PLC备课笔记继电接触器控制系统

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《电器与PLC应用技术》

补充内容：继电接触器控制系统

《电器与PLC应用技术》

学习PLC课程的基本要求：

一、电器的基本知识和继电接触器控制系统的基本知识二、基本原理及PLC的组成三、硬件接线，I/O口如何连接四、扩展方法及如何配置

五、应用软件、梯形图编程方法及应用实例

参考书籍：

1.《现代电气及可编程控制技术》北京：航空航天大学出版社王永华主编2.《可编程序控制器及常用控制电器》冶金工业出版社何友华主编3.《PLC编程及应用》机械工业出版社（第一版）廖常初主编4.《工厂电气控制技术》机械工业出版社方承远主编

5.《SIEMENSSIMATICS7-200可编程序控制器CPU22X系统手册》

北京：西门子（中国）有限公司

6．各类关于电器控制及PLC技术应用的书籍7．补充教材后面所列的其他参考书籍

第一章电器的基础知识

任何一种继电器控制系统均由三部分组成：

输入部分规律部分输出部分

（1）输入部分：由各类按钮开关、行程开关、接近开关、转换开关等主令电器构成。

主令电器——自动控制系统中用于发送控制指令的电器。

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（2）规律部分：由各种继电器及其触点组成的实现一定规律功能的控制线路。

继电器——一种根据某种输入信号,接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的自动电器。

（3）输出部分：由各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器和信号指示灯等执行电器构成。

接触器——是一种用来频繁地接通或断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。是一种依靠电磁力的作用使触头闭合或分开来接通和断开电动机（或其他用电设备）电路的自动电器。

第一节电器的定义、分类及电磁式电器的工作原理

一、电器的定义和分类

电器——自动或手动接通和断开电路，能实现对电路或非电对象切换、保护、检测、变换和调理目的的电气元件

分类：

低压电器——交流1000V或直流1200V以下（一）按工作电压等级分

高压电器——交流1000V或直流1200V以上手动电器——需人工直接操作才能完成指令任务（二）按动作原理分

自动电器——依照电的或非电的信号自动完成指令任务（三）按用途分1.控制电器——用于各种控制电路和控制系统2.主令电器——用于自动控制系统中发送控制指令3.保护电器——用于保护电路及用电设备4.配电电器——用于电能的输送和分派5.执行电器——用于完成某种动作或传动功能电磁式电器——依据电磁感应原理工作（四）按工作原理分

非电量控制电器——靠外力或某种非电物理量的变化而动作二、电磁式电器——电气控制线路中使用量最大，类型好多，工作原理和构造基本一致感测部分——电磁机构

主要组成部分执行部分——触头系统

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（一）电磁机构

作用：将电磁能量→机械能量→触头动作→接通或分断电路组成：吸引线圈、铁心、衔铁等1.常用的磁路结构：

2.吸引线圈：将电能转换成磁场能量。按通入吸引线圈的电流种类不同，可分为直流线圈和交流线圈

3.铁心：直流电磁铁的铁心——整块钢材或工程纯铁制成。在直流状况下，线圈发热而铁心不发热，所以吸引线圈做成高而薄的瘦高型，且没有骨架，线圈与铁心直接接触，易于散热。

交流电磁铁的铁心——硅钢片叠铆而成。在交流状况下，铁心中有磁滞和涡流

损耗，线圈和铁心都发热，所以，吸引线圈有骨架，与铁心隔离，并做成矮胖型，有利于铁心和线圈散热。

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（二）电磁吸引力与特性

在气隙值δ及外加电压值一定时：

直流电磁铁——电磁吸引力为恒定值（用直流电源励磁）交流电磁铁——电磁吸引力随时间变化（用交流电源励磁）Fat?FatmFatm?cos2?t?F0?F0cos2?t22电磁吸力平均值

吸力特性——电磁吸力Fat随衔铁与铁心间气隙δ变化的关系曲线（三）反力特性和返回系数

反力特性——反作用力Fr（由触头弹簧、反作用力弹簧产生）与气隙δ的关系曲线返回系数——释放电压（或电流）与吸合电压（或电流）的比值，用β表示（反映电磁式电器灵敏度的参数），β大而灵敏度高。

?V??

