现代电气控制与PLC应用-01

《电气限制与PLC应用》课程教学工学二部自动化教学探讨室序号参考学时备注1.常用低压电器6重点、难点2.电气控制线路10重点、难点3.PLC基础34.S7-200系列PLC的硬件及其编程软件35.S7-200系列PLC的基本指令及其应用15重点、难点6.S7-200系列PLC常用功能指令及其应用4重点、难点7.S7-200系列PLC通信与网络2难点8.PLC应用系统设计与实例5难点总学时：48学时第1章常用低压电气1.接触器的工作原理及应用2.低压断路器的应用；3.热继电器的应用。1.断路器的内部结构；2.主令电器的工作原理。本章重点本章难点低压电器的定义与分类低压电器.是指工作在交、直流额定电压1000V以下，能依据外界信号和要求，自动或手动地接通或断开电路，断续或连续的变更电路参数，以实现电路或非电对象的切换、限制、疼惜、检测、变换或调整作用的电气设备。1.1.1电器及低压电器1.11.1.2低压电器的分类（1）低压电器按用途可分为以下几类：a.低压配电电器主要完成电能输送和支配。主要技术要求是分断强、限流效果好、动稳定性和热稳定性好。例如：刀开关、断路器、隔离开关等。b.低压限制电器主要用于电力拖动限制系统。主要技术要求是有确定的通断实力、操作频率高、机械寿命长。例如：接触器、继电器、电磁阀等。c.低压主令电器主要用于在限制系统中发送限制叮嘱。主要技术要求是抗冲击实力强、操作频率高、机械寿命长。例如：按钮、行程开关、万能转换开关等。d.低压疼惜电器主要用于对限制线路和电气设备实施疼惜的电器。主要技术要求是有确定通断实力、牢靠性高、灵敏性好。例如：熔断器、热继电器、电压继电器等。e.低压执行电器具有执行和传动功能的电器。例如：电磁铁、执行器等。（2）按其他分类：按电器的动作性质分：手动电器和自动电器按有无触点分：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限制电器电磁式接触器1.21.2.1沟通接触器的组成与结构电磁机构是低压电器的感测元件，它的作用是将电磁能量转化成机械能量，带动触头动作使之闭合或断开，实现电路的接通或分断。电磁机构：由吸引线圈、铁心、衔铁组成。1-衔铁2-铁心3-线圈电磁机构接触器是一种用于中远距离频繁地自动限制接通与断开电动机主电路及大容量限制电路的一种自动开关电器。1-动触头2-静触头3-衔铁4-弹簧5-线圈6-铁心7-垫毡8-触头弹簧9-灭弧罩10-触头压力弹簧原理动画工作原理.当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消逝，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常开触头断开；常闭触头闭合触头系统触头是一切有触点电器的执行部件。电器通过触头的动作来接通或分断限制线路。触头是由动、静触头组合而成。a-点接触b-线接触c-面接触（1）触头的接触形式（2）电接触状态和接触电阻减小接触电阻的方法：a.增加动静触点的压力；b.降低电阻系数；c.变更触点形式，去除氧化膜；（3）触点分类按触头限制电路分：主触头，帮助触头。按自然状态分：常开触点，常闭触点。灭弧装置当触头断开瞬间，触头间距离微小，电场强度极大，触头间产生大量的带点粒子，形成炙热的电子流产生弧光放电现象，称为电弧。阻碍电路的正常分断，触头受到严峻腐蚀。（1）电弧的产生（2）灭弧方法常用的灭弧方法有电动力灭弧、磁吹灭弧、栅片灭弧、灭弧罩几种。接触器的图文符号及文字符号接触器的型号CJ10-60ZZ沟通接触器设计序号Z-重任务X-消弧B-栅片去游离灭弧极数表示A、B-改型产品Z-直流线圈S-带扣钮额定电流（A）a）线圈b）常开常闭主触点c）常开常闭帮助触点4CZ0D500直流接触器设计序号额定电流（A）常闭触点数量常开触点数量C-不带帮助触点C/22带帮助触点D不带帮助触点D/22带帮助触点1-1.2.2接触器的主要技术参数和类型接触器的主要技术参数有极数和电流种类，额定工作电压、额定工作电流（或额定限制功率），额定通断实力，线圈额定电压，允许操作频率，机械寿命和电寿命，接触器线圈的起动功率和吸持功率，运用类别等。接触器铭牌上的额定电压是指主触头的额定电压。沟通接触器的额定电压一般为220V、380V、660V及1140V；直流接触器一般为220V、440V及660V。帮助触头的常用额定电压：沟通380V；直流220V。接触器的主要技术参数-额定电压接触器的主要技术参数-额定电流接触器的额定工作电流系指主触头的额定电流。接触器电流等级为：6A、10A、16A、25A、40A、60A、100A、160A、250A、400A、600A、1000A、1600A、2500A及4000A。接触器的主要技术参数-操作频率沟通接触器的操作频率一般为：300次/h～1200次/h。直流接触器的额定操作频率比沟通接触器的高。1．接触器极数和电流种类的确定2．依据接触器所限制负载的工作任务来选择相应运用类别的接触器。3．依据负载功率和操作状况来确定接触器主触头的电流等级。6．接触器触头数和种类应满足主电路和限制电路的要求。4．依据接触器主触头接通与分断主电路电压等级来确定接触器的额定电压。5．接触器吸引线圈的额定电压应由所接限制电路电压确定。接触器的选用限制继电器1.3限制继电器是用于电路的逻辑限制，是将某种电量或电量的变更量转换为开关量，以实现对电路的自动限制功能。按用途分：限制继电器和疼惜继电器。按动原理作分：电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器。按输入信号来分：有电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等。1.3.1电磁式继电器电磁式继电器的结构1．电磁机构2．触头系统3．调整装置1-底座2-铁心3-释放弹簧4-调整螺母5-调整螺母6-衔铁7-非磁性垫片8-极靴9-触头系统10-线圈KA电磁式继电器的特性x2—继电吸合动作值x1—继电器的释放值y1—继电器的输出值

