緒論

1. 電氣控制技術的產生與發展

電氣控制技術是以各類電動機為動力的傳動裝置與系統為對象，以實現生產過程自動化的控制技術。電氣控制系統是其中的主干部分，在國民經濟各行業中的許多部門得到了廣泛應用，是實現工業生產自動化的重要技術手段。

電氣控制技術，是隨著科學技術的不斷發展、生產工藝不斷提出新的要求，從手動控制到自動控制，從簡單的控制設備到復雜的控制系統，其發展經過了從有觸點的硬接線控制系統到以計算機為中心的存儲控制系統。新的控制理論和新型電器及電子器件的出現，推動了電氣控制技術不斷地發展。作為生產機械動力的電機拖動，初期的拖動方式由一臺電動機拖動多臺設備，或使一臺機床的多個動作由一臺電動機拖動（稱為集中拖動）；隨著生產機械功能增多和自動化程度的提高，發展成為單獨拖動，即一臺設備由一臺電動機單獨拖動；為了進一步簡化機械傳動機構，更好地滿足設備各部分對機械特性的不同要求，又采用了多臺電動機拖動，即設備的各運動部件分別采用不同的電動機拖動。

在工業革命和生產規模日益擴大的刺激下，生產過程中對動作的速度、精度、動作的一致性、協調性，以及對復雜問題的反應和處理能力等方面都不斷提高。雖然借助于常規的控制儀表和邏輯硬接線的控制系統（如繼電器-接觸器控制系統）能夠實現在一定程度、一定范圍內的自動化控制，但是對于生產過程中的隨機干擾實行隨機調節，以及多變量、高精度的控制等仍然難以實現。現代工業的發展迫切需要實現生產過程和生產設備的自動控制。所謂“自動控制”，就是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制系統，使被控對象或生產自動地按照預先設置的規律進行工作。

（1）電力拖動自動控制系統的組成

自從人類在19世紀初開始掌握了電能的生產與應用技術以來，電能就成了工業生產最主要的能源。將電能轉換成機械能的電動機成為工業生產最主要的動力設備。生產過程的運行、生產機械的啟動、停止以及運行狀態的調節等，都可以通過對電動機等動力設備的控制來實現，從而組成電力拖動自動控制系統。電力拖動自動控制系統是目前應用最為普遍的方法。如圖1所示，它主要包括以下4個環節。此外自動控制使用的技術手段還包括機械傳動、液壓傳動和氣動傳動等方法。

① 電源設備——提供系統各部分設備需要的電源，例如交流或直流電，不同的電壓需要等。

② 自動控制設備——通過對動力設備進行各種控制，以實現生產過程或生產機械運行的自動化，主要是各種電器元件、自動化元件、計算機系統等。

③ 動力設備——是將電能轉換成機械能以驅動生產機械的原動力，主要是各種電動機、電磁鐵等。

④ 傳動機構——動力設備與工作機構之間的傳動裝置，主要為機械傳動裝置。

（2）電氣控制技術的發展

在電力拖動控制系統中，繼電器-接觸器控制系統至今仍是許多生產機械設備廣泛采用的基本電氣控制形式，也是學習更先進電氣控制系統的基礎。它主要由繼電器、接觸器、按鈕、行程開關等有觸點的開關設備組成，由于其控制方式是斷續的，故稱為斷續控制系統。它具有控制簡單、方便實用、價格低廉、易于維護、抗干擾能力強等優點。但由于其接線方式固定、靈活性差，難以適應復雜和程序可變的控制對象的需要，且工作頻率低、觸點易損壞、可靠性差。

19世紀末，電氣控制技術伴隨著電子技術、電機制造技術、數控技術和計算機應用技術同步發展起來。從20世紀50年代開始，使用過晶體管邏輯控制系統取代繼電器-接觸器控制，解決了有觸點開關的問題，但由于這種控制裝置仍然解決不了通用性和靈活性的問題，在20世紀60年代后期，出現了使用中小規模集成電路的第三代電子計算機。在這一時期出現的可編程序控制器（PLC）集成了傳統的繼電器-接觸器控制系統簡單易懂、操作方便和計算機控制系統功能強、通用性和靈活性好的優點，主要用于開關量控制的自動控制裝置。

20世紀70年代以后，隨著微電子技術的發展，大規模集成電路的制造成功，造價低廉的微處理器的大量出現，促使工業微機的應用迅速普及。現在PLC已作為一種標準化通用設備普遍應用于工業控制，由最初的邏輯控制為主，發展到能進行模擬量控制，具有數字運算、數據處理和通信連網等功能，PLC已成為電氣自動化控制系統中應用最為廣泛的控制裝置。

此外，電氣控制相繼出現了直接數字控制系統（DDC）、柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）等。

20世紀80年代迅速發展起來的計算機網絡技術，又使得工業生產自動化發生了巨大變革，計算機網絡化產生了控制與管理一體化的現代新型工業自動化模式。智能機器人、綜合運用計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、集散控制系統（DCS）、現場總線控制系統等高技術，形成了從產品設計及制造和生產管理的智能化生產的完整系統，將自動化生產技術推進到更高的水平。

