課題三 電氣控制系統設計概述

電氣控制系統設計包括電氣原理圖設計和電氣工藝設計兩部分。其中電氣原理圖設計是為滿足生產機械及其工藝要求而進行的電氣控制線路的設計；電氣工藝設計是為電氣控制裝置的制造、使用、運行及維修的需要而進行的生產施工設計。本課題針對電氣控制系統設計過程和設計中的一些共性問題進行研究，也對電氣控制裝置的施工設計和施工的有關問題進行簡要介紹。

一、電氣控制系統設計的原則與內容

1. 電氣控制系統設計基本原則

設計工作的首要問題是明確設計要求，擬定總體技術方案，使設計的產品經濟、可靠、先進、實用及維護方便等。在電氣控制系統設計中，一般應遵循以下基本原則：

（1）最大限度滿足生產機械和生產工藝對電氣控制的要求。由于這些要求是電氣控制系統設計的依據，故在設計前，應深入生產現場進行調查，搜集資料，會同與生產過程有關的人員、機械部分設計人員、實際操作者，明確控制要求，共同擬定電氣控制方案，協同解決設計中的各種問題，使設計成果滿足要求。

（2）在滿足控制要求的前提下，力求使電氣控制系統簡單、經濟、合理、便于操作、維護方便、安全可靠，不盲目追求自動化水平和各種控制參數的高指標化。

（3）正確、合理地選用電氣元件，確保電氣控制系統正常工作，同時考慮技術進步，造型美觀等因素。

（4）為適應生產的發展和工藝的改進，設備能力應留有適當余量。

2. 電氣控制系統設計基本內容

電氣控制系統設計的基本內容是根據控制要求，設計和編制出電氣設備制造和使用維護中必備的圖樣和資料等。圖樣常用的有電氣原理圖、元器件布置圖、安裝接線圖等，資料主要有元器件清單及設備使用說明書等。

電氣控制系統設計包括電氣原理圖設計和電氣工藝設計兩部分，其中電氣原理圖設計是電氣控制系統設計的中心環節，是工藝設計和編制其他技術資料的依據。

1）電氣原理圖設計內容

（1）擬定電氣設計任務書，明確設計要求。

（2）選擇電力拖動方案和控制方式。

（3）確定電動機類型、型號、容量、轉速。

（4）設計電氣原理圖。

（5）選擇電氣元器件，擬定元器件清單。

（6）編寫電氣說明書和操作使用說明書。

2）電氣工藝設計內容

（1）根據設計出的電氣原理圖和選定的電氣元件，設計電氣設備的總體配置，繪制電氣控制系統的總裝配圖和總接線圖。總圖應反映出電動機、執行電器、電氣柜各組件、操作臺布置、電源以及檢測元器件的分布情況和各部分之間的接線關系及連接方式，以便總裝、調試及日常維護使用。

（2）繪制各組件電氣元器件布置圖與安裝接線圖，表明各電氣元器件的安裝方式和接線方式。

（3）編寫使用維護說明書等其他技術文件。

二、電力拖動方案的確定和電動機選型

電力拖動方案是指確定傳動電動機的類型、數量、傳動方式及電動機的啟動、運行、調速、轉向、制動等控制要求，為電氣原理圖設計及電氣元件選型提供依據，是電氣控制設計的主要內容之一。確定電力拖動方案必須依據生產機械的精度、工作效率、結構以及運動部件的數量、運動要求、負載性質、調速要求以及投資額等條件。

1. 電力拖動方案的確定

首先根據生產機械結構、運行情況和工藝要求選擇電動機的種類和數量，然后根據各運動部件的調速要求選擇調速方案。在選擇電動機調速方案時，應使電動機的調速特性與負載特性相適應，以使電動機獲得合理充分的利用。

（1）電力拖動方式的選擇。電力拖動方式有單獨拖動和集中拖動兩種。電力拖動發展的趨勢是電動機接近工作機構，形成多電動機的拖動方式。采用該拖動方式，不僅能縮短機械傳動鏈，提高傳動效率，便于實現自動控制，而且也能使總體結構得到簡化。所以，應根據工藝要求與結構情況決定合適的拖動方式，并進一步決定所需的電動機數量。

