1、,生产机械电气控制系统的设计包括电气控制原理设计和工艺设计两个方面。电气控制原理设计以满足生产机械和工艺的基本要求为目标，综合考虑设备的自动化程度和技术的先进性；工艺设计则要满足电气控制装置本身的制造、使用和维修的需要。原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性；工艺设计决定着电气控制系统生产的可行性、经济性、外观、使用与维修的方便性等技术和经济指标。本章介绍电气控制控制系统设计的一般规律和设计方法。,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、设备操作
2、使用说明书、设备原理及结构、维修说明书等。,10.1电气控制系统设计的内容和方法,10.1.1电气控制系统设计的基本原则,生产机械种类繁多，其电气控制方案各异，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本相同。设计工作的首要问题是树立正确的设计思想和工程实践的观点，它是高质量完成设计任务的基本保证基本原则如下： 1.最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。 2.设计方案要合理。 3.机械设计与电气设计应相互配合。 4.确保控制系统安全可靠地工作。,10.1.2 电气控制系统设计的基本任务、内容,电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资
3、料等。图样包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、元器件安装底板图和非标准件加工图等，另外还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。 电气控制系统设计的内容主要包含原理设计与工艺设计两个部分，以电力拖动控制设备为例，设计内容如下。,1原理设计内容电气控制系统原理设计的主要内容包括： (1) 拟订电气设计任务书。(2) 确定电力拖动方案，选择电动机。(3) 设计电气控制原理图，计算主要技术参数。(4) 选择电器元器件，制订元器件明细表。(5) 编写设计说明书。 电气原理图是整个设计的中心环节，它为工艺设计和制订其他技术资料提供依据。
4、,2工艺设计内容 进行工艺设计主要是为了便于组织电气控制系统的制造，从而实现原理设计提出的各项技术指标，并为设备的调试、维护与使用提供相关的图样资料。工艺设计的主要内容有： (1) 设计电气总布置图、总安装图与总接线图。 (2) 设计组件布置图、安装图和接线图。 (3) 设计电气箱、操作台及非标准元件。 (4) 列出元器件清单。 (5) 编写使用维护说明书。,10.1.3电气控制系统设计的一般步骤,1拟订设计任务书 电气控制系统的设计任务书中，主要包括以下内容： (1) 设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍。 (2) 电力拖动的方式及控制要求等。 (3) 联锁、保护要求。 (4)
5、自动化程度、稳定性及抗干扰要求。 (5) 操作台、照明、信号指示、报警方式等要求。 (6) 设备验收标准。 (7) 其他要求。,2确定电力拖动方案 电力拖动方案选择是电气控制系统设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。,所谓电力拖动方案是指根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件去确定电动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求。,电力拖动方案的确定要从以下几个方面考虑：,(1) 拖动方式的选择电力拖动方式分独立拖动和集中拖动。 (2) 调速方案的选择大型、重型设备的主运
6、动和进给运动 (3) 电动机调速性质要与负载特性适应对于恒功率负载和恒转矩负载,3拖动电动机的选择 电动机的选择主要有电动机的类型、结构型式、容量、额定电压与额定转速。电动机选择的基本原则有： (1) 根据生产机械调速的要求选择电动机的种类。 (2) 工作过程中电动机容量要得到充分利用 (3) 根据工作环境选择电动机的结构型式。 应该强调，在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单，价格便宜，使用维护方便的三相交流异步电动机。,正确选择电动机容量是电动机选择中的关键问题。,电动机容量计算有两种方法，一种是分析计算法；另一种是统计类比法。分析计算法是按照机械功率估计电动机的工作情况，预选一台电动机
7、，然后按照电动机实际负载情况做出负载图，根据负载图校验温升情况，确定预选电动机是否合适，不合适时再重新选择，直到电动机合适为止。 在比较简单、无特殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机容量的选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工程估算的方法来选用，通常选择较大的容量，预留一定的裕量。,4选择控制方式 控制方式要实现拖动方案的控制要求。随着现代电气技术的迅速发展，生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电接触器控制向PLC控制、CNC控制、计算机网络控制等方面发展，控制方式越来越多。控制方式的选择应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺的要求。5设计电气控制原理图并合理选用元器件以及编
8、制元器件明表。6设计电气设备的各种施工图样。7编写设计说明书和使用说明书。,10.2 电气控制原理电路设计的方法与步骤,电气控制原理电路设计是原理设计的核心内容，各项设计指标通过它来实现，它又是工艺设计和各种技术资料的依据。,10.2.1电气控制原理电路的基本设计方法,电气控制原理电路设计的方法主要有经验设计法和逻辑设计法两种。,1经验设计法 经验设计法也叫分析设计法,是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节(单元电路)或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整电路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。 经验设计法的优点是设计方法简单
