电气控制与PLC原理及应用（第2版）PPT完整全套教学课件

目录

第1章常用低压电器第2章电气控制线路基础第3章继电接触器控制系统设计第4章智能低压电器与现场总线第5章可编程控制器概述第6章PLC程序设计基础第7章可编程控制器程序设计方法第8章PLC控制系统设计第9章PLC网络通信第10章PLC控制系统应用实例第1章常用低压电器1.1低压电器概述1.2低压隔离器1.3低压断路器1.4接触器1.5低压熔断器1.6继电器1.7主令电器思考与习题

1.1低压电器概述

电器的功能种类繁多，根据工作电压等级可将其分为两类：

(1)高压电器：用于交流电压1200

V、直流电压1500

V及以上电路中的电器，通常用于电能的输送和分配，如高压断路器、高压隔离器、高压熔断器等。

(2)低压电器：用于交流50

Hz(60

Hz)、额定电压1200

V以下或直流额定电压1500

V以下电路中起电能分配、通断、保护、控制、调节或检测作用的电器，如接触器、继电器、断路器等。

1.1.1低压电器的分类和主要用途

根据使用目的和动作类型不同，低压电器可作如下分类：

1．按使用目的分类

(1)控制电器：用于组成各类控制电路和控制系统，实现特定控制目的的电器，例如接触器、继电器、电动机软启动器等。

(2)配电电器：用于电能的输送和分配的电器，例如低压断路器、刀开关等。

(3)主令电器：用于控制系统发送动作指令、实现位置检测等功能的电器，例如按钮、主令控制器、行程开关等。它为系统提供了人机交互的手段。

(4)保护电器：用于保护线路、电气设备和人身安全的电器，如断路器、熔断器、漏电保护器、热继电器等。

(5)执行电器：用于执行某种动作，实现某种功能的电器，如电磁阀、制动器等。

2．按动作特点分类

(1)手动动作电器：由操作人员手动发出控制指令或设备在生产过程中经外力触发的电器，如按钮、行程开关等。

(2)自动开关电器：利用电磁吸力自动完成动作的电器，如接触器、继电器、电磁阀等。

3．按工作原理分类

(1)电磁式电器：利用电磁感应原理工作的电器，如接触器、电磁式继电器等。

(2)非电量控制电器：利用外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮等。

此外，也可按照低压电器的使用场合简单地分为民用电器、工业用电器、农业用电器、建筑电器、汽车电器等类型。

1.1.2低压电器的发展趋势

1．低压电器智能化

智能化低压电器带有微处理器，能准确监测和显示配电线路的运行情况，并能准确地解决过载、短路等各种故障；能按运行人员的设置要求进行各种操作；具有运行监测和内部故障自诊断及故障显示功能，并将智能控制理论(如模糊理论、神经网络等)逐渐应用到低压电器的控制上。

2．低压电器网络化

现今的自动化系统在信息化方面提出了更多更高的要求，全局监控、信息共享同样也体现在低压电器产品的发展上，如Internet协议、现场总线协议(如Profibus、DeviceNet、Modbus、ASI-bus等)、楼宇自动化总线协议(如EuropenInstallationBUS、Lonwork、IQBUS、BACnet等)等在低压电器上的应用。具有通信功能和现场总线技术的智能化低压电器带有通信接口，能和系统通信，构成整个智能化控制系统。

3．低压电器模块化、组合化

目前，低压电器产品朝着多功能化的方向发展，产品结构上采用具有独立功能的组件进行装配，形成模块化的积木拼装式结构，而每一种模块相对独立，便于功能分割和组合，是实现电器产品多功能化的重要途径。例如，多功能的组合电器就是一个典型。20世纪80年代中后期发展起来的模块化终端电器，具有统一的外形尺寸，安装导轨化，为发展组合电器和成套设备创造了条件。

1.1.3电磁机构

接触器、电磁式继电器、电磁阀等都是采用电磁感应原理工作的电磁式电器。其机构由电磁机构和触头系统构成，部分还带有灭弧系统及绝缘外壳等附件。

电磁机构包括电磁线圈、静铁芯和动铁芯(衔铁)，其作用是将电磁能转换为机械能，依靠它带动触头的闭合和断开。其结构分为直动式和拍合式，图1-1为直动式结构。

图1-1电磁线圈和铁芯

电磁机构的工作原理：当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场使铁芯产生电磁吸力作用于衔铁，电磁吸力克服弹簧反力使得衔铁吸合，使其产生机械位移，带动触头系统动作。当线圈断电或线圈两端电压显著降低时，电磁吸力小于弹簧反力，衔铁释放，触头系统复位。

当线圈通过直流电时，电磁吸力为恒值；当线圈通过交流电时，电磁吸力随着电源电压作周期变化，并且在一个周期里，衔铁吸合两次，释放两次，会导致电磁机构产生强烈

震动和噪声而无法正常工作。因此在设计时铁芯端面都安装一个铜制的短路环，短路环内会产生感应电动势和感应电流，这样将通过极面的磁通分为大小接近、相位相差约90°的环外磁通和环内磁通，其合成电磁吸力在通电期间始终大于弹簧反力，保证铁芯吸合。

1.2低 压 隔 离 器

1.2.1低压刀开关低压刀开关由操作手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板组成，其结构和图形符号如图1-2所示。图1-2刀开关的结构和图形符号

刀开关型号及其含义如下所示：

刀开关的主要技术参数包括：

(1)额定电流：长期通过的最大允许电流。

(2)额定电压：长期工作所承受的最大电压。

(3)机械寿命：刀开关在不带电的情况下所能承受的操作次数。

4)电寿命：刀开关在额定电压下能可靠地分断额定电流的工作次数。

(5)短时耐受电流：当发生短路时，刀开关在指定时间内通以某一短路电流而未发生熔焊现象，则称该短路电流为短时耐受电流，通常时间设为1

s。

(6)动态稳定电流峰值：当发生短路时，刀开关不产生变形、破坏或触刀自动弹出的现象时的最大短路电流峰值。

1.2.2熔断器式刀开关

熔断器式刀开关即带有熔断器的刀开关，适用于有高短路电流的配电电路和电动机电路，用作电源开关、隔离开关和应急开关，作为短路保护和电缆、导线的过载保护之用，但一般不用于单台电动机的接通、分断。在正常情况下，它可供非频繁地手动接通和分断正常负载电流与过载电流；在短路情况下，由熔断器分断电流。熔断器式刀开关的结构如图1-3所示。

图1-3熔断器式刀开关

1.2.3组合开关

组合开关属于转换开关，适用于非频繁地接通或分断电路，换接电源或负载，也可用于小容量电动机的启动、停止、换向和变速。

组合开关由动触头、静触头、方形转轴、手柄、定位机构和外壳组成。其结构和图形符号如图1-4所示。当转动手柄时，每层的动触头随方形转轴一起转动，并使静触头插入相应的动触片中接通电路。

图1-4组合开关结构和图形符号

1.3低 压 断 路 器

1.3.1低压断路器的结构及工作原理低压断路器由操作机构、触头系统、自由脱扣机构(由图1-5中锁键、搭钩、杠杆等组成)、各种脱扣器、灭弧系统、辅助触头、框架及外壳等组成。其工作原理如图1-5所示。图1-5低压断路器工作原理图

