電氣設備安裝基礎——電氣控制技術一、繼電器—接觸器控制在機床電氣控制電路中廣泛采用繼電器和接觸器來控制電動機的運轉，這種控制方式稱為繼電器一接觸器控制。1.繪制、識讀繼電器—接觸器電氣控制電路圖的原則電氣控制電路常用電路圖、接線圖和布置圖來表示。(1)電路圖電路圖是根據生產機械運動形式對電氣控制系統的要求，采用國家標準統一規定的電氣圖形符號和文字符號，按照電氣設備的工作順序，詳細表示電路、設備或成套裝置的全部基本組成的連接關系，而不考慮其實際位置的一種簡圖。電路圖一般包括電源電路、主電路和輔助電路三部分。電路圖能充分表達電氣設備的用途、作用和工作原理，是進行電氣控制電路安裝、調試和維修的理論依據。繪制與識讀電路圖時應遵循以下原則：1)電源電路畫成水平線，三相交流電源相序L1,L2,L3自上而下依次畫出，中性線N和保護地線PE依次畫在相線之下。直流電源的“+”端畫在上邊，“-”端畫在下邊。電源開關要水平畫出。2)主電路是指流過大電流的動力裝置及控制、保護電器支路，它由主熔斷器、接觸器的主觸頭、熱繼電器的熱元件以及電動機等組成。主電路通過的電流是電動機的工作電流，其電流較大。主電路圖要畫在電路圖的左側并垂直于電源電路。3)輔助電路一般包括控制主電路工作狀態的控制電路、顯示主電路工作狀態的指示電路、提供機床設備局部照明的照明電路等。它是由主令電器的觸頭、接觸器線圈及輔助觸頭、繼電器線圈及觸頭、指示燈和照明燈等組成。輔助電路通過的電流都較小，一般不超過5A。輔助電路畫在主電路的右側，電路中與下邊電源線相連的耗能元器件(如接觸器和繼電器的線圈、指示燈、照明燈等)要畫在電路圖的同一方，而電器的觸頭要畫在耗能元器件與一邊電源線之間。為讀圖方便，一般應按照自左至右、自上而下的排列來表示操作順序。4)電路圖中，各電器的觸頭位置都按電路未通電或電器未受外力作用時的常態位置畫出。分析原理時，應從觸頭的常態位置出發。5)電路圖中，不畫出各元器件的實際外形，而采用國家標準統一規定的電氣圖形符號畫出。6)電路圖中，同一電器的各元器件不按它們的實際位置畫在一起，而是按其在電路中所起的作用分別畫在不同電路中，但它們的動作卻是相互關聯的，因此必須標注相同的文字符號。若圖中相同的電器較多時，需要在電器文字符號后面加注不同的數字，以示區別，如KM1、KM2等。7)畫電路圖時，應盡可能減少線條和避免線條交叉。對有直接電聯系的交叉導線連接點，要用小黑圓點表示，無直接電聯系的交叉導線則不畫小黑點。8)電路圖采用電路編號法，即對電路中的各個連接點用字母或數字編號。主電路從電源開關的出線端按相序依次編號為U11、V11、W11。然后按從上至下、從左至右的順序，每經過一個元器件，編號都要遞增，如U12、V12、W12;U13、V13、W13……。單臺三相交流電動機(或設備)的三根引出線按相序依次編號為U、V、W。對于多臺電動機引出線的編號，為了不致引起誤解和混淆，可在字母前用不同的數字加以區別，如1U、1V、1W;2U、2V、2W……。輔助電路編號按“等電位”原則從上至下、從左至右的順序用數字依次編號，每經過一個元器件，編號要依次遞增。控制電路編號的起始數字必須為1,其他輔助電路編號的起始數字依次遞增100,如照明電路編號從101開始；指示電路編號從201開始等。(2)接線圖

