第4章 电气控制系统的设计

第4章电气控制系统的设计4.1概述4.2电气控制系统设计的基本内容4.3电气控制系统设计的一般步骤4.4电气控制系统设计的基本原则4.5电气线路的设计实例4.1概述电气控制系统的设计包括原理设计和工艺设计两部分，一个是满足生产过程中机械加工和工艺的各种控制要求,综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性。另一个是满足电气控制装置本身的制造、使用以及维修的需要。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度,即决定着生产机械设备的先进性、合理性；后者则决定了电气控制设备的生产可行性、经济性、造型美观和使用维护方便等。4.2电气控制系统设计的基本内容1.原理设计内容(1)拟定电气控制系统设计任务书电气设计任务书是电气设计的依据。(2)确定电力拖动方案和控制方案拖动方法主要有电力拖动、液压传动、气动等。根据机械设备驱动力矩或功率的要求，合理选择电动机类型、参数。(3)选择电动机选择电动机类型、电压等级、容量及转速，并选择出具体型号。(4)设计电气控制框图,原理框图包括主电路、控制电路和辅助电路，对原理图各连接点进行编号，电气原理图是整个设计的中心环节，是工艺设计和制定其他技术资料的依据。(5)绘图制电气原理图、布置图、绘制控制面板图、元器件安装底板图、电气安装接线图和电气互连图等图纸。(6)选择电器元器件，制定元器件明细表根据电气原理合理选择元器件，并列写元器件清单。(7)编写设计说明书和维修说明书2.工艺设计内容(1)根据电气原理图及选定的电器元件，绘制总装接线图。(2)设计绘制电器元件布置图。(3)设计绘制电器元件的接线图。(4)设计绘制电气箱及非标准零件图。(5)列出所用各类元器件及材料清单。(6)编写设计说明书和使用维护说明书。4.3电气控制系统设计的一般步骤1.拟定设计任务书(1)控制精度和生产效率要求(2)有关电力拖动的基本特性电动机数量、用途、负载特性、动作要求、控制方式、起动和制动的要求等。(3)有关电气控制的特性电气保护、联锁条件、控制精度、生产效率、自动化程度、抗干扰要求等。(4)其他要求主要气设备的布置草图、安装、照明、信号指示、显示和报警方式等要求。(5)目标成本及经费限额目标成本、经费限额、验收标准及方式等。2.选择电力拖动方案与控制方式电力拖动方案与控制方式的确定是设计的先决条件。电力拖动方案：包括生产工艺要求、运动要求、调速要求及生产机械的结构、负载性质、投资额等条件，确定电动机的类型、数量、拖动方式,制定电动机起动、运行、调速、转向和制动等要求，可作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。3.其它要求(1)选择电动机。确定电动机的类型、数量、容量、额定电压和额定转速等。(2)设计电气原理图并选用元器件设计电气控制原理线路图并合理选择元器件，编制元器件目录清单(3)设计电气设备各种施工图样设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工图纸并以此为根据编制各种材料定额清单。(4)编写说明书。4.4电气控制系统设计的基本原则1.最大限度满足生产机械和工艺对电气控制线路的要求电气控制线路是为整个生产机械和工艺过程服务的，在设计前，首先对生产设备的主要工作性能、结构特点、工作方式和保护装置等方面要清楚，做全面细致的了解2.确保控制线路的工作安全可靠(1)选择控制电源交流标准控制电压等级为：380V,220V,127V、110V、48V,36V,24V、6.3V。直流标准控制电压等级为：220V,110V、48V,24V,12V。(2)电器元件的选择元器件选择的时候尽可能选用机械和电气寿命长、动作可靠、抗干扰性能好的电器。(3)正确连接电器的线圈1）在交流控制线路中，电器的线圈不允许串联连接。如图4-1（b）所示。2)对于直流电磁线圈，当两电感量相差悬殊也不能直接并联，以免使控制电路产生误动作，如图4-2(b)所示。(4)合理选择电器元件及触点的位置在设计控制线路时，应使分布在线路不同位置的同一电器触点尽量接到同一电位点，如图4-3(b)所示。图4-1交流线圈的连接(a)不正确(b)正确图4-2直流线圈的连接(a)不正确(b)正确(5)避免出现寄生电路在电气控制线路的动作过程中,如果出现不是由于误操作而产生意外接通的电路称为寄生电路。图4-4(a)所示是一个具有指示灯显示和过载保护的电动机正反向运行控制电路。正常工作情况下能完成正、反向起动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，产生寄生电路，电流流向如图4-4(a)中虚线所示，使正向接触器KM1不能释放，起不了保护作用。