第1章繼電器控制系統(tǒng)

第1章繼電器控制系統(tǒng)

1.1PLC發(fā)展史1.1.1繼電器控制系統(tǒng)自1836年電磁繼電器發(fā)明以來(lái)，人們就開(kāi)始用導(dǎo)線(xiàn)把各種繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器及其接點(diǎn)連接起來(lái)，并按一定的邏輯關(guān)系控制各種生產(chǎn)機(jī)械。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，從而工業(yè)進(jìn)入了自動(dòng)化時(shí)代。這種以硬接線(xiàn)方式構(gòu)成的繼電器控制系統(tǒng)，至今仍有使用。常用電器元件及符號(hào)：熔斷器RD/BX：俗稱(chēng)保險(xiǎn)絲，熔斷速度比保險(xiǎn)絲快，用于保護(hù)重要設(shè)備和元件。

原理：采用低熔點(diǎn)、電阻較大的材料（如鉛），當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，產(chǎn)生熱量，將熔片、熔絲熔斷，切斷電路，從而保護(hù)設(shè)備安全。符號(hào)：

例：開(kāi)關(guān)控制的電機(jī)啟停

繼電器：繼電器有幾種，常用的有電磁繼電器、干簧繼電器、熱繼電器、時(shí)間繼電器和接觸器等。1．電磁繼電器

Z簡(jiǎn)稱(chēng)繼電器，又稱(chēng)中間繼電器。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能，如邏輯運(yùn)算，或建立某一標(biāo)志使用的輔助繼電器。工作原理：

1）線(xiàn)圈無(wú)電時(shí)，彈簧拉力使銜鐵、鐵芯分開(kāi)，從而常閉觸點(diǎn)閉合，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)。

2）線(xiàn)圈通上額定電壓時(shí)，產(chǎn)生電磁力，克服彈簧力，將銜鐵吸向鐵芯，使常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合。3）線(xiàn)圈斷電，電磁力消失，返回1）。

電氣符號(hào)：線(xiàn)圈常開(kāi)觸點(diǎn)常閉觸點(diǎn)

接觸器：

JC工作原理：同繼電器相同，區(qū)別在于接觸器的觸點(diǎn)用來(lái)通斷較大的電流（由于通斷大電流時(shí)產(chǎn)生電弧，為避免電弧燒壞觸點(diǎn)），且?guī)в袦缁≌?。線(xiàn)圈失電，觸點(diǎn)處于自然狀態(tài)，常開(kāi)主觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)，常閉輔助觸點(diǎn)閉合。

線(xiàn)圈得電，觸點(diǎn)動(dòng)作，常開(kāi)主觸點(diǎn)閉合，常開(kāi)輔助觸點(diǎn)閉合，常閉輔助觸點(diǎn)斷開(kāi)。

接觸器常用于電機(jī)等大電流控制電路，主觸點(diǎn)用于控制主電路的通斷，用于大電流的場(chǎng)合。輔助觸點(diǎn)用于控制電路，可用輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自保、互鎖、或了解接觸器狀態(tài)等。

接觸器在控制電路中為輸出元件。

例：開(kāi)關(guān)控制接觸器，接觸器控制電機(jī)

繼電器的邏輯運(yùn)算：與運(yùn)算：在繼電器電路中，常用Z表示結(jié)果：繼電器線(xiàn)圈，得電為1；X，K表示原因：觸點(diǎn)接通為1。Z3=X1●X2

與邏輯：觸點(diǎn)串聯(lián)。2.2.2或運(yùn)算

跟與運(yùn)算對(duì)應(yīng)，在幾個(gè)條件中，只要有一個(gè)條件成立，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)果，稱(chēng)為或運(yùn)算。

或邏輯表現(xiàn)為觸點(diǎn)并聯(lián)。

Z3=X1+X22.2.3反運(yùn)算用常閉觸點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)反邏輯。

