电气控制基础与可编程控制器应用教程1531

1.1电气控制的基本知识1.2PLC的基本知识与应用1.3PLC的特点与发展趋势思考题与习题第１章概述

主要内容：

(1)了解电气控制的概念和基本知识。

(2)了解PLC的概念和基本知识。

控制是日常生活中经常接触到的问题，可以说，现代生活离不开控制。有些控制是由人直接实现的，有些是通过简单的电器元件来实现的，有些是通过微处理器及其附件甚至是通过网络来实现的。本章主要研究的是在工业生产过程中遇到的控制问题及其解决方案，实现控制使用的设备和系统，人为干预的方式和策略，以及在实施控制系统的过程中将会遇到的问题和解决这些问题的方法等。

电气控制技术是随着计算机科学技术的不断发展和生产工艺的不断改进而飞速发展的。历经多年的发展，取得了很大的进步：在控制方法上，已从最早的手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到复杂控制；在操作方式上，由笨重发展到轻巧；在控制原理上，则由单一的有触点硬接线的继电器接触器控制系统发展到以计算机为核心的“软”控制系统。随着新型电器及电子元件的出现，电气控制技术还将不断得到发展。1.1电气控制的基本知识1.1.1控制过程的种类和控制系统的组成

1.控制过程的种类

按照工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业生产的典型过程可以分为三种，即连续过程(ContinuousProcess)、离散过程(DiscreteProcess)和批量过程(BatchProcess)。

1)连续过程

连续过程指的是这样一种工业过程：其产品一般都是流体，如液体、气体等；过程的输入/输出变量为时间连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只产出一种产品。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。石油炼制、化肥等生产过程都是连续过程。以连续过程为主要特征的生产行业，习惯性地被称为流程工业。

2)离散过程

与连续过程相对应，离散过程指的是这样一种工业过程：其产品是“固态”的、按件计量的；过程的输入/输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、开关的状态等。以离散过程为主要特征的生产行业，习惯性地被称为制造业。

3)批量过程

所谓批量过程，指的是一种间歇性多品种生产过程，即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品。这类过程的特点是连续过程和离散过程交替进行。配方的切换和生产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又是一个连续过程。

一个完整的生产过程，一般都是连续过程和离散过程的混合体，如在啤酒的生产过程

中，发酵过程是一个连续过程，但啤酒最后罐装成瓶的过程又是离散过程。在批量过程中，

由于涉及设备的启、停控制，因此一般也都包含离散过程。

2.控制系统的组成

从广义的方面来说，在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个，即被控对象、控制装置(设备)和参与控制的人。在这三部分中，生产过程是被控对象，要使生产过程效率高，产品质量好，产品灵活性大，采取的措施之一就是采用功能强大的控制装置。控制装置是控制系统的核心。控制装置的性能好坏决定了控制目标是否可以实现。而现实情况是现在还不可能造出一种单一功能的控制装置来适应各行各业的控制要求，目前采用的较好的技术是根据控制装置的不同功能要求，制造独立的完成不同功能的控制模块(单元)，使用通信技术，将各控制模块组成一个有机的整体。人是整个控制系统的灵魂，主要体现在两个方面：一是控制系统的思想是由人赋予的；二是人直接干预控制系统的运行。1.1.2控制系统的概述和发展过程

1.现代电气控制系统的概述

控制系统是由现场的回路控制部分、集中控制室中的人机界面和连接这两部分的信号电缆三大部分组成的。从基地式仪表发展到单元式组合仪表，从单一的控制装置发展到控制系统，引起这个根本变化的因素是信号传输。也就是说，信号的传输技术造成了功能上的分工与配合，使控制装置演变成了控制系统。信号传输标准的演变：气动单元组合仪表的信号传输标准是20～l00kPa，Ⅱ型电动单元组合仪表的信号传输标准是0～10mA，Ⅲ

型电动单元组合仪表的信号传输标准是

4～20mA，而近年来控制系统由模拟技术推进到数字技术后，虽然还没有形成一个统一的标准，但现场总线标准已经受到了广泛的关注。目前，在很多情况下均采用4～20mA的电流或者0～5V的电压标准。

2.控制系统的发展过程

控制系统的发展经历了过程控制、离散控制和计算机控制等过程，其中最先得到发展的是用于过程控制的控制装置，它的主要功能是进行回路控制。过程控制装置的主要发展过程经历了机械控制器、基地式仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表、数字式回路调节器、芯片控制的控制单元及分布式控制系统。

离散控制装置的主要功能是进行逻辑顺序控制。离散控制装置的主要发展过程经历了继电器逻辑控制器、电子逻辑控制器、可编程逻辑控制器。计算机控制将各个单元的控制功能集中起来，借助计算机强大的运算处理功能来实现各种复杂的控制。其主要发展过程经历了计算机监督控制系统和计算机直接数字控制系统。它是通过传感器、变送器、A/D(D/A)转换器、电子开关(执行器)等与控制对象进行连接的。

从上面的发展过程可以看出，无论是过程控制、离散控制还是计算机控制，它们都担当着控制装置的角色。随着通信网络技术的发展，各个功能单元不再只是完成自身的功能，而是与其他单元组成一个整体来完成更强大、更复杂的控制功能。在控制系统的发展过程中，为了满足控制系统对实时性、可靠性方面的要求及系统规模的扩展和性能的提高，在网络技术的支持下，经过多年的探索，诞生了分布式控制系统(DCS)，它较好地解决了各功能单元之间的相互关系问题。

可以肯定的是，无论是哪一种类型的控制装置，今后的发展趋势一定是功能越来越强，体积越来越小，并且是自治功能单元，既可独立工作，又可以与其他单元组成功能更强的系统，不同种类的控制装置能相互渗透发展，在一种体系结构下协同工作，完成更复杂的控制功能。

需要特别指出的是，PLC只是众多控制装置中的一种，它既可以单独组成系统，也可以与其他装置协同工作。控制系统的结构依赖于控制理论的发展。1.1.3继电器接触器控制系统

1.继电器接触器控制系统简介

进入20世纪以来，随着流水线生产、社会化大生产蓬勃发展，继电器控制系统已被广泛地应用于工业生产的各个领域，创造了一个个成功的控制系统范例，并且对一些典型的逻辑控制关系建立了固定的继电器逻辑控制组合(也称功能单元)。一般的继电器控制系统可以看成由输入电路、继电器控制电路、输出电路和控制对象4个部分组成。其中输入电路是由一些能完整表明控制对象状态的按钮、行程开关、限位开关及各类传感器等组成的，由它们向控制系统提供被控对象的信息。输出电路由接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制电机、电炉、阀门等，以此来保证被控对象处于安全、合理、有序的运行状态。继电器控制电路是整个控制系统的核心，不同的逻辑控制功能都是由它来完成的。继电器控制系统结构如图1-1所示。

