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作者：吕爱华著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2011-08-01

书籍编号：30466641

ISBN：9787121139772

正文语种：中文

字数：133916

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：电气控制与PLC应用技术（三菱系列）

作者：吕爱华

ISBN：9787121139772

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摘要

本书从实际工程应用和便于教学出发，主要介绍了电气控制中的典型电路、FX$lt＠sub$gt＠2N$lt＠/sub$gt＠系列PLC原理及应用。全书共分8章，主要内容包括：常用低压电器，电气控制系统的基本电路，可编程控制器基础，三菱FX$lt＠sub$gt＠2N$lt＠/sub$gt＠系列PLC，FX$lt＠sub$gt＠2N$lt＠/sub$gt＠系列PLC基本指令及其应用，PLC的步进顺控指令及编程方法，功能指令及其应用，PLC应用系统设计。为了方便教学，每章后设置实训和适量的习题。

本书可作为高职高专和应用型本科院校的机械制造及自动化、机电一体化技术、电气自动化、应用电子技术等相近专业的教材，也可做为广大工程技术人员的参考书。

编委会

吕爱华　主编

赵云峰　责任编辑

吴艳花　副主编

陶慧　副主编

张霞　副主编

熊良猛　主审

陈晓明　其他贡献者

张晓雪　其他贡献者

王嵩　其他贡献者

前言

电气控制与PLC应用技术是电气类、机电类专业的核心课程，在工业生产及其自动化控制领域应用十分广泛。随着PLC技术的发展，使电气控制技术进入了一个崭新的发展阶段，学习这些技术对工程类专业的学生显得十分重要。

本书主要介绍三菱公司FX_2N系列的PLC，它具有功能强、性价比高，应用广泛等特点。

本书本着培养技能型应用人才的宗旨，从实际应用出发，对FX_2N系列的PLC指令系统及编程方法做了比较详细的介绍。在编写过程中重点突出实践和应用环节，大量增加了应用性实例编程，由易到难，循序渐进，使读者在实际应用中领悟PLC编程的技巧和方法，通过理论和实践的学习，逐步进入一般工程应用的组织、规划、设计、调试和运行等领域。

本书强调“学以致用”，力求体现新知识、新技术、新工艺，突出教材的实用性、适用性和科学性，尽可能体现高等职业教育的特点。

全书共分8章，主要内容包括：常用低压电器，电气控制系统的基本电路，可编程控制器基础，三菱FX_2N系列PLC，FX_2N系列PLC基本指令及其应用，PLC的步进顺控指令及编程方法，功能指令及其应用，PLC应用系统设计。为了方便教学，每章后设置实训和适量的习题。

本书可作为高职高专和应用型本科院校机械制造及自动化、机电一体化技术、电气自动化、应用电子技术等专业的教材，也可作为工程技术人员的参考书。

本书由襄阳汽车职业技术学院吕爱华担任主编并统稿，吴艳花、陶慧、张霞担任副主编，其中，第1、2、5章由吕爱华编写，第4章和附录由陶慧编写，第3、6章由张霞编写，第7、8章由襄樊学院吴艳花编写，全书由襄阳汽车职业技术学院熊良猛主审。

在本书的编写过程中，编者参考了大量相关的书籍资料，从中汲取了许多知识和经验，在此向这些书的作者表示感谢。由于编写时间紧迫，编者水平有限，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。

编者

2011年6月

参加“新编高等职业教育电子信息、机电类规划教材”编写的院校名单（排名不分先后）

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第1章 常用低压电器

内容提要

本章主要讲述开关电器、熔断器、主令电器、接触器、继电器、传感器等低压电器的用途、基本结构、工作原理及其主要参数和图形符号。

1.1 低压电器的定义和分类

1.1.1 低压电器的定义

电器是所有电工器件的简称。低压电器是指工作在交流电压小于1200V，直流电压小于1500V的电路中起通断、保护、控制或调节作用的各种电气设备。

低压电器是电力拖动自动控制系统的基本组成元件，控制系统的优劣与所用低压电器直接相关，电气技术人员必须熟悉常用低压电器的原理、结构、型号、规格和用途，并能正确选择使用和维护。

