第1电气基础及PLC

1、西门子S7-200 PLC应用教程赵全利 主编机械工业出版社2014-9第第1章章 电气控制与电气控制与PLC基础基础 概述概述 ： 传统的电气控制系统常用的控制元件主要是继电器及其逻辑电路传统的电气控制系统常用的控制元件主要是继电器及其逻辑电路等等 。 可编程控制器（可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称）简称PLC。 PLC以微处理器为核心，以存储程序控制的方式执行逻辑运算、定时、以微处理器为核心，以存储程序控制的方式执行逻辑运算、定时、计数、模拟信号处理及计数、模拟信号处理及PID运算等功能。运算等功能。 可编程控制器在电气控制系统中需要通过电器输

2、入元件接收信息，可编程控制器在电气控制系统中需要通过电器输入元件接收信息，需要通过电器执行元件执行控制命令。需要通过电器执行元件执行控制命令。 PLC是一种新型工业计算机是一种新型工业计算机控制装置控制装置。 1.1 常用低压常用低压电器电器 1.1.1 低压电器概述低压电器概述1 . 概述概述 电器是指能够依据操作信号或外界现场信号的要求，手动或自电器是指能够依据操作信号或外界现场信号的要求，手动或自动地改变电路的状态、参数，以实现对电路或被控对象的通断、切换、动地改变电路的状态、参数，以实现对电路或被控对象的通断、切换、控制、检测、变换、调节和保护等作用的电器。控制、检测、变换、调节和保护

3、等作用的电器。 在电气控制设备中，常用的是低压电器元件。在电气控制设备中，常用的是低压电器元件。 低压电器是指其工作额定电压等级在交流低压电器是指其工作额定电压等级在交流（50Hz或或60Hz)1200V、直流直流1500V以下的电器以下的电器。在我国工业控制动力电器电路中最常用的三。在我国工业控制动力电器电路中最常用的三相交流电压等级为相交流电压等级为380V，单相交流电压等级，单相交流电压等级220V；控制及照明等电；控制及照明等电器设备中一般可以采用较低的电压等级，如最常见的电压等级有器设备中一般可以采用较低的电压等级，如最常见的电压等级有110V、36V、24V、12V；电子线路中常用

4、的电压等级有；电子线路中常用的电压等级有5V、9V、15V 等。等。 2低压电器的作用低压电器的作用 低压电器在电器控制技术中占有相当重要的地位，主要有控制、低压电器在电器控制技术中占有相当重要的地位，主要有控制、保护、指示等作用保护、指示等作用。3低压电器的分类低压电器的分类 低压电器种类很多，其功能、规格、用途各不相同，常用低压电低压电器种类很多，其功能、规格、用途各不相同，常用低压电器有开关电器、主令电器、接触器、继电器、熔断器、控制器等。器有开关电器、主令电器、接触器、继电器、熔断器、控制器等。 例如，例如， 开关电器：开关电器： 主要用于电路的过负荷保护、短路、欠电压、漏电压保护，也

5、可主要用于电路的过负荷保护、短路、欠电压、漏电压保护，也可用于不频繁接通和断开的电路。用于不频繁接通和断开的电路。 接触器：接触器： 可以频繁地接通和分断交、直流主电路，并可以实现远距离控制，可以频繁地接通和分断交、直流主电路，并可以实现远距离控制，主要用来控制电动机、电阻炉和照明器具等电力负载。主要用来控制电动机、电阻炉和照明器具等电力负载。 1.1.2 常用低压电器常用低压电器常见低压电器常见低压电器： 开关电器开关电器：限流式断路器、漏电保护式断路器等。：限流式断路器、漏电保护式断路器等。 主令电器主令电器：控制按钮、行程开关等。：控制按钮、行程开关等。 接触器接触器：交流接触器、直流接

6、触器等。：交流接触器、直流接触器等。 继电器继电器：电流继电器、电压继电器、中间继电器、热继电器、时：电流继电器、电压继电器、中间继电器、热继电器、时间继电器等。间继电器等。 熔断器熔断器：有填料熔断器、无填料熔断器、快速熔断器等：有填料熔断器、无填料熔断器、快速熔断器等 控制器控制器：起重电磁铁等：起重电磁铁等。 1低压隔离器（刀开关）低压隔离器（刀开关） 低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔离功能要求的低压机低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔离功能要求的低压机械开关电器。械开关电器。 用途用途：通、断小负荷电流，电源隔离：通、断小负荷电流，电源隔离 。 主要技术参数主要技术参数： 极

