03_電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

第3章 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計,返回總目錄,任何生產(chǎn)機(jī)械電氣的控制系統(tǒng)設(shè)計都包括兩個基本方面，一個是滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝的各種控制要求，另一個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)計包括原理設(shè)計和工藝設(shè)計兩個方面。前者決定一臺設(shè)備的使用效能和自動化程度，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，即完成一個電氣控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則。, 3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則 3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,本章內(nèi)容,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,在現(xiàn)代生產(chǎn)的控制設(shè)備中，對機(jī)電、液電、氣電等設(shè)備的配合要求越來越高。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)計原則和設(shè)計方法基本是相同的。 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則就是：在最大程度滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)要求的前提下，力求運行安全、可靠、動作準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)，電動機(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)計要求,電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計是在傳動形式及控制方案選擇的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是傳動形式與控制方案的具體化。其設(shè)計靈活多變，沒有固定的方法和模式，即使是同一個電路的功能結(jié)構(gòu)，不同人員設(shè)計出來的線路可能完全不同。因此，作為設(shè)計人員，應(yīng)該隨時發(fā)現(xiàn)和總結(jié)經(jīng)驗，不斷豐富和拓寬思路，才能做出最為合理的設(shè)計。一般情況下，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計應(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)計必須正確，并能合理地選擇電器元件。一般在設(shè)計時應(yīng)該滿足以下要求。 1. 最大限度地實現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械和工藝對電氣控制線路的要求 首先要對生產(chǎn)要求、機(jī)械設(shè)備的工作性能、結(jié)構(gòu)特點和實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)計人員提供的，實際執(zhí)行時有些地方可能會有些差異，這就需要電氣設(shè)計人員深入現(xiàn)場對同類或接近的產(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、反向、制動及調(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)計的基本原則,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,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)量和長度。 設(shè)計控制線路時，應(yīng)合理安排各電器的位置、考慮各個元件之間的實際接線。要注意電氣柜、操作臺和限位開關(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，但若考慮實際接線，圖3.1(a)就明顯不合理，因為按鈕在操作臺上，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的連接線到操作臺的按鈕上。而圖 3.1(b)的連接是將啟動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)線的長度。,圖3.1 電器連接圖,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,(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的電器元件，以減少備用量。 (4) 盡量減少不必要的觸頭，簡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觸頭。但是在合并觸頭時應(yīng)注意觸頭對額定電流值的限制。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,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娦詠碛行p少觸頭數(shù)，如圖3.4所示。對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)計的基本原則, 利用邏輯代數(shù)進(jìn)行化簡，以便得到最簡化的線路。 (5) 線路在工作時，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，并延長了該電器的壽命。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,圖3.5 減少電器通電時間電路,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,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)接入兩個電器的線圈，即使外加電壓是兩個線圈額定電壓之和，也是不允許的，如圖3.6(a)所示。因為每個線圈上所分配到的電壓與線圈阻抗成正比，兩個電器動作總是有先有后，不能同時吸合。