机电传动控制 第三版 课件 第4、5章 电气控制系统、可编程序控制器及其应用

机电传动控制第4章

电气控制系统学习目标

熟悉电气制图规范

熟练掌握笼型三相异步电动机的基本控制环节熟悉典型机电设备的电气控制原理，掌握电气控制电路的分析方法4.1电气制图规范4.1.1电气制图标准与图形文字符号

电气制图用图形符号和文字符号必须符合国家标准规定,并尽可能与国际标准接轨。国家标准化管理委员会是负责组织国家标准的制定、修订和管理的政府主管部门。

我国是国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的成员国。

因此，我国的电气电工类国家标准大多是在参照IEC和ISO所颁布标准的基础上制定和实施的。ISO一词源于希腊语“ISOS”，对应英文“EQUAL”——本意为相等或相同，引申为标准之意。ISO国际标准组织成立于1947年，中国是ISO的正式成员，代表中国参加ISO的政府机构是国家标准化管理委员会和国家质量检验检疫总局。序号标准代号标准名称1GB/T4728电气简图用图形符号2GB/T5465电气设备用图形符号3GB/T20063简图用图形符号4GB/T5094工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号5GB/T20939技术产品及技术产品文件结构原则字母代码——按项目用途和任务划分的主类和子类6GB/T6988电气技术用文件的编制表4-1我国现行的与电气制图有关的主要国家标准

我国现行的绘制电气简图用的图形符号标准是GB/T4728《电气简图用图形符号》。

我国现行的绘制电气系统图用的图形符号标准是GB/T5465《电气设备用图形符号》。

电气电工类元器件的文字符号一般由2个字母组成。第一个字母为主类代码，主类代码的使用按照GB/T5094.2-2003《工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号第2部分项目的分类与分类码》的规定执行；第二个字母为子类代码，子类代码的使用按照GB/T20939-2007《技术产品及技术产品文件结构原则字母代码按项目用途和任务划分的主类和子类》的规定执行。2.电气制图用图形符号和文字符号

早年间，我国电气制图用文字符号执行的国家标准是GB/T7159-1987《电气技术中的文字符号制订通则》。

目前，我国电气制图用文字符号执行的国家标准是GB/T5094.2-2003《工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号第2部分项目的分类与分类码》和GB/T20939-2007《技术产品及技术产品文件结构原则字母代码按项目用途和任务划分的主类和子类》。

尽管GB/T7159-1987《电气技术中的文字符号制订通则》已于2005年10月14日正式废止，但由于国内电气电工行业参与国际贸易的能力不足，特别是国内教育界的标准意识普遍较为薄弱，在国内大多数电气电工专业和机电专业教材中，仍然采用GB/T7159-1987作为电气电工类元器件的文字符号标准。

为贯彻落实新国家标准（指GB/T5094.2-2003和GB/T20939-2007），增强学生的标准意识，本书全部采用最新国家标准规定的电气制图用文字符号。

我国现行的电气制图用图形符号国家标准是GB/T4728《电气简图用图形符号》。4.1.2电气系统图的绘制

常用的电气控制系统图有三种，即电气原理图、电器位置图、安装接线图。

电气原理图、电器位置图、安装接线图分别以不同角度和不同的表达方式反映同一工程问题的不同侧面，其间又有一定的对应关系，一般情况下需要互相对照，才能很好地绘制和阅读。1.电气原理图

电气原理图是电气控制系统图中最重要的工程图。国家标准规定，在绘制电气控制系统的电气原理图时，必须按其工作顺序排列，用图形和文字符号详细表示控制装置、电路的基本构成和连接关系，但并不反映电器元件的实际尺寸和安装位置。图4-1某液压机床的电气原理图2.电器位置图

电器位置图（图4-2）表达各个电器元件的实际安装位置，电器位置图的设计依据是电气原理图。

电器位置图是按照电器元件的实际安装位置绘制的，根据电器元件布置最合理、连接导线少等原则进行设计。图4-2电器位置图3.安装接线图

安装接线图（图4-3）是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，是表达电器元件、部件、组件或成套装置之间的连接关系的图纸，同时也是电气安装接线、线路检查及维修的依据。

为表明电气设备各单元之间的接线关系，要标出所需的数据（如接线端子号，连接导线参数等），以便于安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。

电气原理图以表明电气设备、装置和控制元件之间的相互控制关系为出发点，使人能清晰明了地分析出电路工作原理和工作过程为目标，而安装线图以表明电气设备、装置和控制元件的具体接线为出发点，以接线方便、布线合理为目标。图4-3安装接线图4.1.3电气原理图的阅读方法1.看主电路的步骤2.看辅助电路的步骤3.查线看图法的读图要点4.1.4安装接线图的阅读方法1.注意事项2.读图方法4.2基本控制环节4.2.1全压起动控制1.采用开启式刀开关直接控制图4-4开启式刀开关控制电路

该电路没有电动机的过载保护功能，一旦发生长时间的过载，电动机有被烧毁的可能。

另外，当电源系统出现失电压、欠电压故障时，该电路也无法实施有效的保护。图4-5组合开关控制电路

采用开启式刀开关或组合开关直接控制电动机的起动与停车，控制方法简单、经济、实用。

但其缺点也是显而易见的，即保护功能不完善，操作也不方便。特别是对于某些需要频繁操作、且电源电压波动较大的电动机，上述电路难以保障使用安全。

采用开启式刀开关只能控制容量在10kW以下的电动机，如三相电风扇、砂轮机、排灌水泵等容量较小，且操作不频繁的设备。2.采用接触器进行控制

这是最基本的，也是最经典的电动机控制电路，任何具有其它特点的电动机控制电路，均可在该电路的基础上衍生出来。任何一个电气工程师都要将该控制电路牢记于心。图4-6采用接触器对电动机进行起-保-停控制3.采用接触器进行点动控制（1）单纯的电动机的点动控制电路图4-7单纯的电动机的点动控制电路（2）既可点动又可长动的控制电路图4-8既可点动又可长动的控制电路（转换开关SF3）

图4-9是一种利用复合按钮实现的既可点动又可长动的控制电路。

复合按钮在结构上可以确保达成以下要求：当按下复合按钮时，其常闭触点先行断开，此后，其常开触点才会闭合，即存在一个时间差；当松开复合按钮时，其常开触点先行断开，此后，其常闭触点才会闭合，也存在一个时间差。

复合按钮的两对触点状态切换的时间差，远大于接触器触点状态切换所需要的时长，足以确保接触器触点状态完成切换。图4-9既可点动又可长动的控制电路（复合按钮SF3）4.采用接触器进行多地点控制

