1.5　主令電器

在控制系統中，主令電器（Master Switch）用作閉合或斷開控制電路，以發出指令或作為程序控制的開關電器。它一般用于控制接觸器、繼電器或其他電氣線路，從而使電路接通或者分斷，來實現對電力傳輸系統或者生產過程的自動控制。

主令電器應用廣泛，種類繁多，按照其作用分類，常用的主令電器有控制按鈕、行程開關、接近開關、萬能轉換開關、主令控制器及其他主令電器（如腳踏開關、倒順開關、緊急開關、鈕子開關等）。本節只介紹控制按鈕、接近開關和行程開關。

1.5.1　按鈕

按鈕又稱控制按鈕（push-button），是具有用人體某一部分（通常為手指或手掌）施加力而操作的操動器，并具有儲能（彈簧）復位的控制開關。它是一種短時間接通或者斷開小電流電路的手動控制器。

（1）按鈕的功能

按鈕是一種結構簡單、應用廣泛的手動主令電器，一般用于發出啟動或停止指令，它可以與接觸器或繼電器配合，對電動機等實現遠距離的自動控制，用于實現控制線路的電氣聯鎖。按鈕的圖形及文字符號如圖1-39所示。

在電氣控制線路中，常開按鈕常用來啟動電動機，也稱啟動按鈕；常閉按鈕常用于控制電動機停車，也稱停車按鈕；復合按鈕用于聯鎖控制電路中。

（2）按鈕的結構和工作原理

如圖1-40所示，控制按鈕由按鈕帽、復位彈簧、橋式觸點、外殼等組成，通常做成復合式，即具有常閉觸點和常開觸點，原來就接通的觸點稱為常閉觸點（也稱為動斷觸點），原來就斷開的觸點稱為常開觸點（也稱為動合觸點）。當按下按鈕時，先斷開常閉觸點，后接通常開觸點；當按鈕釋放后，在復位彈簧的作用下，按鈕觸點自動復位的先后順序相反。通常，在無特殊說明的情況下，有觸點電器的觸點動作順序均為“先斷后合”。按鈕的外形如圖1-41所示。

（3）按鈕的典型產品

常用的控制按鈕有LA2、LAY3、LA18、LA19、LA20、LA25、LA39、LA81、COB、LAY1和SFAN-1系列。其中，SFAN-1系列為消防打碎玻璃按鈕；LA2系列為仍在使用的老產品，新產品有LA18、LA19、LA20和LA39等系列。其中，LA18系列采用積木式結構，觸點可按需要拼裝成6個常開、6個常閉，而在一般情況下裝成兩個常開、兩個常閉。LA19、LA20系列有帶指示燈和不帶指示燈兩種，前者的按鈕帽用透明塑料制成，兼作指示燈罩。COB系列按鈕具有防雨功能。LAY3系列按鈕的主要技術參數見表1-12，其型號含義如圖1-42所示。

（4）按鈕的選用

選擇按鈕的主要依據是使用場所、所需要的觸點數量、種類及顏色。控制按鈕在結構上有按鈕式、緊急式、鑰匙式、旋鈕式和保護式5種。急停按鈕裝有蘑菇形的鈕帽，便于緊急操作；旋鈕式按鈕常用于“手動/自動模式”轉換；指示燈按鈕則將按鈕和指示燈組合在一起，用于同時需要按鈕和指示燈的情況，可節約安裝空間；鑰匙式按鈕用于重要的不常動作的場合。若將按鈕的觸點封閉于防爆裝置中，還可構成防爆型按鈕，適用于有爆炸危險、有輕微腐蝕性氣體或有蒸汽的環境，以及雨、雪和滴水的場合。因此，在礦山及化工部門廣泛使用防爆型控制按鈕。

急停和應急斷開操作件應使用紅色。啟動/接通操作件顏色應為白、灰或黑色，優先用白色，也允許用綠色，但不允許用紅色。停止/斷開操作件應使用黑、灰或白色，優先用黑色，不允許用綠色，也允許選用紅色，但靠近緊急操作件建議不使用紅色。作為啟動/接通與停止/斷開交替操作的按鈕操作件的首選顏色為白、灰或黑色，不允許使用紅、黃或綠色。對于按動它們即引起運轉而松開它們則停止運轉（如保持-運轉）的按鈕操作件，其首選顏色為白、灰或黑色，不允許用紅、黃或綠色。復位按鈕應為藍、白、灰或黑色。如果它們還用作停止/斷開按鈕，最好使用白、灰或黑色，優先選用黑色，但不允許用綠色。

