第9章 电气控制技术课件

1、 第第9 9章章 常用电器与电气控制技术常用电器与电气控制技术 电器是根据外部信息，自动或手动接通或断开局部或全部电路，以改变电路的参数和状态，实现对控制对象的控制、保护、调节及传递信息所使用的电气装置。电气控制技术是应用电气设备（含电器）对生产机械实现控制的一种电气自动化技术。本章首先介绍常用低压电器的结构和工作原理，以便于正确选择和使用。接着讨论三相异步电动机的起动、运行、调速、制动等基本控制环节和原理，为分析和设计电气线路打下基础。 可编程序控制器，简称PLC。它是在集成电路和计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制装置，被广泛应用于自动控制领域。本章结合日本欧姆龙公司的CPM2A微

2、型机，介绍PLC的应用技术，包括硬件和系统构成、基本指令和部分功能指令的编程方法以及应用举例等，以适应以后工程实践的需要。这部分可作为选学内容。 本章课堂教学时间，基本教学内容建议不少于4学时。 控制电器按照额定电压的不同分为低压电器和高压电器（UN3kV的电器）两大类。下面主要介绍低压电器，它是自动控制系统的基本器件。因此，它们的性能直接关系到控制系统的可靠性等技术指标。 1刀开关 刀开关是低压电器中结构简单的一种手动电器。常用于切断或接通500V以下交、直流电源的低压电路中。它由操作手柄、触刀、静插座和绝缘底板组成，如图9.1.1（a）所示。其型号含义如图9.1.1（b）所示，文字用QK表

3、示。图9.1.1 刀开关的结构和图形符号 刀开关常用作电源的隔离开关。在负载功率较小的场合，也可用作手动操作开关。如作为小功率笼型异步电动机的直接起、停控制的操作开关。 2熔断器 熔断器是一种结构最简单的保护电器，用于保护电气设备免受负载严重过载和电路短路电流的损害。熔断器由金属熔体（俗称保险丝）和支架触点装置及外壳构成。熔断器中的熔体是电路中对发热最为敏感的器件。当电气设备严重过载和发生短路事故时，熔体能够快速熔化而切断电源，达到保护设备的目的。 熔断器的外形和符号，如图9.1.2所示，文字符号用FU表示。它的主要类型有插入式熔断器、螺旋式熔断器和管式熔断器等。它主要由熔体和熔管等组成。熔体

4、由低熔点的合金材料制成丝状或薄片状。熔管是安装熔体的外壳，在熔体熔断时兼有灭弧作用。 熔断器的选择是主要确定熔体的额定电流。熔体最小熔化电流Imin与电路额定电流IN之比称为熔化系数。照明线路的熔断器熔体的额定电流应略大于线路实际的工作电流。 图9.1.2 熔断器的外形和符号 (1) 图9.1.2 熔断器的外形和符号 (2) 电阻性负载的熔化系数选用1.52为宜。 容性负载的熔体额定电流大于电容器额定电流的1.6倍。 感性负载应按下列情况选择。 单台电动机：Ifu（1.52.5）IN，式中IN为电动机额定电流，Ifu为熔体电流。 多台电动机：Ifu（1.52.5）INmax+IN，式中INma

5、x为一台容量最大电动机的额定电流， IN为其他电动机额定电流的总和。 NINININININI9.1.2 自动空气开关 自动空气开关又称为自常闭路器，是低压电路中广泛应用的一种保护电器。它可以实现短路、欠压（低电压释放功能）和过载保护。这种电器的主要特点是动作后不需要更换元件，工作可靠，应用安全，操作简便，断电能力大。 自动空气开关按其结构特点，可分为框架式（俗称万能式）和塑料外壳式两种。下面以塑料外壳自动空气开关为例，简要介绍它的基本结构、工作原理。 图9.1.3是自动空气开关工作原理示意图和符号，其文字符号用QF表示。它主要由触点、灭弧系统和各种脱扣器等三部分组成。脱扣器有欠压（失压）脱扣

6、器、热脱扣器（用于过负荷保护）分励脱扣器（用于远距离操作）和自由脱扣器等。 开关的操作靠手动完成。触点闭合后，自由脱扣机构将触头锁在合闸位置上。当电路有故障时，通过脱扣器使自由脱扣机构动作，自动跳闸实现保护作用，分励脱扣器可作为远距离控制分断电路。 图9.1.3 自动空气开关的原理图和符号 自动空气开关额定电压和额定电流应选择不小于线路或设备工作电流数值，且它的通断能力应不小于电路的最大短路电流。例如电路工作电流为630A，若短路电流不太大时，可选用塑料外壳式断路器；若短路电流相当大时，可选用限流式自动空气开关；若额定电流比较大或有选择性保护要求时，应选择框架式断路器；对控制和保护含半导体器件

7、的直流电路，应选择直流快速断路器等。 9.1.3 交流接触器和中间继电器 1. 交流接触器 接触器用于频繁接通、切断主电路和大容量控制电路的自动开关电器，通过电磁系统控制主触点的通断。主触点串接在主电路中，电磁线圈接在控制电路中。利用控制电磁线圈的通电或断电，可实现远距离对主电路设备的自动控制。按照接触器主触点控制电路的种类，分为直流接触器和交流接触器。 交流接触器的结构如图9.1.4所示，其图形符号如图9.1.5所示，文字符号KM。它由以下四部分组成。 电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成，将电磁能量转化为机械能量，带动触点动作，以实现电路的分断控制。 触点组有主触点和辅助触点。主触点控制主电

