第4章工业电气控制系统的设计

第4章

工业电气控制系统的设计

基本要求了解电力拖动系统设计的基本原则；掌握电气控制线路设计的基本规律和注意事项；以国标为准，电气控制线路图的绘图方法。机电设备的设计工作包括：机械设计和电气设计。电气设计通常是和机械设计同时开始，交叉进行的。4.1电气控制线路设计的基本原则

1、满足生产机械和工艺对电气控制系统要求原则2、控制线路力求简单、经济原则1）尽量减少电器元件的数量，选用标准电器元件，尽可能选用相同型号的电器元件以减少备用品的数量。2）尽量选用标准的、常用的或经过实践考验的典型环节或基本电气控制线路。3）尽量减少不必要的触头，以简化电气控制线路，降低故障几率，提高工作可靠性。（1）合并同类触头（2）利用转换触头（3）在直流电路中利用半导体二极管的单向导电性

++--（4）利用逻辑代数对电路化简以减少触头的数目。4）尽量缩短连接导线和长度。设计控制电路时考虑到各元件之间的实际位置，如控制柜、操作台、限位开关等。5）尽量减少电器不必要的通电时间3、保证电气控制电路工作的可靠性原则1）选用的电器元件要可靠、牢固、动作时间少、抗干扰性能好。2）正确连接电器元件的线圈。在交流控制线路中，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也不允许两个电器元件的线圈串联使用。两电感量相差悬殊的直流电压线圈不能直接并联。

YA为电感量较大的电磁铁线圈，KA为电感量较小的中间继电器线圈。

3）正确连接电器元件的触头SQ常开和常闭触点分别接在电源的不同相上，当触头断开产生电弧时，可能在两触头间形成飞弧造成电源短路。由于两触头间的电位相同，就不会造成电源短路。可减少导线段数和缩短导线长度。4）在控制线路中，采用小容量继电器的触头来断开或接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触头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，否则工作不可靠。若要增加接通能力，可用多触头并联；若要增加分断能力，可用多触头串联。5）在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间不但要有电气联锁，而且还要有机械联锁。6）设计的电气控制线路应能适应所在电网的情况，如电网容量大小，电压频率的波动范围，以及允许的冲击电流数值等。并据此来决定电动机的起动方式是直接起动或是间接起动。7）在电气控制线路中应尽量避免许多电器元件依次动作才能接通另一个电器元件的现象，以增加线路的可靠性。

8）防止出现寄生回路

在电气控制线路的动作过程中，意外接通的电路称为寄生回路。寄生回路将破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。热继电器FR起不了保护作用。9）防止线路出现触头竞争现象

KT整定的延时时间太短，甚至小于其瞬时触点的动作时间，则无法使KT的线圈失电。4、保证电气控制电路工作的安全性原则在自动控制系统中，常用的保护环节有：短路保护（FU或QF）过流保护（过电流继电器KI）过载保护（FR）失压保护（一般用自锁触点或零压继电器KV）过压保护（过压继电器KV）弱磁保护（欠电流继电器KI）超速极限保护（用SQ的常闭触点实现）5、操作、维护、检修方便原则电器元件应留有备用触头，必要时留有备用电器元件，以便检修、调整改接线路；设置电气隔离，避免带电检修；控制机构应操作简单、便利，能迅速而方便地实现从一种控制方式到另一种控制方式的转换，如从自动控制转换到手动控制等；设置多点控制，便于在生产机械旁进行调试；操作回路较多时，应采用主令控制器，而不采用许多按钮的方式。4.2电气控制线路设计的基本程序1、拟定电气设计任务书在任务书中，应简要说明所设计的机械设备型号、用途、工艺过程、技术性能、传动方式及现场环境条件等。技术指标及要求：控制精度，生产效率要求；用户供电电网的种类、电压等级、频率及容量；有关电力拖动的基本特性，如电动机的数量、用途、负载特性、调速范围以及对起动、反向和制动的要求等；有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、动作程序、电气保护及联锁条件等；有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量和信号指示、故障报警及照明等；机床主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的参数及布置草图。2、电力拖动方案的选择电力拖动方案：是指根据生产工艺要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载特性、调速要求及投资金额等条件，来确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟定电动机的起动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。1）电气传动方式（1）单机拖动：一台设备只有一台电动机，通过机械传动链将动力传送到各个工作机构。（2）分机拖动：一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。2）调速性能在选择调速方案时，可参考以下几点。（2）精密机械设备:为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。（3）一般中小型设备: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。当调速范围D=2~3，调速级数≤2~4时，可采用双速或多速的鼠笼式异步电动机。（1）重型或大型设备：主运动及进给运动，尽可能采用无级调速。有利于简化机械结构，缩小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床利用率。3）负载特性为使电动机得到充分合理的应用，要求电动机的调速特性与负载特性相适应。例如，双速鼠笼式异步电动机当定子绕组由三角形联接改接成双星形联接时，转速增加一倍，功率却增加很少。它适用于恒功率传动。对于低速为星形联接的双速电机改接成双星形后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，它适用于恒转矩传动。他激直流电动机的调磁调速属于恒功率调速，而调压调速则属于恒转矩调速。4）起动和制动要求机械设备主运动传动系统的起动转矩一般都比较小，原则上可采用任何一种起动方式。对于它的辅助运动，在起动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时可选用高起动转矩的电动机，或采用提高起动转矩的措施，如对绕线式异步电动机转子串接对称电阻的起动。起动的要求：对于电网容量不大而起动电流较大的电动机，要采取限制起动电流的措施，常用的方法有：在定子电路中串入电阻或电抗，星三角起动延边三角形起动使用自耦变压器降压起动等以免电网电压波动较大而造成事故。

