电气是什么意思？电气与电器的区别与联系

 通过介绍电气控制领域中常用低压电器的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，电器控制线路的基本环节，并通过对典型电器控制系统的分析，学会正确选择和合理使用常用电器、学会分析和设计电气控制线路的基本方法，为后继章节的学习打下

机电控制是研究如何设计控制器并合理选择或设计放大元件、执行元件、检测与转换元件、导向与支承元件和传动机构等，并由此组成机电控制系统使机电设备达到所要求的性能的一门科学，在机电一体化技术中占有非常重要的地位。

机电控制系统是机电一体化产品及系统中承担着控制对象输出，并按照指令规定的规律变化的功能单元，是机电一体化产品及系统的重要组成部分。机电控制系统是一种自动控制系统。

机电控制系统一般由指令元件，比较、综合与放大元件，转换与功率放大元件、执行元件、工作机构、检测与转换元件等6部分组成。

机电控制系统的工作原理是：有指令元件发出指令，通过比较、综合与放大元件将此信号与输出反馈信号比较，再将差值进行处理和放大、控制及转换，将此处理后的信号加到功率放大元件并施加到执行元件的输入信号，使得执行元件按指令的要求运动；而执行元件往往和机电装备的工作机构相连接，从而使机电装备的被控量（如位移、速度、力、转矩等）符合所要求的规律。

PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。

对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。

图1  整体式PLC组成框图

图2  模块式PLC组成框图

尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。

    1．中央处理单元（CPU）

    同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU 随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等) 。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。

    目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8 个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。

    在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：

1）       接收从编程器输入的用户程序和数据。

2）       诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

3）       通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。

4）       从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。

5）       根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。

    2．存储器

    存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM 和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。

    系统程序是由PLC 的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。

    用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC 产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

    3．输入/输出单元

    输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。

常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口，其基本原理电路如图3所示。

图3  开关量输入接口

a）直流输入   b）交流输入   c）交/直流输入

常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图4所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。

图4  开关量输出接口

a）继电器输出   b）晶体管输出   c）晶闸管输出

     PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/ 输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。

    4．通信接口

    PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。 与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。

远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。

5．智能接口模块

智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。

PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。

6．编程装置

编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，**该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。

简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。

智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。

专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。

基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。

    7.电源

    PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15% 的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。

    8.其它外部设备

除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。

EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。

PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器作成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。

人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。**简单、**普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员**交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。 

STEP 7-Micro/WIN 32编程软件的梯形图和语句表的错误检查功能

 STEP 7-Micro/WIN 32编程软件程序编辑中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。梯形图和语句表的错误检查结果如下图所示。

 STEP 7-Micro/WIN 32编程软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC连接，此时允许两者之间作直接的通信。有关联机的方法可参见PLC之家的其它文章。

离线方式：有编程软件的计算机或编程器与PLC断开连接，此时能完成大部分基本功能。如编程、编译和调试程序、系统组态等。

PLC控制系统设计与调试的步骤

所示为PLC控制系统设计与调试的一般步骤。

图1 PLC控制系统设计与调试的一般步骤

（一）分析被控对象并提出控制要求

详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

（二）确定输入／输出设备

 根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

  （三）选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。

（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第２步中进行。

2.设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

 （五）程序设计

1. 程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

1）初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

2）检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3）保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

2. 程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

（六）硬件实施

硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：

1) 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

2)设计系统各部分之间的电气互连图。

3)根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。

由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。 

    （七）联机调试

 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。

全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

（八）整理和编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

PLC控制过程实例——定时计数

本例无实际意义，但非常有利于分析程序执行过程。系统输入端只需接一个按钮，无输出，参考图5-2，只接X0。分析图5-5中，（a）、(b)、(c)三种情况下，观察计数器的当前值，分析程序执行过程。

程序中M8011为特殊辅助继电器，只要PLC处于运行状态，将不停发出10ms的脉冲信号（5ms通、5ms断）。程序中T0为1s定时，X0闭合后1s，T0导通。C0为增计数器，在X0闭合、T0没有闭合的前提下，记录M8011发出的脉冲个数。理论上，在T0导通，C0计数器停止计数时，计数器的当前值应为100个（1s/10ms=100个脉冲）。三段程序中，只是改变了执行的前后位置，但结果却不同。结合对应的时序图分析其原因。

一、项目所需设备、工具、材料

见表5-1。

二、 训练内容

按照前面的例子完成接线、输入程序，按照要求进行观察。

1、项目描述

（1）按照提供的PLC原理接线图完成接线；

（2）将提供的参考程序写入PLC；

（3）根据操作步骤操作，观察输入、输出设备的状态。通过计算机监视画面，观察并记录各元件的状态，并画出时序图；

（4）结合PLC程序执行过程，分析程序结果。

2 、实训要求

表5-1  项目所需设备、工具、材料

2.1 接线图与控制程序

按照图5-6，完成PLC控制系统的硬件连接。图中由于脉冲信号发生器的信号与按钮输入信号不同，因此，不能共用一个COM端。

按照图5-7提供的梯形图，利用计算机或手持编程器写入PLC。

2.2 观察要求

利用以上程序观察并认识程序的扫描周期和执行过程。

（1）调整编码器的频率至1KHZ。按下开关SB1，这时，程序中的定时器开始计时，而X0的上升沿使计数器的初始值复位，当前值为0。计数器重新开始计输入的脉冲数。1s钟后，定时时间到，计数停止。观察此时的计数器当前值是多少。从表面看，当前值应在1000左右，但实际上的当前值会少得多，为什么？

