自动化原理-电气控制基础知识要点课件

电气控制基础知识Preparedby

:AMEDate:10/28/2011电气控制基础知识Preparedby:AME第一章自动化生产概念第二章电气控制基本原理第三章常用电气控制器件第四章可编程序控制器简介目录第一章自动化生产概念目录第一章自动化生产概念第一章自动化生产概念■自动化生产：时指人们通过自动化的技术手段来创造各种产品的过程，它能够实现作业过程的主动完成而无须或只需极少的人工参与。■自动化目的：省人，省力，提高质量，降低成本。■自动化对象：设备，物流，信息，管理■技术特点：以机、电、液、气等控制方式，以控制生产过程中温度、压力、流量、位置、及成分等工艺参数实现制造过程自动化，以计算机和网络通信技术为手段将设计、生产和工程技术等环节集成一体，实现优质高效。自动化生产的概念■自动化生产：时指人们通过自动化的技术手段来创造各种产品的■机械主体（身躯）：机械主体简称机体，包括机壳、框架，起支承和基准作用（要求：稳定，长期不变形，能减震，水平调节）■传动系统（内脏）：产生和传递动力，常见的有机械传动、电机传动、液压传动、气压传动、电磁传动等。■检测装置（五官）：从被控现场获得各种信号，供控制器分析、判断和决策。常见的有光电开关、行程开关、温度传感器等。自动化设备的组成及特点■机械主体（身躯）：机械主体简称机体，包括机壳、框架，起支■执行机构（四肢）：处于传动系统的末端，是用于完成最终的特定动作的末端部件。例如用于完成夹紧动作的气缸、由丝杠驱动在导轨上作往复直线运动的工作台等。（要求：高可靠性，快速、准确、高效率）■控制系统（大脑）：包括硬件和软件。硬件有工业控制装置、接口电路和外部设备；软件有系统软件和应用软件。常见的工业控制装置有计算机、单片机、PLC等。■执行机构（四肢）：处于传动系统的末端，是用于完成最终的特自动化设备的特点■安全可靠：具有自动监视、报警、诊断、检测、调节、修正、补偿、保护以及自动记录等功能。并采取安全联锁控制、过负荷和失控保护、停电对策等，无接触式传感器件使用也提高了设备安全可靠性。■生产质量和生产效率高：自动化设备具有自动控制和调节功能，能模拟人工最佳操作技巧，并排除人为因素影响，保证质量的同时提高生产率。■体积小、重量轻、使用方便：自动化设备一般采用人机界面、数字显示、程序控制，自动化程度高，手柄、按钮数量减少，操作简单方便，有的可以达到无人化操作。■具有柔性：可根据用户需求变化，及时对产品结构和生产过程进行调整、修改，从而实现多品种的生产。自动化设备的特点■安全可靠：具有自动监视、报警、诊断、检测、第二章电气控制基本原理第二章电气控制基本原理■电气控制就是实现对电动机或其他执行电气元器件的起停、正反转、调速、制动、定位等运行方式的控制，以实现生产过程自动化，满足生产工艺的要求。■电气控制线路的实现，可以是继电器+接触器逻辑控制方法、可编程序逻辑控制方法及计算机控制（单片机、可编程序控制等）方法等。而继电器+接触器逻辑控制方法是最基本的方法，是各种控制方法的基础。电气控制概论■电气控制就是实现对电动机或其他执行电气元器件的起停、正反转■电气原理图：它是指该设备电气工作原理的图样，所以反映的是用图形符号和项目代号表示的电路中各电气元件之间连接关系的图形。■电气元器件位置图（电气布置图）：它是表示电气控制系统中各电气元件的实际安装位置的图样。■电气安装接线图：它是按电气原理图及电气元件安装的位置来绘制的。电气接线图是安装电气设备或检查线路故障的依据。电气图纸的类型■电气原理图：它是指该设备电气工作原理的图样，所以反映的是用部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号（1）一般三极电源开关低压断路器常开触点常闭触点复合触点限位开关QKQFSQ熔断器常开常闭复合按钮FUSB线圈主触点常开辅助触点常闭辅助触点接触器KM线圈常开延时闭合触点常闭延时打开触点常开延时打开触点常闭延时闭合触点时间继电器KT部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号（1）常开触点部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号（2）常开触点常闭触点速度继电器热元件常闭触点热继电器线圈常开触点常闭触点中间继电器KVFRKA电磁铁YA线圈常开触点常闭触点电压继电器KU线圈常开触点常闭触点电流继电器KI信号灯HL直流电动机M变压器三相异步电动机M转换开关SA部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号（2）常开触点电气原理图举例电气安装接线图举例电气原理图举例电气安装接线图举例第三章常用电气控制器件第三章常用电气控制器件第一节概述电器：对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护作用，在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用广泛可编程序控制器（PLC）是计算机技术与继电器、接触器控制技术相结合的产物，其输入、输出与低压电器密切相关。