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)不到動作電壓。因此，若需兩個電器同時動作時，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)計的基本原則,在直流控制電路中，對于電感較大的電磁線圈，如電磁閥、電磁鐵或直流電動機(jī)勵磁線圈等，不宜與相同電壓等級的繼電器直接并聯(lián)工作。如圖 3.7(a)所示，當(dāng)觸頭KM斷開時，電磁鐵YA線圈兩端產(chǎn)生大的感應(yīng)電動勢，加在中間繼電器KA的線圈上，造成KA的誤動作。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)計的基本原則,(3) 正確連接電器的觸頭設(shè)計時，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，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斷開或接通大容量接觸器的線路時，要計算繼電器觸頭斷開或接通容量是否足夠，不夠時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作才能接通另一個電器的控制線路。 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)過一對觸頭，工作可靠性大大提高了。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,圖3.9 觸頭的連接,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,(7) 防止觸頭競爭現(xiàn)象。圖3.10(a)為用時間繼電器的反身關(guān)閉電路。當(dāng)時間繼電器KT的常閉觸頭延時斷開后，時間繼電器KT線圈失電，又使經(jīng)ts秒延時斷開的常閉觸頭閉合，以及經(jīng)t1秒瞬時動作的常開觸頭斷開。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)象就是觸頭競爭。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)計的基本原則,(8) 設(shè)計的線路應(yīng)能適應(yīng)所在電網(wǎng)情況，如電網(wǎng)容量的大小，電壓頻率的波動范圍，以及允許的沖擊電流數(shù)值等。據(jù)此決定電動機(jī)的啟動方式是直接啟動還是間接(降壓)啟動。 (9) 防止寄生電路。控制電路在正常工作或事故情況下，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，造成誤動作。圖3.11所示電路在正常工作時能完成正、反向啟動，停止時信號指示，但當(dāng)熱繼電器FR動作時，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)、電動機(jī)、控制電器以及其他電器元件，消除不正常工作時的有害影響，避免因誤操作而發(fā)生事故。在自動控制系統(tǒng)中，常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有短路、過流、過載、過壓、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，例如由手動控制轉(zhuǎn)換到自動控制。 為避免帶電維修，每臺設(shè)備均應(yīng)裝有隔離開關(guān)。根據(jù)需要可設(shè)置手動控制及點動控制，以便于調(diào)整設(shè)備。必要時可設(shè)多點控制開關(guān)，使操作者可在幾個位置均能控制設(shè)備。需要注意的是裝有手動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)，以避免由于斷電時手動開關(guān)沒扳到分?jǐn)辔恢没蛐谐涕_關(guān)恰好被壓動，在恢復(fù)供電時造成意外事故。還要注意實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)計的基本原則,3.1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容,電氣設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計和編制出設(shè)備制造和使用維修過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)說明書等資料。 因此，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計包含原理設(shè)計與工藝設(shè)計兩部分。 1. 原理設(shè)計內(nèi)容 電氣原理設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，它是工藝設(shè)計和制定其他技術(shù)資料的依據(jù)，電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計內(nèi)容主要包括以下部分。 (1) 擬定電氣設(shè)計任務(wù)書。 (2) 確定拖動方案，選擇所用電動機(jī)的型號。 (3) 確定系統(tǒng)的整體控制方案。 (4) 設(shè)計并繪制電氣原理圖。 (5) 計算主要技術(shù)參數(shù)并選擇電氣元件。 (6) 編寫元件目錄清單及設(shè)計說明書，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)計的基本原則,2. 工藝設(shè)計內(nèi)容 工藝設(shè)計的主要目的是便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，實現(xiàn)原理設(shè)計要求的各項技術(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)計的主要內(nèi)容如下。 (1) 根據(jù)設(shè)計原理圖及所選用的電器元件，設(shè)計繪制電氣控制系統(tǒng)的總裝配圖及總接線圖?？傃b配圖應(yīng)能反映各電動機(jī)、執(zhí)行電器、各種電器元件、操作臺布置、電源及檢測元件的分布狀況；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，對總原理圖進(jìn)行編號，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)總圖編號統(tǒng)計出各組件的進(jìn)出線號。 (3) 根據(jù)組件原理電路及選定的元件目錄表，設(shè)計組件裝配圖(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、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)說明書。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,根據(jù)電氣設(shè)計的內(nèi)容，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟如下。 (1) 擬定電氣控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)書。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)書是整個電氣設(shè)計的依據(jù)，任務(wù)書中除扼要說明所設(shè)計設(shè)備的型號、用途、加工工藝、動作要求、傳動參數(shù)及工作條件外，還要說明以下主要技術(shù)指標(biāo)及要求。 控制精度和生產(chǎn)效率的要求。 電氣傳動基本特性，如運動部件數(shù)量、用途、動作順序、負(fù)載特性、調(diào)速指標(biāo)、啟動、制動方面的要求。 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。 目標(biāo)成本及經(jīng)費限額。 驗收標(biāo)準(zhǔn)及驗收方式。 其他要求，如設(shè)備布局、安裝要求、操作臺布置、照明、信號指示、報警方式等。,3.1.3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計步驟,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,(2) 確定拖動(傳動)方案、選擇電動機(jī)型號。根據(jù)零件加工精度、加工效率、生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、運動部件的數(shù)量、運動方式、負(fù)載性質(zhì)和調(diào)速等方面的要求以及投資額的大小，確定電動機(jī)的類型、數(shù)量、拖動方式，并擬定電動機(jī)的啟動、運行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動等控制方案。在這里，電動機(jī)的選擇非常重要，選擇電動機(jī)的基本原則如下。 電動機(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)，以保證加工過程中運行穩(wěn)定并具有一定的調(diào)速范圍與良好的啟動、制動性能。 工作過程中電動機(jī)容量能得到充分利用。 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足機(jī)械設(shè)計提出的安裝要求，并能適應(yīng)周圍環(huán)境工作條件。 在滿足設(shè)計要求的情況下、應(yīng)優(yōu)先考慮采用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用和維護(hù)方便的三相交流異步電動機(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，則可采用多臺電動機(jī)分別拖動的方式，以縮短設(shè)備的傳動鏈，提高傳動效率，簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,根據(jù)設(shè)備中主要電動機(jī)的負(fù)載情況、調(diào)速范圍及對啟動、反向、制動的要求確定拖動形式。一般設(shè)備采用交流拖動系統(tǒng)，利用齒輪箱變速，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍、簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，也可采用雙速或多速籠型異步電動機(jī)及繞線型異步電動機(jī)。如果設(shè)備對啟動、制動要求很高，需要無級調(diào)速，應(yīng)該采用直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)或交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。與此同時需要注意電動機(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，可采用定子繞組由三角形改為雙星形連接的雙速電動機(jī)或直流它勵電動機(jī)的調(diào)磁調(diào)速。負(fù)載需要恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，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)或直流它勵電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,(3) 確定控制方案。為了保證設(shè)備協(xié)調(diào)準(zhǔn)確動作，充分發(fā)揮其效能，在確定控制方案時，應(yīng)考慮以下幾點。 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、計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制等。 滿足控制線路對電源種類、工作電壓、頻率等方面的要求。 構(gòu)成自動循環(huán)。畫出設(shè)備工作循環(huán)簡圖，確定行程開關(guān)的位置。如在電液控制時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)行動作的關(guān)系表。 確定控制系統(tǒng)的工作方法。一臺設(shè)備可能有不同的工作方式，例如自動循環(huán)、手動調(diào)整、動作程序轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)中的檢測等，需逐個予以實現(xiàn)。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則, 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，必須全面考慮設(shè)備運動規(guī)律和各動作的制約關(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)計電氣柜、操作臺、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)計計算說明書和使用說明書。