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1讲 • 讲解内容： • 1 常用低压电器元件及基本控制规律 • 1.1 基本的继电接触器控制线路 • 1.2 自动控制开关和继电器 • 学习说明 ： • 本讲是学习电气控制的基础。重点掌握： • 1基本的启保停继电接触器控制线路及组成该线路的器件:接触器和按钮。 • 2自动控制开关：行程开关、接近开关；各种继电器。

3. PLC可以做哪些事情？ • 1.可以控制运动控制系统中电动机的启动、制动、正反转、调速； • 2.可以控制液压系统中油路的通断，实现和改变油缸的运动； • 3.可以控制过程控制系统中管路的通断等。 • 4.控制电热器件、照明器件、指示或显示器件等。 • 总之，一切由电线路通断来控制的对象都可以由PLC实现。 • 注意：对电动机的开关量控制是经由接触器实现的， • 即PLC→接触器→电动机。 • 对油路、管路的通断控制是经由电磁阀实现的， • 即PLC→电磁阀。 • 在PLC出现以前，控制作用由继电器和接触器组成的线路来实现，这常称为继电接触器控制系统。

4. 1 常用低压电器元件及基本控制规律1.1 基本的继电接触器控制线路 • 一、开关量分析 • 开关量有两个稳定状态：导通状态和关断状态； • 还有两个切换状态：关断→导通切换（称导通切换）和导通→关断切换（称关断切换）。 • 实现对开关量的控制，除导通切换和关断切换两个切换控制外，还要有导通保持控制和关断保持控制。

5. 二、最简单的电动机启动和停止的控制线路 通过刀开关导通或关断的切换来实现电动机的导通或关断的切换，通过刀开关导通或关断状态的保持，来实现电动机导通或关断状态的保持。 图1-1-1刀开关启动 和停止电动机接线图

6. 这里简单介绍一下刀开关(符号及结构图) l上胶盖；2下胶盖；3插座；4触刀；5瓷柄；6胶盖紧固螺母；7出线座；8熔丝；9触刀座；10瓷底饭；11进线座 单极 双极 三极

7. 这里简单介绍一下刀开关 • 刀开关的组成、安装：由操作手柄、触刀、静刀夹和绝缘底座组成。刀开关应当手柄向上安装，不得倒装或平装。使用时，向上推动手柄，使触刀向上移动紧紧地插入静刀夹中，电路就被接通；向下拉动手柄，则触刀向下移动脱离静刀夹，电路就被断开。这样安装，断电方便，有利于安全用电。若倒装，手柄有可能因自动下滑而引起误合闸，造成人身安全事故。接线时，应将电源线接在上端．负载接在熔丝下端。这样拉闸后刀开关与电源隔离，便于更换熔丝。 • 刀开关的种类：很多，有几十种规格。通常根据刀片的数量分为三类：单刀开关、双刀开关和三刀开关，又可称单极，双极和三极开关。 • 其它开关：组合开关或称转换开关，由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，靠旋转手柄来实现线路的转换。 • 注意：在生产实际中除非电动机的容量很小且不需要自动控制是不采用刀开关（或组合开关）直接控制电动机的，必须与其它保护电器配合使用。

8. 三、按钮、接触器和电动机的启动停止控制线路 在生产实际中对一台电动机的启停控制，是采用一个接触器和两个按钮实现的。两个按钮分别对电动机进行导通切换和关断切换，接触器使电动机和电源接通且负责接通状态的保持。 图1-1-4 电磁式接触器及其电动机启保停控制线路示意图

9. （一）电磁式接触器 • 1.接触器的结构：基本由触点系统、电磁机构和灭弧装置三部分组成。除此之外，电磁式接触器的组成中还有由释放弹簧和触点弹簧组成的反力装置。 • （1）电磁机构 • 电磁机构的作用：是将电磁能转化为机械能从而带动触点闭合或断开。 • 吸引线圈可分为交流电磁线圈和直流电磁线圈。

10. （一）电磁式接触器 • （2）触点系统 • 触点亦称触头功能：是接触器的执行工作部件，起接通和分断电路的作用。 • 触点按其原始状态（即线圈未通电时的状态）：可分为常开触点和常闭触点。 • 接触器中有主触点和辅助触点：一般一个触点系统包括三对主触点和数对辅助触点。 • 接触器按其主触点通断的电路中电流种类分类：有直流接触器和交流接触器。 • 对触点的主要要求：是导电、导热性能良好，接触电阻小。 • 在触头的接触形式上可归为三种：即点接触、线接触和面接触。

