1.5　主令电器

在控制系统中，主令电器（Master Switch）用作闭合或断开控制电路，以发出指令或作为程序控制的开关电器。它一般用于控制接触器、继电器或其他电气线路，从而使电路接通或者分断，来实现对电力传输系统或者生产过程的自动控制。

主令电器应用广泛，种类繁多，按照其作用分类，常用的主令电器有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器及其他主令电器（如脚踏开关、倒顺开关、紧急开关、钮子开关等）。本节只介绍控制按钮、接近开关和行程开关。

1.5.1　按钮

按钮又称控制按钮（push-button），是具有用人体某一部分（通常为手指或手掌）施加力而操作的操动器，并具有储能（弹簧）复位的控制开关。它是一种短时间接通或者断开小电流电路的手动控制器。

（1）按钮的功能

按钮是一种结构简单、应用广泛的手动主令电器，一般用于发出启动或停止指令，它可以与接触器或继电器配合，对电动机等实现远距离的自动控制，用于实现控制线路的电气联锁。按钮的图形及文字符号如图1-39所示。

在电气控制线路中，常开按钮常用来启动电动机，也称启动按钮；常闭按钮常用于控制电动机停车，也称停车按钮；复合按钮用于联锁控制电路中。

（2）按钮的结构和工作原理

如图1-40所示，控制按钮由按钮帽、复位弹簧、桥式触点、外壳等组成，通常做成复合式，即具有常闭触点和常开触点，原来就接通的触点称为常闭触点（也称为动断触点），原来就断开的触点称为常开触点（也称为动合触点）。当按下按钮时，先断开常闭触点，后接通常开触点；当按钮释放后，在复位弹簧的作用下，按钮触点自动复位的先后顺序相反。通常，在无特殊说明的情况下，有触点电器的触点动作顺序均为“先断后合”。按钮的外形如图1-41所示。

（3）按钮的典型产品

常用的控制按钮有LA2、LAY3、LA18、LA19、LA20、LA25、LA39、LA81、COB、LAY1和SFAN-1系列。其中，SFAN-1系列为消防打碎玻璃按钮；LA2系列为仍在使用的老产品，新产品有LA18、LA19、LA20和LA39等系列。其中，LA18系列采用积木式结构，触点可按需要拼装成6个常开、6个常闭，而在一般情况下装成两个常开、两个常闭。LA19、LA20系列有带指示灯和不带指示灯两种，前者的按钮帽用透明塑料制成，兼作指示灯罩。COB系列按钮具有防雨功能。LAY3系列按钮的主要技术参数见表1-12，其型号含义如图1-42所示。

（4）按钮的选用

选择按钮的主要依据是使用场所、所需要的触点数量、种类及颜色。控制按钮在结构上有按钮式、紧急式、钥匙式、旋钮式和保护式5种。急停按钮装有蘑菇形的钮帽，便于紧急操作；旋钮式按钮常用于“手动/自动模式”转换；指示灯按钮则将按钮和指示灯组合在一起，用于同时需要按钮和指示灯的情况，可节约安装空间；钥匙式按钮用于重要的不常动作的场合。若将按钮的触点封闭于防爆装置中，还可构成防爆型按钮，适用于有爆炸危险、有轻微腐蚀性气体或有蒸汽的环境，以及雨、雪和滴水的场合。因此，在矿山及化工部门广泛使用防爆型控制按钮。

急停和应急断开操作件应使用红色。启动/接通操作件颜色应为白、灰或黑色，优先用白色，也允许用绿色，但不允许用红色。停止/断开操作件应使用黑、灰或白色，优先用黑色，不允许用绿色，也允许选用红色，但靠近紧急操作件建议不使用红色。作为启动/接通与停止/断开交替操作的按钮操作件的首选颜色为白、灰或黑色，不允许使用红、黄或绿色。对于按动它们即引起运转而松开它们则停止运转（如保持-运转）的按钮操作件，其首选颜色为白、灰或黑色，不允许用红、黄或绿色。复位按钮应为蓝、白、灰或黑色。如果它们还用作停止/断开按钮，最好使用白、灰或黑色，优先选用黑色，但不允许用绿色。

由于用颜色区分按钮的功能致使控制柜上的按钮颜色过于繁复，因此近年来又流行趋于不用颜色区分按钮的功能，而是直接在按钮下用标牌标注按钮的功能，不过“急停”按钮必须选用红色。按钮的颜色代码及其含义见表1-13。

按钮的尺寸系列有f12mm、f16mm、f22mm、f25mm和f30mm等，其中，f22mm尺寸较常用。

（5）应用注意事项

① 注意按钮颜色的含义。

② 在接线时，注意分辨常开触点和常闭触点。常开触点和常闭触点的区分可以采用肉眼观看方法，若不能确定，可用万用表欧姆挡测量。

【例1-15】　CA6140A车床上有主轴启动、急停按钮，请选择合适的按钮型号。

【解】　主轴急停按钮可选择红色的急停按钮，并且只需要一对常闭触点，因此选用LAY3-01M。主轴启动按钮可选用绿色的按钮，需要一对常开触点，因此选用LAY3-10。

