三菱PLC应用100例
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1.5 电气技术基础

PLC控制离不开电气控制。在某些系统中,PLC本身就是电气控制系统的一部分。同时在构造PLC系统时也脱离不开基本的电气控制元件及其设计原理。因此,在了解PLC系统时,有必要先行学习和掌握电气控制技术的基本知识。

1.5.1 常用低压电器简介

低压电器是实现电气控制线路的基本器件。根据使用要求及控制信号,通过一个或多个器件组合,能手动或自动分合额定电压在直流1200V、交流1500V及以下的电路,以实现电路中被控制对象的控制、调节、变换、检测、保护等作用的基本器件称为低压电器。下面介绍一些PLC控制系统中常用的低压电器元件。

1.开关电器

开关是最为普通的低压电器之一,其作用是分合电路、开断电流。在配电和电动机保护电路中经常使用的开关,其种类非常多,如刀开关、隔离开关、负荷开关、转换开关、组合开关、断路器等。在PLC自动控制系统中,使用最多的是断路器。低压断路器将控制电器和保护电器的功能合为一体,是一种既有手动开关作用,又能进行自动失压、欠压、过载和短路保护的电器,应用极为广泛,可用来分配电能、不频繁地启动异步电动机、对电动机及电源线路进行保护。当线路发生严重过载、短路或欠电压等故障时,断路器能自动切断电源,其功能相当于熔断式断路与过流、过压、过热继电器等的组合,而且在分断故障电流后,一般不需要更换零部件。断路器的种类是非常多的,如真空断路器、框架断路器、塑壳断路器等。图1-10所示为几种常见的断路器形式。在电路图中断路器的图形和文字符号如图1-11所示。

图1-11 断路器的图形及文字符号

图1-10 几种形式的断路器

2.接触器

接触器是一种用来自动接通或断开大电流电路的电器。它可以频繁地接通或分断交直流负载电路,并可实现中远距离控制。其主要控制对象是电动机,也可用于电热设备、电焊机、电容器组等其他设备。它还具有低电压释放保护功能,并具有控制容量大、过载能力强、寿命长、设备简单经济等特点。接触器按操作方式分为电磁接触器、气动接触器和电磁气动接触器;按灭弧介质分为空气电磁接触器、油浸式接触器和真空接触器等。最常用的分类是按照主触点连接回路的形式来划分,即将接触器分为交流接触器和直流接触器两大类。在生产中应用最多的是电磁交流接触器。接触器一般由电磁线圈、衔铁,以及和衔铁相连的触点组成。图1-12所示是几种实际的交流接触外形图。在交流接触器上一般要有主触点端子、辅助触点端子和线圈端子,其多少根据具体应用选择。

图1-12 交流接触器外形图

接触器的图形符号如图1-13所示。图1-13(a)所示为其线圈;图1-13(b)、(c)所示分别为其常开和常闭主触点;图1-13(d)、(e)所示分别为其常开和常闭辅助触点,并分别标有相同的文字符号KM,而辅助触点在实际电气控制线路中可能与主触点分开置于图中不同位置,读图时依靠其文字符号识别。

图1-13 接触器图形及文字符号

图1-13 接触器图形及文字符号(续)

对于一个接触器,如果有3对主触点和4对辅助触点,则其中辅助触点有两对常开触点和两对常闭触点。在线圈无电流流过或复位状态,以及线圈有电流流过时,接触器主辅触点的状态分别如图1-13(f)、(g)所示。

3.继电器

继电器是一种根据输入信号的变化接通和断开控制电路,实现控制目的的电器。继电器与接触器不同,不能用来直接接通和分断大电流负载电路,而主要用于电动机或线路的保护及生产过程顺序控制。一般来说,继电器通过测量环节输入外部信号(如电压、电流等电量,或者温度、压力、速度等非电量)并传递给中间机构,将它与整定值(设定值)进行比较,当达到整定值时(过量或欠量),中间机构就使执行机构产生输出动作,从而闭合或分断电路,达到控制电路的目的。在控制系统中,使用最多的是电磁继电器。这里主要介绍电磁继电器、热继电器和时间继电器等。

