13888147524电气设备安装基础
电气控制技术
一、继电器一接触器控制
在机床电气控制电路中广泛采用继电器和接触器来控制电动机的运转，这种控制方式称为继电器一接触器控制。
1.绘制、识读继电器—接触器电气控制电路图的原则电气控制电路常用电路图、接线图和布置图来表示。
(1)电路图电路图是根据生产机械运动形式对电气控制系统的要求，采用国家标准统一规定的电气图形符号和文字符号，按照电气设备的工作顺序，详细表示电路、设备或成套装置的全部基本组成的连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。电路图一般包括电源电路、主电路和辅助电路三部分。电路图能充分表达电气设备的用途、作用和工作原理，是进行电气控制电路安装、调试和维修的理论依据。绘制与识读电路图时应遵循以下原则：
1)电源电路画成水平线，三相交流电源相序L1,L2,L3自上而下依次画出，中性线N和保护地线PE依次画在相线之下。直流电源的“+”端画在上边，“-”端画在下边。电源开关要水平画出。
2)主电路是指流过大电流的动力装置及控制、保护电器支路，它由主熔断器、接触器的主触头、热继电器的热元件以及电动机等组成。主电路通过的电流是电动机的工作电流，其电流较大。主电路图要画在电路图的左侧并垂直于电源电路。
3)辅助电路一般包括控制主电路工作状态的控制电路、显示主电路工作状态的指示电路、提供机床设备局部照明的照明电路等。它是由主令电器的触头、接触器线圈及辅助触头、继电器线圈及触头、指示灯和照明灯等组成。辅助电路通过的电流都较小，一般不超过5A。辅助电路画在主电路的右侧，电路中与下边电源线相连的耗能元器件(如接触器和继电器的线圈、指示灯、照明灯等)要画在电路图的同一方，而电器的触头要画在耗能元器件与一边电源线之间。为读图方便，一般应按照自左至右、自上而下的排列来表示操作顺序。
4)电路图中，各电器的触头位置都按电路未通电或电器未受外力作用时的常态位置画出。分析原理时，应从触头的常态位置出发。
5)电路图中，不画出各元器件的实际外形，而采用国家标准统一规定的电气图形符号画出。
6)电路图中，同一电器的各元器件不按它们的实际位置画在一起，而是按其在电路中所起的作用分别画在不同电路中，但它们的动作却是相互关联的，因此必须标注相同的文字符号。若图中相同的电器较多时，需要在电器文字符号后面加注不同的数字，以示区别，如KM1、KM2等。
7)画电路图时，应尽可能减少线条和避免线条交叉。对有直接电联系的交叉导线连接点，要用小黑圆点表示，无直接电联系的交叉导线则不画小黑点。
8)电路图采用电路编号法，即对电路中的各个连接点用字母或数字编号。主电路从电源开关的出线端按相序依次编号为U11、V11、W11。然后按从上至下、从左至右的顺序，每经过一个元器件，编号都要递增，如U12、V12、W12;U13、V13、W13……。单台三相交流电动机(或设备)的三根引出线按相序依次编号为U、V、W。对于多台电动机引出线的编号，为了不致引起误解和混淆，可在字母前用不同的数字加以区别，如1U、1V、1W;2U、2V、2W……。辅助电路编号按“等电位”原则从上至下、从左至右的顺序用数字依次编号，每经过一个元器件，编号要依次递增。控制电路编号的起始数字必须为1,其他辅助电路编号的起始数字依次递增100,如照明电路编号从101开始；指示电路编号从201开始等。
(2)接线图接线图是根据电气设备和元器件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和元器件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电器动作原理。它主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。绘制、识读接线图应遵循以下原则：
1)接线图中一般表示出电气设备和元器件的相对位置、文字符号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等。
2)所有的电气设备和元器件都按其所在的实际位置绘制在图纸上，且同一电器的各元器件根据其实际结构，使用与电路图相同的图形符号画在一起，并用点画线框上，其文字符号以及接线端子的编号应与电路图中的标注一致，以便对照检查接线。
3)接线图中的导线分为单根导线、导线组(或线扎)和电缆，用连续线和中断线来表示。导线走向相同时可以合并，用线束来表示，到达接线端子板或元器件连接点时再分别画出。在用线束来表示导线组、电缆时，可用加粗的线条表示，在不引起误解的情况下，也可采用部分加粗。另外，导线及管子的型号、根数和规格应标注清楚。
(3)布置图布置图是根据元器件在控制板上的实际安装位置，采用简化的外形符号(如正方形、矩形、圆形等)而绘制的一种简图。它不表达各电器的具体结构、作用、接线情况以及工作原理，主要用于元器件的布置和安装。图中各电器的文字符号必须与电路图和接线图的标注相一致。
在实际工作中，电路图、接线图和布置图要结合起来使用。
2.电气控制电路中的电气联锁装置