8、路通断；辅助触点分布在主触点两侧，分断控制电路及电气联锁。在图9.1.5中，表示线圈在没有通电时的触点状态，简称“常态”。常态下处于断开的触点，称为“常开触点”，见图9.1.5（b）所示；常态下处于闭合的触点，称为“常闭触点”，见图9.1.5（c）所示。 灭弧装置 容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。小容量的接触器常采用双断口桥形触头，以利于灭弧，触头上有陶土灭弧罩；大容量的接触器常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。由于主电路切断电流大，故灭弧装置都装在主触点处，以消灭触点断开瞬间产生的电弧。 其他部件 包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧，传动机构及外壳等。 图9.1.4 接触器结构简图 图

9、9.1.5 接触器的图形和文字符号 交流接触器的系列型号含义如下： 交流接触器的线圈额定电压有36V，127V，220V和380V四种。规定接触器吸合电压大于线圈额定电压的85%时应可靠吸合，而释放电压不高于线圈额定电压的70%。 交流C J / 设计序号动断触点数动合触点数额定电流接触器2.中间继电器 电磁式继电器亦称中间继电器，常用于传递信号和控制其他控制电器，主要用在控制电路中，也可用它直接控制小容量电动机。电磁式继电器的结构和接触器基本相同，只是电磁机构的尺寸较小，触点数量较多。因为触点电流小故不配灭弧罩。选用继电器主要考虑它的线圈额定电压和触点数量。 固态继电器（SSR）是一种新型无

10、触点继电器，它由光电耦合器件、集成触发电路和功率电路构成。其可靠性、使用寿命等指标优于电磁式继电器。9.1.4 热继电器、时间继电器和速度继电器 1热继电器 热继电器是依据电流的热效应及金属片受热变形的原理制造的一种自动开关器件。主要用于电动机的过载保护。 热继电器由双金属片、发热元件、触点等组成。双金属片是热继电器的感温元件，由不同线膨胀系数的两种金属片碾压而成;9.1.4 热继电器、时间继电器和速度继电器 发热元件是电热丝，串接在电动机定子绕组中；触点通常连接主电路。如图9.1.6所示是热继电器的结构图。当通过发热元件的电流小于某一规定值（称为热继电器的整定值）时，双金属片膨胀变形幅度不大

11、，其作用力可顶住扣板的压力，维持触点状态。当发热元件的电流超过整定值时，加热元件发热，使双金属片受热膨胀变形，并逐渐向上弯曲，使其作用力逐渐减弱。经过一段时间，当弹簧的拉力大于双金属片的作用力时，扣板将自动弹开使触点断开，切断控制电路。热继电器复位时，只要等待双金属片冷却后，可通过按压手动按钮即可完成。 热继电器图形符号见图9.1.7，文字符号FR。 热继电器的整定电流是热元件允许长期通过，又不致引起热继电器动作的电流值。整定电流调节装置的调节范围为66%100%。例如额定电流为16A的热继电器，最小整定电流可调节到10A，最大整定电流为16A。 热继电器的动作需要一段时间，时间的长短与发热元

12、件的电流值有关。热继电器存在热惯性，只能作为过载保护，不能作为短路保护。 2时间继电器 时间继电器是利用电磁原理实现触点延时接通或断开的自动控制电器，主要用在按时间顺序控制的电路中。按动作分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。按延时分为通电延时型和断电延时型。 （1）空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器利用空气阻尼原理获得延时，它由电磁机构，延时结构和触点系统三部分组成。电磁结构为直动式双E型铁心，触点系统采采用微动开关，延时结构采用气囊式阻尼器。做成通电延时型如图9.1.8（a）所示；做成断电延时型如图9.1.8（b）所示。下面以通电延时型的时间继电器为例，介绍其基本工作原理。 在图

13、9.1.8（b）中，当线圈通电后衔铁吸合，微动开关受压，其触点瞬时动作，活塞杆在塔形弹簧的作用下，带动活塞及橡皮膜向上移动，但由于橡皮膜下方气室的空气稀薄，形成负压，因此活塞杆只能缓慢地向上移动，其移动的速度依气孔的大小而定，通过调节螺杆进行调整。经过一定的延时后，活塞杆能移动到最上端。这时通过杠杆压动微动开关，使其常闭触点断开，常开触头闭合，起延时的作用。微动开关为瞬时动作触点，微动开关为通电延时触点。 当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反力弹簧作用下释放，通过活塞杆将活塞推向下端，这时橡皮膜下方气室内的空气通过橡皮膜，弱弹簧和活塞的肩部所形成的单向阀，迅速地从橡皮膜上方的气室缝隙中排掉，微

14、动开关 排掉，微动开关迅速复位，无延时。 图9.1.8 JS7A系列时间继电器(1) 图9.1.8 JS7A系列时间继电器(2) 时间继电器图形符号见图9.1.9，文字符号KT。 图9.1.9 时间继电器的图形和文字符号 空气阻尼式时间继电器的优点是：结构简单，延时范围大、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点。缺点是准确度低，延时误差大。适用于延时精度要求不高的场合。 （2）电子式时间继电器 电子式时间继电器采用晶体管来延时电路的接通。图9.1.10为JSJ型电子式原理电路，利用RC电路的充电过程来延时。它的延时范围宽、体积小、精度高、调节方便及寿命长，但无延时断开功能。 图9.1.10 JS

