现代电气控制技术课件

第11章现代电气、电机控制技术11.1PLC控制技术11.2异步电动机的变频调速技术11.3交流伺服技术思考题与习题2025/2/25111.1PLC控制技术11.1.1可编程控制器概述可编程逻辑控制器简称PLC，是20世纪70年代以来在继电—接触器控制系统中引入微型计算机控制技术后发展起来的一种新型工业控制设备。它的引入避免了继电器控制系统的下列缺点：2025/2/252

（1）硬接线电路的故障率高。（2）电器触头的使用寿命有限。（3）诊断、排除故障的速度慢。（4）以硬接线实现控制逻辑，当控制逻辑需要修改时难于改动接线。

PLC产品以软件控制取代了常规电气控制系统中的硬件控制，具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便，体积小，重量轻等优点，目前已在工业生产的各个领域获得广泛使用，成为工业控制的支柱产品。

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国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程逻辑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、计算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来控制各类机械的生产过程。可编程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。2025/2/254

现代可编程控制器产品具有如下技术特点：（1）高可靠性与高抗干扰能力。PLC产品是专为工业控制环境设计的，机内采取了一系列抗干扰措施，其平均无故障时间可高达4～5万小时，远远超过采用硬接线的继电—接触器控制系统，也远远高于一般的计算机控制系统。PLC产品在软件设计上采取了循环扫描、集中采样、集中输出的工作方式，设置了多种实时监控、自诊断、自保护、自恢复程序；在硬件设计上采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等抗干扰电路结构，并实现了整体结构的模块化。PLC适应于恶劣的工业环境，这是它优于普通微机控制系统的首要特点。2025/2/255

（2）通用、灵活、方便。PLC作为专用微机控制系统产品，采用了标准化的通用模块结构，其I/O电路又采用了足够的抗干扰设计，既可以使用模拟量，也可以使用开关量，现场信号可以直接接入，用户不需要进行硬件的二次开发，控制规模又可以根据控制对象的信号数量与所需功能进行灵活方便的模块组合，具有接线简单，使用、维护十分方便的优点。2025/2/256

（3）编程简单，易于掌握。这是PLC产品优于普通微机控制系统的另一个特点。可编程控制器的程序编写一般不需要高级语言，其通常使用的梯形图语言类似于继电器控制原理图，使未掌握专门计算机知识的现场工程技术人员也可以很快熟悉和使用，这种面向问题和控制过程的编程语言直观、清晰、修改方便且易于掌握。当然，不同机型PLC在编程语言上是多样化的，但同一档次不同机型的控制功能可以十分方便地相互转换。2025/2/257

（4）开发周期短。设计一套常规继电器控制系统需顺序进行电路设计、安装接线、逻辑调试三个步骤，只有进行完前一步才能进入下一步，开发周期长，线路修改困难，工程越大这一缺点就越明显。而使用PLC完成一套电气控制系统，只要电气总体设计完成，I/O点分配完毕，软件设计模拟调试与硬件设计施工就可以同时分别进行。在软件调试方面，控制程序可以反复修改；在硬件施工方面，安装接线只涉及输入和输出装置，不涉及复杂的继电器控制线路，硬件投资较少，故障率低。在软、硬件分别完成之后的正式调试中，控制逻辑的修改也仅涉及软件修改，大大缩短了开发周期。2025/2/258

（5）功能强，体积小，重量轻。由于PLC产品是以微型计算机为核心的，所以具有许多计算机控制系统的优越性。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可编程控制器为例，该PLC的外型尺寸是87mm×40mm×90mm，重量0.65kg，内部包含各类继电器3228个，状态寄存器1000个，定时器256个，计数器241个，数据寄存器8122个，耗电量为150W，其应用指令包括程序控制、传送比较、四则逻辑运算、移位、数据（包括模拟量）处理等多种功能，指令执行时间为每步小于0.1μs，无论在体积、重量上，还是在执行速度、控制功能上，都是常规继电器控制系统所无法相比的。2025/2/259PLC产品按I/O点数和存储容量可分为小型、中型和大型PLC三个等级。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量为2k步，具有逻辑控制、定时、计数等功能，目前的小型PLC产品也具有算术运算、数据通信和模拟量处理功能。中型PLC的I/O点数在256～2048点之间，存储容量为2～8k步，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能，用于多种开关量、多通道模拟量或数字量与模拟量混合控制的复杂控制系统。2025/2/2510

大型PLC的I/O点数在2048点以上，存储容量达8k步以上，具有逻辑运算、算术运算、模拟量处理、联网通信、监视记录、打印等功能，有中断、智能控制、远程控制能力，可完成大规模的过程控制，也可构成分布式控制网络，完成整个工厂的网络化自动控制。2025/2/251111.1.2PLC的基本组成与功能

PLC实质上是一种为工业控制而设计的专用微机控制系统，因此其硬件结构与微型计算机控制系统相似，但输入、输出电路要求具有更强的抗干扰能力。一套可编程控制器在硬件上由基本单元（主机）、I/O扩展单元及外围设备组成，通过各自的端口连成一个整体。图11-1为PLC的硬件结构图。2025/2/2512图11-1PLC的硬件结构图2025/2/25131．PLC基本单元

PLC基本单元是以CPU为核心的一台工业控制专用微机系统，主要由CPU、存储器和I/O接口电路组成。

CPU的功能是：（1）接收编程器、PC机或其他外围设备输入的用户程序、数据等信息。（2）扫描接收现场输入信号，并存入指定内部继电器或寄存器。（3）读取、解释用户程序，执行用户控制程序，获得正确的逻辑运算或算术运算结果。2025/2/2514

（4）更新有关的内部继电器或寄存器，并将运算结果传送至输出电路，以实现对现场设备的准确动作控制。（5）如需输出打印或状态监控，还需将有关信息传送至外围设备。不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较大，三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16位8096单片机，美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用的微处理器是ADM-2900高速芯片。2025/2/2515

