03_電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第3章 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),返回總目錄,任何生產(chǎn)機(jī)械電氣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都包括兩個(gè)基本方面，一個(gè)是滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝的各種控制要求，另一個(gè)是滿足電氣控制系統(tǒng)本身的制造、使用及維修的需要。因此，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括原理設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。前者決定一臺(tái)設(shè)備的使用效能和自動(dòng)化程度，即決定生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)性、合理性，而后者決定電氣控制設(shè)備生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟(jì)性、外觀和維修等方面的性能。 本章將在前面各章分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)某些生產(chǎn)機(jī)械，討論如何完成其電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即完成一個(gè)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的基本原則。, 3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,本章內(nèi)容,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,在現(xiàn)代生產(chǎn)的控制設(shè)備中，對(duì)機(jī)電、液電、氣電等設(shè)備的配合要求越來(lái)越高。雖然生產(chǎn)機(jī)械的種類繁多，其電氣控制設(shè)備也各不相同，但電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法基本是相同的。 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則就是：在最大程度滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)要求的前提下，力求運(yùn)行安全、可靠、動(dòng)作準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，電動(dòng)機(jī)及電氣元件選用合理，操作、安裝、調(diào)試和維修方便。,3.1.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在傳動(dòng)形式及控制方案選擇的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是傳動(dòng)形式與控制方案的具體化。其設(shè)計(jì)靈活多變，沒有固定的方法和模式，即使是同一個(gè)電路的功能結(jié)構(gòu)，不同人員設(shè)計(jì)出來(lái)的線路可能完全不同。因此，作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該隨時(shí)發(fā)現(xiàn)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷豐富和拓寬思路，才能做出最為合理的設(shè)計(jì)。一般情況下，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械加工工藝的要求，線路要安全可靠，操作和維護(hù)方便，設(shè)備投資少等。因此，要求控制電路的設(shè)計(jì)必須正確，并能合理地選擇電器元件。一般在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足以下要求。 1. 最大限度地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械和工藝對(duì)電氣控制線路的要求 首先要對(duì)生產(chǎn)要求、機(jī)械設(shè)備的工作性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際加工情況有充分了解。生產(chǎn)工藝要求一般是由機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供的，實(shí)際執(zhí)行時(shí)有些地方可能會(huì)有些差異，這就需要電氣設(shè)計(jì)人員深入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)同類或接近的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)查、分析和綜合，從而作為設(shè)計(jì)電氣控制線路的依據(jù)。并在此基礎(chǔ)上考慮控制方式，啟動(dòng)、反向、制動(dòng)及調(diào)速的要求，設(shè)置各種聯(lián)鎖及保護(hù)裝置。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,2. 在滿足生產(chǎn)要求的前提下，力求使控制線路簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì) (1) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、成熟的環(huán)節(jié)和線路。 (2) 盡量縮短連接導(dǎo)線的數(shù)量和長(zhǎng)度。 設(shè)計(jì)控制線路時(shí)，應(yīng)合理安排各電器的位置、考慮各個(gè)元件之間的實(shí)際接線。要注意電氣柜、操作臺(tái)和限位開關(guān)之間的連接線，如圖3.1(a)和圖3.1(b)所示，僅從控制線路上分析，沒有什么不同，但若考慮實(shí)際接線，圖3.1(a)就明顯不合理，因?yàn)榘粹o在操作臺(tái)上，而接觸器在電氣柜內(nèi)，這樣就需要由電氣柜二次引出較長(zhǎng)的連接線到操作臺(tái)的按鈕上。