电气控制系统设计演示文档

第四章 电气控制系统设计,第一节 电气控制设计的原则、内容和程序,第二节 电力拖动方案的确定和电动机的选择,第三节 电气原理图设计的步骤与方法,第四节 电气控制工艺设计,作 业,P134: 2,为电气控制装置本身的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产工艺设计。,电气控制设计包括：,1、电气原理图设计,为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制设计。,2、电气工艺设计,第一节 电气控制设计的原则、内容和程序(自学),一、电气控制设计的一般原则,1）最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，这些生产工艺要求是电气控制设计的依据。,2）在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不要盲目追求自动化和高指标。,3）正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。,4）为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力留有适当裕量。,二、电气控制设计的基本内容,电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制出电气设备制造和使用维修中必备的图样和资料等。,包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。,（一）电气原理图设计内容,1）拟定电气设计任务书,2）选择电气拖动方案和控制方式,3）确定电动机类型、型号、容量、转速,4）设计电气控制原理框图、确定各部分之间的关系,5）设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数,7）编写设计说明书,6）选择电器元件，制定元器件清单,（二）电气工艺设计内容,1）根据设计出的电气原理图及选定的电气元件,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。2）按照原理框图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部件的元件目录表，并根据总图编号列出各组件的进出线号 。3）根据组件原理电路图及选定的元件目录表，设计组件电器装配图（电器元件布置与安装图）、接线图、图中应反映出各电器元件的安装方式和接线方式。,4）根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图样。5）设计电气箱，根据组件尺寸及安装要求确定电气柜结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装方式，各组件的连接方式，通风散热方式及开门方式等 。6）汇总总原理图、总装配图及各组件原理图等资料，列出外构件清单，标准件清单，主要材料消耗定额等 。7）编写使用维护说明书。,三、电气控制设计的一般程序,1 拟定设计任务书 2 选择拖动方案 3 选择电动机4 选择控制方式 5 设计电气控制原理图 6 设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工图 7 编写设计说明书,第二节 电力拖动方案的确定和电动机的选择(自学),一、电力拖动方案的确定,（三）电动机调速性质应与负载特性相适应,（一）拖动方式的选择,（二）调速方案的选择,二、拖动电动机的选择,（一）电动机选择的基本原则,1）电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载的负载特性相适应。保证运行稳定且具有良好的起动、制动性能。,2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。,3）电动机结构型式满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。,4）在满足设计要求前提下，应优先采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相笼型异步电动机。,1分析计算法,根据生产机械负载图预选一台电动机，再用该电动机的技术数据和生产机械负载图求出电动机的负载图。最后按电动机的负载图从发热的方面进行校验，并检查电动机的过载能力与起动转矩是否满足要求，如若不合格，另选一台电动机重新计算，直到合格为止。,（二）电动机容量的选择,2统计类比法,将各国同类型、先进的电动机容量进行统计和分析，从中找出电动机容量与机床主要参数间的关系，再根据国情得出相应的计算公式来确定电动机容量的一种实用方法。,式中： P电动机容量，单位为KW； D工件最大直径，单位为m。,（1）车床,（2）立式车床,式中 ： P电动机容量，单位为KW； D工件最大直径，单位为m。,式中：D最大钻孔直径，单位为mm。,（3）摇臂钻床,（4）卧式镗床,式中：D镗杆直径，单位为mm。,（5）外圆磨床,式中： B砂轮宽度，单位为mm。 