《可编程序控制器原理及应用》

《可编程序控制器原理及应用》

《PLC原理及应用》

一、学习PLC课程的基本要求：

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

绪论

第一节可编程序控制器一一PC一—以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技

术和通讯技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境,

简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置（见教材P5最后一

段话）

第二节表示成PLC一—与个人电脑PC相区别。事实上，已不再局限于逻辑控制，其运算

功能，接口功能都越来越强了。

第三节可编程序控制器的定义及特点

一、可编程序控制器的产生

上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂

性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广

泛应用。当时的工'也控制，主要还是以继电一接触器组成控制系统。

1968年，美国最大的汽车制造商一一通用汽车制造公司（GM）,为适应汽车型号的不断

翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬

件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电

器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的

通用捽制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用“面向捽制过程，面向

对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即；

硬件：减少

软件：灵活简单

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件：

1编程简单，可在现场修改程序

2维护方便，最好是插件式

3可靠性高于继电器控制柜

4体积小于继电器控制柜

5可将数据直接送入管理计算机

6在成本上可与继电器控制柜竞争有名的“GM10条”

7输入可以是交流115V

8输出可以是交流115V,2A以上，可直接驱动电磁阀

9在扩展时，原有系统只要很小变更

10用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节

1969年，美国数字设备公司(GEC)首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽

车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

接着，美国M0DIC0N公司也开发出可编程序控制器084。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器

DSC-8o1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研

制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、

完成顺序控制而设计的。主要用于：1.逻辑运.2.计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。

所以，通常称为可编程序逻辑控制器(PLC—Programmabl.Logi.Controller)o进入70年

代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻

辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理

器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都

有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障

检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向

用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

一、可编程序控制器的定义

可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）

曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二,三稿。在

第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，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、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种