接線圖是根據電氣設備和元器件的實際位置和安裝情況繪制的，只用來表示電氣設備和元器件的位置、配線方式和接線方式，而不明顯表示電器動作原理。它主要用于安裝接線、線路的檢查維修和故障處理。繪制、識讀接線圖應遵循以下原則：1)接線圖中一般表示出電氣設備和元器件的相對位置、文字符號、端子號、導線號、導線類型、導線截面積、屏蔽和導線絞合等。2)所有的電氣設備和元器件都按其所在的實際位置繪制在圖紙上，且同一電器的各元器件根據其實際結構，使用與電路圖相同的圖形符號畫在一起，并用點畫線框上，其文字符號以及接線端子的編號應與電路圖中的標注一致，以便對照檢查接線。3)接線圖中的導線分為單根導線、導線組(或線扎)和電纜，用連續線和中斷線來表示。導線走向相同時可以合并，用線束來表示，到達接線端子板或元器件連接點時再分別畫出。在用線束來表示導線組、電纜時，可用加粗的線條表示，在不引起誤解的情況下，也可采用部分加粗。另外，導線及管子的型號、根數和規格應標注清楚。(3)布置圖布置圖是根據元器件在控制板上的實際安裝位置，采用簡化的外形符號(如正方形、矩形、圓形等)而繪制的一種簡圖。它不表達各電器的具體結構、作用、接線情況以及工作原理，主要用于元器件的布置和安裝。圖中各電器的文字符號必須與電路圖和接線圖的標注相一致。在實際工作中，電路圖、接線圖和布置圖要結合起來使用。2.電氣控制電路中的電氣聯鎖裝置一臺機床往往有多臺電動機和許多部件，根據生產實際和生產安全的需要，這些電動機和部件組成了一定的電氣系統。系統中各電動機和部件的動作應有先后次序并互相配合、互相制約。這些功能的實現往往要用到電氣聯鎖裝置。電氣控制系統中常用的聯鎖裝置有以下幾種：(1)多地控制對大型機床或因操作環境的需要，常會在兩個或兩個以上操作地點各安裝一套控制按鈕。其接線原則是在控制電路中將所有起動按鈕的常開觸頭并聯，而將所有停止按鈕的常閉觸頭串聯。(2)聯鎖控制為使機床設備按規定的工藝要求、安全可靠地進行工作，常常要求一些電器和生產部件按一定順序工作或有相互制約功能。因此，要在線路中采取相應措施防止事故的發生。其中主要的措施是在系統中采用聯鎖裝置。聯鎖裝置分為互相制約(互鎖)、按先決條件制約和自鎖三種。1)互鎖控制：當生產機械的兩個或兩個以上部件同時運動會發生事故時，應采用互鎖控制電路。這種電路多用于電動機的正反轉控制、移動部件的移動和夾緊、主拖動系統和輔助拖動系統之間的聯鎖。互鎖電路構成的原則是：將兩臺不允許同時工作的接觸器的常閉觸頭串入對方線圈所在的控制電路中，從而使兩路控制電路不能同時通電。2)按先決條件制約的聯鎖電路：當要求生產機械或其中一部分機構只有滿足一定條件時才允許起動時，一般采用這種聯鎖電路。如銑床控制電路中只有當主軸轉動后才允許工作臺進給；也有些機床，只有當潤滑系統工作后才允許起動其他部件。這種電路的接線原則是：將條件動作的接觸器的常開觸頭與受條件制約的接觸器或繼電器的線圈串聯起來。3)自鎖控制：多用于機床的點動及連續工作狀態的控制。常用的方法有用轉換開關控制、利用復合按鈕控制和利用繼電器控制。(3)順序控制按工藝要求，使機械設備及電動機的起動或停止必須按照一定的順序來完成，這種控制方式稱為電動機的順序控制。順序控制的實現可采用以下兩種方式：1)在主電路中實現順序控制。順序起動控制電路的接線原則是：將控制一臺電動機的接觸器輔助觸頭接在控制另一臺電動機的接觸器輔助觸頭的后面，如圖1-22a所示。2)在控制電路中實現順序控制。圖1-22b所示控制電路的接線原則是：將控制電路中先起動電動機的控制接觸器KM1的常開觸頭串入后起動電動機的控制接觸器的線圈中，這樣就保證了M1起動后，M2才能起動的順序控制要求。3.準確停止系統準確停止系統又稱為定位系統。在生產過程中往往要求一些運動著的部件、工具、被加工件等停在指定位置上，這時就必須采用準確停止系統，它是生產加工中不可缺少的技術。往往加工精度及自動化程度越高，要求的定位位置越準確。