第三章 继电器-接触器控制系统设计2011

1、1 1电气控制系统类型：电气控制系统类型： 控制（执行）对象：控制（执行）对象：控制方式：控制方式：2 2 电气控制系统设计的基本任务电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的出设备制造和使用维修过程中所必须的设计图纸、设计资料设计图纸、设计资料等。等。图纸图纸包括电气原理图（主回路、辅助回路）、电气系统包括电气原理图（主回路、辅助回路）、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱（柜）的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱（柜）图、控制面板图和非标准件加工图等；图、控制面板图和非标准件加工图等；资料资料包括

2、提供元器件包括提供元器件清单（名称、型号、数量、厂家等）、设备技术说明书（电清单（名称、型号、数量、厂家等）、设备技术说明书（电气图工作原理、元器件参数选用计算依据、程序注释等）和气图工作原理、元器件参数选用计算依据、程序注释等）和使用说明书（设备组成、使用方法、故障分析及排除等）等。使用说明书（设备组成、使用方法、故障分析及排除等）等。 电气控制系统设计的内容电气控制系统设计的内容包括确定拖动方案、选择电机容包括确定拖动方案、选择电机容量和设计电气控制线路并绘制相关图纸。从原理性设计、施量和设计电气控制线路并绘制相关图纸。从原理性设计、施工工艺设计、安装调试到使用维护等都属于设计范畴。工工艺

3、设计、安装调试到使用维护等都属于设计范畴。 3 31、最大限度的实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。、最大限度的实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。2、在满足生产要求的情况下，控制线路应力求简单、经济，提、在满足生产要求的情况下，控制线路应力求简单、经济，提高性价比。高性价比。 尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。典型电路如：典型电路如：起、制动电路，正、反向运行电路，保护电路等起、制动电路，正、反向运行电路，保护电路等 合理安排电气元件及触点的位置。合理安排电气元件及触点的位置。尽量缩减电器的数量，采用标准件，并尽可

4、能选用相同型号。尽量缩减电器的数量，采用标准件，并尽可能选用相同型号。4 4KA1KA2 KA3KA31414KA1KA2a）合并开关KA2KA1KA4KA3KA1KA2KA2KA1KA4KA3KA2b）合并触点213KAKAKA21213KAKAKAKAKA（a）中：）中：目的：减少不必要的触点以简化电路，提高可靠目的：减少不必要的触点以简化电路，提高可靠性；同时尽量减少通电电器的数量和通电时间，性；同时尽量减少通电电器的数量和通电时间，可以节能并延长电器元件的使用寿命。可以节能并延长电器元件的使用寿命。 5 53、保证控制线路工作的可靠和安全。、保证控制线路工作的可靠和安全。（1） 正确连

5、接电器线圈和触点。正确连接电器线圈和触点。 6 6是指在线路是指在线路动作过程中，不是由于误动作过程中，不是由于误操作引起的意外接通电路。操作引起的意外接通电路。 （2）控制线路中应避免出）控制线路中应避免出现现“寄生寄生”电路。电路。7 7（3） 尽量避免多个尽量避免多个电器电器依次动作依次动作才能接才能接通另一个电器的控制通另一个电器的控制结构，这样可以提高结构，这样可以提高线路工作的可靠性。线路工作的可靠性。8 8“竞争竞争”现象：对于控制电路，由于采用不同动作类型的现象：对于控制电路，由于采用不同动作类型的触点，会得到不同的输出状态。触点，会得到不同的输出状态。 （4） 选择好控制电器