断路器是一具有多种保护功能的保护电器，当用作过电流保护时，具有短路和过载两种保护功能，并可实现选择性保护，如图1-6所示。

图1-6低压断路器的过流保护特性

低压断路器的主要参数包括额定电压、额定绝缘电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、脱扣器的电流整定范围、辅助触头、额定分断能力等。其图形符号如图1-7所示。

图1-7低压断路器的图形符号

1.3.2低压断路器的常用类型

1．万能式低压断路器

万能式低压断路器具有绝缘衬底的框架机构底座，各部件皆采用敞开式组装方式，便于安装维护。它主要用于配电网络，用来分配电能，保护线路和防止电源设备的过载、欠电压及短路。在正常条件下，它可作为线路的非频繁转换之用。万能式低压断路器主要有以下三种类型：

(1)一般万能式断路器：不具有选择性保护功能，结构简单，维修方便，分断能力相对较弱。

(2)中级万能式断路器：具有三段保护特性和选择性保护功能，分断能力较强。

(3)高级万能式断路器：带有各种保护功能的脱扣器，包括智能化脱扣器，可实现计算机网络通信、外部故障记忆、内部故障自诊断等，分断能力强，结构模块化。

2．塑壳式低压断路器

塑壳式低压断路器的所有组件安装在绝缘材料制成的封闭型外壳内，可用于配电线路中接通或分断电路，作线路和电源设备的过载及短路保护之用；亦可作电动机的非频繁启动和转换之用，作为电动机的启动及过载、短路、欠电压保护。

3．快速断路器

快速断路器具有快速动作和保护装置，用于半导体整流元件和装置的保护。

4．限流断路器

限流断路器利用电动斥力使动、静触头迅速分离，其分断时间短到足以使电流在尚未达到预期峰值前即被分断。它主要用于短路电流相当大的电路中。

限流断路器大致可分为以下四种类型：

(1)由限流熔断器和通用型断路器组合而成的限流断路器；

(2)由自复式熔断器和通用型断路器组合而成的限流断路器；

(3)由金属限流线(一种电阻温度系数值很大的铁基合金线)和通用型断路器组合而成的限流断路器；

(4)电动斥力式限流断路器，利用短路电流通过触头回路时所产生的巨大吸力使触头迅速断开。

1.3.3低压断路器的选用

低压断路器的选用应考虑以下条件：

(1)根据线路对保护的要求确定断路器的类型和保护形式，选用框架式、装置式或限流式等；

(2)断路器的额定电压UN应等于或大于被保护线路的额定电压；

(3)断路器欠压脱扣器额定电压应等于被保护线路的额定电压；

(4)断路器的额定电流及过流脱扣器的额定电流应大于或等于被保护线路的计算电流；

(5)断路器的极限分断能力应大于线路的最大短路电流的有效值；

(6)配电线路中的上、下级断路器的保护特性应协调配合，下级的保护特性应位于上级保护特性的下方且不相交，避免越级跳闸现象；

(7)断路器的长延时脱扣电流应小于导线允许的持续电流。

1.4接触器

1.4.1接触器的结构和工作原理接触器内部由电磁机构、主触头、灭弧系统、辅助触头、支架和底座组成，直动式双断点交流接触器结构示意图如图1-8所示。图1-8直动式双断点交流接触器结构示意图

接触器的图形符号如图1-9所示。

图1-9接触器的图形符号

1.4.2接触器的种类

按主触头控制主电路电流的种类，接触器可分为交流接触器和直流接触器。

1．交流接触器

线圈通以交流电，产生交变磁场。电磁吸力的瞬时值是脉动的，因此对于单相交流机构通常在铁芯端面安装一个铜制的短路环，可以避免震动和噪声，使电磁机构稳定工作。此外，由于交变磁通穿过铁芯会产生涡流和磁损，导致铁芯发热，因此铁芯采用硅钢片冲压而成。

2．直流接触器

线圈通以直流电，铁芯中不产生涡流和磁损，不会发热，因此铁芯由整块钢制成。但因电磁时间常数大，磁通的建立和消失均比较缓慢，导致吸合和释放也比较慢，所以直流接触器灭弧较难，常采用磁吹灭弧装置、栅片灭弧装置和真空灭弧室等方法。大容量直流接触器通常采用铜制或镉铜制单断点触头，在闭合过程中能自动清除其表面的氧化物，防止接触电阻增大。小容量直流接触器通常采用双断点磁吹灭弧罩灭弧，熄弧能力强，适合于频繁操作。

1.4.3接触器的主要技术参数

接触器的主要技术参数如下：

1．额定工作电压UN

额定工作电压是指规定条件下保证电器主触头正常工作的电压。常用的额定电压等级如下：

直流：110

V、220

V、440

V、660

V；

交流：127

V、220

V、380

V、500

V、660

V、1140

V。

2．额定工作电流IN

额定工作电流是指规定条件下主触头中允许通过的长期工作电流。常用的额定电流等级如下：

直流：5

A、10

A、20

A、40

A、60

A、100

A、150

A、250

A、400

A、600

A；

交流：5

A、10

A、20

A、40

A、60

A、100

A、150

A、250

A、400

A、600

A。

3．线圈额定电压

常用的线圈额定电压等级如下：

直流线圈：24

V、48

V、110

V、220

V、440

V；

交流线圈：36

V、110

V、127

V、220

V、380

V。

4．接通和分断能力

接通和分断能力是指主触头在规定条件下能可靠接通和分断的电流值。接通时不发生熔焊，分断时能可靠地熄弧。

5．机械寿命和电寿命

接触器的机械寿命是指其在需要维修或更换机械零件前所能承受的无载操作循环次数。推荐的机械寿命(操作次数)为0.001～1000万次。

接触器的电寿命是指在规定使用条件下，无需修理或更换零件的负载操作次数。根据使用类别不同，电寿命指标有所不同。

6．操作频率

操作频率是指接触器每小时的允许操作次数，它直接影响到接触器的电寿命和灭弧室的工作条件，对交流接触器的线圈温度也有影响。交流接触器最高为600次/h，直流接触器最高为1200次/h。

1.4.4接触器的选用

使用接触器时，应根据负载任务、负载功率、操作情况等选用接触器的电流等级；根据控制回路电源情况选择接触器线圈参数。

(1)控制交流负载应选用交流接触器，控制直流负载应选用直流接触器。常见接触器使用类别及典型用途如表1-1所示。

其中，AC3为一般任务，AC4为重任务，AC2一般不易用来控制AC3、AC4负载，另外应注意混合负载，如AC1、AC4混合。

(2)接触器主触头的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压。

(3)接触器主触头的额定电流应等于或稍大于实际负载的额定电流，应根据负载的功率和操作情况来确定。

(4)接触器吸引线圈的电压等级与电流种类应与控制电路相同。

(5)触头数量和种类应满足主电路和控制线路的要求。

1.5低 压 熔 断 器

1.5.1熔断器的结构和特点熔断器在机构上主要由熔断管(熔盖或熔座)、熔体及导电部件等组成，有的还具有填充材料起加速灭弧作用。低压熔断器的种类很多，按产品结构形式分为半封闭插入式熔断器、无填料密封管式熔断器、有填料封闭管式熔断器和螺旋式熔断器；按用途分为一般工业用熔断器、半导体器件保护用快速熔断器和特殊熔断器等。图1-10为常见低压熔断器类型及图形符号。图1-10常见低压熔断器类型及图形符号