9、，无固定的设计程序，它是在熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路能力的基础上进行的，容易被初学者所掌握，对于具备一定工作经验的电气技术人员来说，能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。其缺点是设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响电路工作的可靠性。为此，应反复审核电路工作情况，有条件时还应进行模拟试验，发现问题及时修改，直到电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。,2逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计，从生产机械的拖 动要求和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通 电与断电、触头的闭合与断开、主令电器的接通
10、与断开看成逻辑变量，根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达，然后再化简，做出相应的电路图。 逻辑设计法的优点是能获得理想、经济的方案，但这种方法设计难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。其具体设计过程可参阅专门论述资料，这里不再作进一步介绍。,10.2.2电气原理图设计的基本步骤,电气原理图设计的基本步骤是：1. 根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图。2. 设计出原理框图中各个部分的具体电路。设计时按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查反复修改与完善的先后顺序进行。3. 绘制总原理图。4. 恰当选用元器件，并制订元
11、器件明细表。 设计过程中，可根据控制电路的简易程度适当地选用上述步骤。,10.2.3原理图设计中的一般要求,一般来说，电气控制原理图应满足生产机械加工工艺的要求，电路要具有安全可靠，操作和维修方便、设备投资少等特点。为此，必须正确地设计控制电路，合理地选择电器元器件。原理图设计应满足以下要求： 1电气控制原理应满足工艺的要求 在设计之前必须对生产机械的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分的了解，并在此基础上来考虑控制方式、起动、反向、制动及调速的要求，设置各种联锁及保护装置。,2控制电路电源种类与电压数值的要求 对于比较简单的控制电路，而且元器件不多时，往往直接采用交流380V或220V电源
12、，不用控制电源变压器。对于比较复杂的控制电路，应采用控制电源变压器，将控制电压降到110V或48V、24V。这种方案对维修、操作以及元器件的工作可靠、有利。 对于操作比较频繁的直流电力传动的控制电路，常用220V或110V直流电源供电。直流电磁铁及电磁离合器的控制电路，常采用24V直流电源供电。,3确保电气控制电路工作的可靠性和安全性 为保证电气控制电路可靠地工作，应考虑以下几个方面：,(1) 元器件的工作要稳定可靠,(2) 电器元件的线圈和触头的连接应符合国家有关标准规定,(2) 电器元件的线圈和触头的连接应符合国家有关标准规定 电器元件图形符号应符合GB4728中的规定，绘制时要合理安排版
13、面。例如，主电路一般安排在左面或上面；控制电路或辅助电路排在右面或下面；元器件目录表安排在标题上方。为读图方便，有时以动作状态表或工艺过程图形式将主令开关的通断、电磁阀动作要求、控制流程等表示在图面上，也可以在控制电路的每一支路边上标注出控制目的。,在实际连接时，应注意以下几点：,1) 正确连接电器线圈。交流电压线圈通常不能串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联或接在两倍线圈额定电压的交流电源上，以免电压分配不均引起工作不可靠。,图10-1线圈连接 图10-2大电感线圈与直流继电器线圈的连接,a) 不正确 b) 正确 a) 错误连接 b) 正确连接,2) 合理安排电器元件和触头的位置
14、。,图10-3 电气元件和触头间的连接,a) 不合理连接 b) 合理连接,3) 防止出现寄生电路。,4) 尽量减少连接导线的数量，缩短 连接导线的长度。,5) 控制电路工作时，应尽量减少通电电器的数量，以降低故障的可能性并节约电能。,6) 在电路中采用小容量的继电器触头来断开或接通大容量接触器线圈时，要分析触头容量的大小，若不够时，必须加大继电器容量或增加中间继电器，否则工作不可靠。,图10-4寄生回路,4应具有必要的保护环节 控制电路在事故情况下，应能保证操作人员、电气设备、生产机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在控制电路中应采取一定的保护措施。常用的有漏电开关保护、过载、短路、过
15、电流、过电压、失电压、联锁与行程保护等措施。必要时还可设置相应的指示信号。,5操作、维修方便,控制电路应从操作与维修人员的工作出发，力求操作简单、维修方便。,6控制电路力求简单、经济,在满足工艺要求的前提下，控制电路应力求简单、经济。尽量选用标准电气控制环节和电路，缩减电器的数量，采用标准件和尽可能选用相同型号的电器。,10.3 电气控制装置的工艺设计,电气控制系统在完成原理设计和电器元件选择之后，下一步就是进行电气工艺设计并付之实施。主要有电气控制设备总体布置，总接线图设计，各部分的电器装配图与接线图，各部分的元器件目录、进出线号、主要材料清单及使用说明书等。,10.3.1电气设备的总体布置
