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电梯117--P118
2)另外随着市场竟争的加剧,产品周期不断缩短,生产工艺参数不断发生变化,如果采用继电器控制系统采用改变接线的方法来满足工艺要求是非常困难的事情。
所以在1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标,并从用户的角度提出了新一代控制器应具备的十大条件,引起了开发热潮。
可编程控制器(ProgrammableController,简称Pc)是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出的,并逐渐发展成为以微处理器为核心,把自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体的新型工业自动控制装置,在近30年来它得到了迅猛的发展,至今已成为工业生产自动化三大技术支柱(机器人技术、CAD/CAM技术和PLC技术)之一,被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。
早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制,因此被称为可编程逻辑控制器简称PLC。
而PC这个名字现已成为个人计算机的专称,为了区别,现在常把可编程控针器简称为PLC。
国际电工委员会(IEC)于1985年(修订版)对可编程控制器PLC作了如下定义:
“PLC是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统,它采用一种可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,并易于扩充其功能的原则设计。
”
事实上,近年来PLC技术发展很快,每年都推出不少新产品,其功能已超出上述定义范围。
世界上第一台PLC是在1968年由美国通甩汽车(GM)公司首先提出的,并于1969年美国数字设备公司(DEC)研制成功。
当时GM公司为适应世界上汽车型号不断更新的形势,以求在激烈竞争的汽车工业中取得优势,设想试制一种尽可能减少因汽车型号改变而需要重新设计的汽车装配线上各种控制继电器线路的方法,以期降低生产成本和缩短新产品的开发周期。
为此提出了10项招标指标:
①用户编程方法简单易行,现场可修改程序;
②维修方便,采用插件或模块式结构;
③可靠性应明显高于原继电器盘;
④体积应显著地小于原继电器盘;
⑤生产成本应与原继电器盘有较强的竞争能力;
⑥数据可直接送人管理计算机,以便用户操作;
‘
⑦输入的开关量信号应可以高于115V的电压信号;
⑧输出的驱动信号应具有交流115V,2A以上的容量,可直接驱动电磁阀和接触器线圈等;
⑨具有灵活的扩展能力,扩展时不需对原系统的硬件做很大的改动;
⑩用户程序的容量至少应在4K以上。
最后由DEC公司中标。
这10项指标至今仍是可编程控制器的基本要求。
1969年,DEC公司研究出PLC样机PDP--14安装在美国底特律市通用汽车公司的汽车装配线上,以替代传统的继电器控制盘并取得明显效果。
后来DEC公司却专注于小型计算机的研制,没有参与PLC的角逐。
第一个把PLC真正商品化的是美国哥德(GOULD)公司,时间也是1969年,其型号为084。
PLC一投入市场就获得了全面的成功,加之原来工业控制设备绝大多数都是以继电器为中心的常规元件组成的系统,这为PLC提供了巨大的市场,促使PLC这项新技术得到了迅速的发展。
1971年日本从美国引进这项新技术,研制成日本第一台可编程控制器DSC一8。
随后西欧各国也开始开展这方面的研究,德国和法国在1973~1974年相继研制出自己的第一台PLC。
1974年我国也研制出PLC。
目前,可编程控制器正朝着两个不同的方向进一步发展。
一个方向是向简易、廉价和超小型发展,以占领小型、分散和简单功能的工业控制市场。
同时也便于适应机电一体化的要求,因为机电一体化的核心问题是控制系统的微型化,因此首先要研究PLC中所用器件的微型化。
例如现在美国和日本已研制出光控晶闸管、MOS双基极管等。
另一个方向是向大型化、高速度、多功能和分散型、多层次全自动化网络发展,这种系统不仅具有逻辑运算、计数、定时、数值计算、模拟量控制、监控、记录、显示以及与计算机接口并作数据传送等一般功能,同时还具有中断控制、智能控制、过程控制和远程控制等高级功能,此外I/O的点数进一步扩大,最多已达3200点;