7、数极数-单相电一般选用单单相电一般选用单2极或双极，三相电源线选用极或双极，三相电源线选用3极。极。 额定电流额定电流-一般应大于所分断电路中的负载最大电流的总和。电动一般应大于所分断电路中的负载最大电流的总和。电动机作为负载时，应以其启动电流（为电动机额定电流的机作为负载时，应以其启动电流（为电动机额定电流的57倍）来计倍）来计算。算。2低压断路器低压断路器 低压器断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或空气低压器断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或空气开关。开关。 主要技术参数主要技术参数 额定电压额定电压-其长时间运行时能够承受的工作电压，低压断路器的其长时间运行时能够承

8、受的工作电压，低压断路器的额定电压应大于被保护电路的工作电压。额定电压应大于被保护电路的工作电压。 额定电流额定电流-其长时间运行时的允许持续电流。低压断路器的额定其长时间运行时的允许持续电流。低压断路器的额定电流应大于被保护电路的总电流。电流应大于被保护电路的总电流。 分断能力分断能力-指在规定条件下能够接通和分断的负载短路时的电流值指在规定条件下能够接通和分断的负载短路时的电流值。低压断路器的极限分断能力应大于电路中最大短路电流的有效值。低压断路器的极限分断能力应大于电路中最大短路电流的有效值。 例如，例如，DZ47-60小型断路器，适用于照明小型断路器，适用于照明配电系统配电系统(C型型

9、)或电动机的配电系统或电动机的配电系统(D型型)。主要用于交流主要用于交流50Hz/60Hz，额定电压至，额定电压至400V，额定电流至额定电流至60A的线路中起过载、短路保护的线路中起过载、短路保护作用，同时也可以在正常情况下不频繁地作用，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。通断电器装置和照明线路。 3熔断器熔断器 熔断器（熔体）串联在被保护电路中，当通过熔体的电流使其熔断器（熔体）串联在被保护电路中，当通过熔体的电流使其发热，在一定时间后，达到其熔点时，熔体熔断，切断电路。发热，在一定时间后，达到其熔点时，熔体熔断，切断电路。 熔体额定电流熔体额定电流： 对电流较为平稳的

10、负载（如照明、信号、热电电路等），熔体对电流较为平稳的负载（如照明、信号、热电电路等），熔体额定电流应大于或等于负载的额定电流。额定电流应大于或等于负载的额定电流。 对于启动电流较大的电路（如电动机），熔体额定电流选取原对于启动电流较大的电路（如电动机），熔体额定电流选取原则应适当增大：则应适当增大： 单台电动机：熔体额定电流单台电动机：熔体额定电流=（1.52.5）电动机额定电流。电动机额定电流。 对于多台电动机：熔体额定电流对于多台电动机：熔体额定电流=（1.52.5）功率最大的电动功率最大的电动机额定电流机额定电流+其余电动机额定电流之和。其余电动机额定电流之和。 熔断器对过载反应是很不

11、灵敏的。熔断器对过载反应是很不灵敏的。 除在照明电路中外，熔断器一般除在照明电路中外，熔断器一般不宜用作过载保护，主要用作短路保护。不宜用作过载保护，主要用作短路保护。4交流接触器交流接触器 交流接触器是利用电磁吸力的作用来自动接通或断开大电流电路交流接触器是利用电磁吸力的作用来自动接通或断开大电流电路的电器。的电器。 主要技术参数主要技术参数 额定电压额定电压：指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。：指主触点额定工作电压，应等于负载的额定电压。 额定电流额定电流：接触器触点在额定工作条件下的电流值。额定电流一：接触器触点在额定工作条件下的电流值。额定电流一般应大于所分断电路中的负载最大

12、电流的总和。电动机作为负载时，般应大于所分断电路中的负载最大电流的总和。电动机作为负载时，应以其启动电流（为电动机额定工作电流的应以其启动电流（为电动机额定工作电流的57倍）来计算。倍）来计算。380V三相电动机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。三相电动机控制电路中，额定工作电流可近似等于控制功率的两倍。 通断能力通断能力：可分为最大接通电流和最大分断电流。：可分为最大接通电流和最大分断电流。最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的最大电流。最大电流。5.继电器继电器 继电器是根据特定形式输入信号的变化，通过自身容量较小的继电器是根据特定形式