1.5.2熔断器的特性

1．熔断器的保护特性曲线

熔断器的保护特性曲线也称安秒特性曲线，是描述使熔断器熔体熔断的电流值与熔断时间的关系曲线，如图1-11所示。它是选用熔断器的重要依据之一，属反时限特性，即通过的电流越大，熔断时间越短。当电流减小到某一临界值时，熔断时间趋于无穷大，此电流称为最小熔化电流Ir。最小熔化电流Ir与熔体额定电流Ire

(此时熔体绝对不应熔断)之比称为熔化系数Kr，即Kr＝Ir/Ire，它是表征熔断器对过载的灵敏度，一般为1.2～1.5。从过载方面考虑，熔化系数小对小倍数过载有利，但Kr过小会影响熔断器工作的可靠性。通常为了使熔断器的保护特性与保护对象允许的过载能力相匹配，应使保护特性尽可能地接近并低于保护对象的允许过载特性。

图1-11熔断器的保护特性曲线

2．熔体的熔断过程曲线

熔断器的熔断过程大致分为四个阶段，如图1-12所示。

图1-12熔断器的熔断过程

(1)

阶段：熔断器的熔体因过载电流或短路电流而发热，其温度从起始温度逐渐上升到熔体材料的熔点，但熔体仍处于固态，尚未熔化。

(2)阶段：熔体开始熔化，但从固态转化为液态需要吸收热量，这个阶段温度不变，保持为熔点温度。

(3)

阶段：已熔化的金属被持续加热，直至达到金属汽化点为止。

(4)

阶段：在汽化点温度，熔体断裂，出现间隙，并产生电弧，直至电弧熄灭。这个阶段包括汽化时间和燃弧时间。

上述四个阶段是两个连续的过程：未产生电弧之前的弧前过程，称为弧前时间；产生电弧直至熄灭的电弧过程，称为燃弧时间。熔断器的熔断时间为弧前时间和燃弧时间之和。对于小倍数过载，燃弧时间往往可以忽略不计，但当分断电流很大时，燃弧时间已不容忽略。

1.6继电器

1.6.1继电器的输入/输出特性及主要技术参数继电器的输入/输出特性又称继电特性，如图1-13所示。下面以继电器常开触头为例来说明。图1-13继电器输入/输出特性

1.6.2普通电磁式继电器

电磁式继电器的机构、工作原理与接触器类似，由电磁系统、触头系统组成。由于继电器主要用于控制回路，不需要接通、分断主回路(负载回路)，电流小，故不设灭弧装置，同时为了方便实现控制逻辑组合，触头数量通常都比较多。电磁式继电器的图形符号如图1-14所示，在图1-14(d)中，对于电压或电流继电器，其触头的文字符号应换为KV或KI。

图1-14电磁式继电器的图形符号

1．电压继电器

电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器，常用于电压保护和控制，分为过电压继电器和欠电压继电器。电压继电器的线圈应与负载并联。

过电压继电器线圈在额定电压下不吸合，当线圈电压达到高于负载额定电压的某一设定值时产生吸合动作。在正常工作电压下，继电器处于释放状态，其常闭触头闭合，故在保护电路中通常利用其常闭触头实现控制功能。

2．电流继电器

电流继电器是根据输入线圈电流大小而动作的继电器，常用于电流保护和控制，分为过电流继电器和欠电流继电器。电流继电器的线圈应与负载串联。

过电流继电器在正常工作电流下，不会产生吸合动作，当负载电流大于整定值时，产生吸合动作。正常工作电流时继电器处于释放状态，其常闭触头闭合，故在保护电路中通常利用其常闭触头实现控制功能。

3．中间继电器

中间继电器可以完成信息保存、信息传递、隔离放大等作用，可以扩大触头数量及触头容量，提高信息的使用率和接通能力。它实质上是一种电磁式电压继电器。

电磁式继电器的型号、规格很多，使用过程中应结合设计要求，参照产品手册中继电器参数说明选择，本书对此不一一罗列。

1.6.3时间继电器

时间继电器是一种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，可以用来进行时间控制。其种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动机式、半导体式、数字式等类型。

时间继电器的延时方式有两种：通电延时和断电延时。

通电延时是指，当继电器获得输入信号后(输入线圈通电)开始延时，延时时间到后输出触头才动作(输出常开触头接通、常闭触头断开)；输入信号如果维持不变，输出一直有效，直到输入信号消失，输出触头恢复动作前的状态。断电延时则是在获得输入信号后(输入线圈通电)，输出触头立即动作(输出常开触头接通、常闭触头断开)；当输入信号消失后，继电器开始延时，延时时间到，输出触头恢复为动作前的状态。时间继电器的图形符号如图1-15所示。

图1-15时间继电器的图形符号

1.6.4热继电器

1．热继电器的结构与工作原理

热继电器的发热元件有很多种，包括双金属片式、热敏电阻式、易熔合金式三种，其中最常用的是双金属片式。

双金属片是采用两种线膨胀系数不同的金属片复合制成的，其中一端被固定，另一端为自由端，受热后会发生弯曲。受热方式有直接受热方式、间接受热方式、复合受热方式和互感器式受热方式四种，如图1-16所示。

图1-16双金属片的受热方式

热继电器的结构原理如图1-17所示。图1-17热继电器的结构原理图

在普通热继电器的基础上增加一个差动机构，对三个流经热元件的电流进行比较，就可实现电动机的缺相保护，这在三角形连接的电动机控制电路中必须注意。热继电器的图形符号如图1-18所示。

图1-18热继电器的图形符号

2．热继电器的选用

热继电器选用时通常应按电动机形式、工作环境、启动情况、负载情况等因素加以综合考虑。

(1)热继电器的热元件额定电流按电动机额定电流选择，但对过载能力较差的电动机，热元件的额定电流应适当小些，为电动机额定电流的60%～80%。

(2)根据电动机定子绕组联结方式确定热继电器是否要进行缺相运行保护。

(3)根据电动机实际运行情况，确保热继电器在电动机启动过程中不会误动作。对于不频繁启动的场合，可按电动机的额定电流选取热继电器；对于重复短时工作的场合，要特别注意热继电器的允许操作频率。

(4)对于频繁正反转和频繁启动制动工作的电动机不宜采用热继电器。

1.6.5固态继电器

固态继电器是一种无触头开关器件，它依靠半导体器件和电子元件的电、磁和光特性来完成信号的隔离和转换功能。它与普通电磁式继电器相比，是一种没有机械运动部件的继电器，但本质上具有相同的功能，性能上则具有可靠性高、寿命长、电磁干扰小、能兼容逻辑电路和集成电路、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点，因而较电磁式继电器应用范围更宽，并可进一步扩展到计算机控制领域。

固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离电路和输出电路。输入、输出电路均有交流型、直流型两类，输入、输出电路间的隔离方式有光电隔离和变压器隔离两种。输出时，直流通常采用功率晶体管或场效应管，交流采用可控硅作为开关元件，因此不存在机械延时，开关速度快。

