电气控制与PLC原理及应用3(电气控制线路基本原则和基本环节).ppt

电气控制与PLC原理3基本原则与基本环节 主讲人 章娟 任课老师 姓名 章娟Email hdzj1010 课件 hdu0606 password hdu123456 办公室 二教南328 参考书籍 廖常初 可编程序控制器的编程方法与工程应用 重庆大学出版社 2006陈建明 电气控制与PLC应用 电子工业出版社 2008三菱 西门子PLC编程手册基本工具 成绩评定标准 平时成绩 30 40 包括到课 作业和实验成绩考试成绩 70 60 授课计划 一 绪论二 常用低压电器 三 电气控制线路基础 四 继电接触式电气控制系统设计五 PLC程序设计基础 六 梯形图程序设计方法 七 顺序控制梯形图的编程方法 八 PLC网络通信九 PLC应用及系统设计十 实验 复习 什么是低压电器 断路器在电路中的作用是什么 接触器的作用是什么 试比较中间继电器和交流接触器有何异同 在什么条件下中间继电器可以替代交流接触器起动电机 交流接触器能否串联使用 为什么 熔断器在电路中的作用是什么 熔断器的额定电流 熔体的额定电流有何区别 过电流和欠电流继电器有什么主要区别 热继电器和熔断器用于保护交流三相笼型异步电动机时 能不能互相取代 为什么 时间继电器和中间继电器在电路中有何作用 是否可用过电流继电器来做电动机的过载保护 为什么 什么是主令电器 它有哪些种类 行程开关 万能转换开关及主令控制器在电路中各起什么作用 2 电气控制线路的基本原则和基本环节 学习目标掌握阅读电气原理图的方法 培养读图能力并通过读图分析各种典型控制环节的工作原理 为电气控制线路的设计 安装 调试 维护打下良好基础 2 电气控制线路的基本原则和基本环节 本章主要内容电气控制系统图的基本知识三相异步电动机的启动控制三相异步电动机正反转控制三相异步电动机的制动控制电气控制电路分析 2 1电气控制系统图的基本知识 由按钮 开关 接触器 继电器等有触头的低压控制电器所组成的控制线路 叫做电器控制线路 电器控制通常称为继电 接触器控制 其优点是电路图较直观形象 装置结构简单 价格便宜 抗干扰能力强 它可以很方便地实现简单和复杂的 集中和远距离生产过程的自动控制 电器控制线路的表示方法有 电气原理图 电器元件布置图和电气安装接线图三种 常用的图形 文字符号 电器控制线路图是工程技术的通用语言 为了便于交流与沟通 在电器控制线路中 各种电器元件的图形 文字符号必须符合国家的标准 详细参见教材P258 附录A B 相关国家标准 国家标准局参照国际电工委员会 IEC 颁布的有关文件 制定了我国电气设备有关国家标准 采用新的图形和文字符号及回路标号 GB4728 85 电气图常用图形符号 GB5226 85 机床电气设备通用技术条件 GB7159 87 电气技术中的文字符号制定通则 GB6988 86 电气制图 GB5094 85 电气技术中的项目代号 相关国家标准 图形符号 文字符号 符号要素 一般符号 限定符号 基本文字符号 辅助文字符号 补助文字符号 通常用于图样或其它文件 用以表示一个设备或概念的图形 标记或字符 用于电气技术领域中技术文件的编制 表示电气设备 装置和元件的名称 功能 状态和特征 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 图形符号表示一个设备或概念的图形 标记或字符 例如 表示交流 表示电阻 国家标准中 规定图形符号 绘图比例 符号要素等 详见附录A 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 文字符号用来表示电气设备 装置和元器件种类的字符代码和功能字符代码 名称 功能 状态和特征 电气图中 文字符号应符合国家标准GB 7159 1987 电气技术中的文字符号制订通则 采用大写拉丁字母正体字表示 文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 1 