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《电气控制与PLC》教案

课程编号

编制人

制定日期

修订日期

审定组（人）

审定日期

陈芳

2004-1-2

李继中

2004-1-5

《电气控制与PLC》课程教学大纲

学分：

3～4

学时：

64

适用专业：

CAD/CAM专业

一．课程性质和任务

课程性质：

《电气控制与PLC》是CAD/CAM专业的专业选修课。

课程任务：

通过对《电气控制与PLC》的学习，学生应掌握常用电器的使用与选择、电气控制线路识图分析能力，PLC控制系统设计方法及用PLC实现机床典型电气控制线路的设计能力。

前期课程：

《电工技术》、《电子技术》等

后期课程：

《数控机床故障诊断与维修》、《毕业设计》等

二．课程基本要求

按专业要求，让学生在理论、技能、素质等方面达到如下要求。

知识要求：

熟练掌握机床常用电器的使用与选择、机床控制线路的基本环节、典型机床电气控制线路分析，PLC结构、内部资源、指令系统、编程方法及PLC控制系统的设计方法,掌握PLC在数控机床中的应用，并配合“数控铣床中级维修工种”考试进行教学。

技能要求：

熟练掌握机床常用电器的识别与检测，PLC控制系统的设计与编程，数控机床电气控制故障诊断与维修（尤其是梯图分析与编程）。

相关职业素质要求：

掌握机床电气控制系统的维护和安全防护。

三．教学内容及学时分配

知识单元

理论教学内容

学时

课内实验

学时

场所

教学用具

常用低压电器及选择

1．常用低压电器

3

2．常用低压电器的识别

2

实验室

投影仪，各类低压控制电器

基本控制环节及表示法

3．电气的逻辑表示及逻辑运算

1

6．基本控制环节实验

4

实验室

4．机床电气图识图

1

5．机床控制电路的基本环节

2

7．典型机床电气控制线路分析

1

PLC

概述

8．PLC概述及工作原理

2

基本逻辑指令

9．基本逻辑指令

6

10．编程方法与实践

8

工业中心

步进顺控指令

11．步进顺控指令

6

12．步进编程及实践

4

工业中心

功能指令

13．功能指令

6

14．功能指令编程实践

4

工业中心

PLC控制系统设计

15．系统设计方法、资源分析与选型、布局图、接线图

3

16.设计与实践

2

工业中心

数控机床维修

17．数控机床专用PMC指令

6

18.PMC指令编程与应用

2

工业中心

37

26

合计：

64学时

五．考核方式

成绩由平时上课、考查、作业、实验与期末考试等结合组成。

上课、考查、作业合计占20%，实验与技能占30%，期末考试占50%。

六．教材和参考书

教材：

《机床电气控制》，王炳实，机械工业出版社，第2版

《小型可编程控制器实用技术》，王兆义，机械工业出版社

参考书：

《可编程控制器原理及应用》，钟肇新，华南理工大学出版社，最新版

《机床电气控制技术》，齐占庆，机械工业出版社，第3版

《电气控制与PLC应用》，余雷声，机械工业出版社，最新版

《FANUC数控系统编程手册》,北京FANUC公司印制

第一章继电器一接触器控制系统……………………………………………………………

第一节机床常用电器及选择………………

第二节第二节机床电气原理图的画法规则………

第三节机床控制电路的基本环节…………

第四节典型机床电气控制线路分析………

第五节机床继电器一接触器控制系统的设计……………………

第六节机床电气控制线路故障检查与维修…………………………

本章小结………………………………………

思考与练习题……………………………

第一章继电器——接触器控制系统

●继电器——接触器控制系统（有触点的控制系统）

●plc控制系统（“无”触点的控制系统）

第一节机床常用电器及选择

一、开关电器（1.刀开关2.组合开关3.低压断路器）

（一）刀开关

1）定义：

刀开关（俗称闸刀开关）结构简单，由操作手柄、刀片、触头座和底板等组成。

2）

实物（塑壳/铁壳刀开关）：

型号

额定电流（安）

极数

额定电压

（伏）

可控电动机最大功率（千瓦）

配用熔丝规格

熔丝线径.毫米

HK1

15

30

60

15

30

60

2

2

2

3

3

3

220

220

220

380

380

380

1.5

3.O

4.5

2.2

4.0

5.5

1.45～1.59

2.30～2.52

3.36～4.00