电器元件本身朝着新的领域扩展电器元件性能提高

新型电器元件产生

机、电、仪一体化电器元件实现

电器元件应用范围扩展有些电器元件有其特殊性以继电器、接触器为基础的电气控制技术具有相当重要的地位掌握继电接触器控制技术也是学习和掌握PLC应用技术必需的基础第一节概述电器：对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、电器元件的分类：按工作电压等级分类:

▪高压电器：AC1200V、DC1500V及以上电路中的电器。

▪低压电器：AC1200V、DC1500V以下电路中的电器。按动作原理分类：▪手动电器：通过人的操作发出动作指令的电器。▪自动电器：产生电磁吸力而自动完成动作指令的电器。按用途分类：

▪控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。

▪配电电器：用于电能的输送和分配的电器。

▪主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。

▪保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。

▪执行电器：用于完成某种动作或传送功能的电器。电器元件的分类：按工作电压等级分类:第二节接触器电力拖动和自动控制系统中使用量大，涉及面广的一种低压自动控制电器，用来频繁地接通和分断交、直流主回路和大容量控制电路。1-主触点2-常闭辅助触点3-常开辅助触点4-动铁心5-线圈6-静铁心7-灭弧罩8-弹簧

电磁接触器结构示意图电磁机构：将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作.触点：接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。灭弧装置：熄灭触点分断电流瞬间触点之间气隙中产生的电弧。其它：包括释放弹簧机构、支架与底座等。动铁心（衔铁）静铁心电磁线圈按所控制电路▪主触点

▪辅助触点按原始状态

▪常开触点

▪常闭触点灭弧罩灭弧栅磁吹灭弧装置第二节接触器电力拖动和自动控制系统中使用量大，涉及面广的下铁心上铁心主触点动触点静触点吸引线圈接触器根据电磁原理工作：

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，并带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，即常开触点断开，常闭触点闭合。

电磁接触器工作原理下铁心上铁心主触点动触点吸引线圈接触器根据电磁原理接触器分类及特点：交流接触器：线圈通以交流电，主触点接通、切断交流主电路。

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交变磁通穿过铁心，产全涡流和磁滞损耗，使铁心发热。

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铁心用硅钢片冲压而成以减少铁损。

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线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上以便于散热。

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铁心端面上安装铜制的短路环，以防止交变磁通使衔铁产生强烈振动和噪声。

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灭弧装置通常采用灭弧罩和灭弧栅。

直流接触器：线圈通以直流电，主触点接通、切断直流主电路。

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不产全涡流和磁滞损耗，铁心不发热。

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铁心用整块钢制成。

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线圈制成长而薄的圆筒状。

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250A以上的直流接触器采用串联双绕组线圈。

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灭弧装置通常采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。接触器分类及特点：接触器主要技术参数：线圈电压主触点额定电流、额定电压辅助触点额定电流、对数接触器极数接触器机械寿命、电寿命选择接触器主要考虑的因素：接触器的使用类别应与负载性质相一致

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控制交流负载应选用交流接触器

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控制直流负载则选用直流接触器

主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压主触点的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流接触器主触点的额完工作电流是在规定条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致

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接触器在线圈额定电压85％及以上时应能可靠地吸合主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要

接触器主要技术参数：选择接触器主要考虑的因素：第三节继电器

用于控制与保护电路中作信号转换用的电器。具有输入电路（感应元件）和输出电路（执行元件），当感应元件中的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。继电器用于控制电路，流过触点的电流小，一般不需要灭弧装置。

