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气控制技术的发展
19世纪末，发电机和各类电动机相继问世，揭开了电气控制技术的序幕。20世纪初，电动机逐步取代蒸汽机用来驱动生产机械，拖动方式由集中拖动发展为单独拖动。为了简化机械传动系统，采用了一台机器的几个运动部件由几台电动机分别拖动的方式，这种方式称为多电机拖动。在这种情况下，机器的电气控制系统不但可对各台电动机的启动、制动、反转、停车等进行控制，还具有对各台电动机之间实行协调、连锁、顺序切换、显示工作状态的功能。对生产过程比较复杂的系统还要求对影响产品质量的各种工艺参数如温度、压力、流量、速度、时间等能够自动测量和自动调节，这样就构成了功能相当完善的电气自动化系统。到20世纪30年代，继电器、接触器、按钮、开关等元器件已经形成了功能齐全的多种系列，基本控制已形成规范，并可以实现远距离控制。这种主要由继电器、接触器、控制按钮等电器元件组成的控制系统称为继电器-接触器控制系统。
继电器-接触器控制系统取代了传统的手动控制方式，具有结构简单、价格低廉、抗干扰能力强等优点，在20世纪70年代之前应用十分广泛，至今仍在许多简单的机电气控制技术在生产过程、科学研究和其他各个领域的应用十分广泛。本课程的主要内容是以电动机或其他执行电器为控制对象，介绍和讲解继电器-接触器控制系统和可编程控制器控制系统的工作原理、设计方法和实际应用。其中，可编程控制器的飞速发展和其强大的功能，使它已成为实现工业自动化的主要手段之一。所以，本课程重点是可编程控制器，但这并不意味着继电器-接触器控制系统就不重要。这是因为：首先，继电器-接触器控制在小型电气系统中还普遍使用，而且它是组成电气控制系统的基础；其次，尽管可编程控制器取代了继电器，但它所取代的主要是逻辑控制部分，而电气控制系统中的信号采集和驱动输出部分仍然要由电气元器件及控制电路来完成。所以，对继电掌握常用低压电器的工作原理。
·掌握常用低压电器的符号与作用。
·熟悉常用低压电器的应用场合。
·能够对常用低压电器进行选型。
随着科学技术的飞速发展、工业自动化程度的不断提高，低压电器作为基本元件广泛运用于发电厂、变电所、交通运输等电力输送配电系统。低压供电的输送、分配和保护，以及设备的运行和控制是靠低压电器来实现的，因此低压电器的控制技术和质量水平直接影响低压供电系统和控制系统的质量。本项目主要介绍常用低压电器的工作原理、型号、图形符号、规格和用途等相关知识。相关知识一、低压电器基本知识1.低压电器的分类
电器按其工作电压等级可分为高压电器和低压电器。低压电器是指工作在交流50Hz、额定电压1200V或直流额定电压1500V及以下的电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器产品。低压电器种类繁多、结构各异、功能多样、用途广泛。电器分类方法很多，下面介绍低压电器的常用分类方法。
按S7-400的电源模块主要分为直流输入型PS405和交流输入型PS407两类，用于将AC 85～264V或DC 88～300V网络电压转换为所需的DC 5V和DC 24V工作电压，输出电流为4A、10A和20A。除此之外，还有用于冗余电源配置的电源，有两种型号：PS405（10AR）和PS407（10AR），可将DC 19.2～72V网络电压转换为所需的DC 5V和DC 24V工作电压，输出电流为分别10A和1A。400信号模块的默认编址与S7-300不同，它的输入/输出根据同类模块所在的机架号和机架中的插槽号，按从小到大的顺序自动连续分配地址的，用户可修改模块的起始地址。数字I/O模块的输入/输出默认首为0，模拟I/O模块的输入/输出默认首为512。模拟I/O模块的输入/输出可能占用32B，也可能占用16B，它是由模拟量I/O模块的通道数来决定的是S7-400 PLC的I/O模块地址示例，如果32点数字量输入模块各输入点的地址为I0.0～I3.7，模块内各点的地址按照从上到下的顺序排列。其中，I0.0对应的接线端子在较上面，I0.7对应的接线端子在较下面。400的电源模块中可使用一块或两块后备电池，为存储在内置的装载存储器和外部装载存储器、工作存储器的RAM中的用户程序和内部时钟提供后备电源，保持存储器中的变量。
通过CPU面板上的“EXT．-BATT．”插孔，提供DC 5～15V的电压，可以实现同样的备份功能。在更换电源模块时，如果想保存存储在RAM中的用户程序和数据，需要将外部电源连接到“EXT．-BATT．”插孔。所有的数据将会丢失。FEPROM卡不需要备用电压，即使从CPU取下它，也能保持存储在其中的信息。
