电气控制技术

电气控制技术

内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）

电气控制技术在生产实践

中的应用

The application of electrical control technology in production

practice

姓名

班级机械2102 学号 36

指导老师周力

电气控制技术在生产实践中的应用

The application of English electrical control technology in production

practice

摘要：伴随着电力电子技术和计算机技术的快速发展，电气控制技术也进入发展

的快速通道。现在，计算机技术和电力电子技术已经完全的融入到了电气控技术

中，使得电气控技术更加的精准和简单。各行业逐渐的发现了电气控制技术的可

靠、安全、反应快速、节能等优点，所以越来越多的行业开始引入电气控制系

统。本文从电气控制技术的传统控制系统和可编程PLC控制系统两方面出发，通

过具体的实例来阐述电气控制技术在生产实践中的应用。

关键词：计算机技术；电气控制；继电器；PLC；生产应用。

Abstract: Along with the rapid development of power electronic

technology and computer technology, electrical control technology has

also entered the fast track of development, now, computer technology and power electronics technology has completely into the electrical control technology, makes the electrical control technology is more accurate and simple. Industries gradually discovered the electrical control technology and reliable, safe, quick response, the advantages

of energy saving, so more and more industry began to into the electric control system. In this article, based on the electrical control technology of traditional control system and PLC control system, we illustrate the electrical control technology application in production practice by concrete examples.

Keywords:Computer Technology; Electrical control; Electric relay; PLC; application in production.

引言：随着科学技术的不断发展，电气控制技术也得到了迅速的发展；电气控制

技术在行业中的应用现状电气控技术的应用范围很广，小到一个家庭，大到飞

机、火箭，所以电气控技术的发展对国家的经济发展有着重要的意义。现在这项

技术中已经融入了很多的其他技术，加快了电气技术相关行业的发展。在现代工

业迅猛发展的时期，传统的几点接触器控制系统已经不能满足生产需要；同时计

算机技术的迅猛发展也为新的工业控制发展奠定了基础。可编程序控制器(PLC)

将计算机的功能完善、通用性、灵活性好的优点与继电接触器控制系统的结构简单、价格便宜、便于掌握等特点有机结合，在现代工业控制中得到广泛应用。电

气控技术的发展，越来越受到重视，国家和各行业都在关注着电气控制技术发展

的动态和趋势，在网络化的今天，任何的技术都避免不了公开化，当然电气控制

技术也是不例外，技术公开化并不是一件坏事，目前的电气控制技术仍不是非常完善和先进的，只要在电气控制技术得到公开，就能得到很多人的关注，大家会在学习的基础上不断地对技术进行改革和创新，使得技术得到不断的完善和更新；智能化已经成为了现在社会的潮流，各种设施设备都朝着智能化的方向发展，智能手机、智能冰箱、智能电视等各种智能系统。本文主要从继电接触器控制系统和可编程控制器来说明电气控制技术在生产实践中的应用

正文：

第一章继电接触器控制系统

第一节常用低压电器

1.接触器

1.1接触器的定义

接触器是一种可频繁地接通和分断电路的控制电器。从输入输出能量关系看，它是一种功率放大器件。

1.2结构与工作原理

目前最常用的接触器是电磁接触器，它一般由电磁机构、触头与灭弧装置、释放弹簧机构、支架与底座等几部分组成。其工作原理是：当吸引线圈通电后，电磁系统即把电能转变为机械能，所产生的电磁力克服释放弹簧与触头弹簧的反力使铁心吸合，并带动触头支架使动、静触头接触闭合。当吸引线圈断电或电压显着下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁在弹簧反力作用下返回原位，同时带动动触头脱离静触头，将电切断。

1.3接触器的分类

如按主触头控制的电路中电流的种类划分，接触器可分为交流接触器和直流接触器；按电磁机构的操作电源划分，则分为交流励磁操作和直流励磁操作的接触器两种。通常所说的交流/直流接触器是指前一种分类方法，两者不要混淆。此外，接触器还可以按主触头的数目分为单极、二极、三极、四极、和五极的几种。直流接触器通常为前两种，交流接触器通常为后三种。