而圖 3.1(b)的連接是將啟動(dòng)按鈕和停止按鈕直接連接，這樣就可以減少一次引出線，減少布線的麻煩和導(dǎo)線的使用數(shù)量。特別要注意，同一電器的不同觸頭在線路中應(yīng)盡可能具有更多的公共接線，這樣可以減少導(dǎo)線數(shù)和縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度。,圖3.1 電器連接圖,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(3) 盡量減少電器數(shù)量，采用標(biāo)準(zhǔn)件，盡可能選用相同型號(hào)的電器元件，以減少備用量。 (4) 盡量減少不必要的觸頭，簡(jiǎn)化控制線路以減小控制線路的故障率，提高系統(tǒng)工作的可靠性。為此可采用以下4種方法。 合并同類觸頭。如圖3.2所示，在獲得同樣功能的情況下，圖3.2(b)比圖3.2(a)在電路中減少了一對(duì)觸頭。但是在合并觸頭時(shí)應(yīng)注意觸頭對(duì)額定電流值的限制。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.2 同類觸頭的合并,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則, 利用轉(zhuǎn)換觸頭。利用具有轉(zhuǎn)換觸頭的中間斷電器，將兩觸頭合并成一對(duì)轉(zhuǎn)換觸頭，如圖3.3所示。 利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)有效減少觸頭數(shù)，如圖3.4所示。對(duì)于弱電電氣控制電路，這樣做既經(jīng)濟(jì)又可靠。,圖3.3 轉(zhuǎn)換觸頭的應(yīng)用,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.4 利用二極管等效,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則, 利用邏輯代數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)，以便得到最簡(jiǎn)化的線路。 (5) 線路在工作時(shí)，除必要的電路必須通電外，其余的盡量不通電以節(jié)約電能，并延長(zhǎng)電路的使用壽命。由圖3.5(a)可知，接觸器KM2得電后，接觸器KM1和時(shí)間繼電器KT就失去了作用，不必繼續(xù)通電，但它們?nèi)蕴幱趲щ姞顟B(tài)。圖3.5(b)線路比較合理。在KM2得電后，就切斷了KM1和KT的電源，節(jié)約了電能，并延長(zhǎng)了該電器的壽命。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.5 減少電器通電時(shí)間電路,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,3. 保證控制線路工作的可靠性 (1) 選用的電器元件要可靠、抗干擾性能好。 (2) 正確連接電器的線圈。 在交流控制電路中不能串聯(lián)接入兩個(gè)電器的線圈，即使外加電壓是兩個(gè)線圈額定電壓之和，也是不允許的，如圖3.6(a)所示。因?yàn)槊總€(gè)線圈上所分配到的電壓與線圈阻抗成正比，兩個(gè)電器動(dòng)作總是有先有后，不能同時(shí)吸合。若接觸器KM1先吸合，線圈電感顯著增加，其阻抗比未吸合的接觸器KM2的阻抗大，因而在該線圈上的電壓降增大，使KM2的電壓達(dá)不到動(dòng)作電壓。因此，若需兩個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其線圈應(yīng)該并聯(lián)連接，如圖 3.6(b)所示。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.6 線圈在交流控制線路中的連接,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,在直流控制電路中，對(duì)于電感較大的電磁線圈，如電磁閥、電磁鐵或直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁線圈等，不宜與相同電壓等級(jí)的繼電器直接并聯(lián)工作。如圖 3.7(a)所示，當(dāng)觸頭KM斷開時(shí)，電磁鐵YA線圈兩端產(chǎn)生大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，加在中間繼電器KA的線圈上，造成KA的誤動(dòng)作。為此在YA線圈兩端并聯(lián)放電電阻R，并在KA支路中串入KM常開觸頭，如圖3.7(b)所示，這樣就能獲得可靠工作。,圖3.7 大電感線圈與直流繼電器線圈的連接,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(3) 正確連接電器的觸頭設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使分布在線路不同位置的同一電器觸頭盡量接到同一極或同一相上，以避免在電器觸頭上引起短路。如圖3.8(a)所示，限位開關(guān)SQ的常開觸頭與常閉觸頭靠得很近，而在電路中分別接在不同相上，當(dāng)觸頭斷開產(chǎn)生電弧時(shí)，可能在兩觸頭間形成電弧而造成電源短路，若改接成如圖 3.8(b)所示的形式，因兩觸頭電位相同，就不會(huì)造成電源短路。,圖3.8 正確連接電器的觸頭,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,在控制電路中，應(yīng)盡量將所有電器的聯(lián)鎖觸頭接在線圈的左端，線圈的右端直接接電源，這樣可以減少線路內(nèi)產(chǎn)生虛假回路的可能性，還可以簡(jiǎn)化電氣柜的出線。 (4) 在控制線路中，采用小容量繼電器的觸頭來(lái)斷開或接通大容量接觸器的線路時(shí)，要計(jì)算繼電器觸頭斷開或接通容量是否足夠，不夠時(shí)必須加小容量的接觸器或中間繼電器，否則工作不可靠。 (5) 在頻繁操作的可逆線路中，正反向接觸器應(yīng)選加重型的接觸器，同時(shí)應(yīng)有電氣和機(jī)械的聯(lián)鎖。 (6) 在線路中應(yīng)盡量避免許多電器依次動(dòng)作才能接通另一個(gè)電器的控制線路。 圖3.9(a)中的繼電器K4需要在K1、K2、K3相繼動(dòng)作后才接通。