大家好我是專注于工業(yè)自動化技術(shù)分享的博主。在PLC自動化系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和項目實施中很多朋友常常感到困惑明明梯形圖邏輯寫得沒問題為什么設(shè)備就是不按預(yù)期動作或者為什么一個簡單的啟?？刂平泳€卻如此復(fù)雜這些問題很多時候根源并不在PLC程序本身而在于對系統(tǒng)外圍的“手腳”——也就是各種電工元器件——的理解不夠深入。這些元器件是PLC感知世界輸入和控制世界輸出的橋梁是自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基石。本文將聚焦于PLC自動化系統(tǒng)中最常用、最核心的一批電工元器件上篇為大家進行一次系統(tǒng)的梳理。無論你是剛?cè)腴T電氣自動化的小白希望夯實基礎(chǔ)還是有一定經(jīng)驗的工程師想查漏補缺理清思路這篇文章都將為你提供一份清晰的“元器件地圖”。我們將從元器件的核心功能、工作原理、實物識別、電氣符號一直到在PLC系統(tǒng)中的典型接線與應(yīng)用進行逐一拆解目標(biāo)是讓你看完后不僅能認識它們更能理解它們?nèi)绾闻cPLC協(xié)同工作從而具備獨立分析電路圖和進行基礎(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計的能力。1. 核心概念為什么電工元器件對PLC如此重要在深入具體器件之前我們首先要建立一個正確的認知框架。PLC可編程邏輯控制器本質(zhì)上是一個“大腦”它負責(zé)執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等指令。然而這個“大腦”本身既看不見設(shè)備的運行狀態(tài)如按鈕是否按下、傳感器是否檢測到物體也搬不動任何執(zhí)行機構(gòu)如電機轉(zhuǎn)動、氣缸伸出。電工元器件在這里扮演了兩個關(guān)鍵角色感知器官輸入部分將現(xiàn)場的各種物理量如位置、溫度、壓力、電流或人的操作意圖如按下按鈕轉(zhuǎn)換為PLC能夠識別的電信號通常是DC24V或AC220V的通斷信號或模擬量電壓/電流信號。沒有它們PLC就是“瞎子”和“聾子”。執(zhí)行手腳輸出部分將PLC發(fā)出的微弱控制信號進行功率放大和電氣隔離驅(qū)動那些需要較大電流或電壓才能工作的現(xiàn)場設(shè)備如接觸器、電磁閥、指示燈。沒有它們PLC就是“思想上的巨人行動上的矮子”。因此學(xué)習(xí)PLC自動化絕不能只盯著編程軟件里的梯形圖。一個完整的自動化系統(tǒng)知識體系必須包含“元器件選型 - 電路設(shè)計 - PLC編程 - 調(diào)試維護”這四個環(huán)節(jié)。本講及后續(xù)內(nèi)容正是為了夯實第一個環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)。2. 環(huán)境與認知準(zhǔn)備從圖紙到實物在開始認識具體元器件前我們需要統(tǒng)一“語言”。在電氣自動化領(lǐng)域這套語言就是電氣圖形符號和文字符號。電氣圖形符號在電路圖原理圖上代表元器件的簡圖。不同國家有不同標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 4728中國國標(biāo)IEC國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)但大同小異。我們會結(jié)合國標(biāo)和行業(yè)常用畫法進行介紹。文字符號用于在圖紙和設(shè)備上標(biāo)識元器件的字母代碼。例如“SB”常表示按鈕“KM”表示接觸器“KA”表示中間繼電器。本文的講解將遵循以下邏輯便于大家理解和記憶元器件名稱 - 核心功能與工作原理 - 實物圖與圖形符號 - 關(guān)鍵參數(shù) - 與PLC的典型連接方式及注意事項。下面我們就進入正題開始認識PLC自動化系統(tǒng)中的“明星”元器件。3. 主令電器系統(tǒng)的“指揮棒”主令電器是用來發(fā)布控制指令的電器是人工干預(yù)自動化系統(tǒng)的主要接口。