电磁式继电器的特性A）线圈b）常开触点C）常闭触点KAKAKAKAKAKVA）线圈b）常开触点C）常闭触点KVKVKVKVU﹥KAA）线圈b）常开触点C）常闭触点KAKAKAKAI﹥KVU﹤KAI﹤1.3.2中间继电器中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大，起到中间放大（触点数量和容量）作用。关键词：扩展调整动作时间5～10A体积小灵敏1.3.3电流继电器电流继电器是反映电流变更的限制电器。线圈与负载串联，以反映负载电流，其线圈匝数少、导线粗、阻抗小。1．过电流继电器正常工作时，过电流继电器不动作，出现过电流时衔铁吸合动作，其触头来切断电路。常用常闭触点实现。2．欠电流继电器正常工作时，继电器线圈流过负载额定电流，衔铁处于吸合状态；当电流降低至继电器释放电流时，衔铁释放，带动触头断开。常用常开触点实现。留意：通常沟通过电流继电器的吸合电流调整范围为被疼惜电路额定工作电流的1.1～1.4倍，直流的为0.7～3.5倍。通常直流欠流继电器吸合电流与释放电流的调整范围分别是额定工作电流的0.3～0.65倍和0.1～0.2倍，目前无沟通欠流继电器。1.3.4电压继电器电压继电器是反映电压变更的限制电器。线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。2．欠电压继电器正常工作时，电压继电器动作，衔铁吸合，当电压降低至继电器释放电压时，衔铁释放，带动触头断开。常开实现。1．过电压继电器正常工作时，过电压继电器不动作，出现过电压时，衔铁吸合动作，其触头来切断电路。用常闭触点来实现。留意：通常沟通过压继电器的吸合电压（整定值）调整范围为被疼惜电路额定工作电压的1.05～1.2倍.通常直流欠压继电器吸合电压与释放电压的调整范围分别是额定工作电压的0.3～0.5倍和0.07～0.2倍；沟通欠压继电器吸合电压与释放电压的调整范围分别是额定工作电压的0.6～0.85倍和0.1～0.35倍。3．零电压继电器正常工作时，零电压继电器在额定电压下吸合，当电压达到额定电压的0.05～0.25倍时释放。常用于电路的零电压疼惜。用常开触点来实现。

1.3.5时间继电器(KT)时间继电器是一种利用电磁或机械动作原理实现触头延时通或断的自动限制电器。常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等。分类：按动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等；

按延时方式可分为通电延时型和断电延时型。空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的，它由电磁机构、延时机构和触头系统3部分组成。电磁机构为直动式双E型铁心，触头系统借用LX5型微动开关，延时机构接受气囊式阻尼器。空气阻尼式时间继电器可以做成通电延时型，也可改成断电延时型，电磁机构可以是直流的，也可以是沟通的，如图所示。（a）通电延时继电器图形符号（b）阻尼式通电延时继电器示意图（c）断电延时继电器图形符号