1)电磁继电器

电磁继电器中最常用的是中间继电器,图1-14所示是电磁继电器的外形图。电磁继电器的结构与电磁接触器相似,同时这种继电器一般都配有端子插座,继电器的底部引脚在插座上都有对应的端子。与外部电路连接时,通过端子接线连接。

图1-14 电磁继电器的外形图

电磁继电器的图形符号和文字符号如图1-15所示。其特点是触点数量较多(可达8对),触点容量较大(5~10A),动作灵敏,在电路中起增加触点数量和触点容量放大作用。

图1-15 电磁继电器符号

2)热继电器

热继电器常用于交流电动机的过载保护。热继电器在电路中不能做瞬时过载保护,更不能做短路保护。热继电器一般与接触器组合使用。图1-16所示是热继电器外形图。图1-17所示是热继电器的图形符号和文字符号。

图1-16 热继电器外形图

图1-17 热继电器的图形符号和文字符号

3)时间继电器

从线圈通电或断电开始,经过一定的延时后触点状态才发生变化的继电器,称为时间继电器。时间继电器可分为通电延时型和断电延时型。对于通电延时型,当线圈通电后要延迟一定时间,触点状态才发生变化;而当线圈断电时,触点瞬时复原。对于断电延时型,当线圈通电时,触点瞬时产生状态变化;而当线圈断电后,延迟一定的时间,触点状态才复原。时间继电器种类很多,常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式等。图1-18所示为时间继电器的外形图,图1-19所示是时间继电器的文字与图形符号。

图1-19 时间继电器的文字与图形符号

图1-18 时间继电器外形

4.熔断器

熔断器的主要作用是为电气设备及电线电缆提供过载与短路保护。图1-20所示是常用熔断器的外形图及其图形符号。在电气控制中应用熔断器的场合如下:

(1)小型断路器或塑壳式断路器进线的后备保护;

(2)在可能出现短时过载和短路的电动机回路中担负保护任务;

(3)开关电器,如接触器和电动机启动器的短路保护。

熔断器使用时要考虑额定电压、额定电流、极限分断能力和熔断电流等参数。

图1-20 常用熔断器的外形图及其图形符号

5.主令电器

主令电器用来闭合和断开控制电路,用以控制电气设备的启动、停车、制动及调速等。主令电器可直接或通过电磁式电器间接作用于控制电路。在控制电路中,由于它是一种专门发布命令的电器,故称主令电器。主令电器不允许分合主电路。主令电器常用的有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器,如脚踏开关、倒顺开关、紧急开关、钮子开关等。这里主要介绍旋钮、按钮和行程开关。

1)旋钮和按钮

旋钮和按钮一般由触点座和钮头组成,作用是接通或断开控制回路,结构简单,是使用广泛的手动主令电器。按钮一般具有自动复位功能,在操作后,触点自动恢复为初始状态,可以进行点动操作。旋钮一般具有机械自锁装置,可以保持操作状态。图1-21和图1-22所示分别为按钮和旋钮的外形图。图1-23和图1-24所示分别是按钮和旋钮的图形符号。旋钮和按钮的文字符号用SB表示。