基本文字符号分单字母文字符号和双字母文字符号 单字母符号表示电气设备 装置和元器件的大类 如 K 表示继电器 接触器类 R 表示电阻器类 Q 表示开关类 C 表示电容器类等 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 1 基本文字符号双字母符号 表示大类的单字母符号 表示器件某一特性的字母组成 如 F 表示保护器件类 FU 表示熔断器 FR 表示热继电器 如G为电源的单字母符号 Synchronousgenerator 为同步发电机的英文名 Asynchronousgenerator 为异步发电机的英文名 则同步发电机 异步发电机的双字母符号分别为 GS GA KM KS 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 2 辅助文字符号 3 补充文字符号例如 有时需要在电气原理图中对相同的设备或元器件加以区别时 常使用数字序号进行编号 如 G1 表示1号发动机 T2 表示2号变压器 2 1 1常用电气图的图形符号和文字符号 4 线路和三相电气设备端标记线路采用字母 数字 符号及其组合标记 三相交流电源引入线采用L1 L2 L3标记 中性线采用N标记 三相交流电源主电路分别按U V W顺序标记 分级三相电源主电路再加上阿拉伯数字来标记 如U1 V1 W1 U2 V2 W2等 2 1 2电气控制线路图的绘制规则 常用的电气图系统图和框图 电气原理图 电器布置图 电气安装接线图 系统图 用于描述系统或成套装置 如下图所示 框图 用于描述分系统或设备 国家标准GB6988 3 86 系统图 电器布置图用来表示成套装置 设备中各个项目位置的一种图 例如 右图为某工厂电器位置图 图中详细地绘制出了电气设备中每个电器元件的相对位置 图中各电器元件的文字代号必须与相关电路图中电器元件的代号相同 电器布置图 电气安装接线图是电气装备进行施工配线 敷线 校线和检修工作时所应依据的图样之一 符合电器装备的电路图的要求清晰地表示出电气设备外部各个电器元件和装备的相对安装与敷设位置 它们之间的电连接关系 它是检修和查找故障时所需的技术文件 在国家标准GB6988 5 86 电气制图接线图和接线表 中详细规定了编制接线图的规则 电气安装接线图绘制电气安装图的原则是 1 同一电器的各部件画在一起 其尺寸和比例没有严格要求 2 各电器元件的图形符号 文字符号和回路标记 均应以原理图为准 3 不是在同一控制箱内或不是同一块配电屏上的各电器元件之间的连接 必须通过接线端子板进行连接 同 控制箱内的各控制元件之间可以直接连接 安装接线图上所表示的电气连接 一般不表示实际走线的途径 施工时由操作者根据实际情况选择最佳走线方式 4 应详细地标明配线用的各种导线的型号 规格 截面积及连接导线的根数 标明所穿管子的型号 规格等 并标明电源的引入点 接线图 返回本节 1 电气原理图一般分主电路和辅助电路主电路是从电源到电动机或线路末端的电路 是强电流通过的部分 画在原理图的左侧或上面 辅助电路是通过小电流的电路 一般是由按钮 电器元件的线圈 接触器的辅助触点 继电器的触点等组成的控制电路 照明电路 信号电路及保护电路等 画在原理图的右侧 复杂的系统则分图绘制 电气原理图的绘制原则 2 按所规定的图形符号 文字符号和回路标号进行绘制 需要测试和拆 接外部引出线的端子 应用图形符号 空心圆 表示 电路的连接点用 实心圆 表示 3 同一电器的各个部件 如接触器的线圈和触头 在图中的位置 根据便于阅读和研究的原则来安排 可以不画在一起 但属于同一电器的部件均编以相同的文字符号 若有多个同一种类的电器元件 可在文字符号后加上数字序号 如KM1 KM2等 4 电器应是未通电时的状态 控制器手柄按趋于零位时的状态画出 按钮 行程开关触头按不受外力作用时的状态画出等 5 各电气元件按动作顺序和信号流从上到下 从左到右依次排列 可水平地布置或者垂直地布置 电路中各元器件触点图形符号 当图形垂直放置时 以 左开右闭 为水平放置时以 上闭下开 