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电气控制与PLC,主讲：张鸿恺,一、内容提要1、电气控制的基本概念、理论基础、基本方法2、电气控制系统的组成、基本结构及器件3、传统控制与现代控制的异同点4、设计原则、方法、技能与安全意识,二、重要性与意义是从事自动化、智能化技术人员的必备基础是从事控制工程现场作业的基本技能,三、课程重点控制实现的方式方法与技能(包括控制理念、设计思想、基本步骤、器件及其电路组成等)。,四、学习方法1.控制的要素：安全素养+(器件+电路)目的(标)2.基础知识掌握+学会用脑分析+融类旁通。,参考书目：新一代可编程计算机控制器技术齐蓉编著西北工业大学出版社2000年可编程控制器应用技术与实例袁任光编著华南理工大学出版社1997年可编程序控制器原理应用网络徐世许著中国科技大学出版社2000年可编程序控制器及其通信网络技术郭宗仁等编人民邮电出版社1999年电气控制与PLC程周主编电子工业出版社2003年现代电气控制及PLC应用技术王永华主编北京航天航空大学出版社2003年,名词释疑1、控制：为得到某种结果而施加的某种技术措施或手段所产生的作用。2、电气控制：用电力的办法实现对设备或系统的各种工作状态的控制，以满足用户需求。3、电气控制技术：面向工程实际，着重解决工程中电气控制所遇到的各种问题，实现对设备或系统各种工作状态控制的技术保障与措施。4、自动化：在没有人的直接干预下，通过一定的技术、装置，按预定规则，就能达到预期目标从而提高效率的过程。,5、PLC：一种数字式，应用计算机技术的自动控制装置。6、系统：相关元素有机组合的整体。7、网络：无边际的系统；扩大了的系统；信息节点之间的通信链路（Link）。8、设备：从事生产活动的机械装置；系统的具体表现形式。9、电路：设备的动力部分（通路）；系统中一个有特定内涵、不可或缺的分支。,第一章常用低压电器,第一节低压电器的基本知识,第三节控制继电器,第二节接触器,第四节熔断器,第五节开关电器,第六节主令电器,本章小结,本章作业P37：T1、T3、T4、T8、T12、T13、T14、T17,第一节低压电器的基本知识,一、电器在电路中，实现电量与非电量之间的转换、控制、保护、调节、检测等功能的器件或装置。二、分类按工作电压等级分：以AC1200V、DC1000V为界，有高压电器、低压电器按电源性质分：直流电器、交流电器按电器的动作方式分：手动电器和自动电器按电器的用途分：开关、主令、控制、保护和执行电器,第一节低压电器的基本知识,按有无触点分：有触点电器和无触点电器按工作原理分：电磁式电器和非电量控制电器按电器功能分：控制电器和配电电器按使用环境分：工业、农业、船舶、军用、特种电器等,三、低压电器特点,量多面广，结构各异大多数为电磁式电器，原理相同，组成相近,感受部分(检测部分)电磁电器的电磁系统执行部分电磁电器的触点系统,第一节低压电器的基本知识,1.电磁系统将电磁能转换为机械能并带动触头动作。原理线圈通入电流，产生磁场，铁芯、衔铁和气隙形成回路，产生电磁力，将衔铁吸向铁芯。,铁芯,衔铁,线圈,直动式,电压线圈：并联在电路中，匝数多、导线细。电流线圈：串联在电路中，匝数少、导线粗。交流线圈：短而粗，有骨架。直流线圈：细而长，无骨架。,组成与分类,第一节低压电器的基本知识,交流：硅钢片叠加直流：整块铸铁或铸钢,转动式,单相交流电磁机构特性原因iImSinti=mSintf2FmSin2t当i=0时：=0；f=0因而，电磁机构在工作时会产生振动和噪声。,第一节低压电器的基本知识,第一节低压电器的基本知识,解决办法在单相交流电磁铁铁芯的端面嵌装一个自成回路的金属环，也称分磁环或短路环。,结论：单相交流电磁机构中，由于短路环的存在，产生了时间上不同时为零的两相磁通，在电磁机构通电期间，电磁吸力始终大于弹簧反力，使衔铁牢牢吸合，消除了振动与噪音。,第一节低压电器的基本知识,i,注：i系2产生的感应电流系i产生的感应磁通Fxf1+f2,2.触头系统通过触头的开合控制电路通、断。类型材料一般采用铜材料制成；对于小容量电器常用银质材料制成。主触头分类辅助触头3.反力弹簧线圈失电时，利用弹簧储能将衔铁和触点复位。,桥式触头,指形触头,第一节低压电器的基本知识,4.灭弧系统电弧危害延长了切断故障的时间；高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏；形成飞弧造成电源短路事故。灭弧措施吹弧拉弧栅片灭弧多断口灭弧利用介质灭弧改善触头表面材料,第一节低压电器的基本知识,第二节接触器,一、属性,频繁通断负载工作电流。,二、用途,是电气控制中最常用、最主要的自动切换电器。,电磁式电器；具有低压释放保护功能；适用于频繁操作、远距离或自动控制。,三、特点,交流接触器结构图,绝缘支架,静铁芯,吸引线圈,灭弧罩,主触头,动铁芯,辅助常开触点,第二节接触器,四、交流接触器结构,辅助常闭触点,第二节接触器,线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。,五、工作原理,第二节接触器,六、分类,直流,交流,单极,双极,三极适用于一般常规控制,四极适用于单相双控回路,五极适用于多速电机控制或自耦降压调速起动。,接触器,七、图符,第二节接触器,八、型号意义,第二节接触器,1.