1.5 電氣技術基礎

PLC控制離不開電氣控制。在某些系統中，PLC本身就是電氣控制系統的一部分。同時在構造PLC系統時也脫離不開基本的電氣控制元件及其設計原理。因此，在了解PLC系統時，有必要先行學習和掌握電氣控制技術的基本知識。

1.5.1 常用低壓電器簡介

低壓電器是實現電氣控制線路的基本器件。根據使用要求及控制信號，通過一個或多個器件組合，能手動或自動分合額定電壓在直流1200V、交流1500V及以下的電路，以實現電路中被控制對象的控制、調節、變換、檢測、保護等作用的基本器件稱為低壓電器。下面介紹一些PLC控制系統中常用的低壓電器元件。

1.開關電器

開關是最為普通的低壓電器之一，其作用是分合電路、開斷電流。在配電和電動機保護電路中經常使用的開關，其種類非常多，如刀開關、隔離開關、負荷開關、轉換開關、組合開關、斷路器等。在PLC自動控制系統中，使用最多的是斷路器。低壓斷路器將控制電器和保護電器的功能合為一體，是一種既有手動開關作用，又能進行自動失壓、欠壓、過載和短路保護的電器，應用極為廣泛，可用來分配電能、不頻繁地啟動異步電動機、對電動機及電源線路進行保護。當線路發生嚴重過載、短路或欠電壓等故障時，斷路器能自動切斷電源，其功能相當于熔斷式斷路與過流、過壓、過熱繼電器等的組合，而且在分斷故障電流后，一般不需要更換零部件。斷路器的種類是非常多的，如真空斷路器、框架斷路器、塑殼斷路器等。圖1-10所示為幾種常見的斷路器形式。在電路圖中斷路器的圖形和文字符號如圖1-11所示。

2.接觸器

接觸器是一種用來自動接通或斷開大電流電路的電器。它可以頻繁地接通或分斷交直流負載電路，并可實現中遠距離控制。其主要控制對象是電動機，也可用于電熱設備、電焊機、電容器組等其他設備。它還具有低電壓釋放保護功能，并具有控制容量大、過載能力強、壽命長、設備簡單經濟等特點。接觸器按操作方式分為電磁接觸器、氣動接觸器和電磁氣動接觸器；按滅弧介質分為空氣電磁接觸器、油浸式接觸器和真空接觸器等。最常用的分類是按照主觸點連接回路的形式來劃分，即將接觸器分為交流接觸器和直流接觸器兩大類。在生產中應用最多的是電磁交流接觸器。接觸器一般由電磁線圈、銜鐵，以及和銜鐵相連的觸點組成。圖1-12所示是幾種實際的交流接觸外形圖。在交流接觸器上一般要有主觸點端子、輔助觸點端子和線圈端子，其多少根據具體應用選擇。

接觸器的圖形符號如圖1-13所示。圖1-13（a）所示為其線圈；圖1-13（b）、（c）所示分別為其常開和常閉主觸點；圖1-13（d）、（e）所示分別為其常開和常閉輔助觸點，并分別標有相同的文字符號KM，而輔助觸點在實際電氣控制線路中可能與主觸點分開置于圖中不同位置，讀圖時依靠其文字符號識別。

對于一個接觸器，如果有3對主觸點和4對輔助觸點，則其中輔助觸點有兩對常開觸點和兩對常閉觸點。在線圈無電流流過或復位狀態，以及線圈有電流流過時，接觸器主輔觸點的狀態分別如圖1-13（f）、（g）所示。

3.繼電器

繼電器是一種根據輸入信號的變化接通和斷開控制電路，實現控制目的的電器。繼電器與接觸器不同，不能用來直接接通和分斷大電流負載電路，而主要用于電動機或線路的保護及生產過程順序控制。一般來說，繼電器通過測量環節輸入外部信號（如電壓、電流等電量，或者溫度、壓力、速度等非電量）并傳遞給中間機構，將它與整定值（設定值）進行比較，當達到整定值時（過量或欠量），中間機構就使執行機構產生輸出動作，從而閉合或分斷電路，達到控制電路的目的。在控制系統中，使用最多的是電磁繼電器。這里主要介紹電磁繼電器、熱繼電器和時間繼電器等。