对于某些大型机电设备，出于操作方便并确保运行安全的考虑，往往需要对电动机进行多地点的起动和停车控制。例如大型龙门刨床、数控加工中心的操作及机电设备进行调整、检修时，均有上述要求。（1）常规的多地点控制电路图4-10多地点控制电路（常规）（2）具有“剥夺控制权”功能的多地点控制电路

起动按钮SF2和停止按钮SF1布置在甲地（如大型机电设备的操作台），而起动按钮SF4和停止按钮SF3布置在乙地（如检修人员所在的机电设备内部），藉此可在甲、乙地对电动机进行起动—保持—停车控制。

位置开关BG安装在机电设备检修门的门框上，用于检测检修门是否打开。只要检修人员打开检修门，则位置开关BG的常闭触点即断开，常开触点即闭合。图4-11具有“剥夺控制权”功能的多地点控制电路4.2.2正、反转控制

在机电传动系统设计中，经常会遇到生产机械的运动部件需要做正、反两个方向运动的情况，如机床工作台的前进与后退、机床主轴的正转与反转、起重机吊钩的上升与下降等。

为解决这一问题，可以在传动系统中设置倒挡，也可以设置正转、反转离合器。但比较而言，通过电路设计，使电动机可以根据实际需要做正转和反转，这一方案才是最优的。

由电机学可知，对于三相异步电动机而言，只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，电动机输出轴的运转方向即可改变。

也就是说，只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，就可以实现三相异步电动机的正转、反转控制。1.采用倒顺开关进行正、反转控制

倒顺开关（亦称顺逆开关或可逆转换开关，图4-12）是一种专门用于进行电动机正、反转控制的手动电器。

铣床主轴电动机的正、反转控制就是采用倒顺开关实现的。图4-12倒顺开关（亦称顺逆开关或可逆转换开关）实物照片

倒顺开关的操作手柄具有顺、停、倒三个位置，可以实现电动机的正转、停车和反转控制，其控制电路如图4-13所示。图4-13采用倒顺开关实现电动机的正、反转控制

该电路不允许越程操作*，否则会造成剧烈的机械冲击和反向电流冲击（相当于存在一个电动机反接制动的过程）。2.采用接触器进行正、反转控制

基于“只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，就可以实现三相异步电动机的正转、反转控制”这一原理，可以采用两个接触器对电动机进行正、反转控制，其控制电路如图4-14所示。图4-14正、反转控制电路（无互锁功能）

具有正、反转互锁功能，安全、实用的三相异步电动机的正转、反转控制电路，如图4-15所示。图4-15正、反转控制电路（有互锁功能）图4-15正、反转控制电路（有互锁功能的正—停—反控制电路）在机电传动控制电路中，这种“势不两立，不共戴天”，互相压制、互相制约的控制关系称为互锁（亦称联锁）关系，能够实现互锁关系的触点称为互锁触点。

通过设置互锁触点来构建互锁关系，以确保在控制逻辑上彼此对立的电路能够正常工作，而不致出现故障隐患，这一设计思想，在机电传动控制系统中的应用极为普遍。接触器触点QA1和QA2互为互锁触点。图4-16正、反转控制电路（有互锁的正—反—停控制电路）

正—停—反控制电路在操作上比较麻烦，生产机械的准备工时较长，不利于生产效率的提高，而正—反—停可以实现对电动机正反转的直接切换，而不再需要中间的停车环节，但换向冲击较大。4.2.3顺序控制

在某些机电传动系统中，出于生产工艺的需要，往往要求多台电动机必须按照一定的先后顺序进行起动或停车。

例如，在磨床上要求润滑油泵电动机起动之后，主轴电动机方能起动；在龙门刨床上要求工作台移动之前，导轨润滑油泵电动机必须先行起动（兵马未动，粮草先行）；在铣床上要求主轴旋转之后，工作台方可移动等。

上述机电设备均对其自身的多台电动机的起动顺序提出了要求。

对多台电动机进行控制，使之按照既定的工作顺序进行起动和停车，称为顺序控制。

顺序控制可以是基于事件的，也可以是基于时间的。1.基于事件的顺序控制

下面以磨床润滑油泵电动机（MA1）和主轴电动机（MA2）的控制为例，阐述基于事件的顺序控制电路的工作原理。图4-17基于事件的顺序控制（合理的设计）图4-18基于事件的顺序控制（不合理的设计）

如此设计电路，会极大地加重接触器QA1和熔断器FA1的负担，使其使用寿命显著缩短。因此，该电路既不合理，也不可行。2.基于时间的顺序控制

当生产机械要求两台电动机既有起动顺序的要求，又有起动间隔时间的要求时，则可采用时间继电器，设计基于时间的顺序控制（简称时序控制）电路，以实现上述要求。

例如，要求电动机MA1必须先行起动，且电动机MA1起动10s后，电动机MA2自动起动。图4-19所示的时序控制电路就能实现上述要求。图4-19基于时间的顺序控制电路（弃之如敝履，过河拆桥、卸磨杀驴）

时间继电器KF的延时时间可以根据实际需要，在其延时范围内事先设定。对于本例而言，可事先将延时时间t1设定为10s，即可达成控制要求。4.2.4减压起动控制1.起动方式判据

电动机接通电源后转子轴由静止状态逐渐加速到稳定运行状态的过程，称为电动机的起动。

前面介绍的控制电路，都属于全压起动电路。所谓全压起动，是指电动机起动伊始，就将额定电压接在电动机的定子绕组上。

采用全压起动时，控制电路结构简单、成本低廉，但由于电动机的起动电流大（可达额定电流的5~7倍），会造成电网电压下降（俗称抢电），影响与该电动机同网工作的其他电气设备（包括电动机）的正常工作。

特别是多台电动机共用一个电源变压器、且全压起动的电动机容量较大时，这一问题就显得尤为突出，甚至可能导致已经处于工作状态的电动机因电网电压下降太多而自动停车。

为避免上述问题，对于容量较大的电动机，就不允许采用全压起动方式进行起动，而应采用减压起动（亦称降压起动）方式——即在起动时，主动降低加在电动机定子绕组上的电压，待完成起动过程之后，再使电动机在额定电压下运转。起动方式判据

式中，

——电动机的起动电流，A；

——电动机的额定电流，A；

——电源变压器的容量，kVA；

——电动机的容量，kW。

若满足上述判据，则电动机可以直接进行全压起动；若不满足上述判据，则电动机就应进行减压起动。（式4-1）

大量的工程实践表明，容量在10kW以下的三相异步电动机，通常可以采用全压起动方式，而容量在10kW以上的电动机，必须采用减压起动方式。

常用的减压起动方法有：定子串电阻（或电抗器）减压起动、星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、自耦变压器减压起动、延边三角形减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等。