图1-1继电器控制系统结构图

2.继电器控制电路图

为了说明继电器的控制功能是如何实现的，下面简要介绍继电器接触器控制系统电路的基本知识。

1)常开按钮

常开按钮触点的平常工作状态是断开状态。用手按下时，触点闭合，变为连通状态；手离开按钮时，触点断开，恢复为断开状态。

2)常闭按钮

常闭按钮触点的平常工作状态是连通状态。用手按下时，触点断开，变为断开状态；手离开按钮时，触点闭合，恢复为连通状态。

常开、常闭按钮的原理图及图形符号如图1-2所示。

图1-2常开、常闭按钮的原理图及图形符号(a)原理图；(b)图形符号

3)常开触点

常开触点的平常工作状态是断开状态。当继电器线圈通电时，触点闭合，为连通状态；当继电器线圈断电时，触点断开，恢复断开状态。

4)常闭触点

常闭触点的平常工作状态为连通状态。当继电器线圈通电时，触点断开，为断开状态；当继电器线圈断电时，触点闭合，恢复闭合连通状态。

5)继电器线圈

当控制连接该线圈的所有触点都闭合时，继电器线圈通电，衔铁吸合，使常开触点闭合，常闭触点断开；当线圈失电时，常开触点断开，常闭触点闭合。继电器的原理图及触点和继电器线圈的图形符号如图1-3所示。

图1-3继电器的原理图及触点和继电器线圈的图形符号(a)原理图；(b)图形符号图l-4所示是一个简单的继电器控制电路(启、保、停)图。其工作过程如下：按钮1按下时，通过按钮2使继电器1得电，继电器1的常开触点闭合，通过按钮2维持继电器1继续得电，启动设备工作。需要停车时，按下按钮2，按钮2断开，继电器1失电，设备关机。整个继电器控制系统的核心都是由这样一些基本的控制功能电路组成的。

图1-4继电器控制电路

3．继电器接触器控制系统的特点

继电器控制电路图就是实际的逻辑连线图，两侧的线代表实际的控制电源线。各个控制单元继电器是否动作是由其接点条件控制的，不受其所处电路图前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器在动作(翻转)，控制的结果及逻辑动作顺序也是由其接点条件来控制的。继电器是具有惯性的器件，动作有延迟，而系统的动作顺序充分地考虑了这种延迟。当延迟不满足条件时，利用故障导向安全的原则来锁闭控制电路。继电器也是一种可靠的逻辑器件，继电器之间及与其他电子器件之间的连接是通过导线来完成的，且相互之间的绝缘、隔离性能良好。继电器控制电路实现的控制功能比较简单，只限于逻辑、定时、计数等一些简单的控制。由于这种控制关系往往是针对某一固定的生产工艺设计的，因此当生产过程发生改变时，须重新设计，改变继电器及接线。同时，继电器因其机械动作还具有控制速度低、安装施工工程量大、系统不易扩展、维护工作量大、故障不易查找等缺点。

工业自动控制中使用的可编程控制器种类很多。目前，有很多国内外厂家均在生产可编程控制器，不同厂家的产品各有特点，它们虽然有一定的区别，但是作为工业标准控制设备，可编程控制器在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基本相同的。本节主要介绍可编程控制器的一些基本知识。1.2PLC的基本知识与应用1.2.1PLC的概念与工作原理

1. PLC的发展和概念

1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC。由于当时的电子技术条件及计算机水平较低，因此PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代初出现了微处理器，人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用与继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相组合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。早期的可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，已远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能，现在已变成了实际意义上的一种工业控制计算机。因此，现在人们将可编程逻辑控制器简称为可编程控制器。

2. PLC的工作原理

PLC是一种专为工业环境下设计的计算机，它由CPU、存储器、输入/输出模块、通信模块和各种功能模块组成，在上电工作时，首先进行模块检查和初始化，接着CPU连续执行用户程序、任务的循环序列，这个过程称为扫描。如图1-5所示，CPU的扫描周期包括输入、执行用户程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。

另外，与计算机相同，当有中断发生时，CPU会将当前程序中断，转而处理中断程序，提高了系统的实时性。图1-5循环扫描周期1.2.2PLC的结构和应用

1. PLC的结构

在结构上，PLC是由CPU、存储器、输入/输出、通信等单元构成的，可以将这些功能单元做在同一块电路板上，形成整体式结构；也可以将这些功能单元分别制作成模块，在使用时根据需要选择需要的模块，形成模块式结构。

PCL的网络控制是在分散控制系统的控制思想基础上发展起来的。分散控制系统的控制思想是集中操作、分散控制。然而实际的工业控制过程比较复杂，一个控制过程可能由许多控制任务组成，这些控制任务既有独立性，又与其他任务有联系，而这些相对独立的任务需要构成一个整体。当控制系统达到一定规模时，分散控制系统解决方案的效果并不理想，因此许多PLC厂家开发了自己的网络系统。显然，网络控制系统比分散控制系统更能准确地描述现实控制系统，实现管控一体化的思想。

2. PLC的应用领域

目前，PLC已经广泛地应用在许多工农业生产、交通运输等领域，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大。可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

PLC可以代替继电器进行组合逻辑控制、顺序逻辑控制与定时控制。另外，PLC具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。通过使用专用的运动控制模块，可以实现对旋转或者平动运动的位置、速度和加速度的控制。运动控制功能广泛用于各种机械控制，如各种数控机床、机器人和交通控制等场合。

PLC可以通过网络与各种计算机、其他PLC及变频器等智能设备通信，组成分布式控制系统。

根据对控制系统的不同要求，PLC可以实现开环过程控制和闭环过程控制。在闭环过程控制中，PLC通过模拟量和数字量I/O模块采集数据，经过数据处理和PID(比例—积分—微分)控制来实现过程控制。必须指出的是，并不是所有的PLC都能用于上述领域，有些小型的PLC只具有上述部分功能，可能完成不了上述一些较复杂的任务，但价格比较便宜。

图1-6所示是西门子S7-300系列PLC在自动化立体车库控制系统中的一个典型应用：PLC的CPU选择S7-314C-2DP，带有MPI和PROFIBUS-DP接口。

图1-6PLC在自动化立体车库系统中的应用

1. PLC的特点

(1)编程方法简单易学。梯形图是使用最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，形象直观，易学易用。熟悉继电器电路原理图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用其编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。1.3PLC的特点与发展趋势

(2)可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，故容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。

(3)故障检测、维修方便，系统更改灵活。PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。当PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障发生的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