1）電磁繼電器

電磁繼電器中最常用的是中間繼電器，圖1-14所示是電磁繼電器的外形圖。電磁繼電器的結構與電磁接觸器相似，同時這種繼電器一般都配有端子插座，繼電器的底部引腳在插座上都有對應的端子。與外部電路連接時，通過端子接線連接。

電磁繼電器的圖形符號和文字符號如圖1-15所示。其特點是觸點數量較多（可達8對），觸點容量較大（5～10A），動作靈敏，在電路中起增加觸點數量和觸點容量放大作用。

2）熱繼電器

熱繼電器常用于交流電動機的過載保護。熱繼電器在電路中不能做瞬時過載保護，更不能做短路保護。熱繼電器一般與接觸器組合使用。圖1-16所示是熱繼電器外形圖。圖1-17所示是熱繼電器的圖形符號和文字符號。

3）時間繼電器

從線圈通電或斷電開始，經過一定的延時后觸點狀態才發生變化的繼電器，稱為時間繼電器。時間繼電器可分為通電延時型和斷電延時型。對于通電延時型，當線圈通電后要延遲一定時間，觸點狀態才發生變化；而當線圈斷電時，觸點瞬時復原。對于斷電延時型，當線圈通電時，觸點瞬時產生狀態變化；而當線圈斷電后，延遲一定的時間，觸點狀態才復原。時間繼電器種類很多，常用的有電磁式、空氣阻尼式、電動式和電子式等。圖1-18所示為時間繼電器的外形圖，圖1-19所示是時間繼電器的文字與圖形符號。

4.熔斷器

熔斷器的主要作用是為電氣設備及電線電纜提供過載與短路保護。圖1-20所示是常用熔斷器的外形圖及其圖形符號。在電氣控制中應用熔斷器的場合如下：

（1）小型斷路器或塑殼式斷路器進線的后備保護；

（2）在可能出現短時過載和短路的電動機回路中擔負保護任務；

（3）開關電器，如接觸器和電動機啟動器的短路保護。

熔斷器使用時要考慮額定電壓、額定電流、極限分斷能力和熔斷電流等參數。

5.主令電器

主令電器用來閉合和斷開控制電路，用以控制電氣設備的啟動、停車、制動及調速等。主令電器可直接或通過電磁式電器間接作用于控制電路。在控制電路中，由于它是一種專門發布命令的電器，故稱主令電器。主令電器不允許分合主電路。主令電器常用的有控制按鈕、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。這里主要介紹旋鈕、按鈕和行程開關。

1）旋鈕和按鈕

旋鈕和按鈕一般由觸點座和鈕頭組成，作用是接通或斷開控制回路，結構簡單，是使用廣泛的手動主令電器。按鈕一般具有自動復位功能，在操作后，觸點自動恢復為初始狀態，可以進行點動操作。旋鈕一般具有機械自鎖裝置，可以保持操作狀態。圖1-21和圖1-22所示分別為按鈕和旋鈕的外形圖。圖1-23和圖1-24所示分別是按鈕和旋鈕的圖形符號。旋鈕和按鈕的文字符號用SB表示。

為便于識別各個按鈕的作用，避免誤操作，通常在按鈕上做出不同標志或涂以不同顏色，常用的標志顏色有紅、綠、黃、藍、黑、白、灰等。按鈕顏色的選用應注意以下幾點。

（1）紅色按鈕用于“停止”、“斷電”或“事故”。

（2）綠色按鈕優先用于“啟動”或“通電”，但也允許選用黑、白或灰色按鈕。

（3）一鈕雙用的“啟動”與“停止”或“通電”與“斷電”，即交替按壓后改變功能的，不能用紅色按鈕，也不能用綠色按鈕，而應用黑、白或灰色按鈕。

（4）按壓時啟動，抬起時停止啟動（如點動、微動），應用黑、白、灰或綠色按鈕，最好是黑色按鈕，而不能用紅色按鈕。

（5）用于單一復位功能的，用藍、黑、白或灰色按鈕。

（6）同時有“復位”、“停止”與“斷電”功能的用紅色按鈕。燈光按鈕不得用作“事故”按鈕。

2）行程開關

依照機械運動部件的行程發出命令以控制其運動方向或行程長短的主令電器，稱為行程開關。若將行程開關安裝于運動部件的行程終點處以限制其行程，則稱為限位開關。因此，行程開關也稱限位開關。按運動形式的不同，行程開關可分為直動式、微動式、滾輪式等。按信號的觸發方式可分為接觸式和非接觸式兩種。