1.5.2　行程开关

在生产机械中，常需要控制某些运动部件的行程，或者运动一定的行程停止，或者在一定的行程内自动往复返回，这种控制机械行程的方式称为“行程控制”。

行程开关（Travel Switches）又称限位开关（Limit Switches），是用以反映工作机械的行程，发出命令以控制其运动方向或行程大小的开关。它是实现行程控制的小电流（5A以下）的主令电器。常见的行程开关有LX1、LX2、LX3、LX4、LX5、LX6、LX7、LX8、LX10、LX19、LX25、LX44等系列产品，行程开关外形如图1-43所示。LXK3系列行程开关的主要技术参数见表1-14。微动式行程开关的结构和原理与行程开关类似，其特点是体积小，其外形如图1-44所示。行程开关的图形及文字符号如图1-45所示，行程开关型号的含义如图1-46所示。

（1）行程开关的功能

行程开关用于控制机械设备的运动部件行程及限位保护。在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当安装在生产机械运动部件上的挡块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程，进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位和轿厢的上、下限位保护。

（2）行程开关的结构和工作原理

行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。

直动式行程开关的动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于0.4m/min的场所。当行程开关没有受压时，如图1-47（a）所示，常闭触点的接线端子2和共接线端子1之间接通，而常开触点的接线端子4和共接线端子1之间处于断开状态；当行程开关受压时，如图1-47（b）所示，在拉杆和弹簧的作用下，常闭触点分断，接线端子2和共接线端子1之间断开，而常开触点接通，接线端子4和共接线端子1接通。行程开关的结构和外形多种多样，但工作原理基本相同。

（3）应用注意事项

在接线时，注意分辨常开触点和常闭触点。

【例1-16】　CA6140A车床上有一个皮带罩，当皮带罩取下时，车床的控制系统断电，起保护作用，请选择一个行程开关。

【解】　可供选择的行程开关很多，由于起限位作用，通常只需要一对常闭触点，因此选择LXK3-11K行程开关。

1.5.3　接近开关

接近开关（Proximity Switch）是与运动部件无机械接触而能动作的位置开关。

当运动的物体靠近开关到一定位置时，接近开关发出信号，达到行程控制及计数自动控制。也就是说，它是一种非接触式无触点的位置开关，是一种开关型的传感器，简称接近开关，又称接近传感器（Proximity Sensors）。接近开关有行程开关、微动开关的特性，又有传感性能，而且动作可靠，性能稳定，频率响应快，使用寿命长，抗干扰能力强等。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。常见的接近开关有LJ、CJ和SJ等系列产品。接近开关的外形如图1-48所示，其图形符号如图1-49（a）所示，图1-49（b）所示为接近开关文字符号，表明接近开关为电容式接近开关，在画图时更加适用。

（1）接近开关的功能

当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。接近开关在电路中的作用与行程开关相同，都是位置开关，起限位作用，但两者是有区别的：行程开关有触点，是接触式的位置开关；而接近开关是无触点的，是非接触式的位置开关。

（2）接近开关的分类和工作原理

按照工作原理区分，接近开关分为电感式、电容式、光电式和磁感式等形式。另外，根据应用电路电流的类型分为交流型和直流型。

① 电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁芯的电感线圈，只能用于检测金属体，在工业中应用非常广泛。振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属快接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而产生振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”“关”的控制作用。通常把接近开关刚好动作时感应头与检测物体之间的距离称为动作距离。

② 电容式接近开关的感应头是一个圆形平板电极，与振荡电路的地线形成一个分布电容，当有导体或其他介质接近感应头时，电容量增大而使振荡器停振，经整形放大器输出电信号。电容式接近开关既能检测金属，又能检测非金属及液体。电容式传感器体积较大，而且价格要贵一些。

③ 磁感式接近开关主要指霍尔接近开关，霍尔接近开关的工作原理是霍尔效应，当带磁性的靠近霍尔开关时，霍尔接近开关的状态翻转（如由“ON”变为“OFF”）。有的资料上将干簧继电器也归类为磁性接近开关。

④ 光电式传感器是根据投光器发出的光，在检测体上发生光量增减，用光电变换元件组成的受光器检测物体有无、大小的非接触式控制器件。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。

利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中，输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。

光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。光发射器用于发射红外光或可见光。光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号，以开关量形式输出。

按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式3种。光发射器和光接收器有一体式和分体式两种形式。

⑤ 此外，还有特殊种类的接近开关，如光纤接近开关和气动接近开关。特别是光纤接近开关在工业上使用越来越多，它非常适合在狭小的空间、恶劣的工作环境（高温、潮湿和干扰大）、易爆环境、精度要求高等条件下使用。光纤接近开关的问题是价格相对较高。