存储器的功能是：（1）系统存储器（ROM区）用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。（2）用户存储器（RAM区）用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5～10年，经常带负载可保存2～5年）。2025/2/2516I/O接口电路的功能是：（1）输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图11-2为PLC产品中常见的一种直流24V传感器输入电路。如输入器件为按钮、开关类无源器件，+24V端子仍需接24V电源，但输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行，PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。2025/2/2517图11-2直流24V输入电路2025/2/2518

（2）输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。基本单元上的输出信号一般为开关量，输出接口电路分继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，如图11-3所示。2025/2/2519

图11-3PLC的输出接口电路(a)继电器输出型；(b)晶体管输出型；(c)晶闸管输出型2025/2/25202．PLC的扩展单元每个系列的PLC产品都有一系列与基本单元相匹配的扩展单元，以便根据所控制对象的控制规模大小来灵活组成电气控制系统。扩展单元内部不配备CPU和存储器，仅扩展输入/输出电路，各扩展单元的输入信息经扩展连接电缆进入主机总线，由主机的CPU统一处理，执行程序后，需要输出的信息也由扩展连接电缆送至各扩展单元的输出电路。PLC处理模拟量输入/输出信号时，要使用模拟量扩展单元，这时的输入接口电路为A/D转换电路，输出接口电路为D/A转换电路。2025/2/25213．PLC的外围设备小型PLC最常用的外围设备是编程器和PC机。编程器的功能是完成用户程序的编制、编辑、输入主机、调试和执行状态监控，是PLC系统故障分析和诊断的重要工具。PLC的编程器主要由键盘、显示屏、工作方式选择开关和外存储器接口等部件组成，按功能可分为简易型和智能型两大类。以三菱FX2N系列PLC为例，它可以使用手持式简易编程器FX2N-20P-E-SETO编程，也可以使用更高级的智能型图形编程器GP-80FX-E来编程，后者的功能更强，但价格更高。2025/2/2522

由于PLC产品一般在程序调试或需要监控时才插上编程器，当电气控制系统正常运行时不必使用编程器，所以目前对PLC编程在许多场合采用了个人电脑（装载专用编程软件）加PC-PLC专用连接电缆，而不使用专用编程器的编程方法，即用计算机键盘通过屏幕对话完成图形编程、图形显示、通信联网、修改调试、输出打印等任务。目前各PLC公司均开发有相应的编程软件，另外，利用个人电脑还可以运行更多的工业控制软件。2025/2/2523

图11-4为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意图。图中FX2N-32MR为基本单元，带有32个I/O点（16入16出），M表示主机，R表示该单元为继电器输出型；FX2N-32ER为32点开关量扩展单元，E表示该单元为扩展单元；FX2N-2AD为两路模拟量输入扩展单元；FX2N-2DA为两路模拟量输出扩展单元。PLC产品的扩展单元种类很多，扩展单元的功能及与主机的配合细节可查阅有关手册。2025/2/2524图11-4三菱FX2N小型PLC产品示意图2025/2/252511.1.3PLC的性能规格与内部资源

1．PLC的性能规格

FX2N系列PLC的性能规格如表11-1所示。

2．PLC的内部资源各种不同型号和档次的PLC具有不同数量和功能的内部资源，但构成PLC基本特征的内部软元件是类似的。现以FX2N系列小型PLC为例，介绍PLC的内部资源。2025/2/2526表11-1FX2N系列PLC的性能规格

项目

性能规格运算控制方式

存储程序反复运算方式、中断命令输入／输出控制方式

批处理方式(执行END指令时)，但是有I／O刷新指令程序语言

继电器符号+步进梯形图方式(可用SFC表示)最大存储容量16k步(含注释文件寄存器最大16k)，有键盘保护功能

程序存储器内置存储器容量8k步RAM(内置锂电池后备)，电池寿命约5年，使用RAM卡盒约3年

可选存储卡盒RAM8k(也可配16k)／EEPR()M，8k／16k／EPROM8k(也可配16k)步不能使用带有实时锁存功能存储卡盒2025/2/2527

项目

性能规格

指令种类顺控步进梯形图

顺控指令27条，步进梯形图指令2条应用指令128种，298个

运算处理速度基本指令0．08／us／指令应用指令l.52～数100us／指令扩展并用时输入点数X000～X267184点(8进制编号)输入输出点数扩展并用时输出点数Y000～Y267184点(8进制编号)扩展并用时总点数256点2025/2/25282025/2/25292025/2/25302025/2/2531(1)输入触点X。FX2N的基本单元中的输入点按照X000～X007，X010～X017…这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输入点则接着基本单元的输入点顺序进行编号。来自现场设备的外部输入信号与硬件上的输入点一一对应，被PLC扫描读入后，存入输入映像寄存器，表现为程序可多次调用的输入触点状态。输入触点X的基本功能是可以读取外部输入信号的状态。2025/2/2532(2)输出继电器Y。FX2N的基本单元中的输出点按照Y000～Y007，Y010～Y017…这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输出点也接着基本单元的输出点顺序进行编号。PLC运行时，要接受各路X的输入状态，运行控制程序，然后将运行结果传送至输出继电器Y进行输出，因此，所有输出继电器都对应一个硬件上的输出信号，用来驱动PLC的各路负载。输出继电器Y的基本功能是可以在用户程序的控制下改变负载的状态。2025/2/2533(3)内部继电器M。在可编程控制器内部可多次使用，但不能输出的继电器叫做内部继电器或辅助继电器。内部继电器与输出继电器的不同是它只在程序中使用，既不能直接读取外部输入状态，也不能直接驱动外部负载。内部继电器M在程序中的作用相当于继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。PLC的内部继电器分普通型（一般用）、掉电保持型（保持用）和赋予特殊用途型（特殊用）三类。2025/2/2534