16、设计,电气设备总体布置设计的任务是根据电气控制原理图，将控制系统按照一定要求划分为若干个部件，再根据电气设备的复杂程度，将每一部件划分成若干单元，并根据接线关系整理出各部分的进线和出线号，调整它们之间的连接方式。以万能铣床为例，可划分为机床电器部件(由电动机、快进电磁铁、进给行程开关等组成)、电气箱部件(由各种控制电器、保护电器、控制变压器等组成)及操作面板部件(由按钮、转换开关等组成)。,在构成一个完整的电气控制系统时，可以根据有关的原则划分为不同的单元，从而使设计条理化。,单元划分的原则是：,1. 功能类似的元件组合在一起，如按钮、控制开关、指示灯、指示仪表可以集中在操作台上；接触器、继电
17、器、熔断器、控制变压器等控制电器可以安装在控制柜中。2. 接线关系密切的控制电器划为同一单元，以减少不同单元之间的连线3. 强弱电分开，以防干扰。4. 需经常调节、维护和易损元器件组合在一起，以便于检查与调试。,电气控制设备的不同单元之间的接线方式通常有以下几种： 1. 控制板、电器板、机床电器的进出线一般采用接线端子，可根据电流大小和进出线数选择不同规格的接线端子。 2. 被控制设备与电气箱之间采用多孔接插件，便于拆装、搬运。 3. 印制电路板及弱电控制组件之间的连接采用各种类型的标准接插件。,10.3.2绘制元器件布置图,元器件布置图的设计依据的是原理图。同一部件或单元中元器件可按下述原则
18、布置：1. 一般监视器件布置在仪表板上。2. 体积大和较重的元器件应安装在电器板的下方，发热元件安装在电器板的上方。3. 强电弱电应分开，弱电部分应加装屏蔽和隔离设施，以防强电和外界的干扰。 4. 需要经常维护、检修、调整的元器件安装位置不宜过高或过低。 5. 电器布置应考虑整齐、美观、对称，尽量使外形与结构尺寸类似的电器安装在一起，便于加工、安装和配线。6. 布置元器件时，应预留布线、接线、和调整操作的空间。,10.3.3 绘制电气控制装置的接线图,接线图根据电气原理及元器件布置图绘制，绘制时应考虑以下原则： 1. 接线图的绘制应符合GB6988中5-1986电气制图接线图和接线表的规定。
19、2. 在接线图中，各元器件的外形和相对位置要与实际安装的相对位置一致。 3. 元器件及其接线座的标注与电气原理图中标注应一致，采用同样的文字符号和线号。项目代号、端子号及导线号的编制分别应符合GB5904-1985电气技术中的项目代号、GB4026-1983电器接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则及GB4884-1985绝缘导线标记等规定。,接线图的接线关系有两种画法： 直接接线法：直接画出元器件之间的接线。适用于电气系统简单、元器件少、接线关系简单的场合。 符号标注接线法：在元器件的接线端处标注符号来表明相互连接关系.适用于电气系统复杂、元器件多、接线关系较为复杂的场合。,4.
20、接线图应将同一元器件的各带电部分(如线圈、触头等)画在一起，并用细实线框住。5. 接线图采用细线条绘制，应清楚地表示出各元器件的接线关系和接线去向。,6. 接线图中要标注出各种导线的型号、规格、截面积和颜色。 7. 接线端子板上各接线点按线号顺序排列，并将动力线、交流控制线、直流控制线分类排开。元件的进出线除大截面导线外，都应经过接线板，不得直接进出。,10.3.4 电控柜和非标准零件图的设计,电气控制系统比较简单时，控制电器可以安装在生产机械内部；控制系统比较复杂或操作需要时，都要有单独的电气控制柜。 电气控制柜设计要考虑以下几方面问题：1. 根据控制面板和控制柜内各元器件的数量确定电控柜总
21、体尺寸。2. 电控柜结构要紧凑、便于安装、调整及维修、外形美观，并与生产机械相匹配。3. 在柜体的适当部位设计通风孔或通风槽，便于柜内散热。4. 应设计起吊钩或柜体底部带活动轮，便于电控柜的移动。,电控柜结构常设计成立式或工作台式，小型控制设备则设计成台式或悬挂式。电控柜的品种繁多、结构各异。设计中要吸取各种型式的优点，设计出适合的电控柜。 非标准的电器安装零件，如开关支架、电气安装底板、控制柜的有机玻璃面板、扶手等，应根据机械零件设计要求，绘制其零件图。,10.3.5 清单汇总,在电气控制系统原理设计及工艺设计结束后，应根据各种图样，对本设备需要的各种零件及材料进行综合统计，列出元件清单、标
22、准件清单、材料消耗定额表，以便生产管理部门做好生产准备工作。,10.3.6 编写设计说明书和使用说明书,设计说明和使用说明是设计审定、调试、使用、维护过程中必不可少的技术资料。设计和使用说明书应包含：拖动方案的选择依据，本系统的主要原理与特点，主要参数的计算过程，各项技术指标的实现，设备调试的要求和方法，设备使用、维护要求，使用注意事项等。,10.4 PLC控制系统设计的内容和方法,PLC控制系统的设计具有传统电气控制系统设计的一般规律，但由于PLC控制属于软件控制，因此PLC控制系统的设计又具有其自身的特点。下面就PLC控制系统设计的基本原则、基本内容以及步骤进行阐述，以便初学者掌握。当然，
23、要设计一个经济、实用、可靠、先进的PLC控制系统，还需要有丰富的专业知识和实际工作经验。,10.4.1 PLC控制系统设计的基本原则,任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：,1.最大限度地满足被控对象的控制要求。2.在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、实用，维修方便。3.保证控制系统的安全、可靠。4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。,10.4.2 PLC控制系统设计的基本内容,选择用户输入设备 PLC的选择。 分配I/O点。4. 设计控制程