K砂轮主轴用滚动轴承时，K=0.81.1, 砂轮主轴用滑动轴承时，K=1.01.3。,（6）龙门铣床,式中：B工作台宽度，单位为mm。,第三节 电气原理图设计的步骤与方法,一、电气控制原理图设计的基本步骤,1）设计系统原理框图 2）设计出原理框图中各个部分的具体电路 3）绘制系统总原理图 4）选择电气原理图中每一电器元件，编制 出元器件目录清单,二、电气控制原理图的设计方法,1、分析设计法 根据生产工艺的要求，利用各种典型的基本控制环节或比较成熟的电路，按各部分的联锁条件组合起来，加以补充、修改、完善，最后得出完整控制电路。 优点：设计方法简单，易为初学者掌握，在电气设计中被普遍采用； 缺点：不易获得最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响线路工作的可靠性。,分析设计法、 逻辑设计法,2、逻辑设计法 它是根据生产工艺要求，利用逻辑代数来分析、设计线路。 优点：能获得理想、经济的方案。 缺点：难度较大，不易掌握；设计过程较复杂，在一般常规设计中，很少单独采用。,1、电气控制原理图设计中应注意的问题,1）尽量减少控制电路中电流、电压的种类，控制电压应选标准电压等级 交流控制电路电压必须是下列规定电压的一种或几种： 6V，24V，48V，110V（优选值），220V，380V。 直流控制电路电压必须是下列规定电压的一种或几种： 6V，12V，24V，48V，110V，220V。,（一）分析设计法,对于较简单交流控制电路，常直接采用交流380V或220V电源。 对于较复杂交流控制电路，应采用变压器，将控制电压降到110V或48V、24V。 对于操作较频繁的直流电力传动控制电路，常用220V或110V直流电源供电。 对于直流电磁铁及电磁离合器的控制电路，常采用24V直流电源供电。2）尽量减少电器元件的品种、规格与数量,3）正常工作中，尽可能减少通电电器的数量 节约电能、延长电器元件使用寿命、减少线路故障。 如：P56 Y减压起动控制中的时间继电器4）合理使用电器触头 尽量减少触头数量，若触头数量不够可增加中间继电器。 常用减少触头数目的方法： 合并同类触点 利用二极管单向导电性减少触头数 利用逻辑代数进行化简,合并同类触点, 利用二极管简化电路,直流电路, 利用逻辑代数减少触点,后续详细讲述,5）做到正确接线 要正确连接电器线圈 (a) 交流电器线圈不能串联； 两个同型号电压线圈也不能串联后接在两倍线圈额定电压的交流电源上，以免电压分配不均引起工作不可靠。,原因：两线圈吸合快慢不一致: 导致先吸合电器的磁路先闭合 阻抗 电感显著 ,其线圈上的电压也 , 导致另一个不能吸合。 同时电路电流 , 可能烧毁线圈。,两个同时动作的线圈应并联连接,电感较大的电器线圈（如电磁阀、电磁铁或直流电机励磁线圈等）不宜与同电压等级的接触器或中间继电器直接并联使用。 原因：当触点KM断开时，电磁铁YA线圈两端产生较大的感应电动势，加在中间继电器KA的线圈上，造成KA的误动作。 解决方法：,(b)两电感量相差悬殊的直流电压线圈不能直接并联,错误,电磁铁线圈,LYALKA,在YA线圈两端并联放电电阻R，并在KA支路串入KM常开触点，就能可靠工作。,要合理安排电器元件及触头的位置,不合理安排会影响运行安全、浪费导线。 a）不合理 原因： 1）因为行程开关SQ的常开和常闭触点靠得很近，在触点断开时，由于电弧可能造成电源短路。,2）这种接法SQ要引出四根导线，浪费导线。 b）接法较为合理，且只需引出3根导线。,合理,不合理,不合理,合理,要注意避免出现寄生电路,寄生电路：是指在控制电路的动作过程中，意外出现不是由于误操作而产生的接通电路。 正常工作时，能完成正反向起动、停止与信号指示。 但当FR动作，断开后，电路出现了图中虚线所示的寄生电路，使KM1不能可靠释放而得不到过载保护。,（a）错误,（a）错误,（b）正确,或将FR触点移到SB1上端也可避免产生寄生电路。, 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。,（a）不合理,（b）合理,6）尽可能提高电路工作的可靠性、安全性,防止触点竞争现象 当KA闭合时，接触器KM1、KM2竞争吸合，只有经过多次振荡吸合“竞争”后，才能稳定在一个状态上； 通常分析控制电路的电器动作及触点的接通和断开都是静态分析，没有考虑其动作时间。 实际上，由于电磁线圈的电磁惯性、机械惯性等因素，通断过程中总存在一定的固有时间。设计时要避免发生触点“竞争” ，防止电路中因电气元器件动作时间引起配合不良的后果。,考虑每一控制程序之间必要的联锁，即使发生误操作，也不会造成设备事故。 应根据设备特点及使用情况设置必要的电气保护。,7）电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便,2、分析设计法的步骤,1)、设计主电路：主要考虑电动机起动、点动、正反转、制动及多速控制的要求。2)、设计控制电路：设计满足设备和设计任务要求的各种自动、手动的电气控制电路。3)、联结各单元环节：构成满足整机生产工艺要求的控制电路。4)、 联锁保护环节设计：设计保护、联锁、检测、信号和照明等环节控制电路。5)、全面检查所设计的电路。