《电气控制及PLC技术》学习笔记
本节介绍了一些常见的电气控制线路，分析其设计思路及工作原理。
电气控制线路设计概述
电气控制线路可分为主电路与控制电路两部分。其中，主电路是从电源到电动机的电路（强电），通常画在电气原理图左侧；控制电路一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触点、继电器的触点等组成（弱电），画在电气原理图右侧。
电气控制线路的设计需要满足技术、经济、施工容易、维修方便等要求。
节省连接导线
图b相较于图a节省导线
图1 节省连接导线的控制线路
图中展示的是可以实现起保停控制的多地点电气控制线路，其中SB1为总停止按钮，SB2为支路停止按钮，SB3与SB4为两个并联的长动按钮，按动其中任意一个都可实现主电路的持续导通。
在实际控制线路中，SB1、SB3、SB4通常安装在电气控制柜门上，而SB2作为支路停止按钮，通常安装在电气柜外（如机床、传送带机头），与其余三个按钮之间的距离较远，通过一根较长的二芯电缆（包含两条电线，一进一出，接在SB2与电气柜内的端子排上）实现SB2与控制柜内电气元件的连接。
图a的接线路径：电源->SB1（柜门面板）->柜内端子排（二芯电缆进线，柜内较长线路）->SB2（控制柜外）->柜内端子排（二芯电缆出线）->SB3（柜内较长线路）->线圈KM（柜内较长线路）->返回电源
SB3两端与SB4、常开KM并联
图b的接线路径：电源->SB1（柜门面板）->SB3（柜门面板）->柜内端子排（二芯电缆进线，柜内较长线路）->SB2（控制柜外）->柜内端子排（二芯电缆出线）->线圈KM（柜内较短线路）->返回电源
SB3两端与SB4、常开KM并联
比较两个接线路径，可知图b的二芯电缆出线到线圈KM的柜内的线路较短（端子排与接触器KM均在控制柜内，距离较短），而图a的二芯电缆出线需要先连接到柜门上的SB3，再从柜门回到柜内的接触器线圈，线路较长。因此图b相较于图a节省导线。
减少控制触点（提高可靠性）
图2 减少控制触点的控制线路
图中若常开触点K闭合，则KA1线圈接通，常开触点KA1闭合，进而使KA2线圈接通，常开触点KA2闭合，最后KA3线圈接通。
图b控制电路每一个继电器线圈电流仅流过一个触点，可靠性得到提高。
在满足动作要求的条件下，所用的电器越少、触点越少，控制线路的故障机会率就越低，工作的可靠性就越高。
防止竞争现象（以反身自停电路为例）
图a电路存在电气导通的竞争现象。图b为无竞争的反身自停电路。电气竞争：同一回路中两个触点存在先后动作时序差，若触点动作速度与设计逻辑预期相反，会导致电路逻辑紊乱、动作失效的现象。
防止竞争现象：继电—接触器控制电路不得用自身触点切断自身线圈的导电电路。
图3
反身自停电路
图a中SB1为停止按钮，SB2为启动按钮，KT为通电延时型时间继电器。
按下SB2后，线圈KT通电，并联在SB2两端的瞬时常开辅助触点KT闭合。
松开SB2后回路持续导通（自锁），线圈KT持续得电，开始计时。
达到设定延时时间后，通电延时型常闭触点KT断开，线圈KT失电，瞬时常开辅助触点与通电延时断开常闭触点皆复位，回路断开。（通电延时型常闭触点KT仅断开了一瞬间，随后线圈失电又使得触点恢复为闭合状态）
图a在延时时间远大于瞬时常开辅助触点KT闭合所用时间的常规情况下没有问题，但是若因为各种故障导致延时时间小于瞬时常开辅助触点KT闭合所用时间，则按下SB2后通电延时断开常闭触点先断开，而此时瞬时常开辅助触点尚未闭合，就无法实现自锁，回路不能持续导通。
