课题三 电气控制系统设计概述

电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。其中电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制线路的设计；电气工艺设计是为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产施工设计。本课题针对电气控制系统设计过程和设计中的一些共性问题进行研究，也对电气控制装置的施工设计和施工的有关问题进行简要介绍。

一、电气控制系统设计的原则与内容

1. 电气控制系统设计基本原则

设计工作的首要问题是明确设计要求，拟定总体技术方案，使设计的产品经济、可靠、先进、实用及维护方便等。在电气控制系统设计中，一般应遵循以下基本原则：

（1）最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。由于这些要求是电气控制系统设计的依据，故在设计前，应深入生产现场进行调查，搜集资料，会同与生产过程有关的人员、机械部分设计人员、实际操作者，明确控制要求，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中的各种问题，使设计成果满足要求。

（2）在满足控制要求的前提下，力求使电气控制系统简单、经济、合理、便于操作、维护方便、安全可靠，不盲目追求自动化水平和各种控制参数的高指标化。

（3）正确、合理地选用电气元件，确保电气控制系统正常工作，同时考虑技术进步，造型美观等因素。

（4）为适应生产的发展和工艺的改进，设备能力应留有适当余量。

2. 电气控制系统设计基本内容

电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制出电气设备制造和使用维护中必备的图样和资料等。图样常用的有电气原理图、元器件布置图、安装接线图等，资料主要有元器件清单及设备使用说明书等。

电气控制系统设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分，其中电气原理图设计是电气控制系统设计的中心环节，是工艺设计和编制其他技术资料的依据。

1）电气原理图设计内容

（1）拟定电气设计任务书，明确设计要求。

（2）选择电力拖动方案和控制方式。

（3）确定电动机类型、型号、容量、转速。

（4）设计电气原理图。

（5）选择电气元器件，拟定元器件清单。

（6）编写电气说明书和操作使用说明书。

2）电气工艺设计内容

（1）根据设计出的电气原理图和选定的电气元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图和总接线图。总图应反映出电动机、执行电器、电气柜各组件、操作台布置、电源以及检测元器件的分布情况和各部分之间的接线关系及连接方式，以便总装、调试及日常维护使用。

（2）绘制各组件电气元器件布置图与安装接线图，表明各电气元器件的安装方式和接线方式。

（3）编写使用维护说明书等其他技术文件。

二、电力拖动方案的确定和电动机选型

电力拖动方案是指确定传动电动机的类型、数量、传动方式及电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制要求，为电气原理图设计及电气元件选型提供依据，是电气控制设计的主要内容之一。确定电力拖动方案必须依据生产机械的精度、工作效率、结构以及运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等条件。

1. 电力拖动方案的确定

首先根据生产机械结构、运行情况和工艺要求选择电动机的种类和数量，然后根据各运动部件的调速要求选择调速方案。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速特性与负载特性相适应，以使电动机获得合理充分的利用。

（1）电力拖动方式的选择。电力拖动方式有单独拖动和集中拖动两种。电力拖动发展的趋势是电动机接近工作机构，形成多电动机的拖动方式。采用该拖动方式，不仅能缩短机械传动链，提高传动效率，便于实现自动控制，而且也能使总体结构得到简化。所以，应根据工艺要求与结构情况决定合适的拖动方式，并进一步决定所需的电动机数量。

（2）调速方案的选择。一般生产机械根据生产工艺要求都要求能够调节电动机转速，不同机械有不同的调速范围和调速精度。为满足不同调速性能，应选用不同的调速方案，如采用机械变速、多速电动机变速和变频调速等。随着电力电子技术的发展，变频调速已成为各种机械设备调速的主流。

（3）电动机调速性质应与负载特性相适应。机械设备的各个工作机构，具有各自不同的负载特性，如生产机械的主运动为恒功率负载运动，而进给运动为恒转矩负载运动。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速性质与拖动生产机械的负载性质相适应，这样才能使电动机性能得到充分的发挥。如双速笼型异步电动机，当定子绕组由三角形连接改接成双星形连接时，转速增加一倍，功率却增加很少，因此适用于恒功率传动；对于低速时为星形连接的双速电动机改接成双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机输出的转矩保持不变，因此适用于恒转矩传动。

2. 拖动电动机的选择

拖动电动机的选择包括电动机的种类、结构形式及各种额定参数。

1）电动机选择的基本原则

拖动电动机选择一般应遵循如下基本原则：

（1）电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与负载的特性相适应。保证运行稳定且具有良好的启动性能和制动性能。

（2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。

（3）电动机结构形式要满足机械设计提出的安装要求，适合周围环境工作条件的要求。

（4）在满足设计要求的前提下，优先采用结构简单、价格便宜、使用与维护方便的三相异步电动机。

2）根据生产机械调速要求选择电动机

在一般情况下选用三相笼型异步电动机或双速三相电动机；在既要一般调速又要求启动转矩大的情况下，选用三相绕线型异步电动机；当调速要求高时选用直流电动机或带变频调速的交流电动机来实现。