（3）接近开关的选型

常用的电感式接近开关（Inductive Sensor）型号有LJ系列产品，电容式接近开关（Capacitive Sensor）型号有CJ系列产品，磁感式接近开关有HJ系列产品，光电型接近开关有OJ系列。当然，还有很多厂家都有自己的产品系列，一般接近开关型号的含义如图1-50所示。接近开关的选择要遵循以下原则。

① 接近开关类型的选择。检测金属时优先选用感应式接近开关，检测非金属时选用电容式接近开关，检测磁信号时选用磁感式接近开关。

② 外观的选择。根据实际情况选用，但圆柱螺纹形状的最为常见。

③ 检测距离（Sensing Range）的选择。根据需要选用，但注意同一接近开关检测距离并非恒定，接近开关的检测距离与被检测物体的材料、尺寸以及物体的移动方向有关。表1-15列出了目标物体材料对检测距离的影响。不难发现，感应式接近开关对于有色金属的检测明显不如检测钢和铸铁。常用的金属材料不影响电容式接近开关的检测距离。

目标的尺寸同样对检测距离有影响。满足以下一个条件时，检测距离不受影响。

a.当检测距离的3倍大于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于3倍的检测距离×3倍的检测距离（长×宽）。

b.当检测距离的3倍小于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于检测距离×检测距离（长×宽）。

如果目标物体的面积达不到推荐数值，接近开关的有效检测距离将按照表1-16推荐的数值减少。

④ 信号的输出选择。交流接近开关输出交流信号，而直流接近开关输出直流信号。注意，负载的电流一定要小于接近开关的输出电流，否则应添加转换电路解决。接近开关的信号输出能力见表1-17。

⑤ 触点数量的选择。接近开关有常开触点和常闭触点。可根据具体情况选用。

⑥ 开关频率的确定。开关频率是指接近开关每秒从“开”到“关”转换的次数。直流接近开关可达200Hz；而交流接近开关要小一些，只能达到25Hz。

⑦ 额定电压的选择。对于交流型的接近开关，优先选用220V AC和36V AC，而对于直流型的接近开关，优先选用12V DC和24V DC。

（4）应用接近开关的注意事项

① 单个NPN型和PNP型接近开关的接线　在直流电路中使用的接近开关有二线式（2根导线）、三线式（3根导线）和四线式（4根导线）等多种，二线式、三线式、四线式接近开关都有NPN型和PNP型两种，通常日本和美国多使用NPN型接近开关，欧洲多使用PNP型接近开关，而我国则二者都有应用。NPN型和PNP型接近开关的接线方法不同，正确使用接近开关的关键就是正确接线，这一点至关重要。

接近开关的导线有多种颜色，一般地，BN表示棕色的导线，BU表示蓝色的导线，BK表示黑色的导线，WH表示白色的导线，GR表示灰色的导线。根据国家标准，各颜色导线的作用按照表1-18定义。对于二线式NPN型接近开关，棕色线与负载相连，蓝色线与零电位点相连；对于二线式PNP型接近开关，棕色线与高电位相连，负载的一端与接近开关的蓝色线相连，而负载的另一端与零电位点相连。图1-51和图1-52所示分别为二线式NPN型接近开关接线图和二线式PNP型接近开关接线图。

表1-18中的“NO”表示常开、输出，而“NC”表示常闭、输出。

对于三线式NPN型接近开关，棕色的导线与一端负载，同时与电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的另一端相连；蓝色的导线与电源负极相连。对于三线式PNP型接近开关，棕色的导线与电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的一端相连；蓝色的导线与负载的另一端及电源负极相连，如图1-53和图1-54所示。

四线式接近开关的接线方法与三线式接近开关类似，只不过四线式接近开关多了一对触点而已，其接线图如图1-55和图1-56所示。

② 单个NPN型和PNP型接近开关的接线常识　初学者经常不能正确区分NPN型和PNP型的接近开关，其实只要记住一点：PNP型接近开关是正极开关，也就是信号从接近开关流向负载；而NPN型接近开关是负极开关，也就是信号从负载流向接近开关。

【例1-17】　在图1-57中，有一只NPN型接近开关与指示灯相连，当一个铁块靠近接近开关时，回路中的电流会怎样变化？

【解】　指示灯就是负载，当铁块到达接近开关的感应区时，回路突然接通，指示灯由暗变亮，电流从很小变化到100%的幅度，电流曲线如图1-58所示（理想状况）。

【例1-18】　某设备用于检测PVC物块，当检测物块时，设备上的24V DC功率为12W的报警灯亮，请选用合适的接近开关，并画出原理图。

【解】　因为检测物体的材料是PVC，所以不能选用感应接近开关，但可选用电容式接近开关。报警灯的额定电流为：，查表1-17可知，直流接近开关承受的最大电流为0.2A，所以采用图1-54的方案不可行，信号必须进行转换，原理图如图1-59所示，当物块靠近接近开关时，黑色的信号线上产生高电平，其负载继电器KA的线圈得电，继电器KA的常开触点闭合，所以报警灯EL亮。

由于没有特殊规定，所以PNP或NPN型接近开关以及二线式或三线式接近开关都可以选用。本例选用三线式PNP型接近开关。