可编程控制器教案PLC

《可编程序控制器原理及应用》

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《PLC原理及应用》

学习PLC课程的基本要求：

一、基本原理及PLC的组成 二、硬件接线，I/O口如何连接 三、扩展方法如何配置

四、应用软件、梯形图编程方法及应用实例

参考书籍：

1.《现代电气及可编程控制技术》北京：航空航天大学出版社 王永华主编 2.《可编程序控制器及常用控制电器》 冶金工业出版社 何友华主编 3.《PLC编程及应用》 机械工业出版社 廖常初主编 4.《工厂电气控制技术》 机械工业出版社 方承远主编

5.《SIEMENS SIMATIC S7-200可编程序控制器 CPU22X系统手册》

北京：西门子（中国）有限公司

绪 论

可编程序控制器——PC——以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程，面向用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，可靠性高的新一代通用工业控制装置。（见教材P5最后一段话）

表示成PLC——与个人电脑PC相区别。事实上，已不再局限于逻辑控制，其运算功能，接口功能都越来越强了。

第一节 可编程序控制器的定义及特点

一、 可编程序控制器的产生

上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂 性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电—接触器组成控制系统。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电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，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用 “面向控制过程，面向

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对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：

硬件： 减少 软件： 灵活 简单

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件： 1 编程简单，可在现场修改程序 2 维护方便，最好是插件式 3 可靠性高于继电器控制柜 4 体积小于继电器控制柜 5 可将数据直接送入管理计算机

6 在成本上可与继电器控制柜竞争 有名的“GM10条” 7输入可以是交流115V

8输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀 9 在扩展时，原有系统只要很小变更

10 用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节

1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

接着，美国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算 2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller）。 进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。

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二、 可编程序控制器的定义

可编程序控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11；1985.1和1987.2发布了可编程序控制器标准草案的第一，二，三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。（见教材P1）

定义强调了PLC是：1 数字运算操作的电子系统——也是一种计算机 2 专为在工业环境下应用而设计 3 面向用户指令——编程方便

4 逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作 5 数字量或模拟量输入输出控制 6 易与控制系统联成一体 7 易于扩充

三、 可编程序控制器的特点

为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PC机有以下特点： 1. 可靠性高，抗干扰能力强

工业生产对控制设备的可靠性要求：

①平均故障间隔时间长

②故障修复时间（平均修复时间）短 任何电子设备产生的故障，通常为两种：

①偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。 ②永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。

如果能限制偶发性故障的发生条件，如果能使PC在恶劣环境中不受影响或能把影响的后果限制在最小范围，使PC在恶劣条件消失后自动恢复正常，这样就能提高平均故障间隔时间；如果能在PC上增加一些诊断措施和适当的保护手段，在永久性故障出现时，能很快查出故障发生点，并将故障限制在局部，就能降低PC的平均修复时间。为此，各PC的生产厂商在硬

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件和软件方面采取了多种措施，使PC除了本身具有较强的自诊断能力，能及时给出出错信息，停止运行等待修复外，还使PC具有了很强的抗干扰能力。

·硬件措施：

主要模块均采用大规模或超大规模集成电路，大量开关动作由无触点的电子存储器完成，I/O系统设计有完善的通道保护和信号调理电路。

① 屏蔽——对电源变压器、CPU、编程器等主要部件，采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，

以防外界干扰。

② 滤波——对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波，如LC或π型滤波网络，以消除或

抑制高频干扰，也削弱了各种模块之间的相互影响。

③ 电源调整与保护——对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成

电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。

④ 隔离——在微处理器与I/O电路之间，采用光电隔离措施，有效地隔离I/O接口与CPU之

间电的联系，减少故障和误动作；各I/O口之间亦彼此隔离。

⑤ 采用模块式结构——这种结构有助于在故障情况下短时修复。一旦查出某一模块出现故

障，能迅速更换，使系统恢复正常工作；同时也有助于加快查找故障原因。

·软件措施：

有极强的自检及保护功能。

①故障检测——软件定期地检测外界环境，如掉电、欠电压、锂电池电压过低及强干扰信号等。以便及时进行处理。

②信息保护与恢复——当偶发性故障条件出现时，不破坏PC内部的信息。一旦故障条件消失，就可恢复正常，继续原来的程序工作。所以，PC在检测到故障条件时，立即把现状态存入存储器，软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被冲掉。 ③设置警戒时钟WDT（看门狗）——如果程序每循环执行时间超过了WDT规定的时间，预示了程序进入死循环，立即报警。

④加强对程序的检查和校验——一旦程序有错，立即报警，并停止执行。

⑤对程序及动态数据进行电池后备——停电后，利用后备电池供电，有关状态及信息就不会丢失。

PC的出厂试验项目中，有一项就是抗干扰试验。它要求能承受幅值为1000V，上升时间1nS，脉冲宽度为1μS的干扰脉冲。一般，平均故障间隔时间可达几十万～上千万小时；制

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成系统亦可达4～5万小时甚至更长时间。 2 .通用性强，控制程序可变，使用方便

PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。 3.功能强，适应面广

现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 4.编程简单，容易掌握

目前，大多数PC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。

PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。 5.减少了控制系统的设计及施工的工作量

由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，使维修也极为方便。

6.体积小、重量轻、功耗低、维护方便

PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。以三菱公司的F1-40M型PLC为例：其外型尺寸仅为305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、适应环境温、湿度变化的能力。现在三菱公司又有FX系列PLC，与其超小型品种F1系列相比：面积为47%,体积为36%，在系统的配置上既固定又灵活，输入输出可达24～128点。

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第二节 可编程序控制器的应用

随着PLC的性能价格比的不断提高：①微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PC的成本下降②PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：

1. 开关量的逻辑控制——这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。开关量的逻辑控制可用于单机控制，也可用于多机群控，亦可用于自动生产线的控制等等。（参见教材P3）

2. 运动控制——PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。目前，制造商已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。即：把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置。当每个轴运动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。运动的程序可用PLC的语言完成，通过编程器输入。

3. 闭环过程控制——PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的A/D、D/A转换，可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的PID控制。

4.数据处理——现代的PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用在大中型控制系统中；具有CNC功能：把支持顺序控制的PLC与数字控制设备紧密结合。

5. 通讯连网——PLC 的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和它的智能设备之间的通讯。PLC和计算机之间具有RS-232接口，用双绞线、同轴电缆将它们连成网络，以实现信息的交换。还可以构成“集中管理，分散控制”的分布控制系统。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后利用网络联结构成集中管理信息的分布式网络系统。

并不是所有的PLC都具有上述的全部功能，有的小型PLC只具上述部分功能，但价格比较便宜。

第三节 可编程序控制器的分类

由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，要按统一的标准对它们进行分类十分困难。通常，按I/O点数可划分成大、中、小型三类；按功能强弱又可分为低档机、中档机和高档机三类。

一般，按I/O点数分类如下：

1.小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字

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以下。

如：GE-I型 美国通用电气（GE）公司 TI100 美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本立石公司（欧姆龙） S7-200 德国西门子公司 EX20 EX40 日本东芝公司

SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司

2. 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K 如：S7-300 德国西门子公司

SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司 SU-5、SU-6 德国西门子公司 C-500 日本立石公司 GE-Ⅲ GE公司

3. 大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K 如：S7-400 德国西门子公司

GE-Ⅳ GE公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司等

第四节 可编程序控制器的发展

·国外PLC发展概况

PLC自问世以来，经过40多年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的：美国：AB通用电气、莫迪康公司；日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工等；德国：西门子公司；法国：TE 施耐德公司；韩国：三星、LG公司等。

·技术发展动向

1. 产品规模向大、小两个方向发展

大： I/O点数达14336点、32位为微处理器、多CPU并行工作、大容量存储器、扫描

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速度高速化。

小： 由整体结构向小型模块化结构发展，增加了配置的灵活性，降低了成本。 2. PLC在闭环过程控制中应用日益广泛 3. 不断加强通讯功能 4. 新器件和模块不断推出

高档的PLC除了主要采用CPU以提高处理速度外，还有带处理器的EPROM或RAM的智能I/O模块、高速计数模块、远程I/O模块等专用化模块。

5. 编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化

有各种简单或复杂的编程器及编程软件，采用梯形图、功能图、语句表等编程语言，亦有高档的PLC指令系统。

6. 发展容错技术

采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。 7.追求软硬件的标准化。 ·国内发展及应用概况

我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：顺序控制器（1973～1979）——一位处理器为主的工业控制器（1979～1985）——8位微处理器为主的可编程序控制器（1985以后）。在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。

作业： 思考题 P5 1，4

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第一章 电器的基础知识

任何一种继电器控制系统均由三部分组成：

输入部分 逻辑部分 输出部分

（1）输入部分：由各类按钮开关、行程开关、接近开关、转换开关等主令电器构成。

主令电器——自动控制系统中用于发送控制指令的电器。

（2）逻辑部分：由各种继电器及其触点组成的实现一定逻辑功能的控制线路。

继电器——一种根据某种输入信号,接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的自动电器。

（3）输出部分：由各种电磁阀线圈，接通电动机的各种接触器和信号指示灯等执行电器构成。

接触器——是一种用来频繁地接通或断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。是一种依靠电磁力的作用使触头闭合或分离来接通和断开电动机（或其他用电设备）电路的自动电器。

第一节 电器的定义、分类及电磁式电器的工作原理

一、电器的定义和分类

电器——自动或手动接通和断开电路，能实现对电路或非电对象切换、保护、检测、变换和调节目的的电气元件

分类：

低压电器——交流1000V或直流1200V以下 （一）按工作电压等级分 高压电器——交流1000V或直流1200V以上 手动电器——需人工直接操作才能完成指令任务 （二）按动作原理分

