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1、第四章 电气控制系统设计,主讲 钱宏琦 2013.8,生产机械电气控制系统的设计，包括电气控制原理设计和工艺设计两个方面。电气控制原理设计以满足机械设备的基本要求为目标，综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性。而工艺设计的合理性则决定着电气控制设备生产制作的可行性、经济性、造型的美观及使用与维修的方便等技术和经济指标。电气控制系统设计涉及的内容很广泛，本章主要对继电接触器控制系统电气控制线路的控制原理设计和电气接线图的工艺设计进行分析。机械设备的电气控制设计与机械结构是紧密相关的，电气控制设计建立在机械结构设计的基础上，并能最大限度地满足机械设备和用户对电气控制的基本要求以及电气控制系统的技术
2、性能指标要求。电气控制系统设计的基础包括机械设备的结构、原理、主要技术性能、传动方式等内容的分析研究，以及机械设备对电气控制系统 的基本控制要求、操作、指示要求等要点的分析。,. 电气控制系统原理设计的基本原则和内容,电气控制系统设计的基本内容是根据电气控制要求设计和编制出设备电气控制系统制造、使用和维护中的所有图纸和资料。电气图纸主要包括电气原理图、电气安装接线图、电气安装互连图、控制面板图和电气安装位置图等。主要资料包括元器件清单及用途表、设备操作使用说明书、设备原理及结构、维修说明书等。, 电气控制系统设计的基本原则, 电气控制方式应与设备的通用化和专用化程度相适宜，既要考虑控制系统的先
3、进性，又要与具体国情和企业实力相适应。脱离实际的盲目追求自动化和高技术指标是不可取的。 设备的电力拖动方案和控制方式应符合设计任务书提出的控制要求和技术、经济标准，拖动方案和控制方式应在经济、安全的前提下，最大限度的满足机械设备的加工工艺要求。 合理地选择元器件，在保证电气性能的基础上降低生产制造成本。 操作维修方便，外形结构美观。, 电气设计的基本内容,拟定电气设计任务书（技术条件） 电气设计任务书作为电气设计的依据，应会同电气和机械设计及企业管理决策人员共同分析设备的机械、液压、气动装置等原理及动作要求、技术及经济指标，并确定电气设计任务书。,电力拖动方案的选择,设备的拖动方法主要有电力拖
4、动、液压传动、气动等。电力拖动的传动，液压和气动系统的控制要求是电气控制系统设计的主要依据。采用电力拖动时，根据机械设备驱动力矩或功率的要求，合理选择电动机类型、参数。电力拖动方案要考虑电动机起动及换向方法、调速方式及方法、制动方法等内容。,控制方式的选择,根据拖动方式和设备自动化程度的要求，合理选择控制方式。随着电力电子技术、检测技术、计算机技术及自动控制理论的不断发展进步，机械结构与工艺水平的不断提高，电气控制技术也由传统的继电接触器控制向顺序控制、可编程控制、计算机网络控制等方面发展，控制方案的可选性不断增多。,对于一般机械设备（含通用和专用），其工作程序是固定不变的，多选用固定式的基本
5、逻辑型继电接触器控制方式。对经常变换加工工序的设备，可以采用可编程控制器控制。对复杂控制系统（如自动生产线，加工中心等）以及显示操作有特殊要求的设备，可采用较大型的可编程控制系统，触摸屏操作、显示等先进控制手段，亦可选用工业控制计算机和组态软件或计算机集散式控制系统控制。,设计电气控制原理图以及选择元器件,电气原理图主要包括主电路、控制电路和辅助电路。根据电气原理合理选择元器件，并列写 元器件清单。,绘图,根据电气原理图，设计并绘制电气设备总的布置图、绘制控制面板图、元器件安装底板图、电气安装接线图和电气互连图等系列工艺性技术图纸。,编写使用说明书和维修说明书,以上图纸及资料一般用计算机绘制或
6、打印（以下复印纸），以便于装订成册存档，向用户提供完整的电气维护使用手册及软盘资料（含电气原理图、面板图、安装位置图、元件目录清单等技术材料）。, 电气控制线路设计的一般规律,电气控制线路的设计应综合考虑最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制线路的基本要求，根据电动机的保护、联锁、顺序、起动、制动和调速控制等各种控制和操作的基本要求，以 及照明、指示等其他要求，确定控制线路的总体设计思想。 继电接触器控制是应用最广泛的控制方式之一，继电接触器控制线路是通过触点的“通”和“断”控制电动机、电磁阀或其他电气设备完成特定的动作。控制线路的设计在满足生产要求的前提下，力求使线路简单、经济、可靠。,
7、下面从几个不同角度说明继电接触器控制电路设计的一般规律： 尽量选用典型环节或经过实际检验过的控制线路。 在控制原理正确的前提下，减少连接导线的根数与长度。电气原理图设计时，合理安排各电器元件之间的连线，尤其要注重电气柜与各操作面板、行程开关之间的连线，使其尽量合理。 例如，图.（）所示两地控制的电路原理虽然正确，但因为电气柜及一组控制按钮安装在一 起（一地），距另一地的控制按钮有一定距离，两地间的连线较多，电路结构不尽合理；图. （）所示电路两地间连线较少更为合理。, 减少线圈通电电流所经过的触点点数，提高控制线路的可靠性。图.（）所示的顺序控制电路，线圈通电电流要经过、的三对触点，若改为图.
