《电气控制与PLC原理及应用》课件第8章

第8章电气控制系统设计

8.1电气控制系统设计的内容8.2电气接线图的设计方法8.3继电器—接触器控制线路的设计方法8.4PLC控制系统设计的内容和方法8.5应用示例小结8.1电气控制系统设计的内容

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的电气控制系统制造和使用、维护中的所有图纸和资料。电气图纸主要包括电气原理图、电气安装图、电气接线图等。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。8.1.1电气控制系统设计的基本原则电气控制系统设计涉及的内容十分广泛，设计的每一个环节都与产品的质量和成本密切相关，其基本原则如下：

(1)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进性，又要与具体国情和企业实力相适应。脱离实际地盲目追求自动化和高技术指标是不可取的。

(2)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，最大限度地满足机械设备的加工工艺要求。

(3)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。

(4)操作维修方便，外形结构美观。8.1.2电气控制系统设计的基本内容电气控制系统设计的基本任务是满足生产机械的控制要求，在电气原理和工艺设计过程中，需要完成以下设计项目：

(1)拟定电气设计任务书(技术条件)。电气设计任务书是电气设计的依据，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，确定电气的设计任务书。

(2)电力拖动方案的选择。设备的拖动方法主要有电力拖动、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，应根据机械设备驱动力矩或功率的要求，合理选择电机类型和参数。电力拖动方案要考虑电机启动及换向方法、调速方式及方法、制动方法等内容。(3)控制方式的选择。应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，以及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逻辑型继电接触器控制方式。对于经常变换加工工序的设备，可以采用可编程控制器控制。对于复杂控制系统(如自动生产线、加工中心等)以及对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来控制。(4)设计电气控制原理图并选择元器件。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。

(5)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。

(6)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打印，以便于装订成册并存档，向用户提供完整的电气维护使用手册。8.2电气接线图的设计方法

电气接线图是电气设计的重要组成部分，是电气安装施工所依据的工艺性文件。系统地掌握电气控制系统接线图工艺设计方法，是保障电气控制系统质量的基础。电气安装接线图简称电气接线图。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。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很多种，本教材主要介绍基于导线二维标注的绘制方法。

传统的电气接线图通过标注导线线号以及在器件间采用连接导线束来表示导线的连接关系，用这种方法绘出的电气接线图存在以下缺点：

(1)连接导线束较多，图面较乱。

(2)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。因此，这种方法正在逐步被淘汰。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，来指示导线的编号和去向，从而省去了器件间的连接导线束，使得电气接线图的接线关系更加简单明了，图面更加整洁。

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的具体安装位置，绘制出元器件布置图及安装底板图。再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。电气接线图和电气安装互连图的绘制原则如下所述。1.电气接线图的绘制原则

(1)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)，并在其中画出与原理图一致的图形符号。一个元件的所有电器部件的电气符号均应集中在本元件框的方框内，不得分散画出。(2)在原理图上标注接线标号(简称线号)时，主回路线号通常采用字母加数字的方法标注，控制回路线号采用数字标注。控制电路线号标柱的方法是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)。(3)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(左上或右上角)。(4)接线关系的表示方法有两种。一是用数字标注线号，器件间用细实线连接的表示方式。如果器件间连接线条多，那么这样表示会使得电气接线图图面显得杂乱，因此该方式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号的二维空间标注，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，分别写在电器元件的连接线上(含线侧)和出线端，指示导线及去向。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的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。(5)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。2.电气安装互连图的绘制原则电气安装互连图用来表示电气设备各单元间的接线关系。互连图可以清楚地表示电气设备外部元件的相对位置及它们之间的电气连接，是实际安装接线的依据，在生产现场中得到了广泛应用。不同单元线路板上的电器元件必须经接线端子板连接，系统设计时应根据负载电流的大小计算并选择连接导线，原理图中应注明导线的标称截面积和种类。互连图的主要绘制规则有：(1)互连图中导线的连接关系用导线束表示，连接导线应注明导线规范(颜色、数量、长度和截面积等)。