K1閉合，Z2線(xiàn)圈得電。Z2常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，Z3線(xiàn)圈失電。

Z2=K1Z3=Z2=K1按鈕AN：

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要人工干預(yù)，如啟動(dòng)/停止機(jī)器，此命令常由操作人員發(fā)出，做成手動(dòng)。

結(jié)構(gòu)原理與電氣符號(hào)：按鈕對(duì)控制系統(tǒng)而言屬輸入元件記憶/自保電路

例：一電機(jī)控制電路：設(shè)有兩個(gè)按扭，一個(gè)按扭控制起動(dòng)，一個(gè)按扭使電機(jī)停止。主電路設(shè)計(jì)：

控制電路設(shè)計(jì)：

停止優(yōu)先啟動(dòng)優(yōu)先控制電路起動(dòng)/停止優(yōu)先是指同時(shí)按下QA，TA時(shí)誰(shuí)有效的問(wèn)題。

停止優(yōu)先啟動(dòng)優(yōu)先控制電路設(shè)計(jì)自保電路的目的：由于QA按扭是一個(gè)短信號(hào)，要使JC長(zhǎng)時(shí)間得電是不可能的，只有利用JC的觸點(diǎn)構(gòu)成自鎖回路，保證在QA斷開(kāi)時(shí)JC仍能得電。TA用以解除自鎖/自保。

3．熱繼電器1)結(jié)構(gòu)與符號(hào)

2）工作原理A、B為兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬塊，A熱膨脹系數(shù)比B大。當(dāng)線(xiàn)圈通過(guò)主電路電流時(shí)，線(xiàn)圈發(fā)熱，使A、B向下彎曲，線(xiàn)圈電流達(dá)到某一值時(shí)，將使常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。

3)用途

用于主電路過(guò)電流保護(hù)，相當(dāng)于過(guò)電流傳感器。其線(xiàn)圈接在主電路中，觸點(diǎn)輸出信號(hào)給控制系統(tǒng)。

例：電機(jī)啟停電路的保護(hù)行程開(kāi)關(guān)XK：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的位置，又常稱(chēng)為限位開(kāi)關(guān)、位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)等，如圖中控制小車(chē)自動(dòng)來(lái)回運(yùn)動(dòng)的兩側(cè)行程開(kāi)關(guān)。

工作原理類(lèi)似按鈕。

行程開(kāi)關(guān)與按鈕不同處在于：按鈕手動(dòng)，行程開(kāi)關(guān)靠物體碰擊使觸點(diǎn)動(dòng)作。

為提高可靠性，現(xiàn)代設(shè)備上常采用無(wú)觸點(diǎn)電器，如運(yùn)用光電原理、電磁感應(yīng)原理制成的無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)。電器符號(hào)：行程開(kāi)關(guān)屬輸入元件。

永磁式干簧繼電器作用：常用作行程開(kāi)關(guān)，符號(hào)同XK。行程控制與物體位置/運(yùn)動(dòng)有關(guān)的控制例：有一送料小車(chē)在甲乙兩地作往返運(yùn)動(dòng)。如圖：要求小車(chē)在任意位置可向任一方向起動(dòng)，一經(jīng)起動(dòng)，小車(chē)即在甲乙兩地不斷地自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)，需要停止則按一下停止按扭即可。主電路：當(dāng)接觸器JC1閉合，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車(chē)從甲地到乙地。

當(dāng)接觸器JC2閉合，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，小車(chē)從乙地到甲地。（顯然JC1、JC2不能同時(shí)閉合，否則燒保險(xiǎn)）主電路：控制電路：控制電路：驗(yàn)證：可采用表格