2.继电器

2.1继电器的定义

继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动电器。输入信号可以是电压、电流等电量，也可以是温度、速度、压力等非电量。其工作方式是当输入变量变化到某一定值时继电器的触头即动作，接通或断开控制电路。它一般由感测机构、中间机构和执行机构三个基本部分组成。感测机构把感测到的电气量或非电气量传递给中间机构，将它与设定的整定值进行比较，当达到整定值（过量或欠量）时，中间机构便使执行机构动作，从而接通或断开被控电路。由于控制电路消耗的功率一般不大，所以对继电器触头的分断电流的能力要求低，一般不需要用特殊的灭弧装置。

2.2继电器的主要分类

1）电磁式继电器

电磁式继电器在电气控制系统中起控制、放大、联锁、保护与调节的作用，以实现控制过程的自动化。

按输入信号的性质，电磁式继电器可分为电压继电器和电流继电器；按用途前者又可划分出一类——中间继电器。，

2）固态继电器

固态继电器是由固体半导体元件组成的无触头开关元件，它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、无火花、无动作噪声和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领域，如计算机的输入输出接口、外围和终端设备。固态继电器的缺点是过载能力差，易受温度和辐射影响，通断阻抗比小。固态继电器分为直流固态继电器和交流固态继电器，前者的输出采用晶体管，后者的输出采用晶闸管。

3）时间继电器

当感受部分接受外界信号后，经过设定的时间才使执行部分动作的继电器称为时间继电器。时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。按延时的方式分为通电延时型、断电延时型和带瞬动触头的通电（或断电）延时型继电器等。。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。4）热继电器

热继电器是依靠电流流过发热元件时产生的热，是双金属片发生弯曲而推动执行机构动作的一种电器，主要用于电动机的过载保护、断电及电流不平衡与性的保护以及其它电气设备发热状态的控制。热继电器的动作时间与通过电流之间的关系特性呈反时限特性，合理调整它与电动机在保证绕组正常使用寿命的条件下所具有的反时限容许过载特性之间的关系，就可保证电动机在发挥最大效能的同时安全工作。

6）速度继电器

速度继电器常用于电动机的反接制动电路中。结构原理图如下图所示。

2.3继电器的作用

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：

1) 扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。

2）放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。

3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。

4）自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。

3．主令电器

3.1按钮

按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。按钮在结构上有多种形式：旋转式，指示灯式，紧急式等等。

按钮主要是根据需要的触头数、触头形式、使用场合及颜色来选择。

3．2行程开关、接近开关和光电开关

行程开关是用来反映工作机械的行程，发出命令以控制其运动或行程大小的主令电器。

行程开关种类很多，按动作方式分为瞬动型和蠕动型；按头部结构分为直动。滚动直动。杠杆、单轮、双轮、滚轮摆动可调、弹簧杆等。

第二节常见的低压电器控制电路

1.直接启动的控制线路

2.点动、连续、多地联锁控制电路

3.正反转控制线路

4.星形—三角形启动的控制电路

5．三相异步电动机单向运转控制电路

第三节电气电路中常用到的保护

1.短路保护

电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或线路发生故障时，造成短路现象，产生短路电流并引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力使电器设备损坏。因此在产生短路现象时，必须迅速地将电源切断。常用的短路保护元件有熔断器和断路器。

1.1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。

1.2断路器保护

短路器兼有短路、过载和欠电压保护等功能，这种开关能在线路发生上述故障时快速地自动切断电源。它是低压配电重要元件之一，常作低压配电盘的总电源开关及电动机、变压器的合闸开关。

2.过载保护

电动机长期超载运行时，电动机绕组的温升会超过其允许值，电动机的绝缘材料就要变脆，寿命降低，严重时使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。热继电器可以满足这样的要求：当电动机为额定电流时，电动机为额定温升，热继电器不动作，在过载电流较小时，热继电器要经过较长的时间才动作；过载电流较大时，热继电器则经过较短的时间就会动作。