处理数据的速度进一步提高;
PLC的通信协议进一步规范化,由美国GE公司研制的制造自动化通信协议(ManufacturingAutomationProtocd,MAP)已得到包括美国一些PLC的主要制造厂商(如IBM公司、DEC公司、HP公司和MOTOROLA公司)在内的世界各大公司的认可和使用,成为世界上比较通用的协议,为建立全自动化工厂生产系统提供了良好的基础。
我国对可编程控制器的研究和应用始于20世纪70年代中期。
1974年我国首先仿制了美国生产的第二代PLC。
1977年我国又采用了美国MOTOROLA公司的一位机MCl4500集芯片,研制成了我国第一台具有实用价值的PLC,不仅有了批量的产品,而且开始应用于工业生产控制。
在以后的几年里,我国积极引进国外的PLC生产线,建立一些合资企业,并开发自己的产品,如1982年天津自动化仪表厂与美国哥德公司签订了散件组装PLC的协议;
1986年辽宁无线电二厂从德国SIEMENS公司引进了生产S5一101U和S5一115U系列PLC生产线等。
二、继电器控制系统与PLC控制系统的比较
如图(a)是一个继电器控制系统,其输入对输出的控制是通过接线程序来实现。
输入设备(按钮、行程开关、限位开关和传感器等)用以向系统输入控制信号。
输出设备(接触器、电磁阀等执行元件)用以控制生产机械和生产过程中的各种被控对象(电动机、电炉等)。
在继电器控制系统中,控制程序的修改必须通过改变接线来实现。
如果支配控制系统工作的程序是存放在存储器中,系统的控制任务是通过存储器中的程序来实现,这样的控制系统称为存储程序控制系统,其程序是由程序语言表达的,所以又称软件程序。
可编程控制器就是一种存储程序控制器,如图(b)为可编程控制器控制系统,其输入和输出设备与继电器控制系统相同,但它们是直接接刭PLC的输入和输出端的。
控制程序是通过一个编程器而写到PLC的程序存储器中,每个程序语句确定了一个顺序,运行时依次读取存储器中的程序语句,对它们的内容解释并加以执行.执行结果用以接通输出设备,控制被控对象。
在PLC控制系统中,控制程序的修改只须通过改变程序来实现。
本章主要介绍常用控制电器和电动机的各种基本继电器控制系统。
(a)继电器控制系统
(b)PLC控制系统
图1一l继电器控制系统与PLC控制系统的比较
三、PLC的特点和功能
可编程控制器之所以能在工业生产中得到广泛的应用,是由于它具有通用计算机所不及的各种显著的特点和功能。
1.PLC的特点
PLC实际上是一种工业计算机,是专为工业环境下应用而设计的,它以先进的计算机技术来满足工业生产用户的实际需要,于是它具有下述各种对用户至关重要的特点。
(1)很高的可靠性
由于工业生产的环境条件远比通用计算机所处的环境(如计算机房和办公室等)差,所以要求PLC具有很强的抗干扰能力,能在恶劣的环境中长期可靠地运行。
(2)用户使用方便
①编程方便
PLC的设计是面向控制过程,面向企业中一般电气工程技术人员,因此在做PLC的操作系统和编程语言设计时,采用他们比较熟悉和易于接受的类似于继电器电路的梯形图编程方法,这种编程方法不仅具有对控制过程有清晰的直观感的优点,而且编程方法简单易学,不容易出错。
尤其重要的是现在电气技术人员对继电器控制电路都比较熟悉,所以无论是设计生产线,还是改造原有设备,他们都非常容易使用和推广PLC,这也是PLC得以迅速发展和应用的重要原因之一。
采用梯形图编程方法所付出的代价有两个方面:
一是需要PLC的设计者编制比较复杂的梯形图解释程序;
二是由于PLC在执行指令的过程中需要逐条予以解释,因此降低了程序执行的速度.但一般PLC所控制的对象多数是机电控制设备,这些滞后的时间(数量级)是微不足道的,尤其现在PLC的主频越来越高,这种解释自然就越来越短,滞后问题也越来越不突出。
总的来说,付出这些代价是值得的,也是可行的。
②操作方便
在PLC上编程时经常只使用数量有限的专用键,操作非常方便,一般编程人员不需要具有专门的计算机知识,只需要经过不长时间的培训即可掌握编程方法。
③维修方便
现在的PLC一般都或多或少具有一定的故障自诊断能力和PLC运行过程的监控能力,所以在系统出现故障时,维护人员往往可通过各种异常状态的指示或自诊断结果的显示,比较快地确定故障的位置,以便迅速处理和修复。