图1-21 按钮外形图

图1-22 旋钮外形图

图1-23 按钮的图形符号

图1-24 旋钮的图形符号

为便于识别各个按钮的作用,避免误操作,通常在按钮上做出不同标志或涂以不同颜色,常用的标志颜色有红、绿、黄、蓝、黑、白、灰等。按钮颜色的选用应注意以下几点。

(1)红色按钮用于“停止”、“断电”或“事故”。

(2)绿色按钮优先用于“启动”或“通电”,但也允许选用黑、白或灰色按钮。

(3)一钮双用的“启动”与“停止”或“通电”与“断电”,即交替按压后改变功能的,不能用红色按钮,也不能用绿色按钮,而应用黑、白或灰色按钮。

(4)按压时启动,抬起时停止启动(如点动、微动),应用黑、白、灰或绿色按钮,最好是黑色按钮,而不能用红色按钮。

(5)用于单一复位功能的,用蓝、黑、白或灰色按钮。

(6)同时有“复位”、“停止”与“断电”功能的用红色按钮。灯光按钮不得用作“事故”按钮。

2)行程开关

依照机械运动部件的行程发出命令以控制其运动方向或行程长短的主令电器,称为行程开关。若将行程开关安装于运动部件的行程终点处以限制其行程,则称为限位开关。因此,行程开关也称限位开关。按运动形式的不同,行程开关可分为直动式、微动式、滚轮式等。按信号的触发方式可分为接触式和非接触式两种。

● 接触式行程开关

接触式行程开关简称行程开关,其工作原理与按钮相同,所不同的是信号的触发方式。它不像控制按钮那样需要用手按压,而是利用机械运动部件的碰压而使触点动作,从而发出控制指令的主令电器。图1-25所示为常见接触式行程开关的外形图。图1-26所示为行程开关的图形符号。

图1-25 常见接触式行程开关的外形图

图1-26 接触式行程开关的图形符号

● 非接触式行程开关

接近开关又称无触点行程开关,它除可以完成行程控制和限位保护外,还是一种非接触型的检测装置,用做检测零件尺寸和测速等,也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。其特点是工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高,以及适应恶劣的工作环境等。接近开关可以分为有源和无源两种,多数为有源型,主要包括检测元件、放大电路、输出驱动三部分。图1-27所示为接近开关的外形图。图1-28所示为接近开关的图形符号。

图1-28 接近开关的图形符号

图1-27 接近开关的外形图

非接触式行程开关可分为涡流式接近开关、电容式接近开关、霍尔接近开关、光电式接近开关、热释电式接近开关。无论选用哪种接近开关,都应注意对工作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。

1.5.2 电气控制线路的绘图规则

电气控制系统是由许多电气元件按照一定要求连接而成的,以实现对设备的电气自动控制。为了便于对控制系统进行设计、分析研究、安装调试、使用和维修,需要将电气控制系统中各电气元件及其相互联接,用国家规定的统一符号、文字和图形表示出来。这种图就是电气控制系统图。依据简单、清晰的原则,原理图采用电气元件展开的形式绘制。电气控制系统图一般有3种:电气原理图、电器位置图、电气互联图。下面着重介绍电气原理图的绘制。

1.绘制电气原理图的原则

绘制电气原理图时应遵循以下原则。

(1)各个电气元件和部件在控制电路中的位置,根据便于阅读的原则来安排,同一电气元件的各个部件可以不画在一起。

(2)一样的电气部件都用规定的图形符号表示,并在图形符号附近用文字符号标注它们属于哪个电器。

(3)图中电气元件触点的开闭,均以没有受到外力作用或线圈没有通电时的开闭状态画出,多位置电器以手柄置于零位时触点的开闭状态画出,此时触点呈断开状态的称“常开触点”,触点呈闭合状态的称“常闭触点”;二进制元件应是置零时的状态。

(4)绘制电气原理图的图幅可按机械制图的图号,根据需要选用。如果需要加长的图纸,应采用加长图纸,如A3×3(420×891)、A4×5(297×1051)。

(5)动力电路、控制和信号电路应分别绘出。

动力电路—电源电路绘成水平线;受电的动力设备(如电动机等)及其保护电器支路,应垂直电源电路画出。

控制和信号电路—应垂直地绘于两条水平电源线之间。耗能元件(如线圈、电磁铁、信号灯等)应直接连接在接地或下方的水平电源线上,控制触点连接在上方水平线与耗能元件之间。

(6)为了便于检索分析、安装、维修调整和寻找故障,电气元件接线端均用标记编号,主电路图上用回路标号;辅助电路的电气连接线用数字编号。号码从左向右,从上到下,每经过一个元件改变一个号,依次编排,不能缺号,也不能重号。

