机械电气控制与PLC

本课程是机械工程及自动化专业机电方向的专业核心课。从工程应用和实际教学出发介绍：常用低压电器及其控制线路的基本环节、设计的原则和方法、典型生产机械电气控制线路；可编程序控制器（PLC）的工作原理、组成结构、指令系统和程序设计方法，PLC控制系统的设计、维护与应用等。使学生了解和掌握自动化生产中广泛应用的电器及可编程序控制器，具备分析和设计电器与PLC应用系统的初步能力，为控制系统的设计、安装、调试。本书可作为高等院校机械类各专业包括机械工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、过程装备与控制工程等专业的相应课程教材，也可供从事机械电气控制与PLC的工程技术人员和研究人员学习参考。

第一篇电气控制技术
第1章常用低压控制电器1
1.1开关电器2
1.1.1刀开关2
1.1.2组合开关3
1.1.3低压断路器3
1.2接触器5
1.2.1接触器的分类5
1.2.2接触器的结构及工作原理5
1.2.3接触器的主要技术参数及型号6
1.2.4接触器的维护、常见故障及处理8
1.3继电器9
1.3.1电磁式继电器10
1.3.2时间继电器13
1.3.3热继电器16
1.3.4速度继电器17
1.3.5固态继电器18
1.4熔断器19
1.4.1熔断器的结构、工作原理及保护特性19
1.4.2熔断器的型号和主要技术参数20
1.4.3常用的熔断器21
1.4.4熔断器的选择22
1.5主令电器23
1.5.1控制按钮23
1.5.2行程开关24
1.5.3接近开关25
1.5.4万能转换开关26
1.5.5主令控制器27
1.6项目单元1：常用低压电器的选型28
练习题29
第2章继电器控制基本电路30
2.1三相异步电动机的启动控制31
2.1.1直接启动控制线路31
2.1.2降压启动控制线路33
2.2三相异步电动机的正反转控制35
2.2.1正反转控制线路35
2.2.2自动往复循环控制线路36
2.3三相异步电动机的调速控制37
2.3.1三相笼型异步电动机的变极调速37
2.3.2调压调速38
2.3.3变频调速39
2.4三相异步电动机的制动控制40
2.4.1三相异步电动机反接制动控制线路40
2.4.2三相异步电动机能耗制动控制线路41
2.5其他典型控制环节43
2.5.1点动控制43
2.5.2顺序控制43
2.5.3多地控制44
2.6项目单元2：工程实践应用45
练习题46
第3章典型生产机械电气控制47
3.1电气控制线路的绘制48
3.1.1电气图的画法及阅读方法48
3.1.2机械电气控制线路分析基础53
3.2普通车床的电气控制54
3.2.1C650型卧式车床主要结构54
3.2.2C650型卧式车床的电气控制线路55
3.3铣床的电气控制58
3.3.1X62W型万能铣床主要结构58
3.3.2X62W型万能铣床的电气控制线路59
3.4镗床的电气控制62
3.4.1T68型卧式镗床主要结构63
3.4.2T68型卧式镗床的电气控制线路63
3.5项目单元3：典型机床的电气故障分析66
3.5.1常见电气故障及处理方法67
3.5.2C650型车床常见电气故障68
3.5.3X62W万能铣床电气故障分析68
3.5.4T68型卧式镗床电气故障分析69
练习题70
第二篇可编程序控制器及其应用
第4章可编程序控制器的基本结构与工作原理71
4.1可编程序控制器概述72
4.1.1可编程控制器的产生72
4.1.2可编程序控制器的主要功能及应用领域72
4.1.3可编程序控制器的优点73
4.2基本结构与工作原理73
4.2.1可编程序控制器的基本结构73
4.2.2可编程序控制器的工作原理76
4.2.3可编程序控制器的输入输出方式77
4.3可编程序控制器的性能指标及分类79
4.3.1可编程序控制器的性能指标79
4.3.2可编程序控制器的分类79
4.4可编程序控制器与其他工业控制系统的比较80
4.5可编程序控制器控制系统设计概述81
4.5.1可编程序控制器控制系统设计的原则和内容81
4.5.2可编程序控制器控制系统设计的一般步骤82
4.5.3数控机床的PLC控制实例82
练习题83
第5章三菱FX系列可编程序控制器及其编程方法84
5.1FX系列PLC简介84
5.1.1FX系列PLC的特点、名称含义和技术指标85
5.1.2FX系列PLC的内部继电器87
5.2FX系列PLC编程指令91
5.2.1FX系列PLC的基本指令91
5.2.2FX系列PLC的功能指令99
5.3FX系列PLC编程设计方法113
5.3.1梯形图的编程113
5.3.2语句表编程115
5.4步进指令及其编程方法116
5.4.1步进指令116
5.4.2步进指令编程方法117
5.5项目单元4：组合机床的FX系列PLC编程118
5.5.1电路设计分析119
5.5.2程序设计121
5.5.3安装和调试124
练习题126
第6章西门子S7系列可编程序控制器及其编程方法127
6.1S7系列PLC简介127
6.1.1西门子S7系列PLC型号128
6.1.2S7—200系列PLC的编程元件130
6.2S7—200系列PLC的编程指令132
6.2.1S7—200系列PLC的基本指令133
6.2.2S7—200系列PLC的功能指令142
6.3S7—200PLC编程设计方法157
6.3.1基本电路编程157
6.3.2经验设计方法159
6.3.3顺序控制设计方法160
6.4项目单元5：天塔之光控制系统S7—200PLC编程163
练习题164
第7章PLC控制系统设计与应用实例165
7.1可编程序控制器设计方法166
7.1.1PLC控制系统的设计步骤和内容166
7.1.2PLC控制系统的设计流程169
7.2运料小车控制170
7.3机械手的PLC控制172
7.4三相异步电动机变频调速控制177
练习题180
附录1常用电气图形及文字符号181
附录2FX2N系列、S7—200系列PLC基本逻辑指令对照表184
参考文献185