额定电压,2.额定电流,3.吸引线圈额定电压,九、接触器的主要技术指标,第二节接触器,十、接触器的使用选择原则,第二节接触器,根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；根据负载性质选用相应使用类别；接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流;吸引线圈的额定电压、电流应与所在控制电路的额定电压、电流等级一致；辅助触点数量应能满足控制要求；经济实用性。,一、控制继电器概述1.定义是一种根据电量(电流、电压)或非电量(时间、速度、温度、压力)等参数的变化，自动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的自动控制电器。2.功能在控制(小电流)电路中，实现控制、放大、联锁、保护和调节等功能。3.特点用于切换小电流的控制电路；触点容量不大于5A；可以对各种电量或非电量的变化作出反应；无灭弧装置。,第三节控制继电器,第三节控制继电器,4.分类按用途分控制、保护和中间；按应用系统分电力用和拖动控制用；按动作原理分电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式、热力式等；按输入参数分电流、电压、时间、速度、压力等；按动作时间分瞬时、延时继电器。,第三节控制继电器,二、电磁式继电器特性,1.结构,由电磁系统、触点系统、调节机构、绝缘支架等。,2.分类,电压继电器；电流继电器；中间继电器；时间继电器；控制继电器等。,第三节控制继电器,3.特性,即：电磁式继电器的输入-输出特性，为一介跃函数。又称回环特性/继电特性。,吸合特性,释放特性,4.主要技术参数,第三节控制继电器,额定电压、电流,调节范围,动作响应时间,返回系数,普通继电器0.050.15s,快速继电器0.0050.05s,指控制继电器的吸合值(释放值)、整定值,三、常用电磁式继电器介绍,1.电压/电流继电器用途设备或系统的电压/电流的自动控制与保护。特点电压继电器线圈并联在电路中，匝数多、导线细、阻抗大；电流继电器线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。分类按线圈工作电源性质分按被控电路电源性质分按继电器工作特性分,第三节控制继电器,第三节控制继电器,图符,第三节控制继电器,电流继电器,电压继电器,产品,第三节控制继电器,说明,过压(流)继电器,欠压(流)继电器,交流过压(流)继电器,2.中间继电器,第三节控制继电器,用途5A以下电路中的信号转换。触点扩展及电路控制等。特点实质上是一种电压继电器。结构和工作原理与接触器相似。触点组合有40、04、44、62、80几种。图符,第三节控制继电器,型号意义,选用原则,线圈工作电压应与所在回路工作电压保持一致；触点电压应与被控回路电压保持一致；触点数量应能满足控制需求。,用途设备或系统的滞时控制。特点检测元件得到信号后，执行元件要延迟一段时间后才动作的自动控制电器。分类按构成原理分电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式、数字式按延时方式分通电延时型、断电延时型,3.时间继电器,第三节控制继电器,第三节控制继电器,空气式时间继电器结构,第三节控制继电器,工作原理,第三节控制继电器,图符,第三节控制继电器,第三节控制继电器,选用原则,线圈工作电压等级应与控制回路电压等级保持一致；延时范围应满足控制要求；触点数量不足时，可通过中间继电器扩展。,1.热继电器用途常与接触器配合用于三相异步鼠笼式电动机的过载保护和断相保护。特点利用电流热效应原理工作，依电机发热状况而动作的自动保护电器。,利用双金属片受热弯曲去推动杠杆使触头动作,利用电阻值随温度变化而变化的特性制成,利用过载电流发热使易熔合金熔化而使继电器动作,四、非电磁式继电器,型式双金属片式热敏电阻式易熔合金式,第三节控制继电器,第三节控制继电器,结构由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成。,工作原理,第三节控制继电器,第三节控制继电器,图符,型号意义,Y接法UL=3UPIL=IP正常情况下ZA=ZB=ZC=ZUAB=UBC=UCA=ULIA=IB=IC=IP=ILP=3UPIPCos=3ULILCos,第三节控制继电器,断相保护分析,故障情况下，设UB=0，那么即：P=ULICos,第三节控制继电器,若断相前后，功率保持不变，则有：P=P,即：3ULILCos=ULICos,则：,结论：Y接法三相交流电机运行中发生断相事故时，在功率不变条件下，另外两相绕组中流过的线电流I是正常线电流IL的K倍，且K1。由于Y接法时，IL=IP，因而，过载的相电流可以准确的反映在线电流上，因此，对Y接法交流异步电机，无论采用三元件或二元件的热继电器，均可实现断相保护。,第三节控制继电器,接法UL=UPIL=3IP正常情况下ZA=ZB=ZC=ZUAB=UBC=UCA=UL=UPIA=IB=IC=ILP=3UPIPCos=3ULILCos,第三节控制继电器,故障情况下，设UB=0，则：,第三节控制继电器,结论：接法的三相交流电机运行中发生断相事故时，在线电流不变条件下，电机绕组内的相电流发生了严重的不平衡，跨接全压的一相绕组内流过的故障电流是其额定相电流1.15倍，而另两绕组由于串接在全压之间，使得该支路中流过的故障电流正好等于绕组额定相电流。