PLC教程4.ppt

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1、第四章 电气控制系统的设计,4.1 电气控制系统设计的基本内容和一般原则 4.2 电力拖动方案确定原则和电机的选择 4.3 电气控制线路的经验设计法 4.4 电气控制线路的逻辑设计法 4.5 电气控制系统的工艺设计,主要内容,4.1 电气控制系统设计的基本内容和一般原则,一、电气控制系统设计的基本内容 设计一台电气控制系统的新设备，一般包括以下设计内容： （1）拟定电气设计的技术条件（任务书）； （2）选择电气传动形式与控制方案； （3）确定电动机的容量； （4）设计电气控制原理图； （5）选择电气元件，制订电机和电气元件明细表；,（6）画出电动机、执行电磁铁、电气控制部件以及检测元件的总布置

2、图； （7）设计电气柜、操作台、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件； （8）绘制装配图和接线图； （9）编写设计计算说明书和使用说明书。,二、电气控制线路设计的一般原则 （一）最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。 （二）在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单、经济。 (1) 尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路。 (2) 尽量缩短连接导线的长度和减少连线数量。,图4-1 (a)不合理的线路 (b)合理的线路,(3) 尽量减少电气元件的品种、规格和数量，同一用途尽量选用相同型号的电气元件。 (4) 尽量减少不必要的触点，以简化电路。 在获得同样功能情况下，合并

3、同类触点。但是在合并触点时应注意触点对额定电流值的限制。,图4-2 将(a)中同类触点K合并为(b)图, 利用半导体二极管的单向导电性来有效地减少触点数。 在设计完成后，可利用逻辑代数进行化简，得到最简化的控制线路。,图4-3 (a) 不加二极管 (b) 加二极管可减少一个触点,(5) 尽量减少电器不必要的通电时间，使电气元件在需要时通电，不需要时尽量不通电，可以节约电能并延长电器的使用寿命。,(a) 不合理线路 (b) 合理线路 图4-4以时间原则控制的电动机降压起动线路,（三）保证控制线路工作的可靠性和安全性 （1）选用的电气元件要可靠、牢固、动作时间短，抗干扰性能好。,图4-5 两个接

4、触器线圈串联,（2）正确连接电器的线圈。在交流控制电路中不能串联接入两个电器的线圈，必须是并联。,图4-5中每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比, 两个电器动作总是有先有后,不可能同时吸合。若接触器KM2先吸合,线圈电感显著增加,其阻抗比未吸合的接触器KMl的阻抗大,因而在该线圈上的电压降增大,使KMl的线圈电压达不到动作电压。因此,若需两个电器同时动作时,其线圈应该并联连接。,产生飞弧 (b) 消除飞弧 图4-6电气触点正确连接方式,（3）正确连接电器的触点。同一电气元件的常开和常闭触点靠得很近，若分别接在电源不同的相上，由于各相的电位不等，当触点断开时，会产生电弧形成短路。,图4-6（

5、a）所示的开关S1的常开和常闭触点间产生飞弧而短路；图4-6（b）所示开关S1的电位相等，就不会产生飞弧。,（4）在控制线路中,采用小容量继电器的触点来断开或接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触点断开或接通容量是否足够，不够时必须加小容量的接触器或中间继电器。,（5）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控制线路。 图4-7(a) 是不合理的多个开关依次动作接通一个线圈的线路; 图(b) 是一个触点接通一个线圈的合理线路。,图4-7 (a)不合理 (b)减少元件依次动作,（6）避免发生触点“竞争”与“冒险”现象。,触点争先吸合，发生振荡，这种现象称为电路的“竞争”。出现开关

6、电器不按要求的逻辑功能转换状态的可能性，这种现象为“冒险”。,图4-8(a)所示为用时间继电器组成的自身关闭电路。当时间继电器KT的常闭触点延时断开后,时间继电器KT线圈失电,经ts秒延时断开的常闭触点恢复闭合,而经t1秒常开触点瞬时动作。如果ts t1 则电路能自身关闭；如果ts t1 则继电器KT就可能再次闭合这种现象就是触点竞争。在此电路中增加中间继电器KA就可以解决,如图4-8(b)所示。,t,s,避免发生触点“竞争”与“冒险”现象的方法有： 应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制线路； 当电气元件的动作时间可能影响到控制线路的动作程序时，就需要用时间继电器配合控制； 若不