1.1.2 低压电器的分类

低压电器的种类繁多，结构原理各异，功能多样，用途广泛。

1.按用途和控制对象分类

（1）低压配电电器。主要用于低压配电系统中，要求当系统发生故障时它可以准确动作，可靠工作，如刀开关、转换开关、空气断路器等。

（2）低压控制电器。主要应用于电气传动系统中，要求其寿命长，体积小，重量轻且动作迅速、准确、可靠，如接触器、继电器等。

2.按动作方式分类

（1）自动电器。依靠外来信号或物理量（如电流、电压等）的变化而自动动作的电器，如接触器、继电器等。

（2）非自动电器。通过人工或外力直接操作而动作的电器，如按钮、行程开关等。

3.按工作原理分类

（1）电磁式电器。依据电磁感应原理工作的电器，如接触器、各类电磁式继电器等。

（2）非电量控制电器。依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如行程开关、速度继电器等。

1.2 开关电器

1.2.1 刀开关

刀开关是带有动触头——闸刀，并通过它与底座上的静触头——刀夹座相楔合（或分离），以接通（或分断）电路的一种开关。

刀开关在电路中的作用是：隔离电源，以确保电路和设备维修的安全检查；分断负载，如不频繁地接通和分断容量不大的低压电路或直接启动小容量电动机。

1.开启式负荷开关

开启式负荷开关俗称胶盖瓷底刀开关，主要用于电气照明电路、电热电路中，可用做小容量电动机电路的不频繁控制开关，也可用做分支电路的配电开关。

胶底瓷盖刀开关由操作手柄、熔丝、触刀、触头座和底座组成，结构示意图如图1.1所示，其文字符号为QS。此种刀开关装有熔丝，可起短路保护作用。

图1.1 开启式负荷开关外形结构及符号

1—上胶盖；2—下胶盖；3—插座；4—触刀；5—瓷柄；6—胶盖紧固螺母；7—出线座；8—熔丝；9—触刀座；10—瓷底板；11—进线座

刀开关在安装时，手柄要向上，不得倒装或平装，避免由于重力自动下落，引起误动合闸。接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样拉闸后刀开关的刀片与电源隔离，既便于更换熔丝，又可防止可能发生的意外事故。

2.封闭式负荷开关

封闭式负荷开关又称为铁壳开关，一般用于电力排灌、电热器、电气照明线路的配电设备中，用来不频繁地接通与分断电路，也可以直接用于异步电动机的非频繁全压启动控制。

铁壳开关主要由钢板外壳、触刀、操作机构、熔丝等组成，如图1.2所示。

铁壳开关的操作结构有两个特点：一是采用储能合闸方式，即利用一根弹簧执行合闸和分闸功能，使开关的闭合和分断时的速度与操作速度无关，它既有助于改善开关的动作性能和灭弧性能，又能防止触头停滞在中间位置；二是设有联锁装置，以保证开关合闸后便不能打开箱盖，而在箱盖打开后，不能再合开关。

3.刀开关的主要技术参数及型号

刀开关的主要技术参数有：额定电流（长期通过的最大允许电流）、额定电压（长期工作所承受的最大电压）以及分断能力等。选择刀开关时，刀开关的额定电压应大于或等于线路的额定电压，额定电流应大于或等于线路的额定电流。刀开关有HD（单投）、HS（双投）、HK（开启式）、HR（熔断器式）和HH（封闭式负荷）等系列，它们都适用于交流50Hz、额定电压至500V，直流额定电压至400V、额定电流至1500A的成套配电装置中，在非频繁地手动接通和分断电路中使用，或作为隔离开关中使用，其型号含义如图1.3所示。

图1.2 铁壳开关结构图

1—触刀；2—夹座；3—熔断器；4—速断弹簧；5—转轴；6—手柄

图1.3 刀开关型号的含义

1.2.2 组合开关

组合开关又称转换开关，是一种多触头、多位置式，可控制多个回路的电器。

组合开关具有体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，多用于机床电气控制线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，还可作为直接控制小容量异步电动机不频繁启动和停止的控制开关。

1.组合开关的结构和符号

组合开关由动触头（动触片）、静触头（静触片）、转轴、手柄、定位机构及外壳等部分组成。其动、静触头分别叠装于数层绝缘壳内。如图1.4所示为HZ10组合开关结构示意图，当转动手柄时，每层的动触头随方形转轴一起转动，从而实现对电路的通、断控制。组合开关同样也有单极、双极和三极之分，如图1.5所示。

