电气控制技术与plc第4章汇编

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1、第第 4 4 章章 电气控制系统设电气控制系统设 计计 1 4.1 电气控制设计基础 4.2 电气控制线路的设计方法 4.3 4.3 常用电气元器件的选择常用电气元器件的选择 4.4 4.4 电气控制的工艺设计电气控制的工艺设计 第4章电气控制系统设计 2 4.1 电气控制设计基础 在现代生产的控制设备中，对机电、液电、气电 等设备的配合要求越来越高。虽然生产机械的种类繁多，其 电气控制设备也各不相同，但电气控制系统的设计原则和设 计方法基本是相同的。 电气控制系统设计的基本原则就是：在最大程度满足生 产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行 安全、可靠、动作准确、结构简单、经济，

2、电动机及电气元 件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。 3 4.1.1 电气控制系统设计任务和内容 任务： 电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计和 编 制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料。 内容： 1. 电气原理设计内容 2. 电气工艺设计内容 4 1. 电气原理设计内容 (1)拟定电气设计任务书。 (2)确定拖动方案和控制方式，选择所用电动机及电气 元器件型号，计算主要技术参数。提出专用元器件的技术 指 标。并合理选择电气元件 (3) 确定系统的整体控制方案。总体框图 (4) 设计并绘制电气原理图。 (总图及分图)。 (5) 编写元件目录清单及设计说明书，为工程技术人

3、员 的使用提供方便。 5 (1) 设计绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。 (2) 绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图，标明技术 要求。 (3) 标准构件选用与非标准构件设计。 (4) 列出外购件清单，标准件清单以及主要材料消耗定额。 (5)汇总资料编写操作、使用、维护说明书。 2. 电气工艺设计内容 6 1、应最大限度地实现生产机械和工艺的要求 2. 保证控制线路简单、经济 3. 保证控制线路工作的可靠性、安全性 4. 保证操作、安装、调整、维修方便和安全 5. 设计中贯彻最新的国家标准。 4.1.2 电气设计的一般原则 7 首先要对生产要求、机械设备的工作性能、结构特点 和实际加工情

4、况有充分了解。不同的场合对控制线路的要 求有所不同，生产工艺要求一般是由机械设计人员提供。 实际执行时有些地方可能会有些差异，这就需要电气设计 人员深入现场对同类或接近的产品进行调查、分析和综 合，从而作为设计电气控制线路的依据。并在此基础上考 虑新技术控制方式，启动、反向、制动及调速的方法等。 不断的应用新的电气元器件和电气装置。 1、实现生产机械和工艺的要求 8 在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单、经济。 (1) 控制线路应标准。尽量选用标准的、常用的或经过实 际考验过的线路和环节。必要时，可以使用逻辑代数化简电 路，优化电路结构。 (2) 尽量减少电器数量，采用标准件，尽可能选用

5、相同型 号的电器元件，以减少备用量。 2. 控制线路简单、经济 线路 元件 9 (3)尽量缩短连接的数量和长度 设计控制线路时，应考虑到各元器件之间的实际接线。 特别要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线。 图 4.1 电器连接图-连接导线 导线 10 简化控制线路以减小控制线路的故障率，提高系统工作 的可靠性。为此可采用以下4种方法。 合并同类触头 利用转换 利用半导体二极管的单向导电性 利用逻辑代数进行化简，以便得到最简化的线路 (4) 尽量减少不必要的触头 触头 11 合并同类触头 在获得同样功能的情况下减少触头。但是在合并触头 时应注意触头对额定电流值的限制。 12 图4.3 转换

6、触头的应用 利用具有转换触头的中间断电器，将两触头合并成一 对转换触头。 利用转换触头 13 利用半导体二极管的单向导电性来有效减少触头数， 对于弱电电气控制电路，这样做既经济又可靠。 利用半导体二极管的单向导电性 图4.4 利用二极管等效 利用逻辑代数进行化简，以便得到最简化的线路 14 (5) 尽量电能 控制线路在 工作时，除必要 的电器必须通电 外，其余的电器 尽量不通电，以 节约电能。在电 动机起动后，接 触器KM3和时间继 电器KT就失去了 作用，可以在起 动后利用KM2的常 闭触点切除KM3和 KT线圈的电源。 星三角降压起动控制线路 断开 KM3 节约 15 3、保证控制线路安全

