-200PLCS7-200PLC编程及应用编程及应用”第第1 1版版 主编主编 廖常初廖常初 n n 出版社：机械工业出版社出版社：机械工业出版社 20102010年年 n n 参考资料：参考资料：S7-200S7-200中文系统手册、其它教材、网中文系统手册、其它教材、网 站等站等 n n 必修课：必修课：4848学时。讲授学时。讲授3636学时，实验学时，实验1212学时。学时。 绪论绪论 n一、本课程的性质本课程的性质 n n 二、本课程的学习目标二、本课程的学习目标 n n 三、本课程的学习安排及考核三、本课程的学习安排及考核 n n 四、电气控制技术的发展四、电气控制技术的发展 n n 一、本课程的性质一、本课程的性质 n1、实用性实用性 n n 2 2、自动控制、自动控制技术技术的专业课程的专业课程 n n 3 3、电气工程师的专业课程、电气工程师的专业课程 二、本课程的学习目标二、本课程的学习目标 1 1、传统电气控制技术的学习、传统电气控制技术的学习 n n 了解常用低压电器及其使用了解常用低压电器及其使用 n n 学会设计简单常用的电气控制线路学会设计简单常用的电气控制线路 2 2、可编程控制器原理及应用、可编程控制器原理及应用 n n 了解了解PLCPLC的组成和工作原理的组成和工作原理 n n 熟悉常用电气控制电路的程序设计熟悉常用电气控制电路的程序设计 n n 熟悉熟悉S7-200S7-200型号的型号的PLCPLC并能进行应用实例的设并能进行应用实例的设 计（包括选硬件模块和程序设计）。计（包括选硬件模块和程序设计）。 三、本课程的学习安排三、本课程的学习安排 n n 理论课理论课：3636学时学时 n n 实验课实验课：1212学时（其中学时（其中1 1个大作业）个大作业） 每个人都要动手，提问验收；每个人都要动手，提问验收； n n 考试考试：课程结束后安排考试；：课程结束后安排考试； n n 平时成绩：平时成绩：考勤、回答问题及随堂测试等；考勤、回答问题及随堂测试等； n n 调研报告调研报告：不许互相抄袭；：不许互相抄袭； n n 课程考核成绩课程考核成绩：由调研报告、大作业、实验、：由调研报告、大作业、实验、 平时成绩和考试成绩综合给出。平时成绩和考试成绩综合给出。 四、电气控制技术的发展四、电气控制技术的发展 上世纪三、四十年代上世纪三、四十年代 继电器接触器控制系统继电器接触器控制系统该系统一直使用了近百年，即使该系统一直使用了近百年，即使 到今天还在使用。到今天还在使用。 上世纪五、六十年代上世纪五、六十年代 电子逻辑电路电子逻辑电路适当地取代过一些继电接触器控制线路，但适当地取代过一些继电接触器控制线路，但 使用得不广泛。使用得不广泛。 上世纪六十年代末开始上世纪六十年代末开始 电气控制技术进入了一个以微机和电气控制技术进入了一个以微机和PLCPLC为主的时代；为主的时代； 上世纪七、八十年代上世纪七、八十年代 PLCPLC在中低端的电气控制场合占据霸主地位；在中低端的电气控制场合占据霸主地位； 各种其他智能电器，如变频器、可编程调节器等和各种其他智能电器，如变频器、可编程调节器等和PLCPLC相相 互配合实现复杂的控制。互配合实现复杂的控制。 DCSDCS 机器人技术；机器人技术； CAD/CAMCAD/CAM、CIMSCIMS等蓬勃发展。等蓬勃发展。 上世纪九十年代后期上世纪九十年代后期 PLCPLC逐步占据了过程控制领域的许多市场。逐步占据了过程控制领域的许多市场。 上世纪九十年代以来上世纪九十年代以来 现场总线技术开始进入实际应用阶段，不论是对现场总线技术开始进入实际应用阶段，不论是对 电气控制技术，还是过程控制技术来说都是一次电气控制技术，还是过程控制技术来说都是一次 革命性的变革。革命性的变革。 通信技术和工业自动控制技术相结合已成为不可通信技术和工业自动控制技术相结合已成为不可 逆转之势。逆转之势。 