譬如PLC都具有I/O通道的状态指示、RAM后备电池的状态显示、存储器数据的奇偶检测结果指示、数据通信异常和PLC中内部电路运行异常等显示。
(3)易于机电一体化
由于微电子工业的迅速发展,集成电路的制造水平不断提高,使PLC设计得非常紧凑,体积很小,抗震防潮和耐热能力增强,从而可靠性进一步提高,因此就有可能将PLC安装到每个机械设备的内部,与机械设备有机地融合在一起,真正做到机电一体化。
2.PLC的主要功能
由于PLC把自动化技术、计算机技术和通信技术融为一体,它能完成以下功能:
(1)逻辑控制
PLC设置了与(AND)、或(OR)、非(NOT)等逻辑指令,能处理继电器接点的串联、并联、串并联等各种连接,因此它可以代替继电器进行开关控制。
(2)定时控制
PLC为用户提供了若干个计时器(定时器),并设置了计时指令。
计时器的计时值可由用户在编程时设定,也可用拨码盘开关设定,计时器的计时值可在运行中被读出,也可在运行中被修改,使用灵活,操作方便。
程序投入后,PLC将根据用户设定的计时值对某个操作进行限时控制和延时控制,以满足生产的要求。
(3)计数控制
PLC为用户提供了若干个计数器,并设置了计数指令。
计数器的计数值可由用户在编程时设定,也可用拨码盘开关设定,计数器的计数值可在运行中被读出,也可在运行中被修改,使用灵活,操作方便。
程序投入运行后,PLC将根据用户设定的计数值对某个输入信号计数,并对某个操作进行计数控制,以满足生产要求。
(4)步进控制
PLC为用户提供了若干个移位寄存器,用于步进控制,即在一道工序完成后,再进行下一步工序。
有些PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令和鼓形控制器操作指令,编程和使用极为方便,容易实现步进控制的要求。
(5)A/D、D/A变换
有些PIE还具有A/D、D/A变换功能,完成对模拟量的控制和调节。
(6)数据处理
有些PLC还具有数据处理功能,它具有并行运算指令,能进行数据并行传送,BCD的加、减、乘、除、开方等运算,还能进行字与、字或、求反、逻辑移位、算术移位、检索数据、比较、数制转换、16—4编码、4一16编码、译码等操作,PLC还可与打印机相连,打印出程序和有关数据及梯形图。
(7)通信联网
有些PIE采用了通信技术,进行远程的I/O控制,多台PLC之间可进行通信,PLC可与上位计算机进行通信,接受计算机的命令,并将执行结果告诉计算机。
由一台计算机和若干台PLC可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,以完成较大规模的复杂控制。
PLC在通信系统中,一般采用RS一232接口,也可采用RS一422接口和光通信。
(8)监控
PLC配置了较强的监控功能。
它能记忆某些异常情况,或在发生异常情况时自动中止运行。
在控制系统中,操作人员通过监控命令可监视有关部分的运行状态,可调整计时、计数等设定值。
当然,PLC并非十全十美,其缺点是:
(1)PLC工作速度较计算机慢,输出对输入的响应有滞后现象。
(2)使用中、高档PLC,要求使用者具有相当的计算机知识。
四、PLC的应用
由于PLC具有上述的许多优点,因此在工业控制方面,目前PLC已广泛应用于冶金、化工、轻工、机械、电力、建筑、交通和运输等工业企业。
根据PLC控制类型的不同,PLC应用于以下几个方面。
1.开关逻辑控制
这是PLC最基本的控制,主要用于替代继电器电路完成如顺序、联锁、计时和计数等一类的数字控制,例如机床、电梯、起重机、皮带运输机等控制就是开关逻辑控制的典型应用。
2.闭环自动控制
具有连续量控制的闭环控制系统。
随着PLC规模的扩大,PLC控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个,因此它已用于复杂闭环控制系统,例如锅炉运行控制、自动焊机控制等控制都是闭环自动控制的典型应用。
3.机械加工的数字控制
机械加工是机器制造工业中的主要部门,也是PLC应用得最普遍的领域之一。
4.机器人控制
机器人是工业生产自动线中不可缺少的重要设备,成为工业生产自动化的三大支柱之一。
由于人工视觉等高新技术逐渐完善,各种高性能的机器人也相继出现,现在不少机器人制造公司也选用PLC作为机器人的控制器,使PLC在机器人制造行业中有一定的地位。
随着PLC体积的进一步缩小,功能的进一步增强和完善,PLC在机器人中的应用必将更普遍,成为PLC的一个主要应用领域。
