《工厂电器与PLC》
课时：48∕6 教材：《PLC电气控制技术》 主编：漆汉宏
出版：机械工业出版社 ISBN：9798111203544
一、课程内容
（三相异步交流电动机）
电动机
→ 控制对象
+
=＞ 控制系统 （用“什么”控制“什么”） 元器件
→ 控制电路
(控制逻辑：开关的串、并连接实现“与”“或”逻辑） ↑
PLC（现代的、用程序实现控制逻辑）
二、课程特点
骨干专业课
实践性 → 实物、实例、实用 逻辑性 → 以功能逻辑满足需求逻辑
↑ ↑
？
？
三、学习要求
大学毕业应具备的能力： 获取知识的能力
→ 继续提高 运用知识的能力
→ 解决问题 共享知识的能力
→ 团队合作 发现知识的能力
→ 发明创造 传播知识的能力
→ 交流沟通
闭卷考试
→ 成绩合格（>60分＾_＾）（遗憾的是每次考试都有不及格的ˇ_ˇ）
四、学习方法
课堂学习老师讲的内容
老师的思路和重点
平时成绩、出勤考核 （抽查点名） 不好习惯 不来上课
课堂不听
考试突击
找片子 赌题
答疑套题
划考试范围
五、开始新课
图是交流工具、工程师语言
不同情况（阶段）关注不同类型的图 图可分为静态图、动态图
实物图
（抽象化 → 规律） 学习、积累 ↓
原理图
→→ 图：交流工具、工程师语言
↓
工程图
（工程化 → 应用）
直流照明电路 交流照明电路 直流电机电路 交流电机电路
上篇：继电器接触器控制
§1：开关
开关：用触点的动作实现接通和断开电路的器件
常开触点NO：Normally Open
常闭触点NC：Normally Close 本质：触点成对出现，其状态 “通” ←→ “断” 功能：控制、改变系统的动作、状态
“把（灯）开关打开”、“把（灯）开关闭了” →不严谨的生活语言 参数：动作形式、触点形式、数量、耐压、额定电流
低压电器：交流＞1200V、直流＞1500V
高压电器：交流＜1200V、直流＜1500V 实物：各种结构、外形、颜色 （图片） →
不同的用途 拉线开关
闸刀开关
手动操作（电平信号） 转换开关
手动操作 按钮开关
手动操作：按下 —→ 改变状态
松开 —→ 状态恢复
凸轮控制器
主令控制器
行程开关（亦称位置开关，具有位置检测功能）
接近开关、光电开关
无触点开关（组件、模块）
大功率晶体管 晶闸管 隔离开关
用途：安全隔离，为系统检修、维护提供安全保障 特点：明显看出开关的状态，一般空载手动切换 参数：耐压、电流
断路开关（断路器、自动开关、空气开关）
自动断路功能 兼具隔离作用
熔断器
用途：短路保护 特点：反应快 结构：外壳、熔体 参数：耐压、电流
实例：楼上、楼下 两地 控制 楼梯照明灯
通过这个例子我们要说明的是：
1、什么是工程
工程 → 达成某种目的的一段比较复杂的工作过程
“工程”是科学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，是以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。
“工程”一词有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。
项目 →
工程的具体化
项目是一个特殊的将被完成的有限任务，它是在一定时间内，满足一系列特定目标的多项相关工作的总称。项目的定义包含三层含义：第一，项目是一项有待完成的任务，且有特定的环境与要求；第二，在一定的组织机构内，利用有限资源（人力、物力、财力等）在规定的时间内完成任务；第三，任务要满足一定性能、质量、数量、技术指标等要求。这三层含义对应这项目的三重约束--时间、费用和性能。项目的目
标就是满足客户、管理层和供应商在时间、费用和性能（质量）上的不同要求。
2、项目实施的完整过程
︱←——————————————→ 用户
↓
↓
需求
→→ 设计
→→
生产
→→ 安装
→→ 运行
↓
↓
↓
↓
↓
说明
原理图
采购
安装
投产 要求
安装图
装配
调试
维护 功能
配线图
测试
培训 指标
元件表
出厂
说明书
3、CDIO Conceive
构思
Design
设计
Implement 实现
Operate
运作
它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。
CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定目标。
CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国研究小组，经过四年的探索研究，创立了 CDIO 工程教育理念，Edward Crawley（爱德华·克劳莱）教授因此获得2011年度“戈登奖”，作为美国工程界三大最高奖项之一，被誉为“工程界的诺贝尔奖”。
CDIO理念启示让我想起老人的一句话：学艺不如偷艺！
4、学习考试与工程评价
学习：注重知识的正确性，有多种答案时不分优劣，可获得同样分数。
工程：注重结果的实用性，方案之间有优劣之分，不可能有相同的分数。
§2：接触器
一种电磁控制的大容量自动开关
组成：线圈、触点、联动机构（返回弹簧）、消弧罩
原理：线圈 —→ 通电 —→ 电磁力 —→ 吸引衔铁 —→ 带动触点动作 —→ 常开触点 —→ 闭合、常闭触点 —→ 打开； 线圈 —→ 失电 —→ 电磁力 消失 —→ 衔铁 在弹簧作用下返回 —→ 常开触点 —→ 打开、常闭触点 —→ 闭合。
两种状态：线圈得电
—→ 常开触点 闭合
常闭触点 打开
线圈断电
—→ 常开触点 打开
常闭触点 闭合
触点应用：有主触点和辅助触点之分，但动作完全一致
主触点： 容量大，用于电机主回路，有消弧装置
辅助触点：容量小，用于控制回路，没有消弧装置 分类、参数
直流接触器
交流接触器 参数：线圈：频率、电压
触点：容量、耐压、数量 标识符号
KM
线圈
逻辑关系
常开触点
常闭触点
KM = 1 线圈得电
常开触点闭合
§3：继电器 定义
根据输入信号的变化，接通或者断开控制电路，实现自动控制和保护系统装置的自动电器 本质
信号检测与转换，其结果可以判定该信号的有、无或是否超过（低于）某个数值（阀值）。信号包括电压、电流、温度、速度、时间、压力 ···同时也把连续信号转换为开关量，其输出为继电器触点的闭合或打开 工作状态
信号 ＞ 阀值 —→ 有 ：常开触点闭合、常闭触点打开 信号 ＜ 阀值 —→ 无 ：常开触点打开、常闭触点闭合 继电特性
返回系数：k＝x1/ x2
0
电压继电器：过压保护、欠压保护
结构、动作类似接触器，有线圈和触点（常开、常闭），但没有主触点和辅助触点之分，没有消弧罩。
电流继电器：过流保护、欠流保护
时间继电器：定时器 （机械式、电子式）
得电延时（常开延时闭合、常闭延时打开） 断电延时（常开延时打开、常闭延时闭合）
热继电器：
双金属片结构
电机过载保护
（电机过热积累保护）
速度继电器：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动转速接近零时，自动切除反相序电源。
转子：由一块永久磁铁制成，与电动机同轴相联，用以接受转动信号。
圆环（笼型空心绕组）：转子（磁铁）旋转时，笼型绕组切割转子磁场产生感应电动势，形成环内电流，此电流与磁铁磁场相作用，产生电磁转矩，圆环在此力矩的作用下带动摆杆，克服弹簧力而顺转子转动的方向摆动，并拨动触点改变其通断状态。
触点：在摆杆左右各设一组切换触点，分别在速度继电器正转和反转时发生作用。调节弹簧弹力时，可使速度继电器在不同转速时切换触点改变通断状态。
压力继电器：过压保护、欠压保护 中间继电器：触点数量的放大、功率放大 性能参数
触点形式 触点容量 耐压
§4： 三相异步电动机
一、结构
定子：机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等组成
定子绕组 —→ 三相交流电 —→ 旋转磁场
转子：转子铁芯、转子绕组、轴承等组成
转子绕组 —→ 在磁场中切割磁力线 —→ 感应电动势 —→闭合后形成电流 —→ 电磁力 —→ 在转子上形成转矩
二、工作原理 旋转磁场的产生
奥斯特：任何通有电流的导线，都在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应.其磁感线的形状为以导线为圆心一封闭的同心圆，且磁场的方向与电流的方向互相垂直。
毕奥－萨伐尔－拉普拉斯定律：（磁场强度计算公式）阐明电流元在空间某点所产生的磁场强度的大小正比于电流元的大小，反比于电流元到该点距离的平方，磁场强度的方向按右手螺旋法则确定，垂直于电流元到场点的距离。 安培右手定则
1．用右手握住导线，大拇指指向电流的方向，其余四指所指的方向，即为磁力线的方向或磁针N极所受磁力的方向。
2.以右手握住线圈，四指指向导线上电流的方向，则大拇指所指即为磁力线方向。
由图可知：定子绕组接通三相交流电源后，在其内部形成等效的旋转磁场。 旋转磁场的方向：与绕组的空间位置分布有和电源相序有关。 旋转磁场的转速：n0 = 60f/p (n0:同步转速f:频率 p:极对数) 规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向 在磁体外部，磁感线从北极出发到南极的方向，在磁体内部是由南极到北极，在外可表现为磁