8、（）电路，则每个继电器的接通，只需经过一对触点，工作较为可靠。, 减少不必要的触点和电器通电时间，减少不必要触点的方法可使用卡诺图或公式法化简控制电路的控制逻辑。减少电器不必要的通电时间，可以节约电能，延长器件的使用寿命。 例如，降压起动控制电路起动过程结束后，应将控制起动过程用的时间继电器和其他电器线圈断电。又如，能耗制动过程结束后，应将控制制动过程的各电器线圈均断电复位。, 电磁线圈的正确连接方法。,电磁式电器的电磁线圈分为电压线圈和电流线圈两种类型。 为保证电磁机构可靠工作，同时动作电器的电压线圈只能并联连接。如图所示的电压线圈不允许串联连接，只能并联连接。否则，因衔铁气隙的不同，线圈交
9、流阻抗不同，电压不会平均分配，导致电器不能可靠工作。反之电流线圈同时工作时只能串联，不能并联。 电磁线圈的位置通常画在控制电路的下方，电磁线圈的文字符号通常标于电磁线圈下方的电源线下，规范的电路设计习惯可以避免电器意外接通的寄生现象以及其他不必要的故障产生。, 防止竞争观念。,图.（）为时间继电器组成的反身关闭电路，电路的设计方法是时间继电器延时时间到后，动断触点断开，线圈断电自动复位，为下一次通电延时做准备。但依赖继电器自身所带的动断触点来切断其线圈的导电通路将会产生不可靠的竞争现象，线路设计时应力求避免。 竞争现象的分析：当时间继电器动合触点延时断开后，时间继电器线圈断电，使得经过秒断开的
10、动断延时闭合触点恢复闭合，以及经过秒瞬时动合触点断开。若，则电路能反身关闭。若则继电器线圈将再次通电，这种现象叫触点竞争。图.（）电路增加了起控制作用的中间继电器，电路可以避免竞争现象。, 控制电源的选择。,主电路的电器，由于触点容量大，一般采用交流电器，而控制电路的电源则有很多不同的选择。控制电路设计的一项重要内容是控制电源的选择，控制电源有交流和直流两大类，每一类电源又有不同的电压等级。电源的类型与继电器、接触器的类型相一致。对于简单的控制线路，可直接用交流电网供电。线路比较复杂、用的电器较多、对工作可靠性要求较高以及有安全照明要求时，可采用控制变压器隔离并降压（、）的低压供电，但需注意随
11、着控制电源电压的降低，控制电路的电流将增大。在控制电路复杂、电器数量很多、对每一个电器可靠性要求高的场合，以及控制电路带有直流负载时（如直流电磁铁），控制电路可采用低压直流电源供电。, 控制变压器容量的计算。,控制变压器用来降低控制电路和辅助电路的电压，满足一些电器元件的电压要求。在保证控制电路工作安全可靠的前提下，控制变压器的容量可以按以下条件选择。 变压器的容量应大于控制电路最大工作负载时所需要的功率：6 式中，为变压器所需容量； 6 为控制电路在最大负载时工作电器所需要的功率。（为电器元件的吸持功率） 为变压器容量的储备系数，一般取.。,. 基于导线二维标注法电气接线图的设计,机械设备的
12、电气控制系统设计主要有电气原理设计和工艺设计两大部分内容，电气原理设计基于电力拖动方案及用户要求，应用电气控制线路基本环节，组成电气控制原理图。除电气原理设计以外，完整的工程设计还包括配电柜外形结构、安装底板图、操作（控制）面板图、电气接线图的绘制，以及编写使用、维护说明书等工艺设计内容。其中电气接线图设计是工艺设计的核心，也是电气安装施工所依据的工艺性文件，电气接线图是电气设计的重要组成部分，与原理设计同样重要。因此，系统地对电气控制系统接线图工艺设计方法进行详尽研究和探讨，有着现实的应用意义和规范的指导意义。,电气安装接线图简称电气接线图，是为安装电气设备、对电器元件配线或设备检修服务的。
