作者：华满香,刘小春
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
电气控制与PLC应用(第4版)试读：
内容提要
本书是项目式教学的特色教材，每个项目都以实际工程案例引入，由浅入深地讲述相关理论知识和实际应用案例。全书共分为两大部分：第一部分为电气控制，主要讲述了电动机正反转控制、Z3050型摇臂钻床电气控制、卧式镗床及磨床电气控制、铣床电气控制和桥式起重机电气控制；第二部分是PLC应用，主要讲述了工作台自动往返PLC控制系统、昼夜报时器PLC控制系统、全自动洗衣机PLC控制系统、广告牌循环彩灯PLC控制系统和综合控制系统。
本书既可作为高等职业技术学院、高等专科学校、职工大学的电气自动化技术、数控技术与应用、机电一体化、电气化铁道技术、电机电器、应用电子类专业相关课程的教材，也可供工程技术人员参考学习使用。
第4版前言
本书是根据学生毕业后所从事职业的实际需要，确定学生应具备的知识能力结构，将理论知识和应用技能整合在一起，形成的以就业为导向的项目式教学的教材。
1.本书特点（1）采用模块化结构，利用项目的形式编写，内容紧密联系工程实际，将知识点贯穿于项目中。（2）在内容的安排上，理论力求简明扼要，难易适中，加强实践内容，突出针对性、实用性和先进性。全书内容尽可能多地利用图片或现场照片，做到图文并茂，以增强直观效果。（3）本书的各个项目选自生产现场，每个项目的编写完整简洁，不仅有完整的硬件设计、软件设计，还有详细的调试过程。
2.修订内容
本书在第3版的基础上修订，主要修订内容如下。（1）增加了微课内容，书中的大部分关键知识点都配置了5分钟左右的教学视频（即微课），微课突出了课堂教学中的某个重要知识点，且视频内容简短精悍、直观、方便，只要用手机扫描书中的二维码，就可立即观看学习，不需要下载、保存等操作，更有助于学生理解和学习课堂知识。（2）根据实用性、先进性和综合性的原则，拓展知识点，增加了3个综合型应用案例，在第二部分 PLC应用项目九中增加了“西门子 S7-200 PID 指令在电炉温度控制中的应用”综合案例，在项目十中增加了“西门子 S7-200系列 PLC 在伺服控制系统中的综合应用”和“西门子 S7-200系列 PLC在水箱水位控制中的综合应用”两个综合案例。（3）修改了原书中的错误和说法不妥之处，优化各项目内容的细节，重新规范了图纸。
本书建议总课时为98课时（包括实训内容）。其中，电气控制部分50课时，PLC 应用部分48课时。具体课时分配如下。续表
本书由湖南铁道职业技术学院华满香和刘小春任主编；淄博职业学院马登良、重庆公共运输职业学院王德春、湖南铁道职业技术学院张彦宇和李庆梅、天津冶金职业技术学院李蕊任副主编；湖南铁道职业技术学院王玺珍、淄博职业学院谭文、湖南铁道职业技术学院陈庆参编。其中，项目一和项目三由李庆梅编写，项目二由王玺珍编写，项目四由王玺珍和王德春编写，项目五由张彦宇编写，项目六由华满香编写，项目七由华满香和李蕊编写，项目八和项目九由刘小春编写，项目十由马登良、谭文、陈庆编写。
本书在编写过程中，参阅了许多同行专家们的论著文献，同时深圳科莱德公司提供了EAPS100柔性生产加工系统的设备和大量资料，曹修兵和谭宝康给予了充分的技术支持，这些使我们的综合控制系统能够现场调试成功，湖南铁道职业技术学院张莹提出了很多宝贵意见，在此一并表示真诚的感谢。
由于编者的学识水平和实践经验有限，书中疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编者2018年6月
第一部分 电气控制
项目一 电动机正反转控制
项目二 Z3050型摇臂钻床电气控制
项目三 卧式镗床及磨床电气控制
项目四 铣床电气控制
项目五 桥式起重机电气控制项目一 电动机正反转控制学习目标