如果对于制动的性能无特殊要求而电动机又不需要反转时，则采用反接制动，可使控制线路简化。在要求制动平稳、准确，而且在制动过程中不允许有反转可能性时，则宜采用能耗制动方式。在起吊运输设备中也常常采用具有联锁保护功能的电磁机械制动（俗称电磁抱闸）。有些场合也采用再生发电制动（回馈制动）。制动的要求：3、电动机的选择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，要与负载特性相适应，以保证生产过程中运行稳定性并具有一定的调速范围和良好的起、制动性能。2）电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并适应周围环境的工作条件。3）电动机电压的选择应根据使用地点的电源电压来决定，常用为380V、220V。4）在没有特殊要求的场合，一般均采用交流电动机，仅在起动、制动和调速不满足要求时才选择直流电动机。5）根据生产机械的功率负载和转矩负载选择电动机的额定功率。6）根据电动机的负载和工作方式，正确选择电动机的容量。对于恒定负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证电动机的额定功率等于或大于负载所需要的功率；对于变动负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证当负载变到最大时，电动机仍能给出所需要的功率，同时电动机的温升不超过允许值；对于短时工作制的电动机，其容量的选择应按照电动机的过载能力来选择；对于重复短时工作制的电动机，其容量的选择原则上可按照电动机在一个工作循环内的平均功耗来选择。4、电气控制方案的确定选择电气控制方案遵循的主要原则：自动化程度与国情相适应；控制方案应与设备的通用化及专用化相适应；控制方案随控制过程的复杂程度而变化；控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。5、控制方式的选择控制方式主要有：时间控制方式：利用时间继电器、可编程序控制器或微型计算机的延时单元，它将感测系统接受的输入信号经过延时一段时间后才发出输出信号，从而实现电路切换的时间控制。速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。电流控制方式：借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。行程控制方式：利用生产机械运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关相互配合，而达到位置控制的作用。说明时间控制方式一般不用于反接制动控制，而适用于异步电动机的能耗制动控制。一般对组合机床和自动线等的自动工作循环，为了保证加工精度而常用行程控制。对反接制动和速度反馈环节用速度控制。对星三角降压起动或多速电动机的变速控制则采用时间控制。对过载保护、电流保护等环节则采用电流控制。4.3电气控制线路的设计方法电气控制线路的设计有两种方法:

经验设计法和逻辑设计法

1、经验设计法1）经验设计法的基本步骤主电路设计。主要考虑电动机的起动、点动、正反转、制动和调速。控制电路设计。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，包括基本控制线路和控制线路特殊部分的设计，以及选择控制参量和确定控制原则。连接各单元环节，构成满足整机生产工艺要求，实现生产过程自动或半自动及调整的控制电路。

联锁保护环节设计。主要考虑如何完善整个控制线路的设计，包含各种联锁环节及短路、过载、过流、失压等保护环节。

线路的综合审查。反复审查所设计的控制线路是否满足设计原则和生产工艺要求。在条件允许的情况下，进行模拟实验，直至电路动作准确无误，并逐步完善整个电气控制线路的设计。2）经验设计法的基本方法根据生产机械的工艺要求和工作过程，将现有的典型环节有机地组合起来加以适当的补充和修改，综合成所需要的电气控制线路。若不能选择到适合的典型环节，则根据生产机械的工艺要求和生产过程自行设计，边分析边画图，将输入的主令信号经过适当转换，得到执行元件所需的工作信号。随时增减电器元件和触头，以满足所给定的工作条件。3）经验设计法举例

