第3章工业电气控制系统的设计

第3章工业电气控制系统的设计3.1工业电气控制系统设计的基本内容和基本原则机电设备一般都是由机械与电气两大部分组成的，进行电气控制系统设计，首先要明确系统的技术要求，拟定总体技术方案。系统的电气设计应满足系统的总体技术方案要求。在这一节将就工业控制系统电气设计涉及的主要内容，以及电气控制系统如何满足系统的主要技术性能加以讨论。即机械传动、液压和气动系统的工作特性，以及对电气控制系统的要求。1.机电设备主要技术性能2.机电设备的电气技术指标即电气传动方案，要根据机床的结构、传动方式、调速指标，以及对起、制动和正、反向要求等来确定。3.电动机的调速性质应与设备的负载特性相适应调速性质是指转矩、功率与转速的关系。设计任何一个机床电力拖动系统都离不开对负载和系统调速性质的研究，它是选择拖动和控制方案及确定电动机容量的前提。4.正确合理的选择电气控制方式是系统电气设计的主要内容电气控制方式应能保证系统的使用效能和动作程序、自动循环等基本动作要求。5.明确有关操纵方面的要求，在设计中施实。6.设计应考虑用户供电电网情况如电网容量、电流种类、电压及频率。3.1.1工业电气控制系统设计的基本内容拟定电气设计任务书(技术条件)。确定电气传动控制方案，选择电动机。设计电气控制原理图。选择电气元件，并制定电气元件明细表。设计操作台、电气柜及非标准电气元件。设计系统电气设备布置总图、电气安装图，以及电气接线图。编写电气说明书和使用操作说明书。3.1.2工业电气控制系统设计的基本原则1.最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制的要求。2.控制线路应力求简单；工作可靠；操作、维修方便。（1）应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的现象，如图3-1。（2）设计电路时，应正确联接电器的线圈。•在设计控制电路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端，如图3-2b。•交流电器线圈不能串联使用，如图3-2a。（3）在控制线路中应尽量减少电器触点数，以提高线路的可靠性。图3-3中例举一些触点简化的例子。图3-3触点简化与合并（4）设计控制线路时，应尽量减少联接导线的数量与长度（特别是长导线的数量）。如图3-4所示，c、d是不适当的接线方式，a、b是适当的。图中粗线代表长的接线。（操作点与电气柜距离较远、两点操作的两点间距离也较远）图2—13电气元件的合理接线图3-4电气元件的合理接线（5）设计控制线路时应考虑各种联锁关系，以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠压、零压、限位等保护措施。（6）在设计控制线路时也应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警，以及照明等要求。3.控制电路电源的选择在电器控制线路较简单、电器元件不多的情况下，控制回路电源应尽可能与主回路电源相同，也就是直接采用交流380V或220V，这样可以简化供电设备。对于比较复杂的控制线路，控制电路应采用控制电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V、48V或24V。一般机床照明电路为36V以下电源。这些不同的电压等级，一般可由同一个控制变压器提供。直流控制线路多用220V或110V。对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。继电器控制线路有一个共同的特点，就是通过触点的“通’’和“断’’来控制电动机或其他电气设备进而使运动机构动作的。即使是复杂的控制线路，很大一部分也是动合和动断触点组合而成的。为了设计方便把它们的相互关系归纳为以下几个方面。4.控制线路的设计规律（1）动合（常开）触点串联当要求几个条件同时具备时，才使电器线圈得电动作，可用几个常开触点与线圈串联的方法实现。