这时，由于通过热继电器热元件的故障电流仍小于热元件的动作整定值，热继电器不会动作，致使电机绕组过热，严重时，将烧毁电机。因此，接法的电机在选用热继电器作过载断相保护时，必须选用三元件并具有断相保护功能的热继电器。因为断相的不确定性，采用两元件的热继电器已不能很好地起到保护作用。,第三节控制继电器,选用原则,选用时，型号、热继电器规格、电流调节范围三个技术参数缺一不可；热元件的额定电流可按鼠笼电机额定电流的95105确定；电流调节范围应在热元件额流的15左右为宜。,保护特性分析,Q=I2Rt但对于交流电机而言：Q=3UICost显有：It-1即：I与t互为倒数。可见，热继电器的保护具有一定的延时性。,第三节控制继电器,说明,线绕式电机不宜采用热继电器作过载保护，这是因为热元件的热惯性，对瞬间过载反应不灵敏所致；热继电器不宜作短路保护；接法的三相交流电机若采用熔断器作短路保护，则必须选用带断相保护功能的热继电器作该电机的过载保护装置。对于频繁可逆运行或反复短时工作制的电机的过载保护应采用其它方法或选用具有过载保护特性的电机。,用途利用异步电机转速，实现快速制动。参数动作转速：120rpm复位转速：TN，电机方能起动，否则不能起动；起动转距过大，会使传动机构受到冲击而损坏。中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的57倍。,第三节三相异步电动机的调速,第三节三相异步电动机的调速,转矩与电功率的关系：,5.几个重要特性,最大转矩与电源电压的关系：,启动转矩与电源电压的关系：,自适应负载能力：指电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整的能力。,TSTU12；TST与转子电阻R2有关。,TmaxU12，且与转子电阻R2无关，而R2越大sc也越大。,第三节三相异步电动机的调速,转差率与转矩的关系：,当电源频率f、极对数p不变，负载转矩T恒定的条件下，电机工作点的转差率只与转子回路电阻的大小有关：R2增大，S增大，由转速公式可知：1S减小，n降低，从而达到调速目的。,第三节三相异步电动机的调速,三、交流电机调速分类,由上公式可知：,三相异步电动机电气调速,改变同步转速调速,改变转差率调速,改变电动机绕组的极对数(只适于鼠笼式),改变电源频率,降压调速,绕线式异步电动机转子回路串电阻调速,二、交流电机调速原理,第三节三相异步电动机的调速,四、调速方法与特点,1.变极调速,原理由电机原理、转速公式可知：电机磁极对数与每相定子绕组的数量有关；转速与磁极对数成反比。,分类,第三节三相异步电动机的调速,控制电路,双速电机调速,-YY恒功率调速,Y-YY恒转矩调速,第三节三相异步电动机的调速,双速电机调速（一）,电路简介KM1主触点构成接的低速接法；KM2与KM3用于将U1、V1、W1端短接，并在U2、V2、W2端通入三相交流电源，构成YY接的高速接法。,第三节三相异步电动机的调速,控制实现此电路中，采用按钮、接触器，实现-YY变速起动和运行：按钮SB1实现低速起动和运行；按钮SB2，使KM2、KM3线圈通电自锁，用于实现YY变速起动和运行。,第三节三相异步电动机的调速,本电路中，采用转换开关SA，手动控制实现-YY变速起动和运行。,双速电机调速（二）,第三节三相异步电动机的调速,三速电机调速,三速电机定子有2套绕组，1套可作为接法和YY接法的双速绕组，另1套为Y型接法的中速绕组。,第三节三相异步电动机的调速,低速,Y中速,YY高速,第三节三相异步电动机的调速,特点,设备简单，特性较硬，运行平稳。调速范围：空载转速n0以下。属于有级调速；适用于起货机、锚机等设备，国产常为-YY(4/2p恒功率)；国外常为Y-YY（4/2p恒转矩）。特性曲线,当电源电压降低时起动转矩会减小；当适当增加转子绕组的电阻会使起动转矩有所增加。方法鼠笼式异步电机降压调速；绕线式异步电动机转子回路串电阻调速；滑差电机。,第三节三相异步电动机的调速,2.改变滑(转)差率调速,原理,第三节三相异步电动机的调速,特点分析,降压调速,原理：降压调速属于改变转差率调速。因为降低定子电压U，n0和临界转差率Sm=R2/X20不变，但TmaxU2减小。对于恒转矩型负载，T减小，则n减小，从而达到调速目的。特点：这种方法对于恒转矩型负载调速范围很小，而对于通风机型负载，调速范围则比较大。一般用于带通风机型负载的电动机。,第三节三相异步电动机的调速,绕线式转子串电阻调速,原理：转子串电阻调速属于改变转差率调速。因为转子电路外串联电阻RS后，n0和Tmax不变，而临界转差率Sc随RS而变化，RSSc机械特性越软，转速越低。特点：这种调速方法简单，能够满足一般多级调速要求，属有级调速（转速只能逐档变化），调速和起动电阻可共用。常用于要求起动转矩较大的生产机械上，如起重、卷扬等设备。,Rs,第三节三相异步电动机的调速,滑差电机调速,滑差电机，又称电磁调速电动机。具有测速负反馈环节的交流无级调速驱动装置，能在比较宽广的转速范围内进行平滑的无级调速。,组成:由Y系列三相异步电动机、涡流离合器、测速发电机、控制器等组成.外形见产品图。