随着机电控制技术的进步，定子串电阻减压起动（能耗过大）、自耦变压器减压起动（设备成本高）、延边三角形减压起动（电动机结构复杂）等减压起动方法已经被逐步淘汰。

目前，应用较多的只有星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等几种方式。2.星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动

所谓Y/Δ转换减压起动是指，在起动时，首先利用接触器将三相定子绕组接成星形。

此时，起动电压为额定电压的

，即220V；起动电流为全电压起动电流的

，实现了减压起动。待完成起动过程之后，再利用接触器将定子绕组接成三角形，恢复380V的正常工作电压。

采用Y/Δ减压起动控制时，在起动过程中，电动机的输出转矩（亦即起动转矩）为电动机全电压工作时的

。

因此，该方法只适合电动机的空载或轻载起动，对于重载起动，则有可能造成电动机“闷车”，需审慎处理。a）三相定子绕组的实际连接关系b）接线盒内各个接线端子的接线方法图2-39星形（Y形）接法

a）三相定子绕组的实际连接关系b）接线盒内各个接线端子的接线方法图2-40三角形（Δ形）接法

图4-20Y/Δ转换减压起动电路

时间继电器KF的定时时间可根据受控电动机的起动时间进行设定。3.软起动器减压起动

所谓软起动和软停车是指，在电动机起动时，将通入电动机定子绕组的电压从零值或某一较小的初始值按照一定的规律，绵软地、柔和地增加，以使电动机柔和地实现起动，待电动机达到额定转速之后，再在额定电压下正常工作；在电动机停车时，并不是突然撤掉全部电源电压，而是按照一定的规律，绵软地、柔和地降低电压，以使电动机柔和地实现停车。

在对三相异步电机进行全压起动时，电源电压是突然地、简单粗暴地加在电动机定子绕组上的，属于硬起动。

相应地，将通过完全撤除电源电压，使电动机自己逐渐停止转动的停车方法，称为自由停车；而将对电动机实施反接制动，使之迅速停止转动的停车方法，称为硬停车。

但在某些对电动机的起动特性要求较高的场合（如自来水泵站），为避免水锤效应，就需要采用软起动和软停车装置对电动机进行控制。

能够实现电动机软起动和软停车的装置，一般称为软起动器。目前，基于移相控制原理的晶闸管式软起动器的应用极为普遍。（1）晶闸管式软起动器的结构原理

软起动器内部设有基于单片机的控制电路。

该控制电路可以根据生产机械的实际需要，按照既定的控制程序，动态调节晶闸管的导通相位（导通角），即基于移相控制原理，实现对软起动器输出电压的动态调节，进而实现电动机的软起动和软停车。图4-23晶闸管式软起动器结构示意图

使用软起动器起动电动机时，晶闸管的导通角逐渐加大，相应地，其输出电压也逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机便工作在额定电压的机械特性上，实现了绵软、平滑的起动，降低了起动电流，避免了起动过流跳闸。

待电动机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器（图4-24）取代已完成任务的软起动器，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，既提高了电动机的工作效率，又使电网避免了谐波污染。（2）软起动器的起动方式

运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。1）斜坡升压软起动方式。

斜坡升压软起动方式适用电动机的空载或轻载起动。图4-25常用的斜坡升压软起动曲线2）斜坡恒流软起动方式。

在起动过程中，电流上升的变化速率（亦即电流上升曲线的斜率）可以根据电动机负载的具体情况做动态调整和设定。电流上升速率越大，则起动转矩也就越大，起动时间也就越短。

斜坡恒流软起动方式是应用最多的软起动方式，尤其适用于风机、水泵类负载的起动。图5-26恒流软起动曲线图3）脉冲冲击起动方式（突跳冲击起动方式）。

在起动初始阶段，通过控制程序使晶闸管在极短的时间内，以较大的导通角导通一段时间，然后再迅速减小导通角，之后再按既定速率线性地加大晶闸管的导通角，转入恒流起动阶段。图4-27脉冲冲击起动曲线

脉冲冲击起动方式有短促的机械冲击，主要用于驱动重载并需克服较大静摩擦力矩的场合，不宜驱动一般负载。（3）软起动器的停车方式1）自由停车。

采用自由停车方式时，软起动器在接到停车命令后，即断开旁路接触器，并禁止晶闸管的调压输出，使电动机依负载惯性逐渐停车。

自由停车方式适用于对停车时间和停车位置（距离）无特殊要求的负载。

软停车方式适用于对停车时间有明确要求的场合，特别适用于控制具有柔性停车要求的泵类负载。图4-28软停车的停车曲线

晶闸管调压器的输出电压由全压逐渐减小，使电动机转速平稳降低，直至停止。

软起动器在接到停车命令后，电动机的供电电路即由旁路接触器切换到晶闸管调压器输出。2）软停车。3）精确停车。

精确停车亦称直流制动停车，一般的软起动器不具备精确停车功能。

精确停车适用于对停车时间和停车位置（距离）有特殊要求的工作场合，目前已经在一定程度上取代了反接制动停车。（4）软起动的特点

与传统降压起动方式相比，软起动的特点主要有以下几个方面：1）无冲击电流。2）恒流起动。3）可根据负载情况及电网继电保护特性，自由地、无级地调整至最佳的起动电流。（5）软起动器的保护功能

软起动器除了能对电动机进行软起动和软停车之外，还具有丰富的保护功能。（6）软起动器适用场合

对于控制笼型异步电动机而言，凡是不需要调速的应用场合，都适合采用软起动器。

目前软起动器的应用范围是交流380V（也可660V），电动机功率从几千瓦到800kW。

软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，以及需要软起动与软停车的场合。

对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载的应用场合，采用软起动器（不带旁路接触器）对电动机实施控制，则具有明显的节能的效果。（7）软起动器的具体应用图4-31所示的电路为用一个软起动器分时起动三台电动机，俗称“一拖三”软起动。4.2.5制动控制

常用的制动方法有机械制动和电气制动两大类。1.机械制动

机械制动是用电磁铁操纵电磁抱闸或电磁制动器，进而对电动机实施制动。按照制动装置的促动器件不同，可分为电磁抱闸制动、电磁制动器制动等几种，但其基本的控制原理是一致的。（a）实物照片

（b）结构示意图图4-32电磁抱闸制动器（1）工作原理

如图4-33所示，对于断电制动型电磁抱闸制动器，当制动电磁铁（图中虚线框所示）线圈未得电时，在弹簧的拉力作用下，闸轮被闸瓦抱住，与之同轴的电动机则不能转动，此时，电动机处于制动状态；当电磁铁的线圈得电时，电磁铁克服弹簧的拉力，使闸瓦与闸轮松开，电动机可以转动。图4-33断电制动型电磁抱闸制动器