3.1 控制按鈕SB控制按鈕是最常見的主令電器用于接通或分斷小電流控制電路。核心功能發(fā)送“啟動”、“停止”、“復(fù)位”等命令。工作原理通過人力按壓操作使內(nèi)部的動合常開觸點或動斷常閉觸點改變狀態(tài)。實物與符號實物通常有塑料外殼顏色多樣綠色常用作啟動紅色常用作停止。圖形符號E | // 常開觸點動合觸點按下閉合 | SB | | // 常閉觸點動斷觸點按下斷開 | SB文字符號SB。為了區(qū)分可加下標(biāo)如SB1啟動、SB2停止。關(guān)鍵參數(shù)額定電壓如AC 380V, DC 220V、額定電流如5A, 10A、觸點類型1常開1常閉2常開2常閉等、防護等級IP等級。與PLC連接輸入按鈕的一端接PLC的輸入公共端如24V或COM另一端接PLC的輸入點如X0。重要注意事項通常使用按鈕的常開觸點作為PLC的輸入信號。當(dāng)按下按鈕觸點閉合PLC輸入點接收到高電平24V在程序里對應(yīng)的輸入繼電器如X0狀態(tài)變?yōu)镺N1。# 典型接線示意以三菱FX系列PLC的漏型輸入為例 # PLC側(cè)S/S端子輸入公共端接24V # 按鈕側(cè)一端接PLC的X0另一端接0VCOM # 當(dāng)按鈕按下X0與0V接通電流流入X0PLC檢測到輸入信號。 24V --- S/S (PLC公共端) | |---- X0 (PLC輸入點) --- 按鈕常開觸點一端 | 按鈕常開觸點另一端 --- 0V (COM)3.2 選擇開關(guān)SA/ 轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇開關(guān)用于在兩種或多種電路狀態(tài)間進行切換。核心功能實現(xiàn)“手動/自動”模式切換、“速度選擇”、“功能選擇”等。工作原理通過旋轉(zhuǎn)手柄帶動內(nèi)部凸輪機構(gòu)使多組觸點按預(yù)定規(guī)律接通或斷開。實物與符號實物有旋鈕式、鑰匙式等檔位通常有2位或3位。圖形符號類似按鈕但在符號上會標(biāo)注檔位。例如一個2位置開關(guān)SA / \ 手動 自動文字符號SA。與PLC連接與按鈕類似將開關(guān)的不同檔位對應(yīng)的觸點接到PLC的不同輸入點上。PLC程序通過判斷哪個輸入點有效來識別當(dāng)前系統(tǒng)處于何種模式。4. 檢測電器系統(tǒng)的“感官”檢測電器能感受規(guī)定的物理量如位移、溫度、光照并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號輸出。4.1 行程開關(guān)SQ/ 限位開關(guān)行程開關(guān)利用生產(chǎn)機械運動部件的碰撞來發(fā)出控制指令。核心功能檢測運動部件如機床工作臺、氣缸活塞桿是否到達預(yù)定位置用于限位、自動往返或位置計數(shù)。工作原理當(dāng)運動部件上的撞塊壓到行程開關(guān)的滾輪或推桿時內(nèi)部觸點動作常開變閉常閉變開。類型直動式、滾輪式、微動式等。實物與符號實物通常有金屬或塑料外殼帶一個可活動的杠桿或滾輪。圖形符號與按鈕基本相同文字符號改為SQ。E | // 常開觸點 | SQ文字符號SQ。與PLC連接完全等同于按鈕。將行程開關(guān)的常開觸點串聯(lián)在PLC輸入回路中。當(dāng)被觸發(fā)觸點閉合PLC輸入點得電。4.2 接近開關(guān)接近開關(guān)是一種非接觸式的位置檢測開關(guān)無需與被測物體機械接觸。核心功能檢測金屬或非金屬物體的有無、距離。響應(yīng)頻率高壽命長適用于高速、高精度場合。工作原理根據(jù)原理主要分三類電感式只檢測金屬物體。內(nèi)部振蕩線圈在接近金屬時產(chǎn)生渦流導(dǎo)致振蕩衰減從而驅(qū)動輸出。電容式可檢測金屬、非金屬如塑料、液體。檢測物體接近時電容量發(fā)生變化。光電式通過發(fā)射光束和接收光束來檢測物體。分對射型、反射型和漫反射型。輸出形式NPN型漏型輸出低電平0V。當(dāng)檢測到物體時輸出線黑線與0V接通。PNP型源型輸出高電平如24V。