,第三节三相异步电动机的调速,原理：异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。滑差离合器是一种电磁的机械传动耦合器，通常由主动和从动两个部分构成，通过电刷与直流电源联接，调节励磁电流的大小，即可改变磁极的磁场强度，于是改变从动部分的转速。滑差离合器调速所产生的损耗功率以热能形式消耗在滑差离合器内部。,1-原动机2-工作气隙3-主轴4-输出轴5-磁极6-电枢,第三节三相异步电动机的调速,特点：交流无级调速，机械特性硬度较高；结构简单、工作可靠、维护方便、价格低廉；调速范围大，一般可达10:1，有特殊要求(如轮转机)时亦可达50:1；可调节转矩。励磁电源一般为单相可控硅整流，控制功率较小，一般在100以下。由于摩擦和剩磁的存在，当负载转矩小于10%额定转矩时就可能失控。没有制动力矩，只能单向运行。,调速特性,第三节三相异步电动机的调速,整流器先将50Hz的交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给鼠笼式异步电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械特性。,变频调速就是改变电源电压的频率，从而改变电动机的转速。,第三节三相异步电动机的调速,3.变频调速,第三节三相异步电动机的调速,原理变频调速属于改变同步转速。根据n0=60f1/p及n=(1-s)60f1/p可知:改变频率f1，同步转速n0改变，转子转速n也改变，机械特性也变。目的主要是节能调速和工艺调速。节能调速用于具有平方转矩负载特性的风机、泵类机构的转速控制，其变频调速控制方式比传统的用风门或阀门调节方式节约能量30%40%;工艺调速是根据生产工艺要求进行调速，它能够实现电机软起动，减少对电网的冲击；能提高系统控制精度和生产效率；可扩大调速范围，提高电机的转速和电压。,第三节三相异步电动机的调速,特点分析无级调速(类似直流调速)；特性硬度不变，转速平稳；变频器较贵，初次投资较大。方法采用变频器。调速特性,第三节三相异步电动机的调速,五、调速方法小结,改变极对数调速优点无附加转差损耗，效率高；控制电路简单，易维修，价格低；与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。缺点有级调速，不能实现无级平滑的调速；由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。,第三节三相异步电动机的调速,定子调压调速优点：线路简单，装置体积小，价格便宜，使用、维修方便。缺点：调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低；调速范围比较小；要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，适用于55kW以下的异步电动机。电磁转差离合器调速优点：结构简单，控制装置容量小，价值便宜；运行可靠，维修容易；无谐波干扰。缺点：速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的8090；调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。,改变滑差率调速,第三节三相异步电动机的调速,变频调速优点无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；对于低负载运行时间较长，或起、停较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。缺点技术较复杂，价格较高。,转子串电阻调速优点：技术要求较低，易于掌握；设备费用低；无电磁谐波干扰。缺点：串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维护、保养要求较高；调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低；调速范围不大。,第三节三相异步电动机的调速,六、变频器(VariableVoltageVariableFrequencyInverterVVVF)简介特点无需任何附加机械装置，专用于普通交流电机实现无级调速的自动控制装置；自身不受电源频率影响，启动电流小，容量可达MW级；高效节能、线路简单。使用方便；性价比优于同容量直流调速装置；低频区(5Hz)调速效果差，对交流机而言，无影响；电机可高速、小型化。,第三节三相异步电动机的调速,分类,按用途分类通用型适于一般工业设备的变频调速与节能控制；专用型特定控制对象的拖动与调速。按容量分类中小容量输出电压400V左右，容量在500KVA以下；大容量输出电压600V以上，容量在8500KVA以下。按变频方式分类交交变频将固频交流电直接变为频率可调的交流电；交直交变频将固频交流电整流后再变为频率可调的交流电。按主回路方式分类电压型输出电压的频率可调，电压幅值不变；电流型输出电流的频率可调，电流幅值不变。按变频控制实现方式分类PAM型脉冲调幅式；PWM型脉宽调制式。,第三节三相异步电动机的调速,VVVF调速控制方式,V/F控制异步电机转速与定子电源频率和极对数p有关，改变就可平滑地调节同步转速。