(4)功能强，性能价格比高。即使一台小型PLC内部也有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，PLC具有很高的性能价格比。

(5)系统的设计、安装、调试工作量少。PLC用软件功能取代了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，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，用小开关来模拟输入信号，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的调试过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

(6)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活、方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便、快速地适应工艺条件的变化。

(7)体积小，重量轻，能耗低。对于复杂的控制系统，使用 PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将控制柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上控制柜体积的缩小，可以节省大量的费用。

(8)模块化结构，扩展能力强。根据现场需要可进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制拥有几百个I/O点的控制系统。

2. PLC的发展趋势

随着PLC的不断发展，PLC总体上朝两个方向发展：在小型化方面，随着电子技术的发展，微型、小型PLC拥有了中型，甚至大型CPU的功能，朝体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展，使PLC的使用范围不断扩大，广泛地应用在商业、家用等领；而大型、中型PLC在使用多CPU、32位长CPU等方面不断发展，朝大型化、网络化、多功能方向发展，不断提高其功能，以便与现代网络连接，组建大型网络化控制系统。

1.简述PLC的概念。

2.

PLC有哪些主要特点?

3.与一般的计算机控制系统相比，PLC有哪些优点?

4.与继电器控制系统相比，PLC有哪些优点?

5.

PLC可以用在哪些领域?思考题及习题2.1低压电器简介2.2常用低压电器2.3电子电器思考题与习题第2章常用低压电器

主要内容：

(1)掌握各种低压电器的结构、工作原理，特别是掌握继电器和接触器的工作原理。

(2)熟悉各种常用控制线路原理。

(3)掌握控制系统的初步设计方法。在各种生产机械中，电力拖动的自动控制或者手动控制设备被广泛使用。其中大多数运动部件是由电动机来驱动的。所以，要保证生产过程中各生产机械部件按照生产要求进行顺序动作，满足生产工艺和生产过程的要求，就需要对电动机进行顺序启动、停止、正反转、调速和制动等控制，这些控制系统很多是由低压电器组成的，如继电器、按钮和接触器等，通常称为继电器接触器控制系统。目前，在工业生产中还广泛使用着继电器接触器控制系统。这种系统通过机械触点的断续控制(开关动作，包括各种元件的断续闭合和断开)，来实现控制目标。为了更好地掌握继电器接触器控制系统，必须掌握其原理和特点。

要懂得一个控制系统的原理和特点，就必须知道各种电器元件的结构、工作原理和作用，从而去控制它们工作。任何控制系统，无论其复杂与否，都是由一些基本的单元电路组成的，所以本章主要介绍各种常用电器和其控制原理。

低压电器指工作在交流1000V或者直流1200V额定电压以下的电路中的电器，其作用是实现对电路或非电对象的通断切换、控制、检测、保护、变换和调节等。低压电器分为手动电器和自动电器两种。随着电子技术、自动控制和计算机技术的发展，生产对控制要求的不断提高，自动电器不断增多，出现了用很多的电子线路来取代低压电器的控制。但是，在所有的工业电气控制中，即使是以计算机为主的工业电气控制系统中，继电器和接触器仍然占有相当重要的地位，所以学习低压电器是必需的。2.1低压电器简介2.1.1低压电器的分类

低压电器的种类繁多，按其用途、操作方式、执行机构的不同，可以有不同的分类方式，现分别做一介绍。

1.按用途分类

按用途的不同，可将低压电器分为低压配电电器、低压控制电器、低压主令电器、低压保护电器和低压执行电器等。

(1)低压配电电器是用于供电系统中进行电能的输送和分配的电器，主要有低压断路器(俗称空气开关)、隔离开关、刀开关和自动开关等。对低压配电电器的主要技术要求是分断能力强，限流效果好，动态稳定性和热稳定性好等。

(2)低压控制电器是用来控制电路和控制系统的电器，主要有接触器、继电器、启动器和各种控制器。对低压控制电器的主要技术要求是有一定的通断能力，操作频率高，电器和机械寿命长等。

(3)低压主令电器是用来发送控制指令的电器，主要有控制按钮、主令开关、行程开关和万能转换开关等。对低压主令电器的技术要求是操作频率较高，抗冲击，机械寿命长等。

(4)低压保护电器是用来保护电路或者各种电器设备的电器，主要有熔断器、热继电器、电压继电器和电流继电器等。对低压保护电器的主要技术要求是有一定的通断能力，可靠性要高，反应要灵敏。

(5)低压执行电器主要指执行元件，是用来完成既定的动作或者传递能量的电器，主要有电动机、灯、电热丝、电磁铁和电磁离合器等。

2.按操作方式分类

按操作方式的不同，可将低压电器分为自动电器和手动电器。

(1)自动电器主要是在外来信号或者本身的参数变化下自动完成其功能。如接触器和继电器在电信号的作用下吸合或者分离；热继电器在通过大电流的情况下自动动作，切断电路；熔断器在过电流的情况下熔断而保护电路等。

(2)手动电器主要通过人力的作用来完成其切换动作。常用的手动电器有控制按钮、刀开关和组合开关等。

3.按执行机构分类

按执行机构的不同，可将低压电器分为有触点电器和无触点电器。

(1)有触点电器主要通过触点的动作来执行信号，如接触器和继电器等。

(2)无触点电器主要是利用晶闸管等电力电子器件的导通和截止来反映信号。无触点电器具有寿命长和干扰小等优点。2.1.2低压电器的发展过程

自从发明了电以后，人类就开始了对电器的研究。随着生产的需要，从简单的按钮、刀开关和熔断器开始，低压电器的种类和型号不断增多，出现了电子电器及其成套的电器设备。随着计算机技术的发展，计算机和低压电器相结合而产生的可编程控制器也在不断发展。改革开放以来，我国的低压电器技术在原有的基础上飞速发展。我国根据IEC

(InternationalElectroTechnicalCommission)标准制定了国家标准，生产的产品如CJ20系列接触器、RJ20系列热继电器和

DZ20系列塑壳断路器等都符合国家标准甚至符合IEC标准。同时，通过技术引进和合作，我国的低压电器产品质量不断提高。目前，我国在不断提高低压电器的技术性能和参数的同时，大力开发电子电器，如固态继电器和固态接触器、光电开关等。