1.熟悉低压电器的结构、工作原理、型号、规格、正确选择、使用方法及其在控制线路的作用。
2.能识读相关电气原理图和安装图。
3.会安装调试交流电动机正反转控制线路及联锁控制线路。
4.会安装与检修CA6140型车床电气控制线路。
5.了解电力拖动控制线路常见故障及其排除方法。
6.了解现代低压电器的应用及发展。
一、项目简述
在工农业生产中，要求机械的运动部件能实现正反两个方向运动，这就要求拖动电动机能正反向旋转。例如，铣床加工工作台的左右、前后和上下运动，起重机的上升与下降运动等，可以采用机械控制、电气控制和机械电气混合控制的方法来实现。当采用电气控制的方法实现时，电动机就能实现正反转控制。从电动机的原理可知，改变电动机三相电源的相序，即可改变电动机的旋转方向，而改变三相电源的相序只需任意调换电源的两根进线，如图 1-1所示。
合上开关“QS”，按下起动按钮“SB2”，电动机正转；按下停止按钮“SB1”，电动机停止；按下反转起动按钮“SB3”，电动机反转。
本项目涉及低压电器（包括刀开关、熔断器、按钮开关、交流接触器、热继电器等），电气识图及绘图标准，电动机的点动、连续控制及正反转控制电路等内容。
低压电器种类很多，分类方法也很多。按操作方式可分为手动操作方式和自动切换电器方式：手动操作方式主要是用手直接操作来进行切换；自动切换电器方式是依靠电器本身参数的变化或外来信号的作用来自动完成接通或分断等动作。按用途可分为低压配电电器和低压控制电器两大类：低压配电电器是指在正常或事故状态下，接通和断开用电设备和供电电网所用的电器；低压控制电器是指电动机完成生产机械要求的起动、调速、反转和停止所用的电器。图1-1 电动机正反转控制电路
二、电气控制器件相关知识
（一）按钮、刀开关1.按钮
按钮开关（简称按钮）是一种用人力（一般为手指或手掌）操作，并具有储能（弹簧）复位的一种控制开关。按钮的触点允许通过的电流较小，一般不超过5 A，因此一般情况下不直接控制主电路，而是在控制电路中发出指令或信号去控制接触器、继电器等电器，再由它们去控制主电路的通断、功能转换或电气联锁等。（1）结构。按钮开关一般由按钮帽、复位弹簧、桥式常闭触点、常开触点、支柱连杆及外壳等部分组成。按钮的外形、结构与符号如图1-2所示。图1-2中的按钮是一个复合按钮，工作时常开和常闭触点是联动的。当按钮被按下时，常闭触点先动作，常开触点随后动作；而松开按钮时，常开触点先动作，常闭触点再动作。也就是说，两种触点在改变工作状态时，先后有个时间差，尽管这个时间差很短，但在分析线路控制过程时应特别注意。图1-2 按钮开关的外形、结构与符号（2）型号。按钮型号说明如下。
其中，结构形式代号的含义是：K—开起式，适用于嵌装在操作面板上；H—保护式，带保护外壳，可防止内部零件受机械损伤或人偶然触及带电部分；S—防水式，具有密封外壳，可防止雨水侵入；F—防腐式，能防止腐蚀性气体进入；J—紧急式，作紧急切断电源用；X—旋钮式，用旋钮旋转进行操作，有通和断两个位置；Y—钥匙操作式，用钥匙插入进行操作，可防止误操作或供专人操作；D—光标按钮，按钮内装有信号灯，兼作信号指示。
按钮开关的结构形式有多种，适合于许多场合。为了便于操作人员识别，避免发生误操作，生产中用不同的颜色和符号标志来区分按钮的功能及作用。紧急式—装有红色突出在外的蘑菇形钮帽，以便紧急操作；旋钮式—用手旋转进行操作；指示灯式—在透明的按钮内装入信号灯，以作信号指示；钥匙式—为使用安全起见，须用钥匙插入才能旋转操作。按钮的颜色有红、绿、黑、黄、白、蓝等，供不同场合选用。一般以红色表示停止按钮，绿色表示起动按钮。常见按钮外形如图1-3所示。图1-3 常用按钮外形（3）按钮的选用。选择按钮的基本原则如下。
① 根据使用场合和具体用途选择按钮的种类，如嵌装在操作面板上的按钮可选用开起式。
② 根据工作状态指示和工作情况要求选择按钮或指示灯的颜色，如起动按钮可选用绿色、白色或黑色。