自动电器——按照电的或非电的信号自动完成指令任务 （三）按用途分 1. 控制电器——用于各种控制电路和控制系统 2. 主令电器——用于自动控制系统中发送控制指令 3. 保护电器——用于保护电路及用电设备 4. 配电电器——用于电能的输送和分配 5.执行电器——用于完成某种动作或传动功能

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第六节 继电器

继电器种类很多：

电压继电器 电流继电器 按输入信号的性质分： 时间继电器 温度继电器 速度继电器 压力继电器 电压 电磁式继电器 电流 感应式继电器 按工作原理分： 电动式继电器 电子式继电器 热继电器 按输出形式分： 有触点和无触点 按用途分： 控制用和保护用继电器

一、电磁式继电器——结构与工作原理和接触器基本相同。

不同点：继电器可以对各种输入量的变化作出反应，而接触器只在一定的电

压信号下动作；继电器用于切换小电流的控制和保护电路，无灭弧 装置而接触器用来控制大电流电路。

电磁式继电器按吸引线圈的电流种类分为：直流电磁式和交流电磁式 按继电器反映的参数分为：电流、电压、中间和时间继电器

工作状态：断“0” ；合“1” ，吸合与释放时间为0.05s～0.15s。 图形符号及结构图： 教材P25 Fig1-30 ，Fig1-29

（一）电磁式电流继电器KI——线圈（匝数少、导线粗、阻抗小）与被控制电路串联，以反

映电路电流的变化。有欠电流和过电流两种

欠电流继电器：电路正常时，衔铁吸合（常开闭合，常闭打开），当电流↓→10%～20%Ie

时，继电器衔铁释放

过电流继电器：电路正常时不动作，当电流超过某一整定值：1.1～4Ie时，继电器衔

铁动作

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（二）电磁式电压继电器KV——线圈（匝数多、导线细、阻抗大）与被控制电路并联，以反

映电路电压的变化。根据动作电压的大小有过电压、欠电压、零电压之分，在电力拖动系统中起电压保护和控制作用。

（三）电磁式中间继电器KA——实质上为电压继电器。但触头对数较多，触头容量较大（额

定电流5-10A），动作灵敏

（四）电磁式继电器的整定及其型号

（请同学自学教材P25—P26）

二、时间继电器——利用电磁原理或机械动作原理实现触头延时接通或断开的自动控制电器，

用于控制动作时间

电磁式

时间继电器 空气阻尼式 电动式

晶体管*（电子式，目前主要使用产品）

图形符号和文字符号见教材P26 Fig1-31，其中，b）、d）、e）为通电延时；c）、f）、g）为断电延时。

*晶体管时间继电器（有通电延时和断电延时）简介： 优点：除执行继电器外，均由电子元件组成，无机械部件

所以：精度高、体积小、寿命长、调节范围大、延时范围大、控制功率小 ① 阻容延时电路的基本结构 ② 充电曲线

③ 工作过程——当电容被充电上升至鉴幅器的门限电压Ud时，鉴幅器输出开关信号至后级电路，使执行继电器动作。延时长短与时间常数τ以及E、Ud、Uco有关。 三、热继电器——利用电流的热效应原理工作的保护电器。常用于电动机的（长时间）过载

保护

（一）结构和工作原理

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CRRcEUcR1E+UdWD+UcUd’UdUco--0tdtd’t 热元件——串接于定子绕组中 热继电器 双金属片——感测元件 触头

工作原理示意图：教材P26 Fig1-32

由于热继电器中的发热元件有热惯性，在电路中不能作瞬时过载保护，更不能作短路保护，因此，热继电器不同于过电流继电器和熔断器。

热继电器有单相、二相及三相式，其中三相式还分为有断相保护（用于电动机△连接情况）和无断相保护的。

图形符号及文字符号：教材P28 Fig1-34 （二）型号及选用——教材P27

四、速度继电器——用于笼型异步电动机的反接制动控制（又称反接制动继电器）

结构和工作原理：

转子——圆柱型永久磁铁

速度继电器 定子——笼型空心圆环，矽钢片叠成，装有笼型绕组

（与笼形电动机的转子相类似）

触头

工作原理示意图：教材P28 Fig1-35

转子的轴与被控电动机的轴相连接，定子空套在转子上。

电动机转动→速度继电器的转子随之转动（使永久磁铁的磁场变成了旋转磁场）→定子内的短路笼形导体切割旋转磁场→感应电势并产生电流→电流与旋转的转子磁场作用产生转矩→定子转动→至一定角度→摆锤推动簧片动作→触头动作。当转速低于某值，转矩减小触头复位。即：转速正常时，常开闭合，常闭打开。