低压电器的发展方向是高性能、高可靠性、多功能、小型化、使用方便等。

2.2.1刀开关

1.刀开关的结构和安装

刀开关俗称“闸刀”，是用来接通和断开电源的一种手动电器。其结构简单、操作方便，可用于控制容量小于7.5kW的电机的启动和停止。2.2常用低压电器刀开关由手柄、触刀、触点座和底座组成，如图2-1(a)所示。通过对手柄的操作可控制触点的结合和断开。其形式有单极、双极和三极等，选择时应根据其额定电压和电流进行选择，对于电机控制应选用大于或等于电机额定电流3倍的刀开关。在安装时，手柄要朝上，不得平行安装或者朝下安装。这是因为要防止在重力作用下自动结合。刀开关的文字符号为Q或QS，其图形符号如图2-1(b)所示。

图2-1刀开关的结构示意图和图形符号(a)结构示意图；(b)图形符号国内的刀开关主要有HD系列板用刀开关和HS系列刀形转换开关。板用刀开关可以用来接通或者断开负载电路；刀形转换开关是用来隔离电流的隔离开关。

刀开关型号的含义如图2-2所示。

图2-2刀开关型号的含义

2.刀开关的技术参数

刀开关的技术参数如下：

(1)额定电流：在规定的条件下，其长期工作能够承受的最大电流。

(2)额定电压：在规定的条件下，其长期工作能够承受的最大电压。

(3)通断能力：在额定电压和其他规定的条件下，能接通和断开的最大电流值。

(4)电寿命：在规定的条件下，无维修时操作的循环次数。

选用刀开关时，可以按照其技术参数进行选择；要求在小于其额定电流和额定电压下工作，其极数和位置等可以按照实际情况选择；在负载较小时需要注意其通断能力。相关技术参数可查阅有关手册。2.2.2熔断器

1.熔断器的结构和工作原理

熔断器俗称“保险丝”或者“保险管”等，是一种结构简便、使用方便、控制有效的短路保护电器。熔断器主要由熔体(或熔丝，俗称保险丝)和安装熔体的熔管(或支架)组成,在使用中常和其他开关电器组合实现短路保护。熔断器的核心是熔体，一般由熔点较低的铅、锡、铜、银及其合金等材料制成，形状为丝状或片状。熔断器的熔体和其被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许流过一定大小的电流而不熔断；当电路短路或有故障时，由于电流超过其额定电流，使其产生的热量达到熔体的熔点，熔体熔断，切断电路，从而达到了保护电器和电路的目的。

熔断器的文字符号为FU，其类型和图形符号如图2-3所示。

图2-3熔断器的类型和图形符号

(a)管状熔断器；(b)插式熔断器；(c)螺旋式熔断器；(d)图形符号根据电路基本定律可知，电流流过熔体时产生的热量与电流的平方和电流通过的时间成正比，即

Q=I2Rt

所以熔断器的熔断时间和电流有关，我们称其为熔断器的安秒特性，如图2-4所示。

图2-4熔断器的安秒特性

2.熔断器的参数

(1)熔断器熔体的额定电流是熔断器最主要的参数。只有准确地选择熔体的额定电流，熔断器才能起到应有的保护作用；否则，不但不能起到保护作用，反而会影响到用电设备的正常工作。

对于电阻负载或者其他无冲击电流负载，熔体的额定电流应略大于或等于负载电流。

(2)保护一台电动机时，为了防止电动机启动时电流过大而将熔断器的熔体烧断，应按照下式计算熔体的额定电流：

(3)保护多台电动机时，可按下式粗略估算熔体的额定电流：

熔断器的额定电流有4A、6A、10A、15A、20A、25A、60A、80A、100A、125A、160A、200A、225A、260A、300A、350A、430A、500A和600A等多种。【例2-1】如图2-5所示是一个用刀开关直接控制的小功率电动机的运行控制。其中QS为刀开关，FU为熔断器。当刀开关合上时，电动机开始运行；当刀开关断开时，电动机停止运行。

图2-5刀开关直接控制电动机运行2.2.3控制按钮

控制按钮通常用来接通或者断开控制电路，通过控制按钮的电流是很小的，通常仅用来提供信号。通过控制按钮可控制接触器、继电器等电器的动作，进而控制电器设备或者电动机等的运行。

控制按钮由按钮帽、弹簧、静触点和动触点等组成，其结构示意图如图2-6(a)所示。其中动触点和按钮轴固定，当按钮帽没有被按下时，动触点和静触点1闭合，同时和静触点2断开；当按下按钮帽时，动触点和静触点2闭合，同时和静触点1断开。动作前接触的触点是常闭触点(静触点1)，断开的触点是常开触点(静触点2)。当按钮帽动作后，常闭触点断开，常开触点闭合。控制按钮的图形符号如图2-6(b)所示。有的控制按钮只有一对常开触点或者常闭触点，也有的有两对常开触点或者常闭触点，有的有多对触点。在设计和工程实践中，控制按钮的常开触点和常闭触点的使用应灵活，实际上，通常把两个或者多个控制按钮单元做成一体，组成双联、三联或者多联按钮，以满足电动机的启停、正反转或其他复杂控制的需要。

图2-6控制按钮的结构示意图和图形符号

(a)结构示意图；(b)图形符号在使用多个控制按钮时，为了区分不同的控制按钮的作用，避免误操作，通常使用不同颜色按钮帽的按钮。按钮帽的颜色有红、白、黑、绿、蓝、灰、黄等。当使用不同颜色按钮帽的按钮时，必须符合GB4025(指示灯和按钮的颜色)的规定。如“启动”按钮为绿色，“停止”按钮为红色等。控制按钮的种类很多，国内常用的按钮有LA系列和引进的LAY系列。对按钮的要求为通断可靠、动作精度高、电器性能良好和寿命长等。在设计过程中，可选择一些具有造型新颖，手感好，功能齐全及安装、更换方便等特性的按钮。

常用的控制按钮有自保持和自复位两种。自复位按钮在外力释放后，按钮在弹簧的作用下将恢复原位；自保持按钮内部有电磁或者机械结构，当按下后，在撤去外力时按钮不会自行复位，继续保持。控制按钮的型号含义如图2-7所示。

图2-7控制按钮的型号含义

表2-1控制按钮的分类2.2.4接触器

接触器是一种应用广泛的开关电器，它主要用于频繁接通或分断交、直流主电路和大容量的控制电路。接触器种类繁多，按照使用电路的不同分为直流接触器和交流接触器；按照驱动方式的不同分为电磁式、气动式和液压式等接触器；按灭弧介质的不同分为空气式、油浸式和真空式接触器。接触器上通过的电流很大，用来驱动执行单元(如电动机、电热丝等功率器件)。在工业生产中，使用量最大的是电磁式交流接触器，简称为交流接触器。下面主要介绍空气式交流接触器。