但f上升或下降可能会引起磁路饱和转矩不足，但由于电机最大转矩Tmax(U1/f)2,所以在改变f的同时，需调节定子电压。使气隙磁通维持不变、U1/f为常数，电机效率不下降。V/F控制简单，通用性优良，调速范围1:10。但因是开环控制，调速精度低、范围小，过流能力低，10Hz以下调速有困难。只能用在调速精度和动态响应要求不高的场合，如风机、泵机控制、流水线上的工作台转动。,第三节三相异步电动机的调速,转差频率控制由电机学基础知识可知。异步电动机转矩与气隙磁通、转差频率f2的关系为：f2只要保持气隙磁通一定，控制转差频率f2就能控制电机转矩。转差频率控制较V/F控制复杂，控制精度、过电流能力较V/F控制有所提高，调速范围1:20，低频区调速有困难。但由于维持磁通和转矩恒定的基本关系式是从稳态机械特性上推导出来的，没有考虑电机电磁惯性的影响，所以动态转矩仍没得到控制，动态响应效果仍不理想。只适用于要求一般的同步运转及精度定位的场合。,第三节三相异步电动机的调速,矢量控制矢量控制是在交流电动机上模拟直流电机控制转矩的规律，将定子电流分解成相应于直流电机的电枢电流分量和励磁电流分量，并分别进行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电机一样的优良性能，调速范围1:100以上，它适用于要求快速响应或对起动、制动有严格要求或替代直流机的场合。直接转矩控制直接转矩控制(DTC)的变频调速是目前正在发展的调速方式，它无需像矢量控制那样进行复杂的矢量变换运算，直接由定子空间矢量分析三相电动机的数学模型，并决定其控制量。DTC能够用开环方式对转速和转矩进行控制，它的PWM波形直接由转矩决定，其控制性能比PWM磁通矢量控制方式更优越。,第三节三相异步电动机的调速,VVVF应用范围,节能主要针对具有负平方转矩负载特性设备的拖动电机。因为，这类负载的特点是：Tn2Pn3=P(n2/n1)3可见：当电机完全启动，正常运行后，只需要一小部分维持功率即可。此时，变频器从电网中取用的功率也将会下降。Pvvvf=PM/vvvfM提高工效、产品质量、设备自动化在大批量、需连续作业的生产流水线进行诸如脱水、干燥、烘烤、压延、拉伸等作业要求的控制、联动无级调速等。,第三节三相异步电动机的调速,提高可靠性、舒适性以全面提高系统运行的安全性、可靠性或以提供舒适性为主要目标，针对能源、交通以及如电梯、空调等特种或专业设备设施上的应用。,第四节电路图阅读与分析,一、摇臂钻电气图,设备结构,第四节电路图阅读与分析,运动机构,第四节电路图阅读与分析,电控特点与要求,控制系统组成电控、液控、机控三部分。摇臂有升降、旋转运行要求；主轴箱有水平移动、纵向进给、钻削进给要求；液压系统提供摇臂及主轴箱所需的紧、松时的动力；控制要求有手/机动控制要求；有保护要求；有提供照明、信号显示要求；有联锁动作要求；,阅读电路图,主电路Q电路电源开关FU短路/过载保护电器M1主轴箱电机M2摇臂升降电机M3液压泵电机M4冷却泵电机SA1为其电源开关。,第四节电路图阅读与分析,辅助电路T控制变压器提供127V/6.3V/36V三种电压；SA2/FU3为工作灯EL的电源开关及短路保护；SB1/SB2主轴箱启停按钮；KM1/FR1为主轴电机M1的接触器/热继电器；SB3/SB4为摇臂升/降点动复合按钮；SQ1/SQ2升/降极限保护/摇臂放松信号；KM2/KM3为升降电机M2的可逆接触器；KM4/KM5/FR2液压泵电机M3的可逆接触器/热继电器；SQ3摇臂夹紧信号；SB5/SB6液压电磁阀控制按钮；SQ4主轴箱夹紧/放松信号；HL1/HL2/HL3夹紧/放松/主轴旋转信号指示。,第四节电路图阅读与分析,摇臂钻电路图,第四节电路图阅读与分析,电路阅读准备Q闭合，电路得电，待运行；启动运行按下SB2KM1得电吸合常开触点闭合，自保；常开触点闭合，HL3亮，运行显示。主触点闭合，M1得电启动运行。钻削加工时，只需通过操作手柄实现手/自动进给。,摇臂升降及放松、夹紧,第四节电路图阅读与分析,按下SB3KT得电吸合瞬动常开触点闭合KM4得电吸合M4得电，逆时针启动运行延时常闭触点断开KM5联锁；延时常开触点闭合YV得电摇臂放松碰撞SQ2常闭断开KM4失电释放M3停止供油常开闭合KM2得电吸合KM2常闭断开与KM3联锁KM2主触点闭合M2得电，逆时针启动运行摇臂上升碰撞SQ1常闭断开KM2失电释放M2断电，停止KT失电释放瞬动常开触点断开KM4失电释放M4失电，停止；延时闭合的常闭触点闭合KM5得电吸合，M3得电，顺时针启动运行；延时断开的常开触点断开YV失电，摇臂开始夹紧碰撞SQ3夹紧完成。,第四节电路图阅读与分析,冷却泵运行,手动操作SA1，即可实现对冷却泵电机M4的控制。,电路保护,Q电源隔离与联络；FU1电路短路总保护；FU2M2/M3及辅助回路保护；FU3工作灯保护；FR1/FR2M2/M3过载保护；KM1辅助常开触点自保及零失压保护；SB3/SB4与KM2/KM3辅助常闭触点防止误操作的双重联锁；KT断电延时型消除电机惯性后再执行；SQ1升降极限保护SQ2常开触点放松与KM2/KM3升降联锁；SQ3常闭触点夹紧与油泵电机M3联锁SB5/SB6机械联锁手动调整松劲度,第四节电路图阅读与分析,二、万能铣床电气图,设备结构,第四节电路图阅读与分析,运动机构,第四节电路图阅读与分析,电控特点与要求,控制系统组成电控、机控二部分。