初態(tài)QA1JC1XK2JC1JC2XK1JC2JC1JC101

0

11JC200

1

0

0設(shè)計(jì)小結(jié)：

1、電機(jī)起停、正/反轉(zhuǎn)主電路

電機(jī)起停主電路正/反轉(zhuǎn)主電路2、添加必要的自保電路

、互鎖電路3、繼電器線(xiàn)圈得電條件為開(kāi)始時(shí)有電：向右正轉(zhuǎn)JC1閉合的條件：起動(dòng)按扭QA右或XK1閉合。左邊、并聯(lián)、常開(kāi)4、繼電器線(xiàn)圈失電條件—開(kāi)始無(wú)電：

向右正轉(zhuǎn)JC1斷開(kāi)的條件：到達(dá)乙地。中間、串聯(lián)、常閉向左正轉(zhuǎn)JC2的條件同理。5要設(shè)定必要的禁止措施禁止，指一動(dòng)作有效，則另一動(dòng)作無(wú)效。

上例，XK1、XK2外側(cè)應(yīng)加X(jué)K3、XK4，當(dāng)XK1、XK2失靈時(shí)XK3、XK4動(dòng)作使電機(jī)停止并反轉(zhuǎn)退回。XK3XK4XK3XK4例：有一送料小車(chē)在甲、乙、丙之間往返，如圖：要求：小車(chē)輪流將料從甲地送往乙地或丙地。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)此電路要求小車(chē)能記住小車(chē)上一次將料送往乙地或丙地，從而決定下一次將料送往何地，為此需設(shè)計(jì)有記憶電路單元。標(biāo)志設(shè)定要滿(mǎn)足：正確性、唯一性

Z1：得電：XK2失電：Z2（考慮停止優(yōu)先）

Z2：得電：XK3

失電：XK1JC1：得電：XK1、QA1

失電：XK2（Z1有電不停），XK3JC2：得電：XK2(考慮到互鎖)、QA2，XK3失電：XK1

Z1：得電：XK2失電：Z2（考慮停止優(yōu)先）

Z2：得電：XK3

失電：XK1JC1：得電：XK1、QA1

失電：XK2（Z1有電不停），XK3JC2：得電：XK2(考慮到互鎖)、QA2，XK3失電：XK1

小結(jié)：繼電器線(xiàn)圈得電條件：左邊、并聯(lián)、常開(kāi)繼電器線(xiàn)圈失電條件：中間、串聯(lián)、常閉

初態(tài)QA1JC1XK2JC1Z1JC2XK1JC2JC1XK3JC1Z2JC2Z1XK2XK1JC101

0

1

0

JC20

1

0

1

Z10

1

0

Z20

1

思考題：1、二/三工位能否自啟動(dòng)

2、四工位小車(chē)4．時(shí)間繼電器

1

1)原理結(jié)構(gòu)與繼電器類(lèi)似，只是采用各種辦法使銜鐵在線(xiàn)圈通電或斷電瞬間不能立即吸合或不能立即釋放。常采用的辦法有：電子充放電式、短路銅套渦流式、氣囊式等。

2)符號(hào)

3)時(shí)序?qū)嵕€(xiàn)為時(shí)間繼電器時(shí)序，虛線(xiàn)為繼電器時(shí)序

2.2.10定時(shí)控制

與時(shí)間有關(guān)的控制有一生產(chǎn)流水線(xiàn)，有下料機(jī)和皮帶運(yùn)輸機(jī)的組合。為不引起堆積材料及事故，要求起動(dòng)時(shí)皮帶運(yùn)輸機(jī)D2先啟動(dòng)，下料機(jī)D1過(guò)5秒后啟動(dòng)；而停機(jī)時(shí)要求相反，即下料機(jī)D1先停，皮帶運(yùn)輸機(jī)D2后停。例：QA為起動(dòng)按扭；TA為停止按扭；JC1為電機(jī)D1接觸器；JC2為電機(jī)D2接觸器。