如图4-34所示，对于通电制动型电磁抱闸制动器，当电磁铁的线圈未得电时，则闸瓦与闸轮松开，电动机可以转动；当电磁铁线圈通电时，闸轮被闸瓦抱住，与之同轴的电动机则不能转动。图4-34通电制动型电磁抱闸制动器（2）断电制动型电磁抱闸制动器控制电路

断电制动型电磁抱闸制动器在电磁铁线圈一旦断电或未通电时电动机都处于抱闸制动状态，安全性较高。

断电制动型电磁抱闸制动器在电梯，吊车、起重机、卷扬机等设备中应用广泛。（3）通电制动型电磁抱闸制动器控制电路

对于通电制动型电磁抱闸制动器而言，在制动电磁铁线圈未通电时，其制动闸总是处在松开状态，通电后才对电动机实施制动。

通电制动型电磁抱闸制动器在机床等需要经常调整加工件位置的设备应用广泛，以便在电动机未通电时，工人用手扳动机床主轴，进行调整和对刀等操作。图4-36通电制动型电磁抱闸制动器控制电路（请读者自行分析其工作原理）2.电气制动

电气制动是在电动机切断电源后，利用控制电路使电动机产生一个与惯性运转方向相反的制动力矩，促使电动机迅速停车。

按照产生制动力矩的方法不同，电气制动又可分为反接制动、能耗制动、发电回馈制动等几种。（1）反接制动

反接制动是在电动机被按下停止按钮断开三相电源后，改变其三相电源的相序再接入电动机定子绕组中，即产生与转动方向相反的制动力矩，使电动机制动。

在电动机转速接近零时，应及时将反接电源切除，否则电动机会反向旋转。

采用反接制动时，制动效果显著、制动动作迅速，但是，制动冲击也大，故仅适用于10kW以下的小容量电动机。图4-37反接制动控制电路实例为了减小制动冲击电流，一般需要在电路中串入电阻R，该电阻称为反接制动电阻，其阻值可根据实际需要事先调整好。（2）能耗制动

能耗制动是一种应用广泛的电气制动方法。当电动机脱离三相交流电源以后，立即将直流电源接入定子的两相绕组，使绕组中流过直流电流，产生了一个恒定的静止直流磁场。

而此时电动机的转子切割直流磁场，在转子绕组中产生感应电流。

在静止磁场和感应电流相互作用下，产生一个阻碍转子转动的制动力矩，因此电动机转速迅速下降，从而达到制动的目的。

当电动机转速降至零时，转子导体与磁场之间无相对运动，感应电流消失，电动机停转，再将直流电源切除，制动过程即告结束。1）基于时间原则的能耗制动电路。图4-38基于时间原则的能耗制动电路

基于时间原则的能耗制动，适用于负载转速比较稳定的生产机械。2）基于速度原则的能耗制动电路。

基于速度原则的能耗制动，适用于存在机械变速机构，或者加工零件经常变化的生产机械。图4-39基于速度原则的能耗制动电路（请读者自行分析其工作原理）（4）采用软起动器或变频器进行制动控制

采用软起动器或变频器对三相异步电动机进行制动控制，可以获得令人满意的效果，只是总体成本会大大增加。

关于具体的控制方法，请读者参阅软起动器和变频器的相关内容，在此不再赘述。（3）反接制动与能耗制动的比较制动方式反接制动能耗制动制动特点能量消耗大，制动力矩大，制动效果显著，但制动过程中的冲击较大（需要在主回路中串入电阻RA来抑制反接制动电流），不易停在精准的位置上，停车精度较差。能量消耗小，制动力矩较弱，制动平稳、停车位置精确，但需要额外配置直流电源，电路较为复杂。适用场合适合于电动机容量较小（10kW以下）和不频繁起动、制动的场合。适用于电动机容量较大，起动、制动频繁的场合，或者要求制动平稳，要求精准停车的场合。表4-9反接制动与能耗制动的比较4.2.6自动循环控制1.应用场合

在机电传动系统中，往往需要控制某些生产设备的运动部件的行程，并使其在一定范围内做自动往复循环运动，如混凝土搅拌机的提升与降位、桥式吊车的自动往返、龙门刨床和导轨磨床的工作台、动力头滑台以及军警训练用的循环靶车等。

这种基于运动部件行走位置的自动循环控制，亦称位置控制或行程控制，多用行程开关来实现其要求。循环移动靶车2.系统布置图4-40机床工作台自动循环示意图

由于机械式行程开关的故障率较高，故近年来多用光电开关或接近开关取代机械式行程开关，但其控制电路的工作原理是一样的。左侧限位开关BG1，右侧限位开关BG2，左侧极限位置保护开关BG3，右侧极限位置保护开关BG4。图4-41机床工作台自动循环控制电路

电动机每次换向，都经历一次反接制动过程，该控制电路只适用于电动机容量较小、循环周期较长且生产机械（包括电动机转子轴）的刚度较大的机电传动系统中。4.2.7速度控制1.调速方法及应用场合（1）调速方法异步电动机的实际转速——异步电动机的实际转速，r/min；——异步电动机的转差率；——磁极对数（简称极对数）；——电源频率（Hz）。

异步电动机可通过以下三种方法进行调速，即改变转差率

的变转差率调速、改变极对数

的变极调速和改变电动机电源频率

的变频调速。

（式4-2）（2）应用场合调速方法调速特点及应用变转差率调速（1）转子回路串电阻调速。调速范围较小，消耗功率多，效率较低，适用于绕线式异步电动机，特别适用于起重机械。（2）改变电源电压调速。调速范围较小，输出转矩会随着电源电压的降低而大幅度地下降，仅适用于单相电动机（如驱动风扇的电动机）调速，三相电动机一般不采用该方法。（3）串级调速。串级调速只适用于绕线式电动机，但电动机的效率得到提高。（4）电磁调速。电磁调速只适用于滑差电动机，且不宜长期低速运行。变极调速通过改变电动机定子绕组的磁极对数进行调速。变极调速属于有级调速，调速平滑度差，一般多用于金属切削机床，如铣床、镗床、磨床等。变频调速利用变频器，改变施加在电动机上的电源频率进行调速。变频调速的调速范围大，调速的稳定性、平滑性均属优良，机械特性较硬。变频调速属于无级调速，适用于绝大部分三相笼型异步电动机。表4-10异步电动机三种调速方法的特点及应用2.变极调速（1）变极原理

