PLC 原理与应用

1. PLC原理与应用 电气学院 自动化 杨霞 2007年2月

2. PLC原理与应用 第2讲 • 讲解内容： • 1 常用低压电器元件及基本控制规律 • 1.3人力操作控制开关类电器 • 1.4执行电器和显示电器 • 1.5开关电器和保护器件 • 学习说明 ： • 本讲是学习电气控制的基础。重点掌握： • 1 人力操作的控制开关类电器：包括控制按钮、各类手动开关、脚踏开关、转换开关和主令控制器等 • 2 执行电器和显示电器:电磁铁 、电磁阀 、电磁制动器 、显示电器这里主要指指示灯 。 • 3开关电器和保护器件 ：刀开关、隔离器和隔离开关 、熔断器 、低压断路器 。

3. 1.3 人力操作控制开关类电器 • 人力操作的控制开关类电器包括：控制按钮、各类手动开关、脚踏开关、转换开关和主令控制器等。它们是操作者控制的主令电器。 • 一、手动操作开关 图1-3-1 几种手动操作开关的符号

4. 1.3 人力操作控制开关类电器 • 二、转换开关 • 转换开关：是一种多档式，控制多回路的主令电器。 • 转换开关功能：具有定位操作、自复位、定位一自复位操作、闭锁操作、定位一闭锁、自复位一定位一闭锁操作等多种操作方式。 • 目前常用的转换开关类型主要有两大类：万能转换开关和组合开关。 • 应用：于各种配电装置的电源隔离、电路转换、电动机远距离控制等，也常作为电压表、电流表的换相开关，还可用于控制小容量电动机。

5. 1.3 人力操作控制开关类电器

6. 1.3 人力操作控制开关类电器 • 三、主令控制器 • 主令控制器是：用来频繁地按顺序切换多个控制电路的主令电器。触头和操动器位置较多，其触头开闭和操动器位置之间的对应关系也常用操作图来表示。可实现对起重机，轧钢机及其他生产机械的远距离控制。

7. 1.3 人力操作控制开关类电器

8. 1.4 执行电器和显示电器 • 1.4.1 电磁铁 • 电磁铁由励磁线圈、铁心和衔铁三个基本部分构成。 • 电磁铁分为：直流电磁铁和交流电磁铁。 • 选择：选用电磁铁时，应考虑用电类型（交流或直流）、额定行程、额定吸力及额定电压等技术参数。 • 注释： • 额定行程：指衔铁在起动时与铁心的距离。 • 额定吸力：指衔铁处于额定行程时的吸力，它必须大于机械装置所需的起动吸力。 • 额定电压（励磁线圈两端的电压）应尽量与机械设备的电控系统所用电压相符。

9. 1.4 执行电器和显示电器 • 直流电磁铁具有如下特点： • 1）励磁电流的大小仅取决于励磁线圈两端的电压及本身的电阻．而与衔铁的位置无关。 • 2）直流电磁铁的吸力在衔铁起动时最小，而在吸合时最大，因此吸力与衔铁的位置有关，吸合后电磁铁容易因励磁电流大而发热。 • 交流电磁铁具有如下特点： • 1）励磁电流与衔铁位置有关，当衔铁处于起动位置时，电流最大；当衔铁吸合后，电流就降到额定值，因此一旦机械装置被卡住而衔铁无法被吸合时，励磁电流将大大超过额定电流，时间一长，会使线圈烧毁。 • 2）吸力与衔铁位置无关，衔铁处于起始位置与处于吸合位置时吸力相同．因此交流电磁铁具有较大的起动初始吸力。

10. 1.4 执行电器和显示电器 • 1.4.2 电磁阀 • 电磁阀功能：是利用电磁原理产生电磁力开启和关闭液体或气体管路的阀门。 • 电磁阀分类： • 按电源种类：分有直流电磁阀、交流电磁阀、交直流电磁阀等； • 按用途分有控制一般介质（气体、流体）电磁阀、制冷装置用电磁阀、蒸汽电磁阀、脉冲电磁阀等； • 注意：各种电磁阀可分为二通、三通、四通、五通等规格，还可分为主阀和控制阀等。