改為如圖3.9(b)所示的接線形式，每一繼電器的接通只需經(jīng)過(guò)一對(duì)觸頭，工作可靠性大大提高了。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.9 觸頭的連接,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(7) 防止觸頭競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。圖3.10(a)為用時(shí)間繼電器的反身關(guān)閉電路。當(dāng)時(shí)間繼電器KT的常閉觸頭延時(shí)斷開后，時(shí)間繼電器KT線圈失電，又使經(jīng)ts秒延時(shí)斷開的常閉觸頭閉合，以及經(jīng)t1秒瞬時(shí)動(dòng)作的常開觸頭斷開。若tst1，則電路能反身關(guān)閉；若tst1則繼電器KT再次吸合，這種現(xiàn)象就是觸頭競(jìng)爭(zhēng)。在此電路中，增加中間繼電器KA便可以解決，如圖3.10(b)所示。,圖3.10 反身自停電路,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(8) 設(shè)計(jì)的線路應(yīng)能適應(yīng)所在電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)容量的大小，電壓頻率的波動(dòng)范圍，以及允許的沖擊電流數(shù)值等。據(jù)此決定電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式是直接啟動(dòng)還是間接(降壓)啟動(dòng)。 (9) 防止寄生電路?？刂齐娐吩谡９ぷ骰蚴鹿是闆r下，發(fā)生意外接通的電路叫寄生電路。若控制電路中存在寄生電路，將破壞電器和線路的工作順序，造成誤動(dòng)作。圖3.11所示電路在正常工作時(shí)能完成正、反向啟動(dòng)，停止時(shí)信號(hào)指示，但當(dāng)熱繼電器FR動(dòng)作時(shí)，線路出現(xiàn)了寄生電路，如圖3.11中虛線所示，使正向接觸器KMl不能釋放，起不了保護(hù)作用。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,圖3.11 寄生電路,4. 控制線路工作的安全性 電氣控制線路應(yīng)具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，用以保護(hù)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)、控制電器以及其他電器元件，消除不正常工作時(shí)的有害影響，避免因誤操作而發(fā)生事故。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有短路、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、失壓、弱磁、超限、極限等。這些內(nèi)容已在第2章中作了介紹。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,5. 保證操作、安裝、調(diào)整、維修方便和安全 為了使電器設(shè)備維修方便，使用安全，電器元件應(yīng)留有備用觸頭，必要時(shí)應(yīng)留有備用電器元件，以便檢修調(diào)整改接線路；應(yīng)設(shè)置隔離電器，以免帶電檢修?？刂茩C(jī)構(gòu)應(yīng)操作簡(jiǎn)單，能迅速而方便地由一種控制形式轉(zhuǎn)換到另一種控制形式，例如由手動(dòng)控制轉(zhuǎn)換到自動(dòng)控制。 為避免帶電維修，每臺(tái)設(shè)備均應(yīng)裝有隔離開關(guān)。根據(jù)需要可設(shè)置手動(dòng)控制及點(diǎn)動(dòng)控制，以便于調(diào)整設(shè)備。必要時(shí)可設(shè)多點(diǎn)控制開關(guān)，使操作者可在幾個(gè)位置均能控制設(shè)備。需要注意的是裝有手動(dòng)電器的控制線路和帶行程開關(guān)的控制線路，一定要有零壓保護(hù)環(huán)節(jié)，以避免由于斷電時(shí)手動(dòng)開關(guān)沒扳到分?jǐn)辔恢没蛐谐涕_關(guān)恰好被壓動(dòng)，在恢復(fù)供電時(shí)造成意外事故。還要注意實(shí)際上總有誤操作的可能性，在控制線路中應(yīng)該加入必要的聯(lián)鎖保護(hù)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,3.1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容,電氣設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)和編制出設(shè)備制造和使用維修過(guò)程中所必需的各種圖紙、資料，其中包括電氣系統(tǒng)的組件劃分與元器件布置圖、安裝接線圖、電氣原理圖、控制面板布置圖等，編制設(shè)備清單、電氣控制系統(tǒng)操作使用及維護(hù)說(shuō)明書等資料。 因此，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含原理設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)兩部分。 1. 原理設(shè)計(jì)內(nèi)容 電氣原理設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，它是工藝設(shè)計(jì)和制定其他技術(shù)資料的依據(jù)，電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下部分。 (1) 擬定電氣設(shè)計(jì)任務(wù)書。 (2) 確定拖動(dòng)方案，選擇所用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。 (3) 確定系統(tǒng)的整體控制方案。 (4) 設(shè)計(jì)并繪制電氣原理圖。 (5) 計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)并選擇電氣元件。 (6) 編寫元件目錄清單及設(shè)計(jì)說(shuō)明書，為工程技術(shù)人員的使用提供方便。