（d）阻尼式断电延时继电器示意图1.3.6热继电器（FR）热继电器主要用于电气设备（以电动机为主）的过载疼惜。热继电器是一种利用电流热效应原理工作的电器，具有与电动机容许过载特性相近的反时限动作特性，主要与接触器协作运用，用于对三相异步电动机的过负荷和断相疼惜。热继电器的工作原理热继电器主要由双金属片、热元件、复位按钮、传动杆、拉簧、调整旋钮、复位螺丝、触点和接线端子等组成。如图：双金属片热元件传动杆触点复位按钮复位螺丝手动/自动调节旋钮FRFRFRFRFR热元件触点（a）热继电器图形符号

（b）热继电器结构示意图热继电器的选择原则热继电器主要用于电动机的过载疼惜，运用中应考虑电动机的工作环境、起动状况、负载性质等因素，具体应按以下几个方面来选择。（1）热继电器结构型式的选择：星形接法的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形接法的电动机应选用带断相疼惜装置的三相结构热继电器。（2）热继电器的动作电流整定值一般为电动机额定电流的1.05～1.1倍。（3）对于重复短时工作的电动机（如起重机电动机），由于电动机不断重复升温，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，电动机将得不到牢靠的过载疼惜。因此，不宜选用双金属片热继电器，而应选用过电流继电器或能反映绕组实际温度的温度继电器来进行疼惜。1.3.7速度继电器速度继电器又称为反接制动继电器，主要用于三相鼠笼型异步电动机的反接制动限制。如图1.8所示为速度继电器的图形符号及原理示意图，它主要由转子、定子和触头3部分组成。图1.8速度继电器的图形符号及原理示意图1.3.8液位继电器液位继电器主要用于对液位的凹凸进行检测并发出开关量信号，以限制电磁阀、液泵等设备对液位的凹凸进行限制。液位继电器的种类很多，工作原理也不尽相同，下面介绍JYF-02型液位继电器，其图形符号及结构示意图如图1.9所示。图1.9JYF-02型液位继电器图形符号及结构示意图（a）液位继电器（传感器）图形符号

（b）液位继电器（传感器）示意图1.3.9压力继电器压力继电器主要用于对液体或气体压力的凹凸进行检测并发出开关量信号，以限制电磁阀、液泵等设备对压力的凹凸进行限制。如图1.10所示为压力继电器图形符号及结构示意图。图1.10压力继电器图形符号及结构示意图（a）压力继电器（传感器）图形符号

（b）压力继电器（传感器）示意图1.3.10固态继电器（SSR）固态继电器(SOLIDSTATERELAYS)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”，它问世于70年头，由于它的无触点工作特性，使其在很多领域的电控及计算机限制方面得到日益广范的应用。图1.11固态继电器固态继电器的结构及原理

固态继电器由输入电路、隔离（耦合）和输出电路三部分组成。SSR按运用场合可以分成沟通型和直流型两大类，它们分别在沟通或直流电源上做负载的开关。沟通型固态继电器图1固态继电器工作原理框图沟通型SSR的电原理图

图2沟通型SSR的电原理图SSR的优缺点优点1）高寿命，高牢靠2）灵敏度高，限制功率小，电磁兼容性好3）快速转换4）电磁干扰小1）导通电阻也较机械触点的接触电阻大2）不能实现志向的电隔离3）成本较高4）工作牢靠性低5）温度上升，负载实力将快速下降6）触点组数少等缺点主令电器1.4主令电器用于发布操作叮嘱以接通和分断限制电路的电器。主令电器应用广泛，种类繁多，常见的有按钮、行程开关、转换开关、主令限制器、选择开关、足踏开关等。1.4.1按钮(SB)主要用于电气限制线路中，用于发布叮嘱及电气联锁。下表为按钮的电路图形符号和文字符号（a）按钮图形符号

（b）按钮示意图

（c）急停按钮图形符号（d）急停按钮示意图图1.12按钮图形符号及结构示意图按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成，其图形符号及结构示意图如图1.12所示。触点接受桥式触点，额定电流在5A以下。触点又分常开触点（动断触点）和常闭触点（动合触点）两种。按钮的结构、种类及常用型号颜色含义应用举例红处理事故紧急停机扑灭燃烧“停止”或“断电”正常停机停止一台或多台电动机装置的局部停机切断一个开关带有“停止”或“断电”功能的复位绿“起动”或“通电”正常起动起动一台或多台电动机装置的局部起动接通一个开关装置（投入运行）黄参与防止意外情况参与抑制反常状态避免不需要的变化（事故）蓝上述颜色未包含的任何指定用意凡红、黄和绿色未包含的用意，皆可用蓝色黑、灰、白无特定用意除单功能的“停止”或“断电”按钮外的任何功能表1.1按钮颜色的含义1.4.2

