电气控制与PLC技术教案常用低压电器.doc

第一章 常用低压电器授课章节0 绪论§1-1 低压电器的作用与分类 §1-2低压开关 周次第1周 总第1次课教学目的和要求1、明确本课程研究的对象和内容，及其在培养高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用；对控制工程学科的发展现状有所了解。2、掌握低压电器在工程中的作用与分类；掌握低压开关的选择原则和使用方法重点难点掌握本课程研究的对象及内容，熟练掌握低压电器在工程中的作用与低压开关的选择原则和使用方法。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注0 绪论一.课程的性质与任务本课程是一门实践性很强的专业必修课，本课程是在学习电机原理、电力拖动基础之后，并进行了电工基本技能技能实践的基础上进行讲授的，以使学生具有较牢固的基础理论知识和较强的感性认识。本课程的基本任务是：1、熟悉常用控制电器的基本结构、工作原理、用途及型号意义，达到正确使用和选用的目的。2、熟练掌握电气控制线路的基本环节，具有对一般电气控制线路的分析能力。3、熟悉典型生产设备电气控制系统，具有从事电气设备安装、调试、运行维护、处理故障的能力。4、具有设计和改进一般生产设备电气控制线路的能力。5、掌握可编程控制器的基本原理，能根据工艺过程和控制要求正确选用可编程控制器并完成程序设计，经调试用于生产过程的控制。二、电气控制与PLC技术课程研究的内容第一编 电气控制技术 第一章 常用低压电器（4学时）； 第二章 电气控制线路的基本控制（810学时）； 第三章 电气控制系统分析（810学时）； 第四章 电气控制系统的设计（68学时）。 第二编 PLC控制技术 第五章 可编程控制器概述（2学时）； 第六章 三菱FX2N可编程控制器及其基本指令的应用（810学时）； 第七章 FX2N可编程控制器步进指令及状态编程（8学时）； 第八章 FX2N可编程控制器应用指令及其编程（1012学时）；第九章控制系统设计与CC-Link工控网络技术（6学时）；第十章 OMRON可编程控制器及应用（4学时）；第三编 电气控制与PLC控制器技术实验与实训 第十一章 电气控制实验与实训（8学时）；第十二章PLC控制系统设计与仿真实验（8学时）；研究在进行具体的控制任务时电气设备的选型、组合、实现控制任务的系统控制方案的设计等问题。总括为两个方面：（1）传统的电气控制：介绍设备选用、单元控制电路、工厂典型电气控制分析与设计方法。（2）现代PLC控制：学习工控领域新的主流控制技术，探索根据工控需求从事电气控制设计的途径。三、如何进行本课程的学习1、掌握本课程的特点本课程集传统继电控制技术与现代PLC控制及工业网络技术为一体，电气控制中的多种技术的综合应用，充分表现了控制技术“强弱结合、软件硬件结合”的新思想、新理念。本课程而不是一些所学内容的简单重复和堆砌，要引导学生如何应用所学的控制方法解决工程实际中所遇到的问题。所以本课程的学习不同于理论课程的学习，也不同于其他专业课，而具有一定的理论系统性及逻辑性和较强的工程实践性的特点。课程特点：理论性（注重理解和运用、）实践性（多观察分析、注意动脑和动手）综合性（注意内在联系、掌握规律、训练技能）因此，在学习本课程时应注意掌握基本的概念、原理及设计的分析与综合的方法。2、注重理论联系实际本课程着重研究一般生产机械或生产过程控制的共性问题，即应用控制理论和方法分析和解决工程问题，课程的基本理论和方法是紧密为工程实际服务的。在学习中，以继电接触器控制为基础，提高PLC程序设计和PLC技术应用能力及其系统设计能力。了解目前工业自动化技术及PLC控制技术的发展动态，培养学生在工业自动化控制技术领域的分析能力和解决实际问题的设计能力，尤其是应用PLC的新技术对复杂的继电接触器系统实施改造的技术革新思想，可培养学生的创新意识和创新精神，为适应工业控制技术的发展和从事实际工作打下良好的基础。因此，在本课程的学习过程中，一方面要注意这些理论和方法在理论上建立和推演的严密性和逻辑性，另一方面更要注意这些理论和方法如何在工程实际中的应用。此外还应随时留意日常生活和生产中遇到的各种电气设备及应用，以丰富自己的感性认识；并用所学到的理论和方法认识分析这些电气设备、生产机械的工作原理及控制过程，以加深理解，使理论和实践相互促进。另外，实际工程控制问题都是涉及多方面的因素，其控制方法及控制原理图的设计可采用多种方法，其控制方案不是唯一的。这就要求设计者具有分析、判断、决策的能力，要养成综合分析、全面考虑问题的习惯和科学严谨、一丝不苟的工作作风。3、学习要求：课前预习、课堂作好笔记、课后复习总结；（注意多媒体的特点）课堂讨论、积极发言；作业及实验独立完成，根据其认真和完成程度评定成绩；利用答疑或其它形式主动提问，师生交流；总成绩的评定。