但在但在FCSFCS中，中，PLCPLC仍是主角。仍是主角。 网站： n n 365365工控论坛等各种工控网工控论坛等各种工控网 n n “ “可编程控制器原理与应用可编程控制器原理与应用” ”精品课程网站精品课程网站 如：郑州轻工业学院等如：郑州轻工业学院等 n n 西门子公司官方网站西门子公司官方网站 第1章 电气控制基础 n第1节 常用低压电器 n计算机控制 nPLC控制 n继电-接触器控制 n 学习目的 低压 电器 电气控制系统 电 气 控 制 系 统 主要内容主要内容 一、电器的基本知识电器的基本知识 二、接触器二、接触器 三、继电器三、继电器 四、主令电器四、主令电器 五、熔断器五、熔断器 六、低压断路器六、低压断路器 一电器的基本知识 n n 电器的定义电器的定义 n n 电器的基本组成电器的基本组成 n n 电器的分类电器的分类 （一）概述 1 1电器的定义电器的定义 n n 电器电器是一种控制电能的工具。它是一种控制电能的工具。它对电能的生产、输送对电能的生产、输送 、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用。 n n 接触器接触器 n n 继电器继电器 n n 主令电器主令电器 n n 熔断器熔断器 n n 电 器 2. 2. 电器的基本组成电器的基本组成 两个基本组成部分： 感测部分 执行部分 工作原理 n线圈通电：磁通电磁吸力衔铁吸下 触点动作 n线圈断电：失去电磁吸力衔铁被拉回原位 电磁 线圈 铁心 磁通 气隙处 衔铁 触点 复位 弹簧 继电器工作原理图继电器工作原理图 如图是一种水位报警如图是一种水位报警 器的原理图，当水位到达器的原理图，当水位到达 金属块金属块A A时（一般的水能时（一般的水能 导电），电路中（导电），电路中（ ） A A绿灯亮绿灯亮 B B红灯亮红灯亮 C C两灯同时亮两灯同时亮 D D两灯都不亮两灯都不亮 n n 3. 3. 电器的分类电器的分类 n n （1 1）按工作电压范围分类：）按工作电压范围分类：分为低压电器和高压电器分为低压电器和高压电器。 n n 低压电器低压电器：用于交流：用于交流12001200V V、直流直流15001500V V级以下的电路中起级以下的电路中起 通断、保护、控制或调节作用的电器产品。通断、保护、控制或调节作用的电器产品。 n n 高压电器高压电器：交流：交流12001200V V以上、直流以上、直流15001500V V以上的电路中起通以上的电路中起通 断、保护、控制或调节作用的电器产品。断、保护、控制或调节作用的电器产品。 n n （2 2）低压电器按所控制的对象分类）低压电器按所控制的对象分类 分为分为低压配电电器和低压控制电器。低压配电电器和低压控制电器。 n n 低压配电电器低压配电电器：刀开关、低压断路器、熔断器等。主要用：刀开关、低压断路器、熔断器等。主要用 于于低压供电系统。低压供电系统。 n n 低压控制电路低压控制电路：接触器、继电器、控制器、按钮等。主要：接触器、继电器、控制器、按钮等。主要 用于电力拖动控制用于电力拖动控制系统。系统。 n n （3 3）按所起作用分类）按所起作用分类 可分为可分为控制电器和保护电器控制电器和保护电器。 n n （4 4）按动作性质分类）按动作性质分类 可分为可分为自动控制电器和非自动控制电器自动控制电器和非自动控制电器。 n n 手动电器手动电器：刀开关、按钮、转换开关：刀开关、按钮、转换开关 n n 自动电器自动电器：低压断路器、接触器、继电器：低压断路器、接触器、继电器 常用低压电器常用低压电器 电气控制系统电气控制系统 接触器 继电器 低压断路器 主令 电器 熔断器 (二) 电磁式电器 电磁式电器 用途广泛 原理 相同 结构 相同 电磁式电器的组成电磁式电器的组成 n电磁机构 n触点系统 n灭弧系统 n缓冲机构 n 1触点系统触点系统 （执行机构）（执行机构） n用来接通或断开被控制的电路 控制电路 M (1) 触点的结构形式 n桥式触点 n指形触点 桥式触点指形触点桥式触点 （2）触点的接触形式 n点接触 用于小电流的场合 n面接触 用于大容量、大电流的场合 n线接触 用于电流较大的场合。 （3）触点的分类 n按触点运动的情况： 动触点 静触点 n按触点的职能： 主触点 辅助触点 n按触点的状态： 常开触点（动合触点 ） 常闭触点（动断触点 ） 触点的状态触点的状态 “ “常开常开” ”和和“ “常闭常闭” ”是指电器在没有通电和是指电器在没有通电和 没有外力作用时的触点状态。没有外力作用时的触点状态。 常开 触点 常闭 触点 2电磁机构（感测部分） n线圈 n铁芯 n衔铁 组 成 电磁机构的分类电磁机构的分类 1.根据电磁线圈中通以电流的种类： n直流电磁机构 n交流电磁机构 2.根据电磁线圈在电路中的联接方式： n串联线圈（电流线圈） n并联线圈（电压线圈） 3灭弧系统 灭弧 n常用的灭弧方法有： 拉长电弧、冷却电弧和将电弧分段。 n对于电弧较弱的接触器，只采用灭弧罩即可。 电弧较强的接触器，常采用灭弧栅熄弧。 图1.4 灭弧栅 返回本节 图图1.41.4是灭弧栅的机构图。图中是灭弧栅的机构图。图中1 1是灭弧室， 是灭弧室，2 2和和5 5分分 别为动、静触点，别为动、静触点，3 3 为金属栅片，为金属栅片，4 4为电弧。灭弧栅是数为电弧。灭弧栅是数 片钢片制成的栅状装置，片钢片制成的栅状装置，当触点断开发生电弧时，当触点断开发生电弧时，电弧电弧 进入栅片内，被分割为数段，迅速熄灭。进入栅片内，被分割为数段，迅速熄灭。 二、接触器（电磁式） 用于控制大电流电路的开关电器 ： 1.交、直流主电路 n电动机 n电热设备 n电焊机 n电容器组 2.大容量控制电路 1. 组成和工作原理 接触器的结构和工作原理： 与电磁式电器相同与电磁式电器相同 电磁机构电磁机构 触点系统触点系统 灭弧系统灭弧系统 释放弹簧机构释放弹簧机构 支架与底座支架与底座 组 成 接触器的原理结构图接触器的原理结构图 电磁式继电器 n一、结构及工作原理 n 当继电器线圈两端通电时，在铁心 n 、衔铁及气隙组成的回路中产生磁 n通，由此产生电磁吸合力，将衔铁吸 n向铁心从而使动触点向静触点产生 n闭合。（如直流电机通电，电机运行） n 线圈断电时，电磁力消失，衔铁 n在反力弹簧的作用下回到原始位置， n动、静触点重新分开。（如直流电机 n断电，电机停止运行。） 接触器的触点 主触点： n用于主电路 n三对常开触点 辅助触点： n 用于控制电路 按流过接触器主触点按流过接触器主触点电流性质电流性质 ： n交流接触器 用于交流电路中 n直流接触器 用于直流电路中 2 2接触器的选择与使用接触器的选择与使用 n(1) 接触器的类型 n(2) 额定电压 n(3) 额定电流 n(4) 电磁线圈的额定电压 n(5) 额定操作频率 (1) 接触器的类型接触器的类型 根据控制负载电流的类型来选择： n直流接触器 n交流接触器 如控制交流电机还是直流电机 (2) 额定电压额定电压 n额定电压是指主触点能承受的电压 。 n额定电压应大于或等于负载电路的 电压。 (3) 额定电流额定电流 n额定电流是指主触点的额定电流， 即允许长期通过的最大电流。 n额定电流应大于或等于被控电路的 额定电流。 