由于用顏色區分按鈕的功能致使控制柜上的按鈕顏色過于繁復，因此近年來又流行趨于不用顏色區分按鈕的功能，而是直接在按鈕下用標牌標注按鈕的功能，不過“急停”按鈕必須選用紅色。按鈕的顏色代碼及其含義見表1-13。

按鈕的尺寸系列有f12mm、f16mm、f22mm、f25mm和f30mm等，其中，f22mm尺寸較常用。

（5）應用注意事項

① 注意按鈕顏色的含義。

② 在接線時，注意分辨常開觸點和常閉觸點。常開觸點和常閉觸點的區分可以采用肉眼觀看方法，若不能確定，可用萬用表歐姆擋測量。

【例1-15】　CA6140A車床上有主軸啟動、急停按鈕，請選擇合適的按鈕型號。

【解】　主軸急停按鈕可選擇紅色的急停按鈕，并且只需要一對常閉觸點，因此選用LAY3-01M。主軸啟動按鈕可選用綠色的按鈕，需要一對常開觸點，因此選用LAY3-10。

1.5.2　行程開關

在生產機械中，常需要控制某些運動部件的行程，或者運動一定的行程停止，或者在一定的行程內自動往復返回，這種控制機械行程的方式稱為“行程控制”。

行程開關（Travel Switches）又稱限位開關（Limit Switches），是用以反映工作機械的行程，發出命令以控制其運動方向或行程大小的開關。它是實現行程控制的小電流（5A以下）的主令電器。常見的行程開關有LX1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6、LX7、LX8、LX10、LX19、LX25、LX44等系列產品，行程開關外形如圖1-43所示。LXK3系列行程開關的主要技術參數見表1-14。微動式行程開關的結構和原理與行程開關類似，其特點是體積小，其外形如圖1-44所示。行程開關的圖形及文字符號如圖1-45所示，行程開關型號的含義如圖1-46所示。

（1）行程開關的功能

行程開關用于控制機械設備的運動部件行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當安裝在生產機械運動部件上的擋塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。因此，行程開關是一種根據運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程，進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位和轎廂的上、下限位保護。

（2）行程開關的結構和工作原理

行程開關按其結構可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。

直動式行程開關的動作原理與按鈕開關相同，但其觸點的分合速度取決于生產機械的運行速度，不宜用于速度低于0.4m/min的場所。當行程開關沒有受壓時，如圖1-47（a）所示，常閉觸點的接線端子2和共接線端子1之間接通，而常開觸點的接線端子4和共接線端子1之間處于斷開狀態；當行程開關受壓時，如圖1-47（b）所示，在拉桿和彈簧的作用下，常閉觸點分斷，接線端子2和共接線端子1之間斷開，而常開觸點接通，接線端子4和共接線端子1接通。行程開關的結構和外形多種多樣，但工作原理基本相同。

（3）應用注意事項

在接線時，注意分辨常開觸點和常閉觸點。

【例1-16】　CA6140A車床上有一個皮帶罩，當皮帶罩取下時，車床的控制系統斷電，起保護作用，請選擇一個行程開關。

【解】　可供選擇的行程開關很多，由于起限位作用，通常只需要一對常閉觸點，因此選擇LXK3-11K行程開關。

1.5.3　接近開關

接近開關（Proximity Switch）是與運動部件無機械接觸而能動作的位置開關。

當運動的物體靠近開關到一定位置時，接近開關發出信號，達到行程控制及計數自動控制。也就是說，它是一種非接觸式無觸點的位置開關，是一種開關型的傳感器，簡稱接近開關，又稱接近傳感器（Proximity Sensors）。接近開關有行程開關、微動開關的特性，又有傳感性能，而且動作可靠，性能穩定，頻率響應快，使用壽命長，抗干擾能力強等。它由感應頭、高頻振蕩器、放大器和外殼組成。常見的接近開關有LJ、CJ和SJ等系列產品。接近開關的外形如圖1-48所示，其圖形符號如圖1-49（a）所示，圖1-49（b）所示為接近開關文字符號，表明接近開關為電容式接近開關，在畫圖時更加適用。