15、J电子式时间继电器原理电路 3速度继电器 速度继电器主要用作笼型异步电机的反接制动控制。它由转子、定子和触点的三部分组成。转子为圆柱形永久磁铁。定子为笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。 图9.1.11为速度继电器的原理图，符号见图9.1.12，文字符号KS。在图9.1.11中，测速转轴与被控电动机轴相联。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，输入为电动机的转速。当转速上升到某个数值，其定子在感应电流和力矩作用下跟随转动。当转到一定角度时,使装在定子轴上的摆锤推动簧片动作，常闭触点断开，常开触点闭合；当电动机的转速低于某一数值时，定子产生的转矩减小，触点在簧片作用下复位。 图9.1

16、.11速度继电器的原理图图9.1.12速度继电器的图形和文字符号9.1.5 控制按钮和行程开关 1控制按钮 控制按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器，主要用于发布手动控制指令。 控制按钮是有按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳组成。其结构示意图如图9.1.13所示，文字符号为SB。按钮在外力作用下，首先断开常闭触点，然后再接通常开触点。复位时，常开触点先断开，常闭触点后闭合。 图9.1.13 按钮的结构示意图和图形符号 2行程开关 行程开关是利用机械运动部件的碰撞来发布控制指令的主令电器，用于控制生产机械的运动方向、行程大小以及位置保护等。在用作位置保护时，行程开关又称为限位开关。 从结构上看，

17、行程开关分为操作机构、触点系统和外壳三部分。图9.1.14为LX19系列行程开关的外形图。行程开关的文字符号用ST表示，限位开关的文字符号用SQ表示。 为提高行程开关性能，发展了无触点行程开关，又称接近开关,它是一种非接触型开关。按感测机构的工作原理它分为高频震荡型、电容型、磁敏元件型、光电型和超声波型。 图9.1.14 行程开关的结构图 9.2 电气系统的基本控制环节 由按钮、继电器、接触器等低压电器组成的电气控制系统称为继电接触器控制线路，它们按照一定顺序接通与断开来实现对生产机械的自动控制。该系统线路简单、价格低廉、维护方便。本节着重介绍该系统中典型控制环节的工作原理。 根据通过电流的大

18、小，继电接触器线路分为主电路和控制电路。主电路即为执行电器所在的电路，工作电流较大；控制电路则是控制元件和信号元件所在的电路，工作电流较小，用于控制主电路的工作状态。 在设计和绘制电气系统的原理图时，遵循的一般原则是：（1）主电路用粗实线绘出，常画在左方或上方；控制电路用细实线绘出，常画在右方或下方。（2）所有图形符号应符合国家标准。（3）控制电路按照动作的先后顺序自上而下或自左而右绘制。（4）同一电器的不同部分采用同一文字符号标明。（5）所有电气元件的可动部分应按照未受外力作用或未通电时的状态绘制。 9.2.1 9.2.1 电动机的直接起动控制电动机的直接起动控制 图9.2.1为三相笼型异步

19、电动机的直接起动控制，是一个最简单的常用控制线路。其中，主电路由刀开关QK、熔断器FU、接触器KM的主触头、热继电器的热元件以及电动机M等构成；控制回路由起动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM的线圈及其常开辅助触点、热继电器FR的常闭触点等构成。在继电接触器控制系统中，常将主电路画在左侧，控制电路画在右侧。9.2.1 电动机直接起动控制线路 1.线路工作原理 合上QK即引入三相电源。当按下SB2时，接触器KM线圈通电，其主触点闭合，使电动机M直接起动运行。同时与SB2并联的常开辅助触点KM闭合。当SB2复位时，KM线圈通过KM的辅助触点继续通电，使M连续运行。这种依靠接触器自身触点使线圈持

20、续通电的措施称为自锁。 只要按下停止按钮SB1，控制电路断电。这时接触器KM断电释放，KM的主触点将三相电源切断，使M立即停转。同时KM的辅助触点断开，切断线圈KM的电源。 2.电路保护环节 熔断器FU作为电路的短路保护。 热继电器FR作为过载保护。由于热继电器惯性较大，即使热元件流过几倍额定电流也不会立即动作。只有在负载较长时间过载时FR才动作，进行过载保护。 欠压与失压保护依靠接触器本身的电磁机构实现。当电源出现欠压或失压时，接触器的衔铁自行释放，即使电源恢复正常时，也要再次按下SB2，接触器线圈才能通电，故又叫零电压保护。9.2.2 长动和点动控制 生产实际中，有的生产机械需要点动控制，

21、所谓“点动”，就是按下按钮，KM通电，电动机旋转；松开按钮，KM断电，电动机停转。所谓“长动”，就是按下按钮，电动机旋转，松开按钮，由自锁回路保持通电。所以长动与点动的区别是起动按钮有无自锁回路。图9.2.2列出了长动和点动控制的几种控制线路。 图9.2.2（a）是带手动开关SA的点动控制线路。当需要点动时将开关SA打开，取消SB2的自锁回路，即可实现点动控制。当需要连续工作（长动）时，合上SA开关，将自锁触点接入，即可实现连续控制。 图9.2.2（b）中增加了一个复合按钮SB3，这样，点动控制时，按下SB3，其常闭触点先断开自锁电路，常开触头后闭合，接通起动控制线路，KM线圈通电，主触点闭合

22、，电动机起动旋转。当松开SB3时，KM线圈断电，主触点断开，电动机停止转动。若需要电动机长期工作，则按下SB2即可，停机时需按停止按钮SB1。 图9.2.2（c）是利用中间继电器实现点动的控制线路。利用起动按钮SB2控制中间继电器KA，KA的常开触点并联在SB3两端，控制接触器KM，实现电动机长动。当需要点动时，按下SB3按钮，KM通电。松开SB3，KM断电。 图9.2.2 电动机长动和点动控制(1) 图9.2.2 电动机长动和点动控制(2) 9.2.3 电动机的正反转控制 在实际应用中，往往要求生产机械改变运动方向，如工作台前进和后退；电梯的上升和下降等，这就要求电动机能实现正、反转控制。对

