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

電氣控制系統(tǒng)主要功能

為了保證一次設(shè)備運(yùn)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(xiàng)控制功能的若干個(gè)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(dòng)控制功能。高壓和大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備的體積是很大的，一般都采用操作系統(tǒng)來(lái)控制分、合閘，特別是當(dāng)設(shè)備出了故障時(shí)，需要開(kāi)關(guān)自動(dòng)切斷電路，要有一套自動(dòng)控制的電氣操作設(shè)備，對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。

(2)保護(hù)功能。電氣設(shè)備與線路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生故障，電流(或電壓)會(huì)超過(guò)設(shè)備與線路允許工作的范圍與限度，這就需要一套檢測(cè)這些故障信號(hào)并對(duì)設(shè)備和線路進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整(斷開(kāi)、切換等)的保護(hù)設(shè)備。

(3)監(jiān)視功能。電是眼睛看不見(jiàn)的，一臺(tái)設(shè)備是否帶電或斷電，從外表看無(wú)法分辨，這就需要設(shè)置各種視聽(tīng)信號(hào)，如燈光和音響等，對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行電氣監(jiān)視。

(4)測(cè)量功能。燈光和音響信號(hào)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(cè)量設(shè)備，測(cè)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(hào)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(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)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(duì)電氣設(shè)備和線路進(jìn)行短路、過(guò)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(hào)回路。能及時(shí)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(hào)燈，不同聲響的音響設(shè)備等。

(4)自動(dòng)與手動(dòng)回路。電氣設(shè)備為了提高工作效率，一般都設(shè)有自動(dòng)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(dòng)環(huán)節(jié)，用于調(diào)試。通過(guò)組合開(kāi)關(guān)或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換。

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

(6)自鎖及閉鎖回路。啟動(dòng)按鈕松開(kāi)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(dòng)合觸點(diǎn)串聯(lián)在線圈電路中。兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的電氣裝置和組件，為了保證設(shè)備運(yùn)行的安全與可靠，只能一臺(tái)通電啟動(dòng)，另一臺(tái)不能通電啟動(dòng)的保護(hù)環(huán)節(jié)，叫閉鎖環(huán)節(jié)。如：兩個(gè)接觸器的動(dòng)斷觸點(diǎn)分別串聯(lián)在對(duì)方線圈電路中。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則和設(shè)計(jì)程序

第一講電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

生產(chǎn)機(jī)械電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含兩個(gè)基本內(nèi)容：一個(gè)是原理設(shè)計(jì)，即要滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝的各種控制要求，另一個(gè)是工藝設(shè)計(jì)，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(jì)決定著生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的合理性與先進(jìn)性，工藝設(shè)計(jì)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(diǎn)，所以電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)一般電氣控制電路分析能力之后，設(shè)計(jì)者應(yīng)能舉一反三，對(duì)受控生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)的一般原則、基本內(nèi)容和設(shè)計(jì)程序

生產(chǎn)機(jī)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(jì)原則和設(shè)計(jì)方法基本相同。設(shè)計(jì)工作的首要問(wèn)題是樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和工程實(shí)踐的觀點(diǎn)，它是高質(zhì)量完成設(shè)計(jì)任務(wù)的基本保證。

一、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則

1．最大限度地滿足生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)工藝對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求。電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)主要來(lái)源于生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)工藝的要求。

2．設(shè)計(jì)方案要合理。在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案應(yīng)力求簡(jiǎn)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(dòng)化。

3．機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣設(shè)計(jì)應(yīng)相互配合。許多生產(chǎn)機(jī)械采用機(jī)電結(jié)合控制的方式來(lái)實(shí)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(jī)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(jì)的基本任務(wù)、內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)、編制出設(shè)備制造和使用維修過(guò)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(gòu)件目錄、單臺(tái)材料消耗清單、設(shè)備說(shuō)明書(shū)等文字資料。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包含原理設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，以電力拖動(dòng)控制設(shè)備為例，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：

1、原理設(shè)計(jì)內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：

（l）擬訂電氣設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。

（2）確定電力拖動(dòng)方案，選擇電動(dòng)機(jī)。

（3）設(shè)計(jì)電氣控制原理圖，計(jì)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(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。