3）电动机结构形式的选择

按生产机械不同的工作制相应选择连续工作、短时及断续周期性工作制的电动机；按安装方式有卧式和立式两种，由生产机械具体拖动情况决定。根据不同工作环境选择电动机的防护形式：开启式适用于干燥、清洁的环境；防护式适用于干燥和灰尘不多，没有腐蚀性和爆炸性气体的环境；封闭自扇冷式与他扇冷式用于潮湿、多腐蚀性灰尘、多风雨侵蚀的环境；全封闭式适用于浸入水中的环境；防爆式适用于有爆炸危险的环境等。

4）电动机额定参数的选择

电动机额定参数的选择主要包括额定电压、额定转速、额定功率等。其中额定功率根据生产机械的功率负载和转矩负载选择，使电动机的容量得到充分利用。

一般情况下，为了避免复杂的计算过程，电动机容量的选择往往采用统计类比或根据经验，采用工程估算方法，但这通常带来的是较大的宽裕度。

三、电气控制系统原理图设计

电气控制系统原理图有两种设计方法：一种是分析设计法，另一种是逻辑分析设计法。下面对这两种设计方法分别进行简要介绍。

1. 分析设计法简介

所谓分析设计法就是根据生产机械生产工艺要求直接设计出控制线路。在具体的设计过程中常有两种做法：一种是根据生产机械的工艺要求，适当选用现有的典型电控环节，将它们有机地组合起来，综合成所需要的控制线路；另一种是根据生产机械工艺要求自行设计，随时增加所需的电气元件和触点，以满足给定的工作条件。

1）分析设计法的基本步骤

利用分析设计法设计电气控制系统的基本步骤如下：

（1）按工艺要求提出的启动、制动、正反转及调速等要求设计主电路。

（2）根据所设计出的主电路，设计控制线路的基本环节，即满足设计要求的启动、制动、正反转及调速等基本控制环节。

（3）根据各部分运动要求的配合关系及联锁关系，确定控制参量并设计控制线路的特殊环节。

（4）分析电路工作中可能出现的故障，加入必要的保护环节。

（5）综合审查，仔细检查电气控制系统动作是否正确。关键环节可做必要实验，进一步完善和简化电路。

2）分析设计法的特点

分析设计法具有如下特点：

（1）易于掌握，使用广泛，但一般不易获得最佳设计方案。

（2）要求设计者具有一定的实际经验，在设计过程中往往会因考虑不周而发生差错，影响系统的可靠性。

（3）当系统达不到要求时，多用增加触点或电器数量的方法加以解决，所以设计出的电路常常不是最简单经济的。

（4）需要反复修改草图，一般需要进行模拟实验，设计速度慢。

2. 逻辑分析设计法简介

逻辑分析设计法是根据生产机械生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、化简、设计控制系统的方法。这种设计方法是将电气控制系统中的继电器、接触器线圈的通、断以及触点的断开、闭合等看成逻辑变量，并根据生产机械控制要求将它们之间的关系用逻辑表达式进行描述，然后运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，再根据最简逻辑表达式画出相应的电路结构图，最后再做进一步的检查和完善，即能获得所需要的控制线路。利用逻辑分析设计法设计电气控制系统的一般步骤如下：

（1）充分研究加工工艺过程，绘制工作循环图或工作示意图。

（2）按工作循环图绘制执行元件及检测元件状态表。

（3）根据状态表，设置中间记忆元件，并列写中间记忆元件及执行元件逻辑表达式。

（4）根据逻辑表达式建立电路结构图。

（5）进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节，检测系统是否符合原控制要求，有无寄生电路，是否存在触点竞争等现象。

完成以上步骤，即可得到一张完整的生产机械电气控制原理图。

对于具体的设计方法，限于篇幅，本书不做深入介绍，感兴趣的读者可参阅相关文献资料自行学习。

四、电气控制系统工艺设计

在完成电气原理图设计及电气元件选择后，就应进行电气控制系统的工艺设计，目的是为了满足机床电气控制设备的制造和使用等要求。

1. 电气设备总体配置设计

生产机械总体装配设计是以电气控制系统的总装配图与总接线图形式来描述的。图中应以示意形式反映出机电设备部分主要组件的位置及各部分接线关系、走线形式及使用管线要求等。

总装配图、接线图是进行分部设计和协调各部分组成一个完整系统的依据。总体设计要使整个系统集中、紧凑，同时在场地允许条件下，对发热严重、噪声和振动大的电气部件，如电动机组、启动电阻箱等尽量放在离操作者较远的地方或隔离起来；对于多工位加工的大型设备，应考虑多地操作的可能；总电源紧急停止控制应安装在方便而明显的位置。总体配置计划合理与否将影响到机床电气控制系统工作的可靠性，并关系到机床电气控制系统的制造、装配、调试、操作以及维护是否方便。进行机床电气设备总体装配设计时，还需要考虑划分组件和接线方式的问题。