（2）調速方案的選擇。一般生產機械根據生產工藝要求都要求能夠調節電動機轉速，不同機械有不同的調速范圍和調速精度。為滿足不同調速性能，應選用不同的調速方案，如采用機械變速、多速電動機變速和變頻調速等。隨著電力電子技術的發展，變頻調速已成為各種機械設備調速的主流。

（3）電動機調速性質應與負載特性相適應。機械設備的各個工作機構，具有各自不同的負載特性，如生產機械的主運動為恒功率負載運動，而進給運動為恒轉矩負載運動。在選擇電動機調速方案時，應使電動機的調速性質與拖動生產機械的負載性質相適應，這樣才能使電動機性能得到充分的發揮。如雙速籠型異步電動機，當定子繞組由三角形連接改接成雙星形連接時，轉速增加一倍，功率卻增加很少，因此適用于恒功率傳動；對于低速時為星形連接的雙速電動機改接成雙星形連接后，轉速和功率都增加一倍，而電動機輸出的轉矩保持不變，因此適用于恒轉矩傳動。

2. 拖動電動機的選擇

拖動電動機的選擇包括電動機的種類、結構形式及各種額定參數。

1）電動機選擇的基本原則

拖動電動機選擇一般應遵循如下基本原則：

（1）電動機的機械特性應滿足生產機械的要求，要與負載的特性相適應。保證運行穩定且具有良好的啟動性能和制動性能。

（2）工作過程中電動機容量能得到充分利用，使其溫升盡可能達到或接近額定溫升值。

（3）電動機結構形式要滿足機械設計提出的安裝要求，適合周圍環境工作條件的要求。

（4）在滿足設計要求的前提下，優先采用結構簡單、價格便宜、使用與維護方便的三相異步電動機。

2）根據生產機械調速要求選擇電動機

在一般情況下選用三相籠型異步電動機或雙速三相電動機；在既要一般調速又要求啟動轉矩大的情況下，選用三相繞線型異步電動機；當調速要求高時選用直流電動機或帶變頻調速的交流電動機來實現。

3）電動機結構形式的選擇

按生產機械不同的工作制相應選擇連續工作、短時及斷續周期性工作制的電動機；按安裝方式有臥式和立式兩種，由生產機械具體拖動情況決定。根據不同工作環境選擇電動機的防護形式：開啟式適用于干燥、清潔的環境；防護式適用于干燥和灰塵不多，沒有腐蝕性和爆炸性氣體的環境；封閉自扇冷式與他扇冷式用于潮濕、多腐蝕性灰塵、多風雨侵蝕的環境；全封閉式適用于浸入水中的環境；防爆式適用于有爆炸危險的環境等。

4）電動機額定參數的選擇

電動機額定參數的選擇主要包括額定電壓、額定轉速、額定功率等。其中額定功率根據生產機械的功率負載和轉矩負載選擇，使電動機的容量得到充分利用。

一般情況下，為了避免復雜的計算過程，電動機容量的選擇往往采用統計類比或根據經驗，采用工程估算方法，但這通常帶來的是較大的寬裕度。

三、電氣控制系統原理圖設計

電氣控制系統原理圖有兩種設計方法：一種是分析設計法，另一種是邏輯分析設計法。下面對這兩種設計方法分別進行簡要介紹。

1. 分析設計法簡介

所謂分析設計法就是根據生產機械生產工藝要求直接設計出控制線路。在具體的設計過程中常有兩種做法：一種是根據生產機械的工藝要求，適當選用現有的典型電控環節，將它們有機地組合起來，綜合成所需要的控制線路；另一種是根據生產機械工藝要求自行設計，隨時增加所需的電氣元件和觸點，以滿足給定的工作條件。