四、工业自动控制的主流技术工厂电气设备各式各样，大多由电力拖动，且采用各种控制装置来实现对它的控制。按控制系统分，有断续控制、连续控制和计算机控制系统。本课以前两种控制系统及其设备为主，对在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的新型工业自动控制装置PLC控制技术、软起动技术、变频调速技术等设备作了详尽的介绍。 工业设备控制的起源：从人类使用电能开始，控制技术相伴而生。 （1820年以前的化学电能，1830年单相发电、1860年的二相制、1888年提出三相制，真正解决了动力问题，机械化和规模化的生产方式才得以实现并迅速得到发展。）随着机械化和生产方式规模化的发展与成熟，控制技术也得到了相应的发展和提升。实现工业自动控制的主流技术五、电气控制技术的发展 19世纪末，在生产机械的拖动系统中，电动机替代了蒸汽机，出现了电力拖动。在其初期，常以一台电动机拖动多台设备，或使一台机床的多个动作由一台电动机拖动，称为集中拖动。随着生产发展的需要，20世纪20年代电力拖动方式由集中拖动发展为单独拖动。为了进一步简化机械传动机构，更好地满足大型机械和精密机械的各部分对机械特性的不同要求，在30年代出现了多电动机拖动方式，机械的各部分分别采用不同的电动机拖动。这种多电动机拖动不仅简化了机械结构，使机械性能日趋完善，而且也为机械的自动化控制创造了良好的条件。此外，在生产过程中，要求对影响产品质量的各种参数能自动调整，这些都促使电气自动控制技术迅速发展。 在电力拖动方式的演变过程中，电力拖动的控制方式由手动控制逐步向自动控制方向发展。最初的自动控制是用数量不多的继电器、接触器及保护元件组成的继电接触器控制系统。这种控制具有使用的单一性，即一台控制装置只能针对某一种固定程序的设备，一旦程序有所变动，就得重新配线。而且这种控制的输入、输出信号只有通和断两种状态，因而这种控制是断续的，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。 为了使控制系统获得更好的静态和动态特性，完成更复杂的控制任务，常采用反馈控制系统。反馈控制系统是由连续控制元件组成，它不仅能反映信号的通和断，而且能反映信号的大小变化，这种由连续控制元件组成的反馈控制系统称为连续控制系统。用作连续控制的元件，以前普遍采用电机扩大机和磁放大器，随着半导体器件和晶闸管的发展，现在越来越多地采用晶闸管作为控制元件的晶闸管控制系统。60年代出现了一种能根据生产需要，方便地改变控制程序的顺序控制器。它是通过组合逻辑元件的插接或编程来实现继电接触器控制线路的装置，能满足程序经常改变的控制要求，使控制系统具有较大的灵活性，但仍使用硬件来实现且装置体积大，功能也受到一定的限制。70年代出现了用软件来实现实现各种控制功能以微处理器为核心的新型工业控制器可编程控制器。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，且调试和查错容易。它不仅取代了继电器、接触器为主的顺序控制器，而且广泛应用于大规模的生产过程控制，具有通用性强，程序可能性变，编程容易，可靠性高，使用维护方便等优点，故目前世界各国已作为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。 由于数控技术的发展和计算机技术的应用，电力拖动自动控制发展到了一个新水平，正向着生产过程自动化的方向发展。第一章 常用低压电器用来分合电路，以达到控制、调节和保护目的的电气设备称为电器。电器的种类繁多，通常可分为非自动电器和自动电器两类。非自动电器是由工作人员手动操作的，又称手动电器，如：刀开关、按钮、控制器等；自动电器是按照信号或某物理量的变化自动动作的，如：接触器、继电器、各种控制仪表等。本章介绍用于电力拖动自动控制的500V以下的常用低压电器，重点是常用低压电器的基本结构、工作原理、正确选择及合理使用、运行中的正确维护。§1-1 低压电器的作用与分类低压电器：电气工程上用于交流1200V、直流1500V级以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。 高压电器：交流1200V以上、直流1500V以上。一、电力拖动系统组成及作用主电路：由电动机、（接通、断开、控制电动机的）接触器主触点等电器元件组成，电流大。控制电路：由接触器线圈、继电器等电器元件组成，电流小。任务：根据给定的指令，依照自动控制系统的规律和具体的工艺要求对主电路进行控制。二、分类1、按操作方式分 手动电器：刀开关、按钮、转换开关以及不具备伺服电机操作的控制器。自动电器：低压断路器、接触器、继电器 2、按用途分低压配电电器：刀开关、低压断路器、熔断器等低压控制电路：接触器、继电器、控制器、按钮等。