1、1,第三章 继电器接触器控制系统设计,控制系统设计基础,电气控制系统类型：高低压配电系统继电保护系统电气传动系统机床控制系统自动生产控制系统等 控制（执行）对象：电动机 控制方式： 继电器接触器控制系统 PLC控制系统、计算机控制系统,2,电气控制系统设计的基本任务与内容, 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设计图纸、设计资料等。图纸包括电气原理图（主回路、辅助回路）、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱（柜）图、控制面板图和非标准件加工图等；资料包括提供元器件清单（名称、型号、数量、厂家等）、设备技术说明书（电气图工作原理、
2、元器件参数选用计算依据、程序注释等）和使用说明书（设备组成、使用方法、故障分析及排除等）等。 电气控制系统设计的内容包括确定拖动方案、选择电机容量和设计电气控制线路并绘制相关图纸。从原理性设计、施工工艺设计、安装调试到使用维护等都属于设计范畴。,3,1、最大限度的实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。重点：根据生产要求确定生产工艺2、在满足生产要求的情况下，控制线路应力求简单、经济，提高性价比。 尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。 典型电路如：起、制动电路，正、反向运行电路，保护电路等 合理安排电气元件及触点的位置。 尽量缩减电器的数量，采用标准件，并尽可能选用相同型号。,
3、控制系统设计原则,4,（a）中：,目的：减少不必要的触点以简化电路，提高可靠性；同时尽量减少通电电器的数量和通电时间，可以节能并延长电器元件的使用寿命。,电路化简：逻辑分析法,5,3、保证控制线路工作的可靠和安全。 （1） 正确连接电器线圈和触点。,6,“寄生”电路是指在线路动作过程中，不是由于误操作引起的意外接通电路。,（2）控制线路中应避免出现“寄生”电路。,7,（3） 尽量避免多个电器依次动作才能接通另一个电器的控制结构，这样可以提高线路工作的可靠性。,8,“竞争”现象：对于控制电路，由于采用不同动作类型的触点，会得到不同的输出状态。,“先断后合”型：线圈通电时，常闭触点先断开，常开触点
4、后闭合；断电时常开触点先断开，常闭触点后闭合。,“先合后断”型：线圈通电时，常开触点先闭合，常闭触点后断开；断电时常闭触点先闭合，常开触点后断开,（4） 选择好控制电器元件的动作类型，注意“竞争”现象,9,（5） 应具有完善的保护环节，包括必要的电气联锁。,保护环节，如短路、过载、过流、欠流、过压、欠压、失压、缺相等保护。 电气联锁，如电气互锁（接触器、继电器触点互锁）、机械互锁（行程开关互锁）措施。 监控信号，如工作电压、电流值的仪表显示，运行、报警等工况指示,10,4 、应尽量使操作和维修方便。 操作方式方法应符合生产规范，尽量作到与同类型生产设备的操作一致性，提供多点起动、多点停止或急停
5、。 控制方式可根据需要设置手动方式和自动方式，为便于设备调试及维修，自动方式还可进一步分为单步、单周期、循环等方式。,11,电气控制系统设计的基本步骤,1、拟订设计任务书 、设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍 、电力拖动的方式及控制要求等 、联锁、保护要求 、自动化程度、稳定性及抗干扰要求 、操作台、照明、信号指示、报警方式等要求 、设备验收标准 、其他要求,12,2、确定电力拖动方案：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。
6、 、拖动方式的选择：独立拖动、集中拖动 、调速方案的选择：有极、无极、伺服 、电动机调速性质要与负载特性适应 、恒功率调速：保持电动机磁场为额定值，改变电枢两端电压，实现基速以下的调速 、恒转矩调速：电动机端电压为额定值，减弱电动机磁场，实现基速以上的调速,13,确定拖动电机型号：确定电动机的类型、结构型式、容量、额定电压、额定转速。基本原则： 、根据生产机械调速的要求选择电动机的种类 、工作过程中电动机容量要得到充分利用 、根据工作环境选择电动机的结构型式,14,3、确定控制方案： 由传统的继电接触器控制系统计算机控制系统发展 4、设计控制原理图 5、选择电器元件，编制元器件明细表 6、设计
7、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,包括设备供电、I/O关系、设备工作方式、 执行器件动作顺序、电气保护等环节,包括主回路、辅助回路（二次回路）、控制器原理图等,控制柜（箱）、元器件布置图、接线图、控制面板图,15,继电器-接触器控制系统原理图的设计,电气原理图的基本设计方法,经验设计法：是将控制系统划分为若干个控制环节，根据生产工艺，结合各种典型电路环节逐一设计，然后将各个环节组合起来，加入必要的联锁、保护环节，构成完整的控制线路。 特点：方法简单，容易掌握，答案不唯一，对设计者的工作经历（经验）要求较高。设计过程中常要经过多次试验、修改、再试验、再修改，执行器件风险大，