7、可靠 前提:为了使控制线路可靠、安全，最主要的是选用可 靠的元器件，如尽量选用机械和电气寿命长、结构坚实、 动作可靠、抗干扰性能好的电器。 同时在具体线路设计中应注意以下几点: (1) 正确连接电器的线圈 (2) 应尽量避免电器依次动作的现象 (3) 避免出现寄生电路 (4) 避免发生触点“竞争”与“冒险”现象 (5) 正确连接电器的触头 (6) 应考虑各种联锁关系 (7) 控制线路具有完善的保护环节 16 (1) 正确连接电器的线圈(AC) 在交流控制电路中两个电器的电压线圈不能串联使用， 即使外加电压是两个线圈额定电压之和也是不允许。其线圈 应该并联连接。 (a) 不合理连接 (b) 合理

8、连接 图3.4 线圈不能串联连接 17 (1) 正确连接电器的线圈(DC) 并联放电 电阻R 在直流控制电路中，对于电感较大的电磁线圈，如电磁 阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等，不宜与相同电压等级 的继电器直接并联工作。 大感应 电动势 断开时 误动作 18 (2)应尽量避免电器依次动作的现象 在线路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一 个电器的现象。 (a)不合理接线 (b) 合理接线 图3.5 减少多个电气元器件依次通电 19 (3) 避免出现寄生电路 图3.6 寄生电路的产生 寄生电路: 控制电路在正常工作或 事故情况下，发生意外接通 的电路叫寄生电路。若控制 电路中存在寄生电路，将

9、破 坏电器和线路的工作顺序， 造成误动作。 但当电动机过载、热继 电器FR动作时，线路就出现 了寄生电路. 20 触头竞争： 由于电气元器件总有一定的固 有动作时间，因此往往会发生不 按预订时序动作的情况。触点争 先吸合，发生振荡，这种现象称 为电路的“竞争”。 图3.7 触点的“竞争”与“冒险” （4）避免发生触点“竞争”与“冒险” 现象 固有动 作时间 释放延 时作用 触头冒险： 由于电气元器件的固有释 放延时作用，因此也会出现开关 电器不按要求的逻辑功能转换状 态的可能性，这种现象称为“冒 险”。 21 图4.8 正确连接电器的触头 (5) 正确连接电器的触头 避免在电器触头上引起短路。

10、 拉弧短路 22 4、完善的保护环节 电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、 电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的 有害影响，避免因误操作而发生事故。 1、短路保护：常用的短路保护元器件有熔断器和自动 空 气开关； 2、过载保护：常用的过载保护器件是热继电器； 3、过流保护：过流保护：常用电磁式过电流继电器实 现； 4、零电压与欠电压保护：措施：零压保护继电器；在 用 按钮操作的设备中，利用按钮的自动恢复作用和接触器的自 锁作用； 23 1、留有备用触头或备用电器元件，以便检修调整改接线路； 2、应设置隔离电器，以免带电检修； 3、控制机构应操作简单，能迅速而方便地由

11、一种控制形式转 换到另一种控制形式； 4、根据需要可设置手动控制及点动控制，以便于调整设备； 5、必要时可设多点控制开关； 6、装有手动电器的控制线路和带行程开关的控制线路，一定 要有零压保护环节； 7、在控制线路中应该加入必要的联锁保护； 5、操作、安装、调整、维修方便 24 4.1.3 确定电力拖动方案 1. 单独拖动 单独拖动就是一台设备只由一台电动机拖动。 2. 分立拖动（确定电机数量） 通过机械传动链将动力传送到达每个工作机构， 一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。 3、对于无电气调速要求的生产机械（确定电机类型） 一般在不需要电气调速和起、制动不频繁时，应首 先考虑采用笼型异