类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统

形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。（见教材P1）

定义强调了PLC是：1数字运算操作的电子系统一一也是一种计算机

2专为在工业环境下应用而设计

3面向用户指令一一编程方便

4逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作

5数字量或模拟量输入输出控制

6易与控制系统联成一体

7易于扩充

三、可编程序控制器的特点

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PC机有以下特点：

1.可靠性高，抗干扰能力强

①工业生产对控制设备的可靠性要求：

②平均故障间隔时间长

③故障修复时间（平均修复时间）短

任何电子设备产生的故障，通常为两种：

①偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振

动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也

随之恢复正常。但对PC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。

②永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后

果限制在最小范围，使PC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时

间；如果能在PC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出

故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PC的平均修复时间。为此，各PC的生产厂商

在硬件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错

信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

①-硬件措施：

②主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成,

I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

③屏蔽一一对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽,

以防外界干扰。

④滤波一一对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或兀型滤波网络，以消除或

抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

⑤电源调整与保护一一对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成

电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

隔离一一在微处理器与I/O耳路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之间

电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

采用模块式结构-----这种结构有助于在故障晴况下短时修哀。一亘查的某一模块幽观故障，

能迅速更换，段系统呱息正常工作；同时包有助亍加快查找故障原因。

-软件措施：

有极强的自检及保护功能。

①故障检测一一软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号

等。以便及时进行处理。

②信息保护与恢复一一当偶发性故障条件出现时，不破坏PC内部的信息。一旦故障条件消失,

就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PC在检测到故障条件时，立即把现状态存入

存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。

③设置警戒时钟WDT（看门狗）一一如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示

了程序进入死循环，立即报警。

加强对程序的检查和校验-----旦程序有错，立即报警，并停止执行。

对程序及动态数据进行电池后备一一停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢

失。

PC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验c它要求能承受幅值为1000V,卜升时间

InS,脉冲宽度为1RS的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万〜上千万小时；制

成系统亦可达4〜5万小时甚至更长时间。

2.通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计

和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不

必改变PC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PC除应用于单机控制外，在工

厂自动化中也被大量采用。

3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、

功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线,

又可控制一个生产过程。

4.编程简单，容易掌握

目前，大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰

直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和

掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅

读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。

同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编君言然后执行（PC内部增加了解释程

序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大

多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。

5.减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器

件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,

更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使

维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功

耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设

备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305XI10XI10mm,重量2.3kg,功

耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX

系列PLC,与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36杭在系统的配置上既固定又

灵活，输入输出可达24〜128点。

第二节可编程序控制器的应用

随着PLC的性能价格比的不断提高：①微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC

的成本下降②PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应

用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等

各行各、也。其应用范围大致可归纳为以下几种：

L开关量的逻辑控制一一这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控

制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控,

亦可用于自动生产线的控制等等。（参见教材P3）

2.运动控制一一PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连

接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进

电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。即：把描述目标位置的数据送给模块，模块移

动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保

运动平滑。运动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。

3.闭环过程控制一一PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D.D/A转换，可

实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。

4.数据处理一一现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数

据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用

在大中型控制系统中；具有CNC功能：把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。

5.通讯连网一一PL.的通讯包括PLC与PLC之间、P1C与上位计算机之间和它的智能设备

之间的通讯。PLC和计算机之间具有RS-232接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以

实现信息的交换。还可以构成“集中管理，分散控制”的分布控制系统。I/O模块按功能各

自放置在生产现场分散控制，然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。

并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比

较便宜。

第三节可编程序控制器的分类

由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困

难。通常，按I/O点数可划分成大、中、小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和

高档机三类。

一般，按I/O点数分类如下：

1.小型PLC——I/O点数＜256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字

以下。

如：GET型美国通用电气（GE）公司

TI100美国德洲仪器公司

F、F1.F2日本三菱电气公司

C20C40日本立石公司（欧姆龙）

S7-200德国西门子公司

EX20EX40日本东芝公司

SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司

2.中型PLC——I/O点数256〜2048点；双CPU,用户存储器容量2〜8K

如：S7-300德国西门子公司

SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司

SU-5.SU-6德国西门子公司

C-500日本立石公司

GE-IIIGE公司

3.大型PLC——I/O点数.2048点；多CPU,16位、32位处理器，用户存储器容量8〜16K

如：S7-400德国西门子公司

GE-IVGE公司

C-2000立石公司

K3三菱公司等

第四节可编程序控制器的发展

•国外PLC发展概况

PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业

之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而

价格则不断下降。

目前，世界上有200多个厂家生产PLC,较有名的；美国：AB通用电气、莫迪康公司；

日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE施耐德公司；韩国：

三星、LG公司等。

•技术发展动向

1.产品规模向大、小两个方向发展

大：I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描

速度高速化。

小：由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。

2.PLC在闭环过程捽制中应用日益广泛

3.不断加强通讯功能

4.新器件和模块不断推出

高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能

I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。

5.编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化

有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦

rr高档的PLC指令系统。

6.发展容错技术

采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。

7.追求软硬件的标准化。

•国内发展及应用概况

我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器(1973〜1979)--------位处

理器为主的工业控制器(1979〜1985)——8位微处理器为主的可编程序控制器(1985以后)。

在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝

钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC

在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。

作业：思考题P51,4

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----A逻辑部分----->输出部分

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。

主令电器一一自动控制系统中用于发送控制指令的电器。

（1）逻辑部分：由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。

继电器-----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。

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。

接触器一一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离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

电器一一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

换和调节目的的电气元件

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

手动电器一一需人工直接操作才能完成指令任务

（二）按动作原理分‘

・自动电器一一按照电的或芈电的信号自动完成指令任务

（三）按用途..1.控制电器一一用于各种控制电路和控制系统

.......2.主令电器一一用于自动控制系统中发送控制指令

.......3.保护电器一一用于保护电路及用电设备

.......4.配电电器一一用于电能的输送和分配

5.执行电器一一用于完成某种动作或传动功能

电磁式电器一一依据电磁感应原理工作

（四）按T作原理分

非电量控制电器一一靠外力或某种非电物理量的变化而动作

二、电磁式电器一一电气控制线路中使用量最大，类型很多，工作原理和构造基本相同

’感测部分一一电磁机构

主要组成部分•

.执行部分一一触头系统

（一）电磁机构

作用：将电磁能星f机械能量f触头动作f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：（见教材P.Figl-1）