8、线路优化程度低。这种方法较适合于小规模系统，任务较简单，控制点数少的设备。 核心：是起-保-停电路结构，即由起动电路、保持电路、停止电路组成。,16,逻辑设计法：是将逻辑代数引入电气控制系统设计中，利用输入信号、检测信号、中间单元、输出逻辑值等开关量作为输入变量，按一定逻辑规律组成的逻辑表达式，其输出变量为执行元件。设计的核心是建立控制任务的逻辑规律，即逻辑表达式。 特点：线路简单、合理、优化程度高，适合较复杂的电气系统设计，要求设计者具有一定的知识背景。当然，采用逻辑设计法得到的控制线路还需要加入必要的联锁、保护等环节。 步骤：首先要建立电器元件的通断状态与逻辑代数状态值之间的对应关系，然后
9、利用逻辑代数的基本运算规律进行电路设计和优化。逻辑关系的表示方法有逻辑代数式法和真值表法。,17, 用逻辑原变量 等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常开触点。用逻辑反变量 等分别表示继电器、接触器、按钮、行程开关等元件的常闭触点。 规定：电路中开关元件受激（通电接通）状态为“1”状态；开关元件的原始（失电断开）状态为“0”状态；触点的闭合为“1”状态；触点的断开为“0”状态。具体如下描述： 对输出变量（线圈）： 表示继电器线圈通电表示继电器线圈断电 对输入变量（触点）： 表示继电器常开触点闭合表示继电器常开触点断开表示继电器常闭触点闭合表示继电器常闭触点断开表示按钮常开触点闭合
10、表示按钮常闭触点断开,（1） 电器元件的逻辑表示,18, 逻辑与：表示触点串联，如图（a）所示。逻辑表达式为 。从电路上分析，当A、B触点接通，线圈C通电接通，C=1；如A、B任一触点断开，线圈C失电断开，C=0。 逻辑或：表示触点并联，如图（b）所示。逻辑表达式为 。从电路上分析，当A、B任一触点接通，线圈C通电接通，C=1；如A、B同时断开，线圈C失电断开，C=0。 逻辑非：表示触点关系取反，如图（c）所示。逻辑表达式为 。从电路上分析，当A的常闭触点接通，线圈C通电接通，C=1；如A的常闭触点断开，线圈C失电断开，C=0。,（2）电路状态的逻辑表示,19,逻辑与,逻辑或,例3-1：写出图
11、中所示电路的逻辑表达式,20,原理图的基本设计步骤,经验设计法的基本步骤: （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） 设计原理框图各组成部分的具体电路，包括主回路、辅助回路（含控制电路）、联锁和保护环节。 （3） 修改完善各个电路。 （4） 绘制原理图。 （5） 选定元器件，制订元器件明细表。,21,设计步骤1：该系统执行电机为三相异步电机，此处假定功率较小，可以直接起动，原理图应包括主回路、控制回路和必要的联锁及保护电路。,例3-2 设计三地运行小车电气原理图，当起动按钮SB2按下后按图3-11的动作流程循环运行，运行期间按下停止按钮SB1则立即停止运行（小车初始位置
12、停在左侧）。,22,设计步骤2： 主回路设计：规定KM1接通正转运行（右行），KM2接通反转运行（左行）。 控制回路设计：包括KM1和KM2两个接触器的控制电路，具体如下： KM1：起动条件为SB2和SQ1常开触点的并联组合构成停止条件为SQ2和SQ3常闭触点的串联组合构成需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。 KM2：起动条件为SQ2和SQ3常开触点的并联组合构成停止条件为SQ1常闭触点构成需要自锁电路，利用接触器辅助常开触点实现。 联锁电路：包括继电器、接触器的自锁和接触器之间的互锁电路。 保护电路：考虑短路、过载、失压等保护。,23,设计步骤3：经检查分析发现如下问题，并作改进： 问
13、题一：小车如果开始时处于起点，则SQ1接通，系统上电后，会立刻右行。 解决办法：引入中间继电器KA2，将KA2的常开触点KA2与SQ1常开触点串联后单独作为KM1起动条件，而SB1的常开触点用来控制KA2的接通。 问题二：小车无法完成后半段的运行，反复运行前半段。 解决办法：因为SQ2的常闭触点是KM1的停止条件，因此简单的串联会导致如上情况出现，引入中间继电器KA1，将KA1的常开触点同SQ2的常闭触点并联后与SQ3常闭触点串联作为KM1的停止条件，同时将KA1的常闭触点同SQ2的常开触点串联后与SQ3常开触点并联作为KM2的起动条件，可以避免KM1、KM2同时接通造成短路。KA1的起动条件
14、应为SQ2的常开触点，停止条件为SQ3的常闭触点，要求自锁。,24,问题三：经过上面的处理后第一次可正常运行，但第二次循环时则始终运行在后半段。解决办法：经分析发现小车二次返回时碰到SQ2导致KA1重新接通，形成设备反复运行在后半段，因此引入中间继电器KA3，当二次返回时由于KA3的作用，KA1将不在接通。 问题四：上述电路草图绘制出来后，发现KM2、KA1几乎同时动作，存在可靠性问题。 解决办法：引入时间继电器KT1，在一个工作周期中，当小车第一次碰到SQ2时，延时1秒然后接通KM2，电机开始左行，从而保证系统的可靠运行。另外在KT1的停止电路中串入了KM1、KM1和SQ1的常闭触点，是为了