23、于三相异步电动机来说，可通过两个接触器改变电动机定子绕组的电源相序来实现。 电动机正、反转控制线路如图9.2.3所示。图中，KM1为正向接触器，控制电动机M正转；KM2为反向接触器，控制电动机M反转。在图9.2.2（a）中，其工作过程如下： 正转控制：合上刀开关QK按下正向起动按钮SB2正向接触器KM1通电KM1主触点和自锁触点闭合电动机M正转。 反转控制：合上刀开关QK按下反向起动按钮SB1反向接触器KM2通电KM2主触点和自锁触点闭合电动机M反转。 停机： 按下停止按钮SB1KM1（或KM2）断电M停转。 该控制线路必须要求KM1与KM2不能同时通电，以免引起主电路电源短路，故在线路中设置

24、联锁环节，如图9.2.2（b）所示。即将其中一个接触器的常闭触点串入另一个接触器线圈中，在任何一个接触器先通电后，即使按下相反方向的起动按钮，另一个接触器也无法通电。这种利用两个接触器的辅助常闭触点互相控制的方式，叫电气互锁（或联锁）。但该线路有一个缺点，它只能实现“正停反”或者“反停正”控制，即必须按下停止按钮后，再反向或正向起动。为此，利用复合按钮组成“正反停”或者“反正停”的互锁控制，如图9.2.3（c）所示。 该线路既有接触器常闭触点的电气互锁，也有复合按钮常闭触点的机械互锁，称为双重互锁。该线路操作方便，安全可靠，得到广泛应用。 图9.2.3 电动机正反转控制线路 (1)图9.2.3

25、 电动机正反转控制线路 (2)9.2.4 顺序控制与多地点控制 1.多台电动机的顺序控制 在电气控制线路中，有时要求一个拖动系统中多台电动机按先后顺序工作。例如，机床中要润滑电动机起动后，主轴电动机才起动。如图9.2.4所示为两台电动机顺序起动控制线路。 在图9.2.4（a）中，接触器KM1和KM2分别控制电动机M1和M2的起动和停止。M1先起动后， M2再起动的工作过程如下：合上QK按下起动按钮SB2接触器KM1接通电动机M1起动KM1常开触点闭合按下起动按钮SB4接触器KM2通电电动机M2起动。按下停止按钮SB1，两台电动机同时停止。 若将图（a）的控制部分改用图（b）线路的接法，可以省去

26、接触器KM1的一对常开触点和SB4，使控制线路得到简化。 图9.2.4 两台电动机顺序起动的控制线路(1)KM1KM2图9.2.4 两台电动机顺序起动的控制线路(2)2多地点控制 图9.2.5 所示为三地点控制线路。把一个起动按纽和一个停止按钮构成一组，并把三组起动、停止按纽分别放置三地，即能实现三地控制。多地控制的接线原则是起动按纽应并联连接，停止按纽应串联连接。 图9.2.5 三地点的控制线路 9.2.5 自动往返控制 在机床电气设备中，有时要求机床能够自动往返运动，即要求控制线路实现电动机正反转的自动切换。自动往返控制线路如图9.2.6所示。电动机的正、反转是实现工作台自动往返循环的基本

27、环节。控制线路按照行程控制原则，采用限位开关对生产机械运动的行程位置进行控制。 在图9.2.6中，SQ3、SQ4分别为反、正向极限保护开关，防止限位开关SQ1和SQ2失灵时造成工作台从床身上冲出。 图9.2.6 自动往返控制(1) 图9.2.6 自动往返控制(2) 【练习与思考练习与思考】 9.2.1既然在电动机的主电路中装有熔断器，为什么还要装热继电器？装热继电器是否就可以不装熔断器？为什么? 9.2.2交流接触器线圈断电后，衔铁不能立即释放，从而使电动机不能及时停止，分析出现这种故障的原因，应如何处理？ 9.2.3某食堂的烤箱采用三相四线制380V电源供电，每相负载的额定电压为220V，功

28、率为2000W，试计算每相负载所采用熔断器中熔体的额定电流。 9.3 电气系统的典型控制线路9.3.1 电动机的起动控制线路 1定子串电阻的降压起动控制线路 图9.3.1所示为定子绕组串电阻的降压起动控制线路。它依靠时间继电器延时动作来控制电器元件按时间先后顺序动作。起动时，在三相定子绕组中串入电阻R，以降低了定子绕组电压，待起动后，再将电阻R切除，使电动机在额定电压下运行。 9.3.1定子绕组串电阻起动控制线路 起动过程如下。2星角降压起动的控制线路 星角降压起动控制线路也是按时间顺序进行控制的，控制线路如图9.3.2所示。起动时将电动机定子绕组接成星形，使加在电动机每相绕组上的电压为额定电

29、压的1/，从而减小起动电流。待起动后再按预先整定时间，把电动机换成三角形联接，使电动机全压运行。图9.3.2 星角降压起动的控制线路FU1FU2起动过程如下。9.3.2 电动机的制动控制线路 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，因而产生制动转矩的一种制动方法。应注意的是，但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。 单向运行的三相异步电动机反接制动控制线路如图9.3.3所示。控制线路按速度原则实现控制，通常采用速度继电器。速度继电器与电动机同轴相连，在1203000r/min范围内速度继电器触点点动作，但速度低于100r/min时，其