Z1為啟動(dòng)過(guò)程標(biāo)志：從按下啟動(dòng)按鈕，D2啟動(dòng)，過(guò)5秒后D1啟動(dòng)；Z2為停止過(guò)程標(biāo)志：從按下停止按鈕，D1停止，過(guò)3秒后D2停止；YS1為延時(shí)閉合繼電器，延時(shí)起動(dòng)D1；YS2為延時(shí)釋放繼電器，延時(shí)斷開(kāi)D2。1、主電路：電機(jī)啟動(dòng)停止電路2個(gè)，分別控制電機(jī)D1、D2

CTQAZ1JC25SYS1JC1Z1YS1TAZ2JC13SYS2JC2Z2JC10

1

1

0

0JC20

1

1

0

0Z101

0

0

0Z20

01

00YS10

1

00

0YS20

0

1

02.2.13復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可利用真值表和卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)。上面我們介紹了繼電器控制系統(tǒng)幾種典型連接和應(yīng)注意的事項(xiàng)，由此可以通過(guò)由簡(jiǎn)到繁，積累經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)行一般電器控制電路的設(shè)計(jì)工作。由于PLC是仿繼電器研制出來(lái)的產(chǎn)品，繼電器設(shè)計(jì)是PLC的基礎(chǔ)。希望讀者能較好大掌握。同時(shí)也提醒讀者，大多簡(jiǎn)單的設(shè)備并非PLC控制不可，用繼電器控制成本可能更低一些。繼電器控制系統(tǒng)的弊端：1)可靠性差、壽命短、故障率高對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如果某一繼電器損壞，甚至一個(gè)繼電器的觸點(diǎn)接觸不良，都會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2)修理難當(dāng)系統(tǒng)龐大而復(fù)雜時(shí)，查找和排除故障往往是非常困難的，有時(shí)可能要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。3)更新?lián)Q代難如果生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，控制柜的元件和接線(xiàn)也需要作相應(yīng)的變動(dòng)。但是這種改造工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，以至于有的用戶(hù)寧愿扔掉舊的控制柜，另外制作一臺(tái)新的控制柜。還有設(shè)備體積大、耗電多、運(yùn)行速度不高、通用性、靈活性差等缺點(diǎn)?，F(xiàn)代社會(huì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)要求生產(chǎn)廠家對(duì)市場(chǎng)的需求作出迅速的反映，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品。老式的繼電器控制系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足這一要求，迫使人們?nèi)で笠环N新的控制裝置來(lái)取代老式的繼電器控制系統(tǒng)。如60年代的小型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等，但由于成本高、編程技術(shù)復(fù)雜、I/O電路不匹配等原因，未能得到推廣應(yīng)用。

1.1.2可編程控制器想法的提出1968年美國(guó)通用汽車(chē)公司（GM）為了適應(yīng)汽車(chē)型號(hào)不斷翻新，想尋找一種方法，盡可能減少重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)和接線(xiàn)，降低成本，縮短時(shí)間，設(shè)想把計(jì)算機(jī)功能完備、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易懂、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，制成一種通用的控制裝置。并把計(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方式加以簡(jiǎn)化，用面向控制過(guò)程、面向用戶(hù)的“自然語(yǔ)言”編程，使不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便使用。這樣，使用人員不必在編程上花費(fèi)大量的精力，而是集中力量去考慮如何發(fā)揮該裝置的功能和作用。

通用汽車(chē)公司制定10項(xiàng)招標(biāo)的技術(shù)要求：編程簡(jiǎn)單方便，可在現(xiàn)場(chǎng)修改程序。硬件維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)?？煽啃砸哂诶^電器控制裝置。體積小于繼電器控制裝置?？蓪?shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)。成本上可與繼電器控制裝置競(jìng)爭(zhēng)。輸入可以是交流115V。

輸出為交流115V，2A以上，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥。擴(kuò)展時(shí)，原有系統(tǒng)只需做很小的改動(dòng)。用戶(hù)程序存儲(chǔ)器容量至少可以擴(kuò)展到4KB。美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DEC）率先響應(yīng)，于1969年研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在GM公司的汽車(chē)自動(dòng)裝配線(xiàn)上首次應(yīng)用，獲得成功。從此這項(xiàng)新技術(shù)就迅速發(fā)展起來(lái)。