為達到準確定位的目的，一方面要能在一定精度范圍內測出被定位物體的位置，同時還要根據指令對驅動電動機或生產機械運行進行迅速有效的制動，使之立即停止。因此，在停止系統中一般分為對被定位物體進行檢測和對驅動電動機進行驅動或停止兩部分。系統的定位方式有電氣式、機械式、空氣式、光學式及復合式。在電氣控制系統中最常用的是電氣式定位，其檢測元件主要有位置開關、按鈕、接近開關、步進電動機和電氣直線標尺(磁柵、感應同步器等)。在電氣定位中，檢測信號多為電信號。電信號一般分為模擬量和數字量。如果某電氣系統只對檢測信號進行響應，稱為開環控制系統。如果除對檢測信號響應外，還對被定位物體進行重新檢測和校正定位，該系統稱為閉環控制系統。機床設備中常采用位置開關、半導體接近開關及配合電動機制動裝置進行定位，如電磁制動器、電磁離合器等。上述控制方式屬于機電控制的定位方式。數控機床中常采用步進電動機進行定位控制，屬于數字控制的定位方式。4.雙速電動機控制電路的分析雙速電動機的控制電路如圖1-23所示。其工作原理(見圖1-23a)是：先閉合電源開關QS,按下低速起動按鈕SB2,接觸器KM1通電吸合并自鎖，電動機作△聯結并以低速運行。如需要轉換為高速運轉，可以按下按鈕SB3,接觸器KM1線圈斷電釋放，同時接觸器KM2通電吸合并自鎖，電動機定子繞組作聯結，并且電源的相序已改變，電動機以高速同方向旋轉。有時為了減少高速運行時的能耗，起動時電動機先按△聯結低速起動，然后自動轉為YY聯結高速運行。這個過程可以用時間繼電器來控制。工作原理(見圖1-23b)是：按下按鈕SB2時，時間繼電器KT通電，其延時斷開觸頭(9～11)瞬時閉合，接觸器KM1因線圈通電而吸合，電動機定子繞組接成△起動。同時中間繼電器KA通電吸合并自鎖，使時間繼電器KT斷電，經過一斷延時之后，KT(9～11)觸頭斷開，接觸器KM1斷電，使接觸器KM2通電，電動機便自動從△聯結改變成YY聯結運行，完成了自動加速過程。二、單片機控制1.單片機的定義、分類和特點(1)單片機的定義單片機是把CPU、存儲器、I/O接口及其他功能的電路集成到一個芯片上的單芯片微型計算機，也稱為MCU(微控制器)。在單片機上只要外加少許外圍電子元器件便可以構成一套簡易的控制系統。由于單片機芯片設計及制造技術方面的原因，在有限的芯片上無法設計出太多的內存空間，因此單片機上的ROM及RAM的容量都比較小。目前根據應用的需要在單片機的芯片里除加入了輸入輸出控制、定時計數器及外部中斷的控制功能電路外，還加入了A-D(模-數)轉換及D-A(數-模)轉換功能的接口電路。(2)單片機的分類按其存儲器類型可分為五種類型：1)MASKROM類：程序在芯片封裝過程中用掩膜工藝制作到ROM區中，如80C51,適合于大批量生產。2)EPROM類：紫外線可擦寫存儲器類，如87C51(價格較貴)。3)ROMless類：無ROM,如80C31,電路擴展復雜，現在較少使用。4)OTPROM類：可一次性寫入程序。5)FashROM類：可多次編程寫人存儲器，如89C51、89S51等，其成本低，開發調試方便，可重復編寫程序。(3)單片機的主要特點由于單片機具有體積小、成本低、運用靈活、易于產品化、較高的性價比、抗干擾能力強、溫度適應范圍寬等優點，使其在控制領域中得到了廣泛的應用，單片機已經成為工業控制領域中不可缺少的器件之一。2.單片機中的一些常用術語(1)總線指能為多個部件服務的信息傳送線。在微機系統中，各個部件通過總線相互通信，總線包括地址總線、數據總線和控制總線。地址總線是用來傳送由CPU發出的用于選擇要訪問的器件或部件地址的數據。