(2)穿管或成束导线还应注明所有穿线管的种类、内径、长度及考虑备用导线后的导线根数。其他：注明有关接线安装的技术条件。3.电气接线图绘制的简要步骤

(1)画元件框及符号。依照安装位置，在接线图上画出元器件的电气符号图形及外框。

(2)分配元件编号。给器件编号，并将器件编号标在接线图中。

(3)标线号。在原理图上定义并标注每一根导线的线号。

(4)填充连线的去向和线号。在器件连接导线的线侧和线端标注线号和导线去向(器件编号)。8.3继电器—接触器控制线路的设计方法

继电器—接触器控制是应用最广泛的控制方式之一。它通过触点的“通”、“断”来控制电动机、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。下面从几个不同角度来说明继电器—接触器控制电路设计的一般规律：(1)尽量选用典型环节或经过实际检验过的控制线路。

(2)在控制原理正确的前提下，减少连接导线的根数与长度。进行电气原理图设计时，应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8-1(a)所示的两地控制电路的原理虽然正确，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，所以两地间的连线较多，电路结构不尽合理。而图8-1(b)所示电路两地间的连线较少，更为合理。图8-1两地控制电路(3)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。在图8-2(a)所示的顺序控制电路中，KA3线圈通电电流要经过KA1、KA2、KA3的三对触点；若改为图8-2(b)所示的电路，则每个继电器的接通只需经过一对触头，工作更为可靠。图8-2顺序控制电路(4)减少不必要的触点和通电时间。减少不必要触点的方法是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，降压启动控制电路的启动过程结束后，应将控制启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。(5)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，同时动作的电器的电压线圈只能并联连接。例如，图8-3所示的电压线圈就不允许串联连接，而只能并联连接。否则的话，将因衔铁气隙的不同，而使线圈交流阻抗不同，电压不平均分配，从而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。图8-3电压线圈并联(6)防止竞争现象。图8-4(a)为由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，常闭触点断开，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常闭触点来切断其线圈的导电通路时会产生不可靠的竞争现象，在线路设计时应力求避免。对竞争现象的分析：当时间继电器的常开触点延时断开后，时间继电器的线圈失电，又使经过ts秒断开的常闭触点恢复闭合，使经过t1秒闭合的瞬时常开触点断开。若ts>t1，则电路能反身关闭；若ts<t1，则KT的继电器线圈再次吸合，这种现象叫触点竞争。图8-4(b)所示的电路增加了起控制作用的中间继电器KA，从而可以避免竞争现象的发生。图8-4反身关闭电路(7)控制电源的选择。由于触点容量大，主电路的电器一般采用交流电器，而控制电器有很多不同的选择方式。因此，控制电路设计的一项重要内容就是控制电源的选择。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。电源的类型要与继电器—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。当线路比较复杂，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，可采用由控制变压器隔离并降压(127V、110V、路复杂、电器数量很多，对每一个电器的可靠性都要求较高的场合以及控制电路带有直流负载36V)的低压供电。但需注意，随着控制电源电压的降低，控制电路的电流将增大。在控制电(如直流电磁铁)的情况下，控制电路可采用直流电器，需要低压直流电源供电。(8)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，以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有最大工作负载时所需要的功率，即

ST≥KT∑SXC式中：ST——变压器所需容量(单位为W);∑SXC——控制电路有最大负载时工作电器吸合所需要的功率(单位为VA);KT——变压器容量的储备系数，一般取1.1~1.25。8.4

PLC控制系统设计的内容和方法

随着控制系统复杂程度的增加，PLC控制系统将逐步取代继电器—接触器电气控制系统。本节将介绍PLC控制系统的一般设计内容和方法。8.4.1设计原则在设计过程中，通常应遵循以下基本原则：

(1)经济性。在满足控制要求的前提下，应尽可能降低设计、使用和维护的成本，力求性价比最高。

(2)可靠性。控制系统要功能完善、稳定可靠。

(3)先进性。在满足可靠性的前提下，系统要保证一定的先进性。

(4)可扩展性。对于PLC单机系统，要考虑通过增加扩展模块来满足系统规模扩大的要求；对于网络系统，网络应易于增加节点，易于连接新型采集装置，易于与其他系统进行数据交换。8.4.2设计内容和方法在PLC控制系统的设计中，要对控制对象进行详细分析，首先应确定系统用PLC单机控制，还是用PLC形成网络；然后对各种方案进行对比，确定控制方案；最后按系统要求进行硬件和软件的功能划分、设计和调试，直到满足控制系统设计要求为止。

1.明确控制要求通过对控制对象进行详细分析，熟悉其控制要求和生产工艺，列出控制系统的所有功能和指标要求，明确控制要求。

2.选择I/O设备根据控制系统的要求，选择合理的I/O设备，并初步估计需要的I/O点数。常用传动设备及电气元件所需的I/O点数可以参考表8-1。表8-1常用传动设备及电气元件所需的I/O点数3.选择PLC型号

