电气控制系统设计

第10章电气控制系统设计生产机械电气控制系统的设计包括电气控制原理设计和工艺设计两个方面。电气控制原理设计以满足生产机械和工艺的基本要求为目标，综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性；工艺设计则要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性；工艺设计决定着电气控制系统生产的可行性、经济性、外观、使用与维修的方便性等技术和经济指标。本章介绍电气控制控制系统设计的一般规律和设计方法。第10章电气控制系统设计电气控制系统设计的基本内容是根据电气控制要求设计和编制出设备电气控制系统制造和使用、维护中的所有图纸和资料。电气图纸主要包括电气原理图、电气安装图、电气接线图等。主要资料包括元器件清单、设备操作使用说明书、设备原理及结构、维修说明书等。10.1电气控制系统设计的内容和方法第10章电气控制系统设计10.1.1电气控制系统设计的基本原则生产机械种类繁多，其电气控制方案各异，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本相同。设计工作的首要问题是树立正确的设计思想和工程实践的观点，它是高质量完成设计任务的基本保证基本原则如下：1.最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。2.设计方案要合理。3.机械设计与电气设计应相互配合。4.确保控制系统安全可靠地工作。第10章电气控制系统设计10.1.2电气控制系统设计的基本任务、内容电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资料等。图样包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、元器件安装底板图和非标准件加工图等，另外还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。电气控制系统设计的内容主要包含原理设计与工艺设计两个部分，以电力拖动控制设备为例，设计内容如下。第10章电气控制系统设计1．原理设计内容电气控制系统原理设计的主要内容包括：(1)拟订电气设计任务书。(2)确定电力拖动方案，选择电动机。(3)设计电气控制原理图，计算主要技术参数。(4)选择电器元器件，制订元器件明细表。(5)编写设计说明书。电气原理图是整个设计的中心环节，它为工艺设计和制订其他技术资料提供依据。第10章电气控制系统设计2．工艺设计内容进行工艺设计主要是为了便于组织电气控制系统的制造，从而实现原理设计提出的各项技术指标，并为设备的调试、维护与使用提供相关的图样资料。工艺设计的主要内容有：(1)设计电气总布置图、总安装图与总接线图。(2)设计组件布置图、安装图和接线图。(3)设计电气箱、操作台及非标准元件。(4)列出元器件清单。(5)编写使用维护说明书。第10章电气控制系统设计10.1.3电气控制系统设计的一般步骤1．拟订设计任务书电气控制系统的设计任务书中，主要包括以下内容：(1)设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍。(2)电力拖动的方式及控制要求等。(3)联锁、保护要求。(4)自动化程度、稳定性及抗干扰要求。(5)操作台、照明、信号指示、报警方式等要求。(6)设备验收标准。(7)其他要求。第10章电气控制系统设计2．确定电力拖动方案电力拖动方案选择是电气控制系统设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。所谓电力拖动方案是指根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件去确定电动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求。第10章电气控制系统设计电力拖动方案的确定要从以下几个方面考虑：(1)拖动方式的选择电力拖动方式分独立拖动和集中拖动。(2)调速方案的选择大型、重型设备的主运动和进给运动(3)电动机调速性质要与负载特性适应对于恒功率负载和恒转矩负载第10章电气控制系统设计3．拖动电动机的选择电动机的选择主要有电动机的类型、结构型式、容量、额定电压与额定转速。电动机选择的基本原则有：(1)根据生产机械调速的要求选择电动机的种类。(2)工作过程中电动机容量要得到充分利用(3)根据工作环境选择电动机的结构型式。应该强调，在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单，价格便宜，使用维护方便的三相交流异步电动机。正确选择电动机容量是电动机选择中的关键问题。第10章电气控制系统设计电动机容量计算有两种方法，一种是分析计算法；另一种是统计类比法。分析计算法是按照机械功率估计电动机的工作情况，预选一台电动机，然后按照电动机实际负载情况做出负载图，根据负载图校验温升情况，确定预选电动机是否合适，不合适时再重新选择，直到电动机合适为止。在比较简单、无特殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机容量的选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工程估算的方法来选用，通常选择较大的容量，预留一定的裕量。第10章电气控制系统设计4．选择控制方式控制方式要实现拖动方案的控制要求。随着现代电气技术的迅速发展，生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电接触器控制向PLC控制、CNC控制、计算机网络控制等方面发展，控制方式越来越多。控制方式的选择应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺的要求。5．设计电气控制原理图并合理选用元器件以及编制元器件明表。6．设计电气设备的各种施工图样。7．编写设计说明书和使用说明书。第10章电气控制系统设计10.2电气控制原理电路设计的方法与步骤电气控制原理电路设计是原理设计的核心内容，各项设计指标通过它来实现，它又是工艺设计和各种技术资料的依据。10.2.1电气控制原理电路的基本设计方法电气控制原理电路设计的方法主要有经验设计法和逻辑设计法两种。第10章电气控制系统设计1．经验设计法经验设计法也叫分析设计法,是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节(单元电路)或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整电路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。