,3、举例：龙门刨床横梁升降控制线路设计,垂直刀架,顶梁,立柱,工作台,侧刀架,床身,视频,1）要求横梁沿立柱能上升、下降作调整运动 。2）正常情况下横梁应夹紧在立柱上，夹紧机构由夹紧电动机拖动，而横梁的上、下移动则由另一台横梁升降电动机拖动 。3）在动作配合上，当横梁上升时应按照横梁松开上移夹紧的顺序进行； 当横梁下降时应按照横梁松开下移横梁回升夹紧的顺序进行 。4）横梁升降应设有限位保护，对夹紧电动机应设有夹紧力保护 。,(1) 横梁升降机构的工艺要求,1）设计主电路,(2) 电气控制原理图设计过程,a) 为了实现上下移动和夹紧放松的要求，两台电动机都要求能正反转。 b) 夹紧的判断采用过电流继电器实现。 原因：夹紧力大，定子电流也大。,2）设计控制电路草图,控制分析： a)横梁升降为调整运动，故采用点动控制。 b)横梁放松到位采用复合行程开关SQ1来判断，松开到位SQ1压下，SQ1不受压表示夹紧或松开但未到位。 c）横梁上升控制动作过程： 按下上升按钮 横梁放松(夹紧电机M2正转) 压下放松行程开关SQ1 停止放松横梁自动上升(升降电机M1正转) 上升到位放开上升按钮 横梁停止上升(M1停止) 横梁自动夹紧(夹紧电机M2反转) 行程开关SQ1释放, 过电流继电器动作 M2停转 上升结束。 d)横梁下降时暂不考虑回升，与上升控制完全相同。,按下上升按钮 横梁放松(夹紧电机M2正转) 压下放松行程开关SQ1 停止放松横梁自动上升(升降电机M1正转) 上升到位放开上升按钮 横梁停止上升(M1停止) 横梁自动夹紧(夹紧电机M2反转) 行程开关SQ1释放, 过电流继电器动作 M2停转 上升结束。,横梁上升控制动作过程详细分析,SB1,KM3通电,SQ1,KM1通电,KM1断电,KM4通电,KM4断电,KM3： 起动SB1， 停止SQ1，连续,KM1： 起动SQ1 ， 停止SB1 ，点动,KM4： 起动KM1常闭 ， 停止KI ，连续,上升,下降,松开,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,夹紧,升降电机,夹紧电机,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,当松开到位后，行程开关SQ1压下，可利用行程开关SQ1实现KM1线圈通电。,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,上升到位后，上升按钮会松开，上升应停止，所以上升按钮还要使KM1线圈停电。,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,松开上升按钮后,要执行夹紧,因此松开上升按钮的同时应使KM4线圈通电.可利用KM1常闭触点控制KM4线圈的通电.,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,能否这样连接？,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,当执行夹紧时,行程开关会释放,导致横梁未夹紧,KM4线圈就断电,所以应增加自锁触点KM4.,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,当夹紧后,过电流继电器动作,应使夹紧电机断电,所以应将KI常闭触点串在KM4线圈电路中.,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,下降时, 与上升控制过程一样.因此可采用相同的方法实现.当按下降按钮时,KM3也应通电(即执行放松),所以下降按钮应与上升按钮并联.,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,松开到位后，行程开关SQ1压下, 使横梁下降, 可利用行程开关SQ1实现KM2线圈通电.,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,升降电机,夹紧电机,当松开下降按钮后,要执行夹紧，因此松开下降按钮的同时应使夹紧电机夹紧,可采用KM2常闭触点来控制KM4线圈的通电。,升降电机,夹紧电机,夹紧,夹紧时，SQ1释放放松时，SQ1压下,上升,下降,松开,夹紧,上升和下降要互锁放松和夹紧要互锁,3）完善设计草图,上述设计的功能还不完善，缺少横梁下降时的短时间回升。 引入断电延时时间继电器，完成回升过程。,上升,4）检查并改进设计草图,a)KM2辅助常闭触头使用数量超过其拥有量。（见P14） b)采用的按钮是两对常开按钮，而通常采用一对常开一对常闭按钮。 （见P38） 因此需引入中间继电器KA，并用按钮去控制中间继电器KA。,上升,中间继电器代替按钮的四个常开触头，同时代替KM2的一个常闭触头。,中间继电器代替按钮的四个常开触头，同时代替KM2的一个常闭触头。,上升,上升,5） 总体校核,主要检查：是否满足生产工艺要求;电路是否合理;能否进一步简化;触头数量是否够;联锁与保护是否完善，电路工作是否安全可靠。 检查发现还缺乏上升和下降中的极限保护,因此引入行程开关SQ2和SQ3。,上升,改进后,改进前,上升,上升,逻辑设计法：它是根据生产工艺要求，利用逻辑代数来分析、设计线路。 优点：能获得理想、经济的方案。 