继电器控制系统

继电器控制系统一般由主令电器、接触器、继电器和导线等部分组成，可以把继电器看做电磁开关。给线圈加一个电压，产生一个磁场，该磁场使继电器的触点闭合。触点被看做是开关，它们允许电流流过，从而将主电路闭合。

在继电器控制系统中，要完成一个控制任务，需由导线将各种输入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑的控制电路相连接，然后通过输出设备（接触网、电磁阀等执行元件）去控制被控对象动作或运行，这种控制系统称做接线控制系统，所实现的逻辑称为布线逻辑，即输入对输出的控制作用是通过“接线程序”来实现的。在这种控制系统中，控制要求的变更或修改必须通过改变控制电路的硬接线来完成。因此，虽然其结构简单易懂，在工业控制领域中被长期广泛使用，但设备体积大、动作速度慢、功能单一、接线复杂、通用性和灵活性差，已愈来愈不能满足现代生产中生产过程及工艺复杂多变的控制要求。

继电器

继电器用于控制电路，电流小，没有灭弧装置，可在电量或非电量的作用下动作。它由电磁线圈、铁芯、触点和复位弹簧组成。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。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（动合输触电）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下返回到原来的位置，使动触点与原来的静触点（动断触点）吸合。这样通过吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是触电元件。

接触器

接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，接触器也是利用电磁吸力的原理工作的，主要有触头系统、电磁系统、灭弧装置、支架底座、外壳组成。它用于主电路，电流大，有灭弧装置，一般只能在电压作用下动作。电磁机通常包括吸引线圈、铁芯和衔铁三部分。

热继电器

电动机长期过载、频繁启动、欠电压、断相运行均会引起过电流。热继电器是过载保护特性的过电流继电器，它是利用电流的热效应来切断电路的保护电器。它在控制电路中，用作电动机的过载保护和断相保护，既能保证电动机不超过容许的过载，又可以最大限度的保证电动机的过载能力。当然，首先要保证电动机的正常工作。

时间继电器

时间继电器是一种实现触点延时接通或断开的自动控制电器，其种类很多，常用的有电磁式、电子式、钟表式、电动机式时间继电器。时间继电器的延时动作，区别于一般的固有动作时间。

速度继电器

速度继电器用来感受转速。它的感受部分主要包括转子和定子两大部分，执行机构是触头系统。当被控电机转动时，带动继电器转子以同样的速度旋转而产生电磁转矩，使定子克服外界反作用力转动一定角度，转速越高，角度越大。当转速高于设定值时，触点又复原。速度继电器常用于电机的降压启动和反接制动。

按钮

按钮是手动控制电器的一种，用来发出信号和接通或断开控制电路。

万能转换开关

万能转换开关用来选择工作状态，转换测信号回路，控制小容量电机。不同型号的万能转换开关，其手柄有不同的挡位（操作位置），其各触点的分合状态与手柄所处的挡位有关。

接近开关

接近式位置开关是一种非接触式位置开关，简称接近开关。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。

接近开关分为电感式和电容式两种。

电感式接近开关的感应是一个具有铁氧化磁芯的电感线圈，只能用于检测金属体。振荡器在感应表面产生一个交变磁场，当金属块接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而产生振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。常用的电感式接近开关型号有L11、LJ2等系列。

电容式接近开关的感应头是一个圆形平板电极，与振荡电路的地线形成了一个分布电容，当有导体或其它介质接近感应头时，电容量增大而使振荡停振，经整形放大器输出电信号。电容式接近开关既能检测金属，又能检测非金属及液体。常用的电容式接近开关型号有LXJ15、TC等系列。

红外线光电开关

红外线光电开关分为反射式和对射式两种。

反射式光电开关是利用物体对光电开关的红外线反射回去，由光电开关接收，从而判断是否有物体存在。如果有物体存在，光电开关接收到红外线，其触点动作，否则其触点复位。它有三根连接线，分别连接直流电源的正极、负极、OUT（输出信号），当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。需要注意检测距离不要离光电开关太近，否则光电开关不能动作。

对射式光电开关由分离的发射器和接收器组成。当无遮挡物时，接收到发射器发出的红外线，其触点动作；当有物体挡住时，接收器便接收不到红外线，其触点复位。对射式光电开关的输出状态一般为NPN输出，输出晶体管的动作状态可分为入光时ON和遮光时ON两种。

PLC和继电器控制系统是相辅相成，继电器从来没有停止进一步的发展，包括SIEMENS在内从来没有承诺普通PLC是安全的，如：设备的安全控制（停电、重起、人身防护）都是由专门安全继电器来保证，所以至今欧洲还有许多专门生产商在生产、研发。