§1-2 低压开关一、刀开关 1、概述 功能（作用）：用在低压成套配电装置中，作为不频繁地手动接通和分断交直流电路或作隔离开关作用。组成：手柄、触刀、静插座、底板 分：单极、双极、三极 或：直接手柄、杠杆、电动操作 种类如下图所示：工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：2、常用的刀开关3、胶盖刀开关4、熔断式刀开关5、刀开关的及图形、文字符号文字符号：QS6、刀开关的选择与使用1）、功能：用于接通或切断带有负载的小容量交、直流主电路的手动切换电器；在大容量的主电路中，刀开关只起负载与电源间的隔离作用。通常5KW以下的负载刀开关可以直接拉合闸，负载容量大于5KW时刀开关不允许带负荷拉合闸。2）、规格：分单极、双极、三极（多极）几种额定电压：Ue250V，500V，1000V额定电流：Ie（5，10）15，30，60，100，200，400， 600，1000，1500A3）、三相交流异步电动机刀开关的经验选择通常三相异步电动机的额定电流可按2A1KW估算；三相电阻器及三相照明负载线路电流可按1.5A1KW估算；单相电器负载线路电流可按4.5A1KW估算；则刀开关的容量选择可按下列口决选择：选开关，很简单，额定电流237、导线的规格及选择铜导线规格：1，1.5,2.5,4,6,10,16,25,35,50,70,95,120mm2 铝导线规格：1.5,2.5,4,6,10,16,25,35,50,70,95,120,150,185,240mm2 导线的选择与使用：交流电动机拖动控制电路中，380V电压的供电半径为50m范围内时，导线的规格可按下列口决选择：选导线，也不难，电机容量去一半（铝导线选择时可直接按电机容量选择） 本课程研究的对象和内容，了解学什么，做什么？由课程名称引入控制工程用图表的方式说明本课程在专业、学科中的地位主要研究和讲授的具体内容由机器设备的复杂程度引入相应的控制方法新的控制理论控制方法出现，老的控制方法并不消亡。生产自动化种类无限，但组成控制的基本方法种类有限。高压、低压（电器）如何区分？刀开关不允许带负荷拉合闸！隔离开关作用！掌握经验估算与选用第一章 常用低压电器授课章节§1-2低压开关 §1-3熔断器 §1-4主令电器周次第1周 总第2次课教学目的和要求1、掌握低压开关、熔断器、主令电器的选择原则和使用方法、使用场合；2、掌握几种低压电器的图形符号、文字符号及含义；重点难点熟练掌握低压断路器、熔断器在工程中的作用及选择原则和使用方法。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注§1-2 低压开关二、 组合开关（即万能转换开关、转换开关）功能：是一种多档式且能对电路进行多种转换 的主令电器。也是一种刀开关。分：单极、双极、三极 组成：操作机构、面板、手柄、触点座等工作原理：三、 低压断路器又称：自动空气开关、自动空气断路器 用于低压动力线路中。相当于刀开关、熔断器、 热继电器、欠压继电器的组合，是一种自动切断 电路故障的保护电器。1、 低压断路器的工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：组成：触点系统、操作机构、保护元件主触点：由耐弧合金制成，采用灭弧栅灭弧操作机构：用手柄或电磁机构操作通、断 故障时：自动脱扣 2、 低压断路器的主要技术参数和典型产品介绍 低压断路器的主要技术参数：1）、额定电压：额定工作电压、额定绝缘电压、 额定脉冲电压 2）、额定电流：指过电流脱扣器的额定电流 3）、通断能力：在规定条件下，能在给定的电压下接通和分断的最大电流值。 4）、分断时间：指切断故障电流所需的时间。 低压断路器的保护特性：过载、过电流、欠电压等保护。3、低压断路器典型产品介绍 分：框架式、塑料外壳式、直流快速、限流式 1）、框架式低压断路器 即万能式低压断路器，用于40-100KW电动机,有DW10、DW15系列 2）、塑料外壳式低压断路器 又称：装置式低压断路器、塑壳式低压断路器 用作配电线路的保护开关，以及电动机和照明线 路的控制开关等。种类如下图所示：有DZ5、DZ10、DX10、DZ12、DZ15、DZX19、 DZ20等系列。 DZ20系列型号及意义：P203）、断路器图形符号和文字符号：QF4、 低压断路器的选用与维护 1）、断路器的选用：主电路额定工作电流、过载脱扣整定电流、额定通断能力、欠电压脱扣额定电压、类型的选择等。 2）、断路器的维护 §1-3 熔断器熔断器：主体是低熔点金属丝或技术薄片制成的熔体，串联在被保护的电路中。 一、熔断器的结构及保护特性 组成：熔体、绝缘底座 二、熔断器的主要技术参数的意义 1、额定电压：应大于等于电气设备的额定电压。 