一台机床往往有多台电动机和许多部件，根据生产实际和生产安全的需要，这些电动机和部件组成了一定的电气系统。系统中各电动机和部件的动作应有先后次序并互相配合、互相制约。这些功能的实现往往要用到电气联锁装置。
电气控制系统中常用的联锁装置有以下几种：
(1)多地控制对大型机床或因操作环境的需要，常会在两个或两个以上操作地点各安装一套控制按钮。其接线原则是在控制电路中将所有起动按钮的常开触头并联，而将所有停止按钮的常闭触头串联。
(2)联锁控制为使机床设备按规定的工艺要求、安全可靠地进行工作，常常要求一些电器和生产部件按一定顺序工作或有相互制约功能。因此，要在线路中采取相应措施防止事故的发生。其中主要的措施是在系统中采用联锁装置。联锁装置分为互相制约(互锁)、按先决条件制约和自锁三种。
1)互锁控制：当生产机械的两个或两个以上部件同时运动会发生事故时，应采用互锁控制电路。这种电路多用于电动机的正反转控制、移动部件的移动和夹紧、主拖动系统和辅助拖动系统之间的联锁。互锁电路构成的原则是：将两台不允许同时工作的接触器的常闭触头串入对方线圈所在的控制电路中，从而使两路控制电路不能同时通电。
2)按先决条件制约的联锁电路：当要求生产机械或其中一部分机构只有满足一定条件时才允许起动时，一般采用这种联锁电路。如铣床控制电路中只有当主轴转动后才允许工作台进给；也有些机床，只有当润滑系统工作后才允许起动其他部件。这种电路的接线原则是：将条件动作的接触器的常开触头与受条件制约的接触器或继电器的线圈串联起来。
3)自锁控制：多用于机床的点动及连续工作状态的控制。常用的方法有用转换开关控制、利用复合按钮控制和利用继电器控制。
(3)顺序控制按工艺要求，使机械设备及电动机的起动或停止必须按照一定的顺序来完成，这种控制方式称为电动机的顺序控制。顺序控制的实现可采用以下两种方式：
1)在主电路中实现顺序控制。顺序起动控制电路的接线原则是：将控制一台电动机的接触器辅助触头接在控制另一台电动机的接触器辅助触头的后面。
2)在控制电路中实现顺序控制。图1-22b所示控制电路的接线原则是：将控制电路中先起动电动机的控制接触器KM1的常开触头串入后起动电动机的控制接触器的线圈中，这样就保证了M1起动后，M2才能起动的顺序控制要求。
3.准确停止系统
准确停止系统又称为定位系统。在生产过程中往往要求一些运动着的部件、工具、被加工件等停在指定位置上，这时就必须采用准确停止系统，它是生产加工中不可缺少的技术。往往加工精度及自动化程度越高，要求的定位位置越准确。为达到准确定位的目的，一方面要能在一定精度范围内测出被定位物体的位置，同时还要根据指令对驱动电动机或生产机械运行进行迅速有效的制动，使之立即停止。因此，在停止系统中一般分为对被定位物体进行检测和对驱动电动机进行驱动或停止两部分。系统的定位方式有电气式、机械式、空气式、光学式及复合式。
在电气控制系统中最常用的是电气式定位，其检测元件主要有位置开关、按钮、接近开关、步进电动机和电气直线标尺(磁栅、感应同步器等)。在电气定位中，检测信号多为电信号。电信号一般分为模拟量和数字量。如果某电气系统只对检测信号进行响应，称为开环控制系统。如果除对检测信号响应外，还对被定位物体进行重新检测和校正定位，该系统称为闭环控制系统。
机床设备中常采用位置开关、半导体接近开关及配合电动机制动装置进行定位，如电磁制动器、电磁离合器等。上述控制方式属于机电控制的定位方式。数控机床中常采用步进电动机进行定位控制，属于数字控制的定位方式。
4.双速电动机控制电路的分析
双速电动机的控制电路。其工作原理是：先闭合电源开关QS,按下低速起动按钮SB2,接触器KM1通电吸合并自锁，电动机作△联
结并以低速运行。如需要转换为高速运转，可以按下按钮SB3,接触器KM1线圈断电释放，同时接触器KM2通电吸合并自锁，电动机定子绕组作YY联结，并且电源的相序已改变，电动机以高速同方向旋转。
有时为了减少高速运行时的能耗，起动时电动机先按△联结低速起动，然后自动转为YY联结高速运行。这个过程可以用时间继电器来控制。工作原理(见图1-23b)是：按下按钮SB2时，时间继电器KT通电，其延时断开触头(9～11)瞬时闭合，接触器KM1因线圈通电而吸合，电动机定子绕组接成△起动。同时中间继电器KA通电吸合并自锁，使时间继电器KT断电，经过一断延时之后，KT(9～11)触头断开，接触器KM1断电，使接触器KM2通电，电动机便自动从△联结改变成Y丫联结运行，完成了自动加速过程。
二、单片机控制
1.单片机的定义、分类和特点
(1)单片机的定义 单片机是把CPU、存储器、I/O接口及其他功能的电路集成到一个芯片上的单芯片微型计算机，也称为MCU(微控制器)。在单片机上只要外加少许外围电子元器件便可以构成一套简易的控制系统。由于单片机芯片设计及制造技术方面的原因，在有限的芯片上无法设计出太多的内存空间，因此单片机上的ROM及RAM的容量都比较小。目前根据应用的需要在单片机的芯片里除加入了输入输出控制、定时计数器及外部中断的控制功能电路外，还加入了A-D(模-数)转换及D-A(数-模)转换功能的接口电路。
(2)单片机的分类按其存储器类型可分为五种类型：
