【電氣控制系統(tǒng)】電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則和設(shè)計程序

電氣控制系統(tǒng)主要功能

為了保證一次設(shè)備運行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設(shè)備為之服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)某項控制功能的若干個電器組件的組合，稱為控制回路或二次回路。這些設(shè)備要有以下功能：

(1)自動控制功能。高壓和大電流開關(guān)設(shè)備的體積是很大的，一般都采用操作系統(tǒng)來控制分、合閘，特別是當(dāng)設(shè)備出了故障時，需要開關(guān)自動切斷電路，要有一套自動控制的電氣操作設(shè)備，對供電設(shè)備進(jìn)行自動控制。

(2)保護(hù)功能。電氣設(shè)備與線路在運行過程中會發(fā)生故障，電流(或電壓)會超過設(shè)備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測這些故障信號并對設(shè)備和線路進(jìn)行自動調(diào)整(斷開、切換等)的保護(hù)設(shè)備。

(3)監(jiān)視功能。電是眼睛看不見的，一臺設(shè)備是否帶電或斷電，從外表看無法分辨，這就需要設(shè)置各種視聽信號，如燈光和音響等，對一次設(shè)備進(jìn)行電氣監(jiān)視。

(4)測量功能。燈光和音響信號只能定性地表明設(shè)備的工作狀態(tài)(有電或斷電)，如果想定量地知道電氣設(shè)備的工作情況，還需要有各種儀表測量設(shè)備，測量線路的各種參數(shù)，如電壓、電流、頻率和功率的大小等。

在設(shè)備操作與監(jiān)視當(dāng)中，傳統(tǒng)的操作組件、控制電器、儀表和信號等設(shè)備大多可被電腦控制系統(tǒng)及電子組件所取代，但在小型設(shè)備和就地局部控制的電路中仍有一定的應(yīng)用范圍。這也都是電路實現(xiàn)微機自動化控制的基礎(chǔ)。

電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)組成

常用的控制線路的基本回路由以下幾部分組成。

(1)電源供電回路。供電回路的供電電源有交流AC380V、220V和直流24V等多種。

(2)保護(hù)回路。保護(hù)(輔助)回路的工作電源有單相220（交流）、36V（直流）或直流220（交流）、24V（直流）等多種，對電氣設(shè)備和線路進(jìn)行短路、過載和失壓等各種保護(hù)，由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩(wěn)壓組件等保護(hù)組件組成。

(3)信號回路。能及時反映或顯示設(shè)備和線路正常與非正常工作狀態(tài)信息的回路，如不同顏色的信號燈，不同聲響的音響設(shè)備等。

(4)自動與手動回路。電氣設(shè)備為了提高工作效率，一般都設(shè)有自動環(huán)節(jié)，但在安裝、調(diào)試及緊急事故的處理中，控制線路中還需要設(shè)置手動環(huán)節(jié)，用于調(diào)試。通過組合開關(guān)或轉(zhuǎn)換開關(guān)等實現(xiàn)自動與手動方式的轉(zhuǎn)換。

(5)制動停車回路。切斷電路的供電電源，并采取某些制動措施，使電動機迅速停車的控制環(huán)節(jié)，如能耗制動、電源反接制動，倒拉反接制動和再生發(fā)電制動等。

(6)自鎖及閉鎖回路。啟動按鈕松開后，線路保持通電，電氣設(shè)備能繼續(xù)工作的電氣環(huán)節(jié)叫自鎖環(huán)節(jié)，如接觸器的動合觸點串聯(lián)在線圈電路中。兩臺或兩臺以上的電氣裝置和組件，為了保證設(shè)備運行的安全與可靠，只能一臺通電啟動，另一臺不能通電啟動的保護(hù)環(huán)節(jié)，叫閉鎖環(huán)節(jié)。如：兩個接觸器的動斷觸點分別串聯(lián)在對方線圈電路中。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則和設(shè)計程序