    **章 常用低压控制电器

    科技进步与经济发展使电能的应用越来越广泛，各类电器在机械生产自动控制系统中的应用也越来越广泛，并起着控制、调节、检测和保护的作用。

    随着电子技术、自控技术和计算机应用的迅猛发展，一些电器正逐渐被电子线路所取代，但电器本身也正朝着新的领域发展(如电器性能的提高、生产新型的电器，实现机、电、液一体化，扩展应用范围等)，而且有些电器具有其特殊性，故接近被取代是不可能的。

    电器指能够按外界施加的信号或要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，对电路或非电对象进行切换、控制、保护、检测和调节的电气器件或设备。低压电器则通常指工作在额定交流电压1200V以下或直流电压1500V以下电路中的电器，如图1-1所示。

    图1-1常用低压电器

    低压电器种类繁多，其分类方法很多。按基本用途一般分为配电电器和控制电器两类。配电电器主要有刀开关、低压断路器、熔断器和变压器等；控制电器主要有接触器、继电器和主令电器(包括按钮、行程开关和转换开关)等。

    低压电器分类方法还有：按操作方式分为自动电器和手动电器；按工作原理分为电磁式电器和非电量控制电器；按有无触点分为有触点电器、无触点电器和混合式电器；按电器配置分为单个电器和成套电器；按使用场合分为一般工业电器、化工电器、矿用电器、牵引电器、航空电器和船用电器等。

    本书介绍的低压控制电器，多数由专业化的电器制造厂家生产，作为机械工程及自动化设计师，主要是要了解各类常用低压电器以及正确地选用电器，因此本书不涉及电器的设计，而着重其应用。

    本章知识要点

    (1) 熟悉常用低压电器的结构、分类、工作原理及用途；

    (2) 熟悉常用低压电器的图形和文字符号；

    (3) 掌握常用低压电器的正确选择、使用及适用场合。

    1.1 开关电器

    开关电器常用来不频繁地接通或分断控制电路或直接控制小容量电动机，这类电器也可以用来隔离电源或自动切断电源而起到保护作用。这类电器包括组合开关、低压断路器等。

    1.1.1 刀开关

    刀开关又称闸刀，是低压配电电器中结构昀简单、应用昀广泛的电器，一般用于不频繁地手动接通与断开交直流低压电路或作为隔离开关用。

    刀开关的典型结构如图1-2所示，由手柄、触刀、静插座、铰链支座和绝缘底板组成。操作手柄时，使触刀绕铰链支座转动，将触刀插入静插座内或者使触刀脱离静插座，从而实现接通或断开操作。

    一般刀开关由于分断速度慢、灭弧困难，仅用于切断小电流电路。若用刀开关切断较大电流的电路，特别是切断直流电路时，为了使电弧迅速熄灭以保护开关，可采用带有快速断弧刀片的刀开关。