當(dāng)檢測到物體時輸出線黑線與24V接通。常開NO/常閉NC指輸出觸點的初始狀態(tài)。實物與符號實物圓柱形或方形通常有LED指示燈接線多為3線棕藍-黑輸出或4線多一組互補輸出。圖形符號行業(yè)常用一個方框內(nèi)標(biāo)注“PR”或直接畫傳感器圖形旁邊標(biāo)注類型如電感式。在原理圖中常簡化處理用類似開關(guān)的符號并注明“接近開關(guān)”。文字符號SQ或PR。與PLC連接關(guān)鍵必須首先匹配PLC輸入電路的類型漏型/源型與接近開關(guān)的輸出類型NPN/PNP。對于常見的漏型輸入PLC如三菱FX系列公共端S/S接24V應(yīng)選用NPN常開型接近開關(guān)。# NPN接近開關(guān)接線至漏型輸入PLC示例 24V --- S/S (PLC公共端) | |---- X0 (PLC輸入點) --- 接近開關(guān)黑線(輸出) | 接近開關(guān)藍線 --- 0V 接近開關(guān)棕線 --- 24V # 工作過程未檢測物體時黑線懸空X0無電流。檢測到物體時NPN晶體管導(dǎo)通黑線與藍線0V接通電流從S/S(24V)流經(jīng)PLC內(nèi)部光耦從X0流出再經(jīng)黑線到0V形成回路PLC輸入有效。對于源型輸入PLC公共端接0V應(yīng)選用PNP常開型接近開關(guān)。注意事項接線前務(wù)必查閱PLC和接近開關(guān)的說明書確認電壓等級通常DC24V和類型接錯可能損壞設(shè)備。4.3 光電開關(guān)光電開關(guān)是接近開關(guān)的一種特指利用光電原理的傳感器。因其應(yīng)用極其廣泛常單獨討論。核心功能檢測物體的存在、距離、顏色、標(biāo)記等。類型與工作原理對射型發(fā)射器和接收器分離。物體阻擋光路時輸出信號。檢測距離遠抗干擾強。反射型鏡反射發(fā)射器和接收器一體對準(zhǔn)一個專用反射鏡。物體阻擋光路時輸出信號。漫反射型發(fā)射器和接收器一體依靠物體表面的漫反射光。檢測到物體反射光時輸出信號。安裝最簡便。與PLC連接同接近開關(guān)需區(qū)分NPN/PNP輸出并與PLC輸入類型匹配。光電開關(guān)通常也提供常開/常閉輸出選擇。5. 控制電器系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞與放大器”控制電器用于在電路中傳遞、轉(zhuǎn)換、放大信號或?qū)﹄娐愤M行保護。5.1 中間繼電器KA中間繼電器本質(zhì)上是電壓驅(qū)動的開關(guān)用較小的控制信號線圈通電來控制一個或多個較大容量的觸點回路。核心功能信號放大與隔離PLC的輸出點帶載能力有限通常0.5A~2A。用中間繼電器將PLC的弱電控制信號轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動接觸器線圈的強電信號同時隔離PLC與強電回路。信號擴展一個繼電器線圈動作可以同時控制多路觸點如4常開4常閉實現(xiàn)“一對多”控制。邏輯轉(zhuǎn)換通過組合常開、常閉觸點實現(xiàn)簡單的邏輯“與”、“或”、“非”功能。結(jié)構(gòu)與符號線圈圖形符號是一個長方形內(nèi)標(biāo)文字符號KA和編號。當(dāng)線圈兩端施加額定電壓時產(chǎn)生磁場吸合觸點。---- | KA1 | // 繼電器線圈 ----觸點分為常開觸點動合和常閉觸點動斷。觸點圖形符號與按鈕觸點類似但關(guān)聯(lián)到同一個繼電器編號。E | // 常開觸點屬于KA1 | KA1 | | // 常閉觸點屬于KA1 | KA1關(guān)鍵參數(shù)線圈電壓DC24V, AC220V等、觸點容量電流/電壓、觸點數(shù)量幾開幾閉。與PLC的典型應(yīng)用PLC輸出驅(qū)動繼電器線圈這是最經(jīng)典的用法。PLC的晶體管輸出點如Y0連接繼電器線圈如DC24V線圈線圈另一端接電源負極。繼電器觸點則用于控制外部大功率設(shè)備如接觸器、電磁閥、指示燈。