（1）接近開關的功能

當運動部件與接近開關的感應頭接近時，就使其輸出一個電信號。接近開關在電路中的作用與行程開關相同，都是位置開關，起限位作用，但兩者是有區別的：行程開關有觸點，是接觸式的位置開關；而接近開關是無觸點的，是非接觸式的位置開關。

（2）接近開關的分類和工作原理

按照工作原理區分，接近開關分為電感式、電容式、光電式和磁感式等形式。另外，根據應用電路電流的類型分為交流型和直流型。

① 電感式接近開關的感應頭是一個具有鐵氧體磁芯的電感線圈，只能用于檢測金屬體，在工業中應用非常廣泛。振蕩器在感應頭表面產生一個交變磁場，當金屬快接近感應頭時，金屬中產生的渦流吸收了振蕩的能量，使振蕩減弱以至停振，因而產生振蕩和停振兩種信號，經整形放大器轉換成二進制的開關信號，從而起到“開”“關”的控制作用。通常把接近開關剛好動作時感應頭與檢測物體之間的距離稱為動作距離。

② 電容式接近開關的感應頭是一個圓形平板電極，與振蕩電路的地線形成一個分布電容，當有導體或其他介質接近感應頭時，電容量增大而使振蕩器停振，經整形放大器輸出電信號。電容式接近開關既能檢測金屬，又能檢測非金屬及液體。電容式傳感器體積較大，而且價格要貴一些。

③ 磁感式接近開關主要指霍爾接近開關，霍爾接近開關的工作原理是霍爾效應，當帶磁性的靠近霍爾開關時，霍爾接近開關的狀態翻轉（如由“ON”變為“OFF”）。有的資料上將干簧繼電器也歸類為磁性接近開關。

④ 光電式傳感器是根據投光器發出的光，在檢測體上發生光量增減，用光電變換元件組成的受光器檢測物體有無、大小的非接觸式控制器件。光電式傳感器的種類很多，按照其輸出信號的形式，可以分為模擬式、數字式、開關量輸出式。

利用光電效應制成的傳感器稱為光電式傳感器。光電式傳感器的種類很多，其中，輸出形式為開關量的傳感器為光電式接近開關。

光電式接近開關主要由光發射器和光接收器組成。光發射器用于發射紅外光或可見光。光接收器用于接收發射器發射的光，并將光信號轉換成電信號，以開關量形式輸出。

按照接收器接收光的方式不同，光電式接近開關可以分為對射式、反射式和漫射式3種。光發射器和光接收器有一體式和分體式兩種形式。

⑤ 此外，還有特殊種類的接近開關，如光纖接近開關和氣動接近開關。特別是光纖接近開關在工業上使用越來越多，它非常適合在狹小的空間、惡劣的工作環境（高溫、潮濕和干擾大）、易爆環境、精度要求高等條件下使用。光纖接近開關的問題是價格相對較高。

（3）接近開關的選型

常用的電感式接近開關（Inductive Sensor）型號有LJ系列產品，電容式接近開關（Capacitive Sensor）型號有CJ系列產品，磁感式接近開關有HJ系列產品，光電型接近開關有OJ系列。當然，還有很多廠家都有自己的產品系列，一般接近開關型號的含義如圖1-50所示。接近開關的選擇要遵循以下原則。

① 接近開關類型的選擇。檢測金屬時優先選用感應式接近開關，檢測非金屬時選用電容式接近開關，檢測磁信號時選用磁感式接近開關。

② 外觀的選擇。根據實際情況選用，但圓柱螺紋形狀的最為常見。

③ 檢測距離（Sensing Range）的選擇。根據需要選用，但注意同一接近開關檢測距離并非恒定，接近開關的檢測距離與被檢測物體的材料、尺寸以及物體的移動方向有關。表1-15列出了目標物體材料對檢測距離的影響。不難發現，感應式接近開關對于有色金屬的檢測明顯不如檢測鋼和鑄鐵。常用的金屬材料不影響電容式接近開關的檢測距離。