1）划分组件的原则

生产机械中各种电动机及各类电气元件根据各自的功能，都有一定的装配位置，在构成一个完整的电气控制系统时，必须划分组件。划分组件的基本原则如下：

（1）功能类似的元件组合在一起。例如用于机床操作的各类按钮、开关、键盘、指示检测等元件集中为控制面板组件；各种继电器、接触器、熔断器、控制变压器等控制电气集中为电气板组件；各类控制电源、整流、滤波元件集中为电源组件等。

（2）尽可能减少组件之间的连线数量，接线关系密切的控制电器置于同一组件中。

（3）强、弱电控制器分离，以减少干扰。

（4）力求整齐美观，外形尺寸、重量相近的电器组合在一起。

（5）便于检查与调试，需经常调节、维护和易损元件组成在一起。

2）电气控制设备的各部分及组件之间的接线方式

（1）电器板、控制板、电气元件的进出线一般采用接线端子（按电流大小及进出线数量选用不同规格的接线端子）。

（2）电器箱与被控制设备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宜采用各种类型的标准接插件。

2. 电气元件布置图设计及电气部件接线图绘制

总体配置设计确定了各组件的位置和接线方式后，就要对每个组件的电气元件进行设计。机床电气元件的设计包括布置图、接线图、电气控制箱及非标准零件图的设计。

1）电气元件布置图

电气元件布置图是依据生产机械电控总原理图中的部分原理图设计的，是某些电气元件按一定原则的组合。布置图根据电气元件的外形绘制，并标出各元件的间距尺寸。每个电气元件的安装尺寸及其公差范围，应严格按产品手册标准标注，作为底板加工依据，以确保各电气元件的顺利安装。同一组件中电气元件的布置要注意如下事项：

（1）体积大和较重的电气元件应安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电器板的上面。

（2）强、弱电分开并注意弱电屏蔽，防止外界干扰。

（3）需要经常维护、检修、调整的电气元件安装位置不宜过高或过低。

（4）电气元件的布置应考虑整齐、美观、对称，外形尺寸与结构类似的电气元件安装在一起以利于加工、安装和配线。

（5）电气元件布置不宜过密，要留有一定的间距，若采用板前走线槽配线方式，应适当加大各排元件间距，以利布线和维护。

各电气元件的位置确定以后，便可绘制电气布置图。在电气布置图设计中，还要根据本部件进出线的数量（由部件原理图统计出来）和采用导线规则，选择进出线方式，并选用适当接线端子板和接插件，按一定顺序标上进出线的接线号。

2）电气部件接线图

电气部件接线图是部件中各电气元件的接线图。电气元件的接线要注意如下事项：

（1）接线图和接线表的绘制应符合GB/T 6988.3《电气技术用文件的编制第3部分：接线图和接线表》的规定。

（2）电气元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大。

（3）所有电气元件及其引出线应标注与电气原理图中相一致的文字符号及接线号。

（4）在接线图中，同一电气元件的各个部分（线圈、触点等）必须画在一起。

（5）电气接线图一律采用细线条，走线方式有板前走线及板后走线两种，一般采用板前走线。对于简单电气控制部件，电气元件数量较少，接线关系不复杂，可直接画出元件间的连线。但对于复杂部件，电气元件数量多，接线较复杂的情况，一般是采用走线槽，只需在各电气元件上标出接线号，不必画出各元件间的连线。

（6）接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色要求。

（7）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。

3）电气控制箱及非标准零件图的设计

在电气控制系统比较简单时，控制电器可以附在生产机械内部；由于生产环境及操作的需要或在控制系统比较复杂的情况下，通常都带有单独的电气控制箱，以利于制造、使用和维护。

电气控制箱设计要考虑箱体尺寸及结构，是否满足方便安装、调整及维修要求并利于箱内电器的通风散热。

大型机床控制系统，电气控制箱常设计成立柜式或工作台式，小型机床控制设备则设计成台式、手提式或悬挂式。

4）清单汇总和说明书的编制

在电气控制系统原理图设计及工艺设计结束后，应根据各种图样，对本生产机械需要的各种零件及材料进行综合统计，按类别绘出外购成品件汇总清单表、标准件清单表、主要材料消耗定额表及辅助材料消耗定额表。

生产机械电气控制系统设计及使用说明书是设计审定及调试、使用、维护机床过程中必不可少的技术资料。机床电气控制系统设计及使用说明书应包含的主要内容如下：

（1）拖动方案选择依据及本设计的主要特点。

（2）电气控制系统设计主要参数的计算过程。

（3）电气控制系统各项技术指标的核算与评价。

（4）电气控制系统设备调试要求与调试方法。

（5）电气控制系统使用、维护要求及注意事项。

思考与练习

1. 简述电气控制系统设计基本原则。

2. 简述电气控制系统设计基本内容。

3. 简述分析设计法、逻辑分析设计法的基本步骤。