图1.4 组合开关结构示意图

1—手柄；2—转轴；3—弹簧；4—凸轮；5—绝缘垫板；6—动触点；7—静触点；8—绝缘方轴；9—接线柱

HZ10系列组合开关应安装在控制箱内，其操作手柄最好在它的前面或侧面。开关为断开状态时应使手柄在水平旋转位置。HZ3系列组合开关外壳上的接地螺钉必须可靠接地。

2.组合开关的主要技术参数及型号

组合开关的常用产品有HZ5、HZ10、HZ12、HZ15等系列。主要参数技术有额定电压、额定电流和极数等。组合开关的型号含义如图1.6所示，其中，类型是指凡不标出类型代号（拼音字母）者，是同时通断或交替通断的产品；有P代号者，是两位转换的产品；有S代号者，是三位转换的产品；有Z代号者，是供转接电阻用的产品；有X代号者，是控制电动机做星形-三角形降压启动用的产品。

图1.5 组合开关的符号

图1.6 组合开关的型号含义

交替通断的产品，其极数标志部分有两位数字：第一位表示在起始位置上接通的电路数；第二位表示总的通断电路数。两位转换的产品，其极数标志前无字母代号者，是有一位断路的产品；极数标志前有字母B代号者，是有两位断路的产品；极数标志前有数字0代号者，是无断路的产品。

1.2.3 低压断路器

低压断路器是一种可以用手动或电动分、合闸，而且在电路过载或欠电压时能自动分闸的低压开关电器，又叫自动空气开关或自动空气断路器，简称断路器。其功能相当于熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等的组合，因而得到了广泛的应用。

1.低压断路器的结构和符号

低压断路器由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。低压断路器的结构和符号如图1.7所示，其文字符号为QF。

2.低压断路器的工作原理

低压断路器的工作原理示意图如图1.8所示。

开关的主触点是靠操作机构手动或电动合闸的，由自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。当主电路发生过载时，热元件12产生的热量增加，使双金属片13弯曲变形，推动杠杆8向上运动，使搭钩3与锁扣5脱开，在反作用弹簧4的作用下断路器主触点断开，切断电路，实现过载保护；当主电路发生短路故障时，短路电流超过过电流脱扣器的瞬时脱扣整定电流时，脱扣器产生足够大的吸力将衔铁14吸合，通过杠杆推动搭钩与锁扣脱开，切断电路，使用电设备不会因短路而烧毁；当电路电压正常时，失压或欠压脱扣器的衔铁10被吸合，断路器的主触点能够闭合；当电路出现失压或电压下降到某一值时，铁芯磁力消失，衔铁被释放，在拉力弹簧9的作用下，衔铁撞击杠杆使搭钩与锁扣分开，主触点断开，起到失压或欠压保护。

图1.7 低压断路器的结构和符号

1—按钮；2—电磁脱扣器；3—自由脱扣器；4—动触点；5—静触点；6—接线柱；7—热脱扣器

图1.8 低压断路器的工作原理示意图

1—分断按钮；2—转轴座；3—搭钩；4—反作用弹簧；5—锁扣；6—静触头；7—动触头；8—杠杆；9—拉力弹簧；10—欠压脱扣器衔铁；11—欠压脱扣器；12—热元件；13—双金属片；14—电磁脱扣器衔铁；15—电磁脱扣器；16—接通按钮

3.低压断路器的主要技术参数及型号

低压断路器的主要技术参数有：额定工作电压、额定电流等级、极数、脱扣器类型及额定电流、短路分断能力等。低压断路器的主要型号有DW10、DW15、DZ5、DZ10、DZ20等系列，其型号含义如图1.9所示。

图1.9 DZ20系列低压断路器的型号含义

1.3 熔断器

熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，使用时将它串联在被保护电路中。

1.3.1 熔断器外形结构及符号

熔断器常见的类型有插入式、螺旋式、卡装式、有填料封闭管式、无填料封闭管式等，品种规格很多。瓷插式熔断器、螺旋式熔断器外形结构如图1.10（a）、（b）所示。图1.10（c）所示为熔断器的符号，其文字符号为FU。

图1.10 熔断器外形结构及符号

瓷插式熔断器的电源线和负载连接线分别接在瓷底座两端静触点的接线柱上，瓷盖中间凸起部分的作用是将熔体熔断产生的电弧隔开，使其迅速熄灭。较大容量熔断器的灭弧室中还垫有熄灭电弧用的石棉织物。

螺旋式熔断器电源线应当接在瓷底座的下接线端，负载线接到金属螺纹壳的上接线端。

熔体一般由熔点低、易于熔断、导电性能良好的合金材料制成：在小电流的电路中，常用铅合金或锌做成的熔体（熔丝）；对大电流的电路，常用铜或银做成片状的熔体。

1.3.2 熔断器的主要技术参数及型号

1.熔断器的主要技术参数

（1）额定电压：指熔断器长期工作时和分断后能够承受的电压，其值一般等于或大于电气设备的额定电压。

（2）额定电流：指熔断器长期工作时，各部件温升不超过规定值时所能承受的电流。厂家为了减少熔断器额定电流的规格，熔断器的额定电流等级比较少，而熔体的额定电流等级比较多，也即在一个额定电流等级的熔断器内可以分装几个额定电流系统的熔体，但熔体的额定电流最大不超过熔断器的额定电流。