普通型继电器在断电或停止运行时线圈将失电，机内不记忆停电瞬间的状态，再来电时从失电状态开始执行程序。FX2N系列PLC中，普通型内部继电器按十进制编号，从M0～M499共500个。掉电保持型继电器在断电或停止运行时，机内（用锂电池）记忆停电瞬间的状态，再来电时恢复停电瞬间的状态，从此时状态开始执行程序。FX2N系列PLC中，掉电保持型内部继电器按十进制编号，从M500～M1023共524个。2025/2/2535

赋予特殊用途的内部继电器有两类，第一类信号由PLC的系统程序自动产生，用户编程时可调用其触点。如特殊继电器M8000的功能是在程序RUN时保持ON状态；M8002的功能是在程序RUN的第一个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期（即一个程序执行周期）的脉冲输出，供用户初始化使用；M8011～M8014的功能是提供10ms、100ms、1s、1min的周期性脉冲输出等。第二类信号由PLC的用户程序驱动，用户编程时可置位其线圈。如程序置位M8033，则程序停止运行时输出会保持；如程序置位M8034，则PLC的输出全被禁止。2025/2/2536

（4）状态寄存器S。状态寄存器是用于步进顺序控制时表达工序号的继电器。FX2N系列PLC中，状态寄存器S按十进制编号，从S0～S999共1000点，其中S0～S9供初始状态使用，S10～S19供返回原点使用，S20～S499为普通型，S500～S899为断电保持型，S900～S999供报警使用。状态寄存器不作工序号使用时，可作为内部继电器使用。2025/2/2537(5)定时器T。定时器将可编程控制器内的1ms、10ms、100ms等时钟脉冲进行加法计数，当它达到规定的设定值时，其输出点就工作。定时器利用内部时钟脉冲的可测量范围为0.001～3276.7s。FX2N系列PLC中的定时器按十进制编号，从T0～T255共256个，其中T0～T199是100ms普通定时器，当定时线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从零开始，这些定时器中，只有T192～T199可以用在子程序和中断子程序中；2025/2/2538T200～T245为10ms普通定时器；T246～T249是10ms累积定时器，其当前值为累积数，所以，当定时线圈的驱动输入为OFF时，当前值被保持，作为累积操作使用；T250～T255是100ms累积定时器。2025/2/2539(6)计数器C。计数器的计数方式分为向上计数或向下计数，向上计数在线圈得电时从零开始对被计脉冲计数，计到预置值时触点动作；向下计数则是在线圈得电时从预置值开始计数，计到零时触点动作。FX2N系列PLC中的计数器按十进制编号，从C0～C255共256个，其中C0～C99是16位向上计数的普通计数器，当计数线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从头开始；C100～C199是16位向上计数的断电保持型计数器，当计数线圈的驱动输入为OFF时，当前值将被保持，线圈再得电时计数从原计数值开始，16位向上计数的范围为1～32767；2025/2/2540C200～C219是32位可逆计数的普通计数器；C220～C234是32位可逆计数的断电保持型计数器，32位可逆计数的范围为-2147483648～+2147483648。这些计数器是可编程控制器的内部信号用的，其应答速度通常为数10Hz以下；其余的C235～C255计数器均为高速计数器，这些计数器直接对来自外部的高速脉冲（例如来自光电编码器、光电编码盘、光栅等）进行32位可逆计数，其输入脉冲可以由输入点X000～X007输入，计数值不受可编程控制器的运算控制，最高计数频率为60kHz。2025/2/2541(7)数据寄存器D、V、Z。数据寄存器是存储数值数据的元件。FX2N系列PLC中的数据寄存器全是16位的（最高位为正负位），用两个寄存器组合就可以处理32位（最高位为正负位）数值，数值范围可参考“计数器”的相关说明。D寄存器按十进制编号，从D0～D8195共8196个，其中D0～D199是通用数据寄存器，D200～D511是断电保持的数据寄存器，D512～D7999是断电保持的专用数据寄存器，D8000～D8195是已被系统程序赋予了特殊用途的数据寄存器。数据寄存器之中还有寻址用的V、Z寄存器，范围从V0～V7，Z0～Z7，共16点。2025/2/2542(8)常数与指针。PLC程序中使用常数数值时，K表示十进制整数值，H表示十六进制数值。PLC程序中指针有分支用和中断用两种。分支指针P用于指定条件跳转或子程序调入地址。中断指针I用于指定输入中断、定时中断、计数中断的中断子程序。2025/2/254311.1.4PLC的基本指令编程法

PLC是一套专用的微型计算机的控制系统，该系统具有继电器、定时器、计数器或其他内部电子器件的功能，低端用户不需要学习高级的计算机语言，只要采用简单的类似于继电器电路的梯形图语言就可以编制控制程序，指令系统容易掌握。而将编程器或PC机与PLC主机相连，又可方便地把梯形图送入PLC内存并进行运行状态监控，所以操作使用也十分简便。2025/2/2544PLC在运行状态，采用周期循环扫描方式执行用户程序，一个用户程序的扫描周期由三个阶段构成：（1）输入采样阶段。本阶段检测每个输入触点的状态（通为“1”，断为“0”），然后顺序存入输入映像寄存器。（2）程序执行阶段。对用户梯形图程序按先左后右、从上到下的顺序，逐句执行指令，包括从输入映像寄存器和各种内部寄存器中读取状态和数据，完成程序要求的运算和把结果写入有关内部寄存器或输出继电器。2025/2/2545