有一台二级皮带运输机，分别由M1、M2二台电动机拖动，要求：（1）按先起动M1，5s后再起动M2；（2）按先停止M2，5s后再停止M1。主电路M1～3QSKM1FU1FR1L1L2L3M2～3KM2FU2FR212控制电路SB1KM1FU3FU312KM1FR1KM2FR2KT1KT1SB0KT2KT2KT2KT2龙门刨床的横梁升降电气控制线路为例（1）横梁机构对电气控制系统提出的要求：横梁升降M1，点动控制；横梁夹紧与放松M2；横梁夹紧与横梁移动之间必须有一定的操作程序：按上升（下降）移动按钮→自动放松→横梁上升（下降）→到位后→松开按钮→横梁自动夹紧；横梁升降具有上下行程的限位保护；横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间具有必要的联锁。

（2）控制电路设计

①设计主电路M1—横梁移动电机，KMl，KM2控制正反转M2—横梁夹紧电机，KM3，KM4控制正反转但它还不能实现在横梁放松后才能自动升降，也不能在横梁夹紧后使夹紧电机自动停止，需要恰当地选择控制过程中的变化参量来实现上述自动控制要求。

②设计基本控制电路

4个接触器—4个线圈2只点动按钮，触头不够—KA1和KA2进行控制。根据生产对控制系统所要求的操作程序可以设计出图所示的草图。③选择控制参量、确定控制原则反映横梁放松的参量，可以有行程参量和时间参量。由于行程参量更加直接反映放松程度，因此采用行程开关进行控制。SQ1↓—横梁已经放松KI↓—横梁已经夹紧，选用电流参量④设计联锁保护环节互锁—KA1、KA2，M1正反转；—KM3、KM4，M1正反转顺序—SQ1，实现横梁松开与移动的联锁保护。限位保护—SQ2、SQ3分别实现上、下限位保护短路保护—FU⑤电路的完善和校核控制电路初步设计完毕后，可能还有不合理的地方，应仔细校核。例如，进一步简化以节省触头数，节省电器间连接线等，特别应该对照生产要求再次分析设计电路是否逐条予以实现，电路在误操作时是否会产生事故。上述电路中，如果按下SBl或SB2的时间很短，横梁放松还未到位就已松开按下的按钮，致使横梁既不能继续放松又不能进行夹紧，容易出现事故。改进的方法是将KM4的辅助触头并联在KA1，KA2两端，使横梁一旦放松，就必然连续工作至放松到位，然后可靠地进入夹紧阶段。继电器控制线路实际上是按一定逻辑关系组合的线路，或称开关线路。因此，可以用逻辑代数方法分析和设计这类控制线路。

采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，能指出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。

2、逻辑设计法将控制线路中的接触器、继电器等电器元件线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以及主令元件触头的接通与断开等，作为逻辑变量；根据控制要求，用逻辑函数关系式表示这些逻辑变量之间的逻辑关系；再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简；最后由化简的逻辑函数式画出相应的电气原理图。逻辑设计法步骤用、、、表示其相应的常闭（动断）触头。1）电器的逻辑表示用KM、KA、SQ、

SB分别表示接触器、继电器、行程开关、按钮的常开（动合）触头；电路中开关元件的受激状态（如继电器线圈得电，行程开关受压）为“1”状态；开关元件的原始状态（如继电器线圈失电，行程升关未受压）为“0”状态。触头的闭合状态为“1”状态；触头的断开状态为“0”状态。以继电器为例：KA—“1”，继电器线圈处于得电状态；KA—“0”，继电器线圈处于失电状态；KA—“1”，继电器常开触头闭合；KA—“0”，继电器常开触头断开：

—“1”，继电器常闭触头闭合；

—“0”，继电器常闭触头断开。

2）逻辑代数的基本逻辑关系

与串、并联电路的逻辑表示（1）并联电路与逻辑“或”相对应（2）

串联电路与逻辑“与”相对应

（3）逻辑“非”，KA——电器的常开触点；

——电器的常闭触点。3）电路的逻辑表示步骤：以某一控制电器的线圈为对象，写出与此对象有关的电路中各控制元件、信号元件、执行元件、保护元件等，它们触头间相互联接关系的逻辑函数表达式（均以未受激时的状态来表示）。