1）分析設計法的基本步驟

利用分析設計法設計電氣控制系統的基本步驟如下：

（1）按工藝要求提出的啟動、制動、正反轉及調速等要求設計主電路。

（2）根據所設計出的主電路，設計控制線路的基本環節，即滿足設計要求的啟動、制動、正反轉及調速等基本控制環節。

（3）根據各部分運動要求的配合關系及聯鎖關系，確定控制參量并設計控制線路的特殊環節。

（4）分析電路工作中可能出現的故障，加入必要的保護環節。

（5）綜合審查，仔細檢查電氣控制系統動作是否正確。關鍵環節可做必要實驗，進一步完善和簡化電路。

2）分析設計法的特點

分析設計法具有如下特點：

（1）易于掌握，使用廣泛，但一般不易獲得最佳設計方案。

（2）要求設計者具有一定的實際經驗，在設計過程中往往會因考慮不周而發生差錯，影響系統的可靠性。

（3）當系統達不到要求時，多用增加觸點或電器數量的方法加以解決，所以設計出的電路常常不是最簡單經濟的。

（4）需要反復修改草圖，一般需要進行模擬實驗，設計速度慢。

2. 邏輯分析設計法簡介

邏輯分析設計法是根據生產機械生產工藝的要求，利用邏輯代數來分析、化簡、設計控制系統的方法。這種設計方法是將電氣控制系統中的繼電器、接觸器線圈的通、斷以及觸點的斷開、閉合等看成邏輯變量，并根據生產機械控制要求將它們之間的關系用邏輯表達式進行描述，然后運用邏輯函數基本公式和運算規律進行簡化，再根據最簡邏輯表達式畫出相應的電路結構圖，最后再做進一步的檢查和完善，即能獲得所需要的控制線路。利用邏輯分析設計法設計電氣控制系統的一般步驟如下：

（1）充分研究加工工藝過程，繪制工作循環圖或工作示意圖。

（2）按工作循環圖繪制執行元件及檢測元件狀態表。

（3）根據狀態表，設置中間記憶元件，并列寫中間記憶元件及執行元件邏輯表達式。

（4）根據邏輯表達式建立電路結構圖。

（5）進一步完善電路，增加必要的聯鎖、保護等輔助環節，檢測系統是否符合原控制要求，有無寄生電路，是否存在觸點競爭等現象。

完成以上步驟，即可得到一張完整的生產機械電氣控制原理圖。

對于具體的設計方法，限于篇幅，本書不做深入介紹，感興趣的讀者可參閱相關文獻資料自行學習。

四、電氣控制系統工藝設計

在完成電氣原理圖設計及電氣元件選擇后，就應進行電氣控制系統的工藝設計，目的是為了滿足機床電氣控制設備的制造和使用等要求。

1. 電氣設備總體配置設計

生產機械總體裝配設計是以電氣控制系統的總裝配圖與總接線圖形式來描述的。圖中應以示意形式反映出機電設備部分主要組件的位置及各部分接線關系、走線形式及使用管線要求等。

總裝配圖、接線圖是進行分部設計和協調各部分組成一個完整系統的依據。總體設計要使整個系統集中、緊湊，同時在場地允許條件下，對發熱嚴重、噪聲和振動大的電氣部件，如電動機組、啟動電阻箱等盡量放在離操作者較遠的地方或隔離起來；對于多工位加工的大型設備，應考慮多地操作的可能；總電源緊急停止控制應安裝在方便而明顯的位置。總體配置計劃合理與否將影響到機床電氣控制系統工作的可靠性，并關系到機床電氣控制系統的制造、裝配、調試、操作以及維護是否方便。進行機床電氣設備總體裝配設計時，還需要考慮劃分組件和接線方式的問題。

1）劃分組件的原則

生產機械中各種電動機及各類電氣元件根據各自的功能，都有一定的裝配位置，在構成一個完整的電氣控制系統時，必須劃分組件。劃分組件的基本原則如下：

（1）功能類似的元件組合在一起。例如用于機床操作的各類按鈕、開關、鍵盤、指示檢測等元件集中為控制面板組件；各種繼電器、接觸器、熔斷器、控制變壓器等控制電氣集中為電氣板組件；各類控制電源、整流、濾波元件集中為電源組件等。