原则绘制 6 直流和单相电源电路用水平线画出 一般画在图样上方 直流电源的正极 和下方 直流电源的负极 多相电源电路 用水平线集中画在图样上方 相序自上而下排列 中性线 N 和保护接地线 PE 放在相线之下 7 为了便于检索电气线路 方便阅读 分析 在原理图的上方或右方将图分成若干图区 并标明该区电路的用途与作用 8 电气原理图中 接触器和继电器线圈与触点之间的从属关系要加以说明 即在原理图中相应线圈的下方 给出触点的文字符号 并在其下注明相应触点的索引代号 对未使用的触点用 X 表示 也可以不画 接触器KM相应触点的索引 继电器 电气控制原理图的绘制 9 原理图中应标出下列数据 各个电源电路的电压值 极性或频率及相数 某些元件的特性 电阻 电容的量值等 图中的全部电机 电器元件的型号 文字符号 用途 数量 技术数据 均应填写在一览元件明细表内 2 2三相异步电动机的启动控制 三相笼型异步电动机的起动控制环节是应用最广 也是最基本的控制线路之一 不同型号 不同功率和不同负载的电动机 往往有不同的起动方法 因而控制线路也不同 三相异步电动机一般有直接启动和减压启动两种方法 直接启动控制 在供电变压器容量足够大时 小容量笼型电动机可直接启动 直接启动的优点是电气设备少 线路简单 缺点是起动电流大 引起供电系统电压波动 干扰其它用电设备的正常工作 1 刀开关直接启动控制电气原理图特点控制方式简单应用控制三相电风扇和砂轮机 直接启动控制 1 刀开关直接启动控制电气原理图特点 控制方式简单应用控制三相电风扇和砂轮机 直接启动控制 2 接触器直接启动控制点动控制电气原理图工作原理启动 按下起动按钮SB 接触器KM线圈得电 KM主触头闭合 电动机M启动运行 停止 松开按钮SB 接触器KM线圈失电 KM主触头断开 电动机M失电停转 保护环节短路保护 控制电路短路保护 主电路短路保护 直接启动控制 连续控制电气原理图保护环节短路保护 FU1 FU2过载保护 FR 自锁触点 热继电器热元件 热继电器常闭触点 直接启动控制 连续控制工作原理 直接启动控制 既能点动又能长动控制开关切换点动控制 SA断开连续控制 SA闭合用在点动 长动不需要频繁切换的场合 直接启动控制 既能点动又能长动控制按钮切换点动控制 按下按钮SB3连续控制 松开按钮SB3存在竞争冒险现象 直接启动控制 既能点动又能长动控制中间继电器切换点动控制 按下按钮SB3连续控制 按下按钮SB2 减压启动控制 三相笼型电动机直接启动时 电流一般可达额定电流的4 7倍 过大的起动电流会减低电动机的寿命 还会引起电源电压波动 所以对于容量较大的电动机来说必须采用减压启动的方法 以限制起动电流 减压起动虽然可以减小起动电流 但也降低了起动转矩 因此仅适用于空载或轻载起动 三相笼型电动机的减压起动方法有定子绕组串电阻 或电抗器 启动 自耦变压器减压启动 星 三角形减压启动 延边三角形启动等 减压启动控制 定子绕组串电阻减压起动控制控制线路按时间原则实现控制 依靠时间继电器延时动作来控制各电器元件的先后顺序动作 启动时 在三相定子绕组中串入电阻 从而减低了定子绕组上的电压 待起动后 再将电阻R切除 使电动机在额定电压下投入正常运行 减压启动控制 定子绕组串电阻减压起动控制电气原理图工作原理 减压启动控制 Y 减压起动控制电动机绕组接成三角形时 每相绕组所承受的电压是电源的线电压 380V 而接成星形时 每相绕组所承受的电压是电源的相电压 220V 对于正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机 控制线路也是按时间原则实现控制 起动时将电动机定子绕组联结成星形 加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的1 2 从而减小了起动电流 待起动后按预先整定的时间把电动机换成三角形联结 使电动机在额定电压下运行 减压启动控制 Y 角形减压启动控制电气原理图 电源接触器 星形接法接触器 三角形接法接触器 减压启动控制 Y 