,3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,原理線路設(shè)計是原理設(shè)計的核心內(nèi)容。在總體方案確定之后，具體設(shè)計是從電氣原理圖開始的，如上所述，各項設(shè)計指標(biāo)是通過控制原理圖來實現(xiàn)的，同時它又是工藝設(shè)計和編制各種技術(shù)資料的依據(jù)。電氣原理圖設(shè)計的基本步驟如下。 (1) 根據(jù)選定的拖動方案及控制方式設(shè)計系統(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)計出原理框圖中各個部分的具體電路。設(shè)計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)成一個整體。 (4) 正確選用原理線路中每一個電器元件，并制訂元器件目錄清單。對于比較簡單的控制線路，例如普通機(jī)械或非標(biāo)設(shè)備的電氣配套設(shè)計，可以省略前兩步直接進(jìn)行原理圖設(shè)計和選用電器元件。但對于比較復(fù)雜的自動控制線路，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、自動顯示、各種保護(hù)、故障診斷、報警應(yīng)按上述4步驟進(jìn)行設(shè)計，以保證總裝調(diào)試的順利進(jìn)行。 電氣原理設(shè)計的方法主要有分析設(shè)計法(又稱經(jīng)驗設(shè)計法)和邏輯設(shè)計法兩種，下面將分別介紹。,所謂分析設(shè)計法指根據(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)過考驗的成熟電路按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來并加以補(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，可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計，將主令信號經(jīng)過適當(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。設(shè)計過程中，要隨時增減元器件和改變觸頭的組合方式，以滿足拖動系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過反復(fù)修改得到理想的控制線路。 分析設(shè)計法的特點是無固定的設(shè)計程序，設(shè)計方法簡單，容易為初學(xué)者所掌握，對于具有一定工作經(jīng)驗的電氣人員來說，也能較快地完成設(shè)計任務(wù)，因此在電氣設(shè)計中被普遍采用。其缺點是設(shè)計方案不一定是最佳方案，當(dāng)經(jīng)驗不足或考慮不周時會影響線路工作的可靠性。由于這種設(shè)計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)驗為基礎(chǔ)，所以又稱為經(jīng)驗設(shè)計法。,3.2.1 分析設(shè)計法,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,經(jīng)驗設(shè)計法指根據(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，然后考慮各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)鎖關(guān)系，經(jīng)過補(bǔ)充、修改、綜合成完整的控制線路。以下主要介紹經(jīng)驗設(shè)計法的基本步驟及特點。 1. 經(jīng)驗設(shè)計法的基本步驟 一般的生產(chǎn)機(jī)械電氣控制電路設(shè)計包括主電路、控制電路和輔助電路等的設(shè)計。 1) 主電路的設(shè)計 主要考慮電動機(jī)的啟動、點動、正反轉(zhuǎn)、制動及多速電動機(jī)的調(diào)速。 2) 控制電路的設(shè)計 主要考慮如何滿足電動機(jī)的各種運轉(zhuǎn)功能及生產(chǎn)工藝要求，包括實現(xiàn)加工過程自動或半自動的控制等。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,3) 輔助電路的設(shè)計 主要考慮如何完善整個控制電路的設(shè)計，包括短路、過載、零壓、聯(lián)鎖、照明、信號、充電測試等各種保護(hù)環(huán)節(jié)。 4) 反復(fù)審核電路是否滿足設(shè)計原則 在條件允許的情況下，進(jìn)行模擬試驗，直至電路動作準(zhǔn)確無誤，并逐步完善整個電器控制電路的設(shè)計。在具體的設(shè)計過程中常有兩種作法： (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，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，可根據(jù)工藝要求自行設(shè)計電器元件和觸頭，以滿足給定的工作條件。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,2. 經(jīng)驗設(shè)計的基本特點 (1) 這種方法易于掌握，使用很廣，但一般不易獲得最佳設(shè)計方案。 (2) 要求設(shè)計者具有一定的實際經(jīng)驗在設(shè)計過程中往往會因考慮不周發(fā)生差錯，影響電路的可靠性。 (3) 當(dāng)線路達(dá)不到要求時，多用增加觸頭或電器數(shù)量的方法來加以解決，所以設(shè)計出的線路常常不是最簡單經(jīng)濟(jì)的。 (4) 需要反復(fù)修改設(shè)計草圖，設(shè)計速度較慢。 (5) 一般需要進(jìn)行模擬試驗。 (6) 設(shè)計程序不固定。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,用經(jīng)驗設(shè)計法來設(shè)計繼電接觸式控制線路，對于同一個工藝要求往往會設(shè)計出各種不同結(jié)構(gòu)的控制線路，并且較難獲得最簡單的線路結(jié)構(gòu)。通過多年的實踐和總結(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和輸出信號通常只有兩種狀態(tài)：通電和斷電。而早期的控制系統(tǒng)基本上是針對順序動作而進(jìn)行的設(shè)計，于是提出了邏輯設(shè)計的思想。 