11. 1.4 执行电器和显示电器 2静铁心 9反力弹簧 1动铁心 3外壳 5隔磁管 6线圈 4压盖 7管路 8阀体 阀门是直通式，用反力弹簧压住动铁心上端，而用动铁心下端装有的氟橡胶塞将阀门进出口密封阻塞。如要接通管道，必须接通线圈电源，产生电磁力，克服反力弹簧的阻力，开起阀门。 另外．在液压系统中电磁阀用来控制液流方向。阀门开关由电磁铁来操纵，因此，控制电磁铁就是控制电磁阀。

12. 1.4 执行电器和显示电器 电磁阀的选择： ① 阀的工作机能要符合执行机构的要求，据此确定采用阀的型式； ② 阀的孔径是否允许通过额定流量； ③ 阀的工作压力等级； ④ 电磁铁线圈采用交流或直流电，以及电压等级等都要与控制电路一致，并应考虑通电持续率。 图a）为单电两位二通电磁换向阀； 图b）为单电两位三通电磁换向阀； 图c）为单电两位四通电磁换向阀； 图d）为单电两位五通电磁换向阀； 图e）为双电两位四通电磁换向阀； 图f） 为双电三位四通电磁换向阀； 图g）为电磁阀的一般电气图形符号。

13. 图例1

14. 图例2

15. 1.4 执行电器和显示电器 • 1.4.3 电磁制动器 • 电磁制动器：是应用电磁铁原理使衔铁产生位移的机械运动的装置，广泛应用于起重视、卷扬机、碾压机等类型的升降机械设备。 • 电磁制动器组成：是由制动器、电磁铁或电力液压推动器、摩擦片、制动轮（盘）或闸瓦等组成。

16. 1.4 执行电器和显示电器 盘式电磁制动器在电动机轴端装着一个由钢制圆盘，它靠制动钳块与圆盘表面（径向）的离合，实现对电动机的制动和释放。圆盘的直径越大，制动力矩也越大

17. 1.4 执行电器和显示电器 • 1.4.4 显示电器这里主要指指示灯。 • 指示灯指示：电源指示及命令信号、预告信号、运行信号、事故信号及其它信号的指示。 • 指示灯的作用：是通过指示系统某个指令、某种状态、 • 指示灯组成：主要由壳体、发光体、灯罩等组成。 • 指示灯的主要参数：有型式及安装孔尺寸、工作电压及颜色。

18. 表1-4-1 指示灯的颜色及含义

19. 1.5 开关电器和保护器件 • 1.5.1 低压电器控制系统 • 低压电路：通常指额定电压在直流DC l200V、交流AC l500V及以下的电路。电气控制系统一般属低压用电系统。 • 电气控制系统控制：包括开关量控制（或称逻辑控制）和连续量控制。 • 开关量控制：只管电路的通和断及在什么情况下“通”，什么情况下“断”。 • 连续量控制：“通”、“断”以外对量值大小变化的控制不属开关量控制，属连续量控制。 • 注意：电气控制系统中常用的开关量控制电器主要是低压电器。低压电器：能手动或自动分合额定电压在直流DC l200V、交流AC l500V及以下的电路，以实现电路中被控制对象的控制、变换、检测、保护等作用的基本器件称为低压电器。

20. 1.5 开关电器和保护器件 • 1．开关电器的通断类型及相关术语 • （1）隔离* • 隔离：指开关电器把电气设备和电源“隔开”的功能，用在对电气设备的带电部分进行维修时确保人员和设备的安全。 • 注意：能满足隔离功能的开关电器是隔离器。 • 如果在维修期间需要确保电气设备一直处于无电状态，需选用操作机构能在分断位置上锁的隔离器。隔离也是断电，但比一般的断电要求更严，即要求断电后，不带电部分与带电部分必须有满足要求的绝缘电阻，同时开关电器发生误闭合的概率要降到最低点。绝缘电阻大小由电气间隙反映。 • （2）无载（空载）通断* • 无裁通断：指接通或分断电路时不分断电流，分开的两触头间不会出现明显电压的情况。 • 注意：选用无载通断的开关电器时，必须有其它措施可以保证不会出现有载通断的可能性，否则会有造成事故，损坏设备，甚至危及人身安全的危险。无载通断的开关电器仅在某些专门场所使用，如隔离器。