● 接觸式行程開關

接觸式行程開關簡稱行程開關，其工作原理與按鈕相同，所不同的是信號的觸發方式。它不像控制按鈕那樣需要用手按壓，而是利用機械運動部件的碰壓而使觸點動作，從而發出控制指令的主令電器。圖1-25所示為常見接觸式行程開關的外形圖。圖1-26所示為行程開關的圖形符號。

● 非接觸式行程開關

接近開關又稱無觸點行程開關，它除可以完成行程控制和限位保護外，還是一種非接觸型的檢測裝置，用做檢測零件尺寸和測速等，也可用于變頻計數器、變頻脈沖發生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。其特點是工作可靠、壽命長、功耗低、復定位精度高、操作頻率高，以及適應惡劣的工作環境等。接近開關可以分為有源和無源兩種，多數為有源型，主要包括檢測元件、放大電路、輸出驅動三部分。圖1-27所示為接近開關的外形圖。圖1-28所示為接近開關的圖形符號。

非接觸式行程開關可分為渦流式接近開關、電容式接近開關、霍爾接近開關、光電式接近開關、熱釋電式接近開關。無論選用哪種接近開關，都應注意對工作電壓、負載電流、響應頻率、檢測距離等各項指標的要求。

1.5.2 電氣控制線路的繪圖規則

電氣控制系統是由許多電氣元件按照一定要求連接而成的，以實現對設備的電氣自動控制。為了便于對控制系統進行設計、分析研究、安裝調試、使用和維修，需要將電氣控制系統中各電氣元件及其相互聯接，用國家規定的統一符號、文字和圖形表示出來。這種圖就是電氣控制系統圖。依據簡單、清晰的原則，原理圖采用電氣元件展開的形式繪制。電氣控制系統圖一般有3種：電氣原理圖、電器位置圖、電氣互聯圖。下面著重介紹電氣原理圖的繪制。

1.繪制電氣原理圖的原則

繪制電氣原理圖時應遵循以下原則。

（1）各個電氣元件和部件在控制電路中的位置，根據便于閱讀的原則來安排，同一電氣元件的各個部件可以不畫在一起。

（2）一樣的電氣部件都用規定的圖形符號表示，并在圖形符號附近用文字符號標注它們屬于哪個電器。

（3）圖中電氣元件觸點的開閉，均以沒有受到外力作用或線圈沒有通電時的開閉狀態畫出，多位置電器以手柄置于零位時觸點的開閉狀態畫出，此時觸點呈斷開狀態的稱“常開觸點”，觸點呈閉合狀態的稱“常閉觸點”；二進制元件應是置零時的狀態。

（4）繪制電氣原理圖的圖幅可按機械制圖的圖號，根據需要選用。如果需要加長的圖紙，應采用加長圖紙，如A3×3（420×891）、A4×5（297×1051）。

（5）動力電路、控制和信號電路應分別繪出。

動力電路—電源電路繪成水平線；受電的動力設備（如電動機等）及其保護電器支路，應垂直電源電路畫出。

控制和信號電路—應垂直地繪于兩條水平電源線之間。耗能元件（如線圈、電磁鐵、信號燈等）應直接連接在接地或下方的水平電源線上，控制觸點連接在上方水平線與耗能元件之間。

（6）為了便于檢索分析、安裝、維修調整和尋找故障，電氣元件接線端均用標記編號，主電路圖上用回路標號；輔助電路的電氣連接線用數字編號。號碼從左向右，從上到下，每經過一個元件改變一個號，依次編排，不能缺號，也不能重號。