2. 可編程控制器（PLC）的產生與發展

由于繼電器-接觸器控制系統的結構特點制約著它的發展，工程技術人員必須另外尋找新的解決方法以適應工業發展的需要。在1968年，美國通用汽車（GM）公司率先提出了研制新型工業控制器的10項功能指標。根據這10項指標的要求，一年后，由美國數據設備公司（DEC）研制出世界上第一臺可編程控制器，并且成功地應用在（GM）公司的生產線上。此后，日本的日立公司從美國引進技術，于1971年制造出日本的第一臺可編程控制器。1973年，德國的西門子公司獨立研制出歐洲的第一臺可編程控制器。在這一時期的可編程控制器雖然也采用了計算機的設計思想，但僅有邏輯控制、定時、計數等控制功能，只能進行順序控制，故稱為“可編程邏輯控制器”（Programmable Logic Controller），簡稱PLC。可編程控制器技術是以硬接線的繼電器-接觸器控制為基礎，以軟件手段實現各種控制功能，以微處理器為核心的技術。

隨著微電子技術和計算機技術的發展，使PLC在處理速度和控制功能上都有了很大的提高。PLC不僅可以進行開關量的邏輯控制，還可以對模擬量進行控制，且具有數據處理、PID控制和數據通信功能，它已發展成為一種新型的工業自動控制標準裝置，因此于1980年由美國電氣制造協會（NEMA）命名為“可編程控制器”（Programmable Contro1ler），簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）相混淆，所以在我國仍習慣以PLC作為可編程控制器的簡稱，在本書中也統一使用PLC這一簡稱。1987年，國際電工委員會（IEC）對PLC做出了明確定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專門為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關的設備，都應按易于與工業控制系統連成一個整體、易于擴充功能的原則而設計。”

由于用PLC內部的“軟繼電器”取代了許多電器，從而大大減少了電器的數量，簡化了電氣控制系統的接線，充分體現出設計、施工周期短、通用性強、可靠性高、成本低的優點。特別是PLC采用的梯形圖編程語言是以繼電器梯形圖為基礎的形象編程語言，一般電氣技術人員和技術工人經過簡單的培訓就可以掌握。用PLC取代繼電器-接觸器系統實現工業自動控制，不僅用軟件編程取代了硬接線，在改變控制要求時只須改變程序而無須重新配線，而且可以在模擬的情況下進行調試、修改，減少了大量的現場工作。

近年來，隨著微電子技術、電力電子技術、檢測傳感技術、機械制造技術的發展，PLC在處理速度、控制功能、通信能力以及控制領域等方面都不斷有新的突破，正朝著電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化和網絡化的方向發展。PLC技術、CAD/CAM/CAE（計算機輔助設計/計算機輔助制造/計算機輔助工程）技術和工業機器人已成為現代工業自動化的三大支柱。當今的可編程控制系統已經是集計算機技術、通信技術和自動控制技術為一體的新型的工業控制裝置。可編程控制器的發展過程表明，它已改變了當初僅僅取代繼電器-接觸器控制系統的初衷，而發展成為在工業自動控制領域中推廣速度最快、應用最廣的一種標準控制設備。本書根據目前我國工業控制上較普遍的運用情況，介紹了三菱可編程控制器的使用。

3. 本課程的性質、內容和任務要求

本課程是中等職業教育“機電技術應用”專業（或其他相近專業）的一門專業技術主干課程，主要內容有：

（1）工業控制系統中的繼電器-接觸器控制系統：包括常用電動機繼電器控制電路；常用機械設備的電氣控制等。

（2）PLC控制系統：包括PLC的基礎知識；PLC的編程方法；PLC的控制系統設計；PLC的應用實例等。

（3）變頻器的基本應用。

通過本課程的學習，要求掌握常用機床繼電器控制和采用PLC控制的相關理論知識，并能對電路進行分析、設計，達到勞動部維修電工中級技術標準，會正確安裝使用變頻器。

對本課程的學習方法提出幾點建議，僅供大家參考：

（1）打好繼電器-接觸器控制系統的基礎，進而學習掌握PLC控制系統的應用。

在本課程的學習過程中，應以掌握繼電器-接觸器控制系統的原理及其應用為基礎，同時進一步學習PLC控制系統。

（2）注意學習內容的普及和發展需要。

在學習中要注意掌握與本專業對應崗位必需的基本知識和技能，保證符合崗位關鍵能力的培養。使學生既要對新知識、新技術、新產品和新元件有所了解，又有較扎實的專業理論基礎知識和實際工作能力。因此，按照不同地區的要求可對教材中的一些內容進行選擇學習（如第8章變頻器的使用），也可以聯系本地區、本行業的一些典型應用實例來組織教學。

（3）學習時應注意掌握基本原理和應用規律，做到舉一反三，觸類旁通。

由于現在技術的不斷進步，許多新元件、新設備不斷出現，各地區及各院校的應用設備會有所區別。本教材在編寫時考慮到大多數地區和院校教學器材配置的實際情況，采用普及面較廣的電器設備和三菱的FX2N系列PLC作為教學范例，并在第8章中結合三菱的變頻器的一般使用做了介紹，在學習時可根據實際情況選用或作為補充內容。如果條件許可，也應注意學習了解一些新的PLC系列產品。不同型號的PLC產品，其基本結構和工作原理是基本相同的，指令系統也有許多相同的地方（特別是同一國家或地區的PLC產品）。

（4）加強實踐技能訓練做到理論和實踐結合。

對于實踐教學的內容（實訓、參觀等），可結合配套教材《電氣控制與PLC應用技術技能訓練》的教學內容進行。如有條件，一些內容（如常用機械設備的電氣控制等）可以直接在生產現場組織教學；有些內容（如PLC編程工具和編程軟件的使用等）可以在實訓室或專業教室進行教學，講練結合，可收到更好的學習效果。