感线的切线方向或放入磁场的小磁针在静止时北极所指的方向!磁场的南北极与地理的南北极正好相反，且一端的两种极之间存在一个偏角，称为磁偏角。
转矩的产生
1、假设转子静止不动，因等效的旋转磁场顺时针转动，则相当于闭合线圈逆时针方向切割磁力线而产生感应电流。 （条件：1切割磁力线、2闭合回路）
2、感应电流的方向符合右手定则
3、运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，载流导体在磁场中受到安培力的作用
4、安培力的方向符合左手定则
（磁力线穿过手心，四指向电流方向，拇指向安培力的方向） 结论：转子顺时针方向转动 —→ 动力输出 转子的旋转方向与定子产生的旋转磁场同向
改变电源相序 —→ 旋转磁场方向 —→ 电机转向 转子的转速n
转差率S = (n0–n)/n0 三相异步电动机的接线分星形和三角形（Y、Δ）
电动机实现电能到机械能的转换，完成动力输出。 —→ 被控对象 控制：起动 —→ 直接起动
降压起动
停止 —→ 自由停车
制动停车
正反向 —→ 改变相序
高低速 —→ 改变极对数
§5：电气图 图纸规范 图形符号
§6：起动控制
一、直接启动
手动控制
闸刀Q：既隔离又控制作用，FU：短路保护
起动：合上闸刀Q —→ 电动机得电 —→ 转动工作 停止：拉开闸刀Q —→ 电动机断电 —→ 转动停止 自动控制
起动：按下SB2 —→ KM线圈得电 —→常开主触点闭合 —→电机得电起动
—→ 松开SB2（因KM常开辅助触点闭合）—→线圈保持得电 —→电机继续得电运行
停止：按下SB1 —→ KM线圈断电 —→ 常开主触点打开、常开辅助触点打开 —→ 电机断电停止 —→ 松开SB1 —→ (保持停止)。
自锁：KM的常开辅助触点与起动按钮SB2并联，使起动按钮松开后电机仍能保持得电运转。
点动：无自锁 长动：有自锁
二、降压启动
直接起动方式电路简单，适用于小容量的场合。电机容量大时，起动电流会对电网产生很大冲击，通常采用降压起动方式，来减小电流冲击。
减小电流的方法为：一是降压、二是串电阻
Y—Δ变换启动
1.Y—Δ不同接法时绕组所受电压不同 2.适用于正常工作时为Δ接法的电机
（b）按下SB2 —→ KM1得电 —→ 自锁、供电
KT 得电 —→ KM3得电 —→ Y （低压启动）
∣
定时到 ∣—→ KM3 断电↘
KM2 得电 —→ Δ （满压运行） 存在问题：
1、KM
2、KM3可能同时接通
2、KT一直通电
（c）按下SB2 —→ KM1得电 —→ 自锁、供电
KT 得电 —→ KM3得电 —→ Y （低压启动）
∣
定时到 ∣—→ KM3 断电↘
KM2 得电 —→ Δ （满压运行）
1、KM3常闭触点保证了KM3断电之后KM2才能得电
2、KM2常闭触点保证了KM2得电之后KT
定子串电阻启动
电动机起动时在三相定子电路中串接电阻可降低绕组电压，以限制起动电流；起动后再将电阻短路，电动机即可在全压下运行。
这种方式由于不受电动机接线方式的限制，设备简单，因而得到广泛应用。在机械设备做点动调整时也常采用这种限流方法以减轻对电网的冲击。
KM1得电、KM2不得电 —→ 串入电阻R —→ 低压启动 （KM1 ??） KM2得电 —→ 旁路电阻R —→ 满压运行 (b)按下SB2 —→ KM1得电
KT得电 —→ 串入电阻R —→ 低压启动
∣
定时到 ∣—→ KM2 得电 —→旁路电阻R —→ 满压运行 (c)按下SB2 —→ KM1得电
KT得电 —→ 串入电阻R —→ 低压启动
∣
定时到 ∣—→ KM2 得电 —→旁路电阻R —→ 满压运行
（KM1断电、KT断电、KM2常开触点自锁）
§7：正反向控制
三相异步电机的转向取决于定子绕组产生的旋转磁场的方向，对调定子三相绕组电源的任意两相，改变定子电源相序，就改变了电动机的转动方向。
（a） （b） （c）
SB1停止按钮、SB2正向启动按钮、SB3反向启动按钮、FR热继电器触点 （a）按下SB2 —→ KM1得电、自锁 —→ 电机正转运行
按下SB3 —→ KM2得电、自锁 —→ 电机反转运行
问题：按钮随时都有可能被按下，若KM
1、KM2同时闭合 —→ 电源短路 （b）互锁：常闭触点互相串联在对方线圈的控制回路中使两者之间形成制约关系
正反向切换时需要先按停止按钮
（c）采用复合按钮SB
2、SB3后可以直接进行正反向切换
§8：停车控制 停车控制：自由停车