21. 1.5 开关电器和保护器件 • （3）有载通断* • 有载通断：是相对于无载通断而言。其开关电器需接通和分断一定的负载电流，具体负载电流的数据随负载类型而异。 • （4）控制电动机通断 • 控制电动机通断：通常指电动机开关的通断，电动机开关是指用来接通和分断电动机的开关电器或电路。不同型号电动机、不同功率、不同工作制（如点动和反接），其通断能力不同。电动机开关应能满足不同通断能力的要求。电动机开关有接触器、电动机用负荷开关、电动机用断路器及其组合控制电路等。

22. 1.5 开关电器和保护器件 • 2．工作电压和额定绝缘电压 • 某一开关电器的额定工作电压：指在规定条件下，保证电器正常工作的电压值。它受限于电网电压和电网频率。也受限于额定绝缘电压。 • 额定绝缘电压：是标准电压，指在规定条件下，用来度量电器及其部件的不同电位部分的绝缘强度、电气间隙和爬电距离的名义电压值。除非另有规定，此值为电器的最大额定工作电压。

23. 1.5 开关电器和保护器件 • 3．工作制* • 额定工作制：是对元件、器件或设备所承受的一系列运行条件的分类。我国电机行业采用S1-S8八种工作制分类。我国低压电器行业选择了S1一S3三种工作制，并补充了8h工作制和周期工作制两种工作制，对辅助电路控制电器有8h工作制、不间断工作制、断续周期工作制和短时工作制四种标准工作制。 • 8h工作制：实际上是电器的导电电路每次通以稳定电流时间不得超过8h的一种长期工作制。周期工作制则指无论负载变动与否，总是有规律地反复进行的工作制。 • S1长期（不间断）工作制：指在恒定负载（如额定功率）下连续运行相当长时间，可以使设备达到热平衡的工作条件。这时系统中的元件必须正确选择，使其能无限期承载恒定的负载电流而无须采取什么措施．并且不会超过元件本身所允许的温升。

24. 1.5 开关电器和保护器件 • S2短时工作制：短时工作制时，是与空载时间相比，有载时间较短的工作制。电器元件在额定工作电流恒定的一个工作用期内不会达到其允许温升，而在两个工作周期之间的间歇时间又很长能使元件冷却到环境温度值。 • S3断续周期工作制：断续周期工作制时，开关电器有载时间和无载时间周期性地相互交替分断接通，有载时间和无载时间都很短，使电器元件既不能在一个有载时间内升温到额定值，也不能在一个无载时间内冷却到常温。断续周期工作制用通电持续率（负载因数）来描述。在无其它协议的情况下，电动机在断续周期工作制时的工作用期为10min，实际上，这个周期长度应看作最大周期长度。 • S4包括起动的断续周期工作制：由一系列相同的工作周期组成，每个工作周期都包括一段明显的起动过程、一段在恒定负载下运行的工作过程和一段断电停机过程。

25. 1.5 开关电器和保护器件 • S5包括电制动的断续周期工作制：由一系列相同的工作周期组成，每个工作周期都包括一段起动过程、一段在恒定负载下运行的工作过程、一段快速电制动过程和一段断电停机过程。 • S6连续运行周期工作制：由一系列相同的工作周期组成，每个工作周期包括一段在恒定负载下运行的工作过程和一段空载运行过程。S6工作制中不包括断电停机过程。 • S7包括电制动的连续运行周期工作制：由一系列相同的工作周期组成，每个工作周期包括一段起动过程．一段在恒定负载下运行的工作过程和一段电制动过程。s7工作制中不包括断电停机过程。 • S8负载和速度相应变化的连续运行周期工作制：由一系列相同的工作周期组成，每个工作周期包括一段在恒定负载下按某一预定速度运行的工作过程和一段或几段在不同的恒定负载下按各自对应的不同速度（感应电动机传动时可用变速方式完成）运行的工作过程。S8工作制中不包括断电停机过程。