对于电动机负载可按对于电动机负载可按经验公式经验公式计算：计算： n -流过接触器主触点电流（流过接触器主触点电流（A A ） n n - -电动机的额定功率（电动机的额定功率（KWKW） n n - -电动机的额定电压（电动机的额定电压（V V） n n K K - -经验系数，（经验系数，（11.411.4） (4) 电磁线圈的额定电压 吸引线圈的额定电压吸引线圈的额定电压应与控制电应与控制电 路的电压相等路的电压相等 (5)(5)额定操作频率额定操作频率 n n 直流：直流：12001200次次/ /H H （次（次/ /小时）小时） n n 交流：交流：600600次次/ /H H （75010007501000次次/ /H H） （6）触点的数量、种类满足控制要求 ： n主触点：3常开 n辅助触点：1常开、1常闭 辅助 触点 3 接触器的图形符号、文字符号 （线圈） （主触点） （辅助触点） 三、继电器 根据电气量或非电气量的变化来接 通或断开控制电路 n电气量或非电气量： *电压 *电流 *温度 *时间 *速度 *压力 继电器 接触器 n相同点：用触点来控制电路的通断。 n区别： 控制场合 输入信号不同 功能不同 n应正确选用继电器或接触器 (1) 控制场合不同 接触器： 用来控制大电流的 电路。 n负载主电路 n大容量控制电路 n一般设灭弧装置 继电器： 用于控制电路中。 （小电流控制） n不能直接带负载 n不设灭弧装置 (2) 输入信号不同 n继电器： *对各种物理量作出反应 *作为保护电器 n接触器： *在一定的电压信号下动作 继电特性 n输入量x由0x1以前，Y为零。(Y为输出量） n当x增加至x = x2时，继电器吸合，输出量为y1 ，若x再增加，y值不变。 n当x减小至x = x1时，继电器释放，输出由y1 0，x再减小，y值仍为零。 吸合值释放值 吸合值 释放值 n吸合值（动作值）： 欲使继电器动作，输入量必须大于此值 ； n释放值： 欲使继电器释放，输入量必须小于此值 。 （3）功能不同 继电器： n用于反映控制信号 n进行信号的传递 转换 放大 n控制触点数量较多 （KA） 接触器： n大电流的开关电器 电气控制系统用继电器： n电磁式继电器 电压继电器 电流继电器 中间继电器 n时间继电器 n热继电器 n速度继电器 （一）电磁式继电器 n结构和工作原理与电磁式电器相同 n可分： 直流 交流 电压继电器 电流继电器 中间继电器 1电压继电器 n输入信号是电压 n检测电压 n线圈与被测电路并联 n励磁线圈上的电压达规定值（整定值） 时动作 2电流继电器 n输入信号是电流 n检测电流 n电流继电器的线圈与被测电路串联 n励磁线圈上的电流达规定值（整定值） 时动作 3中间继电器 n电磁线圈并接在电路中 n触点数量多 n触点容量较大（5-10A） n中间转换元件 n传递、转换、放大控制信号 中间继电器 4电磁式继电器的电气图形、 文字符号 (二) 时间继电器 凡是感测机构获得信号后，执行机 构要延迟一段时间才动作的电器叫做时 间继电器。 延时时间 电器的固有动作时间 n延时时间区别于电磁式电器的固有动作 时间 n电器的吸合时间和释放时间通常是不可 调的 n延时时间是人为设置的, 可调的 用于按时间原则进行控制的场合 n时间继电器是非电量继电器 n常用于按规定时间间隔或时间顺序转 换工步 n例如，喷水池的控制 时间继电器的种类 n空气阻尼式 n电子式 1空气阻尼式时间继电器 n又称气囊式时间继电器 n利用空气通过小孔时产生阻尼的 作用来获得延时动作 n组成 电磁机构（电压线圈，铁芯 ） 延时机构（气囊部分） 触点系统（微动开关） 工作原理 n线圈通电吸下衔铁活塞杆、活塞、橡皮膜下降空气室上方 形成负压活塞杆缓慢下降 压合微动开关触点动作送 出信号。 n从线圈通电到开关触点动作的时间间隔为继电器延时时间。 n延时时间可调节进气孔气隙调整。 n线圈断电衔铁释放活塞杆、活塞迅速复位。 活塞杆 弹 簧 活塞 调节 螺杆 微动 开关 电磁机构 （a） 结构示意 （b） 图文符号 图1.6 空气阻尼通电延时型时间继电器 延时范围 延时方式 n延时范围：0.4180秒 ，误差大、价格低。 n电磁机构安装方向决定 其延时方式： 通电延时型 断电延时型 衔铁位于铁芯和 延时机构之间 铁芯位于衔铁和 延时机构之间 衔铁位于铁芯和 延时机构之间 2电子式时间继电器 电子式时间继电器： 阻容式 数字式 自学 n最常用的是电子式时间继电器，其他 产品已基本淘汰。 