如图3-5a中，K1、K2、K3都动作时接触器KM才动作，这种关系在逻辑线路中称“与”逻辑。图3-5b是一条自动线上各动力头加工完成后退回原位且夹具拔销松开的监控线路。所有动力头加工完成K0动作，动力头都退到原位K10动作，各夹具松开到位则K12动作。（2）动合（常开）触点并联当在几个条件中，只要求具备其中任一条件，所控制的继电器线圈就能得电，这时可用几个动合触点并联来实现。这种关系在逻辑线路中叫“或”逻辑。如图3-6a，只要K1、K2、K3其中之一动作，KM就得电动作。图3-6b中SB2、SB4为两地控制起动按钮，只要其中之一动作，接触器KM就动作，具备条件之一即可。(3)动断（常闭）触点串联当几个条件只要具备一个时，继电器线圈就断电，可用几个动断触点与控制电器线圈串联的方法来实现。如图3-6b中SB1、SB3两个停止按钮，其中一个动作，接触器就断电；图3-7中的SB0各停止按钮也是如此。(4)动断（常闭）触点并联当要求几个条件都具备时，电器线圈才断电，可用几个动断触点并联，再与控制电器线圈串联的方法来实现。图3-7中自动线预停时，可按“预停”按钮SB3，由动断触点K3、K10和K12所组成的并联电路与接触器KM0线圈串联来保证。以实现当所有动力头已经退回原位、夹具拔销松开、并在原来已发出“预停”信号基础上，才能使KM0断电释放，将控制电路的电源切断。(5)保护电路一般保护电器应既能保证控制线路长期正常运行，又能起到保护电动机及其它电器设备的作用。一旦线路出故障，它的触点就由“通”转为“断”。3.2工业电气控制系统设计的基本程序3.2.1拟定电气设计任务书任务书应重点说明以下技术指标和要求：1.控制精度要求和生产效率要求。2.电力拖动的基本特性。3.有关电气控制的特性。如电气控制的基本方式，工作自动循环的组成，动作过程程序，电气保护和联锁条件。4.有关操作方面的要求。5.机床主要电气设备的参数及布置。3.2.2电力拖动方案选择电力拖动方案主要涉及如下内容：1.拖动方式：单独拖动和分立拖动两种。2.调速方案：（1）重型或大型设备的主运动及进给运动尽可能采用无级调速。（2）精密机械设备也应采用电气无级调速。（3）一般中、小型设备的选择应保证可靠性和价廉物美。3.电动机的启动、制动和正、反转的要求。3.2.3电动机的选择3.2.4电气控制方案的确定（主要原则）（1）自动化程度与国情相适应。（2）控制方案与设备的通用化及专用化相适应。（3）控制方案随控制过程的复杂程度而变化。（4）控制系统的工作方式，应在经济、安全前提下，最大限度的满足工艺要求。3.3电气控制线路的设计方法3.3.1经验设计法经验设计法的基本步骤：1.主电路设计：电动机的启动、点动、正反转、制动和调速。2.控制电路设计：基本控制、特殊控制，选择控制参量和确定控制原则。3.联锁保护环节和辅助电路设计。4.线路的综合审查。龙门刨床的横梁机构升降的电气控制线路。横梁机构对电气控制有如下要求：1.保证横梁能沿立柱上下移动，加紧机构能实现横梁的加紧与放松。2.横梁加紧与横梁移动之间必须按照一定的顺序操作，即当横梁上下移动时，能自动按照放松横梁—横梁上下移动—加紧横梁—加紧电动机自动停止运行。3.横梁在上升和下降时应设置限位保护。4.横梁加紧与横梁运动之间及正反向运动之间应设置必要的联锁。横梁结构控制电路图龙门刨床的横梁机构升降的电气控制线路。3.3.2逻辑设计法将控制电路中的继电器、接触器线圈的通断、触点的闭合和断开看做是逻辑变量，用逻辑函数关系式来表达控制要求的逻辑关系。1.机床电器逻辑电路的表示方法继电器控制电路的逻辑规定：继电器、接触器线圈得电状态为1，失电状态为0；继电器、接触器触点闭合状态为1，断开状态为0；控制按钮、开关触点闭合状态为1，断开状态为0。为了清楚反映元件状态，元件线圈、常开触点用原变量符号KA表示，而常闭触点（按钮）用反变量符号表示。基本逻辑关系如下所示2.继电—接触器控制线路逻辑函数的一般形式在继电—接触器控制线路中，启动、保持、停止控制线路是一种最常见的控制线路。它有两种形式，如图所示。一般情况下，为了安全起见，总选择关断从优的形式。