(7)线路平行排列,各分支电路基本上按动作顺序由左向右排列,导线交叉的电气连接处用圆黑点或圆圈标明。

(8)用导线直接连接的互连端子,因其电位相同,故应采用相同的线号,互连端子的符号应与器件端子的符号有所区别。

(9)无论主电路还是辅助电路,各元件一般应按动作顺序从上到下、自左至右依次排列。

(10)原理图上各电路的安排应便于分析、维修和寻找故障.对功能相关的电气元件应绘制在一起,使它们之间关系明确。

(11)原理图应注出下列数据或说明。

● 各电源电路的电压值、极性或频率及相数

● 某些元器件的特性(如电阻、电容器的数值等)

● 不常用的电器(如位置传感器、手动触点、电磁阀或气动阀、定时器等)的操作方法和功能

(12)原理图中有直接电联系交叉导线连接点,用实心圆点表示,无直接电联系的交叉点,则不画圆点。

(13)对非电气控制和人工操作的电器,必须在原理图上用相应的图形符号表示其操作方式及工作状态。由同一机构操作的触点,应用机械连杆符号表示其联动关系。各个触点的运动方向和状态必须与操作件动作方向协调一致。

(14)对与电气控制有关的机、液、气等装置,应用符号绘出简图,以表示其关系。

2.图面区域划分

为了便于检索电气线路,方便阅读电气原理图,应将图面划分为若干区域。图区的编号一般写在图的下部。图1-29所示是鼠笼式电动机启动、停止电路。图面划分为了6个图区。图的上方设有用途栏,用文字注明该栏对应的下面电路或元件的功能,以利于理解原理图各部分的工作原理。

3.符号位置索引

由于接触器、继电器的线圈和触点在电气原理图中不是画在一起的,而触点是分布在图中所需的各个图区,为了读图方便,在接触器、继电器线圈的下方画出其触点的索引表。

对于接触器,索引表中各栏含义如下:

对于继电器,索引表中备栏含义如下:

例如,在图1-29中,接触器KM的索引表,表示接触器KM有三对主触点均在3图区内;1对辅助动合触点在6图区内,没有使用辅助动断触点。

图1-29 鼠笼式电动机启动、停止电路

“x”表示没有使用辅助动断触点,有时也可以采用省去“x”的表示法。

1.5.3 电气控制线路的保护类型

在设计电气控制系统时,必须考虑相应的保护措施,才能保证设备在某些非正常状态或故障发生时,不致引起设备损坏或其他损失。常用的保护措施有短路保护、过载保护、过流保护、欠压保护等。

1.短路保护

常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。

1)熔断器保护

熔断器的熔体串联在被保护的电路中,当电路发生短路或严重过载时,它自动熔断,从而切断电路,达到保护的目的。

2)自动开关保护

自动开关又称自动空气断路器,具有短路、过载和欠压保护作用,这种开关能在线路产生上述故障时快速地自动切断电源。

通常熔断器比较适用于动作准确度和自动化程序较差的系统中,如小容量的笼型电动机、一般的普通交流电源等。在发生短路时,很可能造成一相熔断器熔断,从而造成单相运行,但对于自动开关,只要发生短路就会自动跳闸,将三相同时切断。自动开关结构复杂,操作频率低,广泛用于要求较高的场合。

2.过载保护

常用的过载保护元件是热继电器。在电动机控制回路中,当电动机工作在额定电流时,热继电器不动作;在过载电流较小时,热继电器要经过较长时间才动作;过载电流较大时,热继电器则经过较短时间就会动作。过载电流越大,达到允许温升的时间就越短。由于热继电器具有热惯性,热继电器不会受电动机适时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作,因此在使用热继电器作过载保护的同时,必须设有短路保护,并且选作短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件的额定电流。

3.过流保护

过流保护广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。对于三相笼型电动机,由于其短时过电流不会产生严重后果,因此不采用过流保护而采用短路保护。