11. （一）电磁式接触器 • （3）灭弧装置 • 电弧的产生：电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。触点分断的瞬间，由于间隙很小电路电压全部加在触点之间，产生强电场发射，继而出现撞击电离，热电子发射，高温游离等现象，也就是间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，形成离子流，绝缘的气体就变成了导体。这个过程消耗电能转换为热能和光能，发出光和热，产生高温并发出强光，这就是电弧。 • 电弧的危害：电弧的存在使电路的切断时间延长，使触头烧损甚至熔化，损坏电器其他部件及其周围物质，严重时产生短路甚至引起火灾和爆炸等事故。所以，必须采取措施熄灭或减小电弧。 • 灭弧的方法：电离和消电离作用是同时存在的。当电离速度快于消电离速度，电弧就发展；当消电离速度大于电离速度时，电弧就要熄灭。因此，为使电弧熄灭就要减弱电离作用，增强消电离作用。其基本方法有： • ① 拉长电弧．以降低电场强度。② 用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度。③ 将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中以冷却电弧。④ 将电弧分成许多串联的短弧。⑤ 将电弧密封于高气压或真空的容器中。 • 常用的灭弧方法和装置有以下几种： • 1）桥式结构双断口灭弧；2）栅片灭弧；3）磁吹灭弧

12. （一）电磁式接触器 • 2．接触器的工作原理 • 电磁式接触器的触点系统和电磁机构是对电路的通断起作用的功能性部件，灭弧装置是保证触点高质量通断及保护电器安全的保护性部件。 • 接触器的工作过程：当接触器的线圈加上交流电压时，就在线圈中产生交变电流。于是在衔铁和静铁心组成磁路中产生磁通，从而产生电磁吸力。当电磁吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁就被吸合。这时所有固定在绝缘支架上的且和衔铁固连的动触点也被拉下，使所有辅助常闭触点断开、所有主常开触点及所有辅助常开触点闭合。当线圈断电或电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下打开而恢复原位，主、副触点又恢复到原来状态。 • 注意：使用接触器可以实现由小电流低电压信号控制大电流电路通断的目的。

13. （一）电磁式接触器 • 3．接触器的电路符号 • 接触器的电路符号只反映接触器的触点和电磁机构中的线圈。在电路图中同一个接触器的线圈和触点可以分别放在不同位置，但文字符号必须相同。 结构示意 a）线圈； b）常开触点； c）常闭触点 图 1-1-13 接触器电路符号

14. （一）电磁式接触器 • 4．接触器的主要技术参数 • 1）额定电压：接触器铭牌上标注的额定电压是指主触点的额定电压。 • 2）额定电流：接触器铭牌上标注的额定电流是指主触点的额定电流。 • 3）线圈的额定电压：选用时一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但交流负载频繁动作时可采用直流线圈的交流接触器。 • 4）接通和分断能力：指主触点在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值。在此电流值下，接通时主触点不应发生熔焊；分断时主触点不应发生长时间燃弧。若超出此电流值，其分断则是熔断器、自动开关等保护电器的任务。 • 5）额定操作频率：指每小时的操作次数。交流接触器最高为600次／h．而直流接触器最高为1200次／h。操作频率直接影响到接触器的电寿命和灭弧罩的工作条件，对于交流接触器还影响到线圈的温升。 • 目前我国常用的交流接触器主要有：CJ20、CJX1、CJX2、CJl2和CJl0等系列，常用的直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22和CZ10、CZ2等系列，引进产品应用较多的有：引进德国BBC公司制造技术生产的B系列，德国SIEMENS公司的3TB系列，法国TE公司的LC1系列等。

