电气控制与PLC

电气控制PLC技术主讲：职燕Tel:5892012E-mail:[e-mail]二零壹六年二月课程性质和任务：是高等工科院校自动化专业的一门专业必修课，通过本课程的学习，使学生能够理解PLC的工作原理，能够阅读PLC的程序，分析PLC的控制系统，能够根据生产实际的需要，设计相应的PLC控制系统。电气控制PLC技术学习的重要性：PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、半导体技术、自动控制技术、数字技术和网络通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。工业自动化的三大支柱---PLC技术、机器人、计算机辅助设计与制造。后续学习（课程设计毕设设计）电气控制PLC技术PLC就业前景目前我国经济的发展主要特点：1、我国还是制造业大国，是世界的生产加工中心，有大量的制造业，就必须用各种生产设备，大部分生产设备都和PLC有关，需要大量的精通PLC控制的从业人员。2、产业结构已发生调整，逐渐有劳动力密集型转化为技术密集型，大量的新设备被采用，这些设备很多都和PLC控制相关，需大量的高技术人才。目前和PLC有关的从业人员主要有：1、企业的设备维护和维修人员2、从事工控设备销售的人员3、从事设备开发，编程的电气工程师《电气控制与PLC应用技术》课程内容：第1章：常用低压电器第2章：基本的电气控制电路第3章：可编程控制器概述第4章：S7-200系列PLC系统概述第5章：S7-200PLC的基本指令及程序设计第6章：S7-200PLC顺序控制指令及应用第7章：S7-200PLC的功能指令第8章：PLC控制系统设计第1章常用低压电器第1章常用低压电器1.1低压电器概述1.2~1.6常用低压电器第1章常用低压电器1.1低压电器的概述“电气”与“电器”的区别*什么是“电气”？“电气”是一个宏观的概念。其所涵盖的内容涉及电能的生产、传输、分配、使用和控制技术与设备等等相关的工程领域。“电气”，是对电气系统工程的统称。*什么是“电器”？“电器”是相对于“电气”来说而相对微观的一个概念。所涵盖的内容涉及到“电气工程”中所应用到的电力装置、设备或器件总成。第1章常用低压电器电器的定义：工业上所说的电器-能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通或断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备及电工装置。电器是一种能控制电的工具。按照我国电工行业的习惯，电机和变压器属于生产和变换电能的机械，不包含在电器之中。1.1.1电器的定义和分类第1章常用低压电器*“电器”根据其适用环境、应用范围等，细化分种类。按工作电压等级分类:▪高压电器：AC1200V、DC1500V及以上电路中的电器。▪低压电器：AC1200V、DC1500V以下电路中的电器。按动作原理分类：▪手动电器：通过人的操作发出动作指令的电器。▪自动电器：它依靠电器本身参数变化或外来信号（如电流、电压、温度、压力、速度、热量等）自动完成接通、分断或使电机启动、反向及停止等动作。按用途分类：▪控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。▪配电电器：用于电能的输送和分配的电器。▪主令电器：用于自动控制系统中发送动作指令的电器。▪保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。▪执行电器：用于完成某种动作或传送功能的电器。按工作原理分类:▪电磁式电器：▪非电量控制电器：通过外力或某种非电量的变化而动作的电器。按执行机构分类:▪有触点电器：▪无触点电器：•低压电器图片第1章常用低压电器感测部分接受外界输入信号，通过转换、放大再由判断部分作出有规律的反应，使执行机构动作，输出相应的指令实现控制目的。电器组成感测部分执行机构判断部分1.1.2电磁式低压电器的基本结构电磁式电器的组成电磁机构是电磁式电器的主要组成部分，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。电磁机构由吸引线圈(励磁线圈)和磁路两部分组成。