主轴有调速、可逆运行、快速制动要求；工作台有进给、快速移动、限位、两地操作要求；控制要求有手/机动控制要求；有保护要求；有提供照明、联动要求；,阅读电路图,主电路QS1带欠压保护的断路器，符号应为QF1M1主轴电机M2工作台进给电机M3冷却泵电机,第四节电路图阅读与分析,辅助电路TC控制变压器，提供48V/110V/24V三种电压；FU2FU5辅助回路保护；VC1整流桥；SB1/SB2停止按钮；SB3/SB4启动按钮；SB5/SB6快速进给按钮；YC1(制动)/YC2(进给移动)/YC3(快速移动)电磁离合器线圈(直流)；SQ1/SQ3右进/前、下进SQ2/SQ4左进/后、上进SQ5主轴变速行程开关；SQ6进给变速行程开关；,第四节电路图阅读与分析,EL工作灯；SA1冷却泵控制开关；SA2主轴上刀制动开关；SA3圆工作台转换开关；SA4主轴换向选择开关；KA1调试继电器KA2快速进给继电器KA3冷却泵电源KM1/KM2主轴电机M1可逆运行接触器；KM3/KM4进给电机M2可逆运行接触器；FR1/FR2/FR3电机M1/M2/M3的热继电器。,第四节电路图阅读与分析,电路阅读,由于铣床电路较为复杂，阅读分析时，应分几部分进行。,第四节电路图阅读与分析,主轴电动机的起动控制,主轴拖动控制电路,第四节电路图阅读与分析,主轴电动机的制动控制,第四节电路图阅读与分析,主轴上刀换刀时的制动控制,第四节电路图阅读与分析,主轴变速冲动控制,第四节电路图阅读与分析,工作台纵向进给运动的控制,进给拖动控制电路,第四节电路图阅读与分析,工作台向前与向下进给运动的控制,第四节电路图阅读与分析,工作台向后与向上进给的控制,第四节电路图阅读与分析,进给变速冲动控制,第四节电路图阅读与分析,进给方向快速移动的控制,第四节电路图阅读与分析,圆工作台的控制,冷却泵控制,冷却泵和机床照明的控制,第四节电路图阅读与分析,机床照明控制,第四节电路图阅读与分析,第四节电路图阅读与分析,控制电路的联锁与保护(见教材P61P62),万能铣床控制特点,采用电磁磨擦离合器的传动装置，实现主轴电动机的停车制动和主轴上刀时的制动，以及对工作台工作进给和快速进给的控制；主轴变速与进给变速均设有变速冲动环节；进给电动机的控制采用机械挂挡-电气开关联动的手柄操作，而且操作手柄扳动方向与工作台运动方向一致具有运动方向的直观性；工作台上下左右前后6个方向的运动具有联锁保护。,本章小结,电气工程图表的分类、功能、作用；线条、图符、标注等绘制要求；基本控制电路的控制功能及实现方法；基本控制电路的保护特点及其种类、作用等；电机调速的意义、应用和选择方法；电路图的阅读分析。,第三章电控系统的设计方法,第一节有触点系统的设计基础,第三节应用实例,第二节有触点系统的设计方法,本章小结,本章作业P77：T2、T3、T6、T7,第一节有触点系统的设计基础,一、电控设计的标准与规范,由于电气工程涵盖电能分配与信息传输两大专业门类，作业方式大相径庭，因而电控设计的标准与规范，包括：设计、产品检验、施工、检测、质量保证、调试验收等诸方面。,标准与规范是工程界的技术法典，具有权威性，不得随意简化、取消、更改。,工程图集、图册是以图解的方式对标准、规范所进行的表述，并对具体作业方式方法具有指导意义。,标准与规范随技术进步也在不断修订、完善，电气工程作为特种专业来讲，安全可靠运行、最大限度满足用户需求永不会变。,第一节有触点系统的设计基础,二、电控系统设计的一般原则,1.最大限度地满足(或实现)生产机械或工艺(或用户)对控制的要求。要结合实际需求、能力、技术现状、适用性、性价比等多方面进行比较。,2.在满足控制需求的条件下，控制力求安全、可靠、简单实用、经济。要尽量选用大家熟知的常用常见的控制方式；要尽量选用标准的、同系列、同型号的常规器件，并尽可能减少使用数量；简单并不意味着低水平、低层次、低技术含量；对现行成熟技术不宜作修改。,第一节有触点系统的设计基础,同一线路中电磁式电器的电压等级应保持一致，且并联连接：因为，电磁电器线圈绝大多数为电压型，是根据电压信号变化工作的，尤其是对交流，从图中可见：,3.保证控制线路的可靠与安全。,第一节有触点系统的设计基础,辅助电路工作时，除必要通电电器外，不工作电器尽量不通电，以利节能，减少电器散热量，延长使用寿命；如：,第一节有触点系统的设计基础,减少连接导线，简化电路；,第一节有触点系统的设计基础,正确连接触点；如：,避免寄生电路；如：,第一节有触点系统的设计基础,控制环节应简单明了，避免繁琐；如：,频繁可逆运行环节，应采取双重联锁。,应有完善有效的保护环节，即使误操作也能防止故障发生。,小容量触点通断大容量电磁线圈时，应利用中间继电器过渡。,4.线路编号应具有唯一性，且与现场实际接线编号保持一致。,5.为日后的操作、维护等尽量提供方便。,第一节有触点系统的设计基础,三、电控设计的基本任务,电控设计，包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。电气原理图设计是电气工程设计最主要的环节，是后续的工艺设计，制定其它技术资料的依据。电气原理图设计拟定设计任务书；选择方案；确定负载类型及其控制方式；根据用户要求，拟定经济技术指标；绘制电气原理草图，计算主要技术参数；选择器件，编制器件目录清单；编写使用说明书。