此外，在达到设定延时时间后，通电延时型常闭触点KT断开，线圈KT失电，此时通电延时型常闭触点KT会瞬间闭合，同时瞬时常开辅助触点KT会瞬时断开，二者是在较短的一瞬间内同时进行的，且无法确定谁先谁后，若通电延时型常闭触点闭合更快发生，而瞬时常开辅助触点还没来得及断开，则回路重新接通，计时就重新开始，不能实现按照设定时间断开回路的目的。
图b增加了中间继电器K，按下SB2后，线圈K得电，与SB2并联的瞬时常开触点K闭合。
松开SB2后回路持续导通（自锁），线圈K持续得电，与此同时与线圈K并联的线圈KT持续得电并计时。
达到设定延时时间后，通电延时型常闭触点KT断开，线圈K失电，瞬时常开触点K断开，线圈KT失电，回路断开，最后通电延时型常闭触点KT恢复为闭合状态。
图b将自锁回路和延时断开回路拆分给两个继电器处理，动作时序互不干扰，消除了电气导通竞争风险。
直接起动控制线路
全压直接起动适用于电源容量足够大时的小容量笼型电动机起动。
电气设备少，线路简单，操纵控制方便，但起动电流大，会引起供电系统电压波动。
点动控制线路
点动控制线路是最简单的电气控制线路，其中主电路依次连接的是刀开关（QS）、熔断器（FU）、交流接触器主触点（KM）、热继电器（FR）、电动机（M）、接地保护（PE）；控制电路连接有按钮（SB）和交流接触器线圈（KM）。点动控制：按下按钮，电动机便转动；松开按钮，电动机便停转。
起动过程：合上刀开关->按下起动按钮->接触器线圈通电->接触器主触点闭合->电动机通电起动
停机过程：松开起动按钮->接触器线圈断电->接触器主触点断开->电动机停转
图4
点动控制线路
起保停控制线路
自锁：依靠接触器自身辅助常开触点的闭合而使线圈保持通电的控制方式起动过程：合上刀开关->按下起动按钮SB2->接触器线圈通电->接触器主触点与常开辅助触点闭合->电动机通电起动->松开起动按钮SB2->接触器常开辅助触点KM保持闭合状态，电动机持续运转（自锁）
停机过程：按下停止按钮SB1->接触器线圈断电->接触器主触点和辅助常开触点断开->电动机断电停转
图5
起保停控制线路
正反转控制线路
电机正反转切换可采用改变电机相序实现，应用于工作台、电梯等需要改变运动方向的场合。图中主电路与控制电路分开绘制，控制电路标志为“Ø”的两个端点与火线L1、L2、L3中的任意两相相接。
采用接触器互锁（电气连锁）与按钮互锁（机械连锁）。
正转起动过程：合上刀开关->按下正转按钮SB1->接触器线圈KM1通电->接触器主触点KM1与常开辅助触点KM1闭合，控制电路反转侧的常闭按钮SB1与常闭辅助触点KM1断开，防止接触器主触点KM1与KM2同时闭合造成短路或设备损坏（互锁）->电动机通电正转->松开正转按钮SB2->接触器常开辅助触点KM1保持闭合状态，电动机持续运转（自锁）
反转起动过程：按下按钮SB2实现反转（分析略，类似于正转起动过程）
停机过程：按下停止按钮SB3电动机停转（分析略，类似于前面的控制线路）
图6
正反转控制线路
往复运动控制线路
在正反转切换电路的基础上，加入行程开关（限位开关）SQ，就可以实现机械的往复运动。合下刀开关QS，按下正转启动按钮SB1，线圈KM1得电，主触点KM1闭合，电机正转，工作台向左运动。同时常开辅助触点KM1闭合，松开按钮SB1后该触点保持闭合状态，电机持续正转（自锁），反转侧常闭辅助触点KM1断开（互锁）。
工作台向左运行一段距离后，触碰到开关SQ1，正转侧的常闭触点SQ1断开，线圈KM1失电，主触点与常开辅助触点KM1断开，电机停止正转。同时反转侧常开触点SQ1和常闭辅助触点KM1闭合，线圈KM2得电，主触点KM2闭合，电机反转，工作台向右运动，常开辅助触点KM2闭合，确保工作台不触碰SQ1后电机仍保持反转。