24、序。包括设计梯形图、语句表(即程序清单)或控制系统流程图。5. 必要时还需设计控制台(柜)。6. 编制系统的技术文件，包括说明书、电气图及电气元件明细表等。,传统的电气图，一般包括电气原理图、电气布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图可以统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此，在电气原理图中应增加PLC的输入、输出电气连接图(即IO接口图)。 此外，在PLC控制系统中，电气图还应包括程序图(梯形图)，可以称之为“软件图”。向用户提供“软件图”，可方便用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。,10.4.3 PLC控制系统设计的一
25、般步骤,设计PLC控制系统的一般设计步骤如图10-5所示。,1. 流程图功能说明根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作(动作顺序、动作条件及必须的保护和联锁等)、操作方式(手动、自动；连续、单周期及单步等)。根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数。选择PLC。(4) 分配PLC的IO点，设计IO电气接口连接图(这一步也可以结合第2步进行)。(5) 进行PLC程序设计，同时可进行控制台(柜)的设计和现场施工。,2. PLC程序设计的步骤。对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可以省去这一步。(2) 设
26、计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。(3) 根据梯形图编制程序清单。(4) 用编程器将程序键人到PLC的用户存储器中，并检查键人的程序是否正确。(5) 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。(6) 待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足为止。(7) 编制技术文件。(8) 交付使用。,10.5 PLC控制系统设计实例,图10-6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
27、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。,1明确控制要求 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、右行、左行动作的限位，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10-7所示。,图10-7 机械手的动作流程图,起动时，机械手从原点开始按顺序动作
28、。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、单周和连续工作方式。 手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作单独进行控制，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，每按一下起动按钮，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：机构在原位时，按下起动按钮，机构自动连续的执行周期动作。当按下停止
29、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S7-200系列CPU 224，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 PLC I/O地址、内部辅助继电器的地址。表10-1为PLC I/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,5系统的软件设计设计控制系统流程图或
30、功能表图,(2) PLC控制系统程序设计1）整体设计：为编程结构简洁、明了，把手动程序和自动程序分别编成相对独立子程序模块，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、连续）时，I1.0 、I1.1、I1.2分别接通，执行自动控制程序。,图10-10 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，可以按普通继电接触器控制系统来设计。手动控制的梯形图见子程序0。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、夹进、放松各个动作。为了保持
31、系统的安全运行，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作上限连锁。因为机械手只有处于上限位置（I0.2=1）时，才允许左右移动。 由于夹进、放松动作选用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，才能进行加紧和放松动作。,图10-11 手动程序梯形图（子程序0）,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，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，设计梯形图就比较方便。 机械手的自动操作流程图如图1
32、0-9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，转换的条件有各行程开关及定时器的状态来决定。,图10-12 自动操作的梯形图程序,4）输出显示程序 机械手的运动主要包括上升、下降、左行、右行、夹紧、放松，在控制程序中M1.1、M1.5分别控制左右下降，M1.2控制夹紧，M1.6控制放松，M1.3、M1.7分别控制左右上升，M1.4、M2.0分别控制左、右运行，M1.0原位显示。,(3) 对照梯形图，编写程序清单。(4) 程序调试。,6. 联机通调在控制柜（台）、现场施工和软件设计完成后，即可联机通调。如何不满足控制要求，通过调整软件、硬件系统，直到满足要求为止。待系统满足全部控制要求后，编写好技术文件（使用说明书、电气图、软件等）。,