6、元件的动作类型，注意选择好控制电器元件的动作类型，注意“竞争竞争”现象现象 9 9 10104 、应尽量使操作和维修方便。、应尽量使操作和维修方便。操作方式操作方式方法应符合生产规范，尽量作到与同类方法应符合生产规范，尽量作到与同类型生产设备的操作一致性，提供多点起动、多点型生产设备的操作一致性，提供多点起动、多点停止或急停。停止或急停。控制方式控制方式可根据需要设置手动方式和自动方式，可根据需要设置手动方式和自动方式，为便于设备调试及维修，自动方式还可进一步分为便于设备调试及维修，自动方式还可进一步分为单步、单周期、循环等方式。为单步、单周期、循环等方式。11111、拟订设计任务书、拟订设计

7、任务书、设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺、设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍过程介绍、电力拖动的方式及控制要求等、电力拖动的方式及控制要求等、联锁、保护要求、联锁、保护要求、自动化程度、稳定性及抗干扰要求、自动化程度、稳定性及抗干扰要求、操作台、照明、信号指示、报警方式等要求、操作台、照明、信号指示、报警方式等要求、设备验收标准、设备验收标准、其他要求、其他要求12122、：根据零件加工精度、加工效：根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件去确定电求、负载性质

8、、调速要求以及投资额等条件去确定电动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求。运行、调速、转向、制动等控制要求。、拖动方式的选择：、拖动方式的选择：独立拖动、集中拖动独立拖动、集中拖动、调速方案的选择：、调速方案的选择：有极、无极、伺服有极、无极、伺服、电动机调速性质要与负载特性适应、电动机调速性质要与负载特性适应、：保持电动机磁场为额定值，改变电：保持电动机磁场为额定值，改变电枢两端电压，实现基速以下的调速枢两端电压，实现基速以下的调速、：电动机端电压为额定值，减弱电动：电动机端电压为额定值，减弱电动机磁场，实

9、现基速以上的调速机磁场，实现基速以上的调速1313 ：确定电动机的类型、结构型式、：确定电动机的类型、结构型式、容量、额定电压、额定转速。容量、额定电压、额定转速。基本原则：基本原则：、根据生产机械调速的要求选择电动机的种类、根据生产机械调速的要求选择电动机的种类、工作过程中电动机容量要得到充分利用、工作过程中电动机容量要得到充分利用、根据工作环境选择电动机的结构型式、根据工作环境选择电动机的结构型式14143、确定控制方案：、确定控制方案：由传统的继电接触器控制系统由传统的继电接触器控制系统计算机控制系统发展计算机控制系统发展4、设计控制原理图、设计控制原理图5、选择电器元件，编制元器件明细

10、表、选择电器元件，编制元器件明细表6、设计电气设备的各种施工图样、设计电气设备的各种施工图样7、编写设计说明书和使用说明书、编写设计说明书和使用说明书包括设备供电、包括设备供电、I/O关系、设备工作方式、关系、设备工作方式、执行器件动作顺序、电气保护等环节执行器件动作顺序、电气保护等环节包括主回路、辅助回路（二次回路）、包括主回路、辅助回路（二次回路）、控制器原理图等控制器原理图等控制柜（箱）、元器件布置图、接线图、控制柜（箱）、元器件布置图、接线图、控制面板图控制面板图1515是将控制系统划分为若干个控制环节，根据生是将控制系统划分为若干个控制环节，根据生产工艺，结合各种典型电路环节逐一设计

11、，然后将各个环节产工艺，结合各种典型电路环节逐一设计，然后将各个环节组合起来，加入必要的联锁、保护环节，构成完整的控制线组合起来，加入必要的联锁、保护环节，构成完整的控制线路。路。特点特点：方法简单，容易掌握，答案不唯一，对设计者的工作：方法简单，容易掌握，答案不唯一，对设计者的工作经历（经验）要求较高。设计过程中常要经过多次试验、修经历（经验）要求较高。设计过程中常要经过多次试验、修改、再试验、再修改，执行器件风险大，线路优化程度低。改、再试验、再修改，执行器件风险大，线路优化程度低。这种方法较适合于小规模系统，任务较简单，控制点数少的这种方法较适合于小规模系统，任务较简单，控制点数少的设备