5.多级网络控制系统
由于近期生产的PLC都具有通信功能,因此它们都具有很强的联网能力。
五、本课程性质及在工厂实际中的作用:
1、本课程性质:
是一门实用性很强的专业课。
《电气控制与PLC应用》属于《电气控制技术》范畴,对电气自动化技术专业的来说,本课程是一门主要的专业课,处专业知识结构末端,贴近于实际应用。
如果说我们以前所学的一些电工电子、自动控制理论、电机原理等课程是属专业基础,为知识铺垫话,则本课程便是我们所学知识最后目标,控制的最终环节是控制执行机构作出动作,实现控制目标。
如电动机的正转、反转与停止,电磁阀的开和关,电动调节阀的开度的增加与减少、电磁铁得电与失电等。
而本课程的内容则是以电动机或其它执行器为控制对象,通过一些实际应用电路介绍如何采继电器接触器控制系统和PLC控制系统控制执行机构按照要求有序动作,从而实现控制目标。
2、电气控制技术在工厂实际中的作用:
在工厂实际中,大多数的机械设备的驱动是电驱动,是以电动机、电磁阀、电磁铁等作为执行器,所以作为该类执行器的控制“电气控制技术”在实际工业过程中应用十分广泛,可以说是无处不在。
六、本课程的学习任务:
1、电气控制技术内含
电气控制技术含:
继电器控制技术
微处理器技术-----PLC控制技术
-----单片机控制技术
-----嵌入工控机控制技术
-----DCS控制技术
我们这本书上主要是向大家介绍继电器控制技术和PLC控制技术,通过这两种控制技术实现对执行机构的有序、可靠和经济控制。
注:
解泽有序、可靠和经济
所以本书分为两大部分,一至四章节讲的是继电器控制技术,五至九章节讲的是PLC控制技术。
2、学习要求:
1)熟悉常用控制电器的结构原理、用途、型号与选用及图形符号与文字符号(第一章)。
2)熟练掌握电气控制的基本环节(第二章),具备阅读和分析电气控制电路的能力(第三章),能设计简单的电气控制电路(第四章)。
3)熟悉PLC的分类、应用、组成及其基本工作原理(第五章)。
4)熟练掌握FX2系列和S7-200系列PLC的结构及基本指令系统(第六、第七章、)
5)典型电路的的设计编程与通讯、程序的下载与监控。
(第八章)
第一章常用低压电器
一、教学基本要求:
1.了解常用低压电器的基本知识
2.熟悉常用低压电器的结构原理、型号、主要参数及用途、图形与文字符号。
二、教学的重点、难点:
1)教学重点
熟悉常用低压电器,为正确选择、合理使用及简单维修低压电器打下基础。
2)教学难点
常用低压电器的结构、工作原理、型号规格、用途及图形与文字符号。
三、教学的方法:
通过实物的分解、展示、让学生了解低压电器的结构与原理;
通过应用实例让学生了解其应用。
四、教学内容:
见后面
五、小结
六、作业
低压电器的定义:
工作在交流1200V、直流1500V及以下的电路中用以实现检测、变换、调节、控制、保护等作用的电器。
采用电磁构成的低压电器---电磁式低压电器;
采用电子集成电路构成的低压电器----电子式低压电器;
第一节低压电器基本知识
一、低压电器的分类:
按用途分:
1.低压配电电器:
用于供配电中实现电能的输送和分配的电器。
如企业车间配电室配电柜内电器、住宅内的配电箱中的刀开关、低压断路器、熔断器等。
2.低压控制电器:
用于实现控制功能的电器。
如按钮、接触器、继电器等。
3.低压主令电器:
用于发送控制指令的电器。
如按钮、主令开关、行程开关、转换开关等
4.低压保护电器:
用于实现对电路和设备保护的电器。
如熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器等。
5.低压执行电器:
用于执行某一动作电器。
如电磁铁、电磁离合器等。
二、电磁式低压电器的基本结构:
电磁式低压电器由电磁机构和触头系统两大部分组成。
通过给同学们分解接触器介绍其结构。
(一)电磁机构:
1。
电磁机构的结构:
电磁机构是由吸引线圈、铁心、衔铁三部分组成。
按衔铁对铁心的运动方式有直动式与拍合式,如教材P4的图1-1的a)和b),吸引线圈用以将电能转换为磁能。
1)按线圈通入电流的性质可分为:
直流电磁机构:
线圈:
一般做成无骨架、高而薄的瘦高型;
铁心和衔铁:
用电工软铁铁制成。
线圈与铁心直接接触,易于散热;
交流电磁机构:
由于铁心存在磁滞和涡流损耗,造成铁心发热,为此,
铁心与衔铁:
用硅钢片叠制而成,且为改善铁心与线圈的散热,
设有骨架,使线圈与铁心隔开,并将线圈做成矮胖型。