# PLC輸出控制中間繼電器線圈接線示例 PLC的Y0輸出點 --- 繼電器KA1線圈端子A1 24V電源負極(-) --- 繼電器KA1線圈端子A2 # 繼電器觸點控制接觸器示例 220V火線L --- 繼電器KA1的常開觸點一端 繼電器KA1的常開觸點另一端 --- 接觸器KM1的線圈端子A1 220V零線N --- 接觸器KM1的線圈端子A2 # 當(dāng)PLC的Y0輸出ONKA1線圈得電其常開觸點閉合從而使接觸器KM1線圈得電主觸點吸合電機通電運行。注意事項繼電器線圈是感性負載斷電時會產(chǎn)生很高的反向電動勢。務(wù)必在線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管如1N4007陽極接電源負極側(cè)陰極接電源正極側(cè)以保護PLC的輸出晶體管。5.2 接觸器KM接觸器是一種用于頻繁地接通和分斷主電路大電流的自動控制電器。核心功能直接控制電動機、電熱設(shè)備等大功率負載的電源通斷。它是自動控制系統(tǒng)中執(zhí)行“動力輸出”的關(guān)鍵部件。工作原理與繼電器類似但容量更大。當(dāng)線圈通電產(chǎn)生電磁力吸合動鐵芯帶動主觸點和輔助觸點動作。結(jié)構(gòu)電磁系統(tǒng)線圈、靜鐵芯、動鐵芯。觸點系統(tǒng)主觸點通常3對用于三相電容量大幾十到幾百安培用于接通/斷開主電路。圖形符號與常開觸點類似但通常畫得粗一些。輔助觸點容量小通常5A或10A用于控制電路實現(xiàn)自鎖、互鎖、信號傳遞等。有常開和常閉兩種。滅弧裝置用于熄滅主觸點分斷時產(chǎn)生的電弧。文字符號KM。關(guān)鍵參數(shù)線圈電壓、額定電流、極數(shù)如3P、輔助觸點數(shù)量。與PLC系統(tǒng)的關(guān)系PLC通常不直接驅(qū)動接觸器線圈因為接觸器線圈電流較大幾十到幾百毫安且為交流感性負載。標(biāo)準(zhǔn)做法是PLC輸出 - 中間繼電器 - 接觸器線圈。這樣實現(xiàn)了兩級隔離和放大既保護了PLC又提供了控制靈活性。經(jīng)典應(yīng)用三相異步電動機的啟保?？刂齐m然現(xiàn)代控制多用PLC但理解接觸器的自鎖電路是電氣基礎(chǔ)。其核心是利用接觸器的一對常開輔助觸點實現(xiàn)“自鎖”或稱“自保持”。# 簡化原理描述不含熱保護、熔斷器等 1. 啟動按下啟動按鈕SB2接觸器KM線圈得電。 2. 自鎖KM主觸點閉合電機得電運行同時KM的常開輔助觸點閉合。 3. 保持松開SB2后電流通過已閉合的KM輔助觸點繼續(xù)為KM線圈供電電機保持運行。 4. 停止按下停止按鈕SB1常閉切斷KM線圈回路所有KM觸點復(fù)位電機停轉(zhuǎn)。在PLC系統(tǒng)中這個“自鎖”邏輯被轉(zhuǎn)移到PLC內(nèi)部的軟件程序中用輸出線圈Y0的常開觸點并聯(lián)在啟動條件上而外部硬件接線則簡化為按鈕和接觸器線圈的通斷控制。6. 保護電器系統(tǒng)的“安全衛(wèi)士”保護電器在電路發(fā)生故障如過載、短路、漏電時自動切斷電源保護人身和設(shè)備安全。6.1 熱繼電器FR熱繼電器利用電流的熱效應(yīng)原理為電動機或其他負載提供過載保護。核心功能防止電動機因長期過載、斷相運行而燒毀。它不能保護短路故障那是斷路器的職責(zé)。工作原理主電路電流流過發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量使雙金屬片彎曲。當(dāng)電流超過設(shè)定值并持續(xù)一定時間雙金屬片彎曲到一定程度推動機構(gòu)使常閉觸點斷開。結(jié)構(gòu)發(fā)熱元件串接在主電路中。常閉觸點串接在控制回路中如接觸器線圈回路。正常時閉合過載時斷開。復(fù)位按鈕手動復(fù)位或自動復(fù)位。整定電流調(diào)節(jié)旋鈕設(shè)定保護電流值通常調(diào)整為電動機的額定電流。文字符號FR。圖形符號發(fā)熱元件畫成電阻狀常閉觸點與普通常閉觸點符號相同但標(biāo)注FR。在系統(tǒng)中的接法熱繼電器的發(fā)熱元件串接在接觸器主觸點的下方負載側(cè)。其常閉觸點串接在控制接觸器線圈的回路中。一旦過載常閉觸點斷開接觸器線圈失電主觸點斷開切斷電機電源。