12、。设备。核心：核心：是起是起-保保-停电路结构，即由起动电路、保持电路、停止停电路结构，即由起动电路、保持电路、停止电路组成。电路组成。1616是将逻辑代数引入电气控制系统设计中，利用输是将逻辑代数引入电气控制系统设计中，利用输入信号、检测信号、中间单元、输出逻辑值等开关量作为输入入信号、检测信号、中间单元、输出逻辑值等开关量作为输入变量，按一定逻辑规律组成的逻辑表达式，其输出变量为执行变量，按一定逻辑规律组成的逻辑表达式，其输出变量为执行元件。设计的核心是建立控制任务的逻辑规律，即逻辑表达式。元件。设计的核心是建立控制任务的逻辑规律，即逻辑表达式。特点：特点：线路简单、合理、优化程度高，适合

13、较复杂的电气系统线路简单、合理、优化程度高，适合较复杂的电气系统设计，要求设计者具有一定的知识背景。当然，采用逻辑设计设计，要求设计者具有一定的知识背景。当然，采用逻辑设计法得到的控制线路还需要加入必要的联锁、保护等环节。法得到的控制线路还需要加入必要的联锁、保护等环节。步骤：步骤：首先要建立电器元件的通断状态与逻辑代数状态值之间首先要建立电器元件的通断状态与逻辑代数状态值之间的对应关系，然后利用逻辑代数的基本运算规律进行电路设计的对应关系，然后利用逻辑代数的基本运算规律进行电路设计和优化。逻辑关系的表示方法有逻辑代数式法和真值表法。和优化。逻辑关系的表示方法有逻辑代数式法和真值表法。1717

14、用逻辑原变量用逻辑原变量 等分别表示继电器、接触器、等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常开触点。按钮、行程开关等元件的常开触点。 用逻辑反变量用逻辑反变量 等分别表示继电器、接触器、等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常闭触点。按钮、行程开关等元件的常闭触点。规定：电路中开关元件受激（通电接通）状态为规定：电路中开关元件受激（通电接通）状态为“1”状态；状态；开关元件的原始（失电断开）状态为开关元件的原始（失电断开）状态为“0”状态；触点的闭合为状态；触点的闭合为“1”状态；触点的断开为状态；触点的断开为“0”状态。具体如下描述：状态。具体如下描述：对输出变量（线圈）

15、：对输出变量（线圈）： 表示继电器线圈通电表示继电器线圈通电 表示继电器线圈断电表示继电器线圈断电对输入变量（触点）：对输入变量（触点）： 表示继电器常开触点闭合表示继电器常开触点闭合 表示继电器常开触点断开表示继电器常开触点断开 表示继电器常闭触点闭合表示继电器常闭触点闭合 表示继电器常闭触点断开表示继电器常闭触点断开 表示按钮常开触点闭合表示按钮常开触点闭合 表示按钮常闭触点断开表示按钮常闭触点断开 1KA0KA1KA0KA1KA0KA1SB0SBSQSBKMKA、SQSBKMKA、1818 逻辑与逻辑与：表示触点串联，如图（：表示触点串联，如图（a）所示。）所示。 逻辑表达式为逻辑表达式

16、为 。 从电路上分析，当从电路上分析，当A、B触点接通，线圈触点接通，线圈C通电接通，通电接通，C=1；如如A、B任一触点断开，线圈任一触点断开，线圈C失电断开，失电断开，C=0。 逻辑或逻辑或：表示触点并联，如图（：表示触点并联，如图（b）所示。）所示。 逻辑表达式为逻辑表达式为 。 从电路上分析，当从电路上分析，当A、B任一触点接通，线圈任一触点接通，线圈C通电接通，通电接通，C=1；如；如A、B同时断开，线圈同时断开，线圈C失电断开，失电断开，C=0。 逻辑非逻辑非：表示触点关系取反，如图（：表示触点关系取反，如图（c）所示。）所示。 逻辑表达式为逻辑表达式为 。 从电路上分析，当从电路