2、额定电流：长期工作时各部件温升不超过规定值所能承受的电流。 3、极限分断能力：在规定的额定电压和功率因数的条件下，能分断的最大短路电流值。4、熔断器功能：对电路进行短路保护。对小型设备选择恰当时也可作为过载保护。5、熔断器电流熔断器额定电流：指持续通过熔断器而不使熔件熔断的最大电流。三、熔断器具体主要技术参数 熔断器分为： RC瓷插式，RL螺旋式，RS快速熔断式，RM无填料式，RTO有填料式几种。规格分为熔器和熔件。熔器（具）： 250V 15， 25， 35， 45A 500V 60， 100， 250， 350A 1000V 450，600，1000A熔件：6，10，15，25，30，35，45，50，60，80，100，125，160，200，250，300，350，400，450，500，600，700，800，1000A四、常用的熔断器 1、瓷插式熔断器 有RC1A系列 2、RM10系列无填料封闭管式熔断器 3、有填料封闭管式熔断器有：RT12、RT15、RT14、RT19、RT18系列 4、螺旋式熔断器 有RL6系列 5、半导体器件保护用熔断器 6、NT型低压高分析能力熔断器 7、自复式熔断器 8、熔断器图形符号和文字符号：FU 五、熔断器的选择与维护 1、熔断器电流计算与熔件选择照明等线路： IFU >=I电动机负载：电动机能够正常起动，其冲击电流不大时可选用较小的熔件；而机械负载较重电机难以起动，起动电流较大或频繁起动的电动机则选用较大的熔件。一般按下式计算：熔件电流 IFU（1.52.5）IN 多台电动机：分支电路中主干线上熔断器的选择：一般以计算电流Ijs为熔断器熔件的最大电流值（额定电流）。按电机容量最大的一台的起动电流与其余电机的额定电流的总和来考虑。计算电流 IFU=Ijs（1.52.5）INMAX+IN 式中，INMAX为容量最大的一台电机的额定电流，IN为其余电动机额定电流的总和。单台电动机负载熔断器经验选择：选保险，也简单，额定电流432、熔断器在使用维护方面应注意的事项§1-4 主令电器功能：对电路（设备）的控制实施动作指令，即开停，升降，快慢，进退等。有：控制按钮、行程开关、接近开关、主令控制器、万能转换开关等 一、行程开关：又名限位开关和终端开关。没有线圈，属机械触点的联锁控制，靠机械碰撞完成控制动作。主要用于限位控制和终端保护控制。一般常用：LX1LX19,22,33等多种型号。电气符号：工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）： 功能：依据生产机械的行程发出命令以控制其运行方向或行程长短的主令电器 种类：操作方式分：瞬动型、蠕动型 结构分：直动、滚动直动、杠杆单轮、双轮等 二、控制按钮：功能：发出控制指令和信号的电器开关，是一种手动且一般自动复位的主令电器。常用LA1LA19等多种型号，有旋式、钥匙式按钮，LA19是有指示灯型。电气符号：工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：3、接近开关 定义：是一种无接触式物体检测装置。又称：无触点行程开关 图形符号及文字符号： 4、光电开关 又称无触点检测和控制开关 各种开关外型图：隔离开关作用！低压动力线路中的总开关，隔离和保护作用，可带负载通断电路电气控制中的功能：对电路进行短路保护！控制实施动作指令开关第一章 常用低压电器授课章节§1-5接触器 §1-6继电器 周次第2周 总第3次课教学目的和要求1、了解各类继电器接触器的基本结构、工作原理、使用与维护方法；了解新技术、新产品及其应用的发展趋势。2、掌握继电器接触器在工程中应用的选择原则和使用方法。重点难点常用继电器接触器范围广、产品种类多、信息量大，教学内容需按“电气控制”认真精选；熟练掌握低压电器在工程中的作用与正确选择原则和使用方法。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注§1-5 接触器功能：用来自动地接通或断开大电流电路的电器。有：交流接触器、直流接触器两种 一、交流接触器 组成：触点系统、电磁机构、灭弧装置 1、触点系统：采用双断点的桥式触点 主触点：通断主电路 辅助触点：通断控制回路2、电磁机构：将电能转化为机械能，操纵触点的闭合或断开。 3、灭弧装置： 10A以下采用双断触点和电动力灭弧，容量较大（20A以上）采用灭弧栅灭弧。工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）： 1-动触头 2-静触头 3-衔铁 4-缓冲弹簧5-电磁线圈 6-铁心 7-垫 8-触头弹簧 9-灭弧罩 10-触头压力弹片 4、短路环问题线圈加额定电压，衔铁吸合，常闭触头断开，常开触头闭合；线圈电压消失，触头恢复常态。