电气控制技术在工业生产中的应用
摘要《电气控制技术》包括了常用的低压电器、继电器—接触器控制电路的基本环节、典型机床的电气控制和普通机床的PLC控制四个学习情境，是一门多学科交叉的技术,是实现工业生产自动化的重要技术手段.随着科学技术的不断发展,特别是计算机和网络技术的应用,以及新型控制策略的出现,使电气控制系统从控制结构到控制理念均发生了根本的变化.系统介绍先进科学技术的成果在工业生产中的应用以及电气控制系统的发展方向。
关键词：继电器 接触器 PLC 可编程序控制器
《电气控制技术》包含了低压电器和继电器控制系统；可编程序控制器及其应用；直流电动机调速控制系统；交流电动机调速控制系统。学习这些知识让我知道了工业生产中的机床的生产运动需要在各种条件下实现，而这些条件就是各种控制系统的工作条件。通过各种控制系统实现机床的的安全生产。这些控制系统都是在工业机床上广泛运用的，是实现机电一体化的根本，通过这些控制实现工业生产的自动化、准确化。 在工业生产中对于一台中型复杂的数控机床，通常会有以下安全功能：主紧急停止按钮、刀库紧急停止按钮、刀库和工作区安全门、调试使能按钮、电子手轮、操作模式选择开关、速度监控。经过风险评估和评价，对这台机床的安全要求为：按下紧急停止按钮，伺服的电源和使能必须被切断；打开刀库安全门，刀架转塔必须停止运转；在刀库安全门被打开的情况下，可以通过使能按钮和点动按钮对刀架进行调试；打开工作区安全门，切断伺服使能信号，同时监控轴的静止状态；在工作区安全门被打开的情况下，可以通过使能按钮和点动按钮的组合操作或使用电子手轮，对主轴、X轴、Y轴、Z轴进行限速调试，同时使用速度监控模块监控旋转轴或线性轴的超速状态。可以发现，这台数控机床的安全功能较多，且各个安全功能之间具有复杂的逻辑关系。如果使用单个安全继电器进行控制的话，会导致接线复杂、成本高、故障诊断困难等诸多问题。 因此就需要多种多个继电器联合控制，同时联合可编程序控制器，实现电路的的简单化，节约成本，使控制简单化、准确化。由于可编程序控制器的运用使控制系统的可靠性更高，有更好的抗干扰能力；同时可编程序控制器程序简单，改变程序容易，使控制多变；扩充方便，组态轻活，节约成本；体积小，重量轻，安装维护方便。
一、继电接触器控制系统
1、常用低压控制器
1）、接触器
接触器是一种可频繁地接通和分断电路的控制电器。从输入输出能量关系观看，它是一种功率放大器件。最常用的接触器就是电磁接触器，当吸引线圈通电后，电磁系统将电能转换为机械能，所产生的电磁力克服释放弹簧和触头弹簧的反力使铁心吸合，并带动触头支架使动、静触头接触闭合。当吸引线圈断电或者电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁在弹簧反力作用下返回原位，同时带动动触头脱离静触头，将电路切断。
接触器分为直流接触器和交流接触器，同时接触器的选择有许多条件，必须依靠着继电器上的技术参数来进行选择，如电源的种类，主触头额定电压、电流，辅助出头的种类、数量及触头的额定电压，电磁线圈的电源种类、频率和额定电压，额定操作频率。
2）、继电器
继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动电器。自动电器的工作主要有四大原则为时间、电流、行程和速度。
继电器有如下几种作用：
1、 扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
2、放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。
3、综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。
4、自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
继电器的种类有许多，分别为：
电磁式继电器
电磁继电器：利用输入电路内电路在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。
时间继电器
时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。
在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。
时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。
空气阻尼型时间继电器的延时范围大（有0.4～60s和0.4～180s两种） ，它结构简单，但准确度较低。
当线圈通电（电压规格有ac380v、ac220v或dc220v、dc24v等）时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹，上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。从线圈通电到延时触点完成动作，这段时间就是继电器的延时时间。延时时间的长短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。
固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。
温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。
舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧动作来开，闭或转换线路的继电器
3）熔断器
熔断器是当通过它的电流超过规定值达一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化，从而分断电路的电器。
4）断路器
断路器又称自动开关，是能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件下接通、承载一定时间并分断电流的开关电器。
5）主令电器
主令开关主要用于闭合、断开控制电路，以发布命令或信号，达到对电力拖动系统的控制或实现程序控制。包含按钮、行程开关、接近开关和光电开关。
2、机床的自动控制
一、开关控制的正、反转线路
倒顺开关是一种组合开关，下图2.13为HZ3-132型倒顺开关的工作原理示意图。
倒顺开关有六个固定触头，其中U1、V1、W1为一组，与电源进线相连，而U、V、W为另一组，与电动机定子绕组相连。当开关手柄置于“顺转”位置时，动触片S1、S2、S3分别将U-U1、V-V1、W-W1相连接，使电动机正转；当开关手柄置于“逆转”位置时，动触片S1'、S2'、S3'分别将U-U1、V-W1、W-V1接通，使电动机实现反转；当手柄置于中间位置时，两组动触片均不与固定触头连接，电动机停止运转。
图2.14是用倒顺开关控制的电动机正反转线路。其工作原理是：利用倒顺开关来改变电动机的相序，预选电动机的旋转方向后，再通过按钮SB2、SB1控制接触器KM来接通和切断电源，控制电动机的启动与停止。
倒顺开关正反转控制电路所用电器少，线路简单，但这是一种手动控制线路，频繁换向时操作人员的劳动强度大、操作不安全，因此一般只用于控制额定电流10A、功率在3kW以下的小容量电动机。生产实践中更常用的是接触器正反转控制电路电路。