图形符号和文字符号：教材P28 Fig1-36

作业：P29 思考题与习题 9， 15，16

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第二章 典型电气控制电路分析

主电路——从电源到电动机大电流通过的路径

电气原理图 控制电路 辅助电路 照明电路 信号电路 保护电路

第一节 三相笼型异步电动机全压起动控制

一、单向全压起动控制线路 （教材P30 Fig2-1）

1 线路工作原理：

合上QS，主电路接通三相电源等待、控制线路通电 按下SB2→KM线圈得电→ 主触头闭合→电动机起动运行 辅助常开闭合，自锁

按下SB1→KM线圈失电→主触头及辅助触头复位→电动机断电，停止运行 2 保护环节——熔断器FU（短路保护）、 热继电器FR（过载保护）

接触器的电磁机构（失压、欠压保护）

二、电动机的点动控制线路 （教材P31 Fig2-2 b）

图b为带手动开关SA的点动控制线路：SB2实现点动控制，SA合上即可实现连续运转 控制。分析图d工作原理如下：

1. 点动控制

按下SB2→KA线圈得电→ KA常闭打开→阻断自锁

KA常开闭合→KM线圈得电→主触头闭合→电动机起动运行

放开SB2→KA线圈失电→KA触头复位→KM线圈失电→主触头打开→电动机停

2. 连续控制

按下SB3→KM线圈得电→ 主触头闭合→电动机起动连续运行 辅助常开闭合，自锁

按下SB1→KM线圈失电→主触头及辅助触头复位→电动机断电，停止运行

三、三相异步电动机的正反转控制线路

在生产加工过程中，往往要求电动机能够实现可逆运行。若将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可实现逆向运行。

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A） 电动机正——停——反（缺点：必须先停机再切换） 控制线路：教材P32 Fig2-3a。 控制过程：

主电路： 合上转换开关QS→控制回路接上电源 控制回路：

（1）SB2按下→KM1线圈得电→ 主触头吸合，电机正转 辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM2

（2）SB1按下→KM1失电→ 主触头断开→电机停转

各触头复位

（3）SB3按下→KM2线圈得电→ 主触头吸合，电机反转 辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM1

B） 电动机正——反——停（优点：不必停机即可切换；且按钮和接触器均有互锁电路， 工 作可靠）

控制线路：教材P32 Fig2-3b。 控制过程：

（1）SB2复合按钮按下 →KM1支路通→线圈得电→ 主触头吸合，电机正转 辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM2 KM2支路断

（2）SB3复合按钮按下→ KM2支路通→线圈得电→ 主触头吸合，电机反转 辅助常开闭合，自锁

辅助常闭断开，阻断（互锁）KM1

KM1支路断

（3）SB1按下→线路失电→电机停转

注意：按钮开关：常闭先断，常开后合（见教材P17 Fig1-18）

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四、自动往复行程控制线路

控制线路：教材P33 Fig2-4 控制过程请同学自行分析。 五、顺序循环控制线路

生产实践中常要求各种运动部件之间能够实现按顺序工作。例如，车床主轴转动时要求 油泵先给齿轮箱提供润滑油，即要求保证润滑泵电动机启动后主拖动电动机才允许启动，也就是控制对象对控制线路提出了按顺序工作的联锁要求。如下（a）图的控制线路，主电路中M1为油泵电动机，M2为主拖动电动机，控制线路中，将控制油泵电动机的接触器KM1的常开辅助触头串入控制主电动机的接触器KM2的线圈电路中，即可实现按顺序工作的联锁要求，（b）图则是利用时间继电器实现顺序控制。

控制线路： QS FU KM1 FR1 M1

L1L2L3FR1FR2SB1SB1SB3FR1FR2SB2KM2FR2KM1SB4KM2SB2KM1KTKM2KM1KM2M3～M2M3～KM1KM2KM1KTKM2（b）采用时间继电器的顺序起动控制线路（a）电动机按顺序工作的控制线路第二节 三相笼型异步电动机降压起动控制

降压起动——起动时降低加在电动机定子绕组上的电压 一、定子串电阻降压起动控制线路 *

（见教材P35 Fig2-5）

二、星型—三角形降压起动控制线路（4kw以上）

Y—Δ降压起动的原理：把正常运行时，定子绕组应作三角形联接的笼型异步电动机在起 动时接成Y形，起动电压从380V→220V，从而减小起动电流。待转速上升后，再改接成Δ联结，投入正常运行。这是一种最常用的降压起动。

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（起动电压UY? （起动转矩MY? （起动电流IY?131313U?）

M?）

I?）

A） 两个接触器的星形—三角形降压起动电路（电动机功率13kW以下）

控制线路：教材P35 Fig2-6

控制过程：主回路：合上转换开关QS → 控制线路接通电源

控制回路： （1）SB2复合按钮按下 →KT时间继电器得电（通电延时） KM1线圈经KT延时断开触点得电→ KM1主触头吸合（主回路）→电动机Y形连接起动 → KM1常开触头闭合,自锁 KM1常闭触头断开,互锁KM2

（2）KT整定时间到 延时断开常闭触头断（先）→KM1失电→电机断电 延时吸合常开触头合（后）→KM2线圈得电→ （路径:KT延时吸合触头→SB2的复合按钮（下）→KM1常闭触头）

→ KM2主触头吸合→电机改为Δ联接（主回路） 电机Δ运行 KM2常开触头闭合,自锁→KM1重新得电

缺点:① 起动过程中,∵KT延时断开常闭触头先断,而延时吸合常开触头后合,使有一瞬间 KM1失电,电机断电.后经KM2自锁,才使KM1重新得电,会引起第二次起动电流.（由 于惯性,电机未完全停止,起动电流不会很大.）

② KT在起动及电机运行中始终通电,对KT不利.同时增加了故障点.