15. （二）按钮（控制按钮） 图 1−1−14 控制按钮结构及外形图文符号示意图 1—按钮帽；2—复位弹簧；3一动触点；4一常闭触点；5一常开触点

16. （二）按钮（控制按钮） • 按钮的组成：控制按钮一般由按钮帽、复位弹簧、触点和外壳等部分组成。 • 按钮结构：按钮中触点结构一般为桥式，触点形式和数量可以是1常开1常闭，或多常开多常闭，以致到8常开8常闭形式。接线时，可以只接常开或常闭触点。 • 按钮的作用：在电气自动控制电路中，控制按钮用于手动操作发出控制信号，使控制线路接通或断开，以使接触器、继电器、电磁阀、电磁起动器等电器的线圈通电或断电，达到控制这些电器的目的。 • 按钮提供了一个脉冲式信号。

17. （二）按钮（控制按钮） 通常将按钮帽做成不同的颜色，以示区别，其颜色有红、绿、黑、黄、蓝、白等。如，红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮等。

18. （二）按钮（控制按钮） • 按钮的分类：按照控制按钮的操作方式或结构或功能的差别，控制按钮可分为普通按钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等等。 • 主令电器定义：控制按钮被称为主令电器，是主令电器中的一种。主令电器是电气自动控制系统中用于发送或转换控制指令的电器，由于它是一种专门发布命令的电器，故称为主令电器。 • 主令电器功能：主令电器用于控制电路，被用来对控制电路进行闭合和断开操作，以实现相应的控制命令。 • 主令电器应用广泛，种类繁多，有控制按钮、各种控制开关，如：行程开关、接近开关、脚踏开关、紧急开关、万能转换开关（组合开关）、控制继电器等。 • 注意：主令电器不允许分合主电路。

19. （三）电动机的启动停止控制线路（画法） 左边为主电路，右边为辅助电路（控制电路）。辅助电路两边母线根据接触器线圈的额定电压接220V或380V电源。 图1-1-16 三相异步电动机启动停止控制原理图

20. （四）电动机的点动控制 当对设备部件位置进行手动调整时，点动控制是经常使用的。点动控制的原理与刀开关直接控制电动机一样，只不过控制开关使用的是控制按钮。按钮按下，接触器线圈得电，电动机运行；按钮释放，接触器线圈失电，电动机停止。 其中：SA手动旋转开关（不能自动复位）；SB3：复合按钮。 图1-1-18 三相异步电动机点动控制原理图（只辅助电路）

21. 1.2 自动控制开关和继电器 一、行程开关 • 行程开关的基本结构：可以分为三个主要部分：摆杆（或称顶杆，操作机构）、触头系统和外壳，摆杆与动触头相连。行程开关的动作原理基本与按钮相同，即摆杆被操作（受相应的力）后，行程开关的动触头跟着动作，使其常闭触点断开、常开触点闭合；当操作力撤消后摆杆复位，动触头复位，触点状态复原。 • 行程开关是对生产机械运动部件行程进行控制的电器。当运动部件运行到指定位置时，挡铁压合行程开关，使控制电路接通或断开，发出电信号，使生产机械的运行转入下一步程序（比如运动部件退回）。行程开关是依照生产机械的行程发出控制命令的主令电器。 • 行程开关又称为限位开关。行程开关（限位开关）除检测生产机械的行程外，还可以安装于生产机械行程的极限终点处，作设备安全保护用。

22. 一、行程开关 图1-2-1 几种行程开关外形图 直动式； b）摆动式； c）万向式

23. 一、行程开关 线路符号

24. 二、接近开关 • 接近开关其功能：是当某种物体与之接近到一定距离时就发出开关动作信号，而不像机械行程开关那样需要施加机械力。 • 接近开关工作：是通过其感辨头与被测物体间介质能量的变化来取得信号的。接近开关是非接触式的行程开关，其应用已远超出一般行程控制和限位保护的，它可以像机械行程开关一样完成行程控制和限位保护，也可以用于工件计数，与计数有关的检测，液面控制等。 • 与行程开关比较，接近开关具有定位精度高、操作频率高、非接触触发、输出信号稳定无脉动、寿命长、耐冲击振荡、耐潮湿、能适应恶劣工作环境等优点，因此，在工业生产中逐渐得到推广应用。 • 接近开关的主要技术指标有：①动作距离,②重复精度,③操作频率,④复位行程,⑤输出方式,⑥工作电压,⑦触头的电流容量，等。