數據總線是用來傳送微機系統內的各種類型的數據。(2)匯編是能完成一定任務的機器指令的集合。(3)二進制數和16進制數1)二進制數：只有0和1兩個數碼，基數為二。2)16進制數：采用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F等16個數碼，其中A～F相應的十進數為10～15,基數是16。(4)指令是計算機所能執行的一種基本操作的描述，是計算機軟件的基本單元。(5)存儲器用來存放計算機中的所有信息，包括程序、原始數據、運算的中間結果及最終結果等。(6)中斷中斷是單片機實時處理內部或外部事件的一種內部機制。當某種內部或外部事件發生時，單片機的中斷系統將迫使CPU暫停正在執行的程序，轉而去進行中斷事件的處理，中斷處理完畢后，又返回被中斷的程序，繼續執行下去。(7)存儲器用來存放程序和數據的裝置。根據存取功能可分為RAM和ROM兩種。1)RAM(隨機存取存儲器):主要用來存放各種輸入數據、輸出數據、中間結果、最終結果以及與外存交換的信息等，當掉電后，RAM中所存儲的信息都將消失。2)ROM(只讀存儲器):ROM通過特別手段可將信息存入其中，并能長期的保存被存儲的信息。一般情況下，CPU只能對它進行寫入操作，當斷電后，ROM中所存儲的信息不會消失。(8)位(bit)和字節(Byte)1)位：是計算機中所能表示的最基本和最小的數據單位。在計算機中的位就是指一個二進制位。2)字節：相鄰8位二進制數碼被稱為一個字節，即1B=8bit。也可以說一個字節的長度為8位。在計算機中常用字節數來表示存儲器的容量。(9)串行傳送和并行傳送1)串行傳送：指數據的各位分時傳送，只需一條數據線，外加一條公共信號地線和若干條控制信號線。2)并行傳送：指數據的各位同時傳送，每一條數據都需要一條傳輸線。(10)D-A轉換和A-D轉換1)D-A轉換：是將二進制數量轉換成與其量值成正比的電流信號或電壓信號。2)A-D轉換：是將模擬量轉換成相應的數字量，再送計算機進行處理。3.單片機的硬件結構和構成(1)8051單片機系統的內部結構(見圖1-24)1)一個8位的微處理器(CPU):即8051單片機的CPU能處理8位二進制數或代碼。2)256B數據存儲器和4KB程序存儲器：①內部數據存儲器(RAM):它是一個多用多功能數據存儲器，有數據存儲、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。8051單片機芯片共有256個RAM單元，其中后128個單元被專用寄存器占用，能作為供用戶使用的寄存器只是前128個單元，用于存放可讀寫的數據。因此通常所說的內部數據存儲器就是指前128個單元，簡稱內部RAM,地址范圍為00H～FFH(256B)。②內部程序存儲器(ROM):8051單片機內部有4KB的ROM,用于存放程序、原始數據或表格。因此稱之為程序存儲器，簡稱內部RAM,地址范圍為0000H～FFFFH(64KB)。3)定時器/計數器：8051單片機共有2個16位的定時器/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對計算機進行控制。定時靠內部分頻時鐘頻率計數實現；做計數器時，對P3.4(TO)或P3.5(T1)端口的低電平脈沖計數。4)并行I/0口：8051單片機共有4個8位的并行I/0口(PO、P1、P2、P3)以實現數據的輸入輸出。5)串行口：8051單片機有一個全雙工的通用異步串行口，以實現單片機和其他設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發器使用，也可作為移位器使用。