30、触点复位。 起动过程如下。 合上刀开关QK按下起动按钮SB2接触器KM1线圈通电电动机M起动运行速度继电器KS常开触点闭合，为制动做准备。制动时按下停止按钮SB1KM1断电KM2通电（KS常开触点尚未打开）KM2主触点闭合，定子绕组串入限流电阻R进行反接制动n0时，KS常开触点断开KM2断电，电动机制动结束。图9.3.3 单向运行三相异步电动机的反接制动控制线路 【练习与思考练习与思考】 9.3.1为什么在异步电动机脱离电源后，在定子绕组中通入直流电，电动机能迅速停止？ 9.3.2 为两台异步电动机设计一个控制回路，要求如下： （1）两台电动机互不影响地独立工作； （2）能同时控制两台电动机的

31、起动和停止； （3）当一台电动机发生过载时，两台电动机都停止。 * *9.4 9.4 可编程序控制器可编程序控制器 可编程序控制器是20世纪70年代以来发展起来的一种新型工业控制装置。本节主要介绍它的基本组成和原理，重点介绍微型机，为今后应用PLC打下基础。 9.4.1 PLC慨述 1PLC的定义 现代PLC不仅具有逻辑控制功能，还具有数据运算，传送与处理功能，成为具备计算机功能的通用工业控制装置。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将它命名为可编程序控制器，简称PC，为了区分计算机（PC），仍沿用PLC的简称。 1987年2月，国际电工委员会（IEC）颁布了可编程序控制器标准草案第三

32、稿。该草案中对可编程控制器的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计” 。定义强调了可编程序控制器直接应用于工业环境时，必须具有很强的抗干扰功能、广泛的适应能力和应用范围，这是PLC与一般微型计算机的主要区别。 2PLC的主要特点（1）可靠性高，抗干扰能力强 PLC是专为工业控制而设计的，由于它采取了一系列高

33、可靠性的技术和措施，使其系统的平均无故障间隔时间可达到4万小时以上，远远超过传统接触器控制系统。 （2）编程简单，易掌握 PLC最常用的编程语言是梯形图，它与接触器控制原理图类似，但PLC内部每个继电器是一位存储单元，因此称为“软继电器”。梯形图就是由 “软继电器”组成的控制线路。其中，继电器线圈用 表示，常开触点用 表示，常闭触点用 表示。这种图形符号很直观、且易于修改，即使未掌握专门计算机知识的也人容易掌握。 例如图9.4.1是电动机的接触器控制线路，KT是时间继电器，KM1、KM2是接触器，SB1是起动按钮，SB2是停止按钮，用于顺序控制三相异步电动机M1、M2的运转，原理简单。若用CP

34、M2*的梯形图表示时，如图9.4.2所示，它与接触器控制过程基本一致。 图9.4.1 电动机的接触器控制线路 图9.4.2 电动机控制的梯形图 ACDC（3）组合灵活，使用方便 现代PLC大多采用标准模块，一般用户无需进行硬件的二次开发，可灵活构成各种不同规模，不同功能的控制系统，而且外部接线简单，使用和维护都很方便。（4）功能强，开发周期短 现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，使其具有很强的信息处理能力和输出控制能力。除此之外，PLC还具备体积小，重量轻，结构紧凑、功耗低等特点，是机电一体化的理想控制装置。 3PLC的分类（1）按结构分类，可分为整体式和模块式两大类。 整体

35、式PLC ，它是将电源、CPU、存储器及I/O等各个功能模块集成在一个机壳内，不需要机架。结构紧凑，体积小，价格低，微型PLC多采用这种结构。 分体式PLC，它是将构成PLC的各个部件按功能做成独立的模块，如CPU模块，电源模块，I/O模块以及其他的各种功能模块等，然后安装在机架（也称为底板）上。它配置灵活，装配维护方便，一般大中型PLC多采用这种结构。（2）按I/O点数分类 ，可分为（微）小型机、中型机和大型机等。 小型PLC， 它的I/O点数在256点以下，存储容量2K步，用于逻辑控制，定时，计数，顺序控制等场合。 中型PLC，它的I/O点数在256-2048点之间，存储容量达2.8K步。

36、逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能较齐全。 大型PLC，它的I/O点数在2048点以上，存储容量达15K步以上，不仅有数据运算，模拟控制，联网通信，监视记录和打印功能，还具有中断，智能控制，远程控制等强大功能。9.4.2 CPM2A的结构与外部接线 图9.4.3是微型机CPM2A的面板结构，下面介绍其系统构成和使用方法。1. CPU及主机的面板结构 CPM2A主机是一种整体式结构，它的具体规格如表9.4.1所示。 表注：信宿晶体管就是漏型晶体管；信源晶体管就是源型晶体管。 表9.4.1 CPU单元的规格 CPM2A的外部结构可分为6个部分，下面分别加以介绍。（1）电

37、源输入端、输出端和保护端 PLC有电源输入端子、保护接地端子、功能接地端子和外部电源（输出）端子。电源端有AC电源型和DC电源型二种，AC电源的供电电压为交流100V240V/50Hz，DC电源的供电电压为直流24V。保护接地端用于漏电保护，应单独接地，以降低电击危险。只有AC电源的PLC才有功能接地端，使用时可将它单独接地或者与保护接地端一起接地，接地电阻应100，以提高抗噪音干扰和降低电击危险。但不可与其他设备接地线或建筑物金属结构联在一起。 图9.4.3 CPM2A 面板结构（俯视）图 仅AC电源型才有向外部提供输出电源的端子，它可对外提供DC24V电源，用于向输入端或现场传感器供电。