③电机的Y—Δ换接由两对KM2的常闭触头实现,触点容量较小，容易在换接过程中磨 损。

B) 三个接触器的星形—三角形降压起动电路（电动机功率13kW以上） 控制线路: 教材P36 Fig 2-7

控制过程: 主回路：合上QS→控制线路接上电源

控制回路：（1）SB2按钮按下→ KM1线圈得电 →主触头吸合 电动机Y →常开触头吸合，自锁 联接起动 KM3线圈得电→主触头吸合→电机Y联接 KT得电

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（2）KT整定时间到→ 延时断开触点断（先）→KM3失电→主触头断开 常闭复原 延时吸合触点合（后） KM2线圈得电→ 主触头吸合→电动机Δ联接运行 常开触点吸合自锁

常闭触点断开，与KM3互锁，并令KT断电 相对于“两个接触器的Y—Δ降压起动控制线路”其优点： 1）KT仅在起动过程中通电，Y→Δ换接后，KT即被断电。

2）接触器主触头直接与电源相连，不会出现停机再起动的现象（即KM1中间不断电）。 3）主回路中用了接触器的三个主触头，工作更可靠。

第三节 三相绕线转子异步电动机的起动控制

转子回路通过滑环在外串电阻以减小起动电流、提高转子电路的功率因数和起动转矩。

（请注意主电路中电动机的画法）

4）转子回路串接电阻起动控制线路

串接在三相转子回路中的起动电阻，一般接成Y形。起动前，起动电阻全部接入电路， 随着起动过程的结束，起动电阻被逐段短接。

短接方式：三相电阻不平衡短接法——每相的起动电阻轮流被短接 三相电阻平衡短接法——三相的起动电阻同时被短接

1）依靠时间继电器自动短接起动电阻的控制线路：教材P38 Fig 2-10（平衡短接法） 控制过程：SB2合上→KM1线圈得电→ 主触头闭合→电机串电阻起动

常开触点闭合→KT1线圈得电→KT1整定时间到→ KT1常开闭合→KM2得电→ 主触头闭合→切除第一段起动电阻1R

常开触点闭合→KT2线圈得电→KT2整定时间到→ KT2常开闭合→KM3得电→ 主触头闭合→切除第二段起动电阻2R

常开触点闭合→KT3线圈得电→KT3整定时间到→ KT3常开闭合→KM4得电→ 主触头闭合→切除第三段起动电阻3R→起动电阻全部切除 常开触点闭合→自锁

优点：线路中只有KM1、KM4长期通电，而所有的时间继电器和KM2、KM3的通电时间均被压 缩到最低限度。节省电能，延长了器件寿命。

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缺点：1. 万一时间继电器损坏，线路即无法实现电动机的正常起动和运行。

2. 电动机起动过程中逐段减小电阻时，电流及转矩突然增大，会产生不必要的机械冲 击。

2）利用电动机转子电流大小的变化来控制电阻切除的控制线路：教材P39～P40 Fig 2-11 （同样有上述的缺点2）请同学们自学该线路。

二、转子回路串频敏变阻器起动控制线路：控制线路：教材P40 Fig 2-13 （略）

*第四节 三相异步电动机的调速控制

三相异步电动机的调速方法 变更定子绕组极对数 改变转子电路的电阻 变频调速 串级调速

电磁（滑差）调速

教材P41～P42 Fig2-14（a）、（b）介绍了双速电动机三相定子绕组接线方式及其控制线路。

第五节 三相异步电动机的制动控制

三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转，由于惯性的原因，总需要一段时间。但实际工业生产中，很多生产机械在运行过程中都要求安全和准确定位、以及为了提高劳动生产率，都需要电动机能迅速停车，所以要求对电动机进行制动控制。

制动方法：机械制动

电气制动—— 反接制动 能耗制动

·机械制动——利用机械装置使电动机在切断电源后迅速停转 普遍方法——电磁抱闸 电磁铁

闸瓦制动器

弹簧抱闸示意图：

当电磁铁1得电时，制动瓦2被吸起与制动 轮4脱离，与制动轮相连的电动机可自由转动。

当电磁铁失电时，在弹簧3的作用下，制动瓦压 紧制动轮使电动机无法转动。

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电磁制动器常用于防止起重机械失电时重物 下跌和需要准确定位的场合。

·电气制动

5）反接制动控制线路

QSL1L2L3FU1KM1FR1M1M3～34弹簧抱闸示意图1-电磁铁；2-制动瓦；3-弹簧；4制动轮反接制动：改变电动机电源的相序→定子绕组产生相反方向的旋转磁场→产生制动转矩 特点：定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压起动时电流的两倍 制动迅速、效果好、冲击大，适用于10kW以下的小容量电动机 为减小冲击电流，通常在电动机主电路中串接电阻以限制反接制动电流 1）单向反接制动控制线路