UreUat?I?IreIat其中：Ure，Ire——释放电压、电流

4

Uat，Iat——吸合电压、电流

图1-3交流电磁机构实际吸力曲线

（四）交流电磁机构中短路环的作用

由交流电磁吸力公式可知：Fat有两个分量：1.恒定分量Fo，其值为最大值的一半

2.交变分量F，F=Focos2ωt，其幅值是最大吸力值的一半，并以两倍电源频率变化总的电磁吸力Fat从0～Fatm变化，曲线如补充教材Fig1-3所示。由图1-3曲线可见：电磁机构在工作中，衔铁始终受到反作用弹簧、触头弹簧等反作用力Fr作用。尽管电磁吸力的平均值Fo大于Fr，但在某些时候，Fat仍将小于Fr（见图中斜线部分）。当FatFr时，衔铁又被吸合，周而复始，使衔铁发生振动，发出噪声。

引入短路环——消除振动和噪声。

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图1-4交流电磁铁的短路环

三、电器触头系统和电弧

（一）触头系统——电器的执行部分，用于通断电路。材料：铜质、银质

结构：桥式、指型（参见补充教材Fig1-5）

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图1-5触头的接触形式

（二）电弧的产生及灭弧（参见补充教材相关的内容）

产生：触头间气体在强电场作用下的放电现象灭弧关键：采取措施使电弧迅速冷却，从而熄灭。

其次节开关电器

一、刀开关——结构最简单，应用最广泛的手控电器。用于低压电路不频繁动作。

文字（QS）及符号：参见补充教材Fig1-10

二、转换开关（组合开关）——手控电器。在机床电气设备中，主要作为电源引入开

关；或直接用于控制非频繁起动和中止的小容量异步电动机。

文字（QS）及符号：参见补充教材P13Fig1-11、Fig1-12

三、自动开关（自动空气断路器）——低压电路中常用的具有保护环节的断合电器。

当电路发生严重过载、短路以及失压等故障时，能自动切断故障电路，保护串接其后的电气设备；正常状况下，也可用于不频繁地接通和断开电路及控制电动机。

结构和工作原理：参见补充教材P13及P14Fig1-13图形和文字符号（QF）：参见补充教材P14Fig1-14

第三节熔断器的工作原理及使用（属保护电器）

熔断器是最简单有效的保护电器，主要用作短路保护和严重过载。一、结构及工作原理

1.结构：熔体（额定电流等级较多）——保险丝——既是感测元件，又是执行元件

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熔管（或熔座）（额定电流等级较少）——安装熔体，熄灭电弧

2.工作原理：熔体与被保护的电路串联。正常时，熔体允许通过一定的电流；当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断，切断电路，从而达到保护目的。二、类型

1.瓷插式2.螺旋式3.封闭管式4.自复式

第四节主令电器

主令电器——自动控制系统中用于发送控制指令——不能直接用于通断主电路一、控制按钮——低压控制电路中，手动发出控制信号。

结构、图形、文字符号（SB）：参见补充教材P17Fig1-18，Fig1-19注意：按下时，常闭先开，常开后合

二、行程开关（限位开关）——利用生产机械某些运动部件的碰撞来发出控制指令，用于控制生产机械的运动方向、行程大小或位置保护。结构、图形、文字符号（SQ）：参见补充教材P17Fig1-20，补充教材P18Fig1-21三、接近开关（无触点行程开关）——通过感辨头与被测物体间介质能量的变化来获取信号，

（含各类传感器）用于行程控制和限位保护，还可用于高频计数、测速、液面控制、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接等。

按其感辨机构的工作原理可分为：高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型、光电型、超声波型等。

技术指标：①动作距离②重复精度③操作频率④复位行程1.晶体管停振型接近开关工作原理：

金属检测体接近感辨头→金属检测体内产生涡流→涡流的去磁作用改变感辨头的等效参数→振荡电路的谐振阻抗和谐振频率变化→振荡中止→发出接近信号

振荡器金属检测体感辨头(线圈磁场）检波器鉴幅器输出电路稳压器整流电路8

2.光电开关（属接近开关）

作用距离较晶体管接近开关大，且可对非金属材料直接检测。优点：体积小、功能强、速度快、精度高、抗电磁干扰能力强

反射式放大器分开型亮动（受光动作）检测方式对射式分类放大器内藏型暗动（遮光动作）镜面反射式电源内藏型

反射式光电开关工作原理框图（DU——光敏三极管，GL——发光管辐射光脉冲）DU被测物体接收放大同步积分显示GL发射振荡电源延时驱动振荡回路产生调制脉冲→经发射电路→发光管GL辐射出光脉冲