继电特性曲线：

继电器的重要参数：返回系数：k＝x1/x2

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释放弹簧的松紧程度

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铁心与衔铁间非磁性垫片的厚薄

吸合时间：线圈接受电信号到衔铁完全吸台所需的时间

释放时间：

线圈失电到衔铁完全释放所需的时间

x2：继电器吸合值

x1：继电器释放值常用继电器：电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、计数、频率继电器等。

第三节继电器用于控制与保护电路中作信号转电流继电器：

根据输入（线圈）电流大小而动作的继电器过电流继电器：当电路发生短路及过流时立即将电路切断

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线圈电流小于整定电流时，继电器不动作

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线圈电流超过整定电流时，继电器才动作

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动作电流整定范围：交流为(110％～350％)IN直流为(70％～300％)IN

欠电流继电器：当电路电流过低时立即将电路切断

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线圈电流大于或等于整定电流时，继电器吸合

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线圈电流低于整定电流时，继电器释放

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动作电流整定范围：吸合电流为(30％～50％)IN释放电流为(10％～20％)IN

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一般自动复位电压继电器：

根据输入（线圈）电压大小而动作的继电器

过电压继电器：动作电压整定范围为(105％～120％)UN

欠电流继电器：吸合电压调整范围为(30％～50％)UN

释放电压调整范围为(7％～20％)UN

电流继电器：根据输入（线圈）电流大小而动作的继电器电中间继电器：本质上是一种电压继电器，工作原理与接触器相同。触点系统中没有主、辅触点之分，触点容量相同。小容量的接触器：电动机额定电流不超过5A的电气控制系统，可代替接触器来控制。中间继电器的作用：

当电压或电流继电器触点容量不够时，可借助中间继电器来控制，用中间继电器作为执行元件，这时中间继电器被当作一级放大器用。

触点数量较多，能够将一个输入信号变成多个输出信号。当其他继电器或接触器触点数量不够时，可利用中间继电器来切换多条控制电路。中间继电器：固态继电器：由固体半导体元件组成的无触点开关器件。优点：工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、无火花、无动作噪音和使用方便等。缺点：过载能力低，易受温度和辐射影响，通断阻抗比小。应用：有逐步取代传统电磁继电器的趋势，还可应用于计算机的输入输出接口、外围和终端设备等传统电磁继电器无法应用的领域。四端有源器件：两个输入控制端，两个输出受控端。施加输入信号后，其输出呈导通状态，无信号时输出呈阻断状态。

耐高压的光电耦合：实现输入和输出之间的电气隔离。

直流固态继电器：输出采用晶体管。交流固态继电器：输出采用晶闸管。主要参数：输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输出漏电流等。固态继电器：由固体半导体元件组成的无触点开关器件。时间继电器：继电器感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。类型：通电延时、断电延时、带瞬动触点通电（断电）延时触点：常开延时闭合、常闭延时断开、常开延时断开、常闭延时闭合

空气阻尼式：

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包括电磁机构、工作触点及气室三部分，靠空气阻尼作用实现延时。

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延时范围较宽、结构简单、工作可靠、价格低廉、寿命长。

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延时时间有0.4～180s和0.4～60s两种规格。

电动式：

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包括同步电动机、减速齿轮机构、电磁离合系统及执行机构。

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延时时间长，可达数十小时，延时精度高。

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结构复杂，体积较大。电子式：

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数字计数式，包括脉冲发生器、计数器、显示器、放大器及执行机构。

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延时时间长、调节方便、精度高、应用广。

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可取代阻容式、空气阻尼式、电动式等时间继电器。时间继电器：继电器感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间热继电器：专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，防止电动机过热而烧毁的保护电器。组成及工作原理：由双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。双金属片为温度检测元件，由两种膨胀系数不同的金属片压焊而成，它被加热元件加热后，因两层金属片伸长率不同而弯曲。加热元件串接在电动机定子绕组中，电动机正常运行时，热元件产生的热量不会使触点系统动作；当电动机过载，流过热元件的电流加大，经过一定的时间，热元件产生的热量使双金属片的弯曲程度超过一定值，通过导板推动热继电器的触点动作（常开触点闭合，常闭触点断开）。通常用其常闭触点与接触器线圈电路串联，切断接触器线圈电流，使电动机主电路失电。故障排除后，手动复位热继电器触点可以重新接通控制电路。热继电器：专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，防止热继电器主要参数：热继电器额定电流：热继电器中可以安装的热元件的最大整定电流值。热元件额定电流：热元件的最大整定电流值。热继电器整定电流：热元件能够长期通过而不致引起热继电器动作的最大电流值。通常热继电器的整定电流是按电动机的额定电流整定的。热继电器整定电流调节范围：手动调节整定电流旋钮，通过偏心轮机构，调整双金属片与导板的距离，能够调节的电流整定值的范围。