一个继电器控制系统和PLC控制系统都是由输入部分、输出部分和控制部分组成。PLC的梯形图与继电器控制电路图十分相似，主要原因是PLC梯形图大致沿用了继电器控制的电路元器件符号。

继电器控制系统的特点

继电器控制系统由器件和导线连接而成，具有结构简单、成本低等优点，同时由于原理简单，对工程技术人员来说易于掌握。但继电器控制系统对于复杂系统，整个系统的设计和安装的工作量就特别大，有时变得不可能完成。机械触点的物理接触容易带来损坏；接线也易受振动等影响，可靠性会变差。

由于控制作用是通过器件的连接来实现的，当需要改变控制作用时，就需要改变硬件接线，对控制系统的维护性和升级很不利。

但继电器的动作对于控制系统来说，是一种可靠的机械隔离，所以经常和其他控制装置（如可编程控制器）配合使用。

PLC的特点

1、功能强，性能价格比高

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

3、可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

4、系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。

5、编程方法简单

梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

6、维修工作量少，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7、体积小，能耗低

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。

PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

三方面的对比

1.控制方式

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称软接线。

2.控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

3.延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。

总的来说，继电器控制系统是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时和计数等功能。一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计，重新配线。传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。PLC由于应用了微电子技术和计算机技术，所以各种控制功能都是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性和安装维护等各方面比较，PLC都有显著的优势。因此，PLC控制系统将取代大多数传统的继电器控制系统。

前言

第1章　绪论

1．1电气控制基础

1．1．1继电器

1．1．2继电器控制系统

1．1．3继电器控制系统的特点

1．2可编程序控制器的诞生与发展

1．2．1可编程序控制器诞生的时代背景

1．2．2可编程序控制器诞生的过程

1．2．3可编程序控制器的发展

1．3可编程序控制器的名称、定义和特点

1．3．1可编程序控制器的名称

1．3．2可编程序控制器的定义

1．3．3可编程序控制器的特点

1．4可编程序控制器的分类

1．4．1根据点数和功能进行分类

1．4．2根据结构形式进行分类

1．4．3PLC的流派分类

1．4．4西门子PLC的分类

1．5可编程序控制器的功能、在工业控制中的地位和发展前景

1．5．1可编程序控制器的功能

1．5．2可编程序控制器在工业控制中的地位

1．5．3可编程序控制器的发展前景

第2章　可编程序控制器的组成与工作原理

2．1可编程序控制器的硬件组成

2．1．1组成概述

2．1．2硬件组成

2．2可编程序控制器的工作原理

2．2．1可编程序控制器的控制作用

2．2．2可编程序控制器的工作过程

2．2．3可编程序控制器的输出滞后问题

2．3可编程序控制器的编程语言

2．3．1编程语言概述

2．3．2梯形图语言

2．3．3语句表语言

2．3．4功能块图语言

2．3．5顺序功能图语言

2．3．6结构化文本语言

2．4西门子PLC模块与端子连接

2．4．1西门子PLCS7—200的CPU模块与硬件端子连接

2．4．2西门子可编程序控制器S7—200的信号扩展模块

2．4_3西门子可编程序控制器S7—300的模块

2．4．4西门子可编程序控制器S7-400的模块

2．5西门子PLC的存储区、数据类型与寻址

2．5．1西门子PLC的存储区

2．5．2西门子PLC的编程变量

2．5．3西门子PLC的数据类型

2．5．4西门子可编程序控制器的寻址

2．6西门子可编程序控制器的软件结构

2．6．1可编程序控制器的软件结构

2．6．2西门子S7—200PLC的系统块

2．6．3西门子S7—300/400PLC的硬件组态与CPU属性

第3章　87-200基本编程指令

第4章　S7-300/400基本编程指令

第5章　程序结构、结构化编程与中断

第6章　西门子PLC系统设计与编程举例

第7章　顺序控制

第8章　西门子PLC模拟量控制

第9章　西门子PPI和MPl通信技术

第10章　现场总线PROFIBUS—DP通信技术

第11章　工业以太网通信技术

第12章　WinCC基础

第13章　西门子PLC与网络应用技术

附录

参考文献

……2100433B

本书主要介绍继电器控制系统及PLC的基本硬件结构与工作原理及应用。继电器控制系统主要介绍基本元件、经典的电气控制电路和控制过程原理。PLC控制系统主要选西门子200系列PLC的基本指令和功能指令应用，选择几个有实际应用的工程案例讲解工作过程，要求学生能掌握应用电气自动化行业基本的读图能力、专业工具应用能力，具备使用PLC进行自动控制系统的设计、安装与调试等方面能力。