（3）输出刷新阶段。将输出继电器状态输出至输出锁存器，经隔离、功放、输出端子去驱动负载。程序执行一次的时间称为扫描周期，一个扫描周期可以分为上述输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，小型PLC的扫描周期在十几毫秒至几十毫秒之间。2025/2/25461．输入触点X的编程工业控制系统输入电路中的选择开关、按钮、限位开关等在梯形图中以输入触点表示，在编程时输入触点X可由常开-丨丨-和常闭-丨丨-两种指令来编程，但梯形图中的常开或常闭指令与外电路中X实际接常开还是常闭触头并无对应关系，无论外电路使用什么样的按钮、旋钮、限位开关，无论使用的是这些开关的常开或常闭点，当PLC处于RUN方式时，扫描输入只遵循如下规则：2025/2/2547(1）梯形图中的常开触点-丨丨-X与外电路中X的通断逻辑相一致。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接是常开点还是常闭点），程序中的-丨丨-X5即处理为闭合（ON）。反之，如外部X5连线断开，则程序中的-丨丨-X5就处理为断开（OFF）。2025/2/2548(2）梯形图中的常闭触点-丨丨-X与外电路中X的通断逻辑相反。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接是常开点还是常闭点），程序中的-丨丨-X5处理为断开（OFF）。反之，如外部X5连线断开，则程序中的-丨丨-X5就处理为闭合（ON）。梯形图中几个触点串联表示“与”操作，几个触点并联表示“或”操作。2025/2/2549

按上述规则，将PLC应用于电机的起动停车控制，外部按图11-5接线，则采用图11-6所示梯形图即可实现按钮X0启动，输出Y0得电并自锁，按钮X1停车的控制逻辑。用一个接触器KM控制电动机的主电路见第10章。上述两个按钮接线时均使用了常开触点，如果工程中需连接停车按钮的常闭触点，则图11-6所示梯形图中将常闭X1换成常开X1，仍能实现控制功能。甚至可以将启停两个按钮都连接常闭点，只要相应修改软件逻辑即可，充分体现了应用PLC控制的方便之处。2025/2/2550图11-5PLC控制的起动停车电路接线图2025/2/2551

图11-6起动停车梯形图2025/2/25522．输出继电器Y和内部继电器M的编程继电器具有逻辑线圈及可以多次调用的常开触点、常闭触点。输出继电器和普通内部继电器的简单程序如图11-7所示。

PC进入RUN方式时，输出线圈Y0通电，相应的0#输出指示灯亮。当接通输入触点X10后，内部线圈M100通电，M100的常闭触点断开，常开触点导通，因此输出端Y0失电，0#灯熄灭，Y1得电，相应的1#灯亮。掉电保持型继电器M510的简单程序如图11-8所示。2025/2/2553

图11-7继电器简单程序2025/2/2554图11-8掉电保持型继电器简单程序2025/2/2555

初始状态(PC进入RUN后)输出线圈Y1和Y7不通电，1#和7#输出信号灯不亮。使输出端子X11接通一下，梯形图中X11的常开点即闭合，内部线圈M100通电，常开触点M100通电闭合，对线圈M100起自保作用。另一个闭合的M100触点则接通输出线圈Y1，使1#输出灯亮。与上述动作同时，M510起类似M100的作用，使7#输出灯亮，这两者的差别在于如果将PC置于HALT（暂停）状态，仍然再返回RUN方式，或者使PC断电后再复电，那么1#灯不会亮（因为输入端X11没有接通），但7#灯仍然亮，这就表明了线圈M510的锁存作用。2025/2/25563．定时器T的编程以100ms普通定时器为例，图11-9(a)为T0定时器的梯形图，11-9(b)为执行该程序的时序图。2025/2/2557

图11-9普通定时器的简单程序(a)定时器梯形图；(b）定时器时序图2025/2/2558

初始状态时，线圈Y0、T0均不通电，0#输出信号灯灭。X0闭合时，定时器T0的线圈通电，并开始记时，K123表示计数值为常数123，定时时间为100ms×123=12.3s。当T0线圈通电够12.3s后，定时器动作，其常开触点T0闭合，使Y0输出灯亮，从定时器开始计时到定时器触点动作，其间延迟时间由程序确定。定时器在计时过程中，如果线圈失电后再通电时，定时器相当于自动复位，重新从预置值开始计时。2025/2/25594.计数器C的编程以16位向上计数的普通计数器C0为例。图11-10(a)为C0定时器的梯形图，11-10(b)为执行该程序的时序图。2025/2/2560

图11-10普通计数器的简单程序(a)计数器梯形图；(b）计数器时序图2025/2/2561

图11-10中，X001为计数脉冲输入端子，计数线圈C0的计数值为常数5；X000为计数复位输入端子，当X000为ON时，计数线圈C0不允许计数且计数值被清零，只有当X000为OFF时，计数线圈C0才对X000的输入脉冲进行加1计数。在允许计数期间，如计数线圈C0计数够5个，则C0动作，常开触点闭合，Y0得电。C0计满动作后如出现X000变为ON，则C0的触点、线圈均清零复位。2025/2/25625.上升或下降沿检测的编程上升沿或下降沿检测指令用来将输入信号的上升或下降沿检出并通过线圈输出一个扫描周期的电信号。图11-11(a)为上升、下降沿检出的梯形图，11-11(b)为执行该程序的时序图。2025/2/2563图11-11上升、下降沿检出的简单程序

(a)梯形图；(b)时序图2025/2/2564

程序中，X000为外部信号输入端子，PLS表示取上升沿，X000信号由OFF变ON时，内部继电器M0得电一个扫描周期；X001为另一路外部信号输入端子，PLF表示取下降沿，X001信号由ON变OFF时，内部继电器M1得电一个扫描周期；程序中M0与M1两个触点的任务分别是将内部继电器M50置位与复位；END为程序结束符，用于所有主程序结束。FX2N系列PLC的程序指令除了梯形图格式之外，还有语句表格式，除了上述基本指令编程法之外，还有其他更复杂的指令编程法，本节仅介绍PLC编程的初步知识。2025/2/256511.1.5FX系列PLC应用举例可编程控制器对环境要求低，能经受工业现场的恶劣环境，无需空调，平均无故障时间在2万小时以上，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤进行的，生产中的各种自动控制设备均需要利用程序进行控制，因此PLC在工业控制中得到广泛应用。2025/2/25661．电动机的Y-△起动电路将电动机三相绕组接成星形起动时，起动电流是直接起动的1/3，在达到规定转速后，再切换为三角形运转。这种减小电流的起动方法适合于容量大、起动时间长的电动机，或者是因容量限制，避免起动时造成电源电压下降的电动机使用。图11-12(a）为电动机主电路，接触器KM1、KM2同时接通时，电动机工作在星形起动状态；而当接触器KM2、KM3同时接通时，电动机就转入三角形接法正常工作状态。2025/2/2567图11-12电动机Y-△起动电路