工作台向右运行至触碰SQ2的位置后的分析思路同理。
SQ3与SQ4为终端保护限位开关，若SQ1与SQ2失灵使得工作台未能按照预期改变运动方向，当工作台触碰到SQ3与SQ4时会断开正转或反转的控制线路以防工作台冲出机床。
图7
往复运动控制线路
动力头滑台钻孔加工电器自动控制线路
动力头滑台钻孔加工电器的运行流程如下：先控制主轴电机使动力头滑台快进，达到加工位置后停止运动，进行一段时间的无进给切削，加工完成后电机反转，动力头滑台快退，回到原位置后停止运动。这里采用行程开关SQ与时间继电器KT来实现对动力头滑台的控制。
合下刀开关QS，按下正转启动按钮SB1，线圈KM1得电，主触点KM1闭合，电机正转，动力头滑台向左运动。KM1自锁确保动力头滑台持续运动，KM1与KM2互锁防止两条线路同时导通。
动力头滑台运动到加工位置后，撞块压动限位开关SQ2，常闭触点SQ2断开，KM1断电，KM1主触点断开，电机停转，与此同时常开触点SQ2闭合，（通电延时型）延时继电器KT接通，计时开始，进行无进给切削。
延时结束后，常开触点KT闭合，线圈KM2得电，主触点KM2闭合，电机反转，动力头滑台向右运动。
动力头滑台运动到原位置后，撞块压动限位开关SQ1，常闭触点SQ1断开，KM2断电，KM2主触点断开，电机停转，动力头滑台停止运动。
SB2是复位按钮，若钻孔加工前动力头滑台未达到原位置，按下SB2可使动力头滑台向右运动直至回到原位置。
图8 动力头滑台钻孔加工电器自动控制线路
横梁自动夹紧控制线路
背景知识：
图中1为龙门刨床上装载的横梁，刀架安装在横梁上，需要根据加工件的大小来调整横梁位置（横梁沿立柱上下移动）
2为龙门刨床立柱，固定在底座上，保持不动
3为压块，依靠杠杆机构压紧横梁，实现横梁夹紧（杠杆的支点转轴固定在横梁壳体上，杠杆一端接夹紧螺杆，另一端安装压块，压块正对着立柱的导轨面）
4为撞块，随夹紧螺杆运动，横梁完全放松时撞块下压行程开关SQ
夹紧电动机正转时螺杆上移，拉动杠杆绕横梁支点转动，压块压紧立柱导轨，横梁夹紧；
反转时螺杆下移，推动杠杆反向摆动，压块离开立柱导轨，横梁放松。
图中连接到电机与横梁、撞块之间的波浪形线条表示的是夹紧螺杆（丝杠），其上端与撞块固定；中间通过螺母副与减速机构相连，减速机构输入端连接夹紧电动机；下端连接到夹紧机构，驱动压块实现横梁的夹紧
夹紧电动机、减速箱、夹紧螺杆、撞块、行程开关SQ、杠杆机构、压块全部安装在横梁本体上，会跟着横梁一起沿立柱升降
横梁升降电机连接到横梁升降丝杆，以实现横梁沿立柱上下移动（图中未画出，横梁升降与横梁夹紧采用两套电机与丝杆，相互独立，互不干扰，不要混淆）
按下横梁运动按钮SB1后，中间继电器K得电，夹紧线路上的常闭触点K断开，放松线路上的常开触点K闭合，线圈KM2得电，主触点KM2闭合电机反转，带动机械杠杆机构使横梁放松。与此同时常开触点KM2闭合实现自锁。
横梁放松一定程度后，按压到行程开关SQ，常闭触点SQ打开，KM2失电，与此同时夹紧线路上的常开触点SQ闭合，为横梁夹紧做准备。
松开按钮SB1，夹紧线路上的常闭触点K闭合，线圈KM1得电，主触点KM1闭合电机正转，开始夹紧。与此同时常开触点KM1闭合实现自锁，随后行程开关SQ复位，常开触点SQ断开，KM1自锁确保夹紧持续进行。
主回路上的电流随夹紧程度加大而不断变大，当电流大于设定值时，电流继电器KA的常闭触点断开，KM1失电，电机停转，夹紧停止。
图9 横粱自动夹紧控制线路