要求：电动机电源相序的改变；转速下降接近于零，及时自动切断电源，防止反向起动 措施：采用速度继电器检测电动机的速度变化 控制线路：教材P42 Fig 2-15 控制回路：

（1）SB2按下→KM1线圈得电并自锁→主触头吸合→电动机起动正常运转→速度继电器 KS常开触头闭合→为反接制动作好准备 （2）停车时：

SB1按下→ 复合触头的常闭触点断开→KM1失电→电动机脱离电源 →

复合触头的常开触点闭合（KM1的辅助常闭复位） 电动机因惯性在脱电后仍保持较高转速→KS的常开仍闭合 → KM2得电并自锁→主触头吸合→ 接入反接制动电阻R 电动机获得相反相序的三相电源 进入反接制动→转速迅速下降接近于零→KS常开触点复原（断开）→KM2失电→

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△2

实现一定的逻辑控制功能。

所谓PLC的控制原理：将输入信息采入PC内部→执行逻辑功能→输出达到控制要求。

第一节 可编程序控制器的组成

一、PLC的基本组成

基本组成可归为四大部件： 中央处理单元（CPU板）——控制器的核心

输入部件 （I/O部件）——连接现场设备与CPU之间 输出部件 的接口电路 电源部件——为PLC内部电路提供能源 整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内

模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成 I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内 PLC的基本组成框图： 教材P58 Fig 3-3

按钮、 接受

继电器触点

现场信号行程开关等

二、PLC各组成部件的作用

可编程序控制器PC输入接口部件中央处理单元CPU（板）输出接口部件驱动受控元件接触器 电磁阀 指示灯等

电源部件图3-3 PLC的基本组成 1. CPU——是PLC的核心部分。与通用微机CPU一样，CPU在PC系统中的作用类似于人体

的神经中枢。其功能：

（1）用扫描方式（后面介绍）接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映象寄存器或

数据寄存器；

（2）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；

（3）诊断电源和PC内部电路的工作状态及编程过程中的语法错误； （4）在PC进入运行状态后：

a） 执行用户程序——产生相应的控制信号（从用户程序存储器中逐条读取指令，经

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命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路） b） 进行数据处理——分时、分渠道地执行数据存取、传送、组合、比较、变换等动

作，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算任务

c） 更新输出状态——输出实施控制（根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出

映象寄存器的内容，再由输入映象寄存器或数据寄存器的内容，实现输出控制、制表、打印、数据通讯等）

2. 存储器

系统程序存储器——存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令 解释、功能子程序的调用管理程序和系统参数 *不能由用户直接存取

用户存储器 用户程序存储器——存放用户程序。即用户通过编程器输入的用户程

序。

功能存储器（数据区）——存放用户数据

PC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。

注意：系统程序直接关系到PC的性能，不能由用户直接存取，所以，通常PC产品资料中所指的存储器形式或存储方式及容量，是指用户程序存储器而言。 3. I/O（输入/输出部件）（I/O模块：接口电路、I/O映像存储器）

——CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种用途的I/O组件供用户选用：

输入/输出电平转换 电气隔离 串/并行转换 数据传送 A/D、D/A转换 误码校验 其他功能模块

I/O模块可与CPU放在一起，也可远程放置。通常，I/O模块上还具有状态显示和I/O接线端子排。

4. 编程器等外部设备

编程器——PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的工具 作用： 用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视

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通过键盘和显示器去检测PLC内部状态和参数 通过通讯端口与CPU联系，实现与PLC的人机对话 分类： 简单型——只能联机编程；只能用指令清单编程

智能型——既可联机（Online），也可脱机（Offline）编程；可以采用指令清

单（语句表）、梯形图等语言编程。常可直接以电脑作为编程器，安装相关的编程软件编程

注意： 编程器不直接加入现场控制运行。一台编程器可开发、监护许多台PLC的工作。 其他外设： 磁盘、光盘、EPROM写入器（用于固化用户程序）、打印机、图形监视系统或

上位计算机等等。

5. 电源： 内部——开关稳压电源，供内部电路使用；大多数机型还可以向外提供DC24V稳

压电源，为现场的开关信号、外部传感器供电。

外部——可用一般工业电源，并备有锂电池（备用电池），使外部电源故障时内部

重要数据不致丢失。

第二节 可编程序控制器的工作过程

一、PLC的工作过程框图（教材P62 Fig 3-5稍作修改） 1. 初始操作（上电处理）

PLC未进入正式运行前，首先应确定自身的完好性。这就是接通电源后的初始操作（见图）。通电后，消除各元件的随机状态，进行清零或复位处理，检查I/O单元的连接是否正确（I/O总线）。再做一道题，使它涉及各种指令和内存单元，若解题时间在to以内，则自身完好（否则，系统关闭），解题结束，将监控定时器to复位，才开始正式运行。 2. 运行