(a)主电路；(b)控制电路2025/2/2568

图11-12(b）是PLC的输入、输出外接电路，其中X1接起动按钮，X2为停止按钮，HL为电动机运行状态指示灯。此外，在输出回路中KM1、KM3利用辅助触点实现互锁。2025/2/2569

电动机的Y-△起动电路梯形图如图11-13(a)所示。定时器T1确定起动时间，其预置值（TS）应与电机相配。当电动机绕组由星形切换到三角形时，在继电器控制电路中利用常闭点断开在先而常开点的闭合在后这种机械动作的延时，保证KM1完全断开后，KM3再接通，从而达到防止短路的目的。但PLC内部切换时间很短，为了达到上述效果，必须使KM1断开和KM3接通之间有一个锁定时间TA，这是靠定时器T2来实现的。图11-13(b)为工作时序图。2025/2/2570图11-13Y-△起动梯形图和时序图

(a)梯形图；(b）时序图2025/2/25712．电动机的正反转控制异步电动机由正转到反转，或由反转到正转切换时，使用两个接触器KM1、KM2去切换三相电源中的任何两相即可，在设计控制电路时，必须防止由于电源换相引起的短路事故。例如，由正向运转切换到反向运转，当发出使KM1断电的指令时，断开的主回路触点由于短时间内产生电弧，这个触点仍处于接通状态，如果这时立即使KM2通电，KM2触点闭合，就会造成电源故障，必须在完全没有电弧时再使KM2接通。2025/2/2572

械动作的继电器控制电路不同，在其内部处理中，触点的切换几乎没有时间延时，因此必须采用防止电源短路的方法，例如使用定时器来设计切换的时间滞后。图11-14（a）为PLC控制的电动机可逆运行外部电路接线图，（b）为相应的梯形图。X1、X2接正、反转控制按钮，是常开型；X3接停止按钮，是常闭型。梯形图中M101、M102为内部继电器；T1、T2为定时器，分别设置对正转指令和反转指令的延迟时间。2025/2/2573图11-14电动机正反转接线图与梯形图（a）接线图；（b）梯形图2025/2/25743.加热反应炉自动控制系统图11-15为加热反应炉结构示意图。加热反应的工艺过程分为以下三个阶段。第一阶段为进料控制，其过程如下：（1）检测下液面(X1)、炉温(X2)、炉内压力(X4)是否都小于给定值（均为逻辑0），即PLC输入点X1、X2、X4是否都处于断开状态。2025/2/2575图11-15加热反应炉结构图2025/2/2576

（2）若是，则开启排气阀Y1和进料阀Y2。（3）当液面上升到位使X3闭合时，关闭排气阀Y1和进料阀Y2。（4）延时20s，开启氮气阀Y3，使氮气进入炉内，提高炉内压力。（5）当压力上升到给定值时(X4=1)，关断氮气阀Y3，进料过程结束。2025/2/2577

第二阶段为加热反应控制，其过程如下：（1）此时温度肯定低于要求值（X2=0），应接通加热炉电源Y5。（2）当温度达到要求值(X2=1)后，切断加热电源。（3）加温到要求值后，维持保温10min，在此时间内炉温实现通断控制，保持X2=1。2025/2/2578

第三阶段为泄放控制，其过程如下：（1）保温够10min时，打开排气阀Y2，使炉内压力逐渐降到起始值(X4=0)。（2）维持排气阀打开，并打开泄放阀Y4，当炉内液面下降到下液面以下时（X1=0），关闭泄放阀Y4和排气阀Y2，系统恢复到原始状态，重新进入下一循环。根据上述工艺规律设计PLC梯形图，如图11-16所示。2025/2/2579

图11-16反应炉控制梯形图2025/2/258011.2异步电动机的变频调速技术

目前市场上，实现交、直流电动机调速的驱动器产品有多种，就调速性能来说，无论对直流电动机还是对交流电动机都可以实现十分优良的无级调速；但从电动机本身的现场使用来说，交流电动机远优于直流电动机，主要原因在于直流电动机内部有碳刷和换向片，需要经常检修，不能适用于恶劣的环境，耐压和容量也受限制。因此，近年来交流电动机调速技术在使用上取得了绝对优势，在交流电动机的各种调速技术中，异步电动机的变频调速技术最具代表性。2025/2/2581

我们知道，电网提供的交流电是恒压恒频的，变频器产品的作用是改变电源的频率和电压，对交流异步电动机实现无级变速。变频调速技术是功率电子技术、微电子技术与微机控制技术高度发展的产物，在变频器—交流电动机调速系统中，变频器具有升速快，无级变速范围宽，动特性好等优点，而交流电动机又具有环境适应性强，维修简单，价格低等优势，这使得变频调速技术在机械、钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、建材、轻工、医药、造纸、卷烟、自来水等行业中均获得广泛应用。2025/2/258211.2.1变频调速的控制方式与机械特性由第7章知道，异步电动机的同步转速表达式为

因此，只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的，转子转速为n=n1(1-s)，所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。2025/2/2583

表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程

U1≈E1=4.44f1K1N1Φ

假设现在只改变f1进行调速，设供电频率f1上下调节，而供电电压U1不变，因K1N1为常数，则异步电动机的主磁通Φ必将改变：如f1向上调，则Φ会下降，这使得拖动转矩T下降，2025/2/2584

因为T=CTΦI2cosφ2

，电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；如f1向下调，则Φ会增强，这会带来更大的危险，因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性，设计电机时为了建立更强的磁场，其工频下的工作点已经接近磁饱和，如再增强磁场势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高，最终烧坏电机。2025/2/2585