多速电动机是采用改变电动机定子绕组极数的方法来改变电动机的同步转速的，这种调速方法称为变极调速。

笼型异步电动机常用的变极调速方法有两种：其一是改变定子绕组的接线，即改变定子绕组中每相绕组的电流方向（即电流反向法）；其二是在定子绕组上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组，且使每套绕组均具有改变电流方向的能力。

变极调速是有级调速，速度变化是阶跃式的，一般只适用于笼型异步电动机。

用变极调速方式构成的多速电动机一般有双速、三速、四速等几种。双速电动机具有一套定子绕组，而三速、四速电动机具则有两套绕组。

下面以单相绕组为例，说明电流反向法的变极原理。

（a）两个半相绕组串联

（b）生成4个磁极（极对数

）图4-42电流反向法的变极原理（两个半相绕组串联，生成4个磁极）

（a）两个半相绕组并联

（b）生成2个磁极（极对数

）

图4-43电流反向法的变极原理（两个半相绕组并联，生成2个磁极）

由此可见，籍由电流反向法，通过改变定子绕组的接线方法，就可以改变电动机定子绕组的磁极数目，实现定子绕组的变极，进而实现变极调速。（2）双速异步电动机定子绕组的联结

（a）三角形联结（4个磁极，低速运行）

（b）双星形联结（2个磁极，高速运行）图4-44双速异步电动机定子绕组的三角形—双星形联结（恒功率调速）结论：双速异步电动机定子绕组采用三角形联结时，具有4个磁极，用于低速运行；采用双星形联结时，具有2个磁极，用于高速运行。双速异步电动机采用三角形—双星形联结进行调速，适用于需要恒功率调速的场合。

（a）星形联结（4个磁极，低速运行）

（b）双星形联结（2个磁极，高速运行）图4-45双速异步电动机定子绕组的星形—双星形联结（恒转矩调速）结论：双速异步电动机定子绕组采用星形联结时，具有4个磁极，用于低速运行；采用双星形联结时，具有2个磁极，用于高速运行。双速异步电动机采用星形—双星形联结进行调速，适用于需要恒转矩调速的场合。（3）变极之后的反转与调换电源相序

双速异步电动机完成变极之后，必须改变绕组的相序，否则，电动机将反向运转。

双速异步电动机完成变极之后，之所以会改变运转方向，是因为各相绕组在电动机定子内的机械角度是固定不变的（即各相绕组在空间相差的机械角度是恒定的），而各相绕组的电角度却随着磁极数目的变化而变化。

例如，当磁极数目降低一半时，将使各相绕组在空间相差的电角度增加一倍，原来相差120°电角度的绕组，现在相差240°电角度。

如果相序不变，气隙磁场就会反转。相应地，电动机也就会反转。图4-46利用时间继电器控制双速电动机进行调速（4）双速异步电动机自动变速控制电路4.2.8电气控制系统的保护环节

为了确保机电传动系统能够长期、安全、可靠地运行，电气控制系统必须设置保护环节，用以保护电动机、电网、电气设备及人身安全。1.短路保护

常用保护器件是熔断器和低压断路器（自动空气开关）。

发生短路事故时，熔断器由于熔体熔断而切断电路，起保护作用；低压断路器在电路发生短路事故时能自动跳闸，起保护作用。

近年来，具有漏电保护功能的低压断路器的使用日益广泛，对保证人身安全发挥了重要作用。2.过载保护

过载保护常用的保护元件是热继电器和断路器。

热继电器具有过载保护作用而不具有短路保护作用。选择时注意，作为短路保护，熔断器熔体的额定电流一般不应超过热继电器发热元件额定电流的4倍。3.过电流保护

在频繁正反、转，频繁起动、制动的重复、短时工作中，电动机出现过电流现象的几率比发生短路故障的几率更大，应视情加装过电流保护装置。

在工程实践中，常将过电流继电器和与接触器配合使用，以实现电动机的过电流保护。

过电流保护多用于直流电动机或绕线式异步电动机。笼型异步电动机对过电流有较强的耐受能力，可不设置过电流保护装置。4.零电压保护

为防止电网停电后，恢复供电时电动机的自行起动而实行的保护，称为零电压保护，亦称失电压保护。

多利用继电器、接触器或低压断路器实现零电压保护功能，不必单独设置零电压保护措施。5.欠电压保护

为防止电源电压降低到允许值以下，造成电动机的损坏而实行的保护，称为欠电压保护。

常用的欠电压保护器件是欠电压继电器和接触器。当电源电压下降到额定电压的85%以下时，接触器（或欠电压继电器）触点就会释放，自动实现欠电压保护。6.弱磁保护

对于直流电动机，必须设置弱磁保护措施。弱磁保护一般通过欠电流继电器实现。4.3典型机电设备电路分析4.3.1分析方法与步骤1.分析电气控制系统的方法

对生产设备电气控制系统进行分析时，首先需要对设备整体有所了解，才能有效地针对设备的控制要求，分析电气控制系统的组成与功能。（1）机械设备概况调查（2）电气控制系统及电器元件的状况分析（3）机械系统与电气控制系统的关系分析

掌握了机械及电气系统的基本情况之后，即可对设备电气控制系统进行具体的分析。2.分析电气控制系统的步骤（1）设备运动分析基本方法：化整为零，集零为整。

分析生产工艺要求的各种运动及其实现方法，对有液压驱动的设备要进行液压系统工作状态分析。（2）主电路分析

确定动力电路中用电设备的数目、接线状况及控制要求，控制执行件的设置及其动作要求，如接触器主触点的位置，各主触点闭合、断开的动作要求，限流电阻的接入与抛除等。（3）控制电路分析

分析各种控制功能的实现方法及其电路工作原理和特点。4.3.2卧式车床电路分析1.CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求

在金属切削机床中，车床是一种应用极为广泛的通用机床，能够车削各种工件的外圆、内圆、端面、螺纹、螺杆、定型表面，并可以装上钻头、铰刀等进行钻孔和铰孔等加工。

这些加工工作必须要由电气控制系统控制电动机工作，进而驱动机械部件运行来完成。图4-47CA6140卧式车床型号含义国产金属切削机床的型号命名方法应符合GB/T15375-2008《金属切削机床型号编制方法》的规定。图4-48CA6140卧式车床（1）主运动CA6140卧式车床的主运动是电动机驱动主轴，主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动。（2）进给运动CA6140卧式车床的进给运动是刀架带动刀具的直线运动。（3）辅助运动

刀架的快速移动由刀架快速移动电动机驱动，该电动机可直接起动，不需要正、反转和调速。

加工过程中刀具的冷却，由冷却泵电动机泵送的冷却液来完成。

对冷却泵电动机和主轴电动机要实现顺序控制，冷却泵电动机也不需要正、反转和调速控制。2.CA6140卧式车床电路分析图4-49CA6140卧式车床电气原理图4.3.3摇臂钻床电路分析