磁路包括铁心、衔铁和空气隙。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还要受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧拉力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。其结构型式按铁心型式分有单E型、螺管型等；按动作方式分有直动式、转动式等。1、感测、判断部分——电磁机构第1章常用低压电器(a)(b)(c)电磁机构的几种形式(a)单E型电磁铁；(b)螺管型电磁铁；(c)转动式第1章常用低压电器电磁机构按吸引线圈的通电种类可分为直流电磁线圈和交流电磁线圈。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表达。电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线称为吸力特性。电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线称为反力特性。第1章常用低压电器•电磁吸力Fat大小与气隙的截面积S及气隙中的磁感应强度B的关系为:022SBFat221atF直流电磁铁的电磁吸力第1章常用低压电器交流电磁铁的电磁吸力tFFFatmatmat2cos2202m2SBFatm虽然交流电磁铁磁感应强度是正、负交变的，但电磁吸力却是脉动的、方向不变的。电磁吸力由两项组成：第一项为平均吸力Fav，其值为最大吸力的一半；第二项为以电源频率两倍变化的交变分量，如图所示。FavF~FmFFtOFav交流电磁吸力是在最大值为2Fav和最小值为0的范围内以两倍于电源频率周期地变化的，因此在每一个周期内，必然有某一段时刻的吸力小于弹簧产生的反作用力。这时衔铁在反力作用下将开始释放，而当吸力再次大于反力时，衔铁又被吸合。如此周而复始，衔铁会产生振动。这种振动对电器工作十分不利，同时还会发出噪声。为此，必须采取措施消除振动。在单相交流电磁铁铁心极面上加装短路环可消除振动和噪声。将铁心极面上的磁通分成两部分。若使这两部分交变磁通间有一个相位差，则两部分磁通所产生的吸力间也有一个相位差。这样，虽然每部分吸力都有到达零值的时刻，但二者合成后的吸力却无零值的时刻。如果合成吸力在任一时刻都大于反力，就可消除振动和噪声。第1章常用低压电器交流电磁机构励磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗(电阻相对很小)，则NfEUm44.4fNUm44.4式中：U——线圈电压(V)；E——线圈感应电势(V)；f——外加电压频率(Hz)；——气隙磁通(Wb)；N——线圈匝数。m交流电磁铁的吸力特性20atmFFsSB02m02m44φ第1章常用低压电器当频率、匝数和外加电压为常数时，磁通亦为常数，因此电磁吸力的幅值也为常数。由于线圈外加电压与磁路空气隙的变化无关，因此电磁吸力亦与气隙的大小无关。实际上，考虑到漏磁通的影响，吸力随气隙的减小会略有增加。FIF＝f()O12I＝f()虽然交流电磁机构的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙长度而变化。根据磁路定律：mRIN交流励磁线圈的电流与气隙成正比。第1章常用低压电器一般当U形交流电磁机构的励磁线圈通电而衔铁尚未动作时，其电流可达到吸合后额定电流的5～6倍；E形电磁机构电流则达到额定电流的10～15倍。因此，当衔铁卡住不能吸合或者频繁动作时，交流励磁线圈很可能因过电流而烧毁。所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。2、执行机构——触点系统•一般由动触点、静触点、灭弧装置和导电部件组成。•触头（触点）材料：一般由铜、银、镍及其合金制成。•触头按原始状态可分：常开触点与常闭触点；常开触头也称为动合触头；常闭触点也称为动断触点；•按触头控制的电路分：主触头与辅助触头。第1章常用低压电器•触头的结构形式：桥式：点接触.面接触•指式：线接触，滚动摩擦，适用于大电流。(a)(b)(c)电弧放电的特征：（1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。