12、步电动机拖动， 4、对于要求电气调速的生产机械（确定电机类型） 25 1、确定控制方式：继电接触控制、PLC控制、计算机联 网控制等。 2、满足控制线路对电源种类、工作电压、频率等方面的 要求。 3、构成自动循环。画出设备工作循环简图，确定行程开 关的位置。如在电液控制时要确定电磁铁和电磁阀的通断状 态，列出上述电器元件与执行动作的关系表。 4、确定控制系统的工作方法。一台设备可能有不同的工 作方式，例如自动循环、半自动循环、手动调整、动作程序 转换及控制系统中的检测等，需逐个予以实现。 5、妥善考虑各个运动之间的联锁关系及电气保护。各种 安全保护、故障诊断、信号指标、照明及人机关系等 4.1

13、.4 确定电气控制方案 26 4.1.5 确定调速方案 不同的对象有不同的调速要求。 1.齿轮变速箱、液压调速； 2.双速或多速电动机； 3.电气的无级调速； 4.直流调压调速； 5.交流调压调速； 6.变频变压调速； 重型或大型设备主运动及进给运 动；精密机械设备如坐标镗床、 精密磨床、数控机床以及某些精 密机械手 中小型设备如普通机床没有特殊 要求 27 4.2 4.2 电气控制线路电气控制线路 的设计方法的设计方法 28 电气控制线路的设计方法 电气控制线路的设计方法通常有两种: 一种是一般设计法，也叫经验设计法。它是根据生产工 艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制线路。 一种是

14、逻辑设计法，它根据生产工艺要求，利用逻辑代 数来分析、设计线路。 29 1、经验设计法 根据生产机械的要求，选用典型环节，将它们有机 的组合起来，并加以补充修改，综合成所需的控制电路。 没有典型环节，可以根据工艺要求自行设计，采用 边分析边画图的方法，不断增加电器元件和控制触点，以满 足给定的工作条件和要求。 4.2.1 经验设计法 30 2、经验设计的特点 (1) 这种设计方法简单易于掌握，使用很广，但一般不易 获得最佳设计方案。 (2) 要求设计者具有一定的实际经验,在设计过程中往往 会因考虑不周发生差错，影响电路的可靠性。 (3) 当线路达不到要求时，多用增加触头或电器数量的方 法来加以

15、解决，所以设计出的线路常常不是最简单经 济的。 (4) 需要反复修改设计图纸，设计速度较慢。 (5) 设计程序不固定。一般需要进行模拟试验。 31 简单系统: （1）根据设计要求选择一个与控制要求相似的基准 电路典型环节，该基准电路应该是成熟可靠的。 （2） 将它们有机地组合起来，并加以补充修改，综 合成 满足控制要求所需要的控制线路。 典型控制线路： 启动控制、可逆控制、调速控制、制动控制、多地点、多条件 控 制、顺序控制、自动循环控制等控制环节。 3、经验设计法步骤 32 复杂系统设计： 在找不到现成的典型环节时，可根据工艺要求自行设 计 电器元件和触头，以满足给定的工作条件。 1) 分解

16、系统，选择单元电路 2) 补充各单元之间的联锁电路 3) 复核、简化电路 3、 经验设计法步骤 33 经验设计法具体步骤 主电路设计：主要考虑电动机起动、点动、正反转、 制动及多速控制的要求。 控制电路：主要考虑如何满足电动机的各种运转功能 及 设备和设计任务生产工艺要求，包括:实现加工过程自动或半 自动、手动的控制等各种电气控制电路。 辅助电路：主要考虑如何完善整个控制电路的设计要 求，包括短路、过流、过载、零压、连锁（互锁）、限位等 电路保护环节，以及信号指示、照明、报警等电路。 综合综合审核：根据设计原则审核电气设计原理图，全面 全面 检检 查电路查电路动作动作是否是否正确正确，进一步完善和简化电路，进一步完善和简化电路，有必要时可 以进行模拟实验检验。检验。 直至符合设计要求，电路动作准确无 误。 34 设计一个龙门刨床的横梁升降控制系统。在龙门刨床(或 立车)上装有横梁机构，刀架