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：直流电磁铁的铁心一一整块钢材或工程纯铁制成。在直流情况下，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。

交流电磁铁的铁心一一硅钢片叠聊而成。在交流情况下，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。

（二）电磁吸引力与特性

在气隙值6及外加电压值一定时：

直流电磁铁一一电磁吸引力为恒定值

交流电磁铁一一电磁吸引力随时间变化

F（lf=2一2cos2m=FQ-FQcos2加

----电磁吸力平均值

吸力特性一一电磁吸力L随衔铁与铁心间气隙6变化的关系曲线（见教材PEFigl-2）

（三）反力特性和返回系数

反力特性一一反作用力匕（由触头弹簧、反作用力弹簧产生）与气隙6的关系曲线

返回系数一一释放电压（或电流）与吸合电压（或电流）的比值,

用B表示（反映

电磁式电器灵敏度的参数），B大而灵敏度高。

*",

其中：UM11V----释放电压、电流

Ual,lat——吸合电压、电流

（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.，.二Focos23t,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，曲线如教材P9Figi-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Fr1见图中斜线部分）。当时，衔

铁开始释放；当Fat>Fr时，衔铁又被吸合，周而复始，使衔铁发生振动，发出噪声。

引入短路环一一消除振动和噪声。

具体办法：见教材P9Fig1-4。

三、电器触头系统和电弧

（一）触头系统一一电器的执行部分，用于通断电路。

材料：铜质、银质

结构：桥式、指型（见教材PIOFigl-5）

（二）电弧的产生及灭弧（请同学自学教材P10〜P11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。

第二节开关电器

一、刀开关一一结构最简单，应用最广泛的手控电器。用于低压电路不

频繁动作。

文字及符号：教材P13Figl-10

二、转换开关（组合开关）一一手控电器。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停止的小容量异步电动机。

文字及符号：教材P13Figl-12

三、自动开关（自动空气断路器）一一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；正常情况下，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：见教材P13及P14Figi-13

图形和文字符号：见教材P14Figl-14

第三节熔断器的工作原理及使用（属保护电器）

一、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

L结构：熔体（额定电流等级较多）一一保险丝一一既是感测元件，又是执行元件

熔管（或熔座）（额定电流等级较少）一一安装熔体，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

主令电器一一自动控制系统中用于发送控制指令一一不能直接用于通断主电路

一、控制按钮一一低压控制电路中，手动发出控制信号。

结构、图形、文字符号:教材P17Figl-18,Figl-19

注意：按下时，常闭先开，常开后合

二、行程开关（限位开关）一一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：教材P17Figl-20,教材P18Figl-21

三、接近开关（无触点行程开关）一一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、

液而控制、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。

1.技术指标：①动作距离②重复精度③操作频率④复位行程

2.晶体管停振型接近开关

工作原理：

金属检测体接近感辨头f金属检测体内产生涡流一涡流的去磁作用改变感辨头的等效参

数一振荡电路的谐振阻抗和谐振频率变化f振荡停止一发出接近信号

1输出电路

金属

检测体

整流电路

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：体枳小、功能强、速度快、精度高、抗电磁十扰能力强

反射式［放大器分离•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一—光敏三极管，GL一一发光管辐射光脉冲）

被显示

测

物

体

振荡回路产生调制脉冲一经发射电路一发光管GL辐射出光脉冲

被测物体进入受光器作用范围一光脉冲被反射进入光敏三极管DU一接收电路将光信号

解调成电脉冲信号一放大、同步选通整形一积分除干扰一延时（或不延时）一触发驱动器输

出开关信号。

四、万能转换开关一一多档式、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：教材P19Figi-23。

五、主令控制器和凸轮控制器

.L主令控制器一一频繁按顺序切换多个控制电路的主令电器。与磁力控制盘配合，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：教材P19Figl-24

工作原理：见教材P19。

.2.凸轮控制器一一大型手动控制器。主要用于起重设备中直接控制中小型绕线式异步...