（2）电弧温度很高。（3）电弧是一种自持放电现象。（4）电弧是一束游离的的气体。3.灭弧系统当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光（能够导电的近似圆柱形的气体），称为电弧。实质是一种气体放电现象。电弧的危害：开关电器在分断电路时产生的电弧，一方面使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断；另一方面会烧损触点，缩短电器的使用寿命。第1章常用低压电器电离和消电离作用是同时存在的，当电离速度大于消电离速度时，电弧就增强；当电离速度与消电离速度相等时，电弧就稳定燃烧；当消电离速度大于电离速度时，电弧就熄灭。因此，熄灭电弧一方面是减弱电离作用，另一方面是增强消电离作用。实际上，作为减弱电离作用的措施，同时也往往是增强消电离作用的途径。灭弧方法第1章常用低压电器常用的灭弧方法和装置桥式结构双断口灭弧流过触头两端的电流方向相反，将产生互相推斥的电动力。当触头打开时，在断口中产生电弧。电弧电流在两电弧之间产生图中以“⊕”表示的磁场，根据左手定则，电弧电流要受到一个指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并拉长，电弧电流迅速穿越冷却介质而使电弧加快冷却并熄灭。此外，还可将一个电弧分为两个来削弱电弧的作用。这种灭弧方法效果较弱，故一般多用于小功率的电器中。但是，当其配合栅片灭弧后，也可用于大功率的电器中。交流接触器常采用这种灭弧方法。第1章常用低压电器桥式触头灭弧原理FFI第1章常用低压电器栅片灭弧灭弧栅一般由多片镀铜薄钢片(称为栅片)和石棉绝缘板组成，它们安放在电器触头上方的灭弧室内，彼此之间互相绝缘，片间距离约为2～5mm。当触头分断电路时，在触头之间产生电弧，电弧电流产生磁场。由于钢片磁阻比空气磁阻小得多，因此，电弧上方的磁通非常稀疏，而下方的磁通却非常密集。这种上疏下密的磁场将电弧拉入灭弧室中。当电弧进入灭弧室后，被灭弧栅分割成数段串联的短弧，这样，每两片灭弧栅片都可以看做一对电极。维持每对电极间的电弧都需要一定的电压，同时栅片吸收电弧热量。当栅片间的电压不足以维持电弧燃烧电压时，电弧迅速冷却并很快熄灭。第1章常用低压电器栅片灭弧示意图1—灭弧栅片；2—触头；3—电弧F123第1章常用低压电器磁吹灭弧+++++++++++++++++++++++++++++.......F电流(a)(b)ab+图磁吹灭弧原理(a)磁吹线圈对电弧产生推力利用电弧电流本身灭弧，电弧电流越大，吹弧能力越强，且不受电路电流方向的影响，广泛应用于直流接触器中。1.2接触器电力拖动和自动控制系统中使用量大，涉及面广的一种低压自动控制电器，用来频繁地接通和分断交、直流主回路和大容量控制电路。1-主触点2-常闭辅助触点3-常开辅助触点4-动铁心5-线圈6-静铁心7-灭弧罩8-弹簧电磁接触器结构示意图电磁机构：将电磁能转换成机械能，产生电磁吸力带动触点动作.触点：接触器的执行元件，用来接通或断开被控制电路。灭弧装置：熄灭触点分断电流瞬间触点之间气隙中产生的电弧。其它：包括释放弹簧机构、支架与底座等。动铁心（衔铁）静铁心电磁线圈按所控制电路▪主触点▪辅助触点按原始状态▪常开触点▪常闭触点灭弧罩灭弧栅磁吹灭弧装置第1章常用低压电器接触器根据电磁原理工作：当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，即常开触点断开，常闭触点闭合。电磁接触器工作原理电磁接触器符号第1章常用低压电器交流接触器：线圈通以交流电，主触点接通、切断交流主电路。●交变磁通穿过铁心，产全涡流和磁滞损耗，使铁心发热。●铁心用硅钢片冲压而成以减少铁损。●线圈做成短而粗的圆筒状绕在骨架上以便于散热。●铁心端面上安装铜制的短路环，以防止交变磁通使衔铁产生强烈振动和噪声。●灭弧装置通常采用灭弧罩和灭弧栅。直流接触器：线圈通以直流电，主触点接通、切断直流主电路。●不产全涡流和磁滞损耗，铁心不发热。●铁心用整块钢制成。●线圈制成长而薄的圆筒状。●250A以上的直流接触器采用串联双绕组线圈。●灭弧装置通常采用灭弧能力较强的磁吹灭弧装置。接触器