制动停车 —→ 反接制动
—→ 能耗制动 反接制动
停车时，首先切换电动机定子绕组三相电源相序，产生与转子转动方向相反的转矩，因而起制动作用。电动机的转速接近零时，及时断开反接电源。
按下SB2 —→ KM1得电、自锁 —→ 电机运行 —→ KS常开触点闭合 （a）按下SB1 —→ KM1断电 —→ 常闭触点闭合 —→ KM2得电 —→ 反相序电源 —→ 经过电阻 —→ 电机 —→ 转速快速下降 —→ 转速接近于0时 —→ KS常开触点打开 —→ 切断反相序电源
问题：停车时 —→KM1常闭触点闭合 —→ 手动调整 —→ KS常开触点闭合 —→KM2得电制动 —→ 妨碍调整
（b）采用复合按钮SB1后 —→ 手动调整时 —→ SB1常开触点打开 —→ KM2不会得电制动
特点：制动效果显著，有冲击，能量消耗较大
能耗制动
三相笼型异步电动机切断三相电源的同时，定子绕组接通直流电源，转子原来储存的机械能转变为电能，消耗在转子回路的电阻上，转速为零时再将其切除。
按下SB2 —→ KM1得电、自锁 —→ 电机运行
（a） 按下SB1 —→ KM1断电 —→ KM1常闭触点闭合 —→ KM2得电 —→ 定子绕组直流供电 —→ 产生固定磁场 —→ 转子回路产生制动力矩
问题：制动过程中需要一直按下SB1 （b） 按下SB1后 —→ KM2常开触点自锁 —→ KT定时到 —→ 断开KM2
制动作用强弱与通入直流电流的大小和电动机的转速有关 可调节整流器输出端的可变电阻RP，得到合适的制动电流 特点：制动准确、平稳、能量消耗小
制动力较弱，需要直流电源
§9：高低速控制
双速电动机：三角形接法 —→ 低速
双星形接法 —→ 高速
(a)KMl得电电机低速运行，KMh得电电机高速运行。开关SA实现高、低速选择，按下SB2启动运行，按下SB1停止运行，转换后需重新按SB2起动。 (b)复合按钮SB2和SB3实现高、低速控制，两者间可直接转换，操作方便。 (c)开关SA选择 “低速”时 —→KMl得电 —→ 电动机低速运行；
开关SA选择“高速”时，—→KT得电 —→ KMl得电 —→ 电动机低速起动—→ KT延时时间到 —→ KMl断电 —→ KM得电 —→KMh得电 —→电动机高速运行。
电动机：低速启动 —→ 高速启动 —→ 高速运行
（a）
（b） （c）
§10：液压系统控制
液压传动系统容易获得较大的力矩，运动传递平稳，均匀，准确可靠，控制方便，容易实现自动化。
液压传动：方向（取决于压差）
速度（取决于流量）
滑台动力头控制 自动工作方式 手动工作方式
半自动车床刀架控制
§11：车床控制电路 CW6163B车床
主回路元器件作用 控制回路的操作
1、连锁 （KM1得电后KM2才可能得电）
2、限位 （SQ限位开关常闭触点）
CW616车床
C650车床
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§12：钻床控制电路
22
§13：组合机床控制电路
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回转台控制
动力头在原位SQ1 —→ SB4 —→ YA7 —→ 1G 向上 回转台抬起 (2G 向下 自锁销脱开) —→ SQ5+ —→ YA7+ —→ 3G 向右 —→ 回转台顺时针转动 —→ 定位块1压下滑块2 —→ SQ6+ —→ K4+ 自锁 —→ YA9+ —→ 回转台减速、慢转 —→ 定位块1离开滑块2 —→ SQ6- —→ K5+ —→ YA7- YA8+ —
+
+
+
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→3G 向左（低速）—→ 回转台逆时针反靠 —→ SQ7+ —→ K6+ —→ YA6+ —→ 1G向下 （2G向上 弹力） —→ 夹紧 KP+ —→ K7+ —→ YA10+ YA9- YA8- —→ 4G向上 —→ 离合器7脱开 —→ SQ8+ —→ YA9- YA8+ —→ 3G快速向左 —→回到原位 —→ SQ9 —→ YA10 —→ 4G向下 —→ 离合器咬合 —→ 下一次转动。
§14：继电器接触器控制系统设计
电气控制系统设计的基本内容：
拟定电气设计任务书
确定电气传动控制方案，选择电动机 设计电气控制原理图 选择电气元件，制定明细表
设计操作台、电气柜及非标准电气元件
设计电气设备布置总图、电气安装图以及电气接线图 编写电气说明书和使用操作说明书
控制电路设计时应注意的问题 ：
尽量减少连接导线 。设计控制电路时，应考虑电器元件的实际位