1971年日本從美國(guó)引進(jìn)技術(shù)，很快就研制出日本第一臺(tái)可編程控制器。

1973年西歐也相繼研制出他們的第一臺(tái)可編程控制器并在工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。

我國(guó)1974年開(kāi)始研制，1977年開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用。1.1.3可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程1.1.4可編程控制器的蓬勃發(fā)展可編程控制器技術(shù)上由剛開(kāi)始的分立元件和小規(guī)模集成電路，到使用微處理器，使它的體積更小、功能增強(qiáng)、價(jià)格更便宜，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)字運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)動(dòng)控制、模擬量控制、聯(lián)網(wǎng)通訊等功能，并可采用高級(jí)語(yǔ)言編程，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，可編程控制器已廣泛應(yīng)用于所有的工業(yè)部門(mén)，成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的四大主要支柱之一。

（PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)）1.1.5PLC定義早期的可編程控制器在功能上以微處理器模擬繼電器運(yùn)行，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制，故被稱(chēng)為可編程序邏輯控制器ProgrammableLogicController。隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能越來(lái)越強(qiáng)大，不僅可進(jìn)行邏輯控制，而且還可進(jìn)行模擬量控制，故美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)NationalElectricalManufacturersAssociation（NEMA）于1980年正式命名為可編程控制器ProgrammableController，即PC。

近年來(lái)由于個(gè)人電腦PersonalComputer（PC）的迅速普及，為了區(qū)別，現(xiàn)在也常把可編程控制器稱(chēng)為PLC。

1.1.6PLC的定義

1）美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)NEMA給PLC的定義為：

PLC是一種數(shù)字式的電子裝置，它使用了可編程序的存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)指令，能完成邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能，用于控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。2）國(guó)際電工委員會(huì)IEC給PLC作了如下定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。

1.2PLC的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1.2.1可編程控制器的主要特點(diǎn)1．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)可靠性是選擇控制裝置的首要條件，平均無(wú)故障時(shí)間幾十萬(wàn)小時(shí)（10年=87600小時(shí)）

為了滿(mǎn)足PLC專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的要求，電磁干擾、超高溫、超低溫、過(guò)電壓、欠電壓等暫時(shí)性故障和元件損壞引起的硬故障。PLC采用了如下硬件和軟件措施：(1)光電耦合隔離和RC濾波器，有效地防止了各類(lèi)電磁干擾信號(hào)的進(jìn)入。(2)采用內(nèi)部電磁屏蔽，防止輻射干擾。(3)采用優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源，防止電源線(xiàn)引入的干擾。(4)采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成，避免觸頭拉弧，接觸不良等故障。(5)具有良好的自診斷功能?？梢詫?duì)CPU等內(nèi)部電路進(jìn)行檢測(cè)，一旦出錯(cuò)，立即報(bào)警。(6)對(duì)程序及有關(guān)數(shù)據(jù)用電池供電進(jìn)行后備，一旦電源斷電或運(yùn)行停止，有關(guān)狀態(tài)及信息不會(huì)丟失。(7)對(duì)采用的器件都進(jìn)行嚴(yán)格篩選和老化處理，排除了因器件可靠性問(wèn)題而造成的故障。(8)采用了冗余技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)可編程控制器的可靠性。對(duì)于大型的PLC，采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或三CPU構(gòu)成表決式系統(tǒng)。2、功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣不僅可實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還可進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能?，F(xiàn)代PLC還具有通訊聯(lián)網(wǎng)，可與上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

3、PLC產(chǎn)品系列化、模塊化，品種齊全，可滿(mǎn)足各種控制要求的控制系統(tǒng)

4、編程簡(jiǎn)單，容易掌握5、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、安裝和維修工作量少,系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短采用與繼電