17、上分析，当A的常闭触点接通，线圈的常闭触点接通，线圈C通电接通，通电接通，C=1；如；如A的常闭触点断开，线圈的常闭触点断开，线圈C失电断开，失电断开，C=0。 （a）（b）（c）AABBACCCABCBAC或BACAC （a）（b）（c）AABBACCC1919SB1SB4SB3KMKMSB2)()(4321KMSBSBSBSBKMf逻辑与逻辑与 逻辑或逻辑或例例3-1：写出图中所示电路的逻辑表达式：写出图中所示电路的逻辑表达式2020（1） 根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图。理框图。（2） 设计原理框图各组成部分的具体电路，包括主设计原

18、理框图各组成部分的具体电路，包括主回路、辅助回路（含控制电路）、联锁和保护环节。回路、辅助回路（含控制电路）、联锁和保护环节。（3） 修改完善各个电路。修改完善各个电路。（4） 绘制原理图。绘制原理图。（5） 选定元器件，制订元器件明细表。选定元器件，制订元器件明细表。 2121右行左行SQ1SQ2SQ3起动：SB2停止：SB1：该系统执行电机为三相异步电机，此处假定功率：该系统执行电机为三相异步电机，此处假定功率较小，可以直接起动，原理图应包括主回路、控制回路和必较小，可以直接起动，原理图应包括主回路、控制回路和必要的联锁及保护电路。要的联锁及保护电路。例例3-2 设计三地运行小车电气原理图

19、，当起动按钮设计三地运行小车电气原理图，当起动按钮SB2按下后按下后按图按图3-11的动作流程循环运行，运行期间按下停止按钮的动作流程循环运行，运行期间按下停止按钮SB1则则立即停止运行（小车初始位置停在左侧）。立即停止运行（小车初始位置停在左侧）。2222主回路设计：规定主回路设计：规定KM1接通正转运行（右行），接通正转运行（右行），KM2接通反接通反转运行（左行）。转运行（左行）。 控制回路设计：包括控制回路设计：包括KM1和和KM2两个接触器的控制电路，具两个接触器的控制电路，具体如下：体如下：KM1：起动条件为：起动条件为SB2和和SQ1常开触点的并联组合构成常开触点的并联组合构成

20、停止条件为停止条件为SQ2和和SQ3常闭触点的串联组合构成常闭触点的串联组合构成 需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。KM2：起动条件为：起动条件为SQ2和和SQ3常开触点的并联组合构成常开触点的并联组合构成 停止条件为停止条件为SQ1常闭触点构成常闭触点构成 需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。联锁电路：包括继电器、接触器的自锁和接触器之间的互锁联锁电路：包括继电器、接触器的自锁和接触器之间的互锁电路。电路。保护电路：考虑短路、过载、失压等保护。保护电路：考虑短路、过载、失压等保护。 2323：经

21、检查分析发现如下问题，并作改进：经检查分析发现如下问题，并作改进：小车如果开始时处于起点，则：小车如果开始时处于起点，则SQ1接通，系统上电接通，系统上电后，会立刻右行。后，会立刻右行。解决办法：引入中间继电器解决办法：引入中间继电器KA2，将，将KA2的常开触点的常开触点KA2与与SQ1常开触点串联后单独作为常开触点串联后单独作为KM1起动条件，而起动条件，而SB1的常开的常开触点用来控制触点用来控制KA2的接通。的接通。：小车无法完成后半段的运行，反复运行前半段。：小车无法完成后半段的运行，反复运行前半段。解决办法：因为解决办法：因为SQ2的常闭触点是的常闭触点是KM1的停止条件，因此简的