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

2、工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容

進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)主要是為了便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，從而實(shí)現(xiàn)原理設(shè)計(jì)提出的各項(xiàng)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(jì)的主要內(nèi)容有：

（l）設(shè)計(jì)電氣總布置圖、總安裝圖與總接線圖。

（2）設(shè)計(jì)組件布置圖、安裝圖和接線圖。

（3）設(shè)計(jì)電氣箱、操作臺(tái)及非標(biāo)準(zhǔn)元件。

（4）列出元件清單。

（5）編寫(xiě)使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)。

三、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

1、擬訂設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)

設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，又是設(shè)備竣工驗(yàn)收的依據(jù)。設(shè)計(jì)任務(wù)的擬定一般由技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)、設(shè)備使用部門(mén)和任務(wù)設(shè)計(jì)部門(mén)等幾方面共同完成的。

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(dòng)作要求及工藝過(guò)程介紹。

（2）電力拖動(dòng)的方式及控制要求等。

（3）聯(lián)鎖、保護(hù)要求。

（4）自動(dòng)化程度、穩(wěn)定性及抗干擾要求。

（5）操作臺(tái)、照明、信號(hào)指示、報(bào)警方式等要求。

（6）設(shè)備驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（7）其它要求。

2、確定電力拖動(dòng)方案

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

所謂電力拖動(dòng)方案是指根據(jù)零件加工精度、加工效率要求、生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的類型、數(shù)量、傳動(dòng)方式以及擬訂電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等控制要求。

電力拖動(dòng)方案的確定要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）拖動(dòng)方式的選擇

電力拖動(dòng)方式分獨(dú)立拖動(dòng)和集中拖動(dòng)。電氣傳動(dòng)的趨勢(shì)是多電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，這不僅能縮短機(jī)械傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)效率，而且能簡(jiǎn)化總體結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。具體選擇時(shí)，可根據(jù)工藝與結(jié)構(gòu)決定電動(dòng)機(jī)的數(shù)量。

（2）調(diào)速方案的選擇

大型、重型設(shè)備的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，應(yīng)盡可能采用無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、降低成本；精密機(jī)械設(shè)備為保證加工精度也應(yīng)采用無(wú)級(jí)調(diào)速；對(duì)于一般中小型設(shè)備，在沒(méi)有特殊要求時(shí)，可選用經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、可靠的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)。

（3）電動(dòng)機(jī)調(diào)速性質(zhì)要與負(fù)載特性適應(yīng)

對(duì)于恒功率負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在選擇電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案時(shí)，要使電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性相適應(yīng)，這樣可以使電動(dòng)機(jī)得到充分合理的應(yīng)用。

3、拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選擇

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

電動(dòng)機(jī)選擇的基本原則是：

（1）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速的要求選擇電動(dòng)機(jī)的種類。

（2）工作過(guò)程中電動(dòng)機(jī)容量要得到充分利用。

（3）根據(jù)工作環(huán)境選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，在滿足設(shè)計(jì)要求情況下優(yōu)先考慮采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用維護(hù)方便的三相交流異步電動(dòng)機(jī)。

正確選擇電動(dòng)機(jī)容量是電動(dòng)機(jī)選擇中的關(guān)鍵問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算有兩種方法，一種是分析計(jì)算法，另一種是統(tǒng)計(jì)類比法。分析計(jì)算法是按照機(jī)械功率估計(jì)電動(dòng)機(jī)的工作情況，預(yù)選一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，然后按照電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)載情況做出負(fù)載圖，根據(jù)負(fù)載圖校驗(yàn)溫升情況，確定預(yù)選電動(dòng)機(jī)是否合適，不合適時(shí)再重新選擇，直到電動(dòng)機(jī)合適為止。

電動(dòng)機(jī)容量的分析計(jì)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(jiǎn)單、無(wú)特殊要求、生產(chǎn)數(shù)量又不多的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)容量的選擇往往采用統(tǒng)計(jì)類比法，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用工程估算的方法來(lái)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(shí)現(xiàn)拖動(dòng)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(jī)械電力拖動(dòng)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制等方面發(fā)展，控制方式越來(lái)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(jì)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(jì)電氣設(shè)備的各種施工圖紙。

7、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū);

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