為什麼要學習繼電器電路？
繼電器廣泛應用於工業控制和自動化領域。這包括安裝在工業控制面板中的 DIN 導軌式繼電器，以及可編程式邏輯控制器 (PLC) 中編程的繼電器梯形圖邏輯表示。這種相互聯繫十分重要，因為理解繼電器的物理特性有助於理解梯形圖邏輯，反之亦然。
作為技術人員，您將花費大量時間來故障排除現場設備和線路故障。您偶爾也會檢查 PLC 程式。作為工程師，您應該學習繼電器的物理特性，以便更好地理解 PLC 如何與現實世界交互，並建立獨立於 PLC 的故障安全電路。這也有助於您編寫更優質的 PLC 程式碼，使未來的技術人員能夠快速排除故障並使設備恢復正常運作。
動手實驗是學習繼電器的最佳途徑
這是系列教育文章的第一部分，我們將探討繼電器和開關的常見模式/組合。我們鼓勵您透過動手實驗來學習這些電路，如圖 1 所示。這是學習電路工作原理的最佳方法之一。此外，由於您在連接電路的過程中肯定會犯錯，因此動手實驗還能提高您的故障排除能力。這些實驗使用了圖 1 所示的小型訓練器，更多資訊請參考此文。
圖 1：開關接線圖，圖中高亮顯示了導線標籤。仔細觀察開關本體，可以看到中央的紅色和綠色接線片分別對應於常閉 (N.C.) 和常開 (N.O.)。
技術提示：接線圖是技術人員、組裝人員、工程師和元件製造商之間通用的語言。它是一種複雜的簡寫方式，使用標準化符號來表示特定設備以及對這些設備執行的操作。NEMA 標準 ICS19-2002 對這些符號進行了介紹，該標準於 2021 年進行了最新修訂。建議您下載並學習該文件的免費電子版本。
繼電器梯形圖邏輯簡介
掌握工業控制的第一步是理解繼電器梯形圖邏輯的結構。圖 2 展示了一個簡單的「梯形圖」。梯形圖的兩側為電路供電。在本例中，24VDC 電源位於左側，返回電源位於右側。
每個梯形圖包含一個或多個梯級，這些梯級由梯形圖的兩側供電。圖 2 中有兩級梯級：
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梯級 1 包含一個選擇開關、一個常閉 (N.C.) 按鈕（紅色）、一個常開 (N.O.) 按鈕（綠色）和一個繼電器線圈。
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梯級 2 包含一個繼電器接點和一個綠色指示燈。
請注意，繼電器和開關觸點位於左側，而繼電器線圈和指示燈等輸出位於右側。這是大多數電路遵循的慣例，但也有一些例外，例如馬達起動器的過載觸點。
圖 2：電路圖顯示了與閘運算（梯級 1）和用於點亮綠色面板燈的繼電器接點（梯級 2）
梯形圖方向
在圖 2 的範例中，梯形圖是垂直放置的，就像靠在牆上一樣。這種傳統的垂直放置方式可能比較難理解，因為梯級是從頂部向下排列的。在圖 2 中，梯級 1（左側標籤）位於頂部，梯級 2 位於底部，就反映了這一點。
有時，我們會看到梯形圖側放。兩種放置方式各有優勢。但是，初學者可能更喜歡側放梯形圖，因為這樣梯級的閱讀方向是從左到右，這對於英語讀者來說更自然。在學習閱讀和排除電路圖故障的過程中，將紙質電路圖旋轉 90 度可能有助於更好地理解電路。
單級電路的導通性
「導通性」一詞對於理解梯形圖邏輯至關重要。我們說左側的開關和接點構成導通——即閉合電路——從而為右側的線圈或面板指示燈供電。
單級電路導通性故障排除
在故障排除繼電器電路故障時，我們通常會從故障點開始。例如，假設圖 2 中的面板指示燈未亮起。我們的第一步是嘗試建立面板指示燈左側元件的導通性。例如，K1 是否有效？
假設 K1 無效，我們往上游跳到第一級。然後，我們重複上述步驟，試著建立第一層左側元件的導通性。我們可能遇到了“操作錯誤”，例如選擇開關未開啟或常開按鈕未按下。也可能是電路損壞，例如開關損壞或線路鬆脫。