·PLC的工作方式——（顺序）周期循环扫描

扫描——按分时操作的原理，每一时刻执行一个操作，顺序进行，这种分时操作的过程

称“CPU对程序的扫描”

·工作特点——集中输入，集中输出（小型PLC） 二、PLC运行过程

1. 四大类操作 （1）公共操作——故障诊断及处理（自检），一般故障，只报警，不停机 （2）I/O操作——联系现场的数据输入及控制信号的输出 （3）执行用户程序——顺序循环扫描 （4）服务外设

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2. I/O处理过程——（教材P63 Fig3-6） 输入采样 三个阶段 执行用户程序 输出刷新 ·工作过程框图： 合上电源启动 I/O和内部继电器清 零所有定时器复位 检查I/O单元的连接 监控定时器复位to 检查硬件和用户 程序存储器 否检查合格？ 错误标志置位 出错灯点亮是 采样输入信号 报警刷新输入映像存储器 故障性质？ 监控定时器t1复位 故错 障误逐条执行用户 程序指令 程序结束？否 是 输出映像存储器的内容输出 至相应输出口 监控定时器复位t1 服务于外设命令

图3-5 PC的工作过程

PC的扫描周期上电后的初始操作公共操作数据输入执行用户程序数据输出服务外设命令34

·I/O处理过程：

输生产现场入输入信号端子输入调理电路输入缓冲器输入映像存储器执行用户程序输出映像存储器输出驱动电路输出锁存器输受控出端子元件允许（输入刷新）允许（输出刷新）（1）数据输入/输出——I/O状态刷新 采样输入信号 送出处理结果

a. 输入映像存储器及其刷新——对应于输入端子状态的数据区

PLC中的CPU是不能直接从与外部接线端子打交道的。在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，经过输入调理电路（光电隔离、电平转换、滤波处理等）后进入输入缓冲器等待采样。没有CPU的采样“允许” ，外界的输入信号是不能进入内存的。

当CPU采样时，输入信号便进入输入映像存储器——刷新。接着进入程序的执行阶段，直至信号的输出。在此期间，输入映像存储器将现场与CPU隔离，无论输入信号如何变化，输入映像存储器中的内容保持到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新采样新的信号，即：输入映像存储器每周期刷新一次。

这样，是否会影响对现场信息的反应速度？由于，PLC扫描周期一般仅几十mS，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。

b. 输出映像存储器及其刷新——CPU数据处理的中间结果和最终结果的存放区域 同理，CPU不能直接驱动负载，处理的结果存放在输出映像存储器中，直至所有程序执行完毕，才将输出映像区的内容经输出锁存器（称为输出状态刷新）送到输出端子上驱动外部负载。即：输出映像存储器——随时刷新

输出锁存器——每周期刷新一次（刷新后的输出状态一直保持到下一次刷新） 同样，两次刷新的间隔仅几十mS，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。

c. 输入/输出状态表——状态RAM表

I/O映像存储器的内容，在CPU中构成I/O状态表，其内容是CPU处理用户程序及数据的依据。

注意：输入状态表——采样时刷新

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输出状态表——随时刷新（中间值和最终结果） 输出端子的接通或开断——输出锁存器决定 （2） 执行用户程序 执行 监视

a. 监控定时器WDT（WATCH DOG TIMER）——即监控定时器t1

·正常：执行完用户程序所需的时间应不超过t1。执行程序前，复位t1，执行程序开始

t1计时，完毕后立即复位t1，表示程序执行正常。

·异常：因某些原因，程序进入死循环，执行程序时间超出t1值，WDT发出警告，程序重

新开始执行，同时复位t1。若因偶然因素，则重新执行程序将正常，否则，系统自动停止执行用户程序，切断外部负载，并发出故障信号等待处理。 b. 执行用户程序 （3） 执行外设命令

每次执行完用户程序，输出后，就进入服务外设命令的操作，如没有外设命令，自动循环扫描。

三、简单结论（见教材P63“简单结论” 暂略）

第三节 可编程序控制器中常用的CPU

每台PLC至少有一个CPU。在一些按功能分散处理的或根据容错技术而设计的PLC中，可以包括多个CPU，分别承担各自的控制功能。PLC中采用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片式系列芯片。 （本节内容请同学们自学教材P65～P66，并完成P76的思考题5）

第四节 可编程序控制器中常用的存储器

PLC配备两种存储系统：系统程序存储器——存放系统程序和数据，不能由用户直接存取 用户存储器——存放用户程序和数据 一、PLC所采用的存储器的特点

1. 可靠性高 2. 实时性好

3. 功耗低，工作时温升小，可用电池供电 4. 数据存储不消失，停电后能长期保存数据 以适应PLC恶劣的工作环境和所要求的工作速度。

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二、PLC常用的存储器

CMOS-SRAM、EPROM、EEPROM （此段内容请同学们自学教材P66～P67，并完成P76思考题6） 三、用户程序的存放形式

任何语言编写的程序都要经过翻译，变成机器代码，才能顺序存放在用户程序存储器（RAM或EPROM）中。除了程序代码，用户数据也很重要。 用户数据的类型：

1.位数据（Bit）——占存储器中的1位，对应于一个“继电器” 状态：“0”或“1” 2.字节数据（Byte）——占存储器中的8位，以BCD码（十进制）的形式存放（一般为两