26. 1.5 开关电器和保护器件 • 1.5.2 刀开关、隔离器和隔离开关 • 1.刀开关（包括刀形转换开关）：是一种结构简单，应用十分广泛的手动电器。 • 功能作用：刀开关主要供无载通断电路用，即在不分断负载电流或分断时各极两触头间不会出现明显极间电压的条件下接通。 • 应用：刀开关主要在车间的配电线路中作为电源的引入开关使用，主要用来接通或切断长期工作设备的电源；有时也可用来通断较小工作电流、作为照明设备和小型电动机作不频繁操作。 • 分类：根据工作条件和用途的不同，刀开关有不同的结构形式，但工作原理基本相似。刀开关按极数可分为单极、二极、三极和四极刀开关，切换方式可分为单投和双投，操纵方式可分为中央手柄式和带杠杆机构操纵式等型式。

27. 1.5 开关电器和保护器件 • 负荷开关：刀开关和熔断器串联组合成负荷开关，一般能进行有载通断，并有一定的短路保护功能，通断大电流时带有灭弧罩。 • HD（单投刀开关）型或HS（双投刀开关）型开起式刀开关：一般用做额定电压AC380V、DC440V，额定电流至1500A的配电设备中做电源隔离之用，带有各种扛杆操作机构及灭弧室，可按其分断能力不频繁地切断负荷电路。 • 熔断器式刀开关：刀开关的动触头由熔断体组成时为熔断器式刀开关。熔断器式刀开关有较高极限分断能力，主要用于相应级别的配电屏及动力箱。一般用途，负荷开关的额定电流不超过200A，通断能力为4倍额定电流，可用作工矿企业的配电设备，高分断能力负荷开关的额定电流可达400A，极限分断能力可达50kA，适用于短路电流较大的场合。

28. 1.5 开关电器和保护器件 • 2.隔离器*：在对电气设备的带电部分进行维修时．必须一直保持这些部分处于无电状态，所以必须将电气设备从电网脱开并隔离。能起这种隔离电源作用的开关电器称为隔离器。 • 注意：一般属于无载通、断电器，只能接通或分断“可忽略的电流”（指套管、母线、连接线和电缆等的分布电容电流和电压互感器或分压器的电流），但有一定的裁流能力。但也有一些隔离器产品有一定通断能力，能在非故障条件下接通和分断电气设备或成套设备中的某一部分．这时其通断能力应和其所需通断的电流相适应。 • 3.隔离开关：兼有开关作用的隔离器称作隔离开关，它具备一定的短路接通能力。

29. 1.5 开关电器和保护器件

30. 1.5 开关电器和保护器件 • 1.5.3 熔断器* • 熔断器：是一种当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的电器。它是一种利用热效应原理工作的电流保护电器，广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中作短路和过电流保护，是电工技术中应用最普遍的保护器件之一。 • 熔断器组成：在结构上主要由熔断管（或盖、座）、熔体、填料及导电部件等组成。 • 熔断器的分类： • 按结构来分有半封闭插入式、螺旋式、无填料密封管式和有填料密封管式。 • 按用途来分有一般工业用熔断器、半导体器件保护用快速熔断器和特殊熔断器（如具有两段保护特性的快慢动作熔断器、自复式熔断器）。

31. 1.5 开关电器和保护器件 • 熔断器工作：串接于被保护电路中，当电路正常工作时，熔体在额定电流下不应熔断，当被保护电路发生短路或过载（过电流）故障时，通过熔体的电流使其发热，当达到熔化温度时熔体自行熔断，从而分断故障电路（故障电路断电），起到保护作用。 • 熔断器与其他开关电器组合可构成各种熔断器组合电器，如熔断器式隔离器、熔断器式刀开关、熔断器组合负荷开关等。