由上可知，只改变频率f1实际上并不能正常调速。在许多场合，要求在调节定子供电频率f1的同时，调节定子供电电压U1的大小，通过U1和f1的不同配合实现安全的调频调速。2025/2/25861．保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式由于Φ∝E1/f1≈U1/f1，故调节三相异步电动机的供电频率f1时，按比例调节供电电压的U1的大小可以近似实现Φ为常数。以星形接法的电机为例，变频调速时，如供电50Hz对应220V相电压（一般为额定点），则25Hz需提供110V相电压，10Hz需提供44V相电压。2025/2/2587

图11-17保持U1/f1=常数控制方式的机械特性2025/2/2588

在机械特性上，保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式的机械特性曲线族体现为近似恒转矩性质，如图11-17所示。由机械特性曲线可以看出，U1/f1=常数调速方式在低频低速运行时拖动力矩不足，显然，U1/f1=常数的调速方式并不是真正的恒磁通调速，这是因为电动机的主磁通Φ与E1/f1成正比例，严格意义上不是与U1/f1成正比，外加电压U1只是在不计定子内阻时才近似等于反电势E1，2025/2/2590

当供电频率和电压变得较低时，内阻的影响增大，E1达不到要求值，就出现了低速下拖动转矩明显不足的问题。解决这个问题的方法是采用E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式。2025/2/2591

2．保持E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式

在三相异步电动机中，E1不是一个可以直接测量和控制的物理量，所以变频调速所能做的仍然是通过控制供电电压U1来间接控制反电势E1。在通用变频器产品中，通常采用的措施是低频段电压补偿法，使U1与f1满足图11-18的配合关系。图中U1N和f1N分别为电动机的额定电压和额定频率。2025/2/2592

利用图11-18实现严格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式为基础，在U1/f1=常数的基础上加一定的供电电压U1提升，以补偿定子内阻压降对反电势E1的影响，使E1/f1=常数。低频低速运行时内阻压降较小，需要加强U1的补偿量；而额定工作点附近（50Hz）内阻压降较小，可以不加补偿。2025/2/2593图11-18实现严格恒磁通的U1与f1配合关系2025/2/2594图11-19保持E1/f1=常数控制方式的机械特性2025/2/2595

严格恒磁通控制方式下，变频调速电动机的机械特性如图11-19所示，特性曲线族呈现恒转矩性质。实际补偿时，必须根据不同参数的电动机运用不同的补偿曲线才能取得理想的补偿效果，补偿不足会造成拉力不足，过度补偿则会造成起动时电流过大。此外，在变频调速时，如果将频率调到额定频率以上（大于50Hz），则不允许将供电电压比例上调，U1只能保持在U1N不变，因为所有的用电器都不允许超过额定电压。2025/2/259611.2.2变频器的工作原理

1.变频器概述对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频CVCF（ConstantVoltageConstantFrequency）交流电变换为变压变频VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）交流电，通过变频伴随变压，对交流电动机实现无级调速。变频器可分为交—交变频器与交—直—交变频器两大类型，其结构对比如图11-20所示。2025/2/2597

图11-20两种类型的变频器(a)交－交变频器；(b)交—直－交变频器2025/2/2598

交—交变频器没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电，又称为直接变频器。而交—直—交变频器先把电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再经过逆变才转换为变频变压的交流电，故称为间接变频器。从图11-20(a)、(b)的对比中可以看出，交—直—交变频器有一个明显的中间滤波环节，按照这个中间滤波环节是电容性或是电感性可以将交—直—交变频器划分为电压（源）型或电流（源）型交—直—交变频器。2025/2/2599

目前通用变频器产品最常用的是交—直—交电压型电路形式，其结构如图11-21所示。该电路首先用二极管整流器接入电网，将交流电变成直流电，整流之后采用电容滤波，获得平直的直流电压，再由逆变器将直流能量逆变成可以调频调压的新交流电。2025/2/25100图11-21交—直—交电压型变频器的结构形式2025/2/25101

现代变频器中，逆变电路是变频器的核心。因二极管整流的直流电压幅度不可调节，逆变器的输出电压调节靠改变电压输出脉冲的宽度来完成，所以现代变频器产品的主导设计思想是在逆变器侧采用脉冲宽度调制（PluseWidthModulation,PWM）技术以合成变频变压的交流输出波形。2025/2/25102

脉宽调制变频的设计思想源于通信系统中的载波调制技术，1964年由德国科学家率先提出并付诸实施。用这种技术构成的PWM变频器，使近代交流电动机调速技术上升到了新的水平。2025/2/251032.SPWM逆变器的脉宽调制原理图11-22是PWM变频器的主电路示意图。整流电路采用三相二极管整流桥，相对比较简单；中间滤波环节的电解电容在实际变频器中可能只有一个，也可能根据容量或耐压需要串、并联几个。图中的0点仅仅是为了原理分析引入的零电位参考点，并非实际接线点。逆变器的变压变频控制主要通过控制图中的六个功率开关VT1～VT6的规律性通断来实现，因此，逆变器中六个开关的通断控制规则即脉冲宽度调制方法对变频器的输出性能具有根本上的影响。2025/2/25104图11-22PWM变频器的主电路示意图2025/2/25105

脉宽调制的方法从调制脉冲的极性上看有单极性和双极性之分。变频器输出三相交流电U、V、W，现以U相交流电的波形合成为例进行说明。2025/2/25106

（1）单极性脉宽调制。参考信号为正弦波的脉冲宽度调制叫做正弦波脉冲宽度调制（SPWM）。作脉冲宽度调制需要控制波和载波，单极性脉宽调制方法的特征是控制信号与载波信号都是单极性弱电信号。图11-23为单极性SPWM调制波形图，这种调制方式中，U相控制信号为单极性正弦波urU，载波为高频三角波ut；图中中间的倒向信号作区分正、负半周的矩形波使用，高电平表示在正半周，低电平表示在负半周；uUo即为图11-22中负载U相的交流输出信号（相对于0点）。变频器的这种输出波形是由表11-2所示的单极性的调制规律决定的。2025/2/25107图11-23单极性SPWM调制波形2025/2/25108表11-2单极性SPWM调制规律正半周urU>ut导通VT1VT4截止urU<ut关断VT1负半周urU>ut导通VT4VT1截止urU<ut关断VT42025/2/25109

