【電氣控制系統】電氣控制系統設計的一般原則和設計程序

電氣控制系統主要功能

為了保證一次設備運行的可靠與安全，需要有許多輔助電氣設備為之服務，能夠實現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。這些設備要有以下功能：

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

(2)保護功能。電氣設備與線路在運行過程中會發生故障，電流(或電壓)會超過設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備和線路進行自動調整(斷開、切換等)的保護設備。

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

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

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

電氣控制系統系統組成

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)保護回路。保護(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，對電氣設備和線路進行短路、過載和失壓等各種保護，由熔斷器、熱繼電器、失壓線圈、整流組件和穩壓組件等保護組件組成。

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

(4)自動與手動回路。電氣設備為了提高工作效率，一般都設有自動環節，但在安裝、調試及緊急事故的處理中，控制線路中還需要設置手動環節，用于調試。通過組合開關或轉換開關等實現自動與手動方式的轉換。

(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節，如能耗制動、電源反接制動，倒拉反接制動和再生發電制動等。

(6)自鎖及閉鎖回路。啟動按鈕松開后，線路保持通電，電氣設備能繼續工作的電氣環節叫自鎖環節，如接觸器的動合觸點串聯在線圈電路中。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環節，叫閉鎖環節。如：兩個接觸器的動斷觸點分別串聯在對方線圈電路中。

電氣控制系統設計的一般原則和設計程序

第一講電氣控制系統的設計

生產機械電氣控制系統的設計，包含兩個基本內容：一個是原理設計，即要滿足生產機械和工藝的各種控制要求，另一個是工藝設計，即要滿足電氣控制裝置本身的制造、使用和維修的需要。原理設計決定著生產機械設備的合理性與先進性，工藝設計決定電氣控制系統是否具有生產可行性、經濟性、美觀、使用維修方便等特點，所以電氣控制系統設計要全面考慮兩方面的內容。在熟練掌握典型環節控制電路、具有對一般電氣控制電路分析能力之后，設計者應能舉一反三，對受控生產機械進行電氣控制系統的設計并提供一套完整的技術資料。

第一節電氣控制系統設計的一般原則、基本內容和設計程序

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

一、電氣控制系統設計的一般原則

1．最大限度地滿足生產機械和生產工藝對電氣控制系統的要求。電氣控制系統設計的依據主要來源于生產機械和生產工藝的要求。

2．設計方案要合理。在滿足控制要求的前提下，設計方案應力求簡單、經濟、便于操作和維修，不要盲目追求高指標和自動化。

3．機械設計與電氣設計應相互配合。許多生產機械采用機電結合控制的方式來實現控制要求，因此要從工藝要求、制造成本、結構復雜性、使用維護方便等方面協調處理好機械和電氣的關系。

4．確保控制系統安全可靠地工作。

二、電氣控制系統設計的基本任務、內容

電氣控制系統設計的基本任務是根據控制要求設計、編制出設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準件加工圖等，另外還要編制外購件目錄、單臺材料消耗清單、設備說明書等文字資料。

電氣控制系統設計的內容主要包含原理設計與工藝設計兩個部分，以電力拖動控制設備為例，設計內容主要有：

1、原理設計內容

電氣控制系統原理設計的主要內容包括：

（l）擬訂電氣設計任務書。

（2）確定電力拖動方案，選擇電動機。

（3）設計電氣控制原理圖，計算主要技術參數。

（4）選擇電器元件，制訂元器件明細表。

（5）編寫設計說明書。

電氣原理圖是整個設計的中心環節，它為工藝設計和制訂其他技術資料提供依據。

2、工藝設計內容

進行工藝設計主要是為了便于組織電氣控制系統的制造，從而實現原理設計提出的各項技術指標，并為設備的調試、維護與使用提供相關的圖紙資料。工藝設計的主要內容有：

（l）設計電氣總布置圖、總安裝圖與總接線圖。

（2）設計組件布置圖、安裝圖和接線圖。

（3）設計電氣箱、操作臺及非標準元件。

（4）列出元件清單。

（5）編寫使用維護說明書。

三、電氣控制系統設計的一般步驟

1、擬訂設計任務書

設計任務書是整個電氣控制系統的設計依據，又是設備竣工驗收的依據。設計任務的擬定一般由技術領導部門、設備使用部門和任務設計部門等幾方面共同完成的。

電氣控制系統的設計任務書中，主要包括以下內容：

（1）設備名稱、用途、基本結構、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）聯鎖、保護要求。

（4）自動化程度、穩定性及抗干擾要求。

（5）操作臺、照明、信號指示、報警方式等要求。

（6）設備驗收標準。

（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設計的主要內容之一，也是以后各部分設計內容的基礎和先決條件。

所謂電力拖動方案是指根據零件加工精度、加工效率要求、生產機械的結構、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去確定電動機的類型、數量、傳動方式以及擬訂電動機起動、運行、調速、轉向、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，而且能簡化總體結構，便于實現自動化。具體選擇時，可根據工藝與結構決定電動機的數量。

（2）調速方案的選擇

大型、重型設備的主運動和進給運動，應盡可能采用無級調速，有利于簡化機械結構、降低成本；精密機械設備為保證加工精度也應采用無級調速；對于一般中小型設備，在沒有特殊要求時，可選用經濟、簡單、可靠的三相籠型異步電動機。

（3）電動機調速性質要與負載特性適應

對于恒功率負載和恒轉矩負載，在選擇電動機調速方案時，要使電動機的調速特性與生產機械的負載特性相適應，這樣可以使電動機得到充分合理的應用。

3、拖動電動機的選擇

電動機的選擇主要有電動機的類型、結構型式、容量、額定電壓與額定轉速。

電動機選擇的基本原則是：

（1）根據生產機械調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）根據工作環境選擇電動機的結構型式。

應該強調，在滿足設計要求情況下優先考慮采用結構簡單，價格便宜，使用維護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，預選一臺電動機，然后按照電動機實際負載情況做出負載圖，根據負載圖校驗溫升情況，確定預選電動機是否合適，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論著中有詳細介紹，這里不再重復。

在比較簡單、無特殊要求、生產數量又不多的電力拖動系統中，電動機容量的選擇往往采用統計類比法，或者根據經驗采用工程估算的方法來選用，通常選擇較大的容量，預留一定的裕量。

4、選擇控制方式

控制方式要實現拖動方案的控制要求。隨著現代電氣技術的迅速發展，生產機械電力拖動的控制方式從傳統的繼電接觸器控制向PLC控制、CNC控制、計算機網絡控制等方面發展，控制方式越來越多。控制方式的選擇應在經濟、安全的前提下，最大限度地滿足工藝的要求。

5、設計電氣控制原理圖，并合理選用元器件，編制元器件明細表。

6、設計電氣設備的各種施工圖紙。

7、編寫設計說明書和使用說明書;

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