交流接触器用来接通或者断开主电路、电机和大容量的控制电路，在工业中，其主要控制对象是电机或者其他大容量的负载，如电热器、电焊机和变压器等。交流接触器每小时可开闭几百次，所以用来频繁地接通和断开负载，同时其可实现远距离控制，从而被广泛使用。交流接触器在结构上主要由电磁铁和触点两部分组成。如图2-8(a)所示，当给线圈提供额定电压后，在电磁力的作用下，衔铁向下运行，从而使触点接触，线路导通。当电压较低时，将会导致电磁力下降或者消失，此时衔铁在弹簧的作用下释放，触头复位，实现了低压保护功能。交流接触器的铁芯由硅钢片叠成，这样可以减小铁损。另外，选用了短路环来消除铁芯的振动和噪音。接触器的文字符号为KM，其图形符号如图2-8(b)所示。在绘制接触器原理图时，线圈和各个触点可根据应用绘制在不同的位置，但是文字符号必须一致，以表明是同一个接触器。根据用途的不同，接触器的触点分为主触点和辅助触点。主触点可通过其额定电流，通过的电流较大，用在主电路中，可驱动电动机和电焊机等功率器件；辅助触点的电流较小，用来提供控制电路的信号。

图2-8交流接触器的结构示意图和图形符号

(a)结构示意图；(b)图形符号主触点在断开期间由于电场的存在，使得触头表面的自由电子大量溢出，同时在高热和强电场的作用下，电子运动撞击空气分子，使空气电离而产生电弧，为了防止电弧烧坏触点或者使切段时间拉长，在交流接触器上采用了灭弧措施。

灭弧措施要求快速拉大电弧的长度，从而使得单位长度上的电弧的电压降低，散热面积增大，冷却速度加快，使自由电子和空穴复合运动速度加快；另外，常使用强制冷却的方式来加快复合运动。常用的灭弧装置有以下两种：

(1)吹弧：如图2-9(a)所示，利用电动力或者其他方式，在触点断开瞬间将电弧吹开，一方面使得电弧拉长，单位电弧上的电压降低；另一方面，在吹开电弧的同时也对触点进行了强制冷却。

(2)栅片灭弧：在触点侧面设置有多组薄钢片，称为灭弧栅片，它们之间彼此绝缘，如图2-9(b)所示。当触点断开时，电动力会将电弧吹入灭弧栅片中，此时电弧被栅片分成了一个个小的短弧，栅片也就成了短弧的电极，使得每一段短弧上的电压达不到燃弧电压。同时每两个灭弧栅片上都有150～250V的绝缘强度，使电弧电压很难维持。另外，灭弧栅片本身具有冷却能力，所以能够快速灭弧。在结构上，交流接触器的触点均做成一边一个触点的桥式结构(如图2-9(c)所示)，两个触点可以使其在断电期间快速断开，电弧也快速熄灭。

图2-9灭弧原理图

(a)电动力吹弧示意图；(b)栅片灭弧示意图；(c)交流接触器的触头形式交流接触器主要根据主电器的电压和电流来选择。还要根据控制电路来选择其触点数量、电磁线圈的额定电压和工作频率等。其主要技术参数有：

(1)额定电压：指主触点的额定工作电压。此外，还有辅助触点的额定电压和电磁线圈的额定电压。

(2)额定电流：在额定电压和操作频率等规定的条件下，主触点的额定工作电流低于额定电流工作是保证接触器正常工作的条件。

(3)约定发热电流：在接触器非封闭条件下，按照规定条件进行试验，接触器各部件连续工作８小时，其温升小于极限值所能承受的最大电流。

(4)通断和分断能力：在规定条件下，能在给定电压下接通和分断的预期电流值。要求在此电流下，接触器分断和接通时，不发生熔焊、飞弧和过分磨损等情况。

(5)机械寿命和电寿命：机械寿命指接触器在无负载和无维修的条件下所能操作的循环次数；电寿命指在正常条件下，无维修时的操作循环次数。

(6)操作频率：指每小时允许操作的次数。该参数是一个重要的指标，其影响接触器的电寿命、灭弧室的工作条件和线圈温升等。

(7)工作制：有短时工作制、断续工作制、不间断工作制和8小时工作制四种。

我国常用的交流接触器有CJ系列和CJX系列。图2-10所示是CJ20系列交流接触器的型号含义。

图2-10CJ20系列交流接触器的型号含义常用的交流接触器的额定电流有5

A、10

A、20

A、40

A、75

A、120

A等。线圈的额定电压一般为工频220V和380V交流电。

直流接触器的工作原理与结构类似于交流接触器，常用的有CZ系列。

【例2-2】图2-11为利用控制按钮和接触器实现电动机远程控制的控制电路。其中SB1为启动按钮，SB2为停止按钮。当刀开关闭合后电路得电，若按下SB1，则接触器吸合，电动机得电运转。同时接触器的副触点(和SB1并联使用)闭合，当SB1复位后，电动机保持运行，这种方式称为启动保持。和SB1等串联的停止按钮SB2一旦被按下，将会使得控制电路断电，接触器复位，电动机停止运转，整个控制电路复位。

图2-11启动、保持、停止电路2.2.5继电器

继电器和接触器的主要区别在于，接触器的主触点可以通过大电流，驱动各种功率元件，而继电器的触点只能通过小电流，所以，继电器只能用于控制电路中提供控制信号，当然对于小功率器件(数十瓦)，如灯泡、信号灯、小电机等，可以直接使用适当的继电器来驱动。继电器是一种根据外界输入信号(电量或非电量)来控制电路自动切换的电器，用来实现信号的转换、传输和放大。这些输入信号可以是电流、电压和功率等电信号，也可以是温度、时间、速度和压力等非电量信号，而在这些信号的作用下，其输出均为继电器的触点的动作(闭合或者断开)。所以，继电器在控制电路中起控制、放大和保护等作用。由于通过继电器触点的电流很小，故继电器一般无灭弧装置，在结构上也是通过单触点闭合来实现闭合状态的，而接触是用一对触点来实现灭弧的。

继电器的种类很多，按照其输入信号可分为电流继电器、电压继电器、功率继电器、时间继电器、速度继电器、热继电器、温度继电器和压力继电器等；按照继电器的动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器等。

1.中间继电器

中间继电器是在控制电路中传输或者转换信号的一种元件。其作用主要是增加触头数量和中间的放大作用，其实是一种电磁式继电器，特点为触头数量较多。中间继电器对动作参数无具体要求，但要求在电压为零时能可靠地释放，所以中间继电器无调节装置。中间继电器的工作原理和接触器相同，其种类繁多，除了专用的中间继电器之外，额定电流小于5