多地点控制线路
多地点控制线路应用于需要在不同位置控制同一条电气线路通断的情况。图中展示了一个三地点控制线路，其中串联的SB1-SB3为停止按钮，按动其中任意一个可以断开线路；并联的SB4-SB6为启动按钮，按动其中任意一个可以启动线路并自锁保持。
图10
多地点控制线路
电气原理图上方方框为功能区，说明了原理图中各个部分（电源保护、电源开关、电动机主回路、电动机起停控制回路）所处的位置；下方方框为检索区，将原理图划分为不同的图区，用图区号可以方便检索元器件在原理图中的位置。
若同一个元器件在原理图的不同位置中出现，可以采用索引表标明该器件的在原理图中的所有出现位置，原理图右下方有接触器KM的索引表，左栏为主触点所在图区号，图中3个主触点均位于2号图区；中栏为常开辅助触点所在图区号，其位于6号图区；右栏为常闭辅助触点所在图区号，图中没有常闭辅助触点，因此写“X”。
顺序控制线路
顺序控制应用于多台电机需要按照一定次序起动的情况（如机床中要求润滑电动机起动后，主轴电动机才能起动）图中主触点KM2连接在主触点KM1下方，确保KM1处于闭合状态，电机M1转动时，电机M2所在线路才能被接通，从而使M2转动。（若KM1主触点未闭合时按SB3，虽然KM2线圈接通并自锁使KM2主触点持续闭合，但M2所在回路仍为断开状态，直到按SB2后两个电机才同时开始转动）
先按SB2使M1起动，然后按SB3使M2起动，最后按停止按钮SB1使两个电机同时停转。
图11
顺序起动控制线路
图12的主回路的两台电机线路并联，在M2控制线路下方增加KM1常开辅助触点，确保仅按下SB4时回路中的辅助触点KM2不会闭合实现该控制线路自锁。
先按SB2使M1起动，然后按SB4使M2起动，最后按停止按钮SB1使两个电机同时停转（若按SB3则M2停转）。
图12 顺序起动控制线路（改进）
图中的停止按钮SB1两端并联了常开辅助触点KM2，当两个电机均转动时，按下SB1并不会切断M1控制回路，只有先按SB3让线圈KM2失电，常开辅助触点KM2断开，再按SB1才能使M1停转。
图13 顺序起动逆序停止控制线路
按下起动按钮SB2，KM1线圈得电，电机M1起动，辅助常开触点KM1闭合实现自锁，M1持续转动。与此同时自锁使得时间继电器线圈KT持续得电，KT持续计时（按下SB2时便开始计时），达到设定时间后，通电延时触点KT闭合，KM2线圈得电并自锁，电机M2起动。与此同时KM2的常闭触点断开，切断时间继电器KT线圈支路。
KM2线圈上方的常开触点KM1的作用是确保M2不会因为线路故障而单独起动（如KM1线圈处断路使之无法接通，但又持续按住SB2超过所设置的延时时间，若KM2线圈上方没有常开触点KM1，则电机M2就会单独起动）
图14 采用时间继电器的顺序起动控制线路
【思考题】图14按下停止按钮SB1后两个电机同时停转，如何设计电路使两个电机按照设定的时间间隔逆序停转（采用时间继电器）。
降压起动控制线路
降压起动应用于容量大于10kW的笼型异步电动机，通过降低电压来减小起动电流（若直接起动，起动冲击电流为额定值的4～7倍）
星形-三角形(Y-Δ)降压起动控制电路
背景知识：星接（Y接）：三相电源的三个端子分别连接到负载的三相上，形成星形结构。线电流等于相电流，线电压是相电压的√3倍。适用于小负载电路，若负载过高则电流偏大。
角接（Δ接）：三相电源按相序首尾相连，形成闭环三角形结构。线电压等于相电压，线电流是相电流的√3倍。适用于负载较重、功率较大的情况。
图15
电机的星接与角接