光电耦合式交流固态继电器原理如图1-19所示。当没有输入信号时，光耦输出高电平，V2导通，VT1控制端为低电平而关断，VT2无触发信号处于关断状态；当输入信号经R1限流后仍能使光耦VD2导通，光耦输出低电平，V1截止，其集电极输出高电平触发VT1导通，双向晶闸管VT2的控制回路由R7、VD3、VT1、VD5、R8给出正半周触发信号，R8、VD6、VT1、VD4、R7给出负半周触发信号，VT2处于接通状态，负载通电工作。

1-19光电耦合式交流固态继电器原理图

略为简单一点的固态继电器原理如图1-20所示，工作原理与上基本相同。

图1-20简单光电耦合式交流固态继电器原理图

使用固态继电器时应注意：

(1)勿使负载两端短路，以免造成永久性损坏。半导体器件由导通到关断时存在漏电流，处理不当可能导致电源短路，如当控制电机正反转时，会有瞬间正向、反向同时接通的可能，足以造成系统短路。此外，也不宜直接控制小功率负载，以免导致误动作。

(2)当用固态继电器控制感性负载时，应接上氧化锌压敏电阻起保护作用。

(3)固态继电器是有损耗的，如果工作电流大，发热量就非常高，温度升高，负载能力将迅速下降，因此需要考虑散热。

(4)固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或快速断路器对其进行过载保护。

1.7主令电器

1.7.1控制按钮控制按钮简称按钮，是一种用人力操作并具有储能复位功能的开关电器，在电气控制线路中用于远距离发布控制命令或实现电气联锁。按钮主要由按帽、复位弹簧、动触头、常闭触头、常开触头和机座等组成，其结构与图形符号如图1-21所示。图1-21按钮结构与图形符号

按钮从结构上分为按钮式、急停式、钥匙式、旋钮式、保护式、密封式、自持式、带指示灯式等形式，为避免误操作，通常将按钮做成红、绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色，并作如下规定：

(1)“停止”、“急停”按钮必须是红色；

(2)“启动”按钮用绿色；

(3)“启动”和“停止”交替动作的按钮必须是黑、白或白、灰色，不得用红、绿色；

(4)“点动”按钮必须是黑色；

(5)“复位”按钮必须是蓝色，当复位按钮兼有停止的作用时，必须用红色。

1.7.2行程开关

行程开关也称位置开关，是用于反映机械设备的行程、发布命令以控制其运动方向或行程大小的主令电器。根据需要，行程开关可以安装在机械设备运行路线上的任意位置，通常作为零位(HOME)检测开关、左右行程限位开关、加工工位到位开关使用。其图形符号如图1-22所示。

图1-22行程开关图形符号

行程开关主要分为接触式结构和电子式非接触式结构两大类。通常的行程开关称谓多指前者，为无源式主令电器；后者习惯上称为接近开关，为有源式主令电器。

设备运行过程中，移动机构通过机械碰撞或滚动接触行程开关触头使其内部的常开触头闭合、常闭触头断开，这一类行程开关属于接触式行程开关。它有直动式、滚轮式和微动式三种。选用时应根据使用场合和控制对象确定开关种类和防护形式，为避免动作失灵导致事故，必要时可以采用双限位开关。

非接触式行程开关属于电子式，工作原理有高频振荡式、电容式、感应电桥式、永久磁铁式和霍尔效应式等，其中高频振荡式和霍尔效应式最为常用，通过金属检测物(铁质或金属材质)经过开关的感应头产生的电磁感应来改变输出状态。接近开关具有定位精度高、操作频率高、寿命长、耐冲击震动等优点，使用时应注意外接电源形式和放大器是NPN型还是PNP型结构。

1.1什么是低压电器？

1.2断路器在电路中的作用是什么？失压、过载和过电流脱扣器各起什么作用？

1.3接触器的作用是什么？根据结构特征如何区分交流、直流接触器？

1.4试比较中间继电器和交流接触器有何异同。在什么条件下中间继电器可以替代交流接触器启动电机？

1.5如果误把220 V交流接触器的线圈接入220 V直流电源，能正常工作吗？为什么？如果误把24V直流继电器线圈接入24V交流电源，能正常工作吗？为什么？

1.6交流接触器线圈能否串联使用？为什么？

1.7

熔断器的额定电流与熔体的额定电流有何区别？

1.8

过电流和欠电流继电器主要有什么区别？

1.9

热继电器和熔断器用于保护交流三相笼型异步电动机时，能不能互相取代？为什么？

1.10时间继电器和中间继电器在电路中有何作用？

1.11

是否可用过电流继电器来作为电动机的过载保护？为什么？

1.12

符号QS、FU、KI、KA、KM、SQ、SA各表示什么电器元件？

第2章电气控制线路基础2.1电气控制线路图基础知识2.2继电接触器控制线路基本环节2.3三相笼型异步电动机的基本控制电路2.4典型生产机械设备电气电路分析思考与习题

2.1电气控制线路图基础知识

2.1.1常用电气图的图形符号和文字符号在电气图中，电气设备和电气元件用不同的图形符号和文字符号表示。这些图形符号和文字符号必须采用统一标准。国家标准局参照国际电工委员会(IEC)颁布的有关文件，制定了我国电气设备的有关国家标准，如：GB/T

4728《电气简图用图形符号》、GB/T7159《电气技术中的文字符号制定通则》。

2．文字符号

文字符号是用来表示电气设备、装置和元器件种类的字符代码和功能字符代码(名称、功能、状态和特征)。电气图中的文字符号，采用大写拉丁字母正体字表示(“I”、“J”、“O”除外)，标注在相应的设备、装置、元器件上或近旁。文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。

1)基本文字符号

基本文字符号又分单字母文字符号和双字母文字符号两种。单字母符号表示电气设备、装置和元器件的大类，每大类用一个专用单字母符号表示，如“K”表示继电器、接触器类，“R”表示电阻器类，“Q”表示开关类，“C”表示电容器类等。

2)辅助文字符号

辅助文字符号是用以表示电气设备、装置和元器件以及电路的功能、状态和特征的。如“DC”表示直流，“AC”表示交流，“SYN”表示同步，“ASY”表示异步，“L”表示限制，“RD”表示红色等。辅助文字符号也可放在表示种类的单字母符号后边组成双字母符号，如“KS”表示速度继电器，“KM”表示继电器类元件中的接触器。为简化文字符号起见，当辅助文字符号由两个以上字母组成时，可以只采用其第一位字母进行组合。

3)补充文字符号

补充文字符号用于基本文字符号和辅助文字符号在使用中仍不够用时进行补充标记，但要按照国家标准中的有关原则进行。例如，需要在电气原理图中对相同的设备或元器件加以区别时，常使用数字序号进行编号，如“G1”表示1号发动机，“T2”表示2号变压器。

4)线路和三相电气设备端标记

线路采用字母、数字、符号及其组合标记。标记方法包括对三相交流电源、电动机主电路、控制电路、电动机绕组的标记方法。

控制电路采用阿拉伯数字编号，一般由三位或三位以下的数字组成。标注方法按“等电位”原则进行，在垂直绘制的电路中，标号顺序一般由上而下编号，凡是被线圈、绕组、触头或电阻、电容等元件所隔离的线段，都应标以不同的电路标记。参阅图2-l所示的电气原理图中元件符号和线路标记。