③ 根据控制回路的需要选择按钮的数量，如单联钮、双联钮和三联钮等。
2.刀开关
刀开关又称闸刀开关，是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器。在低压电路中，用作不频繁接通和分断电路，或用来将电路与电源隔离。
图1-4所示为刀开关的典型结构。刀开关由操作手柄、触刀、静插座和绝缘底板组成。推动手柄可以实现触刀插入插座与脱离插座的控制，以达到接通电路和分断电路的目的。图1-4 刀开关的典型结构
刀开关的种类很多，按刀的极数可分为单极、双极和三极，其图形符号如图1-5所示。按刀的转换方向可分为单掷和双掷；按灭弧情况可分为带灭弧罩和不带灭弧罩；按接线方式可分为板前接线式和板后接线式。下面只介绍由刀开关和熔断器组合而成的负荷开关。负荷开关分为开起式负荷开关和封闭式负荷开关两种。图1-5 刀开关的符号（1）开起式负荷开关。开起式负荷开关又称为瓷底胶盖刀开关，简称闸刀开关。生产中常用的是HK系列开起式负荷开关，适用于照明和小容量电动机控制，供手动不频繁地接通和分断电路，并起短路保护作用。
开启式负荷开关的结构及在电路图中的图形符号如图1-6所示。图1-6 HK系列开启式负荷开关
其型号含义说明如下。（2）封闭式负荷开关。封闭式负荷开关是在开起式负荷开关的基础上改进设计的一种开关，可用于手动不频繁地接通和断开带负载的电路，以及作为线路末端的短路保护，也可用于控制15kW以下的交流电动机不频繁的直接起动和停止。
常用的封闭式负荷开关有 HH3、HH4系列，其中，HH4系列为全国统一设计产品，结构如图1-7所示。它主要由触点灭弧系统、熔断器及操作机构3部分组成。动触刀固定在一根绝缘方轴上，由手柄完成分、合闸的操作。在操作机构中，手柄转轴与底座之间装有速动弹簧，使刀开关的接通与断开速度与手柄操作速度无关。封闭式负荷开关的操作机构有两个特点：一是采用了储能合闸方式，利用一根弹簧使开关的分合速度与手柄操作速度无关，既改善了开关的灭弧性能，又能防止触点停滞在中间位置，从而提高开关的通断能力，延长其使用寿命；二是操作机构上装有机械联锁，可以保证开关合闸时不能打开防护铁盖，而当打开防护铁盖时，不能将开关合闸。图1-7 HH4系列封闭式负荷开关
封闭式负荷开关在电路图中的符号与开起式负荷开关相同。
其型号含义说明如下。（3）刀开关的选用及安装注意事项。
① 选用刀开关时，首先根据刀开关的用途和安装位置选择合适的型号和操作方式，然后根据控制对象的类型和大小，计算出相应负载电流大小，选择相应额定电流的刀开关。
用于控制照明电路时，可选用额定电压为220 V 或250 V、额定电流等于或大于电路最大工作电流的双极开关；用于控制电动机时，可选用额定电压为380 V 或500 V、额定电流等于或大于电动机额定电流3倍的三极刀开关。
② 刀开关在安装时必须垂直安装，以使闭合操作时的手柄操作方向从下向上合，不允许平装或倒装，以防误合闸；电源进线应接在静触点一边的进线座上，负载接在动触点一边的出线座上；在分闸和合闸操作时，应动作迅速，使电弧尽快熄灭。（二）接触器
接触器是一种能频繁地接通和断开远距离用电设备主回路及其他大容量用电回路的自动控制装置，分为交流和直流两类，控制对象主要是电动机、电热设备、电焊机及电容器组等。
1.交流接触器的结构、原理
交流接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧装置及辅助部件等组成。CJ10-20型交流接触器的结构如图1-8所示。图1-8 交流接触器的结构（1）电磁系统。交流接触器的电磁系统主要由线圈、铁芯（静铁芯）和衔铁（动铁芯）3个部分组成。其作用是利用电磁线圈的通电或断电，使衔铁和静铁芯吸合或释放，从而带动动触点与静触点闭合或分断，实现接通或断开电路的目的。
