18.1 电气控制系统设计的内容、程序、原则（课件）-《工厂电气控制设备》同步教学（清华大学出版社）

第四单元 电气控制系统的电路设计 主要内容： 项目18 电气控制系统的设计 项目18 电气控制系统的设计 知识要求 掌握电气控制系统设计的内容、程序和基本原则。 掌握电气控制系统设计的主要方法。 技能要求 运用所学知识掌握实际控制电路的逻辑设计方法。 学习情景18.1 电气控制系统设计的内容、程序、原则 【问题的提出】 要掌握电气控制系统设计的方法，首先需要了解电气控制系统设计的内容、程序和基本原则。 【相关知识】 1．电气控制系统设计的主要内容 电气控制系统设计的基本任务和根据要求，是设计和制出设备制造和使用维修过程中所必需的图纸、资料，包括电气原理电路图、电器元件布置图、电气安装接线图、电气箱图及控制面板等，编制外购成件目录、单台消耗清单、设备说明书等资料。 由此可见，电气控制系统的设计包括原理设计和工艺设计两部分，现以电力拖动控制系统为例说明两部分的设计内容。 1) 原理设计内容 (1)拟定电气设计任务书(技术条件)。 (2)确定电力拖动方案(电气传动形式)以及控制方案。 (3)选择电动机，包括电动机的类型、电压等级、容量及转速，并选择出具体型号。 (4)设计电气控制的原理框图，包括主电路、控制电路和辅助控制电路，确定各部分之间的关系，拟订各部分的技术要求。 (5)设计并绘制电气原理图，计算主要的技术参数。 (6)选择电器元件，制定电动机和电器元件明细表，以及装置易损件及备用件的清单。 (7)编写设计说明书。 2)工艺设计内容 工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的制造，实现电气原理设计所要求的各项技术指标，为设备在今后的使用、维修提供必要的图纸资料。 工艺设计的主要内容包括以下几方面。 (1)根据已设计完成的电气原理图及选定的电器元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总图应反映出电动机、执行电器、电气箱各组件、操作台布置、电源以及检测元件的分布状况和各部分之间的接线关系与连接方式，此部分的设计资料供总体装配调试以及日常维护使用。 (2)按照电气原理图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各组件的元件目录表，并根据总图编号标出各组件的进出线号。 (3)根据各组件的原理电路及选定的元件目录表，设计各组件的装配图(包括电器元件的布置图和安装图)、接线图，图中主要反映各电器元件的安装方式和接线方式，这部分资料是各组件电路的装配和生产管理的依据。 (4)根据组件的安装要求，绘制零件图纸，并标明技术要求，这部分资料是机械加工和对外协作加工所必需的技术资料。 (5)设计电气箱，根据组件的尺寸及安装要求，确定电气箱结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、安装方式、各组件的连接方式、通风散热及开门方式，在这一部分的设计中，应注意操作维护的方便与造型的美观。 (6)根据总原理图、总装配图及各组件原理图等资料进行汇总，分别列出外购件清单、标准件清单以及主要材料消耗定额，这部分是生产管理和成本核算所必须具备的技术资料。 (7)编写使用说明书。 在实际设计过程中，根据生产机械设备的总体技术要求和电气系统的复杂程度，可对上述步骤做适当地调整及修正。 2．电气控制系统设计的一般程序 电气控制系统的设计一般按如下程序进行。 1)拟订设计任务书 电气控制系统设计的技术条件，通常是以电气设计任务书的形式加以表达的，电气设计任务书是整个系统设计的依据，拟订电气设计任务书，应聚集电气、机械工艺、机械结构三方面的设计人员，根据所设计的机械设备的总体技术要求，共同商讨，拟订认可。 在电气设计任务书中，应简要说明所设计的机械设备的型号、用途、工艺过程、技术性能、传动要求、工作条件、使用环境等。除此之外，还应说明以下技术指标及要求。 (1)控制精度，生产效率要求。 (2)有关电力拖动的基本特性，如电动机的数量、用途、负载特性、调速范围以及对反向、起动和制动的要求等。 (3)用户供电系统的电源种类、电压等级、频率及容量等要求。 (4)有关电气控制的特性，如自动控制的电气保护、联锁条件、动作程序等。 (5)其他要求，如主要电气设备的布置草图、照明、信号指示、报警方式等。 (6)目标成本及经费限额。 (7)验收标准及方式。 2)电力拖动方案与控制方式的选择 电力拖动方案的选择是以后各部分设计内容的基础和先决条件。