减压起动控制工作原理图 减压启动控制 自耦变压器降压启动控制电气原理图 减压启动控制 自耦变压器降压启动控制电气原理图降压启动按钮SB1全压运行按钮SB2 2 3三相异步电动机正反转控制 在实际应用中 往往要求生产机械改变运动方向 这就要求电动机能实现正 反转 由三相异步电动机转动原理可知 若要电动机逆向运行 只要将接于电动机定子的三相电源线中的任意两相对调一下即可 可通过两个接触器来改变电动机定子绕组的电源相序来实现 三相异步电动机正反转控制 电气原理图缺点只能实现 正 停 反 或者 反 停 正 控制 且无互锁保护 SB1和SB2不能同时闭合 否则将发生短路 正转按钮 反转按钮 三相异步电动机正反转控制 接触器联锁控制工作原理 联锁 接触器联锁 按钮联锁 三相异步电动机正反转控制 接触器联锁控制 三相异步电动机正反转控制 按钮联锁控制电气原理图优点操作方便缺点易出故障 2 4三相异步电动机的制动控制 在实际生产中 为了实现快速 准确停车 缩短时间 提高生产率 对要求停转的电动机强迫其迅速停车 必须采取制动措施 三相异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动两种 机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转 可分为断电制动和通电制动 制动时 将制动电磁铁的线圈切断或接通电源 通过机械抱闸制动电动机 电气制动方法有反接制动 能耗制动 发电制动和电容制动等 反接制动 反接制动是利用改变电动机电源相序 使定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反 因而产生制动力矩的一种制动方法 应注意的是 当电动机转速接近零时 必须立即断开电源 否则电动机会反向旋转 由于反接制动电流较大 制动时需在定子回路中串入电阻以限制制动电流 反接制动 电气原理图单向运行 反接制动 工作原理电动机正常运转时 KM1通电吸合 KS的常开触点闭合 为反接制动作准备 按下停止按钮SB1 KM1断电 电动机定子绕组脱离三相电源 电动机因惯性仍以很高速度旋转 KS常开触点仍保持闭合 将SB1按到底 使SB1常开触点闭合 KM2通电并自锁 电动机定子串接电阻接上反相序电源 进入反接制动状态 电动机转速迅速下降 当电动机转速接近100r min时 KS常开触点复位 KM2断电 电动机断电 反接制动结束 能耗制动 三相异步电动机能耗制动时 切断定子绕组的交流电源后 在定子绕组任意两相通入直流电流 形成一固定磁场 与旋转着的转子中的感应电流相互作用产生制动力矩 制动结束必须及时切除直流电源 能耗制动 电气原理图 2 5其他典型控制环节 在实际生产设备的控制中除上述介绍的几种基本控制线路外 为了满足某些特殊要求和工艺需要 还有一些其他的控制环节 以实现诸如多地点控制 顺序控制 循环控制及各种保护控制等 多地点控制 有些电气设备 如大型机床 起重运输机等 为了操作方便 常要求能在多个地点对同一台电动机实现控制 这种控制方法称为多地点控制 多地点控制的接线原则是 启动按钮应并联连接 停止按钮应串联连接 多地点控制 控制电路 a 起动按钮并联连接 停止按钮串联连接 分别安置在三个地方 就可实现三地操作 控制电路 b 几个操作者都按起动按钮发出主令信号 设备才能起动 停止时则任一点都可以操作 多台电动机先后顺序工作的控制 很多生产过程或机械设备中 常常要求电动机按一定顺序启动 多台电动机先后顺序工作的控制 采用时间继电器 按时间原则顺序起动的控制线路 自动循环控制 在机床电气设备中 有些是通过工作台自动往复循环工作的 电动机的正 反转是实现工作台自动往复循环的基本环节 自动循环控制 起动按钮SB2 KM1得电 工作台前进 当达到预定行程后挡块1压下SQ1 SQ1动断触点断开 切断接触器KM1 同时SQ1动合触点闭合 反向接触器KM2得电 工作台反向运行 当反向到位 挡块2压下SQ2 工作台又转到正向运行 进行下一个循环 行程开关SQ3 