A的接触器通常也被作为中间继电器来使用，但是中间继电器一般只用于控制电路中。中间继电器的文字符号为KA，其图形符号如图2-12所示。

国内目前常用的中间继电器有JZ7、JZ8交流系列和JZ14、JZ15、JZ17等交直流系列。图2-13所示的是JZ11系列中间继电器的型号含义。

图2-12中间继电器的图形符号

图2-13中间继电器的型号含义

2.电流继电器和电压继电器

电流继电器和电压继电器均是电磁式继电器，其工作原理和结构与接触器相似。其触点电流较小，体积较小，动作灵敏，无灭弧装置，触点的数量和种类比较多。

1)电流继电器

电流继电器反映的是电流信号，当其线圈中通过的电流达到一定的值时开始动作(电磁力使得带有触点的衔铁动作，触点结合或者断开)；当电流较小时，电磁力无法抗拒弹簧的弹性力，衔铁释放，继电器复位。

电流继电器分为欠流继电器和过流继电器，其文字符号为KI，图形符号如图2-14所示。国内目前常用的过电流继电器有JL—15、JL—18等系列，其中JL—18系列为通用继电器，可用作欠电流继电器。JL系列电流继电器的型号含义如图2-15所示。图2-14电流继电器的图形符号

图2-15电流继电器的型号含义

2)电压继电器

电压继电器反映的是电压信号，当电压达到一定值时，开始动作，其原理和电流继电器的相同。电压继电器分为欠压继电器和过压继电器，如D—L20C、D—L30系列电压继电器，用于电机、变压器及输电线的过负荷和短路的继电保护线路中，或者用于电机、变压器和输电线的电压升高(过电压保护)或电压降低(低电压闭锁)的继电保护线路中，作为启动元件。其型号含义如图2-16所示。

图2-16电压继电器的型号含义电压继电器的文字符号为KV，图形符号如图2-17所示。以上两种继电器原理相同，区别为线圈，电流继电器的线圈匝数较少且导线很粗，和控制电路串联工作；电压继电器的线圈匝数较多且导线较细，和控制电路并联工作。

图2-17电压继电器的图形符号

3.时间继电器(具有延时功能)

在控制线路中，有时我们需要一定的延时，延时继电器就具有这种功能，当给其通上电压或者电流后，需要经过一定的时间(可调节)，触点才能吸合或者断开。时间继电器的应用范围很广，特别是在电力拖动和自动控制系统中，需要按照一定的时间顺序来进行接通或者断开相应的电器或电机，完成相应的功能。

时间继电器的文字符号为KT，其图形符号如图2-18所示。

图2-18时间继电器的图形符号时间继电器的类型繁多，常见的有电磁阻尼式、空气阻尼式、电动机式和电子式等时间继电器。按照延时方式，时间继电器分为通电延时型和断电延时型两种。通电延时型时间继电器为通入信号经过一段时间，触点才有动作；当输入信号消失时，触点立即复原。断电延时型时间继电器为断电一段时间后触点动作，通电时瞬时动作。电磁阻尼式时间继电器具有延时时间短(如常用的JT3型延时为0.3～5.5s)，延时精度差，稳定性低等缺点；但其结构简单，造价低，寿命长，能适应较恶劣的场合。同步电动机时间继电器利用机械减速来完成延时功能，其延时时间范围很大，可从数秒到数十小时，同时可通过指针指示；但是其结构复杂，价格较高，寿命短。下面通过对空气阻尼式和电子式时间继电器的介绍来认识时间继电器。

1)空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器利用空气阻尼作用达到延时目的，其具有延时范围大，结构简单，寿命长，价格低廉和应用较为广泛等优点，但也具有延时精度差，受周围环境影响大的缺点，可用在对精度要求较低的场合。图2-19所示为通电延时型空气阻尼式时间继电器的结构原理图。当电磁线圈得电后，衔铁迅速吸合。在弹簧的作用下，活塞杆拖动活塞向下运行，活塞上方只有一个微小的进气孔，所以对活塞的移动产生阻尼作用，使得活塞缓慢向下运行。当活塞运行到一定位置时，在杠杆的作用下使得触点动作。延时时间就是从电磁线圈通电到触点动作的时间间隔。当电磁线圈失电时，衔铁在弹簧的作用下迅速向上运动，此时，活塞组件间迅速形成单向阀，活塞杆得以快速复位。微动开关在通电和断电瞬间由于机械结构的原因均可迅速

动作。

图2-19空气阻尼式时间继电器的结构原理图国内目前常用的空气阻尼式时间继电器有JS7、JS16、JS23等系列。其中JS7系列时间继电器的型号含义如图2-20所示。

图2-20JS7系列时间继电器的型号含义

2)电子式时间继电器

由于利用阻尼来实现延时要受到各种因素的影响，如空气阻尼式要受到空气湿度、气压等的影响，因此其精确度都比较差，一般适用于要求不高的生产中。对于现代机械，特别是机电一体化产品，对精度要求是很高的，所以必须使用精度很高的电子式时间继电器或者计算机控制。电子式时间继电器由执行继电器(机械式)和电子定时部件组成，也可以全由电子元件组成。由于采用了电子元件来延时，因此电子式时间继电器具有精度高、体积小、延时范围大、调节范围宽、控制功率小、寿命长和可靠性高等优点。

电子式时间继电器利用了电容对电压变化的阻尼作用实现了延时，可通过改变电阻值的大小来改变定时时间。

4.热继电器(做热过载保护)

热继电器是一种保护电器，如图2-21(a)所示，当在双金属片上的线圈中流过一定的电流时，因热元件产生的热量而导致双金属片产生变形，从而使触点开始动作。由于热元件具有热惯性，因此热继电器在电路中不能作为瞬时过载保护，更不能用于短路保护。其用途为电器的长期过载保护，如电机的长时间过载等。也正是因为热惯性，使得电动机在启动或者短时过载时，热继电器不会动作，从而保证了电动机的正常运行。

热继电器的文字符号为FR，图形符号如图2-21(b)所示。

图2-21热继电器的工作原理和图形符号

(a)工作原理；(b)图形符号国内目前常用的热继电器有JR0、JR15、JR16、JR20等系列。

热继电器的主要技术参数如下：

(1)热继电器额定电流：在额定电压下，热继电器所能正常工作的电流值，即热元件的最大整定电流值。

(2)热元件额定电流：热元件整定电流的调节范围的最大电流值。

(3)整定电流：热元件能够在长期通过而不致引起热继电器动作的最大电流值。该值和负载的额定电流值相当。

热继电器的应用较广泛，比如日常生活中的电热水器、电冰箱的压缩机热保护装置和电动机的热保护等。热继电器JRS1系列的型号含义如图2-22所示。

图2-22热继电器JRS1系列的型号含义

5.速度继电器

速度继电器是用来反映电机等旋转机械的转速和转向变化的继电器。速度继电器通常和接触器等配合来实现电动机的反接制动控制，所以也称为反接制动继电器。速度继电器的工作原理如图2-23(a)所示。速度继电器由永磁转子、线圈短路的定子组成，工作时转子和电机等旋转机械的旋转部分相连接。转子在旋转状态下形成了旋转磁场，线圈短路的定子在旋转磁场的作用下产生电磁转矩。当电磁力大于弹簧反作用力时(转速比较高)，在和定子相连的杠杆作用下，使相应的触点动作。由于有限位的作用，因此杠杆和定子只能转动一定的角度。当转速较低时，弹簧力大于电磁力，触点复位。当转向反转时，杠杆和定子向相反方向旋转，使得另一对触点动作。所以速度继电器可以感知一定的转速和转向。