7、可避免，则应将产生“竞争”与“冒险”现象的触点加以区分、联锁隔离或采用多触点开关分离。,（7）在控制线路中应避免出现寄生电路。在电气控制线路的动作过程中，意外接通的电路叫寄生电路（或假电路）。,图4-9 控制线路中的寄生电路,避免产生寄生电路的方法有： 严格按照“线圈、能耗元件下边接电源（零线），上边接触点”的原则，降低产生寄生回路的可能性； 注意消除两个电路之间产生联系的可能性，若不可避免应加以区分、联锁隔离或采用多触点开关分离。 （8）设计的线路应能适应所在电网情况，根据现场的电网容量、电压、频率，以及允许的冲击电流值等，决定电动机应直接或间接（降压）起动。,（四）操作和维修方便 电气设备

8、应力求维修方便，使用安全。电气元件应留有备用触点，必要时应留有备用电气元件，以便检修、改接线用，为避免带电检修应设置隔离电器。控制机构应操作简单、便利，能迅速而方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式，例如由手动控制转换到自动控制。,4.2 电力拖动方案确定原则和电机的选择,一、确定拖动方式 电动机的拖动方式有：单独拖动，分立拖动。 二、确定调速方案 （1）重型或大型设备主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。 （2）精密机械设备也应采用电气无级调速方案。 （3）一般中小型设备如普通机床可选用经济、简单、可靠的三相鼠笼式异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。,三、 电动机的选择和电动机的起动、

9、制动和反向要求 1电动机的选择 2电动机起动、制动和反向要求 传动电动机是否需要制动，应视机电设备工作循环的长短而定。对于制动的性能无特殊要求而电动机又需要反转时，则采用反接制动。不允许有反转可能性时，则宜采用能耗制动。在起吊运输设备中也常采用电磁机械制动（电磁抱闸），有些场合也采用回馈制动。,4.3 电气控制线路的经验设计法,所谓经验设计法就是根据生产工艺要求直接设计出控制线路。在具体的设计过程中常有两种做法：一种是根据生产机械的工艺要求，适当选用现有的典型环节，将它们有机地组合起来，综合成所需要的控制线路；另一种是根据工艺要求自行设计，随时增加所需的电气元件和触点，以满足给定的工作条件。,

10、一、经验设计法的基本步骤,1主电路设计 主要考虑电动机的起动、点动、正反转、制动及多速电动机的调速，另外还考虑各种保护环节以及联锁、照明和信号等环节。 2辅助电路设计 主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求。 首先设计出各个独立环节的控制电路，然后再根据各个控制环节之间的相互制约关系，再根据线路的简单、经济和安全、可靠，修改线路。 3反复审核电路是否满足设计原则 在条件允许的情况下，进行模拟试验，逐步完善整个电气控制电路的设计直至电路动作准确无误。,二、经验设计法的特点,1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

11、发生差错，影响电路的可靠性。 3当线路达不到要求时，多用增加触点或电器数量的方法来加以解决，所以设计出的线路常常不是最简单经济的。 4需要反复修改草图，一般需要进行模拟试验，设计速度慢。,三、经验设计法举例 下面以设计龙门刨床横梁升降控制线路为例。 横梁的上升与下降由横梁升降电动机来驱动，横梁的夹紧与放松由横梁夹紧放松电动机来驱动。,横梁机构对电气控制系统的工艺要求： （1）刀架装在横梁上，要求横梁能沿立柱作上升、下降的调整移动。 （2）在加工过程中,横梁必须紧紧地夹在立柱上,不许松动。夹紧机构能实现横梁的夹紧和放松。 （3）横梁夹紧与横梁移动的操作程序： 按向上或向下移动按钮后，首先使夹紧机