1)MASKROM类：程序在芯片封装过程中用掩膜工艺制作到ROM区中，如80C51,适合于大批量生产。
2)EPROM类：紫外线可擦写存储器类，如87C51(价格较贵)。
3)ROMless类：无ROM,如80C31,电路扩展复杂，现在较少使用。
4)OTPROM类：可一次性写入程序。
5)FlashROM类：可多次编程写人存储器，如89C51、89S51等，其成本低，开发调试方便，可重复编写程序。
(3)单片机的主要特点 由于单片机具有体积小、成本低、运用灵活、易于产品化、较高的性价比、抗干扰能力强、温度适应范围宽等优点，使其在控制领域中得到了广泛的应用，单片机已经成为工业控制领域中不可缺少的器件之一。
2.单片机中的一些常用术语
(1)总线 指能为多个部件服务的信息传送线。在微机系统中，各个部件通过总线相互通信，总线包括地址总线、数据总线和控制总线。地址总线是用来传送由CPU发出的用于选择要访问的器件或部件地址的数据。数据总线是用来传送微机系统内的各种类型的数据。
(2)汇编是能完成一定任务的机器指令的集合。
(3)二进制数和16进制数
1)二进制数：只有0和1两个数码，基数为二。
2)16进制数：采用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F等16个数码，其中A~F相应的十进数为10~15,基数是16。
(4)指令是计算机所能执行的一种基本操作的描述，是计算机软件的基本单元。
(5)存储器用来存放计算机中的所有信息，包括程序、原始数据、运算的中间结果及最终结果等。
(6)中断中断是单片机实时处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的程序，继续执行下去。
(7)存储器用来存放程序和数据的装置。根据存取功能可分为RAM和ROM两种。
1)RAM(随机存取存储器):主要用来存放各种输入数据、输出数据、中间结果、最终结果以及与外存交换的信息等，当掉电后，RAM中所存储的信息都将消失。
2)ROM(只读存储器):ROM通过特别手段可将信息存入其中，并能长期的保存被存储的信息。一般情况下，CPU只能对它进行写入操作，当断电后，ROM中所存储的信息不会消失。
(8)位(bit)和字节(Byte)
1)位：是计算机中所能表示的最基本和最小的数据单位。在计算机中的位就是指一个二进制位。
2)字节：相邻8位二进制数码被称为一个字节，即1B=8bit。也可以说一个字节的长度为8位。在计算机中常用字节数来表示存储器的容量。
(9)串行传送和并行传送
1)串行传送：指数据的各位分时传送，只需一条数据线，外加一条公共信号地线和若干条控制信号线。
2)并行传送：指数据的各位同时传送，每一条数据都需要一条传输线。
(10)D-A转换和A-D转换
1)D-A转换：是将二进制数量转换成与其量值成正比的电流信号或电压信号。
2)A-D转换：是将模拟量转换成相应的数字量，再送计算机进行处理。
3.单片机的硬件结构和构成
(1)8051单片机系统的内部结构
1)一个8位的微处理器(CPU):即8051单片机的CPU能处理8位二进制数或代码。
2)256B数据存储器和4KB程序存储器：
①内部数据存储器(RAM):它是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。8051单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128个单元被专用寄存器占用，能作为供用户使用的寄存器只是前128个单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128个单元，简称内部RAM,地址范围为00H～FFH(256B)。
②内部程序存储器(ROM):8051单片机内部有4KB的ROM,用于存放程序、原始数据或表格。因此称之为程序存储器，简称内部RAM,地址范围为0000H~FFFFH(64KB)。
3)定时器/计数器：8051单片机共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。定时靠内部分频时钟频率计数实现；做计数器时，对P3.4(TO)或P3.5(T1)端口的低电平脉冲计数。
4)并行I/O口：8051单片机共有4个8位的并行I/O口(PO、P1、P2、P3)以实现数据的输入输出。
5)串行口：8051单片机有一个全双工的通用异步串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。RXD(P3.0)脚为接收端口，TXD(P3.1)脚为发送端口。
6)中断控制系统：8051单片机的中断功能较强，能满足不同控制应用的需要。其共有5个中断，即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级两个优先级别。
7)时钟电路：8051单片机芯片的内部有时钟电路，但硅晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