22、停止条件，因此简单的串联会导致如上情况出现，引入中间继电器单的串联会导致如上情况出现，引入中间继电器KA1，将，将KA1的常开触点同的常开触点同SQ2的常闭触点并联后与的常闭触点并联后与SQ3常闭触点串常闭触点串联作为联作为KM1的停止条件，同时将的停止条件，同时将KA1的常闭触点同的常闭触点同SQ2的常的常开触点串联后与开触点串联后与SQ3常开触点并联作为常开触点并联作为KM2的起动条件，可的起动条件，可以避免以避免KM1、KM2同时接通造成短路。同时接通造成短路。KA1的起动条件应为的起动条件应为SQ2的常开触点，停止条件为的常开触点，停止条件为SQ3的常闭触点，要求自锁。的常闭触点，要求

23、自锁。2424：经过上面的处理后第一次可正常运行，但第二次循：经过上面的处理后第一次可正常运行，但第二次循环时则始终运行在后半段。解决办法：经分析发现小车二次环时则始终运行在后半段。解决办法：经分析发现小车二次返回时碰到返回时碰到SQ2导致导致KA1重新接通，形成设备反复运行在后重新接通，形成设备反复运行在后半段，因此引入中间继电器半段，因此引入中间继电器KA3，当二次返回时由于，当二次返回时由于KA3的的作用，作用，KA1将不在接通。将不在接通。：上述电路草图绘制出来后，发现：上述电路草图绘制出来后，发现KM2、KA1几乎同几乎同时动作，存在可靠性问题。时动作，存在可靠性问题。解决办法：引入

24、时间继电器解决办法：引入时间继电器KT1，在一个工作周期中，当小，在一个工作周期中，当小车第一次碰到车第一次碰到SQ2时，延时时，延时1秒然后接通秒然后接通KM2，电机开始左行，电机开始左行，从而保证系统的可靠运行。另外在从而保证系统的可靠运行。另外在KT1的停止电路中串入了的停止电路中串入了KM1、KM1和和SQ1的常闭触点，是为了保证的常闭触点，是为了保证KT1只能在第一只能在第一次碰到次碰到SQ2时接通时接通KM2，避免短路的可能。，避免短路的可能。2525：按照上面分析过程绘制原理图，如图所示。：按照上面分析过程绘制原理图，如图所示。：元器件选型及明细表略。：元器件选型及明细表略。 2

25、626（1） 充分研究加工工艺流程，作出工作循环图或工作示意图。充分研究加工工艺流程，作出工作循环图或工作示意图。（2） 按工作循环图作执行元件节拍表及检测元件状态表按工作循环图作执行元件节拍表及检测元件状态表转换表。转换表。（3） 根据转换表，确定中间记忆元件的开关边界线，设置中根据转换表，确定中间记忆元件的开关边界线，设置中间记忆元件。间记忆元件。（4） 列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。（5） 根据逻辑函数式建立电路结构图。根据逻辑函数式建立电路结构图。（6） 进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节，进一步完善电路，增

26、加必要的联锁、保护等辅助环节，检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞争现象等。争现象等。（7） 选定元器件型号，制定明细表。选定元器件型号，制定明细表。2727例例3-3：某电机只有在继电器：某电机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或两中任何一个或两个动作时才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制个动作时才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制线路。线路。 ：列出控制元件与执行元件的动作状态表。：列出控制元件与执行元件的动作状态表。：根据状态表列写出接触器：根据状态表列写出接触器KM的逻辑代数式：的逻辑代数

27、式：321321321321321321)(KAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKMf：化简：化简2312313231323132223132223132323213232321)(KAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKAKMfKA1KA2KA3KM00000011010101111001101111011110属于属于组合开关电路组合开关电路：电路的状电路的状态只和触点的组合有关态只和触点的组合有关2828：元器件选型及明细表略。：元器件