SQ4分别为正向 反向终端保护行程开关 以防SQ1 SQ2失灵时 发生工作台从床身上滑出的危险 2 6典型生产机械电气控制电路分析 电气控制电路的分析基础一 电气控制电路分析的内容1 设备说明书2 电气原理图3 电气设备的总装接线图 4 电器元件布置图与接线图 二 原理图阅读分析的方法与步骤 分析主电路 按照先从主回路入手 根据伺服电动机 辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求 分析它们的启动控制 方向控制 调速和制动 再根据主回路中各伺服电动机 辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求 逐一找出控制电路中的控制环节 分析控制电路 将控制线路分割 按功能不同划分成若干个局部控制线路进行分析 分析辅助电路 包括执行元件的工作状态显示 电源显示 参数测定 照明 故障报警等部分 分析联锁与保护环节 分析特殊控制环节 如计数装置 自动检测装置 晶闸管触发电路 自动调温装置等 总体检查 从整体角度进一步检查和理解各控制环节之间的联系 数控机床的组成结构图 C650车床对电气控制的要求 本车床共有三台电机拖动 即主轴电动机M1 冷却泵电动机M2 刀架快速移动电动机M3 从车削加工工艺要求出发 对各电动机的控制要求是 1 主轴电动机M1 20KW采用全压空载直接启动 能实现正 反向连续运转 为便于对刀操作 要求M1能实现单向点动控制 同时定子串入电阻获得低速点动 停止时 由于工件转动惯量大 采用反接制动 2 冷却泵电动机M2 功率为0 15kw用以车削加工时提供冷却液 采用直接启动 单向旋转 连续工作 具有短路保护与过载保护 3 快速移动电动机M3 功率为2 2kw 由于溜板箱连移动是短时工作 单向点动 短时运转 4 电路应有必要的保护和联锁 有安全可靠的照明电路 主电路分析 三相总电源由带脱扣器的低压断路器QS引入 FU1为主轴电动机M1短路保护用熔断器 FR1为M1的过载保护热继电器 R为限流电阻 用于限制反接制动时的电流冲击 防止点动时连续起动电流造成电动机过载 KM1 KM2为主轴电动机正 反转接触器 KM3为制动限流接触器 M2由接触器KM4控制单向旋转 FU2为短路保护熔断器 FR2为过载保护用热继电器 M3由KM5控制单向旋转点动控制 FU3为短路保护用熔断器 控制电路分析 主电动机的点动调整控制 主电动机的正反转控制 主电动机的反接制动控制 刀架的快速移动和冷却泵控制 辅助电路 联锁与保护电路 控制电路分析 控制电路电源为110V的交流电压 由控制变压器供给控制电路 同时还为照明电路提供36V的交流电压 FU4为控制电路短路保护用熔断器 FU3为照明电路短路保护用熔断器 车床局部照明灯EL由主令开关SA控制 控制电路分析 主电动机M1的点动调整控制按下SB4 KM1线圈通电吸合 无自锁 KM1主触头闭合 M1定子绕组经限流电阻R与电源接通 电动机M1定子串电阻作正转减压点动 若点动时速度达到速度继电器KS动作值140r min KS正转触头KS l将闭合 为点动停止时的反接制动作准备 松开点动按钮SB4 KM1线圈断电释放 KM1触头复原 若KS转速大于其释放值100r min时 触点KS 1仍闭合 使KM2线圈通电吸合 M1接入反相序三相交流电源 并串入限流电阻R进行反接制动 当KS转速达到100r min时 KS 1触头断开 反接制动结束 电动机自然停车至零 控制电路分析 主电动机M1的正 反转控制正转时 按下起动按钮SB1 接触器KM3通电吸合 其常开主触头闭合 将限流电阻R短接 KT线圈通电开始延时 同时KM3常开辅助触头闭合 使中间继电器KA线圈通电吸合 触头KA 13 7 闭合使接触器KM1线圈通电吸合 其常开主触头闭合 主电动机M1在全电压下正向直接起动 由于KM1常开触头KM1 15 13 闭合和KA常开触头KA 5 15 闭合 使KM1和KM3线圈自锁 M1获得正向连续运转 接触器KM1与KM2的常闭触头串接在对方线圈电路中 