32. 1.5 开关电器和保护器件

33. 1.5 开关电器和保护器件 • 熔断器的额定电压：指熔断器长期工作时和分断后能够承受的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。 • 熔断器的额定电流：指熔断器长期工作时，温升不超过规定值时所能承受的电流。分为熔断管额定电流和熔体额定电流。熔断管的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，即在一个额定电流等级的熔断管内可以分装若干个额定电流等级的熔体，但熔体的额定电流最大不能超过熔断管的额定电流。 • 熔断器的分断能力：是指熔断器在规定的额定电压和功率因数（或时间常数）下，能分断的最大电流值，即分断短路电流的极限值，它常用极限断开的电流周期分量的有效值表示。 • 熔断器的最小熔化系数：指熔体最小熔化电流与熔体的额定电流之比。熔体最小熔化电流必须大于额定电流，一般最小熔化系数在1.6左右，它是表征熔断器保护灵敏度的特性指标之一。

34. 1.5 开关电器和保护器件 • 分断能力、时间—电流特性和限流能力：这三个参数都体现了在保护方面对熔断器提出的要求。熔断器的时间—电流特性是反时限保护特性曲线，主要是为过电流保护服务的。分断能力则主要是为短路保护服务的。 • 限流能力：也是为短路保护服务的，是为限制高倍短路电流的危害而提出的。限流能力，指从发生短路开始到短路电流达到其最大值为止，需要一定的时间，如果熔断器的熔断时间小于这段时间，则电路中的短路电流在它还未来得及达到最大值之前就已被切断，这时，我们称熔断器起了“限流作用”，有限流能力。 • 熔断器的选用应保证使熔断器的最大分断电流大于线路中可能出现的峰值短路电流有效值，在这个前提下，选定熔体的额定电流。同时应使熔断器的额定电压不应低于线路额定电压。

35. 1.5 开关电器和保护器件 • 1.5.4 低压断路器* • 低压断路器的作用与用途：是低压配电网中的主要电器开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。 • 低压断路器主要用在不频繁操作的低压配电线路或开关柜（箱）中作为电源开关使用，并对线路、电器设备及电动机等实行保护，当它们发生严重过电流、过载、短路、断相、欠电压、漏电等故障时，能自动切断线路．起到保护作用。 • 其功能相当于刀开关、熔断器与过流、欠压、热继电器的组合，而且在分断故障电流后一般不需要更换零部件，因而获得了广泛的应用。

36. 1.5 开关电器和保护器件 • 低压断路器的种类： • 根据其结构形式可分为框架式（万能式）、塑料外壳式（装置式）及模块式（组合式）三种； • 根据操作机构的不同可分为手动操作、电动操作和液压传动操作； • 根据触点数目可分为单极、双极和三极； • 根据动作速度可分为有延时动作、普通速度和快速动作等。 • 低压断路器的组成：由以下三个基本部分组成： • 1）触头和灭弧系统，这一部分是执行电路通断的主要部件。 • 2）具有不同保护功能的各种脱扣器，由不同功能的脱扣器可以组合成不同性能的低压断路器。这一部分是线路保护部件。 • 3）传动和操作机构．这一部分是联系上两部分的中间传递部件。

37. 过电流保护：过电流脱扣器13的线圈与主电路串联，当线路工作正常时，所产生的电磁吸力不能将衔铁12吸合。只有当电路短路或产生很大过电流时，其电磁吸力加大，将衔铁12吸合，按击杠杆6．顶开搭钩4，于是在弹簧1的作用下，触点2打开，切断线路。过电流保护：过电流脱扣器13的线圈与主电路串联，当线路工作正常时，所产生的电磁吸力不能将衔铁12吸合。只有当电路短路或产生很大过电流时，其电磁吸力加大，将衔铁12吸合，按击杠杆6．顶开搭钩4，于是在弹簧1的作用下，触点2打开，切断线路。 图1-5-7 低压断路器的结构简图 过载保护：当线路发生过载时，过载电流通过热脱扣器热元件11而使双金属片10受热弯曲，驱动杠杆6，使触点2断开。 欠电压保护：欠电压脱扣器9的线圈并联在主电路中，当线路电压正常时，欠电压脱扣器9产生的电磁吸力能够克服弹簧7的拉力，而将衔铁8吸合。如果线路电压降到某一值时，电磁吸力小于弹簧7的拉力，衔铁8被弹簧7拉开，衔铁8撞击杠杆6，使触点2分断。