（2）调整编码器的频率至20HZ。重复（1）的操作，观察计数器的当前值，与（1）有什么不同？为什么？

（3）断开SB1，关闭编码器电源，按下开关SB2，两个指示灯为什么只亮一个？结合程序执行过程分析原因。

3 时序图分析

按下开关以后，部分继电器时序图如图5-8所示。根据观察结果，补充其他继电器的时序图。

三、 实训报告要求与考核标准

1 实训报告要求

（1）整理实训操作结果，按标准写出实训报告。

a．根据给出的梯形图，写出指令表；

b．回答观察要求中的思考题；

c．补充图5-8中的部分时序；

d．总结实训操作过程中出现的问题；

e．按照接线示意图画出实际接线图；

f．图5-5的三段程序中，只是改变了执行的前后位置，但结果却不同，结合对应的时序图分析其原因。

西门子PLC循环左、右移位指令的使用

循环移位将移位数据存储单元的首尾相连，同时又与溢出标志SM1.1连接，SM1.1用来存放被移出的位。指令格式见表6。

（1）循环左移位指令（ROL）

使能输入有效时，将IN输入无符号数（字节、字或双字）循环左移N位后，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，移出的**后一位的数值送溢出标志位SM1.1。当需要移位的数值是零时，零标志位SM1.0为1。

（2）循环右移位指令（ROR）

使能输入有效时，将IN输入无符号数（字节、字或双字）循环右移N位后，将结果输出到OUT所指定的存储单元中，移出的**后一位的数值送溢出标志位SM1.1。当需要移位的数值是零时，零标志位SM1.0为1。

（3）移位次数N≥数据类型（B、W、D）时的移位位数的处理

如果操作数是字节，当移位次数N≥8时，则在执行循环移位前，先对N进行模8操作（N除以8后取余数），其结果0-7为实际移动位数。

如果操作数是字，当移位次数N≥16时，则在执行循环移位前，先对N进行模16操作（N除以16后取余数），其结果0-15为实际移动位数。

如果操作数是双字，当移位次数N≥32时，则在执行循环移位前，先对N进行模32操作（N除以32后取余数），其结果0-31为实际移动位数。

（4）使ENO = 0的错误条件：0006（间接寻址错误），SM4.3（运行时间）。

表6 循环左、右移位指令格式及功能

继电器接触器和PLC控制电机的启停为例比较PLC与继电器接触器控制的特点

下面以传统的继电器接触器和PLC控制电机的的启停，来分析比较PLC与继电器接触器控制的特点。

1、继电器接触器装置控制电机的启停运行

方式一：按下启动按钮，电动机直接启动，按下停止按钮，电机停止运行，实现全压启动。

 方式二：按下启动按钮， 5秒后电动机启动，按下停止按钮，电机停止运行，实现延时启动。

   继电器接触器控制装置的特点

简单易懂、使用方便、价格便宜

   可靠性不高（硬接线逻辑、大量的机械触点）；通用性和灵活性较差（当控制要求改变时需重新设计布线，花费大时间长）；功能简单（只限于逻辑顺序控制、定时等）

    2、 PLC 可编程控制器控制电机的启停运行

可编程控制器控制电机的启停运行

用西门子PLC构成邮件分拣控制系统实训举例

一、实验设备

YX-80系列PLC实训装置;

个人计算机(WINDOW ),

PC/PPI编程线缆、STEP7Micro/WIN32编程环境;

连接导线一套。

邮件分拣机实验板，如图1所示;

注:邮件分拣机实验板的输入端子为一特殊设计的端子，其原画图如图2所示，它的功能是:当输出端MS为ON时，S1自动产生脉冲信号模拟测量电动机转速光码盘信号。

二、实验内容

①控制要求:启动后绿灯L2亮表示可以进邮件，S2为ON表示检测到了邮件，拨码器(I0.0-I0.3)模拟邮件的邮码，从拨码器读到邮码的正常值为1, 2, 3, 4, 5, 若非此5个数，则红灯L1闪烁，表示出错，电动机MS停止。重新启动后，能重新运行，若此5个数中的任一个，则红灯L1亮，表示系统正在分拣。电动机M5运行，将邮件分拣至箱内完成L1灭，L2亮，表示可继续分拣邮件。

②IO口分配

③编辑调试并运行程序

三、编程练习

根据下述两种控制要求，编制多个邮件分拣控制程序，调试并运行程序。

①开机绿灯亮，电动机M5运行，当检测到邮件的邮码不是(1, 2,  3, 4,  5)任何一个时，则红灯L1闪烁，M5停止，重新启动。

可同时分拣到多个邮件。邮件一件接一件地被检到它的到来和它的邮码，机器将每个邮件分拣到其对应的信箱中。例如，在n2时刻，S2检测到邮码为2的邮件时，如果高速计数器的计数值为m2，则M2在(m2+n2 )时刻动作，若高速计数器的计数值为m3，当在n3时刻检测到一个邮码为3的邮件时，M3在(m3+n3)时刻动作。

②开机绿灯亮，电动机M5运行，当检测到邮件的邮码不是(1, 2,  3, 4,  5)中的任何一个时，则红灯L1闪烁，MS停止运行，当检测到邮件欠资或未贴邮票时则蜂鸣器发生响声，M5停止。按动启动按钮，表示故障清除，重新运行。

可同时分拣多个邮件，其它要求同上。