1.45～1.59

2.30～2.52

3.36～4.00

HK2

1O

l5

30

1O

l5

30

2

2

2

3

3

3

250

250

250

380

380

380

1.1

1.5

3.O

2.2

4.0

5.5

0.25

0.41

0.56

0.45

0.71

1.12

塑壳开关的技术参数

3）刀开关安装

●手柄要向上，不得倒装或平装。

●应将电源线接在上端，负载线接在下端

4）刀开关的分类（极与投的概念）

●允许通过的电流有100A、200A、400A、600A、1000A五种

●常用型号有HD（单投）和HS（双投）等系列型号

5）刀开关的应用

●负荷开关有快断刀闸的刀开关与熔断器组合在一起的封闭式负荷开关，常用来控制小容量异步电动机的不频繁起动和停止，常用型号有HH4（铁壳开关）系列。

●用来控制不经常起停的小容量异步电动机时，其刀开关额定电流不要小于电动机额定电流的三倍。

双投开关原理图

（二）组合开关（电源隔离开关）

1．作用：

1）电源的引入开关

2）可以起停5kW以下的异步电动机，但每小时的接通次数不宜超过15～20次，开关的额定电流一般取电动机额定电流的1.5—2.5倍。

2．组成

3．组合开关的选用：

●

根据电源种类、电压等级、所需触头数及电动机容量进行选用。

●转换开关的常用产品有HZ5、HZl0系列。

●HZ5系列额定电流有10、20、40和60A四种。

●HZl0系列额定电流有10、25、60和100A四种

●适用于交流380V以下、直流220V以下的电气设备中。

（三）低压断路器（自动空气开关）

1.特点：

●不频繁接通和断开的电路

●电路发生过载、短路或失压等故障时自动切断电路。

2．原理：

3．型号与选择：

●低压断路器有DZl0、DZ5-20和DZ5-50系列，适用于交流电压500V、直流电压220V以下的电路中，作不频繁的接通和断开电路用。

●在选择低压断路器时，其额定电压和额定电流应不小于电路正常工作的电压和电流。

●热脱扣器的整定电流与所控制的电动机的额定电流或负载额定电流一致。

二、主令电器（发送控制指令的电器）

控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关

1．按钮

1）工作原理：

2）作用：

●短时接通或断开小电流控制电路的开关

3）分类：

●普通式按钮（红色停止，绿色起动）

●指示灯式按钮（内可装人信号灯显示信号）

●紧急式按钮（装有蘑菇形钮帽）

●旋钮式按钮（手扭动旋转）

4）参数：

●额定电压为交流380V、直流220V、额定电流5A

●触头数

2．行程开关（称限位开关，是有触点开关）

1）作用：

根据运动部件位置而切换电路的自动控制电器

2）工作原理：

3）分类：

机械式（按钮式和滑轮式）与电子式

单轮式（自动复位，单稳态）与双轮式（双稳态）

微动式

4）主要参数：

●允许操作频率为每小时1200～2400次

●机电寿命约为1×106～2×106次

●操作频繁时，易产生故障，工作可靠性较低

3．接近开关（无触点开关）

1）

分类：

有高频振荡型、电容型、感应电桥型、永久磁铁型、霍尔效应型

2）高频振荡型接近开关工作原理

3）特点：

工作稳定可靠、使用寿命长、重复定位精度高、操作频率高、动作迅速

4．万能转换开关

1）定义：

万能转换开关是一种多挡式控制多回路的主令电器

2）结构特点：

由操作机构、面板、手柄及数个触头座等主要部件组成，用螺栓组装成为整体。

触头座可有l～10层，每层均可装三对触头，并由其中的凸轮进行控制。

由于每层凸轮可做成不同的形状，因此当手柄转到不同位置时，通过凸轮的作用，可使各对触头按需要的规律接通和分断。

三、熔断器（保护电器，一次性使用）

1．作用：

熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。

2．组成：

●熔体（俗称保险丝）

●安装熔体的熔管（或熔座）

3．材料及特点：

●小电流的电路中，常用铅合金或锌做成的熔体（熔丝）

●大电流的电路中，常用铜或银做成片状或笼状的熔体

●由熔点低、易于熔断、导电性能良好的合金材料制成

4．工作原理：

熔体为元件，再次工作必须换成新的熔体。

切断被保护的电路

达到熔断温度,自动熔断

电流变大，熔体升温

短路或严重过载

5．类型：

瓷插（插入）式（RC）/螺旋式（RL）/密封管式（RM）

RL1系列螺旋式熔断器的技术数据