13、 接线图的特点是将同一元件的所有电气符号画在同一方框内，该方框的位置与电气安装位置图中的相对位置一致。但方框的大小不受限定。绘制电气接线图的方法有多种，本教材主要介绍基于导线二维标注的绘制方法。 传统的电气接线图采用标注导线线号以及在器件间采用连接导线束的方法表示导线的连接关系，这样绘出的电气接线图存在连接导线束较多、图面较乱、器件间连接对应关系不明朗、查找线号及分析读图都较困难等缺点，正在逐步被淘汰。导线二维标注法的设计思想，是在器件接线端用数字标明导线线号和器件编号，用来指示导线的编号和去向，省去了器件间的连接导线束，使得电气接线图接线关系更加简单明了，图面更加整洁，应用非常普遍。 电气接
14、线图和互连图的绘制方法：电气接线图绘制的前提条件是在电气原理线路图的基础上，根据元器件的物理结构及安装尺寸，在电气安装底板上排出器件具体安装位置，绘制出元器件布置图及安装底板图，根据元器件布置图中各个元器件的相对位置绘制电气接线图，电气接线图和电气互连图的绘制原则如下所述。,电气接线图绘制原则,绘制原则：在接线图中，各电器元件的相对位置应与实际安装位置一致。在各电器元件的位置图上，以细实线画出外形方框图（元件框），并在其内画出与原理图一致的图形符号，一个元件所有电器部件的电气符号均集中在本元件框的方框内，不得分散画出。 绘制原则：在原理图上标注接线标号，简称线号，主回路线号的标注通常采用字母加
15、数字的方法标注，控制回路线号采用数字标注。控制电路线号标注的方法可以在继电接触器线圈上方或左方的导线标注奇数线号，线圈下方或右方的导线标注偶数线号；也可以由上到下、由左到右地顺序标注线号。线号标注的原则是每经过一个电器元件，变换一次线号（不含接线端子）。 绘制原则：给各个器件编号，器件编号用多位数字。通常，器件编号连同电器符号标注在器件方框的斜上方（左上角或右上角）。,绘制原则：接线关系的表示方法有两种。一是连续线表示法，用数字标注线号，器件间用细实线连接表示接线关系，由于器件间连接线条多，使得电气接线图面显得较为杂乱，多用于接线关系简单的电路。 二是导线二维标注法，二维标注法采用线号和器件编
16、号的二维空间标注来表示导线的连接关系，即器件间不用线条连接，只简单地用数字标注线号，用电气符号或数字标注器件编号，分别写在电器元件的连接线上（含线侧）和出线端，指示导线编号及去向。 导线二维标注法具有结构简单，易于读图的优点，广泛适用于简单和复杂电气控制系统的接线图设计。,安装工艺的布线方式有槽板式和捆扎线把式两种（其方法介绍略）。基于导线二维标注接线方法的布线路径可由电气安装人员依据就近、美观的原则自行确定。 绘制原则：配电盘底板与控制面板及外设（如电源引线、电动机接线等）间一般用接线端子连接，接线端子也应按照元器件类别进行编号，并在上面注明线号和去向（器件编号），但导线经过接线端子时，导线编号不变。,电气安装互连图的绘制,电气安