(2)8051单片机的引脚功能8051单片机有标准的40引脚双列直插式集成电路芯片形式，引脚分布如图1-25所示。
1)P0.0~P0.7:PO口8位双向口线(引脚的32～39号端子)。PO口有三个功能：
①扩展外部存储器时，当作数据总线(D0～D7为数据总线接口)。
②扩展外部存储器时，当作地址总线(A0～A7为地址总线接口)。
③不扩展时，可作一般的I/O使用，内部无上拉电阻，但应在外部接上拉电阻。
2)P1.0~P1.7:P1口8位双向口线(引脚的1～8号端子)。P1口只作I/0口使用，其内部接有上拉电阻。
3)P2.0~P2.7:P2口8位双向口线(引脚的21～28号端子)。P2口有两个功能：
①扩展外部存储器时，当作地址总线使用。
②作为I/0口使用，其内部接有上拉电阻。
4)P3.0～P3.7:P3口8位双向口线(引脚的10～17号端子)。P3口有两个功能：
①作为J/O使用(其内部有上拉电阻)。
②作为串行通信接口，读写控制信号等。
5)ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于把PO口的低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
6)PSEN外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。
7)其他引脚：
①EA/Vm:访问和存储器控制信号。
②RST复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上为高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
③XTAL1和XTAL2外接晶振引脚：当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接硅晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
④Vcc:电源+5V输入。
⑤Vss:GND接地。
4.单片机的指令和程序
(1)指令的格式指令是指挥计算机工作的命令。指令有两种表达形式：第一种形式是机器码格式，也叫作数字的形式；第二种助记符的形式称为汇编语言指令，如MOVA,#0FEH。
(2)程序和汇编程序是人们为了完成某种任务，按照自己的思维逻辑，使计算机按照一定的规律进行各种操作，实现特定的控制功能而编制的有关指令的集合。我们编写指令使用汇编格式，而计算机只懂机器码格式，所以要将我们编写的汇编格式的指令转换为机器码格式，这种转换有两种方法：手工汇编和机器汇编。手工汇编实际上就是查表，因为这两种格式纯粹是格式不同，所以是一一对应的，查一张表格就行了。机器汇编就是用计算机软件来替代手工查表。
单片机工作就是执行程序的过程，即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令时可分为三个阶段进行，即：取指令一分析指令一执行指令。计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。一般单片机中的程序都已通过编程器固化在片内或片外程序存储器中，所以一开机即可执行指令。
(3)单片机的指令系统每种单片机都有自己独特的指令系统。因为指令系统是开发和生产厂商定义的，如要使用其单片机，用户就必须理解和遵循这些指令标准，要掌握某种单片机，指令系统的学习是必须的。单片机共有111条指令，可分为5类：数据传送类指令(共29条),算数运算类指令(共24条),逻辑运算及移位类指令(共24条),控制转移类指令(共17条),布尔变量操作类指令(共17条)。
5.单片机的应用
单片机的开发最早主要是处于汇编级的开发，那时，为单片机开发程序还是比较复杂的事情。虽然单片机的指令系统和普通计算机系统的指令非常类似，但它也有自己特殊的指令。比如MCS系列单片机的位寻址就是一个特有的寻址方式，这也增强了该类型单片机处理布尔代数的能力。除此以外，单片机的指令格式也比较特殊。单片机的主要开发工作都集中在接口技术，也就是为单片机进行扩展外部功能。单片机接口技术包括了并行接口、串行接口、数-模转换器和模-数转换器，以及接口的扩展技术。通过这些扩展工作，单片机获得了一定的交互能力，也使其内部处理能力得到有效的提高。单片机发展到今天，出现了不少高级语言开发工具，这些系统通过仿真，在更高的平台上进行快速开发，也为单片机的广泛应用铺平了道路。
单片机应用于工业测控是它的主要功能之一，例如单片机应用于汽车工业。另外，随着单片机性能的增强，单片机也同样广泛应用于计算机网络和通信技术。
如今单片机已经无处不在，与我们的生活息息相关。单片机体积小，集成度高，其内部的结构是普通计算机系统的简化。单片机具有可扩展性，在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形成了一个应用系统。单片机本身具有和普通计算机类似的强大的处理，可以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。