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,2. 工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容 工藝設(shè)計(jì)的主要目的是便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，實(shí)現(xiàn)原理設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，為設(shè)備的調(diào)試、維護(hù)、使用提供必要的圖樣資料。工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下。 (1) 根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖及所選用的電器元件，設(shè)計(jì)繪制電氣控制系統(tǒng)的總裝配圖及總接線圖?？傃b配圖應(yīng)能反映各電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行電器、各種電器元件、操作臺(tái)布置、電源及檢測(cè)元件的分布狀況；總接線圖應(yīng)能反映系統(tǒng)中的電器元件各部分之間的接線關(guān)系與連接方式。 (2) 根據(jù)原理框圖和劃分的組件，對(duì)總原理圖進(jìn)行編號(hào)，繪制各組件原理電路圖，列出各部分的元件目錄表，并根據(jù)總圖編號(hào)統(tǒng)計(jì)出各組件的進(jìn)出線號(hào)。 (3) 根據(jù)組件原理電路及選定的元件目錄表，設(shè)計(jì)組件裝配圖(電器元件布置與安裝圖)、接線圖，圖中應(yīng)反映各電器元件的安裝方式與接線方式。這些資料是組件裝配和生產(chǎn)管理的依據(jù)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(4) 根據(jù)組件裝配要求，繪制電器安裝板和非標(biāo)準(zhǔn)的電器安裝零件圖，標(biāo)明技術(shù)要求。這些圖樣是機(jī)械加工和外協(xié)作加工所必需的技術(shù)資料。 (5) 設(shè)計(jì)電氣原理圖。根據(jù)組件尺寸及安裝要求確定電氣柜結(jié)構(gòu)與外形尺寸，設(shè)置安裝支架，標(biāo)明安裝尺寸、面板安裝方式、各組件的連接方式、通風(fēng)散熱以及開門方式。在電氣原理圖設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意操作維護(hù)方便與造型美觀。 (6) 根據(jù)總原理圖、總裝配圖及各組件原理圖資料進(jìn)行匯總，分別列出外購(gòu)件清單，標(biāo)準(zhǔn)件清單以及主要材料消耗定額。這些是生產(chǎn)管理(如采購(gòu)、調(diào)度、配料等)和成本核算所必須具備的技術(shù)資料。 (7) 編寫使用維護(hù)說(shuō)明書。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,根據(jù)電氣設(shè)計(jì)的內(nèi)容，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟如下。 (1) 擬定電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書是整個(gè)電氣設(shè)計(jì)的依據(jù)，任務(wù)書中除扼要說(shuō)明所設(shè)計(jì)設(shè)備的型號(hào)、用途、加工工藝、動(dòng)作要求、傳動(dòng)參數(shù)及工作條件外，還要說(shuō)明以下主要技術(shù)指標(biāo)及要求。 控制精度和生產(chǎn)效率的要求。 電氣傳動(dòng)基本特性，如運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量、用途、動(dòng)作順序、負(fù)載特性、調(diào)速指標(biāo)、啟動(dòng)、制動(dòng)方面的要求。 穩(wěn)定性及抗干擾要求。 聯(lián)鎖條件及保護(hù)要求。 電源種類、電壓等級(jí)。 目標(biāo)成本及經(jīng)費(fèi)限額。 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收方式。 其他要求，如設(shè)備布局、安裝要求、操作臺(tái)布置、照明、信號(hào)指示、報(bào)警方式等。,3.1.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(2) 確定拖動(dòng)(傳動(dòng))方案、選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)。根據(jù)零件加工精度、加工效率、生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)方式、負(fù)載性質(zhì)和調(diào)速等方面的要求以及投資額的大小，確定電動(dòng)機(jī)的類型、數(shù)量、拖動(dòng)方式，并擬定電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等控制方案。在這里，電動(dòng)機(jī)的選擇非常重要，選擇電動(dòng)機(jī)的基本原則如下。 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械提出的要求，要與負(fù)載特性相適應(yīng)，以保證加工過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定并具有一定的調(diào)速范圍與良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能。 工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)容量能得到充分利用。 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足機(jī)械設(shè)計(jì)提出的安裝要求，并能適應(yīng)周圍環(huán)境工作條件。 在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下、應(yīng)優(yōu)先考慮采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、使用和維護(hù)方便的三相交流異步電動(dòng)機(jī)。