Y-Δ降压起动是指电气起动时采用Y接，此时相电压为线电压的1/√3（220V），起动转矩为∆形连接直接起动转矩的1/3，起动电流为∆形连接直接起动的1/3，这样大幅降低了电机的起动电流，减小了起动电流对电网的冲击。当电机转速接近额定值时将绕组接线方法切换为角型连接，此时相电压为380V，电机输出转矩恢复正常。
Y-Δ降压起动降低了起动转矩，会牺牲一定的起动性能（影响转速达到额定值所用时间），以换取起动电流的降低。
下文采用时间继电器实现电机绕组接线方式的切换。
合上刀开关QS，按起动按钮SB2，线圈KM1得电，接触器主触点KM1闭合，常开辅助触点KM1闭合，线圈KM3得电，接触器主触点KM3闭合，绕组连接为Y型，电动机降压起动。
在线圈KM3得电的同一时刻，通电延时型时间继电器KT开始计时，达到设定时间后线圈KM3上方的常闭触点KT断开，线圈KM3失电，主触点KM3断开，线圈KM2上方的常闭辅助触点KM3闭合（互锁）。
线圈KM2上方的常开触点KT闭合，线圈KM2得电，常开辅助触点KM2闭合（自锁），主触点KM2闭合，绕组连接为∆型，电动机以额定电压正常运行。
线圈KM3上方的常闭辅助触点KM2断开（互锁），线圈KT断电，线圈KM2与线圈KM3上方的常开与常闭触点KT复位。
图16 Y-Δ降压起动控制电路
定子串电阻降压起动控制线路
合上刀开关QS，按起动按钮SB2，线圈KM1得电，主触点KM1闭合并自锁，电动机串联电阻降压起动（电阻起到分压作用）。线圈KM1得电的同一时刻，通电延时型时间继电器KT开始计时，达到设定时间后线圈KM2上方的常开触点KT闭合，线圈KM2得电，常开辅助触点KM2闭合（自锁），线圈KM1与时间继电器线圈KT上方的常闭辅助触点KM2断开（互锁），线圈KM1和KT失电，主触点KM1断开，主触点KM2闭合，电阻被短接，电动机进入正常工作状态。
图17 定子串电阻降压起动控制线路
自耦变压器降压起动控制线路
自耦变压器是绕组的初级和次级在同一条绕组上的变压器（原边与副边绕组直接串联，自行耦合）。在控制线路中，自耦变压器的初级与电源相接，自耦变压器的次级与电动机相联。
合上刀开关QS，按起动按钮SB2，线圈KM1得电，主触点KM1闭合，电动机定子绕组经自 耦变压器接至电源，自耦变压器联结成星形，电动机降压起动。
线圈KM1得电的同一时刻，通电延时型时间继电器KT开始计时，线圈KM1上方的瞬时常开辅助触点KT闭合形成自锁。达到设定时间后线圈KM1上方的常闭触点KT断开，线圈KM1失电，主触点KM1断开；线圈KM2上方的常开触点KT闭合，线圈KM2得电，主触点KM2闭合，电动机进入正常工作状态。
注：该控制线路的时间继电器线圈KT通电后就再也没有失电，直至按停止按钮SB1后才失电。
图18 自耦变压器降压起动控制线路
制动控制线路
反接制动控制线路
反接制动的原理是改变电机绕组三相电源相序（由正转相序改为反转相序），产生制动转矩以实现快速制动，当电机转速接近零时需及时切断反转相序电源，以防电机反转。合上刀开关QS，按起动按钮SB2，线圈KM1得电，主触点KM1闭合，电动机起动，当转速达到一定值（通常为100r/min）时，速度继电器常开触点KS闭合，为接下来的反接制动做准备（当转速大于一定值时才能反接制动）。
按停止按钮SB1，线圈KM1失电，主触点KM1断开，同时线圈KM2得电，辅助常开触点KM2闭合（自锁），主触点KM2闭合，串入电阻R进行反接制动，当转速下降到一定值以下时，速度继电器常开触点KS复位，线圈KM2失电，主触点KM2断开，反接制动停止。
反接线路中串联电阻R可以起到分压作用，以降低较大的反接制动电流，防止制动时电动机绕组过热。