3．过电流保护

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起制动的重复短时工作的电动机中更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机电路中过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流额动作值为启动电流的1.2倍左右。

4．零电压与欠电压保护

当电动机正在运行时，如果电源因某种原因消失，那么在电源电源恢复时，电动机就将自动启动，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，同时有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网络电压下降。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器释放，造成控制电路不正常工作，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。。

5.弱磁保护

直流电动机在磁场有一定强度下才能启动，如果磁场太弱，电动机的启动电流会很大；直流电动机正在运行时，磁场突然减弱或消失，电动机转速就会迅速升高，甚至发生飞车。因此需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过电动机励磁回路串入弱磁继电器来实现的，在电动机运动中，如果励磁电流消失或降低很多，弱磁继电器就释放，其触头切断主回路继电器线圈的电源，使电动机断电停车。

第二章可编程序控制器及应用

1.PLC的发展

在工业生产过程中，大量的开关量顺序的控制，需要它们按照一定的逻辑顺序条件进行一定的顺序动作，并按照相应的逻辑关系进行连锁保护动作的控制，以及大量离散量的数据的采集。传统上，这些工作是通过气动或者电气控制系统来加以实现的。在1968年美国通用汽车公司提取出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用了程序化的手段应用于电气化的控制，这就是第一代可编程控制器，称为Programmable Controller(PC)。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。上个世纪80年代至90年代中期是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持在30%--40%之间。在这个时期，PLC在处理模拟量能

力、人机接口能力和网络能力得到了大幅度的提高，PLC逐渐进入了过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰性能强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位在现在乃至今后一段很长的时间内将是其他控制系统无法取代的。

2.PLC的定义

可编程序控制器（Programmable Controller）通常也简称可编程控制器，PC。可编程序控制器的产生和其他的控制装置类似，生产的实际需要是它产生的根本原因，计算机技术、电器制造技术、电力电子器件制造技术以及现代控制理论等相关技术和学科的快速发展是它产生的物质及理论基础。可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟式的输入和输出控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都按易于与工业连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。由定义看出，可编程序控制器实质上是一台专为在工业环境下运行的工业计算机，由于其面向用户的指令系统，使得它特别适用于各种工业设备的控制。

3.PLC的基本结构

PLC的作用就是要采集反映被控制对象的内部运动特征的信息，对这些信息按照一定的算法处理加工，获得可以控制被控制对象行为的控制行为的控制信号并输出施加于被控制对象。这个过程实质就是对信息进行转换与处理的过程。

4.PLC的工作原理

PLC采用的是循环扫描工作方式。在PLC中用户程序按照先后顺序存放

在PLC中，工作时CPU从第一条指令开始执行，直到遇到结束符后又返回第

一条，如此周而复始，不断循环。PLC的工作过程可分为五个阶段：自诊

断、与计算机或编程器等通信、读入现场信号、执行用户程序、输出结果。

这五个阶段称为一个扫描周期。采用循环扫描的工作方式，是PLC 区别于微

机和其他控制设备的最大特点。

5.PLC在生产实践中的应用

5.1PLC一般应用的举例

电动机正反转控制

5.2PLC在数控机床的应用

在数控机床中, 控制系统除了对各坐标轴的位置进行连续控制外,还需要对诸如主轴的启停、换向,刀具的更换,工件夹紧松开,液压、冷却、润滑系统的运行等进行控制,目前PLC技术在数控机床控制系统中应用广泛。数控机床应用PLC 用来接收CNC发送来的M、S、T 信息,手动/自动方式信息,各种使能信息等, PLC 向CNC发送 M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等, 同时PLC还向机床发送控制信息,以控制机床的执行元件,如电磁铁、接触器、继电器以及各种状态指示和故障报警等;接收主要来自机床操作面板输入信息和各种开关、按钮等信息。