第一講電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

生產(chǎn)機械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，包含兩個基本內(nèi)容：一個是原理設(shè)計，即要滿足生產(chǎn)機械和工藝的各種控制要求，另一個是工藝設(shè)計，即要滿足電氣控制裝置本身的制造、使用和維修的需要。原理設(shè)計決定著生產(chǎn)機械設(shè)備的合理性與先進(jìn)性，工藝設(shè)計決定電氣控制系統(tǒng)是否具有生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟(jì)性、美觀、使用維修方便等特點，所以電氣控制系統(tǒng)設(shè)計要全面考慮兩方面的內(nèi)容。在熟練掌握典型環(huán)節(jié)控制電路、具有對一般電氣控制電路分析能力之后，設(shè)計者應(yīng)能舉一反三，對受控生產(chǎn)機械進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計并提供一套完整的技術(shù)資料。

第一節(jié)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則、基本內(nèi)容和設(shè)計程序

生產(chǎn)機械種類繁多，其電氣控制方案各異，但電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計原則和設(shè)計方法基本相同。設(shè)計工作的首要問題是樹立正確的設(shè)計思想和工程實踐的觀點，它是高質(zhì)量完成設(shè)計任務(wù)的基本保證。

一、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則

1．最大限度地滿足生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝對電氣控制系統(tǒng)的要求。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)主要來源于生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝的要求。

2．設(shè)計方案要合理。在滿足控制要求的前提下，設(shè)計方案應(yīng)力求簡單、經(jīng)濟(jì)、便于操作和維修，不要盲目追求高指標(biāo)和自動化。

3．機械設(shè)計與電氣設(shè)計應(yīng)相互配合。許多生產(chǎn)機械采用機電結(jié)合控制的方式來實現(xiàn)控制要求，因此要從工藝要求、制造成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、使用維護(hù)方便等方面協(xié)調(diào)處理好機械和電氣的關(guān)系。

4．確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠地工作。

二、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本任務(wù)、內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計、編制出設(shè)備制造和使用維修過程中所必須的圖紙、資料等。圖紙包括電氣原理圖、電氣系統(tǒng)的組件劃分圖、元器件布置圖、安裝接線圖、電氣箱圖、控制面板圖、電器元件安裝底板圖和非標(biāo)準(zhǔn)件加工圖等，另外還要編制外購件目錄、單臺材料消耗清單、設(shè)備說明書等文字資料。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容主要包含原理設(shè)計與工藝設(shè)計兩個部分，以電力拖動控制設(shè)備為例，設(shè)計內(nèi)容主要有：

1、原理設(shè)計內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計的主要內(nèi)容包括：

（l）擬訂電氣設(shè)計任務(wù)書。

（2）確定電力拖動方案，選擇電動機。

（3）設(shè)計電氣控制原理圖，計算主要技術(shù)參數(shù)。

（4）選擇電器元件，制訂元器件明細(xì)表。

（5）編寫設(shè)計說明書。

電氣原理圖是整個設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，它為工藝設(shè)計和制訂其他技術(shù)資料提供依據(jù)。

2、工藝設(shè)計內(nèi)容

進(jìn)行工藝設(shè)計主要是為了便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，從而實現(xiàn)原理設(shè)計提出的各項技術(shù)指標(biāo)，并為設(shè)備的調(diào)試、維護(hù)與使用提供相關(guān)的圖紙資料。工藝設(shè)計的主要內(nèi)容有：

（l）設(shè)計電氣總布置圖、總安裝圖與總接線圖。

（2）設(shè)計組件布置圖、安裝圖和接線圖。

（3）設(shè)計電氣箱、操作臺及非標(biāo)準(zhǔn)元件。

（4）列出元件清單。

（5）編寫使用維護(hù)說明書。

三、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟

1、擬訂設(shè)計任務(wù)書

設(shè)計任務(wù)書是整個電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，又是設(shè)備竣工驗收的依據(jù)。設(shè)計任務(wù)的擬定一般由技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)部門、設(shè)備使用部門和任務(wù)設(shè)計部門等幾方面共同完成的。