（7）線路平行排列，各分支電路基本上按動作順序由左向右排列，導線交叉的電氣連接處用圓黑點或圓圈標明。

（8）用導線直接連接的互連端子，因其電位相同，故應采用相同的線號，互連端子的符號應與器件端子的符號有所區別。

（9）無論主電路還是輔助電路，各元件一般應按動作順序從上到下、自左至右依次排列。

（10）原理圖上各電路的安排應便于分析、維修和尋找故障.對功能相關的電氣元件應繪制在一起，使它們之間關系明確。

（11）原理圖應注出下列數據或說明。

● 各電源電路的電壓值、極性或頻率及相數

● 某些元器件的特性（如電阻、電容器的數值等）

● 不常用的電器（如位置傳感器、手動觸點、電磁閥或氣動閥、定時器等）的操作方法和功能

（12）原理圖中有直接電聯系交叉導線連接點，用實心圓點表示，無直接電聯系的交叉點，則不畫圓點。

（13）對非電氣控制和人工操作的電器，必須在原理圖上用相應的圖形符號表示其操作方式及工作狀態。由同一機構操作的觸點，應用機械連桿符號表示其聯動關系。各個觸點的運動方向和狀態必須與操作件動作方向協調一致。

（14）對與電氣控制有關的機、液、氣等裝置，應用符號繪出簡圖，以表示其關系。

2.圖面區域劃分

為了便于檢索電氣線路，方便閱讀電氣原理圖，應將圖面劃分為若干區域。圖區的編號一般寫在圖的下部。圖1-29所示是鼠籠式電動機啟動、停止電路。圖面劃分為了6個圖區。圖的上方設有用途欄，用文字注明該欄對應的下面電路或元件的功能，以利于理解原理圖各部分的工作原理。

3.符號位置索引

由于接觸器、繼電器的線圈和觸點在電氣原理圖中不是畫在一起的，而觸點是分布在圖中所需的各個圖區，為了讀圖方便，在接觸器、繼電器線圈的下方畫出其觸點的索引表。

對于接觸器，索引表中各欄含義如下：

對于繼電器，索引表中備欄含義如下：

例如，在圖1-29中，接觸器KM的索引表，表示接觸器KM有三對主觸點均在3圖區內；1對輔助動合觸點在6圖區內，沒有使用輔助動斷觸點。

“x”表示沒有使用輔助動斷觸點，有時也可以采用省去“x”的表示法。

1.5.3 電氣控制線路的保護類型

在設計電氣控制系統時，必須考慮相應的保護措施，才能保證設備在某些非正常狀態或故障發生時，不致引起設備損壞或其他損失。常用的保護措施有短路保護、過載保護、過流保護、欠壓保護等。

1.短路保護

常用的短路保護元件有熔斷器和自動開關。

1）熔斷器保護

熔斷器的熔體串聯在被保護的電路中，當電路發生短路或嚴重過載時，它自動熔斷，從而切斷電路，達到保護的目的。

2）自動開關保護

自動開關又稱自動空氣斷路器，具有短路、過載和欠壓保護作用，這種開關能在線路產生上述故障時快速地自動切斷電源。

通常熔斷器比較適用于動作準確度和自動化程序較差的系統中，如小容量的籠型電動機、一般的普通交流電源等。在發生短路時，很可能造成一相熔斷器熔斷，從而造成單相運行，但對于自動開關，只要發生短路就會自動跳閘，將三相同時切斷。自動開關結構復雜，操作頻率低，廣泛用于要求較高的場合。

2.過載保護

常用的過載保護元件是熱繼電器。在電動機控制回路中，當電動機工作在額定電流時，熱繼電器不動作；在過載電流較小時，熱繼電器要經過較長時間才動作；過載電流較大時，熱繼電器則經過較短時間就會動作。過載電流越大，達到允許溫升的時間就越短。由于熱繼電器具有熱慣性，熱繼電器不會受電動機適時過載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時動作，因此在使用熱繼電器作過載保護的同時，必須設有短路保護，并且選作短路保護的熔斷器熔體的額定電流不應超過4倍熱繼電器發熱元件的額定電流。