交流接触器在运行过程中，线圈中通入的交流电在铁芯中产生交变的磁通，因此铁芯与衔铁间的吸力也是变化的，这会使衔铁产生震动并发出噪声。为消除这一现象，在交流接触器铁芯和衔铁的两个不同端部各开一个槽，槽内嵌装一个用铜、康铜或镍铬合金材料制成的短路环，又称减震环或分磁环，如图1-9（a）所示。铁芯装短路环后，11当线圈通以交流电时，线圈电流产生磁通Φ。Φ一部分穿过短路环，2在环中产生感生电流，进而会产生一个磁通Φ。由电磁感应定律可121212知，Φ和Φ的相位不同，即Φ和Φ不同时为零，则由Φ和Φ产生的12电磁吸力F和F不同时为零，如图1-9（b）所示。这就保证了铁芯与衔铁在任何时刻都有吸力，衔铁将始终被吸住，震动和噪声会显著减小。图1-9 加短路环后的磁通和电磁吸力（2）触点系统。触点系统包括主触点和辅助触点。主触点用于控制电流较大的主电路，一般由3对接触面较大的常开触点组成。辅助触点用于控制电流较小的控制电路，一般由两对常开触点和两对常闭触点组成。触点的常开和常闭是指电磁系统没有通电动作时触点的状态。因此常闭触点和常开触点有时又分别被称为动断触点和动合触点。工作时常开触点和常闭触点是联动的。当线圈通电时，常闭触点先断开，常开触点随后闭合；而线圈断电时，常开触点先恢复断开，随后常闭触点恢复闭合，也就是说，两种触点在改变工作状态时，先后有个时间差。尽管这个时间差很短，但在分析线路控制过程时应特别注意。
触点按接触情况可分为点接触式、线接触式和面接触式3种，如图1-10所示。按触点的结构形式划分，有桥式触点和指形触点两种，如图1-11所示。图1-10 触点的3种接触形式图1-11 触点的结构形式
CJ10系列交流接触器的触点一般采用双断点桥式触点。（3）灭弧装置。交流接触器在断开大电流或高电压电路时，在动、静触点之间会产生很强的电弧。电弧的产生，一方面会灼伤触点，减少触点的使用寿命；另一方面会使电路切断时间延长，甚至造成弧光短路或引起火灾事故。容量在10 A以上的接触器中都装有灭弧装置。在交流接触器中常用的灭弧方法有双断口电动力灭弧、纵缝灭弧、栅片灭弧等。直流接触器因直流电弧不存在自然过零点熄灭特性，因此只能靠拉长电弧和冷却电弧来灭弧，一般采取磁吹式灭弧装置来灭弧。（4）辅助部件。交流接触器的辅助部件有反作用弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、传动机构及底座、接线柱等。反作用弹簧的作用是线圈断电后，推动衔铁释放，使各触点恢复原状态。缓冲弹簧的作用是缓冲衔铁在吸合时对静铁芯和外壳的冲击力。触点压力弹簧的作用是增加动、静触点间的压力，从而增大接触面积，以减小接触电阻。传动机构的作用是在衔铁或反作用弹簧的作用下，带动动触点实现与静触点的接通或分断。微课1-1 交流接触器的拆卸微课1-2 交流接触器触点压力弹簧的安装微课1-3 交流接触器的安装
2.接触器的主要技术参数（1）额定电压。接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压。通常用的电压等级如下。
直流接触器：110 V、220 V、440 V、660 V等。
交流接触器：127 V、220 V、380 V、500 V等。
如果某负载是380 V的三相感应电动机，则应选380 V的交流接触器。（2）额定电流。接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流。通常用的电流等级如下。
直流接触器：25 A、40 A、60 A、100 A、250 A、400 A、600 A。
交流接触器：5 A、10 A、20 A、40 A、60 A、100 A、150 A、250 A、400 A、600 A。（3）线圈的额定电压。通常用的电压等级如下。
直流线圈：24 V、48 V、220 V、440 V。