行程开关行程开关也称为位置开关或限位开关，它的结构、工作原理与按钮相同,其特点是不靠手按,而是利用生产机械某些运动部件的碰撞使触头动作，发出限制指令的，有自动复位和非自动复位两种。行程开关的种类很多，按其结构不同可分为直动式、滚轮式、微动式；按其复位方式可分为自动复位和非自动复位；按触头性质可分为有触头式和无触头式。（a）直动式行程开关结构示意图（b）微动式行程开关结构示意图（c）旋转式双向机械碰压限位开关示意图（d）行程开关图形符号图1.14行程开关结构示意图及图形符号无触点行程开关无触点行程开关又称为接近开关，它可以代替有触头行程开关来完成行程限制和限位疼惜，还可用于高频计数、测速、液位限制、零件尺寸检测、加工程序的自动连接等。由于它具有非接触式触发、动作速度快、可在不同的检测距离内动作、发出的信号稳定无脉动、工作稳定牢靠、寿命长、重复定位精度高以及能适应恶劣的工作环境等特点，在机床、纺织、印刷、塑料等工业生产中应用广泛。图1.17接近开关的图形符号1.4.3刀开关作用：隔离电源，不频繁通断电路分类：

按刀的级数分:单极、双极和三极

按灭弧装置分：带灭弧装置和不带灭弧装置

按刀的转换方向分为：单掷和双掷

按接线方式分为：板前接线和板后接线

按操作方式分为：手柄操作和远距离联杆操作

按有无熔断器分：带熔断器和不带熔断器（b）手柄操作（a）干脆手动操作（e）三极单投刀开关符号（c）一般图形符号（d）手动符号图1.18HD型单投刀开关示意图及图形符号（f）一般隔离开关符号

（g）手动隔离开关符号

（h）三极单投刀隔离开关符号单投刀开关的型号含义如下其中，各设计代号的含义为：11—中心手柄式；12—侧方正面杠杆操作机构式；13—中心正面杠杆操作机构式；14—侧面手柄式。1.4.3转换开关及凸轮限制器1.转换开关转换开关是一种多档位、多触点、能够限制多回路的主令电器，主要用于各种限制设备中线路的换接、遥控及电流表、电压表的换相测量等，也可用于限制小容量电动机的起动、换向和调速。转换开关的工作原理和凸轮限制器一样，只是运用地点不同，凸轮限制器主要用于主电路，干脆对电动机等电气设备进行限制，而转换开关主要用于限制电路，通过继电器和接触器间接限制电动机。常用的转换开关类型主要有两大类，即万能转换开关和组合开关。转换开关的图形符号和凸轮限制器一样，如图1.19-1所示。

（a）5位转换开关

（b）4极5位转换开关图形符号

（c）单极5位转换开关图形符号图1.19-1转换开关及图形符号转换开关的触点通断状态也可以用图表来表示，以图1.19-1（b）所示的4极5位转换开关为例，其开关触点通断状态表如表1.2所示。

位置触点号←↖↑↗→90°45°0°45°90°1

×

2

×

×

3××

4

××表1.2转换开关触点通断状态表2.凸轮限制器凸轮限制器是一种接受手动操作，干脆限制主电路大电流（10A～600A）的开关电器。

（a）1极12位凸轮限制器示意图（b）5极12位凸轮限制器示意图

（c）1极12位凸轮限制器图形符号（d）4极5位凸轮限制器图形符号图1.19-2凸轮限制器的结构原理示意图及图形符号熔断器1.5熔断器主要作短路疼惜之用。有时也可作为过载疼惜。熔断器主要由熔体（保险丝）和熔管（熔座）组成。

熔体由易熔金属材料铅、锌、锡、银、铜及其合金制成，通常制成丝状和片状。

熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。

1.熔断器的基本结构2.熔断器的工作原理熔断器是利用金属导体为熔体,串联于电路，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的电器。电流通过熔体时产生的热量与电流平方和电流通过的时间成正比，电流越大，则熔体熔断时间越短，这种特性称为熔断器的反时限疼惜特性或安秒特性，如图1.20所示。其中，Ir为熔体最小熔化电流，IN为负载额定电流，IrN熔体的额定电流。图1.20