38、（2）输入和输出（I/O）端 输入端子在CPU单元面板的上半部，用于连接外部输入设备。输出端子在下半部，用于连接外部输出设备。30点I/O型PLC有18个输入点、12个输出点。18个输入点分二组，分别为00000、00001、00002、00003、00004、00011，00100、 00101、00105，共用一个COM（公共）端。00101、00105，共用一个COM端。12个输出点也分二组，分别为01000、01001、01002、01003、01007，01100、01103，有5个COM端，01000、01001各用1个COM端，01002、01003合用1个COM端， 01004

39、、01005、01006、01007以及01100、01101、01102、01103则分别共用2个COM端。 （3）指示灯（LED） 指示灯有输入指示灯、输出指示灯和状态指示灯，它们位于CPU单元面板的中部。每个输入、输出点都对应一个LED灯。当某一点的LED亮时，表示该点的I/O状态为ON。I/O点的LED指示为调试程序、检查运行结果提供了方便。 状态显示LED有5个，其中，PWR（绿）用于指示电源的接通或断开。电源接通时亮，电源断开时灭。RUN（绿）用于指示PLC的工作状态。PLC处于运行（RUN）或监控状态（MONITOR）时亮，处于编程状态（PR0GRAM）或运行异常时灭。ERR（红

40、）用于错误指示，当PLC出现错误时才亮，此时PLC停止工作，不执行程序；ALM（红）为警告指示，PLC出现警告性错误时闪烁，但PLC不停止工作，仍可执行程序；COMM（黄）为通信指示，PLC通过外围端口或RS-232C端口与外部设备通信时闪烁，不通信时灭。 （4）模拟量设定电位器 两个模拟量设定电位器0、1位于面板的左上角，旋转这些控制，改变IR250和IR251的模拟量可预置参数，范围在0200（BCD），输入通道分别为250、251。（5）连接端口 CPM2A有三个连接端口，即外围端口、RS-232C端口和I/O扩展连接器（端口）。外围端口可以连接编程设备，包括编程器、上位计算机和标准外部

41、设备；RS-232C端口可连接编程设备，包括编程器、上位计算机、可编程终端或标准外部设备。I/O扩展连接器，用于 连接扩展单元，如I/O扩展单元、特殊功能单元等的端口。每一个CPM2A可以同时连接不同类型的扩展单元，但总数不能超过3个。（6）通信开关 当开关拨在“OFF”时，除与外围端口连接的编程器外，外围端口和RS-232C端口的通信方式可设置；在“ON”时，除与外围端口连接的编程器外，外围端口和RS-232C端口的通信为标准模式。 2. 存储器的分配 CPU中包含了存储器部分。存储器划分为多个继电器区及数据区：内部继电器区（IR）、特殊辅助继电器区（SR）、暂存继电器区（TR）、保持继电器

42、区（HR）、辅助记忆继电器区（AR）、链接继电器区（LR）、定时器/计数器区（TIM/CNT）和数据存储区（DM）。 （1） IR区 IR分为两部分：一部分供输入点/输出点用，称为输入/输出继电器区，通常反映输入/输出触点的ON/OFF状态；另一部分供PLC的用户程序使用，在程序中可任意使用，但不能直接用于外部的I/O，称为内部辅助继电器区。CPM2A的内部每一个继电器用5位十进制数字表示，称为继电器号，前3位数字表示通道号，一个通道内有16位（即每一位对应一个软继电器）；后2位数字为该位通道中的序号。每个通道中16位的继电器序号为0015，如20004为200通道中的第04位继电器。 输入继

43、电器区有10个通道000009，编号为0000000915。其中000、001用于CPU单元的输入通道，分配给二组输入端使用；002009用于CPU单元连接扩展模块的输入通道，分配给连接的扩展单元使用。输出继电器区有10个通道010019，编号为0100001915。其中010、011用于CPU单元的输出通道，012019用于CPU单元连接扩展模块的输出通道。 内部辅助继电器区有58个通道020049和200227，编号为0200004915和2000022715，共计928点。输入/输出继电器区中未被使用的点也可作内部辅助继电器使用。 （2）SR区 SR有28个通道228255，编号为228

44、0025515，共计448点。SR区和IR区同属于PLC的一个数据区，SR紧接在IR区之后顺序编号的。不同的是IR供用户使用，SR由系统使用。SR主要用于存储有关动作标志、各种功能的设定值和当前值。SR最常用的有以下几部分。 故障码存储区2530025307。执行故障诊断指令后，2位BCD码表示的故障码输出到2530025307。故障码可由用户编号，范围为0199。 扫描时间出错标志25309。当扫描时间超过100ms时，该继电器状态为ON，可利用这一状态检查扫描时间。 步启动标志25407，启动一个单步运行时，该位ON一个扫描周期。 时钟标志2540025401、2550025502。时钟标

45、志继电器输出占空比为1：1的方波，利用这些时钟标志可以构成闪烁电路，还可以与计数器配合使用，构成当前值断电后可保持的定时器，构成各种周期和占空比的时钟（脉冲）等。 指令执行出错标志ER。当指令执行出错时，出错标志25503为ON。该位为ON时，当前指令不执行。 运算标志位2550425507。其中，25504是进位标志位于CY，当运算结果有进位或借位时，该位为ON；25505是大于标志GR，执行比较指令时，若第一个比较数大于第二个比较数时，则该位为ON；25506是等于标志EQ，执行比较指令时，若第一个比较数等于第二个比较数时，或运算结果为00000时，则该位为ON；25507是小于标志LE，