（3）极限分断能力：指熔断器在规定的额定电压和功率因数（或时间常数）的条件下能分断的最大电流值，在电路中出现的最大电流值一般是指短路电流值。所以极限分断能力也反映了熔断器分断短路电流的能力。

2.熔断器型号

熔断器常见的型号有RCIA、RM10、RL6、RL7、RT12、RT14、RT15、RT17等系列，熔断器型号含义如图1.11所示。

图1.11 熔断器的型号含义

1.3.3 熔断器的选择

熔断器的选择主要是选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电流和熔体额定电流等。

熔断器的种类通常在电控系统整体设计时确定，熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压，因此确定熔体电流是选择熔断器的主要任务，具体来说有下列几条原则：

（1）电路上、下两级都装设熔断器时，为使两级保护相互配合良好，两级熔体额定电流的比值不小于1.6∶1。

（2）对于照明线路或电阻炉等没有冲击性电流的负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流，即

式中，I_fN为熔体的额定电流；

I_e为电路的工作电流。

（3）保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流按下式计算：

式中，I_N为电动机的额定电流。

（4）保护多台异步电动机时，若各台电动机不同时启动，则应按下式计算：

式中，I_Nmax为容量最大的一台电动机的额定电流；

∑I_N为其余电动机额定电流的总和。

特别注意：线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合，保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流。

1.4 主令电器

1.4.1 控制按钮

控制按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。它用来手动控制小电流的控制电路，从而实现远距离控制主电路通断的目的。

1.控制按钮的结构和符号

按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。触点额定电流5A以下，其结构如图1.12（a）、（b）、（c）所示，图形符号及文字符号如图1.12（d）所示。

图1.12 控制按钮的结构及符号

按钮在结构上有按钮式、紧急式、钥匙式、旋钮式和保护式五种，可根据使用场合和具体用途来选用。

启动按钮带有常开触点，手指按下按钮，常开触点闭合；手指松开，常开触点复位。停止按钮带有常闭触点，手指按下按钮，常闭触点断开；手指松开，常闭触点复位。复合按钮有常开触点和常闭触点，手指按下按钮，常闭触点先断开，常开触点后闭合；手指松开时，常开触点先复位，常闭触点后复位。

控制按钮可做成单式（一个按钮）、复式（两个按钮）和三联式（三个按钮）的形式。为便于识别各个按钮的作用，避免误操作，通常在按钮上做出不同标志或涂以不同颜色，一般红色按钮表示停止按钮，绿色按钮表示启动按钮。

2.控制按钮的主要技术参数及型号

控制按钮的主要技术参数有额定电压（380V AC/220V DC）和额定电流（5A）。选择按钮时主要考虑按钮的结构形式、操作方式、触点对数、按钮颜色以及是否需要指示灯等要求。LA25系列是全国统一设计的按钮新型号，其常用的型号有LA2、LA10、LA18、LA19、LA20等系列。国外的有德国BBC公司的LAZ系列。控制按钮型号含义如图1.13所示。

图1.13 控制按钮型号含义

1.4.2 行程开关

用于检测工作机械的位置，反馈位置信息以控制其运行方向或行程长短的电器，称为行程开关或位置开关。将行程开关安装在生产机械行程终点处，可限制其行程，所以行程开关也称限位开关或终点开关。

1.行程开关的结构和符号

如图1.14所示为行程开关的结构示意图及符号，行程开关主要由操作机构、触头系统和外壳等组成。行程开关按其结构又可分为直动式、滚轮式和微动式三种。

图1.14 行程开关的结构示意图及符号

行程开关的工作原理与按钮相同，区别在于它不是靠手的按压，而是利用生产机械运动部件的挡铁碰撞而使触头动作。

2.行程开关的主要技术参数及型号

行程开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点换接时间、动作力、动作角度或工作行程、触点数量、结构形式和操作频率等。常用的行程开关有LX19、LXW5、LXK3、LX32、LX33等系列。新型3SE3系列行程开关额外负担工作电压为500V，额定电流为10A，其机械、电气寿命比常见行程开关更长。行程开关的型号含义如图1.15所示。