图1.7 电子时间继电器电路图 电子时间继电器产品 3时间继电器的电气图形、文字符号 n由圆弧边缘向圆心的运动方向为触点的延时动作方向 n文字符号： KT 通电延时型 断电延时型 (三) 热继电器 n1结构和工作原理 n2热继电器的使用 n3电气图形、文字符号 过载保护 n电动机的过载特性和热继电器的保护特性 n过载特性 n保护特性 1结构和工作原理 双金 属片 加热 元件 触点 电流热 效应 双金属片 加热元件 热元件 双金属片 感测元件 主动层 被动层 线膨胀 系数大 线膨胀 系数小 图1.7 热继电器 n热继电器主要由热元件、双金属片、触头 系统等组成。 检测电动机绕组的工作电流 热元件 检测电流 过载保护 调节 整定 值 触点动 作 过载！ 正常 运行 热继电器不动作 2热继电器的使用 n具有热惯性，不能作为短路保护使用，只能用作电动 机的过载保护。 n热继电器的动作电流（即整定值）等于被保护电动机 的额定电流,或（0.951.05I ）。 选择时确定： n型号 n额定电流 n热元件的额定电流 n热元件额定电流的调节范围 3热继电器的图形、文字符号 n文字符号： FR (KR) （热元件） （控制触点） (四) 速度继电器 （自学） n速度继电器用来感受转速。它的感受部分主要包括转 子和定子两大部分，执行机构是触头系统。当被控电机 转动时，带动继电器转子以同样速度旋转而产生电磁转 矩，使定子克服外界反作用力转动一定角度，转速越高 角度越大。当转速高于设定值时，速度继电器的触点发 生动作，当速度小于这一设定值时，触点又复原。速度 继电器常用于电机的降压起动和反接制动，其图文符号 如图1.8所示。 图1.8 速度继电器图文符号 ( (五五) ) 固态继电器固态继电器 n n 固态继电器（固态继电器（Solid State Solid State Relay,Relay,缩写缩写SSRSSR），是由微电），是由微电 子电路，分立电子器件，电子电路，分立电子器件，电 力电子功率器件组成的力电子功率器件组成的无触无触 点开关。点开关。用隔离器件实现了用隔离器件实现了 控制端与负载端的隔离。固控制端与负载端的隔离。固 态继电器的输入端用微小的态继电器的输入端用微小的 控制控制信号信号，达到直接驱动大，达到直接驱动大 电流电流负载。负载。 固态继电器固态继电器 n n 固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（固态继电器由三部分组成：输入电路，隔离（ 耦合）和输出电路。耦合）和输出电路。 n n 它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装 置的置的具有继电器特性的无触点开关器件，具有继电器特性的无触点开关器件，单相单相 SSRSSR为四端有源器件，其中两个输入控制端，为四端有源器件，其中两个输入控制端， 两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加两个输出端，输入输出间为光隔离，输入端加 上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就上直流或脉冲信号到一定电流值后，输出端就 能从断态转变成通态。能从断态转变成通态。 固态继电器输入输出示意图固态继电器输入输出示意图 四主令电器 n主令电器是一种专门发送指令的控制电 器。用来控制电气控制系统的启动启动、停停 止止、正转、反转正转、反转等。 （一）控制按钮 结构简单 应用广泛 小电流电路 控制电路 接通/断开 不直接控制主电路哦！ 按钮 帽 复位 弹簧 桥式 动静触点 复合式 常开+常闭触点 分 类 n按钮式 n旋钮式 n紧急操作式 颜色 n红色 停止按钮 n绿色 起动按钮 n红色蘑菇头 急停按钮 电气图形、文字符号 n (自动复位式) （选择式） （紧急式） SBSA (二) 行程开关 n又称限位开关或位置开关 n它是依据生产机械运动的行程或位置而动 作的小电流开关电器（用于控制电路）。 