停止按钮SB1采用的是复合按钮，并增加常开辅助触点KM2实现自锁，这样做是考虑到了电机停转期间需要手动转动电机（机床主轴）进行调试的情况，在这种情况下速度继电器触点KS可能会因为转速达到设定值而闭合，从而触发反接制动。采用复合按钮可以确保仅在按下SB1使电机起动之后，反接线路才能被接通。
图19 单向运行的反接制动控制线路
能耗制动控制线路
能耗制动控制的工作原理是在按下停止按钮切断三相交流电源的同时，将一直流电源引入定子绕组，这样直流电流流过定子绕组将在电动机气隙中形成固定的、不旋转的空间静止磁场。在电源切除后的瞬间，电动机转子由于惯性仍沿原方向转动，则转子在静止磁场中切割磁力线，产生一个与惯性转动方向相反的电磁转矩（制动转矩），电动机进入制动状态，使电动机加速停车，转速很快降低到零，并在转速接近于零时将直流电源切除，实现对转子的制动。能耗制动将转子惯性转动的机械能转换成电能，又消耗在转子的制动上。其制动转矩随电动机的转速下降而减小，因而制动平稳。
能耗制动控制线路采用变压器TC与整流装置VC提供直流电源，直流线路上串接有可调电阻，可以调节制动电流的大小。
图（b）为按速度原则控制的单向能耗制动线路，停车时，按下复合按钮SB1，KM1线圈失电，主触点KM1断开。此时电动机刚刚开始减速，速度继电器常开触点KS仍保持闭合状态，线圈KM2通电并自锁，电动机能耗制动，当电动机转速下降至设定值（通常为100r/min）时，常开触点KS复位，线圈KM2失电，能耗制动结束。
图20
能耗制动控制线路
反接制动的制动电流很大，因此制动力矩大，制动效果显著，但在制动时有冲击，制动不平稳且能量消耗大。
能耗制动的制动过程更加平稳、准确，能量消耗少，但制动力矩较弱，特别在低速时制动效果差，并且还需提供直流电源。
在实际使用时，应根据设备的工作要求选用合适的制动方法。
【思考题】图19与图20的制动控制线路仅实现了电机正转情况下的快速制动，如何设计可逆运行的反接制动和能耗制动控制线路（支持正转与反转的制动控制线路）。
机床控制线路
CW6132型普通车床电气原理图
CW6132型车床的整体结构如下图所示，其中M1为主轴电机，其通过皮带、齿轮传动，带动车床主轴以及装在主轴上的工件旋转，以完成对工件的车削加工（正反向运行采用机械换向机构）；M2为冷却泵电机，冷却泵可以将冷却液输送到切削位置，起到冷却、润滑作用，防止刀具过热磨损和工件热变形，还能冲走切削产生的铁屑，避免铁屑刮伤工件加工表面。
图21 CW6132型车床电气设备安装布置图
按起动按钮SB2，线圈KM得电，主触点KM闭合并自锁，主轴电机M1起动。
冷却泵电机M2由开关Q1控制。照明灯EL由开关Q2控制。
图22 CW6132型普通车床电气原理图
【思考题】如何修改电路，实现冷却泵电机M2只能在主轴电机M1运转时工作。
回答：可以将冷却泵电机M2的开关Q1接到接触器主触点KM下方（参考前文顺序控制线路的思路）。
CA6140型普通车床电气原理图
CA6140型普通车床的电气线路如下图所示，其中M1为主轴电机，M2为冷却泵电机，M3为刀架电机（使刀架快速移动，常采用点动控制）合上刀开关QS，控制回路的变压器得电，电源指示灯HL亮。
按起动按钮SB2，线圈KM1得电，主触点KM1闭合并自锁，主轴电机M1起动。
冷却泵电机M2由开关SA1控制，线圈KM2上方有常开辅助触点KM1，确保冷却泵电机M2只有在主轴电机M1运转时才能工作（注意这是开关，不是按钮，所以不用自锁）。
刀架电机M3由按钮SB3控制（点动）。
照明灯EL由开关SA2控制。
图23 CA6140型普通车床电气原理图