图2-23速度继电器的工作原理和图形符号(a)工作原理图；(b)图形符号调节螺钉的位置可以调节弹簧的反作用力大小，从而可以用来反应不同的转速。一般速度继电器的动作转速不低于120r/min。复位转速大约在100r/min以下。

速度继电器的文字符号为KS，图形符号如图2-23(b)所示。2.2.6组合开关

组合开关也称万能转换开关，可实现多组触头的组合。它可在机床中作为不带负载的接通或者断开电源，供转换之用；也可在小容量电机中控制电机的启动、停止和正反转，或者直接作为电源开关。在局部照明中也使用它来进行控制。

组合开关的结构如图2-24(a)所示，它由许多分别装在多层绝缘件内的动触片和静触片组成。其中静触片固定在外壳上，动触片装在固定于手柄轴的绝缘体上。当转动手柄时，动触片改变位置，进而和静触片闭合或者断开，实现了状态的改变。组合开关是一种多触点、多位置式的转换开关。

组合开关的文字符号为SCB，图形符号如图2-24(b)所示。图2-24组合开关结构示意图和图形符号

(a)结构示意图；(b)图形符号组合开关有单极、双极和多极三大类，且具有结构紧凑、体积小和操作方便等优点。组合开关根据接线方式的不同分为以下几种通断方式：同时通断、两位转换、三位转换和四位转换等。组合开关的技术参数有额定电压、额定电流、操作频率和极数等。其中额定电流有10A、25A、60A和100A等几个等级。2.2.7低压断路器

低压断路器也称为空气开关或者自动开关，为了符合IEC标准，现在统一使用低压断路器这个名称，简称断路器。

当电路正常时，断路器可以用来分断或者接通正常的负载电流；当电路发生故障时，其主要作用是保护电路，当其保护的控制电路严重过载或者短路时，低压断路器能够自动地断开电路。所以低压断路器是一种可恢复的保护电路。低压断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的组合，是一种既能进行手动操作，又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的控制电器。常见的低压断路器为塑料外壳式的断路器，其操作方式多为手动。

低压断路器由触点、灭弧系统、各种可供选择的脱扣器(如过电流脱扣器、欠电压脱扣器等)、操作机构和自由脱扣机构等组成。自由脱扣机构指电路发生故障时，无论操作机构在何位置，触点均可迅速自动切断。低压断路器的工作原理如图2-25(a)所示。主触点的闭合常常是通过手动来实现的，如果电压和电流正常，则所有脱扣器都不动作。如果电路发生断路、过流、失压和欠压，则相应的脱扣器将发生动作，进而使锁扣脱开，主触点在弹簧的作用下快速分离。从图中可以看出，当过流或者发生短路时，电流线圈中的电流产生电磁力，使得锁扣脱开；当失压或者欠压时，电压线圈产生的电磁力降低，在弹簧的作用下，脱扣器动作，使得锁扣脱开。只有在电压和电流正常时，断路器才能用手动复位工作，实现过流和欠压保护作用。

低压断路器的文字符号为QF，其图形符号如图2-25(b)所示。

图2-25低压断路器的工作原理和图形符号

(a)工作原理；(b)图形符号低压断路器具有体积小、重量轻、价格低廉等优点，同时兼有刀开关和熔断器等保护器的功能，所以广泛地应用于各种工业和民用电器中，逐渐地替代刀开关和熔断器组。低压断路器的技术参数如下：

(1)额定电压：断路器正常工作的电压值。

(2)额定电流：在额定电压下，工作电流应小于此参数。

(3)壳架等级额定电流：同一规格的断路器中能装的最大脱扣器额定电流。

(4)额定极限短路分断能力(ICN)：在规定的条件下，断路器的短路分断的极限电流值。它可以用预期的短路电流来表示。

(5)额定运行短路分断能力(ICS)：在规定的条件下，断路器的一种比额定极限短路分断能力小的电流值。可查阅相关手册。低压断路器的选用原则如下：

(1)工作电压和电流均应小于额定电压和额定电流。

(2)热脱扣器的整定电流和负载的额定电流相一致。

(3)断路器的瞬时或短延时脱扣器的整定电流应大于负载电路尖峰电流。对于电动机保护电路，当动作时间小于0.02s时，整定电流应不低于1.7～2倍的启动电流；当动作时间大于0.02s时，应不低于1.35倍的启动电流。

国内常用的塑壳断路器有DZ5、DZ10、DZ15、DZ20等系列。DZ15型断路器的型号含义如图2-26所示。

图2-26DZ15型断路器的型号含义2.2.8位置开关

在自动控制系统中，需要控制或检测运动器件的位置，此时常用一系列的位置开关作为检测元件。位置开关按照其结构有机械式和电子式两种。机械式位置开关有行程开关和微动开关；电子式位置开关有接近开关、光电开关等，为非接触测量，寿命长，灵敏度好。

1.行程开关和微动开关

行程开关装在运动机械的某一位置上，当运动部件到达既定的位置时，其上所安装的撞块会碰上行程开关，在机械的作用下，行程开关动作。行程开关和控制按钮的原理相似，区别是行程开关的推杆或其他机械装置是在机械的碰撞下动作，而控制按钮是在人的手动作用下动作。行程开关的种类很多，机械式的有直杆式、直杆滚动式、转臂式等。图2-27所示为直杆式行程开关结构原理图，原理请读者自行分析。图2-27行程开关(a)工作原理；(b)图形符号国内目前常用的行程开关有LX19、JLXK1、LX32等系列。

通常把尺寸很小的行程开关称为微动开关。微动开关体积小，动作灵敏，常用在定位精度比较高的场合，在家用电器和办公设备中有很多微动开关。国内常用的微动开关有LXW5、LXW31等系列。