目標的尺寸同樣對檢測距離有影響。滿足以下一個條件時，檢測距離不受影響。

a.當檢測距離的3倍大于接近開關感應頭的直徑，而且目標物體的尺寸大于或等于3倍的檢測距離×3倍的檢測距離（長×寬）。

b.當檢測距離的3倍小于接近開關感應頭的直徑，而且目標物體的尺寸大于或等于檢測距離×檢測距離（長×寬）。

如果目標物體的面積達不到推薦數值，接近開關的有效檢測距離將按照表1-16推薦的數值減少。

④ 信號的輸出選擇。交流接近開關輸出交流信號，而直流接近開關輸出直流信號。注意，負載的電流一定要小于接近開關的輸出電流，否則應添加轉換電路解決。接近開關的信號輸出能力見表1-17。

⑤ 觸點數量的選擇。接近開關有常開觸點和常閉觸點。可根據具體情況選用。

⑥ 開關頻率的確定。開關頻率是指接近開關每秒從“開”到“關”轉換的次數。直流接近開關可達200Hz；而交流接近開關要小一些，只能達到25Hz。

⑦ 額定電壓的選擇。對于交流型的接近開關，優先選用220V AC和36V AC，而對于直流型的接近開關，優先選用12V DC和24V DC。

（4）應用接近開關的注意事項

① 單個NPN型和PNP型接近開關的接線　在直流電路中使用的接近開關有二線式（2根導線）、三線式（3根導線）和四線式（4根導線）等多種，二線式、三線式、四線式接近開關都有NPN型和PNP型兩種，通常日本和美國多使用NPN型接近開關，歐洲多使用PNP型接近開關，而我國則二者都有應用。NPN型和PNP型接近開關的接線方法不同，正確使用接近開關的關鍵就是正確接線，這一點至關重要。

接近開關的導線有多種顏色，一般地，BN表示棕色的導線，BU表示藍色的導線，BK表示黑色的導線，WH表示白色的導線，GR表示灰色的導線。根據國家標準，各顏色導線的作用按照表1-18定義。對于二線式NPN型接近開關，棕色線與負載相連，藍色線與零電位點相連；對于二線式PNP型接近開關，棕色線與高電位相連，負載的一端與接近開關的藍色線相連，而負載的另一端與零電位點相連。圖1-51和圖1-52所示分別為二線式NPN型接近開關接線圖和二線式PNP型接近開關接線圖。

表1-18中的“NO”表示常開、輸出，而“NC”表示常閉、輸出。

對于三線式NPN型接近開關，棕色的導線與一端負載，同時與電源正極相連；黑色的導線是信號線，與負載的另一端相連；藍色的導線與電源負極相連。對于三線式PNP型接近開關，棕色的導線與電源正極相連；黑色的導線是信號線，與負載的一端相連；藍色的導線與負載的另一端及電源負極相連，如圖1-53和圖1-54所示。

四線式接近開關的接線方法與三線式接近開關類似，只不過四線式接近開關多了一對觸點而已，其接線圖如圖1-55和圖1-56所示。

② 單個NPN型和PNP型接近開關的接線常識　初學者經常不能正確區分NPN型和PNP型的接近開關，其實只要記住一點：PNP型接近開關是正極開關，也就是信號從接近開關流向負載；而NPN型接近開關是負極開關，也就是信號從負載流向接近開關。

【例1-17】　在圖1-57中，有一只NPN型接近開關與指示燈相連，當一個鐵塊靠近接近開關時，回路中的電流會怎樣變化？

【解】　指示燈就是負載，當鐵塊到達接近開關的感應區時，回路突然接通，指示燈由暗變亮，電流從很小變化到100%的幅度，電流曲線如圖1-58所示（理想狀況）。

【例1-18】　某設備用于檢測PVC物塊，當檢測物塊時，設備上的24V DC功率為12W的報警燈亮，請選用合適的接近開關，并畫出原理圖。

【解】　因為檢測物體的材料是PVC，所以不能選用感應接近開關，但可選用電容式接近開關。報警燈的額定電流為：，查表1-17可知，直流接近開關承受的最大電流為0.2A，所以采用圖1-54的方案不可行，信號必須進行轉換，原理圖如圖1-59所示，當物塊靠近接近開關時，黑色的信號線上產生高電平，其負載繼電器KA的線圈得電，繼電器KA的常開觸點閉合，所以報警燈EL亮。

由于沒有特殊規定，所以PNP或NPN型接近開關以及二線式或三線式接近開關都可以選用。本例選用三線式PNP型接近開關。