电力拖动方案是指根据生产工艺要求，生产机械的结构，运动部件的数量、运动要求、负载特性、调速要求以及投资额等条件，去确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟订电动机的起动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。 3)电动机的选择 根据已选择的拖动方案，就可以进一步选择电动机的类型、数量、结构形式以及容量、额定电压、额定转速等。 电动机选择的基本原则如下。 (1)电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以保证生产过程中的运行稳定性并具有一定的调速范围与良好的起、制动性能。 (2)电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并适应周围环境的工作条件。 (3)根据电动机的负载和工作方式，正确选择电动机的容量。 正确合理地选择电动机的容量具有重要的意义。选择电动机的容量时可以按以下四种类型进行。 ①对于恒定负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证电动机的额定功率大于等于负载所需要的功率。 ②对于变动负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证当负载变到最大时，电动机仍能给出所需要的功率，同时电动机的温升不超过允许值。 ③对于短时工作制的电动机，其容量的选择应按照电动机的过载能力来选择。 ④对于重复短时工作制的电动机，其容量的选择原则上可按照电动机在一个工作循环内的平均功耗来选择。 (4)电动机电压的选择应根据使用地点的电源电压来决定，常用为380V、220V。 (5)在没有特殊要求的场合，一般均采用交流电动机。 4)电气控制方案的确定 选择电气控制方案的主要原则如下。 (1)自动化程度与国情相适应。 根据现代科学技术的发展，电气控制方案尽可能选用最新科学技术，同时又要与企业自身的经济实力、各方面的人才素质相适应。 (2)控制方式应与设备的通用及专用化相适应。 对于工作程序固定的专用机械设备，使用中并不需要改变原有程序，可采用继电接触式控制系统，控制电路在结构上接成“固定”式的；对于要求较复杂的控制对象或者要求经常变换工作程序和加工对象的机械设备，可以采用可编程序控制器控制系统。 (3)控制方式随控制过程的复杂程度而变化。 在生产机械控制自动化中，随控制要求及控制过程的复杂程度不同，可以采用分散控制或集中控制的方案，但是各台单机的控制方式和基本控制环节则应尽量一致，以便简化设计和制造过程。 (4)控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。 此外，控制方案的选择，还应考虑采用自动半自动循环、工序变更、联锁、安全保护、故障诊断、信号指示、照明等。 (5)设计电气控制原理电路图并合理选择元器件，编制元器件目录清单。 (6)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。 (7)编写说明书。 3．电气控制系统设计的基本原则 1)最大限度实现生产机械和工艺对电气控制系统的要求 电气控制系统是为整个生产机械设备及其工艺过程服务的。因此，在设计之前，首先要弄清楚生产机械设备需满足的生产工艺要求，对生产机械设备的整个工作情况做全面细致的了解，同时深入现场调查研究，收集资料，并结合技术人员及现场操作人员的经验，以此作为设计电气控制电路的基础。 2)在满足生产工艺要求的前提下力求使控制电路简单、经济 (1)尽量选用标准电器元件，尽量减少电器元件的数量，尽量选用相同型号的电器元件以减少备用品的数量。 (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电路。 (3)尽量减少不必要的触点，以简化电气控制电路。 在满足生产工艺要求的前提下，使用的电器元件越少，电气控制电路中所涉及的触点的数量也越少，因而控制电路就越简单，同时还可以提高控制电路的工作可靠性，降低故障率。 常用的减少触点数目的方法为以下几点。 ①合并同类触点。如图18-1所示，图18-1(a)、图18-1(b)实现的控制功能一致，但图18-1(b)比图18-1(a)少了一对触点。合并同类触点时应注意所用的触点的容量应大于两个线圈电流之和。 ②利用转换触点的方式。利用具有转换触点的中间继电器将两对触点合并成一对转换触点，如图18-2所示。 图18-1 同类触点的合并 图18-2 具有转换触点的中间继电器的应用 ③利用半导体二极管的单向导电性减少触点的数目。如图18-3所示，利用二极管的单向导电性可减少一个触点。这种方法只适用于控制电路所用电源为直流电源的场合，在使用中还要注意电源的极性。 ④利用逻辑代数的方法来减少触点的数目。