执行存储器复位操作后，在SIMATIC管理器执行菜单命令“PLC”→“将用户程序下载到存储卡”，可将用户程序下载到存储卡。3）CPU的通信接口 S7-400的CPU模块上有集成的MPI和PROFIBUS DP接口。MPI接口连接计算机、操作员面板和其他S7-400或S7-300。PROFIBUS DP接口可连接分布式I/O、PG（编程器）/OP（操作员面板）和其他DP主站，也可将MPI接口组态为PROFIBUS DP主站
2.3.2 S7.4.0 的CPU模块1．S7-400 CPU模块的分类
S7-400 PLC有三大类型：标准S7-400、S7-400H硬件冗余系统和S7-400F/FH系统。
标准S7-400 PLC广泛CPU414-2和CPU414-3适用于中等性能应用范围中有较高要求的场合。它们满足对程序规模和指令处理速度的更高要求。集成PROFIBUS-DP接口使它能够作为主站直接连接到PROFlBUS-DP现场总线。CPU414-3有一条额外的DP线，可用IF964-DP接口子模块进行连接。
CPU416-2和CPU416-3功能强大，集成的PROFIBUS-DP接口，使它能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。CPU416-3有一条额外的DP线，可用IF964-DP接口子模块进行连接。
CPU417-4是S7-400*处理单元中功能较强大的。集成的PROFIBUS-DP接口，使它能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线，通过IF964-DP接口子模块进一步连接两条DP线。
CPU414-4H和CPU417-4H用于S7-400H和S7-400 F/FH，可配置为容错式S7-400H系统。连接上运行许可证后，可以作为S7-400F/FH自动化系统使用，集成的PROFIBUS-DP接口能作为主站直接连接到PROFIBUS-DP现场总线。2．S7-400 CPU模块操作
S7-400 CPU模块内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示灯、用于模式选择的钥匙开关和通信接口。大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可插入多达几MB的存储器卡。1）S7-400 CPU的指示灯与模式选择开关 S7-400 CPU模块面板上的LED指示灯的功能见表2-12。S7-400 PLC不同型号的CPU面板上元件不完全相同，
有的CPU只有部分指示适用于过程工业和制造业，具有大数据量的处理能力，能协调整个生产系统，支持等时模式，可灵活、自由地系统扩展，支持带电热插拔，具有不停机添加/修布式I/O等特点。
S7-400H硬件冗余系统非常适用于过程工业，可降低故障停机成本，具有双机热备份，避免停机；可无人值守运行；且双CPU切换时间低于100ms，同时还有先进的事件同步冗余机制。
S7-400F/FH系统是基于S7-400H冗余系统的，实现了对人身、机器和环境的较高安全性，符合IEC61508 SIL3安全规范，标准程序与故障安全程序在一块CPU中同时运行。
S7-400系列PLC有7种CPU，分别是CPU412-1、CPU412-2、CPU414-2、CPU414-3、CPU416-2、CPU416-3、CPU417-4。此外S7-400 H还有两种CPU，分别是CPU414-4H、CPU417-4H共9种性能档次不同的CPU供用户使用。
CPU412-1是廉价的，低档项目使用的CPU，适用于中等性能范围，用于I/O数量有限的较小系统的安装。
CPU412-2适用于中等性能范围的应用，它带有两个PROFIBUS-DP总线，可以随时使用。测位置，具有无磨损、保护等级高、精度稳定不变、与传感器的长度无关等优点。SM338可以提供较多3个**值编码器（SSI）和CPU之间的接口，将SSI信号转换为S7-300的数字值，可以为编码器提供DC 24V电源。
（3）闭环控制模块。FM355闭环控制模块有4个闭环控制通道，用于压力、流量、液位等控制，有自优化温度控制算法和PID算法。FM 355C是具有4个模拟量输出端的连续控制器。FM355S是具有8个数字输出点的步进或脉冲控制器。
FM355-2是适用于温度闭环控制的4通道闭环控制模块，方便地实现了在线自优化温度控制。FM 355-2C是具有4个模拟量输出端的连续控制器。FM 355-2S是具有8个数字输出端的步进或脉冲控制器。
（4）占位模块。占位模块DM370为模块保留一个插槽，如果用一个其他模块代替占位模块，则整个配置和地址都保持不变。只有当为可编程信号模块进行模块化处理时，才能在STEP7中组态DM 370占位模块。如果该模块为某个接口模块预留了插槽，则可在STEP7中删除模块组态。CP434-5是采用PROFIBUS-FMS协议的现场总线通信模块，可用于更加复杂的现场通信任务，可通过PROFIBUS-FMS对系统进行远程组态和远程编程。