被测物体进入受光器作用范围→光脉冲被反射进入光敏三极管DU→接收电路将光信号解调成电脉冲信号→放大、同步选通整形→积分除干扰→延时（或不延时）→触发驱动器输出开关信号。

四、万能转换开关*——多档式、控制多回路的主令电器。用于各种配电装置的远距离控制、电压表或电流表的换相开关、小容量电动机的起动，调速和换向。

结构示意图：参见补充教材P19Fig1-23。五、主令控制器和凸轮控制器*

1.主令控制器——频繁按顺序切换多个控制电路的主令电器。与磁力控制盘协同，实现对起重机、轧钢机及其他生产机械的远距离控制。结构示意图：参见补充教材P19Fig1-24工作原理：参见补充教材P19。

2.凸轮控制器——大型手动控制器。主要用于起重设备中直接控制中小型绕线式异步电动机的起动、中止、调速、换向和制动等。结构示意图及工作原理：参见补充教材P19-P20。

第五节接触器

接触器——用于频繁接通或断开交直流主电路或大容量控制电路

按主触头通过的电流种类分为：交流接触器和直流接触器。

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一、交流接触器——主要用于控制笼形和绕线式电动机的起动、运行中断开以及笼形电动机

的反接制动、反向运行、点动等（参见补充教材P21Fig1-27）接触器图形符号：参见补充教材P24Fig1-28

电磁机构——线圈、动铁心（衔铁）、静铁心

交流接触器触头系统——主触头（通断主电路）、辅助触头（控制电路，电气连锁）灭弧装置

其他部件——反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构等

其中辅助触头无灭弧装置，容量较小，不能用于分合主电路；数量与接触器型号有关工作原理：线圈通电→线圈电流建立磁场→静铁心产生电磁吸力→吸合衔铁→带动触头动作→常闭断开，常开闭合

线圈断电→电磁力消失→反作用弹簧使衔铁释放→各触头复位

二、直流接触器——结构和工作原理与交流接触器基本一致，主要用于远距离控制，电压可

至400V、电流至600A的直流电路以及频繁操作的直流电动机。

三、接触器的类型、技术参数、选择、常见故障（参见补充教材P21-P24）

（参见补充教材P22～P23表1-2和表1-3，其中交流接触器CJ10系列主触头均为三极，

辅助触头为2常开、2常闭）

第六节继电器

继电器种类好多：电压继电器电流继电器按输入信号的性质分：时间继电器温度继电器速度继电器压力继电器

电压电磁式继电器电流感应式继电器

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按工作原理分：电动式继电器电子式继电器热继电器按输出形式分：有触点和无触点按用途分：控制用和保护用继电器

一、电磁式继电器（重点）——结构与工作原理和接触器基本一致。

不同点：继电器可以对各种输入量的变化作出反应，而接触器只在一定的电压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制和保护电路，无灭弧装置而接触器用来控制大电流电路。