28、选型及明细表略。：根据化简的逻辑表达式：根据化简的逻辑表达式绘制原理图，如图所示为控制电路图，绘制原理图，如图所示为控制电路图，主回路及保护电路略。主回路及保护电路略。KA1KA1KA2KA2KA3KA3KM2929（1）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统框图）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统框图（2）设计原理框图各组成部分的具体电路，包括主）设计原理框图各组成部分的具体电路，包括主回路、辅助回路、控制器接线电路、硬件联锁和保护回路、辅助回路、控制器接线电路、硬件联锁和保护环节电路。环节电路。（3）修改完善各个电路。）修改完善各个电路。（4）绘制原理图。）绘制原理图。（5）选定元器件，制

29、订元器件明细表。）选定元器件，制订元器件明细表。 3030主要图纸包括电气控制设备布局安装图、系统接线图、控制主要图纸包括电气控制设备布局安装图、系统接线图、控制柜（箱）结构图、控制面板（操作台）图和非标准件零件图柜（箱）结构图、控制面板（操作台）图和非标准件零件图等；技术文档包括元器件清单、设计说明书、使用说明书等。等；技术文档包括元器件清单、设计说明书、使用说明书等。单元划分单元划分是：是：1）在一起，如按钮、控制开关、指示灯、在一起，如按钮、控制开关、指示灯、指示仪表表头可以作为操作单元；接触器、继电器、熔断器、指示仪表表头可以作为操作单元；接触器、继电器、熔断器、控制变压器等控制电路可

30、以作为控制柜单元。控制变压器等控制电路可以作为控制柜单元。2）接线关系密切的控制电器采取就近原则，）接线关系密切的控制电器采取就近原则，可作，可作为一个单元。为一个单元。3）、避免干扰。、避免干扰。4）需经常调节、维护和易损器件组合在一起，安排在较易操）需经常调节、维护和易损器件组合在一起，安排在较易操作的位置，便于检修。作的位置，便于检修。31311）一般监视器件布置在仪表板上。）一般监视器件布置在仪表板上。2）体积大和较重的电器元件应安装在电器板）体积大和较重的电器元件应安装在电器板的下面，发热元件安装在电器板的上面。的下面，发热元件安装在电器板的上面。3）强电弱电应分开，并注意弱电信号的

31、屏蔽，）强电弱电应分开，并注意弱电信号的屏蔽，以防干扰。以防干扰。4）需要经常维修、检修、调整的电器元件安）需要经常维修、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。装位置不宜过高或过低。5）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称，）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称，尽量使外形和结构尺寸类似的电器安装在一尽量使外形和结构尺寸类似的电器安装在一起，便于加工、安装和配线。起，便于加工、安装和配线。6）电器元件不宜过密，应预留布线、接线、）电器元件不宜过密，应预留布线、接线、维护和调整操作的空间。维护和调整操作的空间。原则：可靠、简洁、有条理原则：可靠、简洁、有条理3232接线图根据电气原理图和电

32、器元件布置图绘制，应符合以下原则：接线图根据电气原理图和电器元件布置图绘制，应符合以下原则：1）接线图的绘制应符合接线图的绘制应符合GB6988中中5-1986电气制图接线图和接线表电气制图接线图和接线表的规定。的规定。2）接线图中，电器元件的外型和相对位置要与位置图一致。接线图中，电器元件的外型和相对位置要与位置图一致。3）元器件及其接线端子（座）的标注、文字符号、接线号与电气原理图元器件及其接线端子（座）的标注、文字符号、接线号与电气原理图标注应一致。项目代号、端子号及导线号的编制分别应符合标注应一致。项目代号、端子号及导线号的编制分别应符合GB5904-1985电气技术中的项目代号电气技术中的项目代号、GB4026-1983电器接线端子的识别电器接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则和用字母数字符号标志接线端子的通则及及GB4884-1985绝缘导线标绝缘导线标记记等规定。等规定。4）接线图中同一电器元件的各个部分（如线圈、触点等）必须画在一起。接线图中同一电器元件的各个部分（如线圈、触点等）必须画在一起