相数热继电器主要参数：速度继电器：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动转速接近零时，自动切除反相序电源。转子：由一块永久磁铁制成，与电动机同轴相联，用以接受转动信号。圆环（笼型空心绕组）：转子（磁铁）旋转时，笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆杆，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点改变其通断状态。触点：在摆杆左右各设一组切换触点，分别在速度继电器正转和反转时发生作用。调节弹簧弹力时，可使速度继电器在不同转速时切换触点改变通断状态。动作转速一般不低于120r/min，复位转速约在100r/min以下。工作时，允许的转速高达1000～3600r/min。正转和反转切换触点的动作，反映电动机转向和速度的变化。速度继电器：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动第四节熔断器用于供电线路和电气设备的短路保护的保护电器。结构简单、使用方便、价格低廉。熔体：熔断器的核心，通常用低熔点的铅锡合金、锌、铜、银的丝状或片状材料制成，新型的熔体通常设计成灭弧栅状和具有变截面片状结构。当通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护了电路和设备。外壳：安装熔体。熔断器的保护特性（安－秒）曲线

流过熔体的电流越大，熔断所需的时间越短。熔体的额定电流IfN是熔体长期工作而不致熔断的电流。结构形式：插入式螺旋式有填料密封管式无填料密封管式第四节熔断器用于供电线路和电气设备的短路保护的保熔断器的选择：种类选择：由电控系统整体设计确定。额定电压：大于或等于实际电路的工作电压。额定电流：大于或等于实际电路的工作电流。熔体电流：

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电路上、下两级都装设熔断器时，为使两级保护相互配合良好，两级熔体额定电流的比值不小于1.6:1。

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对于照明线路或电阻炉等没有冲击性电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流，即IfN≥I1，式中IfN为熔体的额定电流，I1为电路的工作电流。

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保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流IfN≥(1.5~2.5)IN，式中，IN为电动机额定电流。

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保护多台异步电动机时，若各台电动机不同时启动，则IfN≥(1.5~2.5)INmax+ΣIN，式中：INmax为容量最大的一台电动机的额定电流，ΣIN为其余电动机额定电流的总和。

熔断器的选择：第五节低压隔离器将线路与电源明显地隔开的一类手动操作电器，结构简单、应用广泛。作用是手动切除电源，保障检修人员的安全。低压刀开关：由操纵手柄、触刀、触刀插座和绝缘底板等组成。主要类型有：带灭弧装置的大容量刀开关、带熔断器的开启式负荷开关（胶盖开关）、带灭弧装置和熔断器的封闭式负荷开关（铁壳开关）等。额定电压：长期工作所承受的最大电压，大于所控制的线路额定电压。额定电流：长期通过的最大允许电流，大于负载的额定电流。极数：与电源进线相数相等。分断能力第五节低压隔离器将线路与电源明显地隔开的一类手动熔断器式刀开关：由熔断器和刀开关组合而成。电源隔离和熔断保护功能。可分断一定负载电流。组合开关：转动式刀片，操作轻巧。动触点（刀片）和静触点装在封闭的绝缘件内，采用叠装式结构，层数由动触点数量决定，动触点装在操作手柄的转轴上，转轴旋转改变各对触点的通断状态。采用扭簧储能，开关快速接通及分断电路与手柄旋转速度无关。可用做不频繁地接通、分断及转换交、直流电阻性负载电路。降低容量使用，可直接启动和分断运转中的小型异步电动机。熔断器式刀开关：组合开关：第六节低压断路器（自动开关）用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护的电器。发生严重的过载或短路及欠电压等故障时能自动切断电路，功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合。在分断故障电流后一般不需要更换零部件。框架（万能）式：敞开式结构，适用于大容量配电装置。塑料外壳（装置）式：外壳用绝缘材料制作，安全性良好，用于电气控制设备及建筑物内电源线路保护、电动机过载和短路保护。由触点和灭弧装置、脱扣器与操作机构、自由脱扣机构组成。正常工作：主触点靠操作机构手动或电动合闸，接通和分断工作电流。短路或过流保护：过流脱扣器的衔铁被吸合，自由脱扣机构的钩子脱开，自动开关触点分离，切除故障电流。失压或零压保护：失压脱扣器的衔铁被释放，自由脱扣机构动作，断路器触点分离，切断电路。第六节低压断路器（自动开关）用来分配电能，不频繁低压断路器型塑料外壳断路器主要参数：额定工作电压壳架额定电流等级极数脱扣器类型及额定电流短路分断能力低压断路器型塑料外壳断路器主要参数：按钮开关颜色规定：“停止”和“急停”按钮必须是红色。“启动”按钮的颜色是绿色。“点动”按钮必须是黑色。“启动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑白、白色或灰色。“复位”按钮必须是蓝色。复位按钮兼有停止的作用时，则必须是红色。第七节主令电器用来发布命令、改变控制系统工作状态的控制电器。可以直接作用于控制电路，也可以通过电磁式电器的转换对电路实现控制。按钮开关结构示意图1.按钮开关：常态：常闭（动断）触点闭合，常开（动合）触点断开。按下：常闭（动断）触点断开，常开（动合）触点闭合。1、2－常闭触点3、4－常开触点5－桥式触点6－弹簧7－按钮帽