U相的输出电压uUo主要取决于图11-22中VT1与VT4两个功率开关管的通断状态。按照11-2表中指示的调制规律，控制信号在正半周时，在正弦波urU＞载波ut的时间段，应设法使VT1闭合、VT4断开，U对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU＜载波ut的时间段，应使VT1、VT4都断开，对0点来讲认为U点获得电压为零；于是整个正半周的输出电压由一系列恒幅且不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄—宽—窄变化）的脉冲波列组成。2025/2/25110

而当控制信号在负半周时，在正弦波urU＞载波ut的时间段，控制使VT4闭合、VT1断开，U对0点来讲又相当于获得直流电压的负一半，为-Ud/2；在正弦波urU＜载波ut的时间段，使VT1、VT4都断开，对0点来讲也认为U点获得电压为零；于是整个负半周的输出电压也由一系列恒幅且不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄—宽—窄变化）的负脉冲波列组成。由此可见，采用SPWM控制的逆变器输出的交流电压uUo脉冲宽度基本上呈正弦分布，各脉冲与正弦曲线下对应的面积近似成正比，对三相异步电动机来讲，这是一种可实现且比较理想的交流供电波形。2025/2/25111

实现了接近正弦规律的基本电压输出波形，调节控制波可以控制它的调频与调压。从图11-23中可以看出，如果加大（或减小）控制波urU的幅值，必然引起输出脉冲的宽度整体变宽，从而使得输出电压uUo的有效值增大（或减小）；如果改变控制波urU的频率，必然改变输出脉冲的正、负半周交替周期，从而改变U相输出电压uUo的频率，使得输出的新交流电既可变压又可变频（VVVF）。V、W两相交流电的合成方法与U相原理相同。2025/2/25112

（2）双极性脉宽调制。使用双极性脉宽调制时，控制信号与载波信号都是双极性弱电信号。图11-24为双极性SPWM调制波形图，这种调制方式中，U、V、W三相控制信号均为互差120°的普通正弦波urU、urV、urW，载波为双极性高频三角波ut，三相双极性控制信号本身有正负，不需要倒向信号来区分正负；图中的uUo、uVo、uWo即为负载U、V、W三相的交流输出信号（相对于0点）。2025/2/25113

以U相为例，双极性SPWM的调制规律为不分正负半周，在正弦波urU＞载波ut的时间段，使VT1闭合、VT4断开，Ｕ对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU＜载波ut的时间段，使VT1断开、VT4闭合，对0点来讲认为Ｕ点获得直流电压的负一半，为-Ud/2。由图11-24可知，采用双极性SPWM控制的输出交流电uUo尽管在正半周会出现-Ud/2，负半周又会出现Ud/2，但脉冲宽度仍基本上呈正弦分布。2025/2/25114

双极性脉冲宽度调制方式控制的逆变器，其调压调频方式与单极性相同。如要改变输出交流电压uUo的大小，则需要调节弱电控制电压urU的幅值；而对输出交流电压uUo的变频，则要靠改变控制波urU的频率来实现。在实际的变频器控制中，各控制波信号及载波信号的产生及VT1～VT6功率开关的开关点实时控制均由微机程序配合大规模专用集成电路来完成。变频器的变频范围越大，分辨率越高，计算机存储的曲线数值就越多，实时计算就越困难。通用变频器产品的输出频率调节范围一般从零点几赫兹到几百赫兹。2025/2/25115图11-24双极性SPWM调制波形2025/2/2511611.2.3变频器的内部结构及外围接线

1.通用变频器的内部结构图11-25为目前常见的通用变频器内部结构图，由主电路、给定电路、微机（单片机）控制系统、隔离驱动电路、保护电路、显示电路等部分组成。2025/2/25117图11-25通用变频器的内部结构2025/2/25118

在实际的变频主电路中，功率开关VT1～VT6并不使用有触点开关，而是使用各种被称为现代功率器件的无触点功率开关，本图中所示为绝缘栅晶体管，文字符号为IGBT。这种管子的开通和关断受其栅极的电压控制，属于全控型功率器件，目前其耐压可达到一千多伏，电流达到几百安。主开关反并联的二极管为续流二极管，用于上下开关高速切换时为负载提供电流通路，防止电感性负载电流突变引起高压造成元件击穿。2025/2/25119

给定电路用来选择变频器的运行频率，一般由键盘设定，也可以用电位器设定。微机控制系统根据用户所要求的运行频率，在内部进行图11-18所示的恒磁通补偿运算，算出与频率相匹配的电压数值，产生各相控制电压、载波电压，并进行SPWM开关点运算，给主电路的六个功率元件发出弱电的通断信号。隔离驱动电路的作用是将微机控制系统计算发出的弱电信号加以强弱电隔离，并进行功率放大，送往功率开关VT1～VT6的控制电极。通用变频器具有多种检测及保护电路，如过电流、过电压、功率器件的温度过高等。2025/2/25120

出现故障后，微机系统必须进行正确快速的判断、处理和报警。显示电路也需要进行多种显示，如对用户设置的电机参数、运行频率、运行模式等进行参数或模式显示，运行时显示当前的频率、电压、电流等数据，故障时显示故障代码等。2025/2/251212.通用变频器的外围接线图11-26为日本富士公司FRENIC5000P9S400V系列变频器产品的外围接线图。该变频器有9个强电接线端子及多组弱电接线端子。强电接线端子中，L1、L2、L3为功率输入端子，接电网三相交流电；U、V、W为交流输出端子，接电动机；P1、P之间用来连接功率因数校正电抗器；P、N之间用来连接制动单元。R0、T0为辅助控制电源输入端，小功率变频器不设置这两个端子。2025/2/25122