图1.15 行程开关的型号含义

1.4.3 万能转换开关

万能转换开关是一种多挡位、多段式、控制多回路的主令电器，当操作手柄转动时，带动开关内部的凸轮转动，从而使触头按规定顺序闭合或断开。万能转换开关一般用于交流500V、直流440V、限定发热电流20A以下的电路，用于电气控制线路的转换和配电设备的远距离控制、电气测量仪表转换，也可用于小容量异步电动机、伺服电机、微电动机的直接控制。

1.万能转换开关的结构和符号

典型的万能转换开关结构示意图如图1.16所示，它由触头座、凸轮、转轴、定位机构、螺杆和手柄等组成，并由多层触头底座叠装起来。其中每层触头底座均可装三对触头，并由触头底座中的凸轮，经转轴操作来控制这三对触点的接通与断开。由于各层凸轮可制成不同的形状，因此用手柄将开关转至不同位置时，通过凸轮的作用，可使各对触头按所规定的变化规律接通或断开，以适应不同控制电路的要求。

万能转换开关的触点在电路中的图形符号如图1.17所示，图形符号中“第一横线”代表一对触点，而用三条竖线分别代表手柄位置，哪一对触点接通就在代表该位置虚线上的触点下面用黑点“·”表示。触点的通断也可用接通表来表示，表中的“×”表示触点闭合，空白表示触点断开。

2.万能转换开关的主要技术参数及型号

万能转换开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、额定绝缘电压、约定发热电流、电寿命（次）、机械寿命（次）、操作频率（次/h）等。常用万能转换开关有LW5、LW6、LWl2-16等系列，它们多用于电力拖动系统中对线路或电动机实行控制。LW6系列型号含义如图1.18所示。

图1.16 万能转换开关结构示意图

图1.17 万能转换开关的图形符号

图1.18 万能转换开关型号含义

1.5 接触器

接触器是指电气控制中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。

接触器在机床电路及自动控制电路中作为自动切换电路，用来远距离频繁地接通和断开交直流主回路和大容量控制电路，同时具有欠电压、零电压释放保护的功能。接触器按其主触点通过电流的种类不同可分为直流接触器和交流接触器两种，目前在控制电路中多采用交流接触器。

1.5.1 交流接触器的外形结构和符号

交流接触器的结构和符号如图1.19所示，它由电磁机构、触头系统、灭弧装置及其他部件等四部分组成。

（1）电磁机构。电磁系统包括电磁线圈、铁芯和衔铁，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。

（2）触头系统。触头是接触器的执行部分，它包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流；而辅助触点在控制回路中，用以满足各种控制方式的要求。

图1.19 交流接触器的结构和符号

1—灭弧罩；2—触点压力弹簧片；3—主触点；4—反作用弹簧；5—线圈；6—短路环；7—静铁芯；8—弹簧；9—动铁芯；10—辅助动合触点；11—辅助动断触点

（3）灭弧装置。灭弧装置用来保证在触点断开电路时，产生的电弧能可靠地熄灭，减少电弧对触点的损伤。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。容量在10A以上的接触器都有灭弧装置。

（4）其他部件。包括反作用弹簧、触点压力弹簧、传动机构及外壳等。

1.5.2 交流接触器的工作原理

当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，静铁芯产生电磁吸力将衔铁吸合，衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，使触点系统随之复位。

1.5.3 直流接触器

直流接触器主要用来远距离接通与分断额定电压至440V、额定电流至630A的直流电路，它可频繁地操作和控制直流电动机启动、停止、反转及反接制动。

直流接触器的结构与工作原理基本上与交流接触器相同，即由线圈、铁芯、衔铁、触头、灭弧装置组成，所不同的是除触头电流和线圈电压为直流外，其触头大都采用滚动接触的指形触头，辅助触头则采用点接触的桥形触头。铁芯由整块钢或铸铁制成，线圈则制成长而薄的圆筒形。为保证衔铁可靠地释放，常在铁芯与衔铁之间垫有非磁性垫片。

由于直流电弧不像交流电弧那样有自然过零点，更难熄灭，因此直流接触器常采用磁吹式灭弧装置。

1.5.4 接触器的主要技术参数及型号

1.接触器的主要技术参数

接触器的主要技术参数有额定电压、额定电流、寿命、操作频率等。

（1）额定电压。指接触器主触头的额定电压。一般情况下，交流有220V、380 V、660V，在特殊场合额定电压可高达1140V；直流主要有110V、220V、440V等。

（2）额定电流。指接触器主触头的额定工作电流。它是在一定的条件（额定电压、使用类别和操作频率等）下规

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