如果生產(chǎn)設(shè)備的各部分之間不需要保證一定的內(nèi)在聯(lián)系，則可采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別拖動(dòng)的方式，以縮短設(shè)備的傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率，簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,根據(jù)設(shè)備中主要電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況、調(diào)速范圍及對(duì)啟動(dòng)、反向、制動(dòng)的要求確定拖動(dòng)形式。一般設(shè)備采用交流拖動(dòng)系統(tǒng)，利用齒輪箱變速，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍、簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，也可采用雙速或多速籠型異步電動(dòng)機(jī)及繞線型異步電動(dòng)機(jī)。如果設(shè)備對(duì)啟動(dòng)、制動(dòng)要求很高，需要無(wú)級(jí)調(diào)速，應(yīng)該采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。與此同時(shí)需要注意電動(dòng)機(jī)調(diào)速的性質(zhì)，應(yīng)當(dāng)與負(fù)載特性相適應(yīng)。例如負(fù)載需要恒功率調(diào)速時(shí)，可采用定子繞組由三角形改為雙星形連接的雙速電動(dòng)機(jī)或直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁調(diào)速。負(fù)載需要恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，可選用定子繞組由星形連接改成雙星形的交流雙速電機(jī)或直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,(3) 確定控制方案。為了保證設(shè)備協(xié)調(diào)準(zhǔn)確動(dòng)作，充分發(fā)揮其效能，在確定控制方案時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。 確定控制方式。根據(jù)控制設(shè)備復(fù)雜程度及生產(chǎn)工藝精度要求的不同，可以選擇幾種不同的控制方式。例如：繼電接觸控制、順序控制、PLC控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制等。 滿足控制線路對(duì)電源種類、工作電壓、頻率等方面的要求。 構(gòu)成自動(dòng)循環(huán)。畫出設(shè)備工作循環(huán)簡(jiǎn)圖，確定行程開關(guān)的位置。如在電液控制時(shí)要確定電磁鐵和電磁閥的通斷狀態(tài)，列出上述電器元件與執(zhí)行動(dòng)作的關(guān)系表。 確定控制系統(tǒng)的工作方法。一臺(tái)設(shè)備可能有不同的工作方式，例如自動(dòng)循環(huán)、手動(dòng)調(diào)整、動(dòng)作程序轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)中的檢測(cè)等，需逐個(gè)予以實(shí)現(xiàn)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則, 妥善考慮聯(lián)鎖關(guān)系及電氣保護(hù)。聯(lián)鎖關(guān)系及電氣保護(hù)是保證設(shè)備運(yùn)行、操作相互協(xié)調(diào)及正常執(zhí)行的條件，所以在制定控制方案時(shí)，必須全面考慮設(shè)備運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各動(dòng)作的制約關(guān)系，完善保護(hù)措施。 (4) 畫出電氣控制線路原理圖。 (5) 選擇電器元件，制定電機(jī)和電器元件明細(xì)表。 (6) 設(shè)計(jì)電氣柜、操作臺(tái)、電氣安裝板，畫出電機(jī)和電器元件的總體布置圖。 (7) 繪制電氣控制線路裝配圖及接線圖。 (8) 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書和使用說(shuō)明書。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,原理線路設(shè)計(jì)是原理設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在總體方案確定之后，具體設(shè)計(jì)是從電氣原理圖開始的，如上所述，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)是通過(guò)控制原理圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)它又是工藝設(shè)計(jì)和編制各種技術(shù)資料的依據(jù)。電氣原理圖設(shè)計(jì)的基本步驟如下。 (1) 根據(jù)選定的拖動(dòng)方案及控制方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理框圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。 (2) 根據(jù)各部分要求設(shè)計(jì)出原理框圖中各個(gè)部分的具體電路。設(shè)計(jì)的步驟為主電路控制電路輔助電路聯(lián)鎖與保護(hù)檢查、修改與完善。 (3) 繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分聯(lián)成一個(gè)整體。 (4) 正確選用原理線路中每一個(gè)電器元件，并制訂元器件目錄清單。對(duì)于比較簡(jiǎn)單的控制線路，例如普通機(jī)械或非標(biāo)設(shè)備的電氣配套設(shè)計(jì)，可以省略前兩步直接進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和選用電器元件。