4）举例（1）

设计要求：某电动机只有在继电器KA1、KA2、KA3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，试设计其控制线路。

KA1KA2KA3KM00000011010101111001101111011110（2）设计步骤：1）列出控制元件与执行元件的动作状态表继电器KA：

0——不动作；

1——动作。接触器KM：0——线圈失电，主电路中主触头断开，电动机停止运行；1——线圈得电，主电路主触头闭合， 电动机运行。列出KM得电时的逻辑表达式：

2）

化简3）根据最简式画出控制电路4.4电气控制线路的绘制方法电气控制线路：是把各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等电器元件，用导线按一定方式连接起来组成的控制线路。

作用：是实现对电力拖动系统的启动、调速、反转和制动等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺要求实现生产过程自动化。

特点是；线路简单，设计、安装、调整、维修方便；便于掌握，价格低廉，运行可靠。

电气控制系统图一般有三种：电气原理图、电器布置图、电气安装接线图。它们都是根据国家标准，用规定的文字符号、图形符号和规定的画法绘制而成。

电气控制系统是由电气设备及电气元件按一定的要求连接而成的，为了表达电气控制系统的组成结构及工作原理，同时也为了便于电气系统的安装、调试、使用和检修，必须用统一的工程语言，即工程图的形式来表达，这种工程图称为电气控制系统图。

1、常用的电气图形、文字符号电气控制线路图是电气工程技术的通用语言。为了便于交流与沟通，国家标准局参照国际电工委员会（IEC）颁布的有关文件，制定了我国电气设备的有关标准。GB4728-1984《电气图用图形符号》、GB6988-1987《电气制图》和GB7159-1987《电气技术中的文字符号制定通则》的规定。图形符号由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电操作控制的动作符号（如机械控制符号等）根据不同的具体器件情况组合构成。1）符号要素一种具有确定意义的简单图形，必须同其他图形组合以构成一个设备或概念的完整符号。如用灯丝、栅极、阳极、管壳等符号要素就组成了电子管的符号。符号要素组合时，其布置可以与符号表示的设备实际结构不一致。2）一般符号用以表示一类产品和此类产品特征的简单符号。如，一般电阻器、电容器的符号。一般符号可以表示没有附加信息的具体元件。3）限定符号用以提供附加信息的一种加在其他符号上的符号。如，在电阻器一般符号的基础上，加上不同的限定符号就可以组成可变电阻器、光敏电阻器、热敏电阻器等具有不同功能的电阻器。4）方框符号用以表示元件、设备等的组合及其功能，既不给出元件、设备的细节也不考虑所有连接的一种简单的图形符号。图形符号的几点说明所有符号均按无电压、无外力作用的正常状态示出。如，按钮未按下、开关未合闸。图形符号在放大和缩小时，应保持各符号间的比列不变。在不改变符号含义的情况下，各根据需要改变方位（根据需要旋转或成镜像位置）。图形符号中导线符号可以用不同宽度的线条表示，一般将电源线或主信号导线用加粗的实线表示。I>I<U<KV可为电气技术中的项目代号提供电气设备、装置和元器件种类字母代码和功能代码；可以作为限定符号与一般图形符号组合使用，以派生新的图形符号。