25. 三、继电器（功能作用） • 继电器本质上是检测电器，它检测电压、电流等电量或时间、速度、压力、温度等非电量，当量值达到某一规定限度时，则切换输出开关量的状态。 • 继电器是信号转换器，输入是被检测的电量或非电量，输出是开关量，它是模拟量/开关量转换器，或数字量/开关量转换器，或开关量/开关量转换器。继电器也属于主令电器，它自动发出系统正常运行控制命令，称为控制继电器，控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作。 • 也有些继电器主要起保护作用，但本质上与控制继电器一样，只不过检测的是系统的极限量值，自动发出系统保护控制命令。

26. 三、继电器（分类方法、种类） • 继电器的种类繁多，分类方法也很多，常用的分类方法有： • 按检测输入量的不同分为电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器等。 • 按动作原理分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器等。 • 按使用范围不同分为控制继电器（用于电力拖动系统以实现生产自动化和做某些保护）、保护继电器（用于电力系统作继电保护）、通讯继电器（用于电讯和遥控系统）和安全继电器（用于人身和设备安全保护）。

27. 三、继电器（介绍） • （一）电磁式继电器 • 电磁式继电器的工作原理：与与电磁式接触器相同，当外来电压或电流作用于继电器的线圈时，电磁系统产生电磁力，利用电磁原理使衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作。触点状态的切换使控制电路接通或断开，实现规定的控制要求。 • 电磁式继电器与电磁接触器的区别：由于触点电流容量小，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路，这也是继电器的作用与接触器的作用的区别。 • 电磁式继电器有交、直流之分，按线圈通过交流电或直流电确定。 • 1. 电压继电器和电流继电器（功能） • 电压继电器和电流继电器除检测电压和电流信号用于正常运行控制外，主要用于保护控制。电压继电器按吸合电压大小又可分为过电压和欠电压继电器。电磁式电流继电器按吸合电流大小可分为过电流继电器和低（欠）电流继电器。

28. 三、继电器

29. 三、继电器 • 2．中间继电器（功能） • 中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大。起到了触点状态（逻辑变量）的传递，扩散和触点电容量中间放大的作用。

30. 三、继电器 • （二）热继电器（功能） • 热继电器本质上是检测三相异步电动机绕组温升的继电器，而此温升是由绕组出现过电流引起的。检测电动机绕组温升的工作由电阻发热元件完成，热继电器是一种利用电流热效应原理工作的继电器。 • 反时限特性：所以只要过载不严重，持续时间短，绕组不会超过允许温升，这种过电流是允许的，有时也是电动机正常运行需要的。如果过电流情况严重，持续时间较长，超过温升的允许限度，则会加速电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机。热继电器的作用是三相交流电动机的过载保护。

31. 热继电器 当电动机发生过电流且超过整定值时．双金属片获得了超过整定值的热量而发生弯曲，使其自由端上翘。经过一定时间后，双金属片的自由端脱离导杆4的顶端（称为脱扣）。导杆在拉簧5的作用下偏转，带动连杆6使常闭触头7断开（常闭触头通常是接在电动机控制电路中的相应接触器线圈回路中），并断开接触器的线圈电源，从而切断电动机的工作电源。同时，热元件也因失电而逐渐降温，热量减少，经过一段时间的冷却，双金属片恢复到原来状态。再经自动或手动复位，双金属片的自由端返回到原来位置，为下次动作做好了难备。热继电器动作后，一般在2min内能可靠地用手动复位，在5min内能可取地自动复性。

32. 热继电器 • 注意：由于要使双金属片加热到一定温度，热继电器才会动作，所以脉冲电流不会使热继电器动作。甚至热元件流过短路电流时，热继电器也不会立即动作。所以它不能用来执行短路保护。

33. 热继电器 热继电器的图形、文字符号和热继电器应用举例 图1-2-10热继电器的图形符号和文字符号 图1-2-11 三相异步电动机单相全压启动停止控制原理图（带热继电器）

34. 三、继电器 • （三）温度继电器 • 电动机出现过载电流时，会使其绕组温升过高。而利用发热元件可间接地反映出绕组温升的高低，热继电器就可以起到电动机过载保护的作用。 • 然而，即使电动机不过载．由于电网电压升高，会导致铁损增加而使铁心发热，这样也会使绕组温升过高，或者电动机环境温度过高以及通风不良等，同样会使绕组温度过高。出现后两种情况时，若用热继电器已显得无能为力。为此，出现了按温度原则动作的继电器，这就是温度继电器。 • 温度继电器埋设在电动机发热部位，如电动机定子槽内、绕组端部等，可直接反映该处发热情况。无论是电动机本身出现过载电流引起温度升高，还是其他原因引起电动机温度升高，温度继电器都可引起保护作用。