动机的起动、停止、调速、换向和制动等。

结构示意图及工作原理见教材P19-P20。

第五节接触器

接触器一一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。

一、交流接触器一一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

（见教材P21Figl-27）接触器图形符号:教材P24Figl-28

"电磁机构一一线圈、动铁心（衔铁）、静铁心

交流接触器J触头系统一一主触头（通断主电路）、辅助触头（控制电路，电气连锁）

I灭弧装置

＜其他部件一一反作用弹簧、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：线圈通电一线圈电流建立磁场一静铁心产生电磁吸力一吸合衔铁一带动触头动

作一常闭断开，常开闭合

线圈断电一电磁力消失f反作用弹簧使衔铁释放一各触头复位

二、直流接触器一一结构和工作原理与交流接触器基本相同，主要用于远距离控制电压至

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、常见故障请同学们自学（教材P21-P24）

（参见教材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

继电器种类很多:

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

c电磁式继电器i电流

感应式继电器

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、电磁式继电器一一结构与工作原理和接触器基本相同。

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

（一）按继电器反映的参数分为：电流、电压、中间和时间继电器

（二）工作状态：断“0”；合“1”,吸合与释放时间为0.05s〜0.15s。

图形符号及结构图：教材P25Figl-30,Figl-29

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，常闭打开），当电流I-10%〜20%Ie

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

（三）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，以反

（四）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。

电磁式中间继电器KA一—实质上为电压继电器。但触头对数

较多，触头容量较大（额

（五）定电流5T0A）,动作灵敏

（六）电磁式继电器的整定及其型号

（请同学自学教材P25—P26）

二、时间继电器一一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J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见教材P26Figl-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、调节范围大、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工作过程一一当电容被充电上升至鉴幅器的门限电压Ud时，鉴幅器输开关信号至后级

电路，使执行继电器动作。延时长短与时间常数T以及E、Ud、Uco有美。

三、热继电器一一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

”热元件一一串接于定子绕组中

热继电器J双金属片一一感测元件

触头

工作原理示意图：教材P26Figl-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△连接情况）

和无断相保护的。

图形符号及文字符号：教材P28Figl-34

（二）型号及选用一一教材P27

四、速度继电器一一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：

“转子一一圆柱型永久磁铁

I速度继电器定子一一笼型空心圆环，矽钢片叠成，装有

I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：教材P28Figl-35

转子的轴与被控电动机的轴相连接，定子空套在转子上。

电动机转动一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）一定子

内的短路笼形导体切割旋转磁场一感应电势并产生电流一电流与旋转的转子磁场作用产生转

矩一定子转动一至一定角度一摆锤推动簧片动作一触头动作。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，常闭打开。

图形符号和文字符号：教材P28Figl-36

作业：P29思考题与习题

9,15,16

第二章典型电气控制电路分析

主电路一一从电源到电动机大电流通过的路径

电气原理图’（控制电路

、辅助电路J照明电路

,信号电路

、保护电路

第一节三相笼型异步电动机全压起动控制

一、单向全压起动控制线路（教材P30Fig2T）

线路工作原理：

合上QS,主电路接通三相电源等待、控制线路通电

按下SB2fKV线圈得电f主触头闭合一电动机起动运行

.辅助常开闭合，自锁

1按下SB1-KM线圈失电一主触头及辅助触头复位一电动机断电，停止运行

2保护环节一一熔断器FU（短路保护）、

热继电器FR（过载保护）

接触器的电磁机构（失压、欠压保护）

二、电动机的点动控制线路（教材P31Fig2-2b）

图b为带手动开关SA的点动控制线路：SB2实现点动控制，SA合上即可实现连续运转

控制。分析图d工作原理如下：

1.点动控.