基本文字符号：单字母、双字母。文字符号单字母：是按拉丁字母将各种电气设备、装置、元器件划分为23大类，每个大类用一个专用单字母符号表示。如C表示电容器类、R表示电阻器类。辅助文字符号用以表示电气设备、装置和元器件以及线路的功能、状态和特征。如，RD表示红色、SYN表示同步。辅助文字还可以单独使用，如，ON表示接通，N表示中性线。双字母：将大类进一步划分，以便较详细和更具体地表述电气设备、装置和元器件。其组合形式为单字母在前，另一个字母在后。如GB表示蓄电池，其中“G”为电源的单字母；F表示部分保护器件类，FU熔断器、FR热继电器。2、电气原理图的绘制电气原理图是为了便于阅读和分析控制电路的各种功能，用各种符号、电气连接联系起来描述全部或部分电气设备的工作原理的电路图。根据简单清晰的原则，电气原理图采用电器元件展开的形式绘制，它包括了所有电器元件的导电部分和接线端子。但不按照电器元件的实际安装位置和实际连线情况绘制，也不反映电器元件的大小。电气原理图分为主电路和辅助电路。主电路：从电源到电动机的这部分电路，通过大电流，用于能量的传送。辅助电路——控制电路、信号电路、照明电路及保护电路。辅助电路中通过的电流较小。控制电路：由按钮、继电器和接触器的线圈、继电器触头、接触器辅助触头、热继电器的触头等组成。通过的电流较小，用于控制信号的传递。绘制电气原理图的原则（1）原理图的布置1）主电路用粗实线绘制在图面的左侧。其中电源电路用水平线绘制，受电动力设备（电动机）及其保护电器支路，应垂直于电源电路画出。2）辅助电路用细实线绘制在图面的右侧，应垂直地绘制于两条水平电源线之间。耗能元件（如线圈、电磁铁、信号灯等）的一端应直接连接在接地的水平电源线上，控制触头连接在上方水平线与耗能元件之间。（2）无论主电路还是辅助电路，各元件一般应按动作顺序从上到下、从左到右依次排列。（3）各电器元件和部件在电气原理图中的位置，应根据便于阅读的原则安排，同一电器元件的各个部件（如线圈和触头）可以不画在一起，但需用同一文字符号标明。多个同一种类的电器元件，可在文字符号后面加上数字序号下标，如SB1、SB2等。（4）所有电器元件的触头按没有通电和没有外力作用时的开闭状态绘出。对按钮、行程开关类电器，是指没有受到外力作用时的触头状态；对继电器、接触器等，是指线圈没有通电时的触头状态。（5）主电路标号由文字符号和数字组成。

文字符号用以标明主电路中元件或线路的主要特征，数字标号用以区别电路不同线段。电气控制线路图中的支路、元件和接点等一般都要加上标号。三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标记（分别对应以前的A、B、C三相，即对应色标黄、绿、红），中性线为N。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序进行标记，接地端为PE。电动机分支电路各接点标记采用三相文字代号后面加数字来表示，数字中的十位数表示电动机代号，个位数表示该支路接点的代号，从上到下按数值的大小顺序标记。直流回路：正电源回路采用“1”标记；负电源回路采用“2”标记。电动机绕组首端分别用U1、V1、W1标记，尾端分别用U2、V2、W2标记，双绕组的中点则用U3、V3、W3标记。也可以用U、V、W标记电动机绕组首端，用U′、V′、W′标记绕组尾端，用U″、V″、W″表记双绕组的中点。如U11表示M1电动机的第一相的第一个接点代号，U12为第一相的第二个接点代号，以此类推。（6）辅助电路中连接在一点上的所有导线具有同一电位而标注相同的线号，线圈、指示灯等以上线号标奇数，线圈、指示灯等以下线号标偶数。（7）原理图上尽可能减少线条和避免线条交叉。原理图中有直接联接的交叉导线连接点，用实心圆点表示；可拆接或测试点用空心圆点表示；无直接电联接的交叉点则不画圆点。根据图面布置的需要，可以将图形符号旋转逆时针转90°绘制。（8）对非电气控制和人工操作的电器，必须在原理图上用相应的图形符号表示其操作方法及工作状态。对同一机构操作的所有触头，应用机械连杆表示其联动关系。各个触头的运动方向和状态，必须与操作件的动作方向和位置协调一致。（9）对与电气控制有关的机、液、气等装置，应用符号绘制出简图，以表示其关系。图面区域的划分为了便于检索电气线路，方便阅读电气原理图，应将图面划分为若干区域。图区的编号一般写在图的下部。图的上方设有用途栏，用文字注明该栏所对应的下面电路或元件的功能，以利于理解电气原理图各部分的功能及全电路的工作原理。符号位置的索引由于接触器、继电器的线圈和触头在电气原理图中不是画在一起的，其触头分布在图中所需的各个图区，为便于阅读，在接触器、继电器线圈的下方画出其触头的索引表。继电器触头索引表

左栏右栏辅助动合触头所在图区号辅助动断触头所在图区号接触器触头索引表左栏中栏右栏主触头所在图区号辅助动合触头所在图区号辅助动断触头所在图区号表明：KM有3对主触头在3图区，1对辅助动合触头在6图区，无辅助动断触头。3、电器元件布置图电器元件布置图表示了各种电器设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置，以提供电器设备各个单元的布局和安装工作所需要数据的图样。绘制电器元件布置图应遵循的原则

1）体积大和较重的电器应安装在控制柜的下放。2）安装发热元件时，要注意控制柜内所有元件的温升保持在他们的允