电气控制技术是一项在生产过程、科学研究,以及其他各个领域应用十分广泛的技术,是在以生产机械的驱动装置——电动机为控制对象,以微电子装置为核心,以电力电子装置为执行机构而组成的电气控制系统中,按规定的规律调节电动机的转速或转向,使之满足生产工艺最佳要求的技术。它具有提高效率、降低能耗、提高产品质量、降低劳动强度的最佳效果。
1.电气控制技术的发展
19世纪末,发电机和各类电动机相继问世,揭开了电气控制技术的序幕。20世纪初,电动机逐步取代蒸汽机用来驱动生产机械,拖动方式由集中拖动发展为单独拖动。为了简化机械传动系统,采用了一台机器的几个运动部件由几台电动机分别拖动的方式,这种方式称为多电机拖动。在这种情况下,机器的电气控制系统不但可对各台电动机的启动、制动、反转、停车等进行控制,还具有对各台电动机之间实行协调、连锁、顺序切换、显示工作状态的功能。对生产过程比较复杂的系统还要求对影响产品质量的各种工艺参数如温度、压力、流量、速度、时间等能够自动测量和自动调节,这样就构成了功能相当完善的电气自动化系统。到20世纪30年代,继电器、接触器、按钮、开关等元器件已经形成了功能齐全的多种系列,基本控制已形成规范,并可以实现远距离控制。这种主要由继电器、接触器、控制按钮等电器元件组成的控制系统称为继电器-接触器控制系统。
继电器-接触器控制系统取代了传统的手动控制方式,具有结构简单、价格低廉、抗干扰能力强等优点,在20世纪70年代之前应用十分广泛,至今仍在许多简单的机械设备中应用。但这种控制系统缺点也非常明显,它采用固定的硬接线方式来完成控制逻辑,具有单一性。另外,由于机械式触点工作频率低,易损坏,工作可靠性较低。在工业生产现场,随着产品机型的更新换代,生产线承担的加工对象也随之改变,这就需要改变控制程序,使生产线的机械设备按新的工艺过程运行。为了解决这个问题,20世纪60年代初期利用电子技术研制出矩阵式顺序控制器和晶体管逻辑控制系统来代替继电器-接触器控制系统,对复杂的自动控制系统则采用电子计算机控制,由于控制装置体积大,功能少,并未得到广泛的应用。
随着微处理器和大规模集成电路的发展和应用,在1969年美国数字设备公司(DEC)率先研制出世界上第一台可编程控制器(PLC)。它把计算机的完备功能以及灵活性、通用性好等优点和继电器-接触器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,做成一种能适应工业环境的通用控制装置,同时依据现场电气操作维护人员和工程技术人员的技能和习惯,把编程方法和程序输入方式加以简化,使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握它的使用技术。从此以后,许多国家的著名厂商竞相研制,各自形成系列,而且品种更新很快,功能不断增强,从最初的逻辑控制为主发展到能进行模拟量控制,具有数据运算、数据处理和通信联网等多种功能。PLC还具有可靠性高的优点,平均无故障运行时间可达10万小时以上,可以大大减少设备维修费用和停产造成的经济损失。当前,PLC已经成为电气自动控制系统中应用最广泛的核心装置。
电气控制技术综合了计算机、自动控制、电子技术和精密测量等许多先进科学技术成果。目前,PLC、CAD/CAM和机器人技术组成了当代工业自动化应用技术领域的三大支柱。
2.本课程的性质与任务
本课程是一门实用性很强的专业课。电气控制技术在生产过程、科学研究和其他各个领域的应用十分广泛。本课程的主要内容是以电动机或其他执行电器为控制对象,介绍和讲解继电器-接触器控制系统和可编程控制器控制系统的工作原理、设计方法和实际应用。其中,可编程控制器的飞速发展和其强大的功能,使它已成为实现工业自动化的主要手段之一。所以,本课程重点是可编程控制器,但这并不意味着继电器-接触器控制系统就不重要。这是因为:首先,继电器-接触器控制在小型电气系统中还普遍使用,而且它是组成电气控制系统的基础;其次,尽管可编程控制器取代了继电器,但它所取代的主要是逻辑控制部分,而电气控制系统中的信号采集和驱动输出部分仍然要由电气元器件及控制电路来完成。所以,对继电器-接触器控制系统的学习是非常必要的。该课程的目标是让学生掌握一门非常实用的工业控制技术,以及培养和提高学生的实际应用和动手能力。
电气控制技术是机电类专业学生所必须掌握的基础实际应用课程之一,具体要求如下:
①熟悉常用控制电器的工作原理和用途,达到正确使用和选用的目的,并了解一些新型元器件的用途。
②熟练掌握电气控制电路的基本环节,并具备阅读和分析电气控制电路的能力,从面能设计简单的电气控制电路,较好地掌握电气控制电路的简单设计方法。
③了解电气控制电路分析的步骤,熟悉典型生产设备的电气控制系统的工作原理。
④了解电气控制电路设计的基础,能够根据要求设计出一般的电气控制电路。
⑤掌握PLC的基本原理及编程方法,能够根据工艺过程和控制要求进行系统设计和编制应用程序。
⑥具有设计和改进一般机械设备电气控制线路的基本能力。
⑦具有调试、维护PLC控制系统的基本能力。