（6）CP342-5通信模块。CP342-5用于实现S7-300到PROFIBUS-DP总线的连接，它分担CPU的通信任务并允许进一步的其他连接，为用户提供各种PROFIBUS总线系统服务，可通过PROFIBUS-DP对系统进行远程组态和远程编程。CP342-5作为主站时，可完全自动处理，允许CP从站或ET200-DP从站连接到S7-300。CP342-5作为从站时，允许S7-300与其他PROFIBUS主站交换数据。4．S7-300的功能模块
功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，S7-300系统主要有如下功能模块。
（1）计数器模块。计数器模块的计数器均为0～32位或±31位加减计数器，可以判断脉冲的方向，模块给编码器供电。有比较功能，达到比较值时，通过集成的数字量输出响应信动参考电位，这时应将M点与接地点之间的短接片去掉，可能存在的干扰电流通过集成在CPU中M点与接地点之间的RC电路对接地母线放电。2．S7-300的接口模块
S7-300 PLC的接口模块主要有IM360、IM361及IM365。
IM360、IM361是用于多机架的接口模块，IM360用于发送数据，IM 361用于接收数据。IM360和IM361上有指示系统状态和故障的发光二极管，如果CPU不确认此机架，则LED闪烁，可能是连接电缆没接好或者是串行连接的IM361关掉了。
如果只扩展两个机架，可选用比较经济的IM365接口模块对，这对接口模块由1m长的连较快，为纳秒级。半导体器件的寿命可以说是*的，而新型继电器的寿命也可达
① 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
② 诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
③ 用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
④ PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
⑤ 将用户程序的执行送至输出端。
（2）存储器
PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据
整体式PLC是将*处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机，另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与上位机连接和网络通信。
继电器按输入信号的在三相电源对称，电动机三相绕组绝缘良好的情况下，电动机的三相线电流是对称的，这时
动作方式可分为手动电器（依靠外力直接操作进行切换的电器，如开关、转换开关、按钮等）和自动电器（依靠指令或物理量变化而自动动作的电器，如接触器、继电器等）；按执行机理可分为触点电器和无触点电器；按工作原理可分为电磁式电器（利用电磁感应原理通过触点接通或分断电路）和非电量控制电器（靠非电量的变化而动作，如时间、压力、温度等）；按用途可分为配电电器、主.低压电器的基本结构特点
低压电器一般都有两个基本部分。一是感测部分：它感测外界的信号做出有规律的反应；在自动电器中感测部分大多由电磁机构组成；在手动电器中，感测部分通常为操作手柄等。二是执行部分，如触点是根据指令进行电路的接通或切断的。二、开关电器负荷开关在选用时的注意事项：
①负荷开关的额定电压应大于或等于负载的额定电压。
②对于照明或电热电路，负荷开关的额定电流等于或大于被控制电路中各负载的额定电流之和。
③对于电动机电路，根据经验，开启式负荷开关的额定电流一般是电动机额定电流的3倍；封闭式负荷开关的额定电流一般是电动机额定电流的1.5倍。功能外，还可以在电路出现漏电（如人触电）时自动切断电路进行保护。由于低压断路器具有动作电流可调、分断能力高、操作方便、安全等优点，在各种电气控制系统中得到广泛应用。
（1）低压断路器的结构和工作原理
低压断路器主要由操作机构、触点系统、灭弧装置、保护装置（各种脱扣器）及外壳等组成。为常见自动空气开关的外形。
常见自动空气开关的外形
为低压断路器的工作原理图及图形符号。其中选用低压断路器的一般原则：
①低压断路器的额定电压不低于电路的额定电压。
②低压断路器的额定电流不小于负载电流。
③热脱扣器的整定电流不小于负载额定电流。
④极限分断能力不小于电路中较大短路电流。
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