2.1.2电气控制线路图的绘制规则

常用电气控制线路图有系统图、电气原理图、电气元件布置图和电气安装图。

1．电气原理图

电气原理图是用来表示电路中各电气元件的连接关系和电气工作原理的电路图。由于原理图具有结构简单、层次分明，便于研究和分析电路的工作原理等优点，因此无论在设计部门还是现场及教学上都得到了广泛的应用。下面说明电气原理图的绘制原则，请参照图2-1的电气原理图。

图2-1电气原理图示例图2-1电气原理图示例

(1)电气原理图一般分为主电路和辅助电路。主电路是从电源到电动机或线路末端的电路，是强电流通过的部分，画在原理图的左侧或上面。辅助电路是通过小电流的电路，一般是由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触头、继电器的触头等组成的控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，画在原理图的右侧。复杂的系统则分图绘制。

(2)每一电器元件采用国家规定的统一的图形符号来表示，在图形符号附近用文字符号标注属于哪类电器，例如，线路接触器的线圈和触头皆用文字符号KM标注。需要测

试和拆、接外部引出线的端子，用图形符号“空心圆”表示。电路的连接点用“实心圆”表示。

(3)同一电器的各个部件(如接触器的线圈和触头)在图中的位置，根据便于阅读和研究的原则来安排，可以不画在一起，但属于同一电器的部件均编以相同的文字符号。若有多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号，如KM1、KM2等。

(4)对于接触器、继电器的触头按吸引线圈不通电状态画出，控制器手柄按趋于零位时的状态画出，按钮、行程开关触头按不受外力作用时的状态画出等。

(5)在原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电器元件一般应按动作顺序和信号流从上到下、从左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置，并尽可能减少线条和避免线条交叉。电路中各元器件触头图形符号，当图形垂直放置时，以“左开右闭”原则绘制；当图形为水平放置时，以“上闭下开”原则绘制。

(6)直流和单相电源电路用水平线画出，一般画在图样上方(直流电源的正极)和下方(直流电源的负极)。多相电源电路，用水平线集中画在图样上方，相序自上而下排列。中性线(N)和保护接地线(PE)放在相线之下。主电路与电源电路垂直画出。控制电路与信号电路垂直画在两条水平电源线之间。耗电元件(如线圈、电磁铁、信号灯等)直接与下方水平线连接，控制触头连接在上方水平线与耗电元件之间。

(7)为了便于检索电气线路，方便阅读、分析，在原理图的上方或右方将图分成若干图区，并标明该区电路的用途与作用。

(8)在电气原理图中，接触器和继电器线圈与触头之间的从属关系要加以说明，即在原理图中相应线圈的下方，给出触头的文字符号，并在其下注明相应触头的索引代号，对未使用的触头用“×”表示，也可以不画，如图2-2是对接触器KM相应触头的索引。

接触器各栏的含义如下：

左栏：主触头所在的图区号；

中栏：动合辅助触头所在的图区号；

右栏：动断辅助触头所在的图区号。

对于继电器，其各栏的含义如下：

左栏：动合触头所在的图区号；

右栏：动断触头所在的图区号。

2．电气元件布置图

电气元件布置图主要是用来表明成套设备中所有电机电器的实际位置的一种图，为生产机械的电气控制设备的制造、安装提供必要的资料。图中各电器代号应与有关电路图和电器清单上所用的元器件代号相同。图中不需要标注尺寸。图2-3为电气元件布置图的示例。

图2-3电气元件布置图示例

3．电气安装图

电气安装图又称电气互连图、安装接线图，用于电气设备和电气元件的安装、配线或检修。它清楚地表明电气设备外部元件的相对位置及它们之间的电气连接，在具体施工和抢修中能够起到电气原理图所起不到的作用，在生产现场得到广泛应用。它是电气原理图具体实现的表现形式，可直接用于安装配线。

绘制电气安装图的原则是：

(1)同一电器的各部件画在一起，其尺寸和比例没有严格要求，各部件的位置尽量符合实际情况。

(2)各电气元件的图形符号、文字符号和回路标记，均应以原理图为准，并且要保持一致。

(3)不在同一控制箱内或不是同一块配电屏上的各电气元件之间的连接，必须通过接线端子板进行连接。同一控制箱内的各控制元件之间可以直接连接。安装接线图上所表示的电气连接，一般不表示实际走线的途径，施工时由操作者根据实际情况选择最佳走线方式。

(4)应详细地标明配线用的各种导线的型号、规格、截面积及连接导线的根数，标明所穿管子的型号、规格等，并标明电源的引入点。

图2-4为某车床电气安装图的一部分。该图中表明了电源进线、按钮板、电动机与接线端子板之间的连接关系。

图2-4电气安装图示例

2.2继电接触器控制线路基本环节

2.2.1启停、自锁环节和连续控制图2-5为三相异步电动机单向全压启动、停止、连续自锁控制线路。主电路由刀开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触头、热继电器FR的热元件和电动机M构成。控制回路由FR的常闭触头、停止按钮SB1、启动按钮SB2、接触器线圈KM和常开触头KM组成，这也是最典型的启动、停止、连续自锁控制线路。图2-5三相异步电动机连续控制电路

2.2.2点动控制

在生产实际中，有的生产机械需要点动控制，如夹紧机构在夹紧过程中机床的对刀调整、快速进给等。有的生产机械进行运动位置调整时，也需要点动控制。图2-6列出了几种点动控制线路。

图2-6实现点动的几种控制电路

2.2.3可逆控制与互锁(或联锁)环节

许多机械运动部件，根据工艺要求经常需进行正反方向两种运动，采用电力拖动时可借电动机的正反转来实现这两种运动。由异步电动机的工作原理可知，只要改变电动机三相电源的相序，就可以实现对异步电动机正反向运动的控制。为了更换相序，需要使用两个接触器来完成。图2-7为异步电动机正反转的自动控制线路。正转接触器KM1接通正向工作电路，反转接触器KM2接通反向工作电路，此时电动机定子端的相序恰与前者相反，系统全压启动。

图2-7(a)所示的自动控制线路具有下述缺点：若不小心同时按下正向按钮SB1和反向按钮SB2，可以使KM1、KM2接触器同时接通，会造成主电路的电源发生短路事故。为避免产生上述事故，必须加互锁保护，使其中任一接触器工作时，另一接触器即失效不能工作。为此，采用如图2-7(b)所示的电气互锁，当按下SB1按钮后，接触器KM1动作，使电动机正转。KM1除有一常开触头将其自锁外，另有一常闭触头串联在接触器KM2线圈的控制回路内，此时断开。因此，若再按SB2按钮，接触器KM2受KM1的常闭触头互锁不能动作，这样就防止了电源短路的事故。

但此线路尚存在下述缺点，反向时，必先按停止按钮SB，不能直接按反向按钮SB2，故操作不太方便。造成此缺点的基本原因在于按SB2时，不能断开正向接触器KM1的常闭触头，继续互锁保护。因此，需采用复合按钮，接成如图2-7(c)所示的线路。此线路是一个较完整的正反转自动控制线路，生产机械中用得很多。