（1）三个频率设定电位器输入端，当需要从外部输入模拟量的速度给定时使用。（2）辅助设定电压输入或电流输入端，只在构成简单闭环控制系统时使用。（3）控制输入端，输入电路与可编程控制器的输入电路类似，接通生效，但输入点的定义是固定的，用户不能改变。各端子功能如下：FWD为变频器正转控制端；REV为反转控制端；2025/2/25123THR为外接保护控制端，如有热保护或其他故障使THR与公用点接通，变频器会立即停止运行；RST为复位控制端，如在排除故障后欲恢复运行应将此端子与公用点接通一次；X1、X2、X3为多挡转速选择端，使用这三个端子与公用点之间的不同通断状态组合，可以预选设定变频器的多挡工作速度，如000表示选择第0挡速度，001表示第1挡速度，…，111表示第7挡速度；X4、X5为多挡升降速强度控制端，这两点的通断状态配合决定变频器升降速时的强度挡，如00表示选择第0挡加减速时间，01表示选择第1挡加减速时间。2025/2/25124

弱电控制端子中用于连接外部输出的有：（1）模拟式频率计或数字式频率计输入端子。当需要在离变频器较远的地方显示运行频率时，可以从FMA或FMP处引出接线至仪表。（2）运行继电器输出端子及报警继电器输出端子。运行继电器输出端子内部提供一对触头，在变频器运行时闭合，如果有些电路需要在变频器运行后才能动作，则可以受该触头控制。报警继电器输出端子内部提供两对触头（一常开一常闭），在变频器故障时动作，对外可控制需要故障时动作的保护电路。2025/2/25125

（3）晶体管输出端Y1～Y5。输出电路与晶体管输出型可编程控制器类似，对外不提供电源，只是当输出有效时Y端子与公用端子间导通，用来控制需要的逻辑电路。这些输出点的定义也是固定的，RUN为运行信号，SU为频率到达信号，OL为变频器过载，LU为供电电压不足，FAT为报警信号。2025/2/25126图11-26变频器产品的外围接线图2025/2/2512711.3交流伺服技术

交流伺服技术将传统的电动机、电力电子电路、微机控制电路及现代控制算法集成为一个不可分割的整体，充分体现了机电一体化的系统结构，使各类电动机的固有特性得到改善，出现了理想的人工运行特性。比较有代表性的两个范例是无刷直流伺服电动机与异步电动机的矢量变换控制系统，前者主要应用于机械加工中的小功率进给轴位置驱动，后者主要应用于大功率交流主轴的位置与速度驱动。2025/2/2512811.3.1无刷直流伺服电动机无刷直流伺服电动机又称为无换向器电动机，由永磁式同步电动机、磁极位置传感器和功率电子开关电路三部分组成。永磁式同步电动机的定子绕组可采用三相或多相绕组，空间上均匀分布，只要通以错开一定相位的交流电就能产生旋转磁场。其转子磁极由永久磁体构成，当定子通电时，转子受旋转磁场的牵引作同步旋转。磁极位置传感器安装于永磁式同步电动机的内部，用来检出转子磁极的当前旋转位置，常用传感器有光电器件、霍尔元件或旋转编码器位置传感器。2025/2/25129

电子开关电路则根据位置传感器检出的转子位置信号，运算判断后决定下一步向定子绕组的哪些相送电，以维持转子的继续受力转动。由于电子开关电路的作用与直流电动机的电刷换向功能类似，且上述三部分结合之后的整体控制性能可以达到直流伺服电动机的控制性能，故使用了无刷直流伺服电动机这个术语。但就控制对象（永磁式同步电动机）来讲，无刷直流伺服电动机属于交流伺服电动机的控制范畴。2025/2/251301.三相绕组无刷直流伺服电动机图11-27为一个三相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图，图中A—A′、B—B′、C—C′分别为三相定子绕组的首末端；中心的N、S为转子永久磁极；2/3扇形片为遮光板，装于转子上，随该N、S极一起转动；VP1～VP3为三个光电器件，均由光源和感光器组成，不随转子和遮光板转动。这三个光电器件在遮光板转动时，如果光线不被遮光板挡住（透光），则识别为高电平；如果光线被遮光板挡住（不透光），则识别为低电平，以此来检测转子的位置。2025/2/25131图11-27三相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图2025/2/25132

欲使该电机的转子向逆时针方向旋转，参考图11-27(a)的转子位置，VP1、VP2、VP3三个传感器中，VP1开始透光，为高电平，VP2、VP3不透光，为低电平。这时可控制定子电路让A相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-27(a）中的N′—S′所示，转子的受力方向即为逆时针。2025/2/25133

转子逆时针方向转过120°，走到图11-27(b)的转子位置，三个传感器中，VP2开始透光，VP1、VP3不透光，为了保证转子继续逆向旋转，应控制定子电路让B相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-27(b)中的N′—S′所示，转子的受力方向即为逆时针。转子逆时针方向再转过120°，走到图11-27(c)的转子位置，位置传感器检出VP3开始透光为高电平，VP1、VP2不透光为低电平，这时控制定子电路让C相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-27(c)中的N′—S′所示，转子的受力方向又为逆时针。这样，转子可以受力逆向转回到图11-27(a）的位置，只要定子电路的供电控制模式保证旋转磁场对转子磁极产生连续的逆向拉力，转子就能连续旋转。2025/2/25134

图11-28为三相绕组无刷直流伺服电动机的单相半控桥式电子开关电路示意图。其电路功能是接受三个转子位置传感器的电平信号，将它们送到运算判断电路及功率开关驱动电路，控制功率开关VT1、VT2、VT3按特定通电模式运行