电气控制系统的构成与组成要素

电气控制系统一般由控制单元、执行元件、传感器、按钮开关及电器辅件等组成。

1.控制单元

（1）可编程控制器

可编程控制器（PLC）外观，国际电工委员会（IEC）在其标准中将可编程控制器定义为：可编程逻辑控制器是一种进行数位运算操作的电子系统，其专为在工业环境中的应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于在其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器由内部CPU、指令及资料内存、输入输出单元、电源模组、数位类比等单元模组组合而成，容易与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能。PLC的种类较多，依照制造厂商及适用场所的不同而有所差异，按照机组的复杂程度分为大、中、小型。一般工厂及学校通常使用小型PLC，在规模控制工业用途中通常使用大型PLC。

（2）单片机

单片机又称微控制器，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与通用型微处理器不同，单片机更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。由于体积小，单片机可放在仪表与小型设备中，但其存储量小，输入输出接口简单，功能较低。目前微芯公司的PIC系列出货量居于业界领导者地位；Aunel的51系列及AVR系列种类众多，受支持面广；德州仪器的MSP430系列以低功耗闻名，常用于医疗电子产品及仪器仪表中。

（3）工控机

工控机外形是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。工控机一般采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。6机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽，可扩充各种控制接口板，并配备专门电源，具有较强的抗干扰能力。针对工业现场环境，工控机内部有良好的散热过滤系统，可以高性能长时间连续工作。同时工控机的开放性与兼容性较好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件，可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。

（4）控制继电器

控制继电器是一种自动电器。它适用于远距离接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中用于控制、保护及信号转换。继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程度时，输出量才会发生阶跃性的变化（通断电路）。

控制继电器用途广泛，种类繁多，按其输入量不同可分为如下几类：中间继电器（见图2-31）、电流继电器、热继电器（见图2-32）、时间继电器（见图2-33）、温度继电器和速度继电器等。继电器的主要技术参数有：额定参数、动作参数、返回系数、储备系数、灵敏度、动作时间等。

图2-31　中间继电器

图2-32　热继电器

图2-33　时间继电器

2.执行元件

（1）电动机

电动机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械。电动机实现了从电能向机械能的转换，运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。机电设备中常使用的电动机有交流异步电机（见图2-34）、步进电机（见图2-35）和伺服电机（见图2-36）等。

图2-34　交流异步电机

图2-35　步进电机及驱动器

图2-36　交流同步伺服机及驱动器

交流异步电机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。在工程应用中，一般采用变频器来调整三相交流异步电机的转速。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的多相时序控制电流。驱动器的主要功能就是为步进电机分时供电，多相时序。步进电机由驱动器驱动，一般只在低速轻载情况下应用，每分钟转速不应超过1000转，由于没有反馈环节，因此在高转速、振动等情况下易失步。

交流同步伺服电机多用于闭环伺服结构，多数使用永磁式同步电动机。同步电动机的“同步”是指电动机转子转速与定子转速相同。一般情况下，用于伺服系统的同步电动机在轴后端部装有编码器（光码盘），用于反馈电机的位置与速度。反馈信号经伺服驱动器实时运算处理，实现伺服系统的闭环（或半闭环）高精度控制。现在，市场上常见的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服电机，但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几kW以上的交流同步伺服电机价格极其昂贵，在这种情况下，若现场应用允许，多采用交流异步伺服电机。

（2）气缸和气动电动机

气缸是将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件，可以驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转运动。气动电动机（也称风动电动机）是指将压缩空气的压力能转换为旋转的机械能的装置，一般作为复杂装置或机器的旋转动力源。气动电动机与和它起同样作用的电动机相比，其特点是壳体轻，输送方便；且其工作介质是空气，不必担心引起火灾；气动电动机过载时能自动停转，而与供给的压力保持平衡状态。由于上述特点，气动电动机被广泛应用于矿山机械及气动工具等场合。