完成這些初步評估後，我們可能需要使用三用電表對電路進行故障排除。從 1 號線路的 3 號線開始是個不錯的選擇，因為這是系統性半步驟故障排除方法的第一步。我們可以測試 3 號線和直流迴路之間的直流電壓。如果有電壓，則下一步測試 4 號線。如果沒有電壓，則下一步測試 2 號線。此外，我們也應該檢查一下 24V 直流電源。
技術提示：我們使用「導通性」一詞來描述電流流過電路的路徑。當左側的開關和觸點形成完整的電路通路，從而啟動右側的設備時，我們稱該電路導通。這與萬用電錶的「導通性測試」有關，但又有所不同。本文檔末端的問題旨在引導您思考萬用電表的導通性測試功能是否可用於測試電路的導通性。
繼電器邏輯的邏輯「與」模式
邏輯與模式描述了一個串聯電路，該電路具有一條導通路徑。兩個或多個左側輸入端串聯連接。當所有設備都啟動時，相應的右側輸出端也會被啟動。
圖 1 和圖 2 顯示了一個三輸入與電路範例，其中包含兩個按鈕和一個繼電器。在本例中，當選擇器處於啟動狀態、紅色常閉開關處於非啟動狀態且綠色常開按鈕處於啟動狀態時，控制繼電器 (K1) 的線圈將會啟動。與繼電器的物理連接如圖 3 所示。
技術提示： 「有效」的概念本身就比較複雜，尤其是在引入常閉 (N.O.) 和「常開」這兩個術語之後：
一個被啟動的常開開關或繼電器觸點將保持導通。
一個常閉 (N.C.) 接點必須處於非啟動狀態（未被按下）才能保持導通。
在 PLC 的梯形圖邏輯抽像中，這個問題變得更加複雜。在 PLC 中，常閉和常開元件並非實際存在的元件。它們實際上是操作 PLC 記憶體中單一位元的函數。本文介紹的基於繼電器的梯形圖邏輯和術語雖然對您很有幫助，但有時這種類比會失效。這就像用水流來類比歐姆定律一樣，總有一天您需要停止討論水流，而使用更複雜的模型。
圖 3：Weidmülle 雙刀雙擲繼電器的連接。請注意，繼電器雙刀雙擲 (DTDT) 連接的公共端（接腳 11 和 21）位於第二層。
繼電器邏輯的邏輯「或」模式
邏輯或運算提供兩條或多條導通路徑。圖 4 至圖 6 給出了一個範例。圖中顯示兩個常開 (N.O.) 按鈕並聯。這提供了兩條導通路徑——電流可以通過 PB1 或 PB2。
圖 4：由左側兩個開關構成「或」功能的開關接線圖。仔細觀察開關本體，可以看到中間的白色和黑色接線片分別對應於常開 (N.O.) 和常閉 (N.C.)。
圖 5：顯示按鈕 1 和 2 執行 OR 操作的接線圖。
圖 6：Weidmüller 4PDT 繼電器的連接。背景中可以看到 4 位置跳線的接線端子。這些接線端子充當梯形電路的“側邊”，為電路提供電源和接地。
繼電器邏輯的組合模式
仔細觀察圖 4 至圖 6 可以發現，這是一個組合電路，因為它同時包含了與邏輯和或邏輯。在圖 5 中，我們可以看到，按下任何一個按鈕都會啟動電路。但是，如果按下常閉按鈕，電路就會斷開。用布林邏輯術語來說，該電路的操作可以描述為 PB1 或 PB2，且 PB3 非。
正如我們將在後續文章中看到的，組合電路提供了廣泛的電路功能。我們也將看到，這些基本的組合電路可以組合成時序電路──也就是說，具有記憶功能的電路。組合電路和時序電路的結合為工業控制提供了強大的基礎，尤其是在考慮如何將這些電路整合到 PLC 中時。一個必須了解的時序電路範例是經典的三線啟動停止控制電路。
電路建構技巧
工業控制面板必須有條不紊地構建，以確保可靠性、安全性並便於維護。在結束本文之前，讓我們先探討一下電線顏色代碼和編號。
工業控制面板應使用什麼顏色的電線？
電線顏色是工業控制面板的一個重要考慮因素。它就像是技術人員、組裝人員和工程師之間使用的語言。有些顏色與特定電壓相關。例如，在本文中，使用了帶有藍色條紋線的藍色和白色。藍色用於與 24VDC 電源直接相關的任何電線，或任何可能具有 24VDC 電位的電線。對比鮮明的白藍條紋電線保留用於與 24VDC 迴路 100% 關聯的連接。