PLC的型号种类很多，在选择时应主要考虑以下几个方面：

(1)I/O点数。根据输入、输出设备数量计算PLC的I/O点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有10%~15%的余量。

(2)存储容量与速度。尽管各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品，一般按下式估算用户程序的存储容量：存储器字数=1.3×(开关量I/O点数×10+模拟量点数×200)(3)编程器的选择。

PLC编程可采用以下三种方式：手持编程器编程。它只能用厂家规定的语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，其体积小，易于现场调试，造价也较低。

图形编程器编程。该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。个人计算机加PLC软件包编程。这种方式是效率最高的一种方式，也是应用非常普遍的一种方式。因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。(4)输入/输出模块的选择。选择哪一种输入/输出模块，取决于控制系统输入/输出回路的信号种类和要求。①电源回路。PLC供电电源一般为AC85V~240V(也有DC24V)，其电源适应范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件(如电源滤波器、1∶1隔离变压器等)。②输入回路。输入回路有直流5V/12V/24V/48V/60V等和交流115V/220V等形式。一般应根据现场设备和主机的距离来选择电压的高低。如5V的输入模块适用于10m以内的距离，48V适用于30m以上的距离。

③输出回路。根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，可确定输出端是采用继电器输出，还是晶体管输出，或晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。各种输出方式之间的比较如下：

继电器输出：优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点。但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。

晶闸管输出：带负载能力为0.2A/点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。晶体管输出：最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带DC5V~30V的负载，最大输出负载电流为0.5A/点，但每4点不得大于0.8A。当系统输出频率为6次/min以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式，也可采用PLC输出驱动达林顿三极管(5A~10A)，再驱动负载。

(5)尽量选用大公司的产品，其质量有保障，技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于产品扩展与软件升级。4.系统的硬件设计硬件设计主要包括以下几方面：

(1)分配PLC的I/O点地址。根据输入设备和输出设备的数量和型号分配I/O地址，以便绘制接线图及编写程序。分配I/O地址的原则如下：①每一个输入信号占用一个输入地址，每一个输出地址驱动一个负载。②同一类型的信号集中配置，地址编号按顺序连续编排。③彼此相关的输出器件，例如，电机的正反转、电磁阀的夹紧与放松等，要连续编写其输出地址编号。(2)绘制电气线路图。步骤为：①绘制主电路图。②绘制PLC输入/输出接线端子图。③绘制PLC的电源线路。④绘制输入/输出设备的电源线路。⑤设计电气控制柜(台)及电器布置图。

(3)安装电气控制柜(台)。5.系统的软件设计一般按以下步骤编写软件：

(1)设计控制系统流程图或功能表图，明确动作的顺序和条件。

(2)根据系统流程图或功能表图，结合分配的I/O地址，即可编写程序。常用的方法有经验设计法、逻辑设计法和流程图设计法(即功能表图设计法)。

①经验设计法。经验设计法是将继电器—接触器控制线路原理图按照一定的对应关系，转化为梯形图的设计方法。该方法非常适合对继电器—接触器控制线路熟悉的工程技术人员使用。②逻辑设计法。逻辑设计法以逻辑代数为基础，根据生产工艺的变化，列出检测元件、中间元件和执行元件的逻辑表达式并化简，然后再转化为梯形图。③顺序控制设计法(功能表图设计法)。在工业控制领域中，顺序控制设计法已经成为PLC程序设计的主要方法。1)功能流程图的组成功能流程图由状态、转换、转换条件和动作说明四部分组成。功能流程图的一般结构形式如图8-5所示。

(1)状态。状态用矩形框表示，框中的数字是该状态对应的工步序号，也可以将与该状态相对应的编程元件(如PLC内部的通用辅助继电器、移位继电器、状态继电器等)作为状态的编号。注意，“0”状态或原始状态用双线框表示。图8-5功能流程图的一般结构形式

(2)转换。转换用有向线段表示。在两个状态框之间必须用转换线段相连接。

(3)转换条件。转换条件用与转换线段垂直的短划线表示。每个转换线段上必须有一个表示转换条件的短划线。在短线旁可以用文字或图形符号或逻辑表达式注明转换条件的具体内容。当相邻两状态之间的转换条件满足时，两状态之间的转换才得以实现。