46、执行比较指令时，若第一个比较数小于第二个比较数时，则该位为ON。 （3）TR区 TR区用于暂存复杂梯形图中分支点的ON/OFF状态。CPM2A有8个暂存继电器，其范围为TR0TR7，仅在助记符编程时使用。用梯形图编程时，内部能自动处理。（4）HR区 HR区具有断电保持功能，它们能够保持掉电前的ON/OFF状态。它有20个通道HR00HR19，编号为HR0000HR1915，共有320位，其使用方法同内部辅助继电器一样。（5）AR区 AR区有24个通道，具有断电保持功能。通道号为AR00AR23，编号为AR0000AR2315，共384位。AR区用来存储PLC的工作状态信息，包括扩展模块连接的台

47、数、断电发生的次数、扫描周期最大值及当前值，以及高速计算、脉冲输出的工作状态标志和通信出错码、系统设定区域异常标志等。用户可根据其状态了解系统的运行状况。 （6）LR区 LR区有16个通道，通道号为LR00LR15，编号为LR0000LR1515，共256位。当CPM2A之间，CPM2A与CQM1、CQM1H以及C200HX/HG/HE之间进行1：1链接时，用链接继电器LR可将一方与另一方进行直接的数据交换；不进行1：1链接时，LR可作内部辅助继电器使用。 （7）TIM/CNT区 TIM/CNT区用于定时和计数，他们统一编号，也称为TC号。CPM2A有256个定时器和计数器，其编号为TIM/C

48、NT000TIM/CNT256。CPM2A有二种定时器和二种计数器，分别为普通定时器TIM与高速定时器TIMH（15），普通计数器CNT与可逆计数器CNTR（12）。（8）DM区 DM区用来存储数据，有2558个通道，范围分为DM0000DM2047、DM6144DM6599和DM6600DM6655三个区段。它只能以字为单位使用（存取），每个字16位，即由4位十进制数字构成，利用DM区可进行间接寻址，还具有断电保持功能。 DM0000DM2047为程序读写区，用户可在这个区读写其程序。其中，DM2000 2021可用作故障履历存储器，记录有关故障信息，否则可作普通数据存储区使用。是否作为故障

49、履历存储器，由DM6655的0003位来设定。 DM6144DM6599为只读存储区，用户只能读出但不能改写其程序内容，但利用编程器可预先写入所需数据。 3. CPM2A的外部接线 CPM2A主机可在垂直面上或DIN导轨上安装，操作简单。利用连接电缆，也很容易将CPU模块与扩展模块或外部设备进行连接。（1）端子板的拆卸与安装 CPM2A的CPU单元的接线采用端子板结构，所有外接端子（也称为现场接线）固定在端子板上。更换CPM2A的CPU模块时，可将端子板整体取下来，这样不仅可以减少CPU单元的更换时间，还可以保证在拆卸和重装CPU单元时使现场接线固定不变。端子板拆卸时，首先抬起端子板上盖（也称

50、为保护盖），用合适的十字起子拧松端子板末端的黑色螺丝，如图9.4.4(a)所示。然后从CPU单元上取出端子板，如图9.4.4（b）所示。 图9.4.4 端子板的位置与取出 端子板的安装与拆卸过程相反，先将端子板放到CPU单元的对应位置上，再拧紧其黑色螺丝，最后盖上保护盖子。（2）现场接线 CPM2A的接线采用0.51.5mm2软导线，同时应将强电线与弱电信号线分隔开，对干扰较严重的应用场所还应增设浪涌抑制设备。现场接线建议使用压接端子（即叉型端子或圆形端子）的导线，切勿将金属部分裸露，以免发生短路。 接地线 PLC 电源、I/O电源，一般采用带屏蔽层的隔离变压器供电，在强干扰源环境或对PLC可

51、靠性要求高的场合，应将屏蔽层和PLC接地端子可靠接地。接地电阻应小于100。AC型的PLC接地方式如图9.4.5（a）所示，在需要做耐压试验之前，应先拆除功能接地端子。DC型的PLC接地方式如图9.4.5（b）所示。 图9.4.5 PLC的接地（1） 图9.4.5 PLC的接地（2） 电源端接线 连接电源之前，应先确认CPU单元的工作电源是AC型或DC型，切勿错接，否则将导致CPU单元内部损坏。AC型的电源接线如图9.4.6 (a)所示，端子板上的L1接交流电源的火线，可以用单刀开关（或过流保护的空气开关等）将电源与CPM2A隔开，端子板上的L2/N接电源零线，为防止电源干扰，电源线应使用双绞

52、线。在条件允许的情况下，可加用一台1：1隔离变压器，可提高抗噪声（干扰）效果。DC型的电源接线如图9.4.6（b）所示，端子板上的 “+”标记接直流电源的正极性端“”接电源的负极性端，禁止在“+”、“”端上做耐压试验。图9.4.6 电源端的接线（1） 图9.4.6 电源端的接线（2） 输入端接线 输入端的接线按照输入位的分配与相应的输入设备（或开关等）分别相连，DC型CPU单元没有电源输出,需要外部提供直流电源，其输入端接线如图9.4.7 (a)所示。AC型CPU单元可输出24VDC，300mA，用于向输入端子或现场传感器供电，其输入端接线如图9.4.7 (b)所示。 输出端接线 CPM2A有