置，尽可能地减少配线时的连接导线，如图a是不合理的。 +
-
按钮一般是装在操作台上，而接触器则是装在电器柜内，这样接线就需要由电器柜二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮和停止按钮直接连接，就可以减少一次引出线，如图b所示。
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正确连接电器的线圈 。
a)电压线圈通常不能串联使用，如图a所示。
b)电感量相差悬殊的两个电器线圈，也不要并联连接。图b中直流电磁铁YA与继电器KA并联，由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大得多，所以断电时，有可能使继电器误动作。解决方法可备用一个接触器的触点来控制。如图c所示。
控制电路中应避免出现寄生电路: 寄生电路是电路动作过程中意外接通的电路。如图所示具有指示灯HL和热保护的正反向电路.
尽可能减少电器数量，采用标准件和相同型号的电器:如图所示。
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多个电器的依次动作问题
在电路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制电路。 可逆电路的联锁
在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且还应有机械联锁。
要有完善的保护措施
常用的保护措施有漏电流、短路、过载、过电流、过电压、失电压等保护环节，有时还应设有合闸、断开、事故、安全等必须的指示信号。
实例：
——运料小车控制电路设计
（小车是由三相交流电机拖动的，翻门是由电磁铁控制的。）
一、需求分析
1、手动控制（点动控制、长动控制、自动停止控制）
2、半自动控制（一次启动运料一车）
3、全自动控制（自动循环往复运料）
二、主电路设计
三、控制电路设计
四、保护、联锁
五、元器件清单 电动机的选择
要考虑电动机功率、转速、结构型式、额定电压等
交流接触器的选择
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主要考虑触点的电流、电压、线圈电压等
(1) 主触点额定电流IN可根据下面经验公式进行选择： IN = (PN ×103 ) / (K·UN ) IN为接触器主触点额定电流（A）;K为比例系数，一般取1-1.4；
PN为被控电动机额定功率（kW）；UN为被控电动机额定线电压（V）。
(2) 交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。 (3) 根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压 (4) 接触器辅助触点的数量、种类应满足电路的需要。
控制用继电器选用
除满足继电器线圈电压要求外，主要考虑触点数量。
时间继电器的选择
（1） 根据控制电路要求的延时方式，即通电延时型或断电延时型； （2） 根据延时准确度要求和延时长、短要求来选择； （3） 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。
热继电器的选择
（1） 星形联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器；
（2） 热元件额定电流的选择。一般可按下式选取：
IR = (0.95 ～ 1.5)IN
式中，IR为热元件的额定电流；IN为电动机的额定电流。
热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。
熔断器的选择
主要是熔断器种类、额定电压、额定电流等级和熔体额定电流。 (1) 单台长期工作的异步电动机
IR = (1.5 ～ 2.5) IN
式中，IN为异步电动机额定电流, IN为电动机的额定电流.(2) 用一组熔断器保护多台电动机
IR = (1.5 ～ 2.5)IMAX + ∑IN
式中，Imax为容量最大的电动机的额定电流
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ΣIN为其他电动机额定电流之和
控制按钮的选择
结构、安装形式、颜色、触点、电压、电流 行程开关的选择
结构形式、触点、电压、电流 万能转换开关的选择 控制变压器的选择
六、安装、配线