过电流往往是由于不正确的启动和过大的负载转矩引起的,一般比短路电流要小。在电动机运行中产生过电流要比发生短路的可能性更大,尤其是在频繁正反转启制动的重复短时工作制动的电动机中更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机线路中过电流继电器也起着短路保护的作用,一般过电流动作时的强度值为启动电流的的11.2倍左右。

4.零压、欠压保护

当电动机正在运行时,如果电源电压因某种原因消失,那么在电源电压恢复时,电动机就将自行启动,这就可能造成生产设备的损坏,甚至造成人身事故。对电网来说,许多电动机及其他用电设备自行启动也会引起不允许的过电流及瞬间电压下降。为了防止电压恢复时电动机自行启动的保护叫零压保护。

当电动机正常运转时,电源电压过分地降低将引起一些电气触点释放,造成控制线路不正常工作,可能产生事故。电源电压过分地降低也会引起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定允许值以下时将电源切断,这就是欠压保护。

一般常用电压继电器实现欠压保护。如图1-30所示,电压继电器KZ起零压保护作用,在该线路中,当电源电压过低或消失时,电压继电器KZ就要释放,因为此时主令控制器SA不在零位(SA0未闭合),所以在电压恢复时,KZ不会通电动作,接触器KM1或KM2就不能通电动作。若使电动机重新启动,必须先将主令开关SA打回零位,使触点SA0闭合,KZ通电动作并自锁,然后再将SA打向正向或反向位置,电动机才能启动。这样就通过KZ继电器实现了零压保护。此外,在图1-30中使用的电动机常用保护线路还有短路保护:熔断器FU;过载保护(热保护):热继电器FR;过流保护:过流继电器KA1、KA2;零压保护:电压继电器KZ;低压保护:欠电压继电器KV;互锁保护:通过正向接触器KM1与反向接触器KM2的常闭触点实现。

图1-30 电动机控制线路及常用保护

5.其他保护

在控制电路中因缺相或相序错误均可影响电动机的正常运行,甚至造成设备损坏。电动机缺相运行时容易导致烧毁,因此,在控制电路中增加缺相保护对电动机的正常运行是很有好处的。图1-31所示为具有缺相保护的控制电路。该电路中有断路器QF、热继电器FU、启动按钮开关SB1、停止按钮开关SB2、热继电器FR及其触点、中间继电器KA1、交流接触器KM等。当合上开关QF,按下SB1启动开关后,KA1线圈得电吸合,其常开触点闭合后自锁,交流接触器KM线圈得电也吸合,电动机得电。如果L1相或L2相因故障缺相,则KM线圈失电,其主触点使电动机电源断开电动机停止运转;若L3相缺相,则中间继电器KA1线圈失电,其闭合的常开触点使接触器KM线圈失电,同样使电动机停止运转,也起到缺相保护作用。

图1-31 简易缺相保护电路

图1-32所示为具有缺相与相序保护继电器保护的控制电路。缺相与相序保护继电器采用集成电路电压取样方式,集成电路电压取样方式保护具有与被保护电动机功率大小、电流等级无关的特点,能在电动机启动前、运行中发生的任意缺相、错相等故障时起到保护作用。此外,当三相电压不对称度大于13%时也能动作,起到保护作用。

电动机控制电路主要由按钮SB1、SB2,接触器KM和KJ缺相及相序保护继电器组成, SB1、SB2控制电动机的运行和停止,KJ1和KJ2分别为其常开和常闭触点。电源正常时继电器KJ处于吸合状态,若电动机在运行时由于某种原因缺相,KJ立即释放,KJ1断开,接触器KM释放,切断电动机电源,从而起到保护电动机的作用。同时KJ2接通,指示灯HL亮,蜂鸣器HA响。在电动机启动前电源若有缺相、错相等不正常情况,保护电路也可防止电动机启动,并能报警提示。

图1-32 具有缺相与相序保护继电器保护的控制电路