RXD(P3.0)腳為接收端口，TXD(P3.1)腳為發送端口。6)中斷控制系統：8051單片機的中斷功能較強，能滿足不同控制應用的需要。其共有5個中斷，即外中斷2個，定時中斷2個，串行中斷1個，全部中斷分為高級和低級兩個優先級別。7)時鐘電路：8051單片機芯片的內部有時鐘電路，但硅晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。(2)8051單片機的引腳功能8051單片機有標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片形式，引腳分布如圖1-25所示。1)P0.0～P0.7:P0口8位雙向口線(引腳的32～39號端子)。P0口有三個功能：①擴展外部存儲器時，當作數據總線(D0～D7為數據總線接口)。②擴展外部存儲器時，當作地址總線(A0～A7為地址總線接口)。③不擴展時，可作一般的I/O使用，內部無上拉電阻，但應在外部接上拉電阻。2)P1.0～P1.7:P1口8位雙向口線(引腳的1～8號端子)。P1口只作I/O口使用，其內部接有上拉電阻。3)P2.0～P2.7:P2口8位雙向口線(引腳的21～28號端子)。P2口有兩個功能：①擴展外部存儲器時，當作地址總線使用。②作為I/0口使用，其內部接有上拉電阻。4)P3.0～P3.7:P3口8位雙向口線(引腳的10～17號端子)。P3口有兩個功能：①作為I/0使用(其內部有上拉電阻)。②作為串行通信接口，讀寫控制信號等。5)ALE地址鎖存控制信號：在系統擴展時，ALE用于把P0口的低8位地址送鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。6)PSEN外部程序存儲器讀選通信號：在讀外部ROM時PSEN低電平有效，以實現外部ROM單元的讀操作。7)其他引腳：①EA/Vm:訪問和存儲器控制信號。②RST復位信號：當輸入的信號連續2個機器周期以上為高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。③XTAL1和XTAL2外接晶振引腳：當使用芯片內部時鐘時，此二引腳用于外接硅晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。④Vcc:電源+5V輸入。⑤Vss:GND接地。4.單片機的指令和程序(1)指令的格式。指令是指揮計算機工作的命令。指令有兩種表達形式：第一種形式是機器碼格式，也叫作數字的形式；第二種助記符的形式稱為匯編語言指令，如MOVA,#0FEH。(2)程序和匯編程序是人們為了完成某種任務，按照自己的思維邏輯，使計算機按照一定的規律進行各種操作，實現特定的控制功能而編制的有關指令的集合。我們編寫指令使用匯編格式，而計算機只懂機器碼格式，所以要將我們編寫的匯編格式的指令轉換為機器碼格式，這種轉換有兩種方法：手工匯編和機器匯編。手工匯編實際上就是查表，因為這兩種格式純粹是格式不同，所以是—一對應的，查一張表格就行了。機器匯編就是用計算機軟件來替代手工查表。單片機工作就是執行程序的過程，即逐條執行指令的過程。計算機每執行一條指令時可分為三個階段進行，即：取指令—分析指令—執行指令。計算機進行工作時，首先要通過外部設備把程序和數據通過輸入接口電路和數據總線送入到存儲器，然后逐條取出執行。一般單片機中的程序都已通過編程器固化在片內或片外程序存儲器中，所以一開機即可執行指令。(3)單片機的指令系統每