,第一节有触点系统的设计基础,电气工艺设计是实现电气原理图设计功能，为便于组织电气系统的制造、施工、调试、维护、使用提供必备的技术资料。2.电气工艺设计依据原理图及其选择的器件，设计平面图、布局图等；依据原理图(也可按功能、组件)进行线路编号；确定器件安装方式，绘制自制件加工图；选择或设计电器箱图；绘制安装图、接线图；技术资料汇总(各类图纸)；编写使用维护说明书。,第一节有触点系统的设计基础,四、电控设计的步骤与内容,控制方案的选择与确定控制人员应根据专业知识、设备功能、用途、现场环境条件、用户要求、控制目的、经济承受能力等因素综合考量，至少要作2个以上的方案，以供用户、业主、设计相关者等甄选。方案设计实质是电路图的设计。设计时，需要考量的因素有：主电路负载属性；负载对电源的要求；负载的连接方式；负载的启动及运行方式；系统技术安全措施及负载的保护。,第一节有触点系统的设计基础,辅助电路依据国家标准、现场环境条件决定辅助回路电压等级；对主电路控制的实现方式、方法；系统运行条件；系统保护及联锁联动条件；系统运行显示。技术资料图纸(根据需要有电路图、布局图、接线图、平面图等)；材料明细表；使用说明包括两方面内容：对使用环境、电源等方面的要求及对系统功能、优点等方面的介绍；使用说明(操作步骤)、注意事项、故障时的对策等。,第二节有触点系统的设计方法,一、经验设计法,又称为一般设计法，或顺序设计法。顾名思义，其依据电路中控制和器件动作顺序的思想完成设计。1.对设计者的要求熟悉和了解用户的需求；熟悉和了解设备设施的组成、结构、工作原理、控制要求；熟悉和了解大量地电控单元电路，各种联锁方法，保护正确、安全；熟悉控制用各种器件；详熟控制原理与技巧。,第二节有触点系统的设计方法,2.设计方法按先后顺序选列单元电路；,电器动作次序组合单元电路，设置联锁；设置保护、显示环节；检查由于有触点系统设计完成后，没有模拟环节作效果验证，因此，要求设计者必须按“电流并联”的规律，对设计作进行认真严格的检查、分析；调试触点电器接线后的调试，应按顺序、分步进行，并对可能出现的危险有应急处理措施。,第二节有触点系统的设计方法,3.优缺点优点技术成熟、系统安全、稳定；合乎习惯性思维方式，易于掌握，实际应用面广；适用于简单、控制功能单一系统；对设计人员素质、学历等要求不高。缺点大型或复杂系统的控制设计不易；系统只能按设计、安装、接线、调试、修正、完善的顺序进行，无法进行先期的模拟验证；随系统复杂程度，设计工作量成倍增加，设计周期长，排查难，系统可靠性易受人为因素干扰。,第二节有触点系统的设计方法,二、逻辑设计法,又称为布尔代数(Boolean)法。其依据控制要求，将器件的线圈、触点等视为逻辑变量，应用逻辑数学法则，用变量函数关系式表述控制思想，从而完成设计。1.对设计者的要求熟悉和了解用户的需求；熟悉和了解设备设施的组成、结构、工作原理、控制要求；熟练应用布尔代数；熟悉控制用各种器件；详熟控制原理与技巧。,第二节有触点系统的设计方法,2.设计方法“逻辑”与“触点”的关系“逻辑与”与触点的串联“逻辑与”C=AB常开触点J=X1X2,“与”控制的实质是：若干个输入信号同时满足时，受控电路才有输出；只要有一个或一个以上输入信号不满足，则该电路无输出。即：J=X1X2Xn,第二节有触点系统的设计方法,“逻辑或”与触点的并联“逻辑或”C=A+B常开触点J=X1+X2,“或”控制的实质是：若干个输入信号中，只要有一个、一个以上、甚至是全部输入信号满足时，受控电路就有输出；只有全部输入信号都不满足时，该电路才无输出。即：J=X1+X2+Xn,第二节有触点系统的设计方法,“逻辑非”与常闭触点“逻辑非”(也称反相器)C=,第二节有触点系统的设计方法,设计方法与步骤设计方法用“1”表示NO闭合、NC断开、线圈吸合、电路接通等状态；用“0”表示NO断开、NC闭合、线圈释放、电路断开等状态；用“与”、“或”、“非”表示器件相互间的连接关系；用“与-或表达式”表示任一支路的控制逻辑；用“与-或表达式组”(相互关联关系式)表示控制系统的组成。,第二节有触点系统的设计方法,设计步骤确定变量元件数量；建立真值表或卡诺图；列写出所有元件的“与-或”逻辑关系式；利用逻辑函数基本公式、运算律、真值表、卡诺图等简化关系式；根据简化后的与-或表达式，画出相应电路；对接电路，并进行检查、完善，必要时仍需再简化。,第二节有触点系统的设计方法,3.优缺点优点逻辑表达式与控制电路一一对应；可获得优化、经济的设计方案；与经验设计法比较，控制更具理性、科学、严谨；电路具有排他性。缺点对大型或复杂系统的控制设计过程难度大；逻辑代数计算工作量随系统复杂程度而增大；对设计人员素质要求较高。,第二节有触点系统的设计方法,三、信号图法,又称为信号流图法、工艺流程法。其依据工艺流程，列表反映在每一工序(步)中，各个控制(执行)器件的得失电情况，并依此写出变量关系式，从而完成设计。1.对设计者的要求熟悉和了解用户的需求；熟悉和了解设备设施的工艺流程；熟悉控制用各种器件；详熟控制原理与技巧；熟悉布尔代数。,第二节有触点系统的设计方法,2.设计方法与步骤建立“器件-工序”行列表(状态表)：列为工序：必须是一个循环周期；行为器件：必须是系统中所有器件，分区排列，每区中可有器件若干。