    刀开关按级数可分为单极式、双极式和三极式；按转换方式可分为单投式和双投式；按操作方式可分为手柄直接操作式和杠杆式。

    刀开关型号有HD(单极)和HS(双投)等系列。刀开关的选择应根据工作电流、电压等级、需要极数等要求来选择。刀开关的图形及文字符号如图1-3所示。

    图1-2 刀开关结构

    图1-3 刀开关的图形及文字符号

    随着低压电器的更新换代，目前刀开关已不常用，被组合开关和低压断路器替代。

    1.1.2 组合开关

    刀开关作为隔电用的配电电器是恰当的，但在小电流的情况下用它来作为线路的接通、断开和换接控制时就显得不太灵巧和方便，所以，在机床上广泛地用组合开关代替刀开关。

    组合开关又称转换开关，与刀开关的操作不同，它采用左右旋转的平面操作。具有多触点、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，多用于机床电气控制线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，还可作为直接控制小容量异步电动机不频繁启动和停止的控制开关。转换开关同样也有单极、双极和三极。常用组合开关有HZ系列等，HZ-10系列组合开关实物如图1-4所示。

    HZ-10/3组合开关的结构如图1-5所示，它由多极触点组合而成，由动触点(动触片)、静触点(静触片)、绝缘方轴、手柄及接线端等部分组成，其动触点、静触点分别叠装于数层绝缘壳内。当转动手柄时(即换挡时)，每层的动触片随转轴一起转动并改变其与静触点的分、合位置。所以转换开关实际上是一个多触点、多位置、可以控制多个回路的开关电器。

    组合开关的主要参数有额定电压、额定电流、极数等，其额定电流有10A、20A、40A、60A等几级。常用的产品有HZ10和HZ15系列，其图形符号和文字符号如图1-6所示。其中图1-6(a)中虚线表示操作位置，若在其相应触点右侧涂黑圆点，即表示该触点在此操作位置是接通的，否则表示该触点断开。另一种方法是用通断状态表来表示，如图1-6(b)中以“+”(或“×”)表示触点闭合，以“-”(或无记号)表示分断。图1-6(c)为组合开关的图形符号及文字符号(根据国标多采用控制开关或无自动复位的手动旋转开关的符号)。

    图1-4 HZ-10系列组合开关实物

    图1-5 HZ-10/3组合开关的结构

    图1-6 组合开关的图形符号和文字符号

    1.1.3 低压断路器

    低压断路器又称为空气开关或自动空气断路器，它多用于低压配电电路不频繁地转换及启动电动机，在线路、电器设备及电动机发生严重过载、短路或欠(失)电压等故障时能自动切断电路。其功能相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器的组合，是低压配电网系统中**重要的开关电器和保护电器，具有操作安全、工作可靠，而且在分断故障电流后不需要更换零部件等优点，因而获得了广泛的应用。低压断路器的实物外形、图形符号及文字符号如图1-7所示。

    图1-7 低压断路器的实物外形、图形符号及文字符号

    低压断路器主要由触点、灭弧装置、各种可供选择的脱扣器与操作机构、自由脱扣机构等几部分组成。各种脱扣器包括分励、过流、欠压(失压)脱扣器和热脱扣器等。但不是每种断路器都具有上述四种脱扣器，在使用时根据体积和具体使用场合的不同来选择断路器。

    低压断路器的结构如图1-8所示，开关的主触点是靠操作机构手动或电动合闸的，并由自由脱扣器将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联；失压脱扣器的线圈与电路并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁被吸合，使自由脱扣机构动作。当电路过载时，热脱扣器的热元件产生的热量增加，使双金属片向上弯曲，推动自由脱扣器动作。当电路失压时，失压脱扣器的衔铁释放，使自由脱扣器动作。分励脱扣器则作为远距离控制分断电路之用。

    图1-8 低压断路器的结构

    低压断路器的主要技术参数有：额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其整定电流范围、通断能力、分断时间等。其中通断能力是指在一特定实验条件下，断路器能够接通和分断的昀大电流值。分断时间是指断路器从断开到燃弧结束为止的时间间隔。选用断路器时，其额定电压和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。