但對(duì)于比較復(fù)雜的自動(dòng)控制線路，生產(chǎn)機(jī)械或者采用微機(jī)或電子控制的專用檢測(cè)與控制系統(tǒng)，要求有程序預(yù)選和一定的加工精度、生產(chǎn)效率、自動(dòng)顯示、各種保護(hù)、故障診斷、報(bào)警應(yīng)按上述4步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證總裝調(diào)試的順利進(jìn)行。 電氣原理設(shè)計(jì)的方法主要有分析設(shè)計(jì)法(又稱經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法)和邏輯設(shè)計(jì)法兩種，下面將分別介紹。,所謂分析設(shè)計(jì)法指根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求選擇適當(dāng)?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)(單元電路)或?qū)⒔?jīng)過(guò)考驗(yàn)的成熟電路按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來(lái)并加以補(bǔ)充和修改，以綜合成滿足控制要求的完整線路。當(dāng)找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時(shí)，可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計(jì)，將主令信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕M合與變換，在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號(hào)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要隨時(shí)增減元器件和改變觸頭的組合方式，以滿足拖動(dòng)系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改得到理想的控制線路。 分析設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)是無(wú)固定的設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，容易為初學(xué)者所掌握，對(duì)于具有一定工作經(jīng)驗(yàn)的電氣人員來(lái)說(shuō)，也能較快地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，因此在電氣設(shè)計(jì)中被普遍采用。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)方案不一定是最佳方案，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)不足或考慮不周時(shí)會(huì)影響線路工作的可靠性。由于這種設(shè)計(jì)方法以熟練掌握各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，所以又稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。,3.2.1 分析設(shè)計(jì)法,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法指根據(jù)控制任務(wù)經(jīng)控制系統(tǒng)劃分為若干控制環(huán)節(jié)，參考典型控制線路設(shè)計(jì)，然后考慮各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)鎖關(guān)系，經(jīng)過(guò)補(bǔ)充、修改、綜合成完整的控制線路。以下主要介紹經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基本步驟及特點(diǎn)。 1. 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基本步驟 一般的生產(chǎn)機(jī)械電氣控制電路設(shè)計(jì)包括主電路、控制電路和輔助電路等的設(shè)計(jì)。 1) 主電路的設(shè)計(jì) 主要考慮電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)及多速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。 2) 控制電路的設(shè)計(jì) 主要考慮如何滿足電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)功能及生產(chǎn)工藝要求，包括實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)或半自動(dòng)的控制等。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,3) 輔助電路的設(shè)計(jì) 主要考慮如何完善整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)，包括短路、過(guò)載、零壓、聯(lián)鎖、照明、信號(hào)、充電測(cè)試等各種保護(hù)環(huán)節(jié)。 4) 反復(fù)審核電路是否滿足設(shè)計(jì)原則 在條件允許的情況下，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，直至電路動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤，并逐步完善整個(gè)電器控制電路的設(shè)計(jì)。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中常有兩種作法： (1) 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求，適當(dāng)選用現(xiàn)有的典型環(huán)節(jié)。將它們有機(jī)地組合起來(lái)，并加以補(bǔ)充修改，綜合成所需要的控制線路。 (2) 在找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時(shí)，可根據(jù)工藝要求自行設(shè)計(jì)電器元件和觸頭，以滿足給定的工作條件。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,2. 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn) (1) 這種方法易于掌握，使用很廣，但一般不易獲得最佳設(shè)計(jì)方案。 (2) 要求設(shè)計(jì)者具有一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往會(huì)因考慮不周發(fā)生差錯(cuò)，影響電路的可靠性。 (3) 當(dāng)線路達(dá)不到要求時(shí)，多用增加觸頭或電器數(shù)量的方法來(lái)加以解決，所以設(shè)計(jì)出的線路常常不是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的。 (4) 需要反復(fù)修改設(shè)計(jì)草圖，設(shè)計(jì)速度較慢。 (5) 一般需要進(jìn)行模擬試驗(yàn)。 (6) 設(shè)計(jì)程序不固定。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法來(lái)設(shè)計(jì)繼電接觸式控制線路，對(duì)于同一個(gè)工藝要求往往會(huì)設(shè)計(jì)出各種不同結(jié)構(gòu)的控制線路，并且較難獲得最簡(jiǎn)單的線路結(jié)構(gòu)。通過(guò)多年的實(shí)踐和總結(jié)，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，繼電器控制線路中的各種輸入信號(hào)和輸出信號(hào)通常只有兩種狀態(tài)：通電和斷電。而早期的控制系統(tǒng)基本上是針對(duì)順序動(dòng)作而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，于是提出了邏輯設(shè)計(jì)的思想。 所謂邏輯設(shè)計(jì)法就是從系統(tǒng)的工藝過(guò)程出發(fā)，將控制線路中的接觸器、繼電器線圈的通電與斷電，觸頭的閉合與斷開，以及主令元件的接通與斷開等看成邏輯變量，并將這些邏輯變量關(guān)系表示為邏輯函數(shù)關(guān)系式，再運(yùn)用邏輯函數(shù)基本公式和運(yùn)算規(guī)律對(duì)邏輯函數(shù)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，然后按化簡(jiǎn)后的邏輯函數(shù)式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，使之成為“與”、“或”、“非”的最簡(jiǎn)關(guān)系式，根據(jù)最簡(jiǎn)式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，最后再做進(jìn)一步的檢查和完善，得到所需的控制線路。,3.2.2 邏輯設(shè)計(jì)法,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,1. 繼電接觸式控制線路中邏輯變量的處理 一般在控制線路中，電器的線圈或觸頭的工作存在著兩個(gè)物理狀態(tài)。對(duì)于接觸器、繼電器的線圈是通電與斷電；對(duì)于觸頭是閉合與斷開。在繼電接觸式控制線路中，每一個(gè)接觸器或繼電器的線圈、觸頭以及控制按鈕的觸頭都相當(dāng)于一個(gè)邏輯變量，它們都具有兩個(gè)對(duì)立的物理狀態(tài)，故可采用“邏輯0”和“邏輯1”來(lái)表示。任何一個(gè)邏輯問(wèn)題中，“0”狀態(tài)和“1”狀態(tài)所代表的意義必須做出明確的規(guī)定，在繼電接觸式控制線路邏輯設(shè)計(jì)中規(guī)定如下。 (1) 對(duì)于繼電器、接觸器、電磁鐵、電磁閥、電磁離合器等元件的線圈，通常規(guī)定通電為“1”狀態(tài)，失電則規(guī)定為“0”狀態(tài)。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,(2) 對(duì)于按鈕、行程開關(guān)元件，規(guī)定壓下時(shí)為“1”狀態(tài)，復(fù)位時(shí)為“0”狀態(tài)。 (3) 對(duì)于元件的觸頭，規(guī)定觸頭閉合狀態(tài)為“1”狀態(tài)，觸頭斷開狀態(tài)為“0”狀態(tài)。 分析繼電器、接觸器控制電路時(shí)，元件狀態(tài)常以線圈通電或斷電來(lái)判定。該元件線圈通電時(shí)，其本身的常開觸頭(動(dòng)合觸頭)閉合，而其本身的常閉觸頭(動(dòng)斷觸頭)斷開。因此，為了清楚地反映元件狀態(tài)，元件的線圈和其常開觸頭的狀態(tài)用同一字符來(lái)表示，而其常閉觸頭的狀態(tài)用該字符的“非”來(lái)表示。例如對(duì)于接觸器KM1來(lái)說(shuō)，其常開觸頭的狀態(tài)用KM1表示，其常閉觸頭的狀態(tài)用則用 表示。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,2. 繼電接觸式控制線路中的基本邏輯運(yùn)算 繼電接觸式控制線路中的基本邏輯運(yùn)算可以概括為3種：與、或、非。下面對(duì)這3種基本邏輯運(yùn)算做詳細(xì)分析。 1) 繼電接觸式控制線路中的邏輯“與” 如圖3.12所示，用邏輯“與”來(lái)解釋，只有當(dāng)K1和K2兩個(gè)觸頭全部閉合即都為“1”態(tài)時(shí)，接觸器線圈KM才能通電為“1”態(tài)。如果K1和K2兩個(gè)觸頭中有其中任一個(gè)觸頭斷開，則線圈KM就斷電。所以電路中觸頭串聯(lián)形式是邏輯“與”的關(guān)系。邏輯“與”的邏輯函數(shù)式為式(3-1)。 (3-1) 式(3-1)中，K1和K2均稱為邏輯輸入變量(自變量)，而KM稱為邏輯輸出變量。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,2) 邏輯“或” 如圖3.13所示，用邏輯“或”來(lái)解釋，當(dāng)觸頭K1和K2任意一個(gè)閉合時(shí)，則線圈KM通電即為“1”態(tài)，只有當(dāng)觸頭K1和K2都斷開時(shí)，線圈KM斷電即為“0”態(tài)。