12、构自动放松； 横梁放松后，自动转换成向上或向下移动；,移动到所需要位置后松开按钮，横梁自动夹紧； 夹紧后夹紧电动机自动停止运动。 （4）横梁在升降极限位置时，应有上下行程的限位保护。 （5）正反向运动之间，以及横梁夹紧与移动之间要有必要的联锁。,图4-10龙门刨床横梁夹紧放松示意图,夹紧/放松显示,龙门刨床视频,图4-11(a) 横梁控制的主电路图 (b) 横梁控制的辅助电路草图,1设计主电路 主电路就是控制两台电机正反转的电路。且电动机能实现正反向运转。如图4-11（ a）所示。,2设计基本控制电路 由于横梁的升降和夹紧放松均为调整运动,故都采用点动控制。需要增加两个中间继电器KAl和KA2

13、控制4个接触器线圈。 根据工艺要求设计的横梁的控制线路如图 4-11 (b)所示。,经分析该控制线路存在以下问题： 按上升点动按钮SBl后，接触器KMl和KM4同时得电吸合，横梁的上升与放松同时进行。不满足“夹紧机构先放松，横梁后移动”的工艺要求。 放松接触器线圈KM4一直通电,使夹紧机构持续放松，没有设置检测元件检查横梁放松的程度。 松开按钮SBl，横梁不再上升，横梁夹紧线圈KM3得电吸合，横梁持续夹紧，不能自动停止。 根据以上问题，需要恰当地选择控制过程中的变化参量，实现上述自动控制要求。,3选择控制参量，确定控制原则 （1）反映横梁放松程度的参量。可以采用行程开关SQl检测放松程度。 （

14、2）反映横梁夹紧程度的参量可以有时间参量、行程参量和反映夹紧力的电流量。本例选用反映夹紧力的电流参量，夹紧力大，电流大。 4设计联锁保护环节 采用SQ2和SQ3分别作为横梁上升、下降行程的限位保护；行程开关SQ1不仅反映了放松信号，还可以起到横梁移动和横梁夹紧之间的联锁作用;中间继电器KAl、KA2的常闭触点，用于M1和M2电机正反转的联锁保护。,图4-12 完整的控制线路图*,动画显示,5线路的完善和校核,M2放松,KA1得电,KM4得电,按SB1,SQ1常闭触点断开,M2停车,SQ1常开触点闭合,KM1得电,M1使横梁上升,KA1失电,KI常闭 触点断开,松开SB1,M2夹紧,KM3得电,

15、M2停车,KM1失电,M1停车,KM4失电,分析第二阶段即横梁上升或下降阶段，其条件是横梁放松到位。 如果按下SB1或SB2的时间很短，横梁放松还未到位就已松开按下的按钮，致使横梁既不能放松又不能进行夹紧，容易出现事故。 改进的方法是： 将KM4的辅助触点并联在KA1、KA2两端，实现自锁，使横梁一旦放松，就必然继续工作至放松到位，然后可靠地进入夹紧阶段。,图4-12 修正后的完善的控制线路图,4.4 电气控制线路的逻辑分析设计法 电气控制线路的逻辑设计法是将所使用的继电器、接触器线圈当作逻辑输出变量，它们的触点以及开关的状态看成逻辑输入变量，根据生产工艺的控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关

16、系式来表达，然后再进行逻辑函数简化，根据最简式画出相应的电气控制图，最后再作进一步的检查和完善，以获得最佳控制线路。 逻辑设计法较为科学，能够用必须的最少的元器件实现一个比较简洁、合理的电气自动控制线路。,一、利用逻辑函数化简来简化控制线路 例：写出逻辑函数并进行简化 K = ABC+ABC+BC+AC+BC = AC(1+B)+BC(1+A)+BC = AC+BC+BC = AC+B,利用逻辑函数来简化线路时需注意如下问题： （1）注意触点（电流）容量的限制。 （2）注意线路中器件（多余触点）合理性和可靠性。 二、电气控制线路的逻辑函数 电气控制线路是具有逻辑关系的开关电路，它的每一条控制支路都是以各种执行元件（线圈）作为输出变量，以执行器件的触点状态以及按钮或开关触点等作为输入逻辑变量构成的逻辑函数式 。 每个执行器件的常开触点（动合触点）的状态用相同字符来表示，而常闭触点（动断触点）的状态用相同字符的逻辑非表示。,f KM=SB1+ SB2 KM