53、2种输出类型，对于继电器输出的CPU单元，所使用的电源可以是DC24V（交流型供电的CPU 内部可提供直流输出电源）或220V，允许的输出电流为2A，公共端（COM）最大容许电流为4A，其输出端的连接如图9.4.8(a)图9.4.7 输入端的接线(1) 图9.4.7 输入端的接线(2) 所示。对于晶体管输出的CPU单元，所使用的工作电源只能是DC4.5VV，最大输出电流为300mA，公共端最大容许电流0.8A，其输出端的连接如图9.4.8（）所示。直流电源的极性要注意不能接反，以免导致电路误动作或内部元件损坏。 （3）CPU与编程工具的连接 CPM2A的编程工具有两种，即手持编程器和个人计算机

54、，编程器通过电缆与CPM2A的外围端口相连接的，如图9.4.9所示。用计算机编程时，应通过电缆与CPM2A的RS-232C串口相连接，并需使用配套软件。 图9.4.8 输出端的接线(1)图9.4.8 输出端的接线(2)图9.4.9 CPM2A与编程器的连接9.4.3 9.4.3 常用指令与编程常用指令与编程 CPM2A的指令系统中基本指令14条，专用指令105条。基本指令直接对输入输出点进行操作，包括输入、输出和逻辑“与”、“或”、“非”的基本运算等。专用指令用于进行运算和控制。 指令一般由序号、助记符和操作数三部分组成。序号是指令在内存中存放的顺序代号或步号，用4位十进制数表示，也可用0，1

55、，2，n直接表示。助记符一般用英文缩写字母表示指令功能。操作数提供了指令执行的对象，有的指令带1个或2个，有的指令可带3个，少数指令不带操作数。操作数一般为继电器号、通道号或常数，此外，还可以对DM区进行间接寻址。为区别常数和继电器通道号，常数前需加前缀#符号。 1. PLC基本指令 LDLD、LDNOTLDNOT和OUTOUT、OUTNOTOUTNOT 指令 LDLD称为取指令，表示常开触点与左侧母线连接，即表示一个逻辑行的开始；LDNOTLDNOT称为取反指令，表示常闭触点与左侧母线连接。它们使用IR、SR、HR、AR、LR、TC、TR区域中的继电器，对应的梯形图如图9.4.10中的000

56、00和00001触点。 OUTOUT称为输出指令，输出逻辑运算结果；OUTNOTOUTNOT称为输出反指令，将输出逻辑运算结果取反后再输出。输出位相当于继电器的线圈。若输出位为PLC的输出点，则运算结果输出到PLC的外部,图9.4.10 LD、LD NOT、OUT 、OUTNOT指令的用法 若输出位为PLC的内部继电器，则逻辑运算结果为中间结果，不输出到PLC外部。使用的继电器编号为IR、SR、HR、AR、LR、TR。 图（a）为用梯形图编写的指令，图（b）为用助记符编写的指令。图（a）中线圈01000和01001并联输出，则图（b）可连续使用OUT和OUTNOT指令。当00000为ON时，0

57、1000为ON，而01001则为OFF；当00000为OFF时，01000为OFF、而01001则为ON。说明OUT和OUTNOT指令输出结果相反。 AND 和OR指令 AND称为与指令，它表示常开触点与前面的触点相串联，或者说AND后面的位与其前面的状态进行逻辑“与”运算； ANDNOT称为与非指令，它表示常闭触点与前面的触点相串联，或者说ANDNOT后面的位取“反”后与其前面的状态再进行逻辑“与”运算。 OR称为或指令，它表示常开触点与前面的触点相并联，或者说OR后面的位与其前面的状态进行逻辑“或”运算；OR NOT称为或非指令，它表示常闭触点与前面的触点相并联，或者说ORNOT后面的位取

58、“反”后与其前面的状态再进行逻辑“或”运算。 在图9.4.11的梯形图中，第一逻辑行的常开触点00001与常开触点00000相串联，表示这2个触点是与逻辑关系，只有当00000和00001均为ON时，01000才为ON，否则01000为OFF；。第二逻辑行的常开触点00002与常开触点00000并联，表示这2个触点为或逻辑关系。只有当00002和00000有一个为ON，且 01000为OFF时，输出 01001才为ON，否则01001为OFF。 图9.4.11 AND、OR指令的用法 对上述指令，原则上对它们串联、并联的触点数量没有限制。但如果把含有两个及两个以上逻辑块串联或并联时，就要用到后

59、面介绍的块与AND LD和块或指令OR LD指令。ANDLDANDLD指令 ANDLDANDLD称为逻辑块指令，即对逻辑块进行逻辑“与”的操作。每一个逻辑块都以LD或LDNOT指令开始。ANDLD指令单独使用时，后面没有操作数，如图9.4.12所示。 图9.4.12 AND LD指令的用法 ORLD指令 ORLD称为块或指令，即对逻辑块进行逻辑“或”的操作。每一个逻辑块都以OR或ORNOT指令开始。ORLD指令单独使用时，后面没有操作数。它的应用如图9.4.13所示。使用助记符编程时同ANDLD一样，也有以下二种不同的编程方法。在方法2中，ANDLD和ORLD指令之前的逻辑块数应不能多于8块，

60、而方法1对逻辑块的数量没有限制。 在上面的梯形图中，有3个逻辑块串联，使用助记符编程时，可有以下2种方法。 图9.4.13 ORLD指令的用法 SET和RESET指令 SET和和RESET分别称为置位和复位指令，其作用和RS触发器功能相似。当SET指令的执行条件为ON时，使指定继电器置位为ON；当RESET指令的执行条件为ON时，使指定继电器复位为OFF，否则，指令不改变原来继电器的状态。在图9.4.14中，当00000由OFF变为ON后，20000被置位为ON，即使00000变为OFF时也保持ON。只有当00003由OFF变为ON后，20000才被复位为OFF，并保持OFF。图9.4.14