38. 1.5 开关电器和保护器件 • 低压断路器的工作原理： • 触点2串接到需要接通和断开的电路中。可通过手动操作机构使触点2分断或接通，以使断路器外电路分断或接通（图中末画出手动操作机构）。主触头是由操作机构和自由脱扣器操纵其通断的，可用操作手柄操作．也可用电磁机构远距离操作。在正常情况下，触头可接通、分断工作电流，当出现故障时，能快速及时地切断高达数十倍额定电流的故障电流，从而保护线路及线路中的电器设备。

39. 低压断路器的选用：应根据具体使用条件选择使用类别，选择额定工作电压、额定电流、脱扣器整定电流和整定电压等参数，参照产品样本提供的保护特性曲线选用保护特性，并需对短路特性和灵敏系数进行校验。当与另外的断路器或其他保护电器之间有配合要求时，应选用选择型断路器。低压断路器的选用：应根据具体使用条件选择使用类别，选择额定工作电压、额定电流、脱扣器整定电流和整定电压等参数，参照产品样本提供的保护特性曲线选用保护特性，并需对短路特性和灵敏系数进行校验。当与另外的断路器或其他保护电器之间有配合要求时，应选用选择型断路器。 • 1）额定工作电压和额定电流的选择，应分别不低于线路、设备的正常额定工作电压和工作电流或计算电流。断路器的额定工作电压与通断能力及使用类别有关。 • 2）所选断路器的长延时脱扣器整定电流应大于或等于线路的计算负载电流，可按计算负载电流的1~1.1倍确定；同时应不大于线路导体长期允许电流的0.8～1倍。

40. 1.5 开关电器和保护器件 • 3）所选断路器的瞬时或短延时脱扣器整定电流应大于线路尖峰电流。配电断路器可按不低于尖峰电流1.35倍的原则确定.；电动机保护电路当动作时间大于0.02s时可按不低于1．35倍起动电流的原则确定，如果动作时间小于0.02s，则应增加为不低于起动电流的1.7～2倍。这些系数是考虑到整定误差和电动机起动电流可能变化等因素而加的。 • 4）低压断路器的额定短路分断能力和额定短路接通能力应不低于其安装位置上的预期短路电流；当动作时间大于0.02s时，可不考虑短路电流的非周期分量，即把短路电流周期分量有效值作为最大短路电流；当动作时间小于0.02s时，应考虑非周期分量，即把短路电流第一周期内的全电流作为最大短路电流。如校验结果说明断路器通断能力不够，应采取如下措施。 • ① 在断路器的电源侧增设其他保护电器（如熔断器）作为后备保护。 • ② 采用限流型断路器。 • ③ 改选用较大容量的断路器。

41. 1.5 开关电器和保护器件 • 5）所选定的断路器还应按短路电流进行灵敏系数校验。灵敏系数即线路中最小短路电流（一般取电动机接线端或配电线路末端的两相或单相短路电流）和断路器瞬时或延时脱扣器整定电流之比。两相短路时的灵敏系数应不小于2，单相短路时的灵敏系数对于DZ型断路器可取1.5，对于其他型断路器可取2。如果经校验灵敏系数达不到上述要求，除调整整定电流外，也可利用延时脱扣器作为后备保护。 • 6）分励和欠电压脱扣器的参数确定，分励和欠电压脱扣器的额定电压应等于线路额定电压，电源类别（交、直流）应按控制线路情况确定。

42. 1.5 开关电器和保护器件 断路器的图形和文字符号 断路器内部结构举例的图形符号 图1-5-9表示的断路器具有手动式电动操作：有自由脱扣机构和热式过负荷脱扣器、过电流脱扣器、带闭锁的手动脱扣器、遥控脱扣器的线圈及一个动合和一个动断辅助触点。图1-5-10表示的断路器具有弹簧贮能电动操作：三个过负荷脱扣器、三个过电废脱扣器、手动脱扣器、遥控脱扣线圈、三个动合主触点及一个动合和一个动断辅助触点、—个限位开关用于电动机的启动和停止操作。