为防止铁心振动，需加短路环。5、接触器的主要技术参数及常用的接触器 （1）、接触器主要技术参数 额定电压、电流：指主触点的额定工作电压和主触点的额定电流直流接触器：24V、48V、110V、220V、440V 40、80、100、150、250、400、600A 交流接触器：36V、110（127）V、220V、380V、500V5、10、20、40、60、100、150、250、400、600A （2）、机械寿命（1000万次以上）与电气寿命（100万次以上） （3）、操作频率：每小时的操作次数 ;一般：300次/h、 600次/h、 1200次/h （4）、接通与分断能力：可靠接通和分断的电流值。 接通时：主触点不应发生熔焊 分断时：主触点不应发生长时间燃弧三、接触器的选用 1、类型的选择：直流或交流接触器 2、主触点额定电压的选择：大于等于负载额定电压 3、主触点额定电流的选择 要求额定电流大于计算值：（单台电机选择）：主触点额定电流=电动机额定电流 电压选择：交流：线路简单，线圈电压380V或220V与电路电压一致；线路复杂，线圈电压127V、36V等与电路电压一致。直流：线圈电压与直流控制电路电压一致。 四、接触器的使用和维护 §1-6 继电器继电器是一种根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的电器。其输入量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、压力、时间、速度等非电量。继电器种类很多，按用途可分为控制电器、保护电器；按工作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热力式继电器、电子式继电器；按动作信号可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继电器；按输出方式可分为有触点电器、无触点电器. 作用：控制、放大、联锁、保护和调节分类：按用途分 ：控制和保护继电器按动作原理分：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式按输入量分：电流、电压、时间、速度、压力按动作时间分：瞬时、延时继电器特点：额定电流不大于5A一、电流继电器 特点：线圈串接于电路中，导线粗、匝数少、阻抗小。分类：过电流继电器、欠电流继电器电流继电器电气符号 主要技术指标： 动作电流q ：使电流继电器开始动作所需的电流值； 返回电流f ：电流继电器动作后返回原状态时的电流值；返回系数f ：返回值与动作值之比，ff /q 。选择：按额定电流选用二、电压继电器 特点：线圈并联在电路中，匝数多，导线细分类：过电压继电器和欠电压继电器结构原理：与电流继电器类似电压继电器电气符号 选择：按额定电压选用三、中间继电器 中间继电器实质上是一种电压继电器，结构和工作原理与接触器相同，但它的触点数量较多。 功能：在电路中主要是扩展触点的数量；或扩展触头的容量。四、热继电器 作用：电动机的过载保护型式：双金属片式、热敏电阻式、易熔合金式结构：由发热元件、双金属片和触头及动作机构等部分组成 。选择：按额定电流选择，按额定电流的90%整定。工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：五、时间继电器 作用：按整定时间长短通断电路分类：按构成原理分：电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式、数字式按延时方式分：通电延时型、断电延时型 电气符号：(a) 线圈一般符号 (b) 通电延时线圈 (c) 断电延时线圈 (d) 通电延时闭合动合（常开）触点 (e) 通电延时断开动断（常闭）触点 （f）断电延时断开动合（常开）触点 （g）断电延时闭合动断（常闭）触点（h）瞬动触点 通电延时型工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：断电延时型工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：选择：（1）选类型：通电延时型或断电延时型；（2）选择电压：与控制电路相符六、速度继电器 作用：根据速度的大小通断电路结构：定子、转子和触头原理：与异步电动机类似参数：动作转速：>120rpm 复位转速：<100rpm工作原理（动画演示:Flash多媒体教学资源库）：选择：与联接转轴的速度相符。七、其它继电器 继电器种类很多，本课程不作更多介绍，需用时参考相关产品的使用说明书。过电流、欠电流保护过电压和欠电压保护扩展触点的数量或容量电路的过载保护额定电流的90%整定定时器