按钮开关颜色规定：第七节主令电器用来发布命令、改2.行程开关：用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短的控制电器。机械结构的接触式有触点行程开关：移动物体碰撞行程开关的操动头，使行程开关的常开触点接通和常闭触点分断。行程开关分类：外壳防护形式：开启式、防护式、防尘式。动作速度：瞬动、慢动（蠕动）。复位方式：自动复位、非自动复位。接线方式：螺钉式、焊接式、插入式。操作形式：直杆式（柱塞式）、直杆滚轮式（滚轮柱塞式）、转臂式、方向式、叉式、铰链杠杆式。用途：一般用途行程开关、起重设备用行程开关、微动开关。2.行程开关：用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方3.接近开关：电气结构的非接触式行程开关：运动着的物体接近它到一定距离时，发出信号，从而进行相应的操作。类型：高频振荡型、霍尔效应型、电容型、超声波型等。参数：动作距离、重复精度、操作频率及复位行程等。4.光电开关：光电结构的非接触式行程开关：运动着的物体接近它到一定距离时，通过光的发射和接收部件，发出信号，从而进行相应的操作。根据光的发射和接收部件的安装位置和光的接收方式的不同，分为对射式和反射式。作用距离从几厘米到几十米不等。5.万能转换开关：由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，借助于不同形状的凸轮使其触点按一定的次序接通和分断，能转换多种和多数量的电气控制线路，用途广泛。3.接近开关：4.光电开关：5.万能转换开关：第四章可编程序控制器简介第四章可编程序控制器简介第一节：可编程序控制器的产生及发展◆可编程序控制器的发展过程

■1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器。

■在20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器可以完成顺序控制，有逻辑运算、定时、计数等控制功能。并且将可编程序控制器成为PLC（ProgrammableLogicalController）。

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20世纪70年代末至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为PC（ProgrammableController）。

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20世纪80年代以来，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展，这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能。◆PLC的应用形式有以下几种类型：

■开关量逻辑控制■定时和计数控制

■模拟量控制

■顺序控制

■过程控制■数据处理通信和联网为了便于与个人计算机PC（PersonalComputer）相区别，人们习惯上仍将可编程序控制器称为PLC。第一节：可编程序控制器的产生及发展◆可编程序控制器的发展过程第二节：可编程序控制器的定义及特点◆可编程序控制器的定义：

■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。

■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、计数和算数运算等操作的指令，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连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。◆可编程序控制器的特点：

■可靠性高，抗干扰能力强

■通用性强，使用方便

■采用模块化结构，使系统组合灵活方便

■编程语言简单、易学，便于掌握

■系统设计周期短

■对生产工艺改变适应性强■安装简单、调试方便、维护工作量小第二节：可编程序控制器的定义及特