按下SB2-KA线圈得电一JKA常闭打开一阻断自锁

KA常开闭合一KM线圈得电f主触头闭合一电动机起动运行

放开SB2-KA线圈失电一KA触头复位一KM线圈失电一主触头打开一电动机停

3.连续控制

按下SB3-KM线圈得电一（主触头闭合一电动机起动连续运行

辅助常开闭合，自锁

按下SB1-KM线圈失电一主触头及辅助触头复位一电动机断电，停止运行

三、三相异步电动机的正反转控制线路

在生产加工过程中，往往要求电动机能够实现可逆运行。若将接至电动机的三相电源进

线中的任意两相对调，即可实现逆向运行。

A）电动机正——停——反（缺点：必须先停机再切换）

控制线路：教材P32Fig2-3ao

控制过程：

主电路：合上转换开关QS—控制回路接上电源

控制回路：

（1）SB2按下fKMl线圈得电f主触头吸合，电机正转

辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM2

（2）SB1按下一KM1失电一J主触头断开一电机停转

I各触头复位

（3）SB3按下一KM2线圈得电一主触头吸合，电机反转

辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM1

B）电动机正一一反一一停（优点：不必停机即可切换；且按钮和接触器均有互锁电路，工

作可靠）

控制线路:教材P32Fig2-3bo

控制过程：

（1）SB2复合按钮按下一KM1支路通一线圈得电一主触头吸合，电机正转

辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM2

KM2支路断

（2）SB3复合按钮按下一KM2支路通一线圈得电一主触头吸合，电机反转

辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM1

KM1支路断

（3）SB1按下一线路失电一电机停转

注意：按钮开关：常闭先断，常开后合（见教材P17Figl-18）

四、自动往复行程控制线路

控制线路：教材P33Fig2-4

控制过程请同学自行分析。

五、顺序循环控制线路

生产实践中常要求各种运动部件之间能够实现按顺序工作。例如，车床主轴转动时要求

油泵先给齿轮箱提供润滑油，即要求保证润滑泵电动机启动后主拖动电动机才允许启动,

也就是控制对象对控制线路提出了按顺序工作的联锁要求。如下（a）图的控制线路，主

电路中Ml为油泵电动机，M2为主拖动电动机，控制线路中，将控制油泵电动机的接触

器KM1的常开辅助触头串入控制主电动机的接触器KM2的线圈电路中，即可实现按顺序

工作的联锁要求，（b）图则是利用时间继电器实现顺序控制。

控制线路：

第二节三相笼型异步电动机降压起动控制

降压起动一一起动时降低加在电动机定子绕组上的电压

一、定子串电阻降压起动控制线路*

（见教材P35Fig2-5）

二、星型一三角形降压起动控制线路（4kw以上）

Y一△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

△联结，投入正常运行。这是一种最常用的降压起动。

（起动电压/二94）

（起动转矩

3

（起动电流/丫

3

A）两个接触器的星形一三角形降压起动电路（电动机功率13kW以下）

控制线路: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复合按钮按下一KT时间继电器得电（通电延时）

KM1线圈经KT延时断开触点得电一

（KM1主触头吸合（主回路）一电动机Y形连接起动

一（KM1常开触头闭合，自锁

IKM1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）一KM1失电一电机断电

Y

.延时吸合常开触头合（后）一KM2线圈得电一

（路径:KT延时吸合触头一SB2的复合按钮（下）-KM1常闭触头）

f（KM2主触头吸合一电机改为△联接（主回路）｝电机△运行

.KM2常开触头闭合，自锁一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，会引起第二次起动电流.（由

于惯性，电机未完全停止,起动电流不会很大.）

②KT在起动及电机运夕亍中始终通电，对KT不利.同时增加了故障点.

③电机的Y-A换接由两对KM2的常闭触头实现,触点容量较小，容易在换接过程中磨

损。

B）二个接触器的星形一三角形降压起动电路（电动机功率13kW以上）

控制线路：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按钮按下一KM1线圈得电一主触头吸合电动机Y

f常开触头吸合，自锁联接起

动

KM3线圈得电一主触头吸合一电机Y联接

KT得电

（2）KT整定时间到一（延时断开触点断（先）一KM3失电一主触头断开

<常闭复原.

.延时吸合触点合（后）

KM2线圈得电一（主触头吸合一电动机△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

1）相对于“两个接触器的Y—△降压起动控制线路”其优点：

2）KT仅在起动过程中通电，Y->A换接后，KT即被断电。

第三节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）。

第四节主回路中用了接触器的三个主触头，工作更可靠.