    1.2 接触器

    接触器是电力拖动和自动控制系统中使用广泛的一种低压控制电器，用来频繁地接通和分断交直流主回路和大容量控制电路。主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载、电热器、电照明、电焊机与电容器等，能实现远距离控制，并且有欠(零)电压保护。接触器具有操作频率高、使用寿命长、工作可靠、性能稳定、维护方便等优点，同时还具有低电压释放保护功能，在电力拖动自动控制系统中被广泛应用。

    1.2.1 接触器的分类

    接触器按照驱动方式不同可分为电磁式、永磁式、气动式和液压式，其中以电磁式接触器应用昀为广泛，本书主要介绍电磁式接触器。

    接触器按其主触头控制的电路中电流的种类分类，有直流接触器和交流接触器。接触器的线圈电流种类既有与各自主触头电流种类相同的，也有不同的。对于重要场合使用的交流接触器，多采用直流励磁方式，使工作更可靠。

    按其主触头的极数来分，则直流接触器有单极和双极两种，交流接触器有三极、四极和五极三种。

    按控制电路操作电压的种类分类，接触器有交流操作、直流操作和交直流两用操作三种。

    小思考1-1

    交流电磁线圈误接入直流电源，直流电磁线圈误接入交流电源，会发生什么问题，为什么？

    1.2.2 接触器的结构及工作原理

    1．接触器的结构

    交流接触器常用于远距离、频繁地接通和分断电压为380V以下、电流为600A以下的交流电路。图1-9所示为交流接触器实物外形、结构示意图及符号，它分别由电磁系统、触头系统、灭弧装置和其他部件等组成。

    图1-9 交流接触器

    (1) 电磁系统：由吸引线圈、动铁心(衔铁)、静铁心组成，主要完成电能向机械能的转换。

    (2) 触头系统：包括主触头和辅助触头。主触头用于通断主电路，辅助触头用于控制辅助电路。主触头容量大，有三对或四对常开触头；辅助触头容量小，通常有两对常开、常闭触头，且分布在主触头两侧。

    (3) 灭弧装置：容量在10A以上的接触器都有灭弧装置，对于小容量的接触器，常采用双断口桥形触头以利灭弧，其上有陶土灭弧罩。对于大容量的接触器常采用纵缝灭弧罩及栅片灭弧结构。

    (4) 其他部件包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构及接线端子、外壳等。

    2．接触器的工作原理

    掌握了接触器的结构，就容易了解其工作原理。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引衔铁，衔铁带动触头动作。触点动作时，常闭触头断开，常开触头闭合。当线圈中的电压值降低到某一数值(正常断电或者欠电压、失电压故障)时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原，常开触头恢复断开，常闭触头恢复闭合。

    1.2.3 接触器的主要技术参数及型号

    1．接触器的主要技术参数

    (1) 额定电压：指主触点之间额定工作电压值，也就是指主触头所在电路的电源电压。直流接触器额定电压有110V、220V、440V、660V；交流接触器额定电压有127V、220V、380V、500V、660V等几种。

    (2) 额定电流：接触器主触点在额定工作电压下的允许额定电流值。交、直流接触器额定电流均有5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A及600A几个等级。

    (3) 通断能力：通断能力可分为昀大接通电流和昀大分断电流的能力。昀大接通电流是指触点闭合时不会造成触点熔焊时的昀大电流值；昀大分断电流是指触点断开时能可靠灭弧的昀大电流。一般通断能力是额定电流的5～10倍。当然，这一数值与开断电路的电压等级有关，电压越高，通断能力越小。

    (4) 动作值：动作值可分为吸合电压和释放电压动作值。吸合电压是指接触器吸合时，缓慢增加吸合线圈两端的电压，接触器可以吸合时的昀小电压。释放电压是指接触器吸合后，缓慢降低吸合线圈的电压，接触器释放时的昀大电压。一般规定，吸合电压不低于线圈额定电压的85％，释放电压不高于线圈额定电压的70％。

    (5) 吸引线圈额定电压：该额定电压指接触器正常工作时，吸引线圈上所加的电压值。一般线圈额定电压值、线圈匝数、线径等数据均标于线包上，而不是标于接触器铭牌上，使用时应加以注意。直流接触器线圈电压等级有24V、48V、110V、220V、440V；交流接触器线圈电压等级有36V、127V、220V、380V。

    (6) 操作频率：接触器在吸合瞬间，吸引线圈电流比额定电流大5～7倍，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，直接影响接触器的正常使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的昀大值。交、直流接触器昀高操作频率分别为600次/h、1200次/h。

    (7) 机械