交流线圈：36 V、127 V、220 V、380 V。（4）动作值。动作值是指接触器的吸合电压与释放电压。国家标准规定接触器在额定电压85%以上时，应可靠吸合，释放电压不高于额定电压的70%。（5）接通与分断能力。接通与分断能力是指接触器的主触点在规定的条件下，能可靠地接通和分断的电流值，而不应该发生熔焊、飞弧和过分磨损等现象。（6）额定操作频率。额定操作频率是指每小时接通次数。交流接触器最高为600次/小时；直流接触器可高达1 200次/小时。
3.接触器的型号及电路图中的符号（1）接触器的型号。接触器的型号说明如下。
例如，CJ12T-250的含义为 CJ12T 系列接触器，额定电流为250 A，主触点为三级；CZ0-100/20表示CZ0系列直流接触器，额定电流为100 A，双极常开主触点。（2）交流接触器在电路图中的符号。交流接触器在电路图中的图形符号如图1-12所示。
4.接触器的选用
① 根据控制对象所用电源类型选择接触器类型，一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，当直流负载容量较小时，也可选用交流接触器，但交流接触器的额定电流应适当选大一些。
② 所选接触器主触点的额定电压应大于或等于控制线路的额定电压。
③ 应根据控制对象的类型和使用场合，合理选择接触器主触点的额定电流。控制电阻性负载时，主触点的额定电流应等于负载的额定电流。控制电动机时，主触点的额定电流应大于或稍大于电动机的额定电流。当接触器使用在频繁起动、制动及正反转的场合时，应将主触点的额定电流降低一个等级使用。
④ 选择接触器线圈的电压。当控制线路简单并且使用电器较少时，应根据电源等级选用380 V或220 V的电压。当线路复杂时，从人身和设备安全角度考虑，可以选择36 V或110 V电压的线圈，增加相应变压器设备。
⑤ 根据控制线路的要求，合理选择接触器的触点数量及类型。图1-12 接触器的符号微课1-4 按钮、刀开关、接触器的工作原理（三）中间继电器
中间继电器实质上是一个电压线圈继电器，用来增加控制电路中的信号数量或将信号放大。其输入信号是线圈的通电和断电，输出信号是触点的动作。它具有触点多，触点容量大，动作灵敏等特点。由于触点的数量较多，因此用来控制多个元件或回路。
1.工作原理及选择
中间继电器的结构及工作原理与接触器基本相同，但中间继电器的触点对数多，且没有主辅之分，各对触点允许通过的电流大小相同，多数为5 A。因此，对于工作电流小于5 A的电气控制线路，可用中间继电器代替接触器实施控制。JZ7系列为交流中间继电器，其结构如图1-13（a）所示。
JZ7系列中间继电器采用立体布置，由动铁芯、静铁芯、短路环、线圈、触点系统、反作用弹簧、复位弹簧和缓冲弹簧等组成。触点采用双断点桥式结构，上下两层各有4对触点，下层触点只能是动合触点，故触点系统可按8动合触点，6动合触点、2动断触点及4动合触点、4动断触点组合。继电器线圈额定电压有12 V、36 V、110 V、220 V、380 V等。
JZ14系列中间继电器有交流操作和直流操作两种，该系列继电器带有透明外罩，可防止尘埃进入内部而影响工作的可靠性。
中间继电器主要依据被控制电路的电压等级、所需触点的数量、种类和容量等来选用。
2.型号
中间继电器的型号如下。
中间继电器在电路图中的符号如图1-13（b）所示。图1-13 JZ7系列中间继电器（四）热继电器
热继电器是利用流过继电器的电流产生的热效应而反时限动作的继电器。反时限动作是指热继电器动作时间随电流的增大而减小的性能。热继电器主要用于保护电动机的过载、断相、三相电流不平衡运行及控制其他电气设备的发热状态。
1.热继电器的分类和型号