(4)动作说明。在状态框旁边，用文字说明了与状态相对应的工步的内容，这些文字即为动作说明。动作说明用矩形框围起来，用短线与状态框平行相连。动作说明旁边往往也标出了实现该动作的电气执行元件的名称或PLC地址。2)功能流程图的特点功能流程图的基本特点是各工步按顺序执行，上一工步执行结束，转换信号出现时，立即开通下一工步，同时关断上一工步。在图8-5中，Xi－1=1是第i步开通的前导信号，待转换条件a满足时，第i步立即开通(Xi=1)，同时关断前一工步(Xi－1=0)。由此可见，第i步开通的条件有两个，即Xi-1=1和a=1。第i-1步关断的条件只有一个，即Xi=1。功能流程图第i步开启和关断的条件，运用逻辑表达式可表示为式中，左边的Xi

表示第i步的状态；右边的Xi-1表示第i步的前导信号，a表示转换条件，Xi表示自锁信号，表示关断第i步的主令信号。

3)功能流程图的主要类型功能流程图的主要类型如下：

(1)单流程。它反映按顺序排列的步相继被激活的一种基本形式，其结构如图8-5所示。

(2)选择分支和连接。图8-6是选择性分支和连接的功能流程图，它在一个活动步之后，紧接着有几个后续步可供选择，选择分支的每个工步都有各自的转换条件。图8-6中，当工步2处于激活状态时，若转换条件b＝1，则执行工步3；若转换条件c=1，则执行工步4。ｂ、ｃ、ｄ、ｅ是选择执行的条件。哪个条件满足，则选择相应的分支，同时关断上一工步2。图8-6选择分支和连接(3)并行分支和连接。当转换的实现导致各个分支同时被激活时，采用并行分支，如图8-7所示。其有向连接线的水平部分用双线表示。当工步2处于激活状态时，若转换条件b=1，则工步3、5同时开启，即工步2必须在工步3、5都开启后才能关断。图8-7并行分支和连接(4)循环和跳转。在生产过程中，有时要求在一定条件下停止执行某些原定动作，此时可用跳转程序。有时需要重复执行，此时可用循环程序。如图8-8所示，当工步1处于激活状态时，若条件e=1，则跳过工步2、3，直接激活工步4。跳转结构是一种特殊的选择分支。当工步4处于激活状态时，若条件d=1，则循环执行，激活状态1。循环程序也是一种特殊的选择分支。图8-8循环和跳转

注意：转换是有方向的，一般功能图的转换顺序是从上到下，从左到右。是正常顺序时可以省略箭头，否则必须加箭头，以标明方向。4)用功能流程图绘制梯形图功能流程图完整地表现了控制系统的控制过程、各状态的功能、状态转换的顺序和条件。它是进行PLC应用程序设计的便捷工具。利用功能流程图进行程序设计时，大致可按以下几个步骤进行：

(1)根据控制要求和工艺过程的内容、步骤和顺序，画出功能流程图。

(2)在功能流程图上以PLC输入点或其他元件来定义状态转换条件，当某转换条件的实际内容不止一个时，可用逻辑表达式的形式来表示有效转换条件。

(3)按照电气执行元件与PLC软继电器的编号对照表，在功能流程图上指出实现状态或动作命令控制功能的电气执行元件，并用对应PLC地址定义这些执行元件。

(4)根据功能流程图写出工步状态的逻辑表达式。

(5)写出各执行电器的逻辑表达式。

(6)根据表达式编制梯形图程序。图8-9是一个液压动力滑台实现进给控制的功能流程图和状态的逻辑关系，具体梯形图请读者自己设计。图8-9某液压动力滑台实现进给控制的功能流程图8.5应用示例

本节分别以继电器—接触器控制系统和PLC控制系统的应用为例，进一步说明电气控制系统的设计方法。8.5.1继电器—接触器控制系统设计应用示例下面结合电气控制设备制造的工程实际，以一台小型电动机控制线路设计为例，结合电气接线图和电气互连图的绘制原则，进一步说明导线二维标注法在电气接线图中的应用方法和电气控制系统设计的过程。1.电动机启停控制电气原理图电动机启停控制电气原理路如图8-10所示，为简化内容，电路原理分析从略。为便于施工和设计电气接线图，电气原理图中依据线号标注原则标出了各导线标号，大电流导线标出了载流面积(根据电动机工作电流计算出的导线的截面积)。元器件清单见表8-2。图8-10电动机启停控制电气原理图表8-2元器件清单2.电气安装位置图电气安装位置图又称布置图，主要用来表示原理图所有电器元件在设备上的实际位置，为电气设备的制造、安装提供必要的资料。图中，各电器符号与电气原理图和元器件清单中的器件代号一致。根据此图可以设计相应器件的安装打孔位置图，用于器件的安装固定。电气安装位置图同时也是电气接线图设计的依据。