钻床是一种用途广泛的孔加工机床。

钻床的种类很多，有台式钻床、立式钻床、卧式钻床、多轴钻床、深孔钻床及专用钻床等。

因此，要求钻床的主运动和进给运动要有较宽的调速范围。

摇臂钻床属于立式钻床范畴，适用于单件或批量生产中带有多孔大型工件的孔加工，属于机械加工车间中常见的机床。

除了可以钻削精度要求不高的孔外，还可以用来进行扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、刮平面及攻螺纹等机械加工。1.摇臂钻床的基本结构和控制要求（1）摇臂钻床的基本结构

如图4-50所示，摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。图4-50摇臂钻床结构示意图图4-51摇臂钻床各部分之间的安装关系（2）摇臂钻床的型号含义图4-52Z3040型摇臂钻床型号含义图4-53Z3040型摇臂钻床国产金属切削机床的型号命名方法应符合GB/T15375-2008《金属切削机床型号编制方法》的规定。（3）摇臂钻床的运动形式1）主运动。摇臂钻床的主运动是主轴带动钻头的旋转运动。2）进给运动。摇臂钻床的进给运动是主轴的垂直运动（向下运动）。3）辅助运动。摇臂钻床的辅助运动包括摇臂沿外立柱的升降运动、摇臂与外立柱一起沿内立柱的转动以及主轴箱在摇臂上的水平移动（4）摇臂钻床的控制要求1）由于摇臂钻床的运动部件较多，为简化传动装置，故使用4台电动机进行驱动。主运动（钻头的钻削运动）和进给运动由主轴电动机驱动；摇臂的上升、下降由摇臂升降电动机驱动；摇臂的夹紧、放松由液压泵电动机驱动；冷却液泵由冷却泵电动机驱动。2）为了适应多种加工方式的要求，主轴转速及进给速度应能在较大范围内调整。3）加工螺纹时要求主轴能正、反转。摇臂钻床主轴的正、反转一般是用机械方法实现的，电动机只需单方向运转即可。4）摇臂的上升、下降由摇臂升降电动机驱动，要求摇臂升降电动机能实现正、反转。5）摇臂的夹紧与放松以及立柱的夹紧与放松由液压泵电动机配合液压装置完成，要求液压泵电动机能正、反转。在中小型摇臂钻床上，摇臂（连同外立柱）绕着内立柱轴线的回转运动和主轴箱沿着摇臂导轨的径向移动，均采用手动控制。6）钻削加工时，为对刀具及工件进行冷却，需要一台冷却泵电动机驱动冷却泵，以便泵送冷却液。7）各部分电路之间有必要的保护和联锁。2.摇臂钻床电路分析图4-54Z3040型摇臂钻床电气控制系统原理图4-55Z3040型摇臂钻床夹紧与放松机构的液压原理4.3.4万能铣床电路分析1.万能铣床的基本结构与控制要求

铣床可以用来加工平面、斜面和沟槽等，如果装上分度头还可以铣削直齿齿轮和螺旋面。

铣床的种类很多，有卧式铣床、立式铣床、龙门铣床、仿形铣床及各种专用铣床。其中，卧式万能铣床在机械加工领域的应用极为广泛。（1）卧式万能铣床的基本结构

卧式万能铣床主要由底座、床身、悬梁、刀杆挂脚、可升降的工作台（简称升降台）、滑座及工作台等组成，其基本结构如图4-56所示。1—底座；2—主轴电动机；3—床身；4—主轴；5—悬梁；6—刀杆挂脚；7—工作台纵向进给手动手轮；8—左右进给手柄；9—滑座；10—工作台横向进给手动手轮；11—工作台升降进给手动摇把；12—进给变速手柄及变速盘；13—升降台；14—进给电动机；15—主轴变速盘；16—主轴变速手柄图4-56卧式万能铣床的基本结构（2）卧式万能铣床的型号含义图4-59X6132型卧式万能升降台铣床（3）卧式万能铣床的运动形式X6132型卧式万能铣床共有三台电动机，主轴电动机通过机械传动带动铣刀旋转，对工件进行铣削，是铣床的主运动。

工件安装在工作台上，工件可随工作台作纵向进给运动，也可沿滑座导轨作横向进给运动，还可随升降台作垂直方向的运动。因此工件在工作台上能够实现三个方向的进给运动，由进给电动机通过机械传动来实现。

铣床的辅助运动为工件与铣刀相对位置的调整及工作台的回转运动、悬梁及刀杆支架的水平移动。（4）卧式万能铣床的驱动形式

铣床的电力驱动系统由主轴电动机、进给电动机和冷却泵电动机组成。主轴电动机通过主轴变速箱驱动主轴旋转，并由齿轮变速箱变速，以适应铣削工艺对转速的要求，主轴电动机不需要调速。

铣床要求预先选定主轴电动机的运转方向，在加工过程中则不需要主轴反转。主轴上装有飞轮，以提高主轴运转时的均匀性，抑制铣削加工时产生的主轴振动。

进给电动机作为工作台进给运动及快速移动的动力，要求能够正、反转，以实现三个方向的正、反向进给运动；通过进给变速箱，可获得不同的进给速度。（5）卧式万能铣床的控制要求1）铣床的主运动由一台笼型异步电动机驱动，直接起动，能够正、反转，并设有电气制动环节，能够进行变速冲动。2）工作台的进给运动和快速移动均由同一台笼型异步电动机驱动，直接起动，能够正、反转，也要求有变速冲动功能。3）冷却泵电动机只要求单向运转。4）三台电动机之间有联锁控制，即主轴电动机起动之后，才能对其余两台电动机进行起动。2．万能铣床电路分析（1）主电路分析X6132型卧式万能铣床主电路共有三台电动机。其中MA1是主轴电动机，由接触器QA1控制起动与停车。MA1的正转与反转在起动前用转换开关SF10选择。