实现电动机M1正反转的互锁 启动完毕 KT延时时间到 PA投入检测运行电流 控制电路分析 主电动机M1的停车制动控制主电动机停车时采用反接制动 反接制动电路由正反转可逆电路和速度继电器组成 正转制动 当M1正转运行时 接触器KM1 KM3和中间继电器KA线圈通电吸合 KS的常开触头KS1 17 23 闭合 为正转制动作好准备 如需停车时 按下停止按钮SB6 KM3 KM1 KA线圈同时断电 电阻R串入主电路中 作为反接制动电阻 KA的常闭触点闭合 松开SB1时 反转接触器KM2经过1 3 5 17 23 25线路接通 电动机电源反接 使其处于反接制动状态 当电动机转速低于下降到速度继电器的复位转速时 速度继电器的正转常开触点断开 切断了电动机电源 电动机自由停车 反转制动与正转制动原理相同 控制电路分析 冷却泵电动机M2的控制 冷却泵电动机M2的起动和停止通过按钮SB5 SB6和KM4控制 刀架移动电动机M3的控制 刀架的快速移动是由转动刀架手柄压动限位开关SQ 使接触器KM5吸合 M3电动机转动来实现的 辅助电路 主要是保护和联锁功能电路 主电动机M1正反转之间有互锁 熔断器FU1 FU6可实现各电路的短路保护 热继电器FR1 FR2实现M1 M2的过载保护 接触器KM1 KM2 KM4采用按钮与自锁环节 对M1 M2实现欠电压与零电压保护 设有检测主电动机工作电流的环节 2 7电气控制线路的设计方法 人们希望在掌握了电器控制的基本原则和基本控制环节后 不仅能分析生产机械的电器控制线路的工作原理 而且还能根据生产工艺的要求 设计电器控制线路 电气控制线路设计的一般内容1 拟定电气设计任务书 主要包括 机械设备的型号 用途 工艺过程 传动参数 现场工作条件等 2 选择电气传动形式传动方式 单独拖动 分立拖动调速性能 齿轮变速箱 液压调速装置 多速电机 无极调速负载特性 恒功率负载 恒转矩负载启动 制动和反向要求 电气控制线路设计的一般内容 3 确定电动机的容量分析计算法调查统计类比法 电气控制线路设计的一般内容 4 选择控制方案继电器 接触器控制 可编程控制器控制 数字程序控制 计算机群控系统5 设计电气控制原理图6 选择电气元件 制定明细表7 设计操作台 电器柜 非标准电气元件8 设计设备布置图 电气安装图 电气接线图9 编写电气说明书和使用操作说明书 电气控制线路的设计方法 人们希望在掌握了电器控制的基本原则和基本控制环节后 不仅能分析生产机械的电器控制线路的工作原理 而且还能根据生产工艺的要求 设计电器控制线路 电器控制线路的设计方法通常有两种 经验设计法和逻辑设计法 经验设计法 经验设计是根据生产机械的工艺要求和加工过程 利用各种典型的基本控制环节 加以修补 补充 完善 最后得出最佳方案 若没有典型的控制环节可采用 则按照生产机械的工艺要求逐步进行设计 经验设计法比较简单 但必须熟悉大量的控制线路 掌握多种典型线路的设计资料 同时具有丰富的实践经验 通常是先采用一些典型的基本环节 实现工艺基本要求 然后逐步完善其功能 并加上适当的联锁与保护环节 经验设计法 设计一般规律常开触头串联当要求n个条件同时具备时 电气线圈得电动作动作常开触头并联当要求n个条件 一个条件满足 电气线圈得电动作常闭触头串联一个条件满足 线圈断电常闭触头并联所有条件具备 线圈断电 经验设计法 采用经验设计法 一般应注意以下几个问题 保护控制线路工作的安全和可靠性1 线圈的连接 在交流控制线路中 不能串联接入两个电器线圈 即使外加电压是两个线圈额定电压之和 也是不允许的 经验设计法 保护控制线路工作的安全和可靠性2 电器触头的连接 同一个电器的常开触头和常闭触头位置靠得很近 不能分别接在电源的不同相上 经验设计法 保护控制线路工作的安全和可靠性3 线路中应尽量减少多个电器元件依次动作后才能接通另一个电器元件 如图所示 图a中线圈KA3的接通要经过KA KA1 KA2三对常开触头 若改为图b 则每一线圈的通电只需经过一对常开触头 工作较可靠 经验设计法 保护控制线路工作的安全和可靠性4 应考虑电