电磁式继电器按吸引线圈的电流种类分为：直流电磁式和交流电磁式按继电器反映的参数分为：电流、电压、中间和时间继电器工作状态：线圈断（失）电：“0〞，得电：“1〞；

衔铁吸合与释放时间为0.05s～0.15s。

图形符号及结构图：参见补充教材P25Fig1-30，Fig1-29

图1-29JT3系列直流电磁式继电器结构示意图1-线圈2-铁心3-磁轭4-弹簧5-调理螺母6-调理螺钉7-衔铁8-非磁性垫片9-常闭触头10-常开触头

（一）电磁式电流继电器KI——线圈（匝数少、导线粗、阻抗小）与被控制电路串联，以反

映电路电流的变化。有欠电流和过电流两种

欠电流继电器：电路正常时，衔铁吸合（常开闭合，常闭开启），当电流↓→10%～20%Ie

11

时，继电器衔铁释放

过电流继电器：电路正常时不动作，当电流超过某一整定值：1.1～4Ie时，继电器衔

铁动作（吸合）

（二）电磁式电压继电器KV——线圈（匝数多、导线细、阻抗大）与被控制电路并联，反

映电路电压的变化。根据动作电压的大小有过电压、欠电压、零电压之分，在电力拖动系统中起电压保护和控制作用。

（三）电磁式中间继电器KA——实质上为电压继电器。但触头对数较多，触头容量较大（额

定电流5-10A），动作灵敏

（四）电磁式继电器的整定及其型号（参见补充教材P25—P26）

二、时间继电器——利用电磁原理或机械动作原理实现触头延时接通或断开的自动控制电器，

用于控制动作时间电磁式

时间继电器空气阻尼式电动式晶体管*（电子式，目前主要使用产品）

图形符号和文字符号（KT）：参见补充教材P26Fig1-31，其中，b）、d）、e）为通电延时；c）、f）、g）为断电延时。

*晶体管时间继电器（有通电延时和断电延时）简介：

优点：除执行继电器外，均由电子元件组成，无机械部件

所以：精度高、体积小、寿命长、调理范围大、延时范围大、控制功率小

①阻容延时电路的基本结构②充电曲线③工作过程——当电容被充电上升至鉴幅器的门限电压Ud时，鉴幅器输出开关信号至后级电路，使执行继电器动作。延时长短与时间常数τ以及E、Ud、Uco有关。

E

CRRcR1UcE+Ud+UcWDUd’UdUco--0tdtd’t12

图1-31时间继电器的图形符号

a）线圈一般符号b）通电延时线圈c）断电延时线圈d）延时闭合常开触头

e）延时断开常闭触头f）延时断开常开触头g）延时闭合常闭触头h）瞬动常开触头i）瞬动常闭触头

*空气阻尼式时间继电器（JS7-A系列通电延时型）简介：161——线圈122——铁心343——衔铁5674——反力弹簧85——推板9106——活塞杆117——杠杆1513128——塔形弹簧14

9——弱弹簧10——橡皮膜11——空气室壁12——活塞13——调理螺杆14——进气孔15——微动开关16——微动开关①当线圈1通电后，衔铁3被铁心2吸合，活塞杆6在塔形弹簧8的作用下，

带动活塞12和橡皮膜10向上移动。但由于橡皮膜下方气室的空气稀疏，形成负压，使活塞杆6只能渐渐向上移动，其移动的速度视进气孔的大小而定，可通过调理螺杆13进行调整。经过一定的延时时间后，活塞杆才能移到最上端，这时通过杠杆7将微动开关15压动，使其常闭触头断开，常开触头闭合，起到通电延时的作用。

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②当线圈1断电时，电磁吸力消失，衔铁3在反力弹簧4的作用下释放，并通

过活塞杆6将活塞12推向下端，这时橡皮膜10下方气室内的空气通过橡皮膜10、弱弹簧9和活塞12的肩部所形成的单向阀，迅速从橡皮膜上方的气室缝隙中排除，杠杆7和微动开关15随之迅速复位。

③在线圈1通电和断电时，微动开关16在板5的作用下都能瞬时动作，即为时

间继电器的瞬动触头。

④若将通电延时型的时间继电器的电磁机构翻转180度安装，即为断电延时型。⑤空气阻尼式时间继电器的优点：延时范围大、结构简单、寿命长、价格低缺点：延时误差大（±10%～±20%）、无调理刻度指示，使整定

延时值不确切。

三、热继电器——利用电流的热效应原理工作的保护电器。常用于电动机的（长时间）过载

保护

（一）结构和工作原理

热元件——串接于定子绕组中热继电器双金属片——感测元件触头

工作原理示意图：参见补充教材P26Fig1-32

由于热继电器中的发热元件有热惯性，在电路中不能作瞬时过载保护，更不能作短路保护，因此，热继电器不同于过电流继电器和熔断器。

热继电器有单相、二相及三相式，其中三相式还分为有断相保护（用于电动机△连接状况）和无断相保护的。

图形符号及文字符号：参见补充教材P28Fig1-34（二）型号及选用——参见补充教材P27

四、速度继电器——用于笼型异步电动机的反接制动控制（又称反接制动继电器）

结构和工作原理：转子——圆柱型永久磁铁

速度继电器定子——笼型空心圆环，矽钢片叠成，装有笼型绕组

（与笼形电动机的转子相类似）

触头

工作原理示意图：参见补充教材P28Fig1-35

转子的轴与被控电动机的轴相连接，定子空套在转子上。

电动机转动→速度继电器的转子随之转动（使永久磁铁的磁场变成了旋转磁场）→定子

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内的短路笼形导体切割旋转磁场→感应电势并产生电流→电流与旋转的转子磁场作用产生转矩→定子转动→至一定角度→摆锤推动簧片动作→触头动作。当转速低于某值，转矩减小触头复位。即：转速正常时，常开闭合，常闭开启。