图4-3触点的画法(a)不正确(b)正确图4-4防止寄生回路(a)不正确(b)正确3.在满足生产工艺前提下，力求控制线路经济、简单(1)尽量选用标准电器元件，减少电器元件的品种、种类和数量。(2)尽量选用标准的、常用的或经过实践考验的典型环节或基本电气控制线路。(3)尽量减少不必要的触点,这样不但可以简化电气控制线路。(4)尽量缩减连接导线的数量和长度。(5)尽量减少通电电器的数量。图4-5Y-Δ减压起动控制电路4.设置必要的保护环节(1)短路保护常用的短路保护有熔断器、自动空气开关、专门的短路保护继电器。(2)过电流保护过电流保护常用于限流起动的直流电动机和绕线式异步电动机。(3)过载保护电动机如果长期超载运行，绕组的温升将超过允许值，会损坏电动机，所以要设置过载保护环节。(4)欠电流保护欠电流保护是指被控制电路电流低于整定值时需要动作的一种保护，通常利用欠电流继电器来实现。(5)断相保护电源缺相、接触不良、或者电动机内部断线都会引起电动机缺相运行。可采用断相保护热继电器。(6)失压保护采用接触器及按钮控制的线路一般都具有失压保护功能。(7)欠压保护当电源电压降低到额定电压的60%到80%时，继电器自动将电动机电源切除，这种保护称为欠电压保护。(8)过电压保护通常是在线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻等形式，以形成一个放电回路。(9)极限保护做直线运动的生产机械常设有极限保护环节，一般用行程开关的常闭触点来实现。(10)弱磁保护直流并励电动机、复励电动机在励磁磁场减弱或消失时,有必要在控制线路中采用弱磁保护环节。(11)其他保护根据实际情况来设置如温度、水位、欠压等保护环节。4.5电气线路的设计实例4.5.1电气线路的一般设计方法电气线路的设计方法是：首先主电路，后设计控制电路。控制电路的设计方法主要有分析设计法和逻辑设计法，由于设计过程较复杂，所以一般常规设计中都采用分析设计法。分析设计法是根据生产工艺的要求去选择适当的控制环节，或使用过的成熟电路，按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，满足控制要求的完整电路。有时在找不到现成电路的情况下，可根据控制要求边分析边设计修改，将主令信号经过适当的组合与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信号。在采用分析设计法时主要存在以下缺点：(1)在发现试画出来的线路达不到要求时，往往增加电器元件或触头数量的方法加以解决，所以设计出来的线路往往不一定是最佳电路。(2)设计中当经验不足或考虑不周时往往会发生差错，影响线路的可靠性或工作性能。下面通过一个设计实例来说明分析设计法的设计过程。4.5.2往复运动电气线路的设计实例例：有一生产机械如图4-6所示，运动部件由A点起动运行到B点，撞上行程开关SQ2后停止；2min后自动返回到A点，撞上SQ1后停止，2min后自动运行到B点，停留2min后又返回A点，实现往复运动。要求电路具有短路保护、过载保护和欠压保护等功能。图4-6机床工作示意图１．初步设计（1）主电路的设计:由于要实现往复运动,所以主电路应具备有正反转功能。（2）控制电路的设计:接触器控制电路的设备由A点起动，电动机正转，KM1线圈得电。把SQ2的常闭触点串入KM1接触器线圈回路中，撞上SQ2后停止，同时串入KM2的互锁点，在SB2两端并上KM1的常开辅助触点用于自锁。当撞上SQ2后，时间继电器KT1得电，在SQ2常开触点后面接入KT1，延时2min后KT1得电延时闭合触点闭合，KM2得电反转。根据功能这时可得到图4-7草图。图4-7自动往返控制电路草图2.完善设计草图完善设计草图一般是指控制电路的设计草图，上述草图在控制功能上已达到设计要求，但仔细分析，可发现：当运动部件运行到B点时撞上SQ2或到A点撞上SQ1时电网停电，当操作人员又未拉下电源开关时，则当电网恢复供电后，该生产机械会自动起动。因为当SQ1或SQ2受压时，KT2或KT1的线圈通过FU、SB1和FR构成回路，延时一段时间后，KM1或KM2线圈得电，这样会造成设备的自行起动，这是不允许的，因此必须对上述电路加以完善和改正，如图4-8所示。图4-8自动往返控制电路图这个电路是在原电路的基础上增加了一个中间继电器KA。由于KA具有失压保护功能，当电网恢复供电后设备必须重新人工起动，从而提高了系统的安全性。3.校核电气原理图设计完成后，必须认真进行校核，看其是否满足生产工艺要求，电路是否合理，有无需要进一步简化之处，是否存在寄生电路，电路工作是否安全可靠等。