與PLC的聯(lián)動在現(xiàn)代系統(tǒng)中除了利用其常閉觸點切斷硬件控制回路也常將熱繼電器的常開報警觸點如果有接入PLC的輸入點。這樣PLC不僅能收到過載停機信號還能在HMI上顯示具體的過載報警信息實現(xiàn)更智能的監(jiān)控。6.2 斷路器QF斷路器俗稱“空氣開關(guān)”集成了開關(guān)功能和保護功能。核心功能隔離功能作為電源總開關(guān)手動接通和分斷電路。短路保護當(dāng)電路發(fā)生短路時內(nèi)部電磁脫扣器瞬時動作跳閘。過載保護當(dāng)電路長期過載時內(nèi)部熱脫扣器類似熱繼電器原理延時動作跳閘。與PLC系統(tǒng)為整個PLC控制柜、IO電源、驅(qū)動器等提供總保護。選擇時其額定電流應(yīng)大于負載總電流并考慮啟動沖擊電流。PLC的供電回路通常需要單獨的斷路器。7. 信號電器系統(tǒng)的“狀態(tài)指示燈”信號電器用于顯示設(shè)備的工作狀態(tài)、故障位置等。7.1 指示燈HL指示燈通過燈亮、燈滅、不同顏色來指示狀態(tài)。核心功能電源指示、運行指示、停止指示、故障報警指示等。類型氖燈、LED燈。LED因壽命長、功耗低、顏色豐富已成為主流。顏色約定常規(guī)紅色HR停止、故障、危險。綠色HG運行、正常、安全。黃色HY警告、異常、注意。白色/藍色其他狀態(tài)。與PLC連接通常由PLC的輸出點驅(qū)動。由于指示燈工作電流較小通常幾十mA可以直接由PLC的晶體管輸出點驅(qū)動需確認PLC輸出點帶載能力。若指示燈較多或為220V指示燈則需通過中間繼電器轉(zhuǎn)換。# PLC直接驅(qū)動DC24V LED指示燈示例 PLC的Y1輸出點 --- 指示燈HL1正極 24V電源負極(-) --- 指示燈HL1負極 # 當(dāng)Y1輸出ON指示燈點亮。工程建議在PLC程序中不要直接用外部按鈕的輸入信號來驅(qū)動指示燈而應(yīng)該用代表該設(shè)備狀態(tài)的內(nèi)部輔助繼電器M或輸出線圈Y來驅(qū)動。這樣指示燈顯示的是系統(tǒng)的“邏輯狀態(tài)”而非“瞬時信號”更穩(wěn)定可靠。8. 總結(jié)與核心要點回顧通過上文的詳細拆解我們對PLC自動化系統(tǒng)中上半部分的核心電工元器件有了系統(tǒng)的認識。讓我們再回顧一下它們在整個控制系統(tǒng)中的位置和關(guān)聯(lián)信號流閉環(huán)一個完整的控制動作始于主令電器如按鈕或檢測電器如傳感器它們產(chǎn)生輸入信號給PLC。PLC經(jīng)過程序運算后通過輸出點控制控制電器如中間繼電器、接觸器最終驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如電機動作。保護電器全程監(jiān)護確保安全。選型與匹配是關(guān)鍵特別是傳感器如接近開關(guān)的NPN/PNP與PLC輸入類型的匹配以及PLC輸出帶載能力與繼電器線圈/指示燈電流的匹配。務(wù)必養(yǎng)成查閱產(chǎn)品手冊的好習(xí)慣。理解“常開”與“常閉”這是貫穿所有觸點類元器件的核心概念。在圖紙上和實際接線中必須清晰區(qū)分。通常停止按鈕、急停按鈕、熱繼電器保護觸點使用常閉觸點以確保線路斷開時設(shè)備停止“故障安全”原則。PLC簡化了硬件但未改變本質(zhì)PLC將傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)中的大量硬件連線邏輯轉(zhuǎn)移到了軟件程序中。但外圍元器件按鈕、傳感器、接觸器、保護電器的物理連接和作用并未消失反而因其重要性需要我們理解得更透徹。在下篇中我們將繼續(xù)探討其他關(guān)鍵元器件如電磁閥、電機保護器、開關(guān)電源、信號隔離器、端子排等并深入分析PLC的輸入/輸出I/O電路原理源型、漏型以及一個完整的電氣控制柜布局與接線規(guī)范。只有將上下篇的知識融會貫通你才能從整體上駕馭一個自動化項目真正做到既會編程也懂電路成為一名合格的電氣自動化工程師。如果你在項目中遇到了元器件選型或接線的具體問題歡迎在評論區(qū)留言討論。實踐出真知多看、多畫、多接線是掌握這部分知識的不二法門。