2)按线圈在电路中的联接方式分为:
串联线圈:
又称电流线圈。
线圈线径粗、匝数少。
联联线圈:
又称电压线圈。
线圈线径细、匝数多。
2.电磁机构的工作原理:
当吸线圈通入电流后,产生磁场,磁通经铁心、衔铁和工作气隙形成闭路,产生电磁吸力,当吸力大于弹簧力时,将衔铁吸向铁心。
当吸引线圈断电时,弹簧力大于剩磁力,使衔铁释放。
电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示。
(1)反力特性:
反力特性是表示电磁机构的弹簧力F与间隙δ的关系实际上为弹簧力F与位移量X间关系
图1-2a)
我们知道弹簧力F与位移X的关系:
F=K1X
在δ2常开触点闭合,由于超行程作用,F在δ2处的有突变。
(2)直流电磁机构的吸力特性:
电磁机构的吸引力与很多因素有关,当铁心与衔铁端面相互平行时,吸引力可表示为:
F=4B2S×
105
F—电磁机构衔铁所收吸力,单位为N;
B—气隙的磁感应强度,单位为T;
S—吸力处端面积,单位为㎡
当端面积S为常数时,吸力F与B的平方成正比,F与磁通φ平方成正比,即
F∝φ2/SF∝φ2
Φ=IN/Rm=IN/(δ/μ0S)=INμ0S/δ
直流电磁机构,当直流励磁电流稳定时,磁路对电路无影响,所以,励磁电流I不受气隙影响,即IN为定值。
F∝φ2F∝(1/δ)2
即直流电磁机构的电磁吸力F与气隙的平δ的平方成反比。
直流电磁机构磁场力F与气隙δ的关系;
励磁电流I与气隙δ的关系如图1-2b)所示。
电磁吸力F吸合后比吸合前大得多;
励磁电流I吸合前与吸合后保持不变。
图1-2b)直流电磁机构吸力特性
(3)交流电磁机构吸力特性
A.交流电磁机构瞬时吸力特性F(t)
交流励磁时,电压U、磁通φ、磁感应强度B都是随时间作正弦规律变化,为分析方便,令气隙中磁感应强度;
B(t)=Bmsinωt
交流电磁机构电磁吸力的瞬时值
F(t)=4B2(t)S×
105=4BmS×
105sin2ωt
=2×
105Bm2S(1-cos2ωt)
=4B2S(1-cos2ωt)×
=4B2S×
105-4B2S×
105cos2ωt
=F—-F~
式中B=Bm/
一周内的平均吸力:
FAV=
=4B2S×
105[
]
其波形如图1-3所示
图1-3交流电磁机构电磁吸力随时间变化曲线
由上分析可知:
F(t)是由直流分量和交流分量两部分组成,是脉动的,在50Hz工频下,1秒内100次过零点,在过零点附近必然会产生电磁吸力小于弹簧力,而使衔铁释放;
在离开过零点后,电磁力又大于弹簧力,使衔铁重新吸合,这样就会出现100Hz的衔铁抖动.我们通过短路环,使原磁通Ф变为Ф1和Ф2,Ф1在环内由于短路环的影响相位上发生了位移,因此由Ф1和Ф2产生的电磁吸力F1和F2也存在相位差.虽然F1和F2都有各自的过零点,但过零点的时间是错开的,F1和F2的合力F总是大于零的并且大于弹簧反力,从而避免了衔铁的振动。
B.交流电磁机构平均吸力特性FAV
交流电磁机构吸引线圈有:
U=E+IR,因为线圈的直流电阻R远比感抗XL小得多,所以U≈E=4.44fφmN
U-线圈电压有效值,单位为V;
E-线圈感应电动势,单位为V;
f-线圈电压的频率,单位为Hz;
N-线圈匝数;
φm-气隙磁通最大值,单位为Wb
当外加电源电压U、频率f和线圈匝数N为常数时,则气隙磁通φm也为常数,而电磁吸力F的平均值也为常数,由U=4.44fNФm,当U一定时,Фm也基本不变。
所以,交流电磁机构的平均吸力基本不变,实际上,考虑漏磁的影响,平均吸力随δ减小略有增加。
如图1-2c)所示。
C.交流电磁机构吸合电流特性
根据Фm=ImN/Rm,在衔铁未吸合时,磁路中因气隙磁阻加大,要维持同样的磁通Фm,所需的厉磁电流,比衔铁吸合后要大得多。
吸合前与吸合后的比值,U形电磁机构为5-6倍;
E形电磁机构为10-15倍。
所以,交流电磁机构的线圈通电后,如果衔铁因卡不能吸合,或交流电磁机构频繁动作,都会引起因励磁电流过大而烧坏线圈。
图1-2c)交流电磁机构吸力特
(4)吸力特性和反力特性的配合
电磁机构欲使衔铁吸合,在吸合过程中,吸力必须始终大于反力,即吸力特性必须处于反力特性的上方;
电磁机构欲使衔铁释放合,其反力必须大于弹簧力,即剩磁吸力特性必须处于反力特性的下方;
3.电磁机构
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