接触器QA2及电阻R和速度继电器BS组成反接制动电路，热继电器BB1作为MA1的过载保护。

进给电动机MA2由接触器QA3和QA4控制，用热继电器BB2作为MA2的过载保护。

冷却泵电动机MA3由接触器QA6控制，用热继电器BB3作为MA3的过载保护。

三相交流电源通过低压断路器QA0引入，熔断器FA1为总电源的短路保护，MA2与MA3共用熔断器FA2作为短路保护。图4-60X6132型卧式万能铣床电路原理图（1/2）图4-60X6132型卧式万能铣床电路原理图（2/2）（2）控制电路分析1）主轴电动机的控制。①主轴电动机的起动。②主轴电动机的停车及反接制动。③主轴变速时，主轴电动机MA1的瞬时点动控制。2）工作台进给电动机的控制。①工作台垂直（上下）和横向（前后）运动的控制。②工作台纵向（左右）运动的控制。③工作台的快速移动。④进给变速时的瞬时点动控制。3）圆工作台的控制。4）冷却泵电动机的控制。（3）照明电路3.常见故障分析（1）主轴停车时没有制动（2）主轴停车后产生短时反向运转（3）工作台各个方向都不能进给（4）工作台不能左右进给GAMEOVER机电传动控制第5章

可编程序控制器及其应用学习目标

熟悉可编程序控制器的结构组成和工作原理

熟练掌握可编程序控制器的常用指令和编程方法能够根据机电传动系统的需要，构建以PLC为核心的控制系统5.1概述5.1.1PLC的特点与分类1．PLC的定义

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController，PLC）是微型计算机技术与继电接触器常规控制理念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本结构和工作原理，同时，又融合了继电器-接触器系统的控制思想，在此基础上构成的一种新型控制器。PLC专为在工业环境下的应用而设计，采用可编程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。2．PLC的产生和发展PLC的产生和发展基于消费市场对工业产品多样化的需求，得益于工业生产的柔性化需求。特别是汽车制造业的激烈竞争，直接导致了PLC的诞生。1968年，美国美国通用汽车公司（GeneralMotorsCorporation，GM）面向全社会提出了对这一拟议中的新型控制器的采购计划，并提出了十条招标要求，简称“GM十条”：1）编程简单，可在现场修改控制程序；2）维护方便，采用插件式结构；3）可靠性高于继电器控制系统；4）体积小于继电器控制系统；5）数据可以直接输入管理计算机；6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为工频电源（AC115V）；8）输出可直接驱动电磁阀、接触器等现场设备（AC115V）；9）通用性强，系统易于扩展；10）用户存储器容量大于4K。

“GM十条”一经提出，便引起强烈反响，直接引发了一场新型控制器的开发浪潮。1969年，美国数字设备公司（DigitalEquipmentCorporation，DEC）率先研制出了满足“GM十条”要求的、第一台可编程序逻辑控制器，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，取得了满意的控制效果，可编程序控制器PLC自此诞生。如今，PLC已经成为现代工业控制领域中电子控制装置的主导产品。3．PLC的特点图5-1PLC技术是计算机技术与继电器接触器技术的高度融合1）通用性强。2）接线简单。3）编程容易。4）抗干扰能力强、可靠性高。5）容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便。

对于复杂的控制系统，采用继电器、接触器电路（简称继电电路）控制时，接线繁杂、混乱，相应地，故障率也高。采用继电电路控制的控制系统

（a）继电器、接触器控制系统的接线

（b）PLC控制系统的接线图5-2继电电路与PLC电路的接线比较4．PLC的分类（1）按结构形式分类

按结构形式分类，PLC可分为整体式和模块式两大类。1）整体式PLC。整体式PLC将电源、中央处理器（CPU）、存储器及输入/输出接口（I/O接口）等各个功能集成在一个机壳内，其特点是结构紧凑、体积小、价格低。

小型PLC多采用整体式结构，如西门子（Siemens）公司的S7-200系列PLC、欧姆龙（OMRON）公司的CPM2A系列PLC、三菱FX系列PLC等。图5-3西门子S7-200系列PLC（CPU224CN）

整体式PLC一般都配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量I/O模块、通信模块等。2）模块式PLC。模块式PLC将电源、CPU、存储器及I/O接口等各个功能系统各自做成独立的模块，再将这些独立模块安装在同一底板或框架上。图5-4西门子SIMATICS7-300系列PLC（CPU313C-2DP）（2）按I/O点数和存储容量分类1）小型PLC。小型PLC的I/O点数一般在256点以下，存储器容量一般为2K左右。2）中型PLC。中型PLC的I/O点数一般在256～2048点之间，存储器容量一般在2K～8K。3）大型PLC。大型PLC的I/O点数一般在2048点以上，存储器容量一般为8K以上。5.1.2PLC的结构组成PLC由硬件系统和软件系统两大部分组成，两者互相配合、协同工作，共同完成PLC的控制任务。1．PLC的硬件系统PLC硬件系统的结构组成如图5-5所示。从宏观上看，PLC大体由输入部分、逻辑处理部分、输出部分、外部设备等组成。图5-5PLC硬件系统的结构组成

具体来说，PLC硬件系统包括以下几个部分：（1）中央处理器（2）存储器（3）电源（4）输入/输出接口PLC内部输入电路的作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路有直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路三种。

输入电路通常以光电耦合（光电隔离）和阻容滤波（用电阻和电容组合构成的滤波电路）的方式提高抗干扰能力，根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。1）输入接口电路。

由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件是直接接到PLC输入接口电路上的，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须具有很强的抗干扰能力。

在PLC中，一般采用光电耦合和阻容滤波方式提高抗干扰能力。图5-6直流输入接口电路2）输出接口电路。

根据驱动负载的元件不同，可将输出接口电路分为继电器输出、晶体管（或场效应管）输出、双向晶闸管输出三种。①继电器输出接口电路。

输出接口电路既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。驱动负载的能力一般在2A左右。图5-7继电器输出接口电路②晶体管输出接口电路。

晶体管（或场效应管）输出接口电路只可驱动直流负载。其优点是可靠性高，执行速度快，寿命长；缺点是过载能力较差。适合在直流供电、输出量变化快的场合选用。图5-8晶体管输出接口电路③双向晶闸管输出接口电路。

双向晶闸管输出接口电路适合驱动交流负载，其驱动能力为1A左右。

双向晶闸管输出接口电路适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。图5-9双向晶闸管输出接口电路3）I/O电路的保护措施。①在PLC输入端并联一个旁路电阻来分流，使流入PLC的电流小于1.3mA，以避免PLC产生误动作。②应在输出回路串联熔断器。③对于大电感或频繁关断的感性负载，应使用外部抑制电路。一般采用阻容滤波电路或二极管吸收电路，即可解决上述问题。（5）外部设备接口（6）I/O扩展接口（7）编程器2．PLC的软件系统（1）系统程序PLC的系统程序有三种，即系统管理程序、用户程序编辑和指令解释程序、标准子程序和调用管理程序。