第五节三相绕线转子异步电动机的起动控制

转子回路通过滑环在外串电阻以减小起动电流、提高转子电路的功率因数和起动转矩。

（请注意生电路中电动机的画法）

3）转子回路串接电阻起动控制线路

串接在三相转子回路中的起动电阻，一般接成Y形。起动前，起动电阻全部接入电路，

随着起动过程的结束，起动电阻被逐段短接。

短接方式：三相电阻不平衡短接法一一每相的起动电阻轮流被短接

三相电阻平衡短接法一一三相的起动电阻同时被短接

1）依靠时间继电器自动短接起动电阻的控制线路：教材P38Fig2-10（平衡短接法）

控制过程：SB2合上一KM1线圈得电一主触头闭合一电机串电阻起动

常开触点闭合fKT1线圈得电"1整定时间到f

KT1常开闭合一KM2得电一《主触头闭合一切除第一段起动电阻1R

常开触点闭合一KT2线圈得电一KT2整定时间到一

KT2常开闭合一KM3得电一］主触头闭合一切除第二段起动电阻2R

常开触点闭合fKT3线圈得电一KT3整定时间到一

KT3常开闭合一KM4得电一［主触头闭合一切除第三段起动电阻3Rf起动电阻全部切除

常开触点闭合一自锁

优点：线路中只有KM1.KM4长期通电，而所有的时间继电器和KM2.KM3的通电时间均被压

缩到最低限度。节省电能，延长了器件寿命。

缺点：1.万一时间继电器损坏，线路即无法实现电动机的正常起动和运行。

...2.电动机起动过程中逐段减小电阻时，电流及转矩突然增大，会产生不必要的机械.

击。

2）利用电动机转子电流大小的变化来控制电阻切除的控制线路：教材P39〜P40Fig2-11

（同样有上述的缺点2）请同学们自学该线路。

二、转子回路串频敏变阻器起动控制线路：控制线路：教材P40Fig2-13

（略）

*第四节三相异步电动机的调速控制

三相异步电动机的调速方法［变更定子绕组极对数

,改变转子电路的电阻

变频调速

‘串级调速

电磁（滑差）调速

教材P41〜P42Fig2T4（a）、（b）介绍了双速电动机三相定子绕组接线方式及其控制线路。

第五节三相异步电动机的制动控制

三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转，由于惯性的原因，总需要一段时间。但实

际工业生产中，很多生产机械在运行过程中都要求安全和准确定位、以及为了提高劳动生产

率，都需要电动机能迅速停车，所以要求对电动机进行制动控制。

制动方法：机械制动

电气制动反接制动

.能耗制动

•机械制动一一利用机械装置使电动机在切断电源后迅速停转

普遍方法——电磁抱闸电磁铁

间瓦制动器

弹簧抱闸示意图:

当电磁铁1得电时，制动瓦2被吸起与制动

轮4脱离，与制动轮相连的电动机可自由转动。

当电磁铁失电时，在弹簧3的作用下，制动瓦压

紧制动轮使电动机无法转动。

电磁制动器常用于防止起重机械失电时重物LIL2L3

下跌和需要准确定位的场合。

弹簧抱闸示意图

电磁铁：-制动瓦：弹簧:制动轮

•电气制动1-23-4

4)反接制动控制线路

反接制动：改变电动机电源的相序一定子绕组产生相反方向的旋转磁场一产生制动转矩

特点：定了绕组中流过的反接制动电流相当于全电压起动时电流的两倍

制动迅速、效果好、冲击大，适用于10kW以下的小容量电动机

1)为减小冲击电流，通常在电动机主电路中串接电阻以限制反接制动电流

2)单向反接制动控制线路

要求：电动机电源相序的改变；转速下降接近于零，及时自动切断电源，防上反向起动

措施：采用速度继电器检测电动机的速度变化

控制线路:教材P42Fig2-15

(1)控制回路：

（2）SB2按下一KM1线圈得电并自锁一主触头吸合一电动机起动正常运转一速度继电器

KS常开触头闭合一为反接制动作好准备

（3）停车时：

SB1按下一［复合触头的常闭触点断开一KM1失电一电动机脱离电源1-

,复合触头的常开触点闭合（KM