13、输入信号的变化，通过自身容量较小的触点，接通或断开控制电路，从而实现自动控制和保护主电路中电力触点，接通或断开控制电路，从而实现自动控制和保护主电路中电力装置的控制电器。装置的控制电器。 电气控制电路常用继电器主要有中间继电器、延时继电器、电压电气控制电路常用继电器主要有中间继电器、延时继电器、电压继电器、电流继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等。继电器、电流继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等。 中间继电器控制接触器中间继电器控制接触器KM电路如下：电路如下： 1.2 基本电气控制电路基本电气控制电路1.2.1电气控制系统图电气控制系统图 电气控制线路是指根据一定的控制方式用导线

14、将接触器、继电器、电气控制线路是指根据一定的控制方式用导线将接触器、继电器、行程开关、按钮等电器元件连接组成的一种电气线路，具有对电力控行程开关、按钮等电器元件连接组成的一种电气线路，具有对电力控制系统的制动、调速及换向等功能。制系统的制动、调速及换向等功能。 电气控制系统图是指用各电器元件及其连接线路来表达电气控制电气控制系统图是指用各电器元件及其连接线路来表达电气控制系统的结构、功能及原理等，依据电器控制系统图便于系统安装、调系统的结构、功能及原理等，依据电器控制系统图便于系统安装、调试、使用及维修。常用的电气控制系统图有电气原理图、电器布置图试、使用及维修。常用的电气控制系统图有电气原理

15、图、电器布置图和安装接线图三种。和安装接线图三种。 1.2. 2常用电气控制电路设计步骤常用电气控制电路设计步骤 1）首先根据项目要求设计出相应的电气控制原理图。）首先根据项目要求设计出相应的电气控制原理图。 2）电路原理图设计完成后，依照设计电路选择所需电器元件，）电路原理图设计完成后，依照设计电路选择所需电器元件，包括对自动开关的选择、熔断器的选择、接触器的选择和继电器的选包括对自动开关的选择、熔断器的选择、接触器的选择和继电器的选择等。择等。 3）设计相应的电气安装接线图、电气元件位置图，即对配电盘）设计相应的电气安装接线图、电气元件位置图，即对配电盘进行设计。要求设计美观，用料节约、安

16、全、可靠。进行设计。要求设计美观，用料节约、安全、可靠。 4）配电盘设计完成后，对自己所设计的配电盘进行空载调试。）配电盘设计完成后，对自己所设计的配电盘进行空载调试。 5）空载调试无误后，对配电盘进行负载调试，直至系统运行成）空载调试无误后，对配电盘进行负载调试，直至系统运行成功。功。 1.2.3 电气控制线路应用实例电气控制线路应用实例 （1）三相异步电动机的自锁启动控制线路。）三相异步电动机的自锁启动控制线路。 主电路由电动机主电路由电动机M、热继电器、热继电器FR、接触器、接触器KM的主常开触点、熔的主常开触点、熔断器断器FU1/FU2和刀开关和刀开关QS构成。控制线路由停止按钮构成。

17、控制线路由停止按钮SB1、启动按、启动按钮钮SB2、接触器、接触器KM辅助常开触点及它的线圈组成（注意：本例控制辅助常开触点及它的线圈组成（注意：本例控制线路工作电压为两相电压）。线路工作电压为两相电压）。 电动机自锁启动控制线路电动机自锁启动控制线路 的保护环节包括：熔断器的保护环节包括：熔断器FU1对主电路和控制电路实现短路对主电路和控制电路实现短路保护，热继电器保护，热继电器FR对电动机实对电动机实现过载保护，同时，交流接触现过载保护，同时，交流接触器还具有欠压、失压保护功能。器还具有欠压、失压保护功能。 电机自锁启动控制线路。电机自锁启动控制线路。电机自锁启动控制实体电路电机自锁启动控

18、制实体电路（2）电动机正反转控制电路）电动机正反转控制电路 1.3 PLC概述概述PLC就是专用的、便于扩充的计算机控制装置。就是专用的、便于扩充的计算机控制装置。1 PLC特点特点 编程方法简单易学编程方法简单易学 PLC是面向用户的设备，它采用梯形图和面向工业控制的简单指是面向用户的设备，它采用梯形图和面向工业控制的简单指令语句编写程序。梯形图是最常用的可编程控制器的编程语言，其编令语句编写程序。梯形图是最常用的可编程控制器的编程语言，其编程符号和表达方式与继电器电路原理图相似。程符号和表达方式与继电器电路原理图相似。 功能强，性能价比高功能强，性能价比高 一台小型一台小型PLC内有成百上