电动机启停控制电路的电气安装分为操作(控制)面板的安装和电器安装底板(主配电盘)的安装两部分。操作(控制)面板设计在操作平台或控制柜柜门上，用于安装各种主令电器和状态指示灯等器件。控制面板与主配电盘间的连接导线采用接线端子连接。接线端子安装在靠近主配电盘接线端子的位置。电器安装底板用来安装固定除操作按钮和指示灯外的其他电器元件。电器安装底板安装的元器件布置位置一般自上而下、自左而右依次排列。底板与控制操作面板相连接的接线端子，一般布置在靠近控制面板的上方或柜门轴侧；底板与电源或电机等外围设备相连的接线端子，一般布置在配电盘的下方靠近过线孔的位置。主配电盘的电气安装位置图如图8-11所示，操作面板的电气安装位置图如图8-12所示。图8-11主配电盘的电气安装位置图图8-12操作面板的电气安装位置图3.电气接线图根据电气安装位置图及绘制电气接线图的具体原则，分别绘制操作面板和电器安装底板的电气接线图。

(1)电器安装底板(主配电盘)的电气接线图如图8-13所示。图中，所有元件的电气符号均集中在本元件框的方框内；各个器件编号，连同电器符号标注在器件方框的右上方；电气接线图采用二维标注法表示导线的连接关系；线侧数字表示线号；线端数字20~25表示器件编号，用于指示导线去向；布线路径可由电气安装人员自行确定。图8-13主配电盘的电气接线图(2)操作(控制)面板的电气接线图如图8-14所示。在控制面板接线图中，线侧和线上数字1~7表示线号；线端数字10~25表示所去器件编号，用于指示导线去向。控制面板与主配电盘间的连接导线通过接线端子连接，并采用塑料蛇形套管防护。图8-14操作面板的电气接线图

4.电气安装互连图表示电动机启停控制电路的电气控制柜和外部设备及操作面板间接线关系的电气安装互连图如图8-15所示。图中，导线的连接关系用导线束表示，并注明了导线规范(颜色、数量、长度和截面积等)和穿线用管的种类、内径(d)、长度及考虑备用导线后的导线根数，其明细见表8-3。连接配电盘底板和控制面板的导线，采用蛇形塑料软管或包塑金属软管保护。控制柜与电源、电机间采用电缆线连接。

(注：为作图方便，图中接线端子与实际位置不相一致)。图8-15电气安装互连图表8-3管内敷线明细表5.安装调试设计工作完毕后，要进行样机的电气控制柜安装施工。按照电气接线图和电气安装互连图完成安装及接线，经检查无误且连接可靠后，可进行通电试验。首先在空载状态下(不接电动机等负荷)通过操作相应开关，给出开关信号，试验控制回路各电器元件动作以及指示的正确性。经过调试，各电器元件均按照原理要求动作准确无误后，方可进行负载试验。第二步的负载试验通过后，编写相应的原理、使用操作说明文件。

本节通过导线二维标注法的应用实例，对电气设计内容、设计方法进行了较为完整的介绍，可以使读者对低压控制柜电气设计有一个较为全面的了解，进而提高工程设计能力。8.5.2PLC控制系统设计应用示例图8-16是某机械手的工作示意图。该机械手的任务是将工件从工作台A搬往工作台B。机械手的初始位置在原位，按下启动按钮后，机械手将依次完成：下降→夹紧→上升→右移→下降→放松→上升→左移八个动作，实现机械手一个周期的动作。试设计该机械手的PLC控制系统。图8-16机械手的工作示意图1.明确控制要求机械手的所有动作均采用电液控制、液压驱动。它的上升／下降和左移／右移均采用双线圈三位电磁阀推动液压缸完成。控制要求如下：机械手动作转换靠限位开关来控制，限位开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别对机械手进行下降、上升、右移、左移动作的限位，并给出了动作到位的信号。而夹紧、放松动作的转换是由时间继电器来控制的。另外，还安装了光电开关SP，负责监测工作台B上的工件是否已移走，从而产生无工件信号，为下一个工件的下放做好准备。工作台A、B上工件的传送不用PLC控制；机械手要求按一定的顺序动作，其流程图如图8-17所示。图8-17机械手的动作流程图