图2-7异步电动机正反转的自动控制线路

2.3三相笼型异步电动机的基本控制电路

2.3.1电动机降压启动的控制电路三相异步电动机在容量较小时可以采用全压直接启动，控制线路简单。但对于容量较大的电动机，采用全压启动，启动电流会很大，应采用降压启动。星形/三角形降压启动是常用的方法之一。

图2-8所示电路为交流50

Hz、电压380

V三相异步电动机的星形/三角形启动。在该电路中，电动机启动过程的星形/三角形转换是靠时间继电器自动完成的。

图2-8三相电动机的星形/三角形启动电路

2.3.2三相异步电动机的制动控制

许多生产机械都要求能迅速停车或准确定位，这就需要对电动机采取有效的制动措施。一般采用的制动方法有机械制动与电气制动。所谓机械制动，是利用外加的机械力使电动机转子迅速停止的方法。电气制动是使电动机的电磁转矩方向与电动机旋转方向相反，起制动作用。下面介绍三相异步电动机反接制动和能耗制动的电气控制原理。

1．三相感应电动机反接制动

通过改变电动机三相电源相序，使电动机定子旋转磁场与转子旋转方向相反，产生电磁制动转矩，使电动机转速迅速下降，当电动机转速接近零时应立即切断三相交流电源，否则电动机将反向启动旋转。当电源反接制动时，转子转速与突然反向的定子旋转磁场的相对速度接近于2倍的同步转速，因此反接制动时，定子绕组电流相当于电动机全压启动时启动电流的2倍。为了减小这一冲击电流，电动机电源反接制动时，应在电动机定子电路中串入反接制动电阻，并限制其每小时反接制动的次数。

由以上分析可知，电动机电源反接制动关键在于：

(1)三相感应电动机电源相序要反接。

(2)当电动机转速接近零时，应迅速切断三相感应电动机的三相电源，否则会出现反向启动。

(3)进行电源反接制动时，电动机定子电路应串入反接制动电阻，以减小反接制动电流，减小制动冲击。

图2-9为电动机单向运行反接制动电路。图中KM1为电动机单向运行接触器，KM2为反接制动接触器，KV为速度继电器，R为反接制动限流电阻。速度继电器一般在120～1300

r/min转速范围内触头动作，而转速低于100

r/min时，触头复位。

图2-9电动机单向运行反接制动电路

2．三相感应电动机能耗制动

能耗制动是将运行中的电动机从交流电源上切除的同时，在定子绕组上接通直流电源，在电动机中产生一个静止的直流恒定磁场，转子导体中的感应电流与恒定磁场相互作用，产生制动力矩，使电动机迅速减速，最后停止转动。图2-10为三相感应电动机能耗制动控制电路原理图。

图2-10三相感应电动机能耗制动控制电路原理图

(1)KM2常闭触头与KM1线圈回路串联，KM1常闭触头与KM2线圈回路串联，保证了KM1与KM2线圈不可能同时通电，也就是在电动机没脱离三相交流电源时，直流电源不可能接入定子绕组。

(2)按钮SB1的常闭触头接入KM1线圈回路，SB1的常开触头接入KM2线圈回路，这时按钮互锁保证了KM1、KM2不可能同时通电，与上面的互锁触头起到同样作用。

2.3.3电动机可逆运行自动往返控制电路

有些生产机械，如组合机床、龙门刨床、导轨磨床、铣床等要求工作台在一定距离内能自动往返。而自动往返通常是利用行程开关实现位置到位检测和反向触发。若在预定位置电动机需要停止，则将行程开关安装在相应位置处，其常闭触头串接在相应的控制电路中。这样，在机械装置运动到预定位置时行程开关动作，常闭触头断开相应的控制电路，电动机停转，机械运动也停止。

若需停止后立即反向运动，则应将此行程开关的常开触头并接在另一控制回路中的启动按钮处，这样在行程开关动作时，常闭触头断开了正向运动控制的电路，同时常开触头又接通了反向运动的控制电路。图2-11为自动往返控制电路，其中图2-11(a)是一个机械运动的示意图，图2-11(b)是往返循环电气控制原理图。图2-11自动往返控制电路

2.3.4电气控制系统的保护环节

电气保护环节是电气控制系统的重要组成部分，是保证电气控制系统安全可靠运行的主要措施之一。所有电气控制系统必须设有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、电器以及其他电路元件等。

电动机或电气元件都是在一定的额定电压下才能正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电，都可能造成生产机械的损坏或人身事故，因此在电气控制线路设计中，应根据要求设置失压保护、过电压保护及欠电压保护。

1．短路保护

电器或线路绝缘损坏、负载短接、人为接线错误等故障，都有可能发生短路事故。短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍，导致产生过大的热量，使电器设备和导线的绝缘损坏，甚至因电弧而引起火灾。因此要求一旦发生短路故障，控制电路能迅速地切断电源，这种保护叫短路保护。常用的短路保护元件有熔断器、低压断路器或专门的短路保护继电器等。在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。若主电路容量较小，其电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护；若主电路容量较大，则控制电路一定要单独设置短路保护，如图2-12所示。

图2-12电气控制电路中常用的保护环节

2．过电流保护

过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流，是指电动机或电气元件超过其额定电流(一般不超过2.5IN)的运行状态，时间长了同样会过热损坏绝缘，需要采取保护。不正确启动和过大的负载转矩常常引起电动机很大的过电流，但一般比短路电流要小。在电动机运行中，产生过电流比发生短路的可能性更大，特别是在频繁启动和正反转、重复短时工作制电动机中更是如此。在过电流情况下，电气元件并不是马上损坏，只要在达到最大允许温升之前，电流值能恢复正常，还是允许的。

3．过载保护或热保护

过载保护是类似于过电流保护的一种电流型保护。过载是指电动机的运行电流大于其额定电流。造成电动机过载的原因很多，如负载过大、三相电动机缺相运行、欠电压运行等。长期处于过载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命降低，严重时还会使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元

件是热继电器，如图2-12中的FR。

4．欠电压与零电压保护

当电动机正常工作时，如果电源电压因某种原因消失造成停转，那么在电源电压恢复时，电动机就可能自行启动，这会造成事故。对电网来说，许多电动机同时启动，也会引起不允许的过电流和瞬间电网电压下降。为了防止电网失电，恢复供电时电动机自行启动的保护称为零电压保护。采用接触器及按钮控制电动机的启停，具有零电压保护作用。

图2-12是电气控制线路常用保护环节的集中体现，当然，有时这些保护环节并不一定全部需要，但短路保护、过载保护、零电压保护一般是不可缺少的。

图中各电路元件所起的保护作用分别是：

短路保护：熔断器FU1和FU2；

过载保护：热继电器FR；

过电流保护：过电流继电器KI1、KI2；

零电压保护：中间继电器KA；

欠电压保护：欠电压继电器KV；

联锁保护：KM1和KM2互锁。

5．弱磁保护

电动机磁通的过度减少会引起电动机的超速甚至发生“飞车”，因此需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过电动机励磁回路串入欠电流继电器来实现的，在电动机运行中，如果励磁电流消失或降低太多，欠电流继电器就会释放，其触头切断接触器线圈的电源，使电动机断电停车。