19、千个可供用户使用的编程元件，可以实内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。现非常复杂的控制功能。硬件配套齐全，适应性强硬件配套齐全，适应性强 PLC的输入的输入/输出（输出（I/O）端可以直接与）端可以直接与AC 220V或或DC 24V的电信的电信号相连接，还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和号相连接，还具有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器的线圈。交流接触器的线圈。 可靠性高，抗干扰能力强可靠性高，抗干扰能力强 维护方便工作量小维护方便工作量小系统的设计、安装、调试工作量小系统的设计、安装、调试工作量小体积小，功耗低体积小，功耗低

20、 2 PLC的分类的分类 根据硬件结构形式的不同，可大致将根据硬件结构形式的不同，可大致将PLC分为整体式和模块式。分为整体式和模块式。 根据根据PLC的功能强弱不同，可将的功能强弱不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类分为低档、中档、高档三类 根据根据PLC的的I/O点数的多少，可将点数的多少，可将PLC分为小型机、中型机和大型分为小型机、中型机和大型机三类。机三类。 3 PLC的应用领域的应用领域 开关量的逻辑控制开关量的逻辑控制 开关量的逻辑控制是开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域。用它取代传统的最基本、最广泛的应用领域。用它取代传统的继电控制系统，实现逻辑控制、顺序控制

21、。继电控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。 运动控制运动控制 PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。可用于直线运动或圆周运动的控制。 闭环过程控制闭环过程控制 PLC通过模拟量的通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。控制。 联机通讯联机通讯 PLC通过通信线路可以方便地实现与通过通信线路可以方便地实现与PLC、上位机及其它智能设备之间、上位机及其它智能设备之间的通讯的通讯 数据处理数据处理 现代的现代的PLC具有数学运算。具有数学运算。 1.4

22、 PLC的工作原理的工作原理1 PLC扫描工作方式扫描工作方式 用扫描工作方式执行用户用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从程序第一条程序时，扫描是从程序第一条指令开始，在无中断或跳转控指令开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束，然后再从头开直到程序结束，然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。始扫描执行，周而复始重复运行。2 PLC工作流程图工作流程图 1). 内部处理阶段内部处理阶段 2). 通信服务阶段通信服务阶段 3). 输入采样阶段输入采样阶段 4). 程序执行阶段程序执行阶段 5)

23、. 输出处理阶段输出处理阶段 扫描过程示意图 1.5 PLC系统基本结构 PLC是由硬件和软件两大部分组成。是由硬件和软件两大部分组成。1 硬件结构硬件结构 PLC的硬件主要由：的硬件主要由： 中央处理器（中央处理器（CPU）、）、 存储器、存储器、 输入单输入单元、输出单元、元、输出单元、 通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。通信接口、扩展接口、电源等几部分组成。（1）开关量输入单元）开关量输入单元 （2）开关量输出单元）开关量输出单元 2 软件组成软件组成 PLC的软件主要分为系统软件和用户程序两大部分的软件主要分为系统软件和用户程序两大部分 系统软件系统软件又分为系统管理程序、编程软件

24、和标准程序库。又分为系统管理程序、编程软件和标准程序库。 用户程序用户程序是指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照使用的是指用户根据工艺生产过程的控制要求，按照使用的PLC所规定的编程语言或指令系统而编写的应用程序。所规定的编程语言或指令系统而编写的应用程序。 用户程序的编制可以使用编程软件在计算机或者其它专用编程设用户程序的编制可以使用编程软件在计算机或者其它专用编程设备上进行，备上进行， 用户程序必须经编程软件编译成目标程序后，下载到用户程序必须经编程软件编译成目标程序后，下载到PLC的存储的存储器中进行调试。器中进行调试。 。 1.6 PLC的编程语言的编程语言1.6.1 编程语言编程语言 PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序的需求。为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序的需求。它提供的编程语言通常有梯形图（它提供的编程语言通常有梯形图（LAD）、语句表（）、语句表（STL）和顺序功）和顺序功能图（能图（SFC）等。）等。 1.6.2 PLC的程序结构的程序结构 广义上的广义上的PLC程序由用户程序、数据块和系统块三部分组成程序由用户程序