启动时，机械手从原点开始按顺序动作。停止时，机械手停止在现行工步上。重新启动时，机械手按停止前的动作继续进行。为满足生产要求，机械手设置有手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。

手动工作方式：利用按钮对机械手每一步的动作单独进行控制，例如，按“上升”按钮，机械手上升；按“下降”按钮，机械手下降。此种工作方式可使机械手置原位。单步工作方式：从原点开始，按自动工作循环的工序，每按一下启动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止。

单周期工作方式：按下启动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作后停在原位。连续工作方式：机械手在原位时，按下启动按钮，它将自动连续地执行周期动作。当按下停止按钮时，机械手保持当前状态。重新恢复后，机械手按停止前的动作继续进行。2.选择I/O设备由机械手执行机构可知：

(1)输入为14个开关量信号，由限位开关、按钮、光电开关组成。

(2)输出为6个开关量信号，由24V电液控制、液压驱动线圈和指示灯组成。

3.选择PLC型号根据控制要求，PLC控制系统选用SIEMENS公司的S7200系列CPU214，因为I/O点数不够，另外选择扩展模块EM221。4.系统的硬件设计

(1)分配PLCI/O地址、内部辅助继电器的地址。表8-4为PLCI/O和所用内部辅助继电器地址分配表。

表8-4I／O和所用内部辅助继电器地址分配表(2)绘制PLC输入/输出接线端子图。根据表8-4可以绘制出PLC输入/输出接线端子图，见图8-18。图8-18PLC输入/输出接线端子图5.系统的软件设计

1)设计控制系统流程图或功能表图控制系统流程图见图8-19。

图8-19控制系统流程图2)PLC控制系统程序设计

(1)整体设计。为编程结构简洁、明了，可把手动程序和自动程序分别编成相对独立的子程序模块，通过调用指令进行功能选择。当工作方式选择开关选择手动工作方式时，I0.7接通，执行手动工作程序；当工作方式选择开关选择自动方式(单步、单周期、连续)时，I1.0、I1.1、I1.2分别接通，执行自动控制程序。整体设计的梯形图(主程序)如图8-20所示。图8-20主程序梯形图(2)手动控制程序。手动操作不需要按工序顺序动作，可以按普通继电器—接触器控制系统来设计。手动控制的梯形图见图8-21。手动按钮I1.3、I1.4、I1.5、I2.0、I2.1、I2.2分别控制下降、上升、左移、右移、夹紧、放松各个动作。为了保持系统的安全运行，还设置了一些必要的联锁保护，其中，在左右移动的控制环节中加入了I0.2作上限联锁，因为机械手只有处于上限位置(I0.2=1)时才允许左右移动。图8-21手动控制的梯形图

由于夹紧、放松动作选用了单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中用置位、复位指令来控制，该指令具有保持功能，并且也设置了机械联锁。只有当机械手处于下限(I0.1=1)时，才能进行夹紧和放松动作。(3)自动操作程序。由于自动操作的动作较复杂，不容易直接设计出梯形图，因此可以先画出自动操作流程图，用以表明动作的顺序和转换的条件，然后根据所采用的控制方法，就能比较方便地设计梯形图了。机械手的自动操作流程图如图8-19所示。图中，矩形方框表示其自动工作循环过程中的一个“工步”，方框中用文字表示该步的编号；方框的右边画出了该步动作的执行元件；相邻两工步之间可以用有向线段连接，表明转换方向；有向线段上的小横线表示转换的条件，当转换条件得到满足时，便从上一工步转到下一工步。

对于顺序控制，可用多种方法进行编程，用移位寄存器也很容易实现这种控制功能，转换的条件由各行程开关及定时器的状态来决定。为保证运行的可靠性，在执行夹紧和放松动作时，分别用定时器T37和定时器T38作为转换的条件，并采用具有保持功能的继电器(M0.X)为夹紧电磁阀线圈供电。其工作过程分析如下：①机构处于原位，上限位和左限位行程开关闭合，I0.1、I0.4接通，移位寄存器首位M1.0置“1”，Q0.5输出原位显示，机构当前处于原位。②按下启动按钮，I0.0接通，产生移位信号，使移位寄存器右移一位，M1.1置“1”(同时M1.0恢复为零)，M1.1得电，Q0.0输出下降信号。

③下降至下限位，下限位开关受压，I0.1接通，移位寄存器右移