二、行程开关控制的正、反转电路
图2.16为行程开关控制的正反转电路，它与按钮控制直接正反转电路相似，只是增加了行程开关的复合触头SQ1及SQ2。它们适用于龙门刨床、铣床、导轨磨床等工作部件往复运动的场合。
这种利用运动部件的行程来实现控制的称为按行程原则的自动控制或称为行程控制。
工作原理：按下正向启动按钮SB2，接触器KM1得电并自锁，电动机正转使工作台前进。当运行到SQ2位置时，撞块压下SQ2，SQ2动断触点使KM1断电，SQ2的动合触点使KM2得电动作并自保，电动机反转使工作台后退。当撞块又压下SQ1时，KM2断电，KM1得电，电动机又重复正转。
图中行程开关SQ3、SQ4是用作极限位置保护的。当KM1得电，电机正转，运动部件压下行程开关SQ2时，应该使KM1失电，而接通KM2，使电机反转。但若SQ2失灵，运动部件继续前行会引起严重事故。若在行程极限位置设置SQ4（SQ3装在另一极端位置），则当运动部件压下SQ4后，KM1失电而使电机停止。这种限位保护的行程开关在行程控制电路中必须设置。
工作台自动往返运动的示意图
电路工作过程分析如下：
起动时，按下正转起动按钮 SB2 ， KM1 线圈得电并自锁，电动机正转运行并带动机床运动部件左移，当运动部件上的撞块 1 碰撞到行程开关 SQ1 时，将 SQ1 压下，使其动断触点断开，切断了正转接触器 KM1 线圈回路；同时 SQ1 的动合触点闭合，接通了反转接触器 KM2 线圈回路，使 KM2 线圈得电自锁，电动机由正向旋转变为反转，带动运动部件向右运动，当运动部件上的撞块 2 碰撞到行程开关 SQ2 时， SQ2 动作，使电动机由反转又转入正转运行，如此往返运动。从而实现运动部件的自动循环控制。
若起动时工作台在左端，应按下 SB3 进行起动。
继电器与接触器在机床中是被广泛使用的，他们的配合实现了机床的许多自动化控制，同时也是保障了机场安全生产，节约人力和成本，加快工作效率。使的机械制造业有了更高的发展。
二、可编程序控制器及其应
1、PLC的介绍
可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
1）PLC的特点:
1）可靠性高，抗干扰能力强 配套齐全，功能完善;
2）适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎;
3）体积小，重量轻，能耗低;
4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造.
2）PLC的应用领域:
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类:1)开关量的逻辑控制;2)模拟量控制;3)运动控制;4)过程控制;5)数据处理;6)通信及联网.
PLC在现在的工业中有很重要的地位，初始的PLC作为辅助设备安装在机械设备中，随着科技的发展，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。此时的PLC为微机技术与继电器常规控制概念相结合的产物，PLC已经进入了成熟的发展阶段。在不远的未来PLC还将有更大的发展，不论从各方面看PLC的发展将不断地完善，伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
2、PLC的应用
1、PLC在数控机床中的应用形式：
数控机床中所用的PLC可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC(built-in Type)，另一类是那些输入输出技术规范，输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC(Stand-alone Type)。
“内装型”PLC（或称“内含型”PLC、“集成式”PLC）从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT间则通过CNC输入／输出接口电路实现信号传送
“独立型”PLC又称“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。采用独立型PLC的数控机床系统框图如图
在数控机床中，PLC是数控机床的大脑，何时进刀，何时退刀，刀量多少，工件的加工流程及所有要控制的操作都要由PLC发出指令，机床的限位开关等机械控制部分以及液压控制部分也会应用到PLC。通过计算机与PLC的组合，实现对刀架换刀的准确控制。
2、PLC在数控机床中的工作流程
PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：
（1）、输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。
（2）、程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。
（3）、出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。
3、PLC在数控机床中的控制功能:
（1）、操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。
（2）、机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)
（3）、输出信号控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。
（4）、功能实现。系统送出T指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号。
（5）、M功能实现。系统送出M指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。
4、PLC对外围电路的控制
数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。
PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。
无论是输入还是输出，PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和PLC 内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。
三、结束语
经过整个学期的学习，我对电气控制这么课有了较深的认知，也学到了很多专业方面的知识。机械的控制从手动控制发展到自动控制；从简单的控制到智能化控制；从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络自动控制系统。由原始的简单纯机械控制到现在的机电一体化，结合计算机技术等一些先进的科技成果。继电器的自动控制，PLC的程序控制，都是在工业生产中应用广泛的。在微处理器发展迅猛的时代，PLC变得更轻便，功能更强，结构更简单。性能强大的PLC在控制系统和控制器的领域内，没有什么产品可以比肩。熟练的学习这些知识可以让我的在以后的机械设计中跟好的进行机电一体化的结合。