第3章 电气控制系统的设计

1青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC~SBSB1KMSB2KAKAKA判断电路功能2青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLCKM1KM1SB1SB2KM1FR1FR2KM2SB3SB4KM2判断电路功能FUKM2FR2FUABCKM1FR1QM13~M23~3青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC判断电路功能4青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC判断电路功能5青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLCSB1FRSB2KM1KM1KT1KM2KT2KM3KT3KM4KT1KT2KT3KM2KM4KM4KM3KM2KM3QSFUKM1FRML1L2L3KM43RKM32RKM21R判断电路功能6青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC第四章电气控制系统的设计第一节电气控制系统设计的一般原则、基本内容第二节电气原理电路设计的方法与步骤第三节电控线路设计的主要参数计算和元器件选择第四节电气控制装置的工艺设计第五节设计举例7青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC生产机械电气控制系统的设计，包含两个基本内容：一个是原理设计，即要满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是工艺设计，即要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。第四章电气控制系统的设计原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性，工艺设计决定电气控制系统是否具有生产可行性、经济性、美观、使用维修方便等特点，所以电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容。8青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC在熟练掌握典型环节控制电路、具有对一般电气控制电路分析能力之后，设计者应能举一反三，对受控生产机械进行电气控制系统的设计并提供一套完整的技术资料。9青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC第一节电气控制系统设计的一般原则、基本内容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。电气控制系统设计的依据主要来源于生产机械和生产工艺的要求。2．设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济、便于操作和维修，不要盲目追求高指标和自动化。一、电气控制系统设计的一般原则10青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC3．机械设计与电气设计应相互配合。许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求，因此要从工艺要求、制造成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。例如：上下瓶机4．确保控制系统安全可靠地工作。11青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC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纸、资料等。图纸包括电气原理图、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、电器元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。二、电气控制系统设计的基本任务、内容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：12青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC1、原理设计内容（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）选择电器元件，制订元器件明细表。（5）编写设计说明书。2、工艺设计内容（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）列出元件清单。（5）编写使用维护说明书。13青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC设计任务书是整个电气控制系统的设计依据，又是设备竣工验收的依据。由技术领导部门、设备使用部门和任务设计部门等共同完成。三、电气控制系统设计的一般步骤1、拟订设计任务书14青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC（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）其它要求电气控制系统的设计任务书中，主要包括以下内容：15青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC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。2、确定电力拖动方案（1）拖动方式的选择：电力拖动方式，独立拖动？集中拖动？主要从几个方面考虑电力拖动方案：16青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC（3）电动机调速性质要与负载特性适应：恒功率负载？恒转矩负载？在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特性与生产机械的负载特性相适应，使电动机得到充分合理应用。（2）调速方案的选择：大型、重型设备的主运动和进给运动，应尽可能采用无级调速，有利于简化机械结构、降低成本；精密机械设备为保证加工精度也应采用无级调速；对于一般中小型设备，在没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型异步电动机。17青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC（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。3、拖动电动机的选择基本原则18青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC4、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，编制元器件明细表。6、设计电气设备的各种施工图纸。7、编写设计说明书和使用说明书。19青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC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线路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。第二节电气控制原理电路设计的方法一、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有分析设计法和逻辑设计法。1、分析设计法20青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC分析设计法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，容易为初学者所掌握，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线路工作的可靠性。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。分析设计法，是一种经验设计法，设计者需要掌握大量的成熟可靠的电路才能设计出较为合理的控制线路。21青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC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，触点的闭合与断开，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。2、逻辑设计法22青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC一、基本思路1、首先将控制系统的输入、输出电器元件的状态用状态变量进行表示。2、然后根据控制要求列出状态变量的逻辑表达式。3、简化逻辑表达式。4、最后根据逻辑表达式绘制控制线路。23青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC二、预备知识（一）状态变量的假定输入量：触点A=1，表示触点动作（常开触点闭合、常闭触点断开）。触点A=0，表示触点复位（常开触点断开、常闭触点闭合）。输出量：线圈K=1，表示线圈上电。线圈K=0，表示线圈失电。24青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC（二）基本逻辑表达式与控制电路ABKABK0011010100012）真值表ABK1113）状态表4）逻辑表达式K=A·B注：只把K=1的状态列出1、“与”电路1）电路图25青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC2、“或”电路1）电路图ABK0011010101112）真值表ABK0111011113）状态表4）逻辑表达式K=A＋BAKB26青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC3、“非”电路1）电路图AK01102）真值表3）状态表4）逻辑表达式K=AAKAK0127青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC4、时序电路1）电路图SB1SB2KA001*1*01*01*010×2）真值表SB1SB2KA初态运行停止3）状态表KAKASB2SB14）逻辑表达式KA=（SB2＋KA）·SB1注：1*表示短信号，1表示长信号。28青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC1、交换率A·B=B·A2、结合率A·（B·C）=（A·B）·CA+（B+C）=（A+B）+C3、分配率A·（B+C）=A·B+A·CA+（B·C）=（A+B）·（B+C）4、重迭率A·A=A，A+A=A（三）逻辑代数定理5、吸收率A+A·B=A，A·(A+B)=AA+A·B=A+B，A+A·B=A+B6、非非率A=A7、反演率A+B=A·B，A·B=A+B29青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC三、组合逻辑电路设计组合逻辑电路：执行元件的输出状态只与同一时刻控制元件的状态有关。即输出对输入无影响。电路设计方法：1、确定状态变量2、列出状态表——满足控制要求3、写出执行元件的逻辑表达式4、简化逻辑表达式5、绘制控制线路30青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC设计举例KA1KA2KA3KM000111011001101010111111某电路只有在继电器KA1，KA2，KA3中任何一个或两个动作时，才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制线路1、确定状态变量2、列状态表输入：KA1、KA2、KA3；输出：KM解：31青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC2、状态表3、逻辑表达式KM=KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+KA1·KA2·KA3+=KA1·（KA2+KA3）+KA1·（KA2+KA3）KA1KA2KA3KM000111011001101010111111KA1KA1KA2KA3KA2KA3KM4、绘制控制线路32青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC四、时序逻辑电路设计时序逻辑电路的输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且还与输出量的原有状态及其组合顺序有关，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路的设计要设置中间记忆元件（如中间继电器等），记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。33青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC设计方法1、根据工艺要求确定逻辑变量、列出状态变量表（主令元件、检测元件、执行元件）。2、为区分所有状态，而增设必要的中间记忆元件（中间继电器）。3、根据状态表，列出执行元件的逻辑表达式。4、简化逻辑表达式，据此绘出控制线路。5、检查、完善所设计的电路。34青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC设计举例——机械动力滑台控制线路SB1快进SQ2SQ1快退SQ3工进（一）具有一次工作进给的控制线路1、设计要求双电机驱动：M1工进、M2快进、快退。三接触器控制：KM1快进、KM3快退、KM2工进。35青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC2、确定状态变量主令元件SB1—起动；SQ1—原位；SQ2—工进位；SQ3—末位。执行元件KM1—快进；KM3—快退；KM2—工进。36青岛大学自动化工程学院电气控制技术及PLC3、列出状态表，并确定状态转换的激励信号序号程序名激励信号主令元件执行元件SB1SQ1SQ2SQ3KM1KM2KM30原位01快进SB12工进SQ23快退SQ34原位SQ1