2.4典型生产机械设备电气电路分析

2.4.1电气控制电路分析基础分析一个设备的电气控制，首先要详细阅读设备说明书及设备的技术资料，理解其工作原理、综合控制、使用方法和维护要求，主要包括以下几个内容。

1．电气控制分析的内容

(1)设备说明书：通过阅读设备说明书，分析设备的基本结构，机械、液压、气动部分的工作原理，分析加工工艺、电气传动方式和对电气控制的要求，以及设备的使用方法。

(2)电气控制原理图：包括主电路、控制电路、辅助电路、保护及联锁环节以及特殊控制电路等。

(3)电气设备的总装接线图。

(4)电气元件布置图与接线图。

2．电气控制原理图的阅读分析方法

(1)了解电气控制系统的总体结构、电动机和电气元件的分布状况；分析机械部件与电气元件的关联，含操纵手柄、行程控制的挡铁、撞块、离合器、电磁铁等的状态及安装位置；分析工艺过程、电气控制原理、控制要求。

(2)分析主回路。从主回路入手，根据伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，分析它们的控制内容。控制内容包括启动、方向控制、调速和制动。

(3)分析控制电路。根据主回路中各伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中的控制环节，按功能不同划分成若干个局部控制线路来进行分析。分析控制电路的最基本的方法是查线读图法。

(4)分析辅助电路。辅助电路包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，它们大多由控制电路中的元件来控制，所以在分析时，还要回头来对照控制电路进行。

(5)分析互锁与保护环节。机床对安全性和可靠性有很高的要求，为实现这些要求，除了合理地选择元器件和控制方案以外，在控制线路中还设置了一系列电气保护和必要的电气互锁。

(6)总体检查。经过“化整为零”，逐步分析每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须用“集零为整”的方法，检查整个控制线路，看是否存在遗漏，特别要从整体的角度进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。

2.4.2C650型普通卧式车床电气控制电路分析

1．C650车床对电气控制的要求

C650车床共采用三台三相笼型异步电动机拖动，各台电动机的控制要求是：

(1)进给电动机(简称主电动机)M1，功率为30

kW，允许在空载情况下直接启动。主轴与进给电动机要求实现正、反转，可经主轴变速箱实现主轴正、反转，或通过挂轮箱传给溜板箱来拖动刀架实现刀架的横向左、右移动。

(2)冷却泵电动机M2，功率为0.15

kW，用以在车削加工时，提供冷却液，对工件与刀具进行冷却。电动机采用直接启动、单向旋转、连续工作方式，具有短路保护与过载保护。

(3)快速移动电动机M3，功率为2.2

kW，由于溜板箱连续移动是短时工作，故M3只要求单向点动、短时运转，不设过载保护。

2．C650型车床电气控制电路分析

1)控制原理图

图2-13为C650型普通车床电气控制原理图。

图2-13C650型卧式车床电气控制原理图

2)控制电路分析

控制电路的电源为110 V的交流电压，由控制变压器TC供给控制电路。同时，TC还为照明电路提供36 V的交流电压，FU4为控制电路短路保护熔断器，FU3为照明电路短路保护熔断器，车床局部照明灯EL由主令开关SA控制。

(1)主电动机M1的点动调整控制。

(2)主电动机M1的正、反转控制。

(3)主电动机M1的停车制动控制。

(4)冷却泵电动机M2的控制。

(5)刀架移动电动机M3的控制。

(6)辅助电路。

2.4.3摇臂钻床

1．摇臂钻床的工作情况

摇臂钻床是一种孔加工机床，可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹等加工。

摇臂钻床主要由底座、内外立座、摇臂、主轴箱和工作台等组成。摇臂的一端为套筒，套装在外立柱上，并借助丝杠的正、反转可沿外立柱作上下移动。

主轴箱安装在摇臂的水平导轨上，可通过手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂移动。加工时，根据工件高度的不同，摇臂借助于丝杠可带着主轴箱沿外立柱上下升降。在升降之前，应自动将摇臂松开，再进行升降，当达到所需的位置时，摇臂自动夹紧在立柱上。

钻削加工时，钻头一面旋转一面作纵向进给。钻床的主运动是主轴带着钻头作旋转运动。进给运动是钻头的上下移动。辅助运动是主轴箱沿摇臂水平移动，摇臂沿外立柱上下移动和摇臂与外立柱一起绕内立柱的回转运动。

2．Z3040摇臂钻床的电气控制分析

图2-14为Z3040摇臂钻床的电气控制原理图。

摇臂钻床共由4台电动机拖动。M1为主轴电动机。钻床的主运动与进给运动皆为主轴的运动，都由电动机M1拖动，分别经主轴与进给传动机构实现主轴旋转和进给。主轴变速机构和进给变速机构均装在主轴箱内。M2为摇臂升降电动机，M3为液压泵电动机，M4为冷却泵电动机。

图2-14Z3040摇臂钻床的电气控制原理图图2-14Z3040摇臂钻床的电气控制原理图

(3)主轴箱和立柱的夹紧与放松控制。

主轴箱和立柱的夹紧与松开是同时进行的，均采用液压机构控制。工作过程如下：

松开：按下松开按钮SB5→接触器KM4通电→液压泵电动机M3正转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别松开→限位开关SQ4复位→松开指示灯HL1亮。

夹紧：按下夹紧按钮SB6→接触器KM5通电→液压泵电动机M3反转，推动松紧机构使主轴箱和立柱分别夹紧→压下限位开关SQ4→夹紧指示灯HL2亮。

(4)照明线路：变压器T提供36 V交流照明电源电压。

(5)摇臂升降的限位保护：摇臂上升到极限位置压动限位开关SQ1-1，或下降到极限位置压动限位开关SQ1-2，使摇臂停止升或降。

2.1在下表的空白处填上电器的图形符号。

2.2自锁环节怎样组成？它起什么作用？

2.3什么是互锁环节？它起什么作用？

2.4试设计一台异步电动机的控制线路，要求如下：

(1)能实现启、停的两地控制；

(2)能实现点动调整；

(3)能实现单方向的行程保护；

(4)有短路和过载保护。

2.5电气控制线路常用的保护环节有哪些？各采用什么电气元件？

第3章继电接触器控制系统设计3.1控制系统设计基础3.2继电接触器控制系统原理图的设计3.3控制工艺设计基础思考与习题

3.1控制系统设计基础

电气控制系统主要包括高低压配电系统、继电保护系统、电气传动系统、机床控制系统、自动生产控制系统等，多以电动机作为执行对象，控制方式则由传统的继电接触器控制为主逐渐发展为PLC控制，计算机控制为主、低压电器为辅的控制模式。

3.1.1控制系统设计的基本任务与内容

控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必需的设计图纸、设计资料等。设计图纸包括电气原理图(主回路、辅助回路)、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱(柜)图、控制面板图和非标准件加工图等；设计资料包括元器件清单(名称、型号、数量、厂家等)、设备技术说明书(电气图工作原理、元器件参数选用计算依据、程序注释等)和使用说明书(设备组成、使用方法、故障分析及排除等)。