将机械信号变换为电信号 按钮 人工操作 机械部 件碰撞 机械信号 电信号 行程开关 1 结构（与按钮相仿） 操作头 触点 组 成 感测 部分 执行 部分 机械信号 电信号 分类 直动式（按钮式、自动复位式） 滚轮式 接近开关 分 类 单轮式 双轮式 （自动复位式） （非自动复位式 ） 动作迅速 无触点 单轮式 直动式 双轮式 非自动 复位 非自动 复位 微型 滚轮式 接近开关 自学 接近开关 特点特点非接触、无触点。非接触、无触点。 作用作用不仅用于行程控制和限位保护，还用于不仅用于行程控制和限位保护，还用于 高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存高速计数、测速、液面控制、检测金属体的存 在、零件尺寸以及无触点按钮等。即使用于一在、零件尺寸以及无触点按钮等。即使用于一 般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿 命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式命和对恶劣环境的适应能力也优于一般机械式 行程开关。行程开关。 产品类型产品类型测量金属物体和非金属物体的产品测量金属物体和非金属物体的产品 。 缺点缺点测量距离短，抗电磁干扰能力差。测量距离短，抗电磁干扰能力差。 电气图形、文字符号 （行程开关） （接近开关 ） n文字符号： SQ 光电开关 特点非接触、无触点，测量距离长，能方便地检 测非金属材料。它具有体积小、功能多、寿命长、 精度高、响应速度快、检测距离远以及抗电磁干扰 能力强等优点。 作用可非接触、无损伤地检测和控制各种固体、 液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态 和动作。目前，光电开关已被用作物位检测、液位 控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切 、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出以 及安全防护等诸多领域。 产品类型对射式、反射式等。 缺点对周围的杂散光的干扰有一定要求。 工作原理利用光源、光敏器件等发射和接收。 五、熔断器 n对电动机只能作短路保护哦! 过 载 保 护 ？ 短路 保护 电路/ 用电设备 结构简单 使用方便 价格低廉 (一)结构和工作原理 n熔体由易熔金属及其合金制成。 n熔管是装熔体的外壳，兼有灭弧作用。 组 成 熔体 熔管 工作原理 n正常工作 熔体允许通过一定大小的电流 而长期不熔断； n严重过载 熔体能在较短时间内熔断； n发生短路 熔体能在瞬间熔断。 电路/ 用电设备 检测电流 (二) 熔断器的选择及使用 n型号 n熔断器的额定电压 n熔断器额定电流 n熔体的额定电流 选 择 1 熔断器类型 振动的 场合 静止 场合 保护 晶闸管 n螺旋式 管式 快速式 n3熔断器额定电流 大于等于线路的工作电压 必须大于等于所装熔体的额定电流必须大于等于所装熔体的额定电流 2熔断器额定电压 电路/ 用电设备 4 4熔体额定电流熔体额定电流 n（1） 对于无冲击电流的平稳负载：熔 体额定电流应略大于或等于负载电流。 电炉照明 （2 2）对于具有冲击电流的电气设备）对于具有冲击电流的电气设备 n保护异步电动机时，应考虑到起动电流 的影响。 n1）保护一台电动机时保护一台电动机时： 电动机电动机M M 频繁起动 （2.53.5 ） M M的的 额定电流额定电流 n2）保护多台电动机时保护多台电动机时： n n 为容量最大的一台电动机额定电流为容量最