15、保证KT1只能在第一次碰到SQ2时接通KM2，避免短路的可能。,25,设计步骤4：按照上面分析过程绘制原理图，如图所示。 设计步骤5：元器件选型及明细表略。,26,逻辑设计法的基本步骤: （1） 充分研究加工工艺流程，作出工作循环图或工作示意图。 （2） 按工作循环图作执行元件节拍表及检测元件状态表转换表。 （3） 根据转换表，确定中间记忆元件的开关边界线，设置中间记忆元件。 （4） 列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。 （5） 根据逻辑函数式建立电路结构图。 （6） 进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节，检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞争现象等。 （
16、7） 选定元器件型号，制定明细表。,27,例3-3：某电机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或两个动作时才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制线路。,设计步骤1：列出控制元件与执行元件的动作状态表。,设计步骤2：根据状态表列写出接触器KM的逻辑代数式：,设计步骤3：化简,28,设计步骤5：元器件选型及明细表略。,设计步骤4：根据化简的逻辑表达式绘制原理图，如图所示为控制电路图，主回路及保护电路略。,29,PLC控制系统的电气线路设计基本步骤： （1）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统框图（2）设计原理框图各组成部分的具体电路，包括主回路、辅助回路、控制器接线电路、硬件联锁和
17、保护环节电路。 （3）修改完善各个电路。 （4）绘制原理图。 （5）选定元器件，制订元器件明细表。,30,主要图纸包括电气控制设备布局安装图、系统接线图、控制柜（箱）结构图、控制面板（操作台）图和非标准件零件图等；技术文档包括元器件清单、设计说明书、使用说明书等。,一、电气设备总体布置设计 ：按一定要求分割控制系统,控制工艺设计基础,单元划分原则是： 1）功能类似的元件组合在一起，如按钮、控制开关、指示灯、指示仪表表头可以作为操作单元；接触器、继电器、熔断器、控制变压器等控制电路可以作为控制柜单元。 2）接线关系密切的控制电器采取就近原则，减少连线，可作为一个单元。 3）强弱电分开、避免干扰。
18、 4）需经常调节、维护和易损器件组合在一起，安排在较易操作的位置，便于检修。,31,1）一般监视器件布置在仪表板上。 2）体积大和较重的电器元件应安装在电器板的下面，发热元件安装在电器板的上面。 3）强电弱电应分开，并注意弱电信号的屏蔽，以防干扰。 4）需要经常维修、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。 5）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称，尽量使外形和结构尺寸类似的电器安装在一起，便于加工、安装和配线。 6）电器元件不宜过密，应预留布线、接线、维护和调整操作的空间。,原则：可靠、简洁、有条理,二、电器元件布置图的设计与绘制,32,三、绘制电器部件接线图,接线图根据电气原理图和电器
19、元件布置图绘制，应符合以下原则： 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。 2）接线图中，电器元件的外型和相对位置要与位置图一致。 3）元器件及其接线端子（座）的标注、文字符号、接线号与电气原理图标注应一致。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。 4）接线图中同一电器元件的各个部分（如线圈、触点等）必须画在一起。 5）接线图采用细线条绘制，应清楚的表示出各元器件的接线关系和走线方式。接线关系可采
20、用直接接线法和符号标注接线法，前者适合于简单电气部件，后者适用于复杂部件。走线方式有板前走线和板后走线， 6）接线图中应标出各种导线的型号、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，按动力线、交流控制线、直流控制线等分类排开。部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。,33,编号方式分为两类：导线线号标注法和二维标注法。,34,四、电气柜（箱）及非标准零件图的设计,如图为某控制柜结构图,电气控制柜设计时应注意以下几个方面： 1）电气柜的总体尺寸应符合元器件布置图和操作面板的安装要求。 2）柜体结构要紧凑，便于安装、调整和维修，外形美观，并适合生产设备场地安装。 3）需考虑散热方式，并提供相应的通风孔或通风栅。 4）应考虑同设备的接线方式，预留进出线孔。 5）为便于安装，应备有吊钩、滑轮等部件。,35,五、各类元器件及材料清单的汇总,综合统计本设备需要的各种零件及材料，列写出元件清单、标准件清单、材料消耗定额表等，做好生产准备工作 。,六、编写技术文档,设计和使用说明书内容应包括拖动方案的选择依据、系统工作的主要原理和特点、主要参数的选择依据、各项技术指标的实现情况、设备的调试要求和方法、设备的使用注意事项、维护要求和故障分析等内容。,36,作业：P74 2-9、2-10、2-11、2-12,