IEC 60204-1 標準詳細規定了顏色編碼和機器安全方面的其他資訊。遺憾的是，該標準的費用對大多數學生來說過於昂貴。不過，像 Siemens 這樣的公司會提供與 IEC 標準相關的參考手冊，您可以在 Siemens 控制面板技巧頁面找到更多資訊。
請注意，電線顏色編碼並非固定不變，可能會因地區和設備製造商而異。務必識別並觀察您機器中使用的顏色。
安全提示：不要完全依賴電線顏色。例如，藍色電線可能用於直流控制電路。藍色或淺藍色也可能用於三相繫統的零線。僅依賴顏色會導致故障排除時出現混淆和延誤。
工業控制面板中的電線應該如何辨識和標記？
電線標記的方法有很多。你會發現，隨著系統複雜度的增加，標記的複雜度也會增加，例如需要標註線路圖頁碼、訊號類型以及相關連接點的標識。本文中，我們使用簡單的梯級和線號標記。例如，在圖 3 中，R1/W4 表示梯級 1 的 4 號線。
在這種標記系統中，當觸點或線圈斷開電路時，編號會改變。請注意，如圖 4 和圖 5 所示，兩根電線可能具有相同的標記。例如，在左上角，我們看到梯級 1 的 1 號線 (R1/W1) 出現在兩個位置。請注意，這兩根電線在電氣上屬於同一節點，因為它們都連接到最左側按鈕的上部螺絲端子。
結語
本文簡要介紹了基於繼電器的梯形圖邏輯。如您所見，成功建構控制電路需要許多相互交織的概念。即使是看似無關緊要的細節，例如導線顏色，也可能在後續工作中產生重大影響。
在您繼續學習的過程中，請務必思考本文末尾提出的問題。此外，請將此頁面加入書籤，因為我們計劃在未來擴展內容，涵蓋組合電路以及各種繼電器控制和 PLC 介面主題。
歡迎您的評論和建議。
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問題
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基於繼電器的梯形圖邏輯與基於 IEC 61131-3 PLC 的梯形圖邏輯有何不同？
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定義與梯形圖邏輯相關的「連續性」一詞。
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根據 NEMA 標準，常開限位開關的符號是什麼？
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請繪製一個面板指示燈的梯形圖邏輯，該指示燈在開關 A 和 B 同時啟動或開關 C 未啟動時亮起。
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描述半步驟故障排除方法。
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正確/錯誤：在傳統的梯形圖邏輯中，開關可以放置在線圈的右側。
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正確/錯誤：常閉瞬時按鈕在啟動時會提供連續性。
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正確/錯誤：給定一個綠色可拆卸開關本體或一個帶有綠色執行器片的開關塊，我們可以相當肯定地認為開關觸點是常開的。
批判性思考問題
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使用 DigiKey 和相關製造商的網站尋找 22mm 瞬時按鈕，該按鈕具有雙觸點，其中一組觸點常開，另一組觸點常閉。請注意，大多數製造商提供的按鈕通常作為一系列相關組件的一部分。您購物車中的單一按鈕可能包含一個組件，也可能包含最多 4 個或 5 個獨立組件。為了方便您入門，請參考這篇關於 EAO 開關的介紹。
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