1 数控机床应用PLC 内部结构

PLC 采用/ 顺序控制0方法。/ 顺序控制0的信息主要是开关量信号,数控系统对该类信号的控制任务可以由独立或内装式的PLC( 可编程控制器)来完成，它

是一种专用于数控机床的可编程序控制器,它的优点是控制能强大、快速响应性好、结构紧凑、工作可靠稳定。

2 数控机床应用PLC 的分类

数控机床用PLC可分为两大类,一类为内装式PLC( Built- in Type),另一类为外置或称独立型PLC( Stand-alone Type )。目前,大多数数控系统均可选择内装式PLC,内装式PLC与CNC之间的信息交换是通过公共RAM区完成的,因此内装PLC 与CNC之间无连线,信息交换量大,安装调试更加方便,且结构紧凑,可靠性好。内装式PLC与MT(机床侧)通过CNC输入/输出接口电路实现信号传送,如图2所示。

独立型PLC在CNC外部,自身具有完备的软硬件功能,与内装型PLC相比,独立型PLC 功能更强,但一般需要配置单独的编程设备。

图2 内装型PLC与CNC和MT( 机床侧)的接口

3 数控机床应用PLC 与外部信息交换

PLC、CNC和机床三者之间信息交换包括4个部分。

3. 1 机床至PLC

机床侧的信号通过I /O单元接口输入到PLC,输入的地址由PLC程序编制人员自行定义。当然要根据相关规范确定。

3. 2 PLC至机床

根据机床的配置,以及所需要完成的控制功能,PLC将控制信号输送至机床侧。输出信号的地址也是由程序编制人员自行定义。

3. 3 CNC至PLC

CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址)均由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用,不

可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存器中。

3. 4 PLC至CNC

PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定,PLC编程者只可使用,不可改变和增删。如图3所示为内装式PLC输入/输出信息框图。

图3 内装式PLC 输入/输出信息框图

要充分利用PLC的控制功能,使PLC和CNC更方便的进行数据采集传送交换首先要了解数控机床中PLC的相关信息,如Fanuc系统PLC 输入输出端口符号的含义:X表示机床向PLC输入的信号;Y表示PLC向机床的输出信号;G表示PLC向CNC 的输出信号;F表示CNC向PLC的输入信号。

4 PLC梯形图方法编程在数控系统中应用实例

数控机床中的PLC具有显示和检测功能,PLC梯形图具有非常广泛的用途,它可以传递机床工作状态、坐标位置、刀具管理数据机床参数等各种信息,可以直接将机床的接口、内部继电器、定时器等的状态信息直观地显示出来,还可以利用PLC梯形图反映的控制逻辑,跟踪外围设施出现故障的原因,利用梯形图的监控功能, 观察相关信号是否处于正确的状态, 如果有节点处于不正确的状态,可依据梯形图向前向后追踪, 查找引起节点状态错误的原因。

图4 Fanuc O i系列数控系统PLC 梯形图画面

以Fanuc O i系列数控系统为例, 进入PLC梯形图界面方式为按下SYSTEM键再按【PM C】软键,随后选择【 PM CLAD】，即可进入PLC动态显示的梯形图程序画面。若需要对程序进行检索,可以按下检索信号【 SEARCH】软键, 并结合翻页软

键或方向键进行所需信号的检索。图4为Fanuc O i系列数控系统PLC 梯形图画面。

数控机床是集计算机技术、PLC技术、自动化技术等于一身的机电一体化产物,作为数控机床核心的控制系统直接关系到设备的正常运行,利用数控机床PLC 的强大功能,可以充分发挥数控机床控制系统的作用,还可以为数控机床故障诊断以及故障维修带来极大的方便。

结束语：

对于电气控制技术来说,其涉及到的内容比较多,不仅涉及到电气原理、线路、系统设计,也涉及到编程方法及生产机械应用等相关内容。同时电力控制方法也比较多,要想将电气控制方法和相应内容连接起来,在一定程度上是需要电气控制技术的。在这种情况下,有必要对电气控制技术进行分析。随着时代不断的发展,对电气控制技术的要求将会更高。为了更好的满足时代发展需求,还需要对电气控制技术进行不断的研究。

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