经验设计法的优点是设计方法简单，无固定的设计程序，它是在熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路能力的基础上进行的，容易被初学者所掌握，对于具备一定工作经验的电气技术人员来说，能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。其缺点是设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响电路工作的可靠性。为此，应反复审核电路工作情况，有条件时还应进行模拟试验，发现问题及时修改，直到电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。第10章电气控制系统设计2．逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计，从生产机械的拖动要求和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电、触头的闭合与断开、主令电器的接通与断开看成逻辑变量，根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达，然后再化简，做出相应的电路图。逻辑设计法的优点是能获得理想、经济的方案，但这种方法设计难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。其具体设计过程可参阅专门论述资料，这里不再作进一步介绍。第10章电气控制系统设计10.2.2电气原理图设计的基本步骤电气原理图设计的基本步骤是：1.根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图。2.设计出原理框图中各个部分的具体电路。设计时按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查反复修改与完善的先后顺序进行。3.绘制总原理图。4.恰当选用元器件，并制订元器件明细表。设计过程中，可根据控制电路的简易程度适当地选用上述步骤。第10章电气控制系统设计10.2.3原理图设计中的一般要求一般来说，电气控制原理图应满足生产机械加工工艺的要求，电路要具有安全可靠，操作和维修方便、设备投资少等特点。为此，必须正确地设计控制电路，合理地选择电器元器件。原理图设计应满足以下要求：1．电气控制原理应满足工艺的要求在设计之前必须对生产机械的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分的了解，并在此基础上来考虑控制方式、起动、反向、制动及调速的要求，设置各种联锁及保护装置。第10章电气控制系统设计2．控制电路电源种类与电压数值的要求对于比较简单的控制电路，而且元器件不多时，往往直接采用交流380V或220V电源，不用控制电源变压器。对于比较复杂的控制电路，应采用控制电源变压器，将控制电压降到110V或48V、24V。这种方案对维修、操作以及元器件的工作可靠、有利。对于操作比较频繁的直流电力传动的控制电路，常用220V或110V直流电源供电。直流电磁铁及电磁离合器的控制电路，常采用24V直流电源供电。第10章电气控制系统设计3．确保电气控制电路工作的可靠性和安全性为保证电气控制电路可靠地工作，应考虑以下几个方面：(1)元器件的工作要稳定可靠(2)电器元件的线圈和触头的连接应符合国家有关标准规定第10章电气控制系统设计(2)电器元件的线圈和触头的连接应符合国家有关标准规定电器元件图形符号应符合GB4728中的规定，绘制时要合理安排版面。例如，主电路一般安排在左面或上面；控制电路或辅助电路排在右面或下面；元器件目录表安排在标题上方。为读图方便，有时以动作状态表或工艺过程图形式将主令开关的通断、电磁阀动作要求、控制流程等表示在图面上，也可以在控制电路的每一支路边上标注出控制目的。第10章电气控制系统设计在实际连接时，应注意以下几点：1)正确连接电器线圈。交流电压线圈通常不能串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联或接在两倍线圈额定电压的交流电源上，以免电压分配不均引起工作不可靠。第10章电气控制系统设计图10-1线圈连接图10-2大电感线圈与直流继电器线圈的连接a)不正确b)正确a)错误连接b)正确连接第10章电气控制系统设计2)合理安排电器元件和触头的位置。图10-3电气元件和触头间的连接a)不合理连接b)合理连接第10章电气控制系统设计3)防止出现寄生电路。4)尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度。5)控制电路工作时，应尽量减少通电电器的数量，以降低故障的可能性并节约电能。6)在电路中采用小容量的继电器触头来断开或接通大容量接触器线圈时，要分析触头容量的大小，若不够时，必须加大继电器容量或增加中间继电器，否则工作不可靠。图10-4寄生回路第10章电气控制系统设计4．应具有必要的保护环节控制电路在事故情况下，应能保证操作人员、电气设备、生产机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在控制电路中应采取一定的保护措施。常用的有漏电开关保护、过载、短路、过电流、过电压、失电压、联锁与行程保护等措施。必要时还可设置相应的指示信号。5．操作、维修方便控制电路应从操作与维修人员的工作出发，力求操作简单、维修方便。第10章电气控制系统设计6．控制电路力求简单、经济在满足工艺要求的前提下，控制电路应力求简单、经济。尽量选用标准电气控制环节和电路，缩减电器的数量，采用标准件和尽可能选用相同型号的电器。第10章电气控制系统设计10.3电气控制装置的工艺设计电气控制系统在完成原理设计和电器元件选择之后，下一步就是进行电气工艺设计并付之实施。主要有电气控制设备总体布置，总接线图设计，各部分的电器装配图与接线图，各部分的元器件目录、进出线号、主要材料清单及使用说明书等。第10章电气控制系统设计10.3.1电气设备的总体布置设计电气设备总体布置设计的任务是根据电气控制原理图，将控制系统按照一定要求划分为若干个部件，再根据电气设备的复杂程度，将每一部件划分成若干单元，并根据接线关系整理出各部分的进线和出线号，调整它们之间的连接方式。以万能铣床为例，可划分为机床电器部件(由电动机、快进电磁铁、进给行程开关等组成)、电气箱部件(由各种控制电器、保护电器、控制变压器等组成)及操作面板部件(由按钮、转换开关等组成)。第10章电气控制系统设计在构成一个完整的电气控制系统时，可以根据有关的原则划分为不同的单元，从而使设计条理化。单元划分的原则是：1.功能类似的元件组合在一起，如按钮、控制开关、指示灯、指示仪表可以集中在操作