图形符号和文字符号（KS）：参见补充教材P28Fig1-36

五、干簧继电器——常用于电梯电气控制中

干簧继电器是利用磁场作用来驱动继电器触头动作的。

结构：干簧管——由一组或几组导磁簧片封装在惰性气体（如氦、氮等气体）的玻璃管中，组成开关元件。

工作原理：在磁场作用下，干簧管内的两根磁簧片分别被磁化而相互吸引，接通电路；当磁场消失后，簧片靠本身的弹性分开。导磁簧片既有导磁作用，又作接触簧片即控制触头的作用。

下图中，图（a）为利用干簧继电器外的线圈通电产生磁场来驱动继电器动作的原理图。图（b）为利用外磁场驱动继电器动作的原理图。

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控制线路：QSFUKM1FR1M1

L1L2L3FR1FR2SB1SB1SB3FR1FR2SB2KM2FR2KM1SB4KM2SB2KM1KTKM2KM1KM23～MM23～MKM1KM2KM1KTKM2（a）电动机按顺序工作的控制线路（b）采用时间继电器的顺序起动控制线路其次节三相笼型异步电动机降压起动控制

降压起动——起动时降低加在电动机定子绕组上的电压目的——减小起动电流一、定子串电阻降压起动控制线路*

（参见补充教材P35Fig2-5）

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二、星型—三角形降压起动控制线路（一般4kw以上）

Y—Δ降压起动的原理：把正常运行时，定子绕组应作三角形联接的笼型异步电动机在起动时接成Y形，起动电压从380V→220V，从而减小起动电流。待转速上升后，再改接成Δ联结，投入正常运行。这是一种最常用的降压起动。

（起动电压UY?（起动转矩MY?（起动电流IY?1U?）31M?）31I?）3A）两个接触器的星形—三角形降压起动电路（电动机功率13kW以下）

控制线路：参见补充教材P35Fig2-6控制过程：

主回路：合上转换开关QS→控制线路接通电源控制回路：

（1）SB2复合按钮按下→KT时间继电器得电（通电延时）KM1线圈经KT延时断开触点得电→

KM1主触头吸合（主回路）→电动机Y形连接起动→KM1常开触头闭合,自锁KM1常闭触头断开,互锁KM2

（2）KT整定时间到延时断开常闭触头断（先）→KM1失电→电机断电延时吸合常开触头合（后）→KM2线圈得电→（路径:KT延时吸合触头→SB2的复合按钮（下）→KM1常闭触头）→KM2主触头吸合→电机改为Δ联接（主回路）电机Δ运行KM2常开触头闭合,自锁→KM1重新得电

缺点:①起动过程中,∵KT延时断开常闭触头先断,而延时吸合常开触头后合,使有一瞬间KM1失电,电机断电.后经KM2自锁,才使KM1重新得电,会引起其次次起动电流（但.

由于惯性,电机未完全中止,起动电流不会很大.）

②KT在起动及电机运行中始终通电,对KT不利，同时增加了故障点。

③电机的Y—Δ换接由两对KM2的常闭触头实现，触点容量较小，简单在换接过程中磨损。

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B)三个接触器的星形—三角形降压起动电路（目前一般4kW笼形异步电动机均采用）控制线路:参见补充教材P36Fig2-7

控制过程:主回路：合上QS→控制线路接上电源

控制回路：

（1）SB2按钮按下→KM1线圈得电→主触头吸合电动机Y常开触头吸合，自锁联接起动KM3线圈得电→主触头吸合→电机Y联接KT得电

（2）KT整定时间到→延时断开触点断（先）→KM3失电→主触头断开常闭复原→延时吸合触点合（后）

KM2线圈得电→主触头吸合→电动机Δ联接运行常开触点吸合自锁

常闭触点断开，与KM3互锁，并令KT断电相对于“两个接触器的Y—Δ降压起动控制线路〞其优点：1）KT仅在起动过程中通电，Y→Δ换接后，KT即被断电。

2）接触器主触头直接与电源相连，不会出现停机再起动的现象（即KM1中间不断电）。3）主回路中用了接触器的三个主触头，工作更可靠。

L1L2L3

QSFR

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3～FUKM1ABCSB1SB2KM1FRKM2KM2KTKTKM3KM2MXYZKM3K