如图18-4所示，图18-4(a)中含有的触点数目为5个，其逻辑表达式为 K=A+AC 经逻辑化简后，K=A，这样就可以将原图简化为只含有两个触点的电路，如图18-4(b)所示。 图18-3 利用二极管简化控制电路 图18-4 利用逻辑代数减少触点 (4) 尽量缩短连接导线的数量和长度。在设计电气控制电路时，应根据实际环境情况，合理考虑并安排各种电气设备和电器元件的位置及实际连线，以保证各种电气设备和电器元件之间的连接导线的数量最少，导线的长度最短。 如图18-5所示，仅从控制电路上分析，没有什么不同，但若考虑实际接线，图18-5(a)中的接线就不合理。因为按钮装在操作台上，接触器装在电气柜内，按图18-5(a)的接法从电气柜到操作台需引四根导线。图18-5(b)中的接线合理，因为它将起动按钮和停止按钮直接相连，从而保证了，两个按钮之间的距离最短，导线连接最短，此时，从电气柜到操作台只需引出三根导线。所以，一般都将起动按钮和停止按钮直接连接。 图18-5 电气连接图的合理与不合理 特别要注意，同一电器的不同触点在电气电路中尽可能具有更多的公共连接线，这样，可减少导线段数和缩短导线长度，如图18-6所示。行程开关装在生产机械上，继电器装在电气柜内，图18-6(a)中用四根长导线连接，而图18-6(b)中用三根长连接导线。 图18-6 节省连接导线的方法 (5)控制电路在工作时，除必要的电器元件必须通电外，其余的尽量不通电以节约电能，如图18-7所示。图18-7(a)在接触器KM2得电后，接触器KM1和时间继电器KT就失去了作用，不必继续通电。若改成图18-7(b)，KM2得电后，切断了KM1和KT的电源，节约了电能，延长了该电器元件的寿命。 图18-7 减少通电电器电路 3)保证电气控制电路工作的可靠性 保证电气控制电路工作的可靠性，最主要的是选择可靠的电器元件。同时，在具体的电气控制电路设计上要注意以下几点。 (1)正确连接电器元件的触点。 同一电器元件的常开和常闭触点靠得很近，如果分别接在电源的不同相上，如图18-8所示，图18-8(a)所示的限位开关SQ的常开和常闭触点，常开触点接在电源的一相，常闭触点接在电源的另一相上，当触点断开产生电弧时，可能在两触点间形成飞弧造成电源短路。如果改成图18-8(b)的形式，由于两触点间的电位相同，则不会造成电源短路。因此，在控制电路设计时，应使分布在电路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或尽量共接同一等位点，以避免在电器触点上引起短路。 图18-8 触点的正确与不正确连接 (2)正确连接电器的线圈。 ①在交流控制电路中不允许串联接入两个电器元件的线圈，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，如图18-9所示。这是因为每个线圈上所分配到的电压与线圈的阻抗成正比，而两个电器元件的动作总是有先有后，不可能同时动作。若接触器KM1先吸合，则线圈的电感显著增加，其阻抗比未吸合的接触器KM2的阻抗大，因而在该线圈上的电压降增大，使KM2的线圈电压达不到动作电压，此时，KM2线圈电流增大，有可能将线圈烧毁。因此，若需要两个电器元件同时工作，其线圈应并联连接，如图18-9(b)所示。 图18-9 线圈的正确与不正确连接 ②两电感量相差悬殊的直流电压线圈不能直接并联，如图18-10所示。在图18-10中，YA为电感量较大的电磁铁线圈，K为电感量较小的继电器线圈，当KM触点断开时，由于电磁铁YA线圈电感量较大，产生的感应电势加在电压继电器K的线圈上，流经K线圈上的电流有可能达到其动作值，从而使继电器K重新吸合，过一段时间K又释放，这种情况显然是不允许的，为此，应在K的线圈电路中单独加一KM的常开触点，如图18-10(b)所示。 图18-10 电磁铁与继电器线圈的正确与不正确连接 (3)避免出现寄生电路。 在电气控制电路的动作过程中，发生意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路将破坏电器元件和控制电路的工作顺序或造成误动作，如图18-11所示。图18-11(a)是一个具有指示灯和过载保护的电动机正反向控制电路。正常工作时，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，电流流向如图中虚线所示，使正向接触器KM1不能释放，起不了保护作用。如果将指示灯与其相应接触器线圈并联，则可防止寄生电路，如图18-11(b)所示。 图18-11 防止寄生电路 (4)在电气控制电路中应尽量避免许多电器元件依次动作才能接通另一个电器元件的控制电路。 (5)在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间要有电气联锁和机械联锁。 (6)设计的电气控制电路应能适应所在电网的情况，并据此来决定电动机的起动方式是直接起动还是间接起动。 (7)在设计电气控制电路时，应充分考虑继电器触点的接通和分断能力。若要增加接通能力，可用多触点并联；若要增加分断能力，可用多触点串联。 4)保证电气控制电路工作的安全性 电气控制电路应具有完善的保护环节，来保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故的发生。在电气控制电路中常设的保护环节有短路保护、过电流保护、过载保护、失压保护、弱磁保护、极限保护等。 (1)短路保护。 众所周知，在电路发生短路时，强大的短路电流容易引起各种电气设备和电器元件的绝缘损坏及机械损坏。因此，当电路发生短路时，应迅速而可靠地切断电源，如图18-12所示为采用熔断器作短路保护的电路。当主电动机容量较小，控制电路不需另设熔断器FU2，主电路中的熔断器也可用作控制电路的短路保护。当主电动机容量较大时，在控制电路中必须单独设置短路保护，如熔断器FU2。也可以采用自动开关作短路保护，它既可以作为短路保护，又可以作为过载保护。当电路出现故障时，自动开关动作，事故处理完重新合上开关，电路则重新运行工作。 图18-12 熔断器短路保护 (2)过电流保护。 在电动机运行过程中，有各种各样的现象，会引起电动机产生很大的电流，从而造成电动机或生产机械设备的损坏。例如不正确的起动和过大的负载会引起电动机很大的过电流；过大的冲击负载会引起电动机过大的冲击电流，损坏电动机的换向器；过大的电动机转矩会使生产机械的机械转动部分受到损坏。因此，为保护电动机的安全运行，在这种条件下，有必要设置过电流保护，如图18-13所示。 图18-13 过电流保护 图18-13(a)为采用过电流继电器保护电动机过流的电路，通常用在限流起动的直流电动机和绕线转子感应电动机的过流保护，其继电器的动作值一般整定在1.2倍的电动机起动电流。图18-13(b)为用在笼型感应电动机直接起动时的过电流保护。其工作过程为当电动机起动时，时间继电器KT延时断开的常闭触点未断开，过电流继电器的线圈不能接入电路，这时，虽起动电流很大，但过电流继电器不起作用。当起动结束后，KT的常闭触点经延时已断开，过电流继电器开始起保护作用。 (3)过载保护。 如果电动机长期超载运行，其绕组的温升将超过允许值，从而损坏电动机。此时应设置过载保护环节。这种保护多采用具有反时限特性的热继电器作保护环节，同时装有熔断器或过电流继电器配合使用。在图18-14所示的电路中，图18-14(a)适用于保护电动机出现三相均衡过载。图18-14(b)适用于保护电动机出现任一相断线或三相均衡过载，但当三相电源发生严重不均衡或电动机内部短路、绝缘不良等，有可能使某一相电流高于其他两相，则上述两电路就不可能可靠地进行保护。图18-14(c)为三相保护，它可以可靠地保护电动机的各种过载情况。在图18-14(b)和图18-14(c)中，当电动机定子绕组为三角形连接时，应采用差动式热继电器。 图18-14 过载保护 (4)失压保护。 在电动机正常工作时，由于电源电压消失而使电动机停转，当电源电压恢复后，有时电动机就会自行起动，从而造成人身伤亡和设备毁坏的事故。为防止电压恢复时电动机自起动的保护称为失压保护，如图18-15所示。一般通过并联在起动按钮上的接触器的常开触点(见图18-15(a))，或通过并联在主令控制器的零位常开触点上的零位继电器的常开触点(见图18-15(b))，来实现失压保护。 图18-15 失压保护 (5)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，会引起电动机的“飞车”现象。此时，有必要在控制电路中采用弱磁保护环节。一般用弱磁继电器，其吸上值一般整定为额定励磁电流的0.8倍。 (6)极限保护。 对于做直线运动的生产机械常设有极限保护环节。如上、下极限保护，前、后极限保护等。一般用行程开关的常闭触点来实现。 (7)其他保护。 除以上保护之外，可按生产机械在其运行过程中的不同工艺要求和可能出现的各种现象，根据实际情况来设置如温度、水位、欠压等保护环节。 5．应力求操作、维护、检修方便 电气控制电路对电气控制设备而言应力求维修方便，使用简单、为此，在具体进行电气控制电路的安装与配线时，电器元件应留有备用触点，必要时留有备用元件；为检修方便，应设置电气隔离，避免带电检修工作；为调试方便，控制方式应操作简单，能迅速实现从一种控制方式到另一种控制方式的转变，如从自动控制转换到手动控制等；设置多点控制，便于在生产机械旁进行调试；操作回路较多时，如要求正反向运转并调速，应采用主令控制器，而不能采用许多按钮。 $$