BCD码，每个BCD码占内存的四位）

3.字数据（Word）——双字节数据，占存储器中的16位（BCD码形式存放） 4.双字数据（Dword）——占存储器中的32位（BCD码形式存放）

5.混合数据（位与字节或字）——如：定时器、计数器等的设定值和当前值均为字节或字

数据，而它们的触点状态则为位数据

不同形式的数据如何存放和调用完全由系统程序自动管理。

作业：P76思考题4，5，6

第五节 可编程序控制器的输入输出接口

PLC的输入输出接口的作用在前面已作了简单的介绍。PLC之所以能在恶劣的工业环境中可靠地工作，I/O接口技术起着关键的作用。I/O模块的种类很多，这里仅介绍开关量I/O接口模块和模拟量I/O接口模块的基本电路及其工作原理。 一、开关量I/O接口模块

PLC以开关量顺序控制为特长，在工业控制中，有很大一部分工作可由PLC 按开关量控 制来完成。

1.开关量输入模块的基本电路及工作原理

种类：直流输入模块、交流输入模块、交、直流输入模块（见教材P68） 特点：

·输入信号的电源均可由用户提供，直流输入信号的电源也可由PLC自身提供 ·一般8路输入共用一个公共端，现场的输入提供一对开关信号：“0”或“1”（有无触

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点均可）

·每路输入信号均经过光电隔离、滤波，然后送入输入缓冲器等待CPU采样。 ·每路输入信号均有LED显示，以指明信号是否到达PLC 的输入端子

接输入端 +24V 输入端 光电隔离 COM Xo～～

滤波

X7 等待CPU采样

图3-8 （a）直流输入模块输入缓冲器

LED X1

Xo 光电隔离 浪涌吸收器 桥式整流 取样电阻 （限幅） 滤波 ≈ 限流电阻 LED显示 旁路二极管（防发光二极管反压过大） 输入缓冲器COM去光隔图3-8 （b）交、直流输入模块

X7等待CPU采样

COMAC图3-8（c）交流输入模块38

2.开关量输出模块的基本电路及工作原理

种类：

按负载使用的电源 直流输出模块 交流输出模块 交直流输出模块

按输出的开关器件种类 场效应晶体管输出方式——直流输出模块，响应速度最快（可

带高速小功率直流负载）

可控硅输出方式——交流输出模块（可带高速大功率交流负载） 继电器输出方式——交直流输出模块，响应速度较慢，但工作

最可靠（可带较低速大功率交、直流负载）

输出锁存器固态继电器+9V光隔+24V场效应晶体管输出稳压限幅被控元件线圈输LED显示24VDC出锁存器程序执行完，由输出映像存储器送至输出锁存器滤波图3-9（a）场效应晶体管输出方式（直流输出）SSRAC交流电源图3-9（b）可控硅输出方式（交流输出）39

特点：

图3-9 （c）继电器输出方式（交、直流输出）输出负载电气隔离继电器线圈+ us -（Us）触点锁LED显示存器·各路输出均有电气隔离措施（光电隔离）

·各路输出均有LED显示。只要有驱动信号，输出指示LED亮，为观察PLC的工作状况或故障分析提供标志

·输出电源一般均由用户提供。输出模块提供具有一定通断能力的常开触点，触点上有防过电压、灭弧措施

固态继电器SSR简介

采用固体半导体元件组装而成——无触点开关（接通和断开无机械接触部件）

优点： 开关速度快 工作频率高 使用寿命长 噪声低 工作可靠

使用场合：取代常规电磁式继电器，广泛用于：数字程控装置 数据处理系统

计算机终端接口电路

尤其：动作频繁 防爆 耐潮 耐腐蚀的场合 缺点： 漏电流大 接触电压高 触点单一 使用温度范围窄 过载能力差 价格高 1. 基本特点

① 控制功率小：输入很小的控制电流便能正常工作，输出采用大功率管可控硅器件，具有功率放大作用

② 可靠性：绝缘防水材料浇铸，没有可动部件

③ 抗干扰能力强：无触点动作，无火花等电磁干扰，输入/输出之间隔离 ④ 动作快：直流SSR——响应时间＜几十μS

过零交流SSR——转换时间≤10Ms（1/2f s f = 50Hz） ⑤ 寿命长：1012～1013次 （普通电磁式继电器105～106次） ⑥ 承受的浪涌电流大：6～10倍额定值

⑦ 对电源电压适应范围广：交流SSR——30～220VAC 任意选择 ⑧ 耐压水平高：输入/输出介质耐压2.5kV以上

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jqv.html