（2）盡可能減少組件之間的連線數量，接線關系密切的控制電器置于同一組件中。

（3）強、弱電控制器分離，以減少干擾。

（4）力求整齊美觀，外形尺寸、重量相近的電器組合在一起。

（5）便于檢查與調試，需經常調節、維護和易損元件組成在一起。

2）電氣控制設備的各部分及組件之間的接線方式

（1）電器板、控制板、電氣元件的進出線一般采用接線端子（按電流大小及進出線數量選用不同規格的接線端子）。

（2）電器箱與被控制設備之間采用多孔接插件，便于拆裝、搬運。

（3）印制電路板及弱電控制組件之間宜采用各種類型的標準接插件。

2. 電氣元件布置圖設計及電氣部件接線圖繪制

總體配置設計確定了各組件的位置和接線方式后，就要對每個組件的電氣元件進行設計。機床電氣元件的設計包括布置圖、接線圖、電氣控制箱及非標準零件圖的設計。

1）電氣元件布置圖

電氣元件布置圖是依據生產機械電控總原理圖中的部分原理圖設計的，是某些電氣元件按一定原則的組合。布置圖根據電氣元件的外形繪制，并標出各元件的間距尺寸。每個電氣元件的安裝尺寸及其公差范圍，應嚴格按產品手冊標準標注，作為底板加工依據，以確保各電氣元件的順利安裝。同一組件中電氣元件的布置要注意如下事項：

（1）體積大和較重的電氣元件應安裝在電器板的下面，而發熱元件應安裝在電器板的上面。

（2）強、弱電分開并注意弱電屏蔽，防止外界干擾。

（3）需要經常維護、檢修、調整的電氣元件安裝位置不宜過高或過低。

（4）電氣元件的布置應考慮整齊、美觀、對稱，外形尺寸與結構類似的電氣元件安裝在一起以利于加工、安裝和配線。

（5）電氣元件布置不宜過密，要留有一定的間距，若采用板前走線槽配線方式，應適當加大各排元件間距，以利布線和維護。

各電氣元件的位置確定以后，便可繪制電氣布置圖。在電氣布置圖設計中，還要根據本部件進出線的數量（由部件原理圖統計出來）和采用導線規則，選擇進出線方式，并選用適當接線端子板和接插件，按一定順序標上進出線的接線號。

2）電氣部件接線圖

電氣部件接線圖是部件中各電氣元件的接線圖。電氣元件的接線要注意如下事項：

（1）接線圖和接線表的繪制應符合GB/T 6988.3《電氣技術用文件的編制第3部分：接線圖和接線表》的規定。

（2）電氣元件按外形繪制，并與布置圖一致，偏差不要太大。

（3）所有電氣元件及其引出線應標注與電氣原理圖中相一致的文字符號及接線號。

（4）在接線圖中，同一電氣元件的各個部分（線圈、觸點等）必須畫在一起。

（5）電氣接線圖一律采用細線條，走線方式有板前走線及板后走線兩種，一般采用板前走線。對于簡單電氣控制部件，電氣元件數量較少，接線關系不復雜，可直接畫出元件間的連線。但對于復雜部件，電氣元件數量多，接線較復雜的情況，一般是采用走線槽，只需在各電氣元件上標出接線號，不必畫出各元件間的連線。

（6）接線圖中應標出配線用的各種導線的型號、規格、截面積及顏色要求。

（7）部件的進出線除大截面導線外，都應經過接線板，不得直接進出。

3）電氣控制箱及非標準零件圖的設計

在電氣控制系統比較簡單時，控制電器可以附在生產機械內部；由于生產環境及操作的需要或在控制系統比較復雜的情況下，通常都帶有單獨的電氣控制箱，以利于制造、使用和維護。

電氣控制箱設計要考慮箱體尺寸及結構，是否滿足方便安裝、調整及維修要求并利于箱內電器的通風散熱。

大型機床控制系統，電氣控制箱常設計成立柜式或工作臺式，小型機床控制設備則設計成臺式、手提式或懸掛式。

4）清單匯總和說明書的編制

在電氣控制系統原理圖設計及工藝設計結束后，應根據各種圖樣，對本生產機械需要的各種零件及材料進行綜合統計，按類別繪出外購成品件匯總清單表、標準件清單表、主要材料消耗定額表及輔助材料消耗定額表。

生產機械電氣控制系統設計及使用說明書是設計審定及調試、使用、維護機床過程中必不可少的技術資料。機床電氣控制系統設計及使用說明書應包含的主要內容如下：

（1）拖動方案選擇依據及本設計的主要特點。

（2）電氣控制系統設計主要參數的計算過程。

（3）電氣控制系統各項技術指標的核算與評價。

（4）電氣控制系統設備調試要求與調試方法。

（5）電氣控制系統使用、維護要求及注意事項。

思考與練習

1. 簡述電氣控制系統設計基本原則。

2. 簡述電氣控制系統設計基本內容。

3. 簡述分析設計法、邏輯分析設計法的基本步驟。