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)書中，主要包括以下內(nèi)容：

（1）設(shè)備名稱、用途、基本結(jié)構(gòu)、動作要求及工藝過程介紹。

（2）電力拖動的方式及控制要求等。

（3）聯(lián)鎖、保護(hù)要求。

（4）自動化程度、穩(wěn)定性及抗干擾要求。

（5）操作臺、照明、信號指示、報警方式等要求。

（6）設(shè)備驗收標(biāo)準(zhǔn)。

（7）其它要求。

2、確定電力拖動方案

電力拖動方案選擇是電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容之一，也是以后各部分設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)和先決條件。

所謂電力拖動方案是指根據(jù)零件加工精度、加工效率要求、生產(chǎn)機械的結(jié)構(gòu)、運動部件的數(shù)量、運動要求、負(fù)載性質(zhì)、調(diào)速要求以及投資額等條件去確定電動機的類型、數(shù)量、傳動方式以及擬訂電動機起動、運行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動等控制要求。

電力拖動方案的確定要從以下幾個方面考慮：

（1）拖動方式的選擇

電力拖動方式分獨立拖動和集中拖動。電氣傳動的趨勢是多電動機拖動，這不僅能縮短機械傳動鏈，提高傳動效率，而且能簡化總體結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)自動化。具體選擇時，可根據(jù)工藝與結(jié)構(gòu)決定電動機的數(shù)量。

（2）調(diào)速方案的選擇

大型、重型設(shè)備的主運動和進(jìn)給運動，應(yīng)盡可能采用無級調(diào)速，有利于簡化機械結(jié)構(gòu)、降低成本；精密機械設(shè)備為保證加工精度也應(yīng)采用無級調(diào)速；對于一般中小型設(shè)備，在沒有特殊要求時，可選用經(jīng)濟(jì)、簡單、可靠的三相籠型異步電動機。

（3）電動機調(diào)速性質(zhì)要與負(fù)載特性適應(yīng)

對于恒功率負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在選擇電動機調(diào)速方案時，要使電動機的調(diào)速特性與生產(chǎn)機械的負(fù)載特性相適應(yīng)，這樣可以使電動機得到充分合理的應(yīng)用。

3、拖動電動機的選擇

電動機的選擇主要有電動機的類型、結(jié)構(gòu)型式、容量、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速。

電動機選擇的基本原則是：

（1）根據(jù)生產(chǎn)機械調(diào)速的要求選擇電動機的種類。

（2）工作過程中電動機容量要得到充分利用。

（3）根據(jù)工作環(huán)境選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式。

應(yīng)該強調(diào)，在滿足設(shè)計要求情況下優(yōu)先考慮采用結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，使用維護(hù)方便的三相交流異步電動機。

正確選擇電動機容量是電動機選擇中的關(guān)鍵問題。電動機容量計算有兩種方法，一種是分析計算法，另一種是統(tǒng)計類比法。分析計算法是按照機械功率估計電動機的工作情況，預(yù)選一臺電動機，然后按照電動機實際負(fù)載情況做出負(fù)載圖，根據(jù)負(fù)載圖校驗溫升情況，確定預(yù)選電動機是否合適，不合適時再重新選擇，直到電動機合適為止。

電動機容量的分析計算在有關(guān)論著中有詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。

在比較簡單、無特殊要求、生產(chǎn)數(shù)量又不多的電力拖動系統(tǒng)中，電動機容量的選擇往往采用統(tǒng)計類比法，或者根據(jù)經(jīng)驗采用工程估算的方法來選用，通常選擇較大的容量，預(yù)留一定的裕量。

4、選擇控制方式

控制方式要實現(xiàn)拖動方案的控制要求。隨著現(xiàn)代電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)機械電力拖動的控制方式從傳統(tǒng)的繼電接觸器控制向PLC控制、CNC控制、計算機網(wǎng)絡(luò)控制等方面發(fā)展，控制方式越來越多?？刂品绞降倪x擇應(yīng)在經(jīng)濟(jì)、安全的前提下，最大限度地滿足工藝的要求。

5、設(shè)計電氣控制原理圖，并合理選用元器件，編制元器件明細(xì)表。

6、設(shè)計電氣設(shè)備的各種施工圖紙。

7、編寫設(shè)計說明書和使用說明書;

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