热继电器的形式有多种，其中双金属片式热继电器应用最多。按极数划分，热继电器可分为单极、两极和三极3种，其中三极的又包括带断相保护装置的和不带断相保护装置的；按复位方式划分，有自动复位式（触点动作后能自动返回原来位置）和手动复位式。目前常用的有国产的JR16、JR20等系列，以及国外的T系列和3UA等系列产品。
常用的JRS1系列和JR20系列热继电器的型号及含义说明如下。
2.工作原理
热继电器主要由加热元件、动作机构和复位机构3部分组成。动作系统常设有温度补偿装置，保证在一定的温度范围内，热继电器的动作特性基本不变。典型的热继电器结构及图形符号如图1-14所示。
在图1-14中，主双金属片2与加热元件3串接在接触器负载（电动机电源端）的主回路中，当电动机过载时，主双金属片受热弯曲推动导板4，并通过补偿双金属片5与推杆将触点9和6（即串接在接触器线圈回路的热继电器常闭触点）分开，以切断电路保护电动机。调节旋钮11是一个偏心轮。改变它的半径即可改变补偿双金属片5与导板4的接触距离，从而达到调节整定动作电流值的目的。此外，靠调节复位螺钉8来改变常开静触点7的位置，使热继电器具有自动复位或手动复位两种状态。调成手动复位时，在排除故障后要按下手动复位按钮10才能使动触点9恢复与常闭静触点6相接触的位置。图1-14 JR16系列热继电器外形结构及符号
热继电器的常闭触点常接入控制回路，常开触点可接入信号回路或 PLC 控制时的输入接口电路。
三相异步电动机的电源或绕组断相是导致电动机过热烧毁的主要原因之一，尤其是定子绕组采用△接法的电动机，必须采用三相结构带断相保护装置的热继电器实行断相保护。
3.热继电器的选用
选择热继电器主要根据所保护电动机的额定电流来确定热继电器的规格和热元件的电流等级。
根据电动机的额定电流选择热继电器的规格，一般情况下，应使热继电器的额定电流稍大于电动机的额定电流。
根据需要的整定电流值选择热元件的编号和电流等级。一般情况下，热继电器的整定值为电动机额定电流值的0.95～1.05倍。但是如果电动机拖动的负载用在冲击性负载或起动时间较长及拖动的设备不允许停电的场合，热继电器的整定值可取电动机额定电流的1.1～1.5倍。如果电动机的过载能力较差，热继电器的整定值可取电动机额定电流值的0.6～0.8倍。同时，整定电流应留有一定的上下限调整范围。
根据电动机定子绕组的连接方式选择热继电器的结构形式，即Y 形连接的电动机选用普通三相结构的热继电器，△接法的电动机应选用三相带断相保护装置的热继电器。
对于频繁正反转和频繁起制动工作的电动机，不宜采用热继电器来保护。微课1-5 按钮、接触器、中间继电器、热继电器简介（五）熔断器
熔断器是在控制系统中主要用作短路保护的电器，使用时串联在被保护的电路中，当电路发生短路故障，通过熔断器的电流达到或超过某一规定值时，以其自身产生的热量使熔体熔断，从而自动分断电路，起到保护作用。
1.熔断器的结构
熔断器主要由熔体（俗称熔丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。熔体由铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，常做成丝状、片状或栅状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。熔断器的外形、图形符号和文字符号如图1-15所示。图1-15 熔断器的外形、图形符号和文字符号
2.熔断器的分类和型号
熔断器按结构形式分为半封闭插入式、无填料封闭管式、有填料封闭管式、螺旋自复式等。其中，有填料封闭管式熔断器又分为刀形触点熔断器、螺栓连接熔断器和圆筒形帽熔断器。
熔断器型号说明如下。
常用熔断器型号有RC1A、RL1、RT0、RT15、RT16（NT）、RT18等，在选用时可根据使用场合酌情选择。常用熔断器的外形如图1-16所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]