（3）液压缸和液压电动机(www.xing528.com)

液压缸和液压电动机是在液压系统中将液压能转换为机械能的液压执行元件。液压缸的作用是将液压能转换为直线往复运动或摆动运动中的动力，而液压电动机（也称为油马达）的输出则是旋转运动。液压马达主要应用于注塑机械、船舶、卷扬机等。液压系统结构简单，工作可靠，可免去减速装置，没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械中得到广泛应用。

（4）电磁铁

电磁铁是在通电时产生电磁力的一种装置，按电磁铁用途可将其分为以下几种：

①牵引电磁铁。主要用来牵引机械装置，开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。

②起重电磁铁。用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等的铁磁性材料。

③制动电磁铁。主要用于对电动机等进行制动，以达到准确停车的目的。

④其他用途。用于磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

3.传感器

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换为可用输出信号的器件或装置。工业用传感器按用途分可为与位移、力、温度、湿度等相关的传感器，其输出信号可分为模拟、数字和开关量信号。

①与位移有关的传感器。分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、接近开关等。位移传感器包括直线位移传感器和角度位移传感器。直线位移传感器包括光栅尺，如图2-37（a）所示；角度位移传感器包括旋转码盘（或编码器），外形如图2-37（b）所示；接近开关的外形如图2-37（c）所示。

图2-37　传感器

（a）光栅尺　（b）编码器　（c）接近开关

②与力有关的传感器。它是能感受外力并转换成可用输出信号的传感器，可用来测量重力和力矩等。

③其他类型的传感器。如温度传感器、气体传感器等。温度传感器利用热电阻和热电偶进行温度检测，而气体传感器则可以对特定气体的浓度进行检测。

4.按钮开关

按钮开关是一种结构简单、应用十分广泛的主令电器。在电气自动控制电路中，用于手动发出控制信号来控制接触器、继电器、电磁启动器等。按钮开关的结构种类很多，可分为控制按钮、万能转换开关和行程开关等。其中控制按钮又分为普通揿钮式、蘑菇头式、自锁式、自复位式、旋柄式、带指示灯式、带灯符号式及钥匙式等，有单钮、双钮、三钮及不同组合形式，一般采用积木式结构。

5.电器辅件

（1）电线和电线接头

电线是在传导电能时使用的载体。电线产品可分为裸电线及裸导体制品、电力电线、电气设备电线、通信电线和绕组线等。电线使用的工作条件（如电压、电流等）和可能存在的外界影响（如温度、腐蚀、机械、电磁干扰等）是电线型号划分的重要参数。

电线接头（也称接头）是为使电缆连接成为一个连续线路的中间连接点。电线线路中间部位的电缆接头称为中间接头，而线路两末端的电缆接头称为终端头。电线接头的目的是使线路通畅，使电缆保持密封，并保证电缆接头处的绝缘等级，使电气系统安全可靠地运行。

屏蔽线在保护层与信号线之间加入了金属箔和编织铜网，保证了信号的传递不受外界电磁干扰。压线接头可以支持型号各异的电线固定连接方式。特定标准的航空接插件原为航空项目而研制，它易于保证接线的可靠性和接拆线的灵活性。线管及接头用于对成组电线的固定和保护。

（2）接线端子、拖链与线槽

接线端子使导线的连接十分方便，可以随时断开和连接，而不必把它们焊接在一起，适合大量的导线互联。

线槽（又称走线槽、配线槽或行线槽）是用来将电源线、数据线等线材规范地整理，固定在电控箱（柜）内的电器安装板上的盒状件。

拖链按材质分为钢质拖链和塑料拖链。拖链按结构形式分为全封闭拖链和桥式拖链。塑料拖链，适合于往复运动的场合，对内置的电缆、气管等起到牵引和保护作用。拖链安装方便，可任意增减活动节，有些型号每节都可以敞开，便于安装和维修。