2.接近开关

接近开关利用电感、电容来感应靠近的金属体，或利用超声波来感知靠近的物体，或者采用光电效应来感应物体的位置。其工作原理将在2.3.2节介绍。

自1948年普通晶体管的出现，半导体器件逐渐被应用于许多领域，如计算机、通信等产业。1958年，美国通用电气公司成功地研制出了第一个工业用的普通晶闸管，极大地扩展了半导体器件的应用范围，使其逐渐进入了工业控制领域。由于半导体器件具有频率高、可靠性高、寿命长和容易维护等优点，特别是可以实现连续控制(模拟量控制)和节约能源，可以将算法成功地运用到控制电路中，因此其得到了飞速的发展。2.3电子电器电子电器是其全部或者部分由电子元件构成的电器。目前，电子电器在很多领域取代了继电器和接触器等元件，或者混合使用。下面主要结合继电器接触器控制电路来介绍常见的几种电子电器。2.3.1固态继电器

固态继电器(SolidStateRelay，SSR)于20世纪70年代出现，由于它的无触点工作特性，故使其在许多领域的控制及计算机控制方面得到了日益广泛的应用。它是一种无触点通断电子开关，利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性可达到无触点、无火花地接通和断开电路的目的。固态继电器为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两个端子为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁式继电器一样的功能。其封装形式也与传统电磁式继电器的基本相同。固态继电器的结构示意图如图2-28所示。

图2-28固态继电器

1.固态继电器的组成

固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。

2.固态继电器的工作原理

SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上作负载的开关，不能混用。交流SSR的工作原理如图2-29(a)所示。图中的部件1～4构成了SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能。其中耦合电路使用的是光电耦合器，其功能是为A、B输入端的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系，以防止输出端对输入端的影响，其动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高。由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用过程中可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。

图2-29交流SSR的工作原理及触发电路

(a)工作原理；(b)触发电路图2-29(b)为触发电路，其功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路4工作。但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设过零控制电路。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向晶闸管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般用“RC”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。直流型的SSR与交流型的SSR相比，无过零控制电路，也不必设置吸收电路，开关器件一般用大功率开关三极管，其他工作原理相同。

固态继电器(SSR)与电磁式继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与电磁式继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，它利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单向晶闸管和双向晶闸管等器件的开关特性，来实现无触点、无火花地接通和断开被控电路。由于固态继电器由固态电子元件组成，其既无触点也没有线圈和机械动作，故固态继电器具有工作可靠、寿命长、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、快速转换和电磁干扰小等优点。同时，固态继电器和电磁式继电器相比也有很多缺点，如导通后的管压降大，关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离，对过载有较大的敏感性。固态继电器的技术参数包括输入电压范围和输入电流、接通电压和关断电压、反极性电压、额定输出电流和额定输出电压等。选用固态继电器时需要注意其特性参数，包括输入和输出参数。

3.固态继电器的应用

如图2-30(a)所示为稳定性负载，图中RL为限流电阻。图2-30(b)为非稳定性负载或感性负载，在输出回路中附加一个RC瞬态抑制电路的目的是保护固态继电器；另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻(MOV)。图2-30(b)

中ZL为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和。另外，如果输出端电流上升变化率(di/dt)很大，则可以在输出端串联一个具有高磁导率的软化磁芯的电感器加以限制。

图2-30固态继电器与负载的连接

(a)稳定性负载；(b)非稳定性负载或感性负载；(c)常闭式SSR通常SSR均设计为“常开”状态，即无控制信号输入时，输出端是开路的，但在自动化控制设备中经常需要“常闭”式的SSR，这时可在输入端外接一组简单的电路，如图2-30(c)所示，即为常闭式SSR。

图2-31所示为计算机控制三相交流电动机正反转的接口及驱动电路。图中采用了4个与非门，用两个信号通道分别控制电动机的启动、停止和正转、反转。当改变电动机转动方向时，给出指令信号的顺序应是“停止—反转—启动”或“停止—正转—启动”。其中，RD1、RD2、RD3为熔断器，R1～R4为限流电阻。

利用SSR还可以组成很多电路，如三相负载控制电路、三相感应电动机的正反转控制电路等。

图2-31计算机控制的三相交流电动机正反转的接口及驱动电路由前述可以看到SSR的性能与电磁式继电器相比有很多的优点，特别易于实现计算机的编程控制，因此使得控制的实现更加方便、灵活。但它也存在一些缺点，如导通电阻(几欧姆至几十欧姆)、通态压降(小于2V)、断态漏电流(5～10mA)等的存在，易发热损坏；截止时存在漏电阻，不能使电路完全分开；易受温度和辐射的影响，稳定性差；灵敏度高，易产生误动作；在需要联锁、互锁的控制电路中，保护电路的增设，使得成本上升、体积增大。因此，对于SSR具有的独特性能，必须正确地理解和谨慎使用，方能发挥其独特的性能，并确保SSR无故障地工作。2.3.2电子开关

1.电容式接近开关

电容式接近开关由两个极板组成，其电容量的大小与极板面积和介质的介电常数成正比，与极板的距离成反比，所以可通过电容容量的变化得到其极板之间的距离。电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通和关断。这种接近开关的检测物体并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体，在检测较低介电常数ε的物体时，可以通过对放大电路的调节来增加感应灵敏度，如图2-32所示。

图2-32电容式接近开关的工作原理

2.电感式接近开关

与电容式接近开关相似，电感式接近开关亦属于一种有开关量输出的位置传感器。它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应测头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体，如图2-33所示。

图2-33电感式接近开关的工作原理

3.光电式接近开关

光电式接近开关是一种光电开关(光电传感器)。它是利用被检测物体对光束的遮光或反射，由光电效应来检测物体的有无。它具有灵敏度高、非接触测量等优点，但是很容易受到光线的干扰，所以通常使用的是红外光电接近开关。其所测物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。

如图2-34所示，反射器发射红外光线，当光线被反射或者通过直射等方式到达光电三极管后，在解调器和处理电路的作用下可以复原原来的电信号(发射端的信号)。在此使用调制和解调是为了能够传输频率较低的信号。

图2-34光电式接近开关的工作原理根据红外光线的接收方式，光电式接近开关可分为以下几种。

1)漫反射式光电接近开关

漫反射式光电接近开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器。当有被检测物体经过时，它将光电接近开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电接近开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，可以首选漫反射式光电接近开关。

2)对射式光电接近开关

对射式光电接近开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电接近开关就产生了开关信号。当被检测物体不透明时，可以选择对射式光电接近开关。对射式光电接近开关应用范围很广，如打印机中的极限开关等。

3)槽式光电接近开关

槽式光电接近开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电接近开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电接近开关性能安全可靠，适合检测高速信号，可以分辨透明与半透明物体，其原理和对射式光电接近开关的相同。

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