系统管理程序用于系统管理，包括PLC的运行管理（各种操作的时间分配），存储空间的管理（生成用户数据区）和系统自诊断管理（如电源、系统出错、程序语法等）。

用户程序编辑程序用于将用户程序变成内码形式，以便于程序的修改和调试；指令解释程序用于将编程语言变成机器语言，以便CPU操作。

为提高运行速度，在程序执行中，某些信息处理（如I/O处理）或特殊运算等，是通过调用标准子程序来完成的。（2）用户程序

用户根据系统配置和控制要求编写的程序称为用户程序。用户程序是PLC用于工业控制的重要环节。PLC的编程语言多种多样，不同的PLC厂家、不同系列的PLC，采用的编程语言不尽相同。

常用的编程语言有梯形图、语句表、逻辑图、功能表图以及高级语言（如C语言）几种。5.1.3PLC的工作原理1．PLC的工作特点PLC的工作方式有两个显著特点，其一是周期性顺序扫描，其二是信号集中批处理。PLC通电后，需要对软硬件做初始化工作。为了使PLC的输出能及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分步处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为周期性顺序扫描工作方式。PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中，每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。

由于PLC的I/O点数较多，采用集中批处理的方法，可简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。

因此，PLC的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。2．PLC的工作流程PLC的工作流程如图5-10所示。图5-10PLC的工作流程图PLC的工作流程（即扫描过程）主要包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。（1）输入采样阶段图5-11PLC扫描过程的核心内容（2）程序执行阶段

（3）输出刷新阶段5.1.4PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、冶金、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻工、轻纺、交通运输、粮食加工、酿造、环境保护等各个行业。1.开关量的逻辑控制2.模拟量控制3.运动控制4.过程控制5.数据处理6.通信及联网5.2西门子S7-200系列PLC

可编程序控制器产品众多，不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，具体的功能和结构均有所不同，但其工作原理和基本组成是一致的。

德国西门子（SIEMENS）公司应用微处理器技术生产的SIMATIC可编程序控制器主要有S5和S7两大系列。5.2.1PLC的构成S7-200系列PLC的使用范围可以覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动控制系统，其应用领域包括各种机床、纺织机械、印刷机械、食品、化工、环保、电梯、中央空调、实验室设备、传送带系统和压缩机控制系统等等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X两代产品，其中CPU22X系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四个基本型号。下面以CPU224型PLC为重点，介绍小型PLC的组成。1.主机图5-12CPU224型PLC主机的结构外形1-输入信号指示灯；2-通信接口；3-存储器卡盖板（内有存储器卡接口）；4-输出信号指示灯；5-PLC工作状态指示灯（SF/DIAG、RUN、STOP）；6-产品标识（产品制造商及型号系列）；7-输出端子接线盖板（内藏输出接线端子及外部电源接线端子）；8-产品标识（产品具体型号及输出接口类型）；9-扩展I/O接口盖板（内藏扩展I/O接口、RUN/TERM/STOP开关及电位器）；10-产品标识（产品系列号）；11-输入端子接线盖板（内藏输入接线端子及传感器电源接线端子）图5-13CPU224主机输入/输出端子的分布CPU224主机箱外部设有RS-485通讯接口，用于连接文本/图形显示器、PLC网络等外部设备（图5-14）；还设有工作方式选择开关、模拟电位器、I/O扩展接口、工作状态指示灯和用户程序存储卡、I/O接线端子排及发光指示灯等。图5-14RS-485通讯接口与外部设备的连接2.基本I/OCPU22X系列PLC具有两种不同的电源供电电压，输出电路分为继电器输出和晶体管DC输出两大类。CPU22X系列PLC可提供4个不同型号的CPU供用户选用，其技术指标见表5-1。3.I/O扩展模块S7-200系列PLC的主机上已经集成了一定数量的I/O点，可以满足用户的基本需求。如果用户的实际控制I/O点多于主机自带的I/O点时，则需要对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU222最多可连接两个扩展模块（数字量或模拟量），CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200系列PLC的可供选择的I/O扩展模块的技术参数见表5-2。4.热电偶/热电阻扩展模块

热电偶/热电阻扩展模块EM231是为CPU222、CPU224和CPU226专门设计的，用于连接热电偶/热电阻。5.通信扩展模块

除主机上集成有通信接口之外，S7-200系列PLC还可以通过通信扩展模块（PROFIBUS-DP扩展从站模块EM277或AS-i接口扩展模块CP243-2）联成更大的网络。5.2.2数据类型和寻址方法1.数据类型S7-200系列PLC的指令参数所使用的基本数据有1位布尔型（BOOL）、8位字节型（BYTE）、16位无符号整数（WORD）、16位有符号整数（INT）、32位无符号双字整数（DWORD）、32位有符号双字整数（DINT）、32位实数型（REAL）等若干类型。2.寻址方式S7-200系列PLC采用分区与字节号相结合的方法对数据存储区进行编排地址号。PLC处理的数据可以是二进制的某一位，也可以是一个字节或是多个字节。操作数不同，寻址方式亦不同。1）位寻址。位寻址（bit）亦称字节.位寻址，一个字节拥有8个位。位寻址的表达方法如图5-15所示（a）数据存储区中某一位的表示方法

（b）数据存储区中某一位的具体地址

图5-15位寻址的表达方法2）字节寻址。字节寻址（8bit）以存储器标识符、字节标识符、字节地址组合而成。图5-16输入字节IB3（Byte）的构成3）字寻址。字寻址（16bit）以存储器标识符、字标识符、字节地址组合而成。

相邻的两个字节构成一个字，一个字中的两个字节的地址必须连续，且低位字节在一个字中应该是高8位，高位字节在一个字中应该是低8位。

如图5-16所示，输入字节IB3（Byte）由IB3.0~IB3.7这8位构成。

如图5-17所示，IW14表示由IB14和IB15组成的一个字。其中，I为寄存器的标识符，W表示字（Word），14为起始字节的地址。IW14中的IB14应该是高8位，IB15应该是低8位。图5-17输入字IW14（Word）的构成4）双字寻址。

双字寻址（32bit）以存储器标识符、双字标识符、字节地址组合而成。

相邻的四个字节构成一个双字，一个双字中的四个字节的地址必须连续，且最低位字节在一个双字中应该是最高8位，最高位字节在一个双字中应该是最低8位。

如图5-18所示，ID12表示由IB12~IB15组成的一个双字。其中，I为寄存器的标识符，D表示双字（DoubleWord），12为起始字节的地址。ID12中的IB12应该是最高8位，IB15应该是最低8位。图5-18输入双字ID12（DoubleWord）的构成5.2.3数据存储区

根据数据存储区存储的数据性质不同，PLC将数据存储区划分为若干个不同的区域，称之为某某数据存储区或某某寄存器。PLC采用通道的概念来存储数据。用于存储数据的单元称为通道，每个通道具由8个存储单元，每个存储单元都有一个地