,第二节有触点系统的设计方法,用“”表示得电；用“”表示失电；用细实线表示连续得电；用空格表示失电；,第二节有触点系统的设计方法,将系统中各器件状态绘制于图中；,求出各器件逻辑表达式；,依据逻辑表达式绘制相应电路；,简化完善电路，增添必要保护、报警、显示等电路。,第三节有触点系统设计案例,一、设计简介,1.设计任务高层建筑给水系统电气控制系统设计,2.系统配置三层以下由城市管网直接给水；采用水池-水泵-水箱给水方式；设备按一用一备配置，单台水泵功率17KW；,3.用户要求要求有手/自动控制、运行显示、故障报警等；运行泵发生故障时，备用泵应自动投入；为保护设备及节水应设有水位开关；水泵不得空转。,第三节有触点系统设计案例,二、方案选择,1.用户是否有其它控制要求？2.用户经济承受能力；3.现场环境。,方案一、传统控制方式：系统由“继电接触控制+声光显示”组成；方案二、仪表控制方式：系统由“自动化仪表+继电接触控制”组成；方案三、智能控制方式；系统由“传感器+智能控制器+变频器”组成；,第三节有触点系统设计案例,三、系统设计,方案确定后进行。设采用方案一设计。,1.电气原理图设计主电路设计水泵电机单向运行电路；电机启动方式：已知电机功率17KW，确定降压启动方案：“Y-”或“频敏变阻器”降压启动。电机制动无特殊要求，故采用惯转停车方式；客户无调压要求，可不考虑。,第三节有触点系统设计案例,辅助电路设计在确定电机启动方式之后进行。设采用“Y-”降压启动。确定“Y-”降压启动单元电路；增加手/自动混合控制；增加主备互投联动电路；信号显示：电源信号、启/停信号、互投信号、主备转换信号、故障报警信号、水位信号、联锁联动信号；系统保护：电源保护、单台电机的启动联锁、电路的短路、过载、零(失)压、手自动切换、主备互投联锁、水池/水泵/水箱联锁联动。绘制电气原理草图,第三节有触点系统设计案例,高层建筑给水主电路草图,第三节有触点系统设计案例,L21,N,EL,1KM,2KM,KA,KA,KA,1KT,2KT,1SA,1KMy,1KM,2KMy,2KM,1KMy,1KM,2KMy,2KM,1KMy,1KM,2KMy,2KM,3KA,2KA,第三节有触点系统设计案例,N,第三节有触点系统设计案例,材料统计电路介绍(操作说明)器件介绍操作过程系统联锁联动及保护维护指南注意事项,本章小结,电气设计中规范、标准的意义；基本设计方法顺序设计法的基本要领；设计的基本原则、规则、步骤等；电机调速的意义、应用和选择方法；电路图的阅读分析。,第四章可编程控制器概论,第一节可编程控制器概述,第三节可编程控制器的编程语言,第二节可编程控制器结构及分类,本章小结,本章作业P90：T1、T3、T4、T6,第四节可编程控制器工作原理及主要技术指标,第四章可编程控制器概论,本章要求：,1.了解可编程控制器的组成和结构。,2.了解可编程控制器的工作原理。,3.了解可编程控制器的几种基本编程语言。,4.认识性能指标对PLC性能的重要性。,第一节可编程控制器概述,一、可编程控制器发展,在20世纪6070年代，为了适应计算机、数字控制、机器人、大规模集成电路等高新技术的发展，美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新，提出了“结合计算机灵活、通用、功能完备以及继电控制简单、易懂、操作方便、为大家所熟悉”优点，面向工业现场、面向控制过程、面向实际问题，即使是不熟悉计算机的人，经过简单训练也可直接编程的一种新型电子化的自动控制装置来代替传统继电-接触控制的设想。1969年，美国数字设备公司(DEC)率先研制出PDP-14可编程控制器，成功地用在GM公司的自动装配线上。,第一节可编程控制器概述,二、可编程控制器定义,1987年，国际电工委员会(IEC)对它定义如下：一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,在早期，主要用于替代继电-接触的顺序控制，因此，又称为可编程逻辑控制器(ProgrammablelogiccontrollerPLC)。,第一节可编程控制器概述,随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器(ProgrammableControllerPC)。为区别于个人计算机(PersonalComputerPC)，故沿用PLC这个缩写。,迄今，可编程控制器的功能越来越多，控制范围越来越大，在应用领域越来越广。尤其在网络化、智能化等方面，其结构、功能都已超越原有定义，称谓上，又有可编程计算机控制器(ProgrammableComputerControllerPCC)，直接数字控制器(DirectDigitControllerDDC)等。就控制功能而言，它们之间区别不大。,第一节可编程控制器概述,三、可编程控制器特点,1.功能齐全几乎可以满足任何控制要求；2.通用、灵活与继电接触系统相比，控制由硬接线实现变成了由程序完成，实现了由“硬”向“软”的转换；3.操作简单、易于维护源于控制，用于控制，设计、使用的方式、方法，甚至名词、术语均与继电接触相同，对使用者的计算机能力无特殊要求；4.稳定、可靠PLC是应用计算机技术，设计时，已考虑采取了各种抗干扰措施，以适于工业恶劣现场环境，PLC自身故障率极低。,第一节可编程控制器概述,四、可编程控制器的应用与发展,开关量逻辑控制可编程序控制器具有“与”、“