所謂邏輯設(shè)計法就是從系統(tǒng)的工藝過程出發(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，再運用邏輯函數(shù)基本公式和運算規(guī)律對邏輯函數(shù)式進(jìn)行化簡，然后按化簡后的邏輯函數(shù)式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，使之成為“與”、“或”、“非”的最簡關(guān)系式，根據(jù)最簡式畫出相應(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)計法,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,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物理狀態(tài)。對于接觸器、繼電器的線圈是通電與斷電；對于觸頭是閉合與斷開。在繼電接觸式控制線路中，每一個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)于一個邏輯變量，它們都具有兩個對立的物理狀態(tài)，故可采用“邏輯0”和“邏輯1”來表示。任何一個邏輯問題中，“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)計中規(guī)定如下。 (1) 對于繼電器、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)計方法,(2) 對于按鈕、行程開關(guān)元件，規(guī)定壓下時為“1”狀態(tài)，復(fù)位時為“0”狀態(tài)。 (3) 對于元件的觸頭，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，元件狀態(tài)常以線圈通電或斷電來判定。該元件線圈通電時，其本身的常開觸頭(動合觸頭)閉合，而其本身的常閉觸頭(動斷觸頭)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)用同一字符來表示，而其常閉觸頭的狀態(tài)用該字符的“非”來表示。例如對于接觸器KM1來說，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)計方法,2. 繼電接觸式控制線路中的基本邏輯運算 繼電接觸式控制線路中的基本邏輯運算可以概括為3種：與、或、非。下面對這3種基本邏輯運算做詳細(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”來解釋，只有當(dāng)K1和K2兩個觸頭全部閉合即都為“1”態(tài)時，接觸器線圈KM才能通電為“1”態(tài)。如果K1和K2兩個觸頭中有其中任一個觸頭斷開，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)計方法,2) 邏輯“或” 如圖3.13所示，用邏輯“或”來解釋，當(dāng)觸頭K1和K2任意一個閉合時，則線圈KM通電即為“1”態(tài)，只有當(dāng)觸頭K1和K2都斷開時，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，控制對象與控制條件之間都可以用邏輯函數(shù)式來表達(dá)，所以邏輯法不僅用于線路設(shè)計，也可以用于線路簡化和讀圖分析。 3. 邏輯設(shè)計法的一般步驟 (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)計方法,4. 邏輯電路的設(shè)計方法 邏輯電路的設(shè)計有組合邏輯電路設(shè)計和時序邏輯電路設(shè)計兩種方法。下面將分別介紹這兩種設(shè)計方法。 1) 組合邏輯電路的設(shè)計 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，而輸出量對輸入量無影響。以下以沖床的控制過程為例來說明如何進(jìn)行組合邏輯電路的設(shè)計。 (1) 沖床的控制要求。 為了保護(hù)沖床操作者的人身安全，采用在兩地有兩個人同時控制才能啟動沖床的方案，如圖3.15所示。線路中使用3個按鈕，分別為SB1、SB2、SB3，控制沖床電機(jī)的接觸器線圈為KM，同時按下SB1、SB2或同時按下SB2、SB3時，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)計方法,(2) 組合邏輯電路的設(shè)計步驟。 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)計方法, 列出邏輯變量和輸出變量的邏輯代數(shù)式并化簡為式(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)計的線路。主要檢查是否存在寄生電路及觸頭競爭，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)計法較復(fù)雜，但其化簡電路的過程容易實現(xiàn)。例如要求化簡圖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)基本運算法則化簡上面的代數(shù)式為式(3-6)。 (3-6) 化簡后的控制電路如圖3.16(b)所示。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,圖3.15 沖床的控制電路 3.16 化簡電路,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,組合邏輯設(shè)計方法簡單，所以作為經(jīng)驗設(shè)計法的輔助和補(bǔ)充，用于簡單控制電路的設(shè)計，或?qū)δ承┚植侩娐愤M(jìn)行簡化。 2) 時序邏輯電路的設(shè)計 時序邏輯電路的特點是輸出狀態(tài)不僅與同一時刻的輸入狀態(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)，即輸出量通過反饋作用，對輸入狀態(tài)產(chǎn)生影響。這種邏輯電路設(shè)計要設(shè)置中間記40元件(如中間繼電器等)記憶輸入信號的變化，以達(dá)到各程序兩兩區(qū)分的目的。其設(shè)計過程比較復(fù)雜，基本步驟如下。 (1) 根據(jù)拖動要求，先設(shè)計主電路，明確各電動機(jī)及執(zhí)行元件的控制要求，并選擇產(chǎn)生控制信號(包括主令信號與檢測信號)的主令元件(如按鈕、控制開關(guān)、主令控制器等)和檢測元件(如行程開關(guān)、壓力繼電器、速度繼電器、過電流繼電器等)。,3.2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計方法,(2) 根據(jù)工藝要求作出工作循環(huán)圖，并列出主令元件、檢測元件及執(zhí)行元件的狀態(tài)表，寫出各狀態(tài)的特征