缺点：难度较大，不易掌握；设计过程较复杂，在一般常规设计中，很少单独采用。 应用：对于复杂的控制系统，一般将控制系统分成若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计方法先完成每个单元控制线路的设计，然后再用经验设计方法把这些单元电路组合起来。这样可各取所长，是一种简捷的设计方法。,（二）逻辑设计法,1、逻辑变量 逻辑变量：具有两个对立的、稳定的物理状态的量称为逻辑变量。 接触器、继电器的线圈、触头、 按钮、开关为逻辑变量，通常对电器作出如下规定： (1) 用KM、KA、SQ、分别表示接触器、继电器、行程开关等电器的常开触点； 表示常闭触点。 (2) 触点：闭合时，逻辑状态为“1”； 断开时，逻辑状态为“0”； 线圈：通电时，为“1”状态； 断电时，为“0”状态。,2 、逻辑函数,输入逻辑变量：把表征触点状态的逻辑变量称为输入逻辑变量。输出逻辑变量：把表征继电器、接触器等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量。逻辑函数关系：输出逻辑变量与输入逻辑变量间所满足的相互关系称为逻辑函数关系，简称为逻辑关系。,3、基本逻辑运算,(1) 逻辑与,(2) 逻辑或,(3) 逻辑非,(4) 继电接触器控制线路的逻辑函数,SB1: 起动信号(开启信号)SB2: 停止信号(关断信号)KM: 自锁信号一般形式：fKM = X关 (X开+KM),关闭优先起-保-停电路,一般形式：f KM=X开+X关K,(b),开起优先起-保-停电路,一般形式：fKM = (X关+X关约)(X开X开约+KM) X开约：开启约束信号X关约：关闭约束信号,带约束条件的关闭优先起-保-停电路,一般形式：fKM = X开X开约+ (X关+X关约)KMX开约：开启约束信号X关约：关闭约束信号,带约束条件的开启优先起-保-停电路,4逻辑法电路化简举例,逻辑式为,函数式化简,化简后,化简前,1）按工艺要求作出工作循环图。 2）决定执行元件与检测元件，并作出执行元件动作节拍表和检测元件状态表。 3）根据检测元件状态表写出各程序的特征数，并确定待相区分组，设置中间记忆元件，使各待相区分组 所有程序区分开。 4）列写中间记忆元件开关逻辑函数式及其执行元件动作逻辑函数式并画出相应的电路结构图。 5）对按逻辑函数式画出的控制电路进行检查、化简和完善。,4逻辑设计法设计控制电路的方法步骤（了解 ）,逻辑电路基本类型： 组合逻辑电路 （无反馈，如无自锁电路） 时序逻辑电路 （有反馈，有记忆功能）,5设计举例,（1）组合逻辑电路举例控制线路要求： 某电动机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或任何两个继电器动作时才能运转，而在其它任何情况下都不运转。电动机的运转由接触器KM控制。,根据题目的要求，列出接触器通电状态的真值表,化简(按基本公式和运算规律),（2）时序逻辑电路设计举例,以典型的液压纵、横油缸进给加工控制电路设计为例。1）纵横油缸液压进给加工工艺及工作循环图。,）作出执行元件动作节拍表及检测元件状态表,3）中间记忆元件的设置,a）程序特征码 所谓程序特征码，就是由对应于一个程序中所以主令元件和检测元件状态开关量所构成的二进制数码。 “0”程序特性码： 1001000 “1”程序特性码： 1001001;0001000;1001000 “2”程序特性码： 0101000 “3”程序特性码： 0111000;0110000 “4”程序特性码： 0110100 “5”程序特性码： 0110110;0110000;0110100;0110010 “6”程序特性码： 0111000;0101000;0011000;0001000,b）程序两两相区分与待相区分组 当两个程序中不存在相同的特征码时，该两程序就是已相区分的。 若两程序的特征码出现重复，则这两个程序是不相区分的，或说是相重复的。为检查各程序是否已两两相区分，我们应将各程序特征码两两进行比较。 比较结果，将那些相同程序特征码的程序归为一组，这就称为待相区分组。 A组：0、1程序重复了特征码：1001000 B组：1、6程序重复了特征码：0001000 C组：2、6程序重复了特征码：0101000 D组：3、5程序重复了特征码：0110000 E组：3、6程序重复了特征码：0111000 F组：4、5程序重复了特征码：0110100,4）列写中间记忆元件开关逻辑函数式及其执行元件 动作逻辑函数式，画出相应的控制电路结构图。,a）列写中间记忆元件开关逻辑式的基本要求 b）开关逻辑式的列写 c）无记忆功能执行元件动作逻辑式地列写 d）方案1和方案2的逻辑函数式 e）绘制电气控制电路草图,5）进一步检查、化简和完善电路,c）中间记忆元件的设置 当待相区分组查出后，就可设置中间记忆元件，通过这些中间记忆元件的设置来将各待相区分组区分开。,方案1的逻辑函数式,图4-9 方案1的控制电路,方案2的逻辑函数式,图4-10 方案2的控制电路,图4-11 纵横油缸液压进给加工电气控制原理图,在完成电气原理设计及电气元件选择之后，就应进行电气控制的工艺设计。 工艺设计目的：是为了满足电气控制设备的制造和使用要求。 工艺设计内容包括： （1）电气控制设备总体配置，即总装配图、总接线图。