3.逻辑设计方法的一般步骤（1）根据加工工艺，画出工作循环图（状态转换图）。（2）按工作循环图确定逻辑变量，写出主令元件、检测元件及输出执行元件状态表。为了区分各种状态，可增设必要的中间状态记忆元件（中间继电器）。通常定义主令元件（按钮、开关等）、检测元件（行程开关等）为输入逻辑变量；继电器线圈作为输出变量；而中间继电器将作为状态变量。（3）根据状态表，写出中间继电器及输出元件的逻辑函数表达式。（4）简化逻辑表达式，画出控制线路。（5）进一步完善电路，增设必要的联锁、保护环节。（6）确保电路无寄生回路，无竞争冒险。4.设计举例例1：设计一个动力头主轴电动机启、保、停电路，要求滑台停在原位时主轴电动机才能启动，滑台进给到需要位置时，才允许主轴电动机停止。对于一个继电器（接触器）线圈的控制（状态控制）将涉及1.启动条件，2.是否自锁？，3.停止条件，4.是否互锁？，5.保护要求。其继电器线圈控制的梯形图将如下所示。例2.龙门刨床的横梁机构升降的电气控制线路。横梁机构对电气控制有如下要求：1.保证横梁能沿立柱上下移动，加紧机构能实现横梁的加紧与放松。2.横梁加紧与横梁移动之间必须按照一定的顺序操作，即当横梁上下移动时，能自动按照放松横梁—横梁上下移动—加紧横梁—加紧电动机自动停止运行。3.横梁在上升和下降时应设置限位保护。4.横梁加紧与横梁运动之间及正反向运动之间应设置必要的联锁。在状态转换图中，每一个状态（除原态外）可由一个继电器（接触器）线圈来表示。对于一个继电器（接触器）线圈的控制（状态控制）将涉及1.启动条件，2.是否自锁？，3.停止条件，4.是否互锁？，5.保护要求。龙门刨床的横梁机构升降的电气控制线路。例3：某机床动力头滑台进给移动需要进行正向快进、正向工进、反向工进、快退移动4步动作，工艺要求为：（1）双电机驱动，M1为工进电机，M2为快进电动机。（2）工作过程（P77）。SB1为启动按钮，SQ1为原位行程开关，SQ2为快进转工进行程开关，SQ3为进给终点行程开关。（3）接触器KM1、KM2控制两台电动机的正、反转，KM3控制快速进给电动机M3的运转。解：（1）工作循环图如下：（2）可确定逻辑变量如下：1）主令元件：SB1，SQ1，SQ2，SQ3。2）执行元件：KM1-正转，KM2-反转，KM3-加速。3）中间记忆元件：设置之间继电器KA1-快进，KA2-工进，KA3-反向工进，KA4-快退。列出逻辑状态表如下，并确定状态转换的激励信号。由逻辑状态表可以看出，该控制系统有5个状态，分别为：原位、快进、正向工进、反向工进和快退。（3）给出逻辑函数表达式1）对于控制系统中的每一个状态，可以用一个中间记忆单元来实现，中间记忆单元的逻辑设计，采用步进设计法，其状态逻辑式如下：式中，KAi为当前步，KA(i-1).Ci为启动条件（由上一步变为当前步的条件）。其中KA(i-1)是上一步的状态，Ci为步进转换的条件。为本步停止的条件。而括号中的KAi为实现自锁的逻辑变量。（当动力头滑台采用单周期运行方式，应用关断优先模式，KA2至KA4增加约束条件SQ2、SQ3、SQ2，可得逻辑式如下：2）输出和记忆元件的关系：KM1=KA1+KA2KM2=KA3+KA4KM3=KA1+KA43.4机床常用电器的选择完成电器控制线路的设计之后，应开始选择所需要的控制电器。机床电器的选择，主要是根据电器产品目录上的各项技术指标(数据)来进行。1.按钮按钮是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。按钮在结构上有多种形式：旋钮式--用手扭动旋转进行操作；指示灯式--按钮内可装入信号灯显示信号；紧急式--装有蘑菇形钮帽，以便于紧急操作。一、按钮、低压开关的选用按钮的选用：按钮主要是根据所需要的触点数、触点形式、使用的场合及颜色来选择。机床常用的按钮为LA系列。常用的按钮2.刀开关又称闸刀，用来接通和切断长期工作设备的电源。它主要根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。其额定电流应大于电动