3.過流保護

過流保護廣泛用于直流電動機或繞線轉子異步電動機。對于三相籠型電動機，由于其短時過電流不會產生嚴重后果，因此不采用過流保護而采用短路保護。

過電流往往是由于不正確的啟動和過大的負載轉矩引起的，一般比短路電流要小。在電動機運行中產生過電流要比發生短路的可能性更大，尤其是在頻繁正反轉啟制動的重復短時工作制動的電動機中更是如此。直流電動機和繞線轉子異步電動機線路中過電流繼電器也起著短路保護的作用，一般過電流動作時的強度值為啟動電流的的11.2倍左右。

4.零壓、欠壓保護

當電動機正在運行時，如果電源電壓因某種原因消失，那么在電源電壓恢復時，電動機就將自行啟動，這就可能造成生產設備的損壞，甚至造成人身事故。對電網來說，許多電動機及其他用電設備自行啟動也會引起不允許的過電流及瞬間電壓下降。為了防止電壓恢復時電動機自行啟動的保護叫零壓保護。

當電動機正常運轉時，電源電壓過分地降低將引起一些電氣觸點釋放，造成控制線路不正常工作，可能產生事故。電源電壓過分地降低也會引起電動機轉速下降甚至停轉。因此需要在電源電壓降到一定允許值以下時將電源切斷，這就是欠壓保護。

一般常用電壓繼電器實現欠壓保護。如圖1-30所示，電壓繼電器KZ起零壓保護作用，在該線路中，當電源電壓過低或消失時，電壓繼電器KZ就要釋放，因為此時主令控制器SA不在零位（SA0未閉合），所以在電壓恢復時，KZ不會通電動作，接觸器KM1或KM2就不能通電動作。若使電動機重新啟動，必須先將主令開關SA打回零位，使觸點SA0閉合，KZ通電動作并自鎖，然后再將SA打向正向或反向位置，電動機才能啟動。這樣就通過KZ繼電器實現了零壓保護。此外，在圖1-30中使用的電動機常用保護線路還有短路保護：熔斷器FU；過載保護（熱保護）：熱繼電器FR；過流保護：過流繼電器KA1、KA2；零壓保護：電壓繼電器KZ；低壓保護：欠電壓繼電器KV；互鎖保護：通過正向接觸器KM1與反向接觸器KM2的常閉觸點實現。

5.其他保護

在控制電路中因缺相或相序錯誤均可影響電動機的正常運行，甚至造成設備損壞。電動機缺相運行時容易導致燒毀，因此，在控制電路中增加缺相保護對電動機的正常運行是很有好處的。圖1-31所示為具有缺相保護的控制電路。該電路中有斷路器QF、熱繼電器FU、啟動按鈕開關SB1、停止按鈕開關SB2、熱繼電器FR及其觸點、中間繼電器KA1、交流接觸器KM等。當合上開關QF，按下SB1啟動開關后，KA1線圈得電吸合，其常開觸點閉合后自鎖，交流接觸器KM線圈得電也吸合，電動機得電。如果L1相或L2相因故障缺相，則KM線圈失電，其主觸點使電動機電源斷開電動機停止運轉；若L3相缺相，則中間繼電器KA1線圈失電，其閉合的常開觸點使接觸器KM線圈失電，同樣使電動機停止運轉，也起到缺相保護作用。

圖1-32所示為具有缺相與相序保護繼電器保護的控制電路。缺相與相序保護繼電器采用集成電路電壓取樣方式，集成電路電壓取樣方式保護具有與被保護電動機功率大小、電流等級無關的特點，能在電動機啟動前、運行中發生的任意缺相、錯相等故障時起到保護作用。此外，當三相電壓不對稱度大于13%時也能動作，起到保護作用。

電動機控制電路主要由按鈕SB1、SB2，接觸器KM和KJ缺相及相序保護繼電器組成， SB1、SB2控制電動機的運行和停止，KJ1和KJ2分別為其常開和常閉觸點。電源正常時繼電器KJ處于吸合狀態，若電動機在運行時由于某種原因缺相，KJ立即釋放，KJ1斷開，接觸器KM釋放，切斷電動機電源，從而起到保護電動機的作用。同時KJ2接通，指示燈HL亮，蜂鳴器HA響。在電動機啟動前電源若有缺相、錯相等不正常情況，保護電路也可防止電動機啟動，并能報警提示。