3.1.2控制系统设计原则

控制系统设计的一般原则如下：

(1)最大限度地实现生产机械和工艺对控制线路的要求。控制系统是为生产服务的。

(2)在满足生产要求的情况下，控制线路应力求简单、经济，提高性价比。

①尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。

②合理安排电气元件及触头的位置。在图3-1所示的线路中，行程开关的触头与线圈位置安排不当，一方面使行程开关与控制柜间连线数量由图3-1(b)的3根增加为图3-1(a)的4根，不利于安装和维护；另一方面，从可靠性上分析，图3-1(a)的接法可能会因常开、常闭触头动作时出现的电位差产生电弧造成电源短路。因此合理的接法是按照图3-1(b)，将触头接在同一相线上。

图3-2为一典型的启-保-停控制电路，图3-2(a)由于停止按钮SB1的位置安排不当将导致操作台与电气柜之间的接线数量增加。因此，合理设计为图3-2(b)。

图3-1电器触头的合理安排(一)图3-2电器触头的合理安排(二)

③尽量缩减电器的数量，采用标准件，并尽可能选用相同型号，这样可以降低研制和生产成本，便于厂家采购和降低备品备件的数量、种类。

对于采用经验设计法完成的控制线路，必要时可采用逻辑分析法进行简化，减少不必要的触头以简化电路，提高可靠性。

图3-3为采用合并触头、合并开关的方式进行的电路简化。

图3-3控制线路的简化

图3-3(a)采用逻辑分析法，分析有

因为

所以

(3)保证控制线路工作的可靠和安全。

①正确连接电器线圈和触头。在交流控制电路中线圈不能串联使用，原因是交流线圈在工艺上存在的略微差异会导致先吸合电器阻抗增加，经分压后使未动作的线圈电压无法达到动作值，从而不能同时吸合。两个交流电器若要同时动作应采用并联方式，如图3-4(b)所示。

图3-4交流线圈连接方法

在直流控制电路中，电感差异较大的同电压等级的线圈不应直接并联使用，原因是电感较大的电器(如YV：电磁阀)由接通到断开产生的感应电动势会导致中间继电器KA的瞬间误动作，导致控制逻辑改变。其解决方法是为YV线圈提供一个泄流回路，同时将KA的控制电路与原电路分离，如图3-5(b)所示。

图3-5直流线圈容量差异较大时的连接方法

②控制线路中应避免出现“寄生”电路。“寄生”电路是指在线路动作过程中，不是由于误操作引起的意外接通电路。这类情况通常是由于电路设计不合理造成的，如图3-6所示。在图3-6(a)中，当KM1回路接通时出现过载导致热继电器动作，常闭触头FR断开，但由于位置安排不合理，导致电源经KM1、KM2线圈，信号指示灯HL2形成回路，从而无法关断KM1实施保护。其解决方法是将FR常闭触头安排在上面即可，如图3-6(b)所示。

图3-6“寄生”电路的处理

③尽量避免多个电器依次动作才能接通另一个电器的控制结构，可以提高线路工作的可靠性，如图3-7所示。

图3-7减少通电电器的连接方法

④选择好控制电器元件的动作类型，注意“竞争”现象。

“竞争”现象：对于控制电路，采用不同动作类型的触头，会得到不同的输出状态，称为电路的“竞争”。如图3-8所示，继电器KA采用“先合后断”型触头，当交流接触器常开触头KM接通，KA线圈通电，其常开触头先接通自锁，常闭触头后动作并分断接触器触头，电路能够工作；若采用“先断后合”型触头，电路则无法工作。

图3-8触头“竞争”现象

⑤应具有完善的保护环节，包括必要的电气联锁。

分析控制线路运行特点，合理地安排保护环节，如短路、过载、过流、欠流、过压、欠压、失压、缺相等保护。对于可逆运行电机，必须采取电气互锁(接触器、继电器触头互锁)、机械互锁(行程开关互锁)等措施。此外还应提供必要的监控信息，如工作电压、电流值的仪表显示和运行、报警等工况指示。

(4)应尽量使操作和维修方便。操作方式方法应符合生产规范，尽量做到与同类型生产设备的操作一致，提供多点启动、多点停止或急停。控制方式可根据需要设置手动方式和自动方式，为便于设备调试及维修，自动方式还可进一步细分为单步、单周期、循环等方式。

3.1.3控制系统设计的基本步骤

控制系统设计的基本步骤如下：

(1)制定设计任务书。

(2)确定拖动方案，确定电机型号。

(3)确定控制方案。

(4)设计控制原理图。

主回路是指有负载(电机、电磁阀等设备)电流流过的线路，电流通常较大，因此控制电器不能直接接在主回路线路中。它的组成主要包括负载、保护电器、断路器或刀开关、执行电器(如接触器)，部分电路可能还包括显示表头、变压器、功率电阻等器件。

辅助回路(又叫二次回路)通常是指用来控制主回路内执行器件的通断逻辑，使负载按照生产工艺要求进行动作的控制电器组合和必要的联锁、保护电路。当控制系统采用PLC、DCS等控制方式后，辅助回路的主要任务转变为控制设备供电、现场信号与控制器信号匹配、输出信号与执行器件电压匹配、硬件联锁、显示、保护、报警等。

(5)选择电气元件，制定元器件明细表，必要时应给出元器件生产厂家。

(6)设计电气设备的施工图纸，包括控制柜(箱)、元器件布置图、接线图、控制面板图等。

(7)编写设计说明书和使用说明书。

3.2继电接触器控制系统原理图的设计

原理图设计是电气控制系统设计的主要内容之一。在继电接触器控制方式下，原理图设计包含了拖动方案和控制方案的设计。当采用PLC控制、计算机控制等控制方式时，原理图设计和软件设计都是设计的核心内容。

3.2.1原理图的基本设计方法

1．经验设计法

经验设计法是将控制系统划分为若干个控制环节，根据生产工艺，结合各种典型电路环节逐一设计，然后将各个环节组合起来，加入必要的联锁、保护环节，构成完整的控制线路。

经验设计法的特点是方法简单，容易掌握，方法答案不唯一，对设计者的工作经历(经验)有较高要求。

2．逻辑设计法

逻辑设计法是将逻辑代数引入控制系统设计中，利用输入信号、检测信号、中间单元、输出逻辑值等开关量作为输入变量，按一定逻辑规律组成逻辑表达式，其输出变量为执行元件。设计的核心是建立控制任务的逻辑规律，即逻辑表达式。

逻辑设计法的特点是线路简单、合理、优化程度高，适合较复杂的电气系统设计，要求设计者具有一定的知识背景。当然，采用逻辑设计法得到的控制线路还需要加入必要的联锁、保护等环节。

1)电路元件的逻辑表示

电路元件的逻辑表示方法如下：

(1)用逻辑原变量KA、KM、SB、SQ等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常开触头。

用逻辑反变量等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常闭触头。

(2)电路中开关元件受激(通电接通)状态为“1”状态，开关元件的原始(失电断开)状态为“0”状态；触头的闭合为“1”状态，触头的断开为“0”状态。具体描述如下：

对于输出变量(线圈)：

表示继电器线圈通电

表示继电器线圈断电

对于输入变量(触头