35. 三、继电器 • （四）时间继电器 • 时间继电器是检测时间段的继电器，检测的时间段长度需要事先设定。时间段的起点是时间继电器信号输入端得电时刻，或失电时刻；时间段的终点时刻由时间继电器自动感知，同时在此时刻时间继电器输出开关量信号，即触点状态被切换，触点闭合或断开。时间继电器的实质是把对系统状态进行切换的命令延时执行。 • 时间继电器的延时方式有两种：通电延时和断电延时。通电和断电指发出操作命令的方式和时刻。一般电磁式时间继电器，通电延时指线圈通电后，延时一个预定的时间段其常开触点闭合，当线圈断电时其常开触点同时恢复原断开状态；断电延时指线圈通电后，其常开触点立即闭合，当线圈断电时，其常开触点仍保持闭合，在延时一个预定的时间段后才恢复原断开状态。 • 时间继电器的种类：按其延时原理有电磁式、机械空气阻尼式、电动机式、双金屑片式、电子式、可编程式和数字式、晶体管时间继电器、数字式时间继电器等。

36. 三、继电器 文字符号为KT

37. 三、继电器 • （五）速度继电器 • 用来感受转速。它的感受部分主要包括转子和定子两大部分，执行机构是触头系统。当被控电机转动时，带动继电器转子以同样速度旋转而产生电磁转矩，使定子克服外界反作用力转动一定角度，转速越高角度越大。当转速高于设定值时，速度继电器的触点发生动作，当速度小于这一设定值时，触点又复原。速度继电器常用于电机的降压起动和反接制动，其图文符号如图。

38. 三、继电器 • 还有其他继电器：1．舌簧继电器、2．固态继电器、3．双线圈继电器、4．压力继电器、5．液位继电器、6．可编程通用逻辑控制继电器 • 注意： • 自动控制电器包括：接触器、中间继电器 、时间继电器 、热继电器 、速度继电器 • 保护电器包括：热继电器、熔断器、电磁脱扣器等

39. 实验一 三相异步电动机的继电接触器控制 • 一、实验目的 • 1．看懂三相异步电动机铭牌数据和定子三相绕组六根引出线在接线盒中的排列方式； • 2．根据电动机铭牌要求和电源电压，能正确连接定子绕组(Y形或Δ形)； • 3．了解复式按钮、交流接触器和热继电器等几种常用控制电器的结构，并熟悉它们的接用方法； • 4．通过实验操作加深对三相异步电动机直接起动、点动和正反转控制线路工作原理、接线方式、操作方法及各环节作用的理解和掌握，明确自锁和互锁的作用； • 5．在理解顺序控制工作原理的基础上，学会对三相异步电动机进行简单顺序控制； • 6．学会检查线路故障的方法，培养分析和排除故障的能力。

41. 二、实验内容 • （1）点动实验：不接KM的自锁触点，按SB2。 • （2）直接启动及停车试验：接上KM的自锁触点，启动按SB2，停车按SB1。 • （3）欠压保护实验：电动机启动后，拉开实验装置上的三相开关Q，使电动机停转，然后重新合上实验装置上的三相开关Q，不按SB2按钮，观察电动机是否会自行启动。 • （4）电动机的正反转实验：拉开实验装置上的三相开关Q，将电动机定子绕组的三根电源线中任意两根的一头对调，再合上实验装置上的三相开关Q，重新启动电动机，观察电动机是否改变了转向。

43. 五、实验报告内容 • 1．画出实验步骤中的线路图。 • 2．写出实验的操作步骤。 • 3．写出实验心得。 • 六、思考题 • 1．线路是如何实现电气互锁的？ • 2．主回路只串联两只发热元件？以星行连接的负载为例，没有串联发热元件的一项发生过载时，是否也能得到保护？ • 3．热继电器是否也能起到短路保护？ • 4．零压保护是如何实现的？ • 5．若在实验中发生故障，画出故障线路，分析故障原因。