型号

熔断器额定电流／A

熔体额定电流／A

型号

熔断器额定电流／A

熔体额定电流／A

RLI-15

RLl-60

15

60

2,4,6，lO，15

20,25,30,35,40,50,60

RLI-100

RLl-200

lOO

200

60,80,100

100,125,150,200

表1—2RCl系列插入式熔断器的技术数据

型号

熔断器额定电流／A

熔体额定电流／A

型号

熔断器额定电流／A

熔体额定电流／A

RCI-10

RCI-15

RCl-30

lO

15

30

1,4,6,10

6，lO，15

20,25,30

RCI-100

RCI-200

100

200

80.100

120,150,200

6．选择方法：

●确定熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。

●熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。

●熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。

●熔体额定电流的选择：

1）照明线路：

Ifu≥I

Ifu为熔体的额定电流,I为电路的工作电流

2）单台电动机线路：

Ifu≥（1.5～2.5）IN

3）多台电动机线路：

Ifu≥（1.5～2.5）INMAX+∑IN

RS0、RS3系列快速熔断器的发热时间常数小，熔断时间短，动作快，主要用作电力半导体器件及其成套设备的过载及短路保护。

四、交流接触器

（一）定义：

是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。

（二）分类：

（按主触头通过电流的种类）分为直流、交流两种。

（三）结构原理：

电磁机构+触头系统+灭弧装置+其他部件

（1）电磁机构=线圈+动铁心（衔铁）+静铁心

（2）触点系统=主触头+辅助触头

（3）灭弧装置及作用：

容量在10A以上的接触器都有灭弧装置

当触头断开大电流时，在动、静触头间产生强烈电弧，会烧坏触头并使切断时间拉长。

为使接触器可靠工作，必须使电弧迅速熄灭，故要采用灭弧装置。

（4）其他部件=反作用弹簧+触点压力弹簧+传动机构+外壳

CJ1O系列交流接触器技术数据

型号

触头额定电压

主触头额定电流

辅助触头额定电流

额定操作频率

可控制电动机功率／kw

V

A

A

次／h

220V

380V

CJl0-5

CJIO-IO

CJIO-20

CJIO-40

CJl0-60

CJl0-100

CJIO-150

500

5

10

20

40

60

100

150

5

600

1.2

2.5

5.5

11

17

30

43

2.2

4

10

20

30

50

75

（四）选择：

●主触头的额定电压、额定电流（主要依据）；

●辅助触头的数量与种类；

●吸引线圈的电压等级、操作频率。

（五）对于电动机负载可按下列经验公式计算：

电动机的额定功率（kw）

电动机的额定电压（v）

（六）CJlO系列交流接触器的吸引线圈的额定电压有36、110（127）、220和380V四种

五、继电器

（一）定义：

继电器是一种根据某种输入信号的变化，而接通或断开控制电路，实现控制目的的电器。

（二）输入信号及种类：

●电流、电压

●温度、速度

●时间、压力

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、热继电器和电子式继电器

（三）电磁式继电器

●

分类：

直流和交流

●作用：

接通和断开控制电路

吸引电流（电压）

释放电流（电压）

磁路的气隙和磁阻

释放弹簧4调紧

增大

大

非磁性垫片8增厚

不变。

增大

增大

初始气隙增大

增大

不变

●特点：

触头电流容量较小（一般5A以下）

1．电流继电器

1）连接：

电流继电器的线圈串接在被测量的电路中，以反映电路电流的变化。

2）特点：

电流继电器线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。

3）分类：

欠电流继电器/过电流继电器

2．电压继电器

1）连接：

并联电压线圈

2）特点：

匝数多，导线细，阻抗大。

3）分类：

过电压/欠电压/零电压继电器

●过电压：

IN（110％～115％）

●欠电压:

IN（40％～70％）

●零电压:

IN（5％～25％）

3．中间继电器（电压继电器）

1）作用：

当其他继电器的触头数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，起到中间转换的作用。

2）连接：

并联电压线圈

3）特点：

匝数多，导线细，阻抗大。

触头数多（多至6对或更多）

触头电流容量大（额定电流5～1OA）

动作灵敏（动作时间不大于0.05s）。

表1.4JZ7系列中间继电器技术数据

型号

触头额定电压

触头额定电流

触头数量

吸引线圈额定电压／v

额定操作频率

V

A

常开

常闭

次／h

JZ7-44

JZ7-62

JZ7-80

380

5

4

6

8

4

2

O

12,36，11O，127,220,380

1200

4．

图形与文字符号：

●电流继电器的文字符号为：

KI，线圈方格中用>（或<）表示过电流（或欠电流）继电器

●电压继电器的文字符号为KV，线圈方格中用u<（或u=0）表示欠电压（或零电压）继电器。

（四）时间继电器

1）作用：

通过触头延时接通或断开电路的控制电器。

2）分类：

电磁式/空气阻尼式/电动式/晶体管

1．空气阻尼式时间继电器

1）优点：

结构简单、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点，所以应用较为广泛。

2）缺点：

准确度低、延时误差大（±10％～20％），因此在要求延时精度高的场合不宜采用。

其

2．晶体管式时间继电器（文字符号为KT）

晶体管式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便及寿命长等优点，所以发展很快，应用日益广泛。

晶体管式时间继电器常用产品有JSJ、JSB、JJSB、JSl4、JS20等系列。

选择时间继电器主要根据控制电路所需要的延时触头的延时方式、瞬时触头的数目以及使用条件来选择。

（五）热继电器

1．作用：

电动机的过载保护、断相保护及其他电气设备发热状态的控制（不能起短路保护作用）。

2．工作原理：

3．操作：

1）按下复位按钮6，热继电器复位。

2）电流的整定：

按电动机的额定电流整定。

3）选择：

根据电动机的额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。

电动机参数

选择:

JR0-40型热继电器

额定电流为14.6A额定电压380V

热元件电流等级为16A

电流调节范围为10～16A

电流整定为14.6A。

表1-5JR0-40型热继电器的技术数据

型号

额定电流／A

热元件等级

额定电流／A

电流调节范围／A

JR0--40

40

0.64

0.4～0.64

1

0.64～l

1.6

l～1.6

2.5

1.6～2.5

4

2.5～4

6.4

4～6.4

10

6.4～10

16

10～16

25

16～25

40

25—40

（六）速度继电器

1．主要作用：

笼型异步电动机的反接制动控制，亦称反接制动继电器。

2．组成与结构：

●转子——一个圆柱形永久磁铁

●定子——一个笼型空心圆环，由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。

●触头系统

3．参数：

◆一般速度继电器的动作转速为120r／min

◆触头的复位转速在100r／min以下

◆转速在3000—3600r／min以下能可靠工作。

表1.6JY1型和JFZO型速度继电器技术数据

型号

触头容量

触头数量

额定工作

转速

允许操作频率

额定电压／V

额定电流／A

正转时动作

反转时动作

r／min

次／h

JYI

JFZO

380

2

l组转换触点

1组转换触点

100～3600

300～3600

<30

（七）固态继电器（solidStateRelay，简称SSR）

1．特点：

●无触点继电器，与TTL、CMOS等集成电路有较好的兼容性。

●可靠性高、开关速度快和工作频率高、使用寿命长。

●小型化、输入控制电流小。

●是一种四端器件（两个输入端和两个输出端）

2．应用领域：

●自动控制装置中替代了常规的继电器

●数据处理系统的终端装置

●微型计算机、可编程序控制器的输出模块

●数控机床的程控装置

●微机控制的测量仪表

3．分类：

（按输出端负载的电源类型）

●直流型——以功率晶体管的集电极和发射极作为输出端负载电路的开关；

●交流型——以双向三端晶闸管的两个电极作为输出端负载电路的开关。

●（按输出分类）：

常开式和常闭式

●（交流型）按双向三端晶闸管的触发方式可分为：

非过零触发型——当输入端施加控制信号电压时，负载端开关立即动作。

过零触发型——当输入端施加控制信号电压时，必须等到交流负载电源电压过零（接近OV）时，负载端开关才动作。

输入端控制信号撤消时，必须等到交流负载电源电压过零时负载端开关才复位。

．表1.7国产固态继电器主要技术数据

输入

输出

隔离性能

开关速度

驱动电压／V

驱动电流／mA

断态重复峰值电压／V

有效输出电流／A

峰值单周浪涌电流／A

工作频率／Hz

导通压降／V

绝缘耐压／V

换接时间／ms

3～30

3～lO

50llO220

1～40

10～300

45～65

<2

1500

4．工作原理：

MOS逻辑信号+晶体管缓冲级放大+继电电路+被控对象

CMOS逻辑信号+NPN晶体管缓冲放大+继电电路+被控对象

MOS逻辑信号+功率晶体管放大+直流继电电路+被控对象

MOS逻辑信号+双向晶闸管放大+交流继电电路+被控对象

5．使用注意事项：

1）当温度超过35℃后，注意散热或降低电流使用。

2）对于容性或阻性负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流值（一般为负载电流的7倍）。

3）对于电感性负载，应限制其瞬时峰值电压，以防损坏固态继电器。

6．用固态继电器控制三相异步电动机线路图

（八）低压电器的命名低压电器产品型号类组代号

代号

名称

A

C

D

G

H

J

K

L

M

P

R

S

T

U

W

X

Y

Z

H

刀开关转换开关

刀开关

封闭式负荷开关

开启式负荷开关

熔断器式刀开关

刀形转换开关

其它

组合开关

R

熔断器

插入式

汇流排式

螺旋

式

封闭

管式

快速

有填料管式

限流

其它

自复位

D

自动开关

照明

灭磁

快速

框架式

限流

其它

塑料外壳式

C

接触器

高压

交流

中频

时间

其它

直流

J

继电器

电流

热

时间

通用

温度

其它

中间

L

主令电器

按钮

接近

开关

主令控制器

主令开关

足踏开关

旋钮

万能转换开关

行程

开关

其它

第二节机床电气原理图的画法规则

定义：

为了便于电气控制系统的设计、分析、安装、调整、使用和维修，将电气控制系统中各电气元件及其连接线路，用图形表达的方法——画法规则，这种图就是电气控制系统图。

●电气原理图

●电器元件布置图

●电气安装接线图

一、图形符号和文字符号国家标准

1.GB／T4728—1996—2000《电气简图用图形符号》

2.GB／T6988.1—4—2002《电气技术文件的编制》

3.GB／T6988.6—1993《控制系统功能图表的绘制》

4.GB／T7159—1987《电气技术中的文字符号制订通则》。

二、电气原理图

1．绘制电气原理图的基本规则

1）先布局，主辅分，

2）先上下，再左右；

3）主左粗，辅右细。

4）画图形、标字符、辩器件；

5）画触点，原始态；

6）画接点，辩交叉；

1．图面区域的划分

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

A9

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

B9

C1

D1

D2

2．符号位置的索引

3．电气原理图中技术数据的标注

1）在电气元件明细表中标明

2）用小号字体注在其图形符号旁边

3）导线的截面积可引出标注。

三、电气元件布置图

机床电气元件布置图主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图，操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。

在绘制电气设备布置图时，所有能见到的以及需表示清楚的电气设备均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，其他设备（如机床）的轮廓用双点划线表示。

四、电气安