邏輯“或”的邏輯函數(shù)式為式(3-2)。 (3-2),圖3.12 邏輯“與”電路 圖3.13 邏輯“或”電路,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,3) 邏輯“非” 邏輯“非”也稱邏輯“求反”。圖3.14表示元件狀態(tài)KA的常閉觸頭 與觸發(fā)器KM線圈狀態(tài)的控制是邏輯非關(guān)系。其邏輯函數(shù)式為式(3-3)。 (3-3),圖3.14 邏輯“非”電路,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,當(dāng)開關(guān)K合上，常閉觸頭 的狀態(tài)為“0”，則KM0，線圈不通電，KM為“0”狀態(tài)；當(dāng)K打開， 1，則KM1，線圈通電，接觸器閉合，KM為“1”狀態(tài)。 在任何控制線路中，控制對(duì)象與控制條件之間都可以用邏輯函數(shù)式來(lái)表達(dá)，所以邏輯法不僅用于線路設(shè)計(jì)，也可以用于線路簡(jiǎn)化和讀圖分析。 3. 邏輯設(shè)計(jì)法的一般步驟 (1) 按工藝要求作出工作循環(huán)圖。 (2) 按工作循環(huán)圖畫出主令元件、檢測(cè)元件和執(zhí)行元件等的狀態(tài)波形圖。 (3) 根據(jù)狀態(tài)波形圖，列寫執(zhí)行元件(輸出元件)的邏輯函數(shù)式。 (4) 根據(jù)邏輯函數(shù)式畫出電路結(jié)構(gòu)圖。 (5) 進(jìn)一步檢查、化簡(jiǎn)和完善電路，增加必要的聯(lián)鎖、保護(hù)等輔助環(huán)節(jié)。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,4. 邏輯電路的設(shè)計(jì)方法 邏輯電路的設(shè)計(jì)有組合邏輯電路設(shè)計(jì)和時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)兩種方法。下面將分別介紹這兩種設(shè)計(jì)方法。 1) 組合邏輯電路的設(shè)計(jì) 所謂組合邏輯電路是指執(zhí)行元件的輸出狀態(tài)只與同一時(shí)刻控制元件的狀態(tài)有關(guān)，輸入、輸出呈單方向關(guān)系，即只能由輸入量影響輸出量，而輸出量對(duì)輸入量無(wú)影響。以下以沖床的控制過(guò)程為例來(lái)說(shuō)明如何進(jìn)行組合邏輯電路的設(shè)計(jì)。 (1) 沖床的控制要求。 為了保護(hù)沖床操作者的人身安全，采用在兩地有兩個(gè)人同時(shí)控制才能啟動(dòng)沖床的方案，如圖3.15所示。線路中使用3個(gè)按鈕，分別為SB1、SB2、SB3，控制沖床電機(jī)的接觸器線圈為KM，同時(shí)按下SB1、SB2或同時(shí)按下SB2、SB3時(shí)，KM接通，其余情況下KM均不通電。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,(2) 組合邏輯電路的設(shè)計(jì)步驟。 根據(jù)功能與要求列出元件狀態(tài)表，見表3-1。,表3-1 沖床的元件狀態(tài)表,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 列出邏輯變量和輸出變量的邏輯代數(shù)式并化簡(jiǎn)為式(3-4)。 (3-4) 根據(jù)邏輯代數(shù)式繪制控制電路，如圖3.15所示。 檢查、完善所設(shè)計(jì)的線路。主要檢查是否存在寄生電路及觸頭競(jìng)爭(zhēng)，然后繪制主電路并加入必要的保護(hù)環(huán)節(jié)。 盡管邏輯設(shè)計(jì)法較復(fù)雜，但其化簡(jiǎn)電路的過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)。例如要求化簡(jiǎn)圖3.16(a)所示的控制電路，先列出圖3.16(a)電路的邏輯代數(shù)式為式(3-5)。 (3-5) 然后根據(jù)邏輯代數(shù)基本運(yùn)算法則化簡(jiǎn)上面的代數(shù)式為式(3-6)。 (3-6) 化簡(jiǎn)后的控制電路如圖3.16(b)所示。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,圖3.15 沖床的控制電路 3.16 化簡(jiǎn)電路,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,組合邏輯設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，所以作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的輔助和補(bǔ)充，用于簡(jiǎn)單控制電路的設(shè)計(jì)，或?qū)δ承┚植侩娐愤M(jìn)行簡(jiǎn)化。 2) 時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì) 時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)是輸出狀態(tài)不僅與同一時(shí)刻的輸入狀態(tài)有關(guān)，而且還與輸出量的原有狀態(tài)及其組合順序有關(guān)，即輸出量通過(guò)反饋?zhàn)饔?，?duì)輸入狀態(tài)產(chǎn)生影響。這種邏輯電路設(shè)計(jì)要設(shè)置中間記40元件(如中間繼電器等)記憶輸入信號(hào)的變化，以達(dá)到各程序兩兩區(qū)分的目的。其設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，基本步驟如下。 (1) 根據(jù)拖動(dòng)要求，先設(shè)計(jì)主電路，明確各電動(dòng)機(jī)及執(zhí)行元件的控制要求，并選擇產(chǎn)生控制信號(hào)(包括主令信號(hào)與檢測(cè)信號(hào))的主令元件(如按鈕、控制開關(guān)、主令控制器等)和檢測(cè)元件(如行程開關(guān)、壓力繼電器、速度繼電器、過(guò)電流繼電器等)。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,(2) 根據(jù)工藝要求作出工作循環(huán)圖，并列出主令元件、檢測(cè)元件及執(zhí)行元件的狀態(tài)表，寫出各狀態(tài)的特征