电气控制与PLC应用(4)_电气控制线路设计_百度文库
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电气控制与PLC应用(4)_电气控制线路设计|
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18电气控制线路的设计与应用
第一章绪论；1.1引言；在生产中，机械设备的使用效能与其电气自动化的程度；1.2电气自动控制系统的发展状况；1．电气拖动的发展与分类电气控制与电气拖动有着密；（1）成组拖动：一台电动机经天轴（或地轴）由皮带；（2）单电机拖动：一台电动机拖动一台机床；（3）多电机拖动：随着机床自动化程度的提高和重型；（4）交、直流无级调速：由于电气无级调速具有可灵；2．电气控
第一章 绪论 1.1 引言在生产中，机械设备的使用效能与其电气自动化的程度有着密切的关系，尤其是机电一体化已成为现代机械工业发展的总趋势，所以要搞好机电工作，就应该掌握生产设备电气控制线路的设计。通过我们以前的学习，我们已经初步掌握了低压电器、电气控制线路的基本环节以及一些典型生产机械电气控制线路基础上，本文将介绍相关的电气控制线路的设计方法和所使用的低压电器的选择方法。1.2 电气自动控制系统的发展状况1．电气拖动的发展与分类
电气控制与电气拖动有着密切的关系。20世纪初，由于电动机的出现，使得机床的拖动发生了变革，用电动机代替蒸汽机，机床的电气拖动随电动机的发展而发展。（1）成组拖动：一台电动机经天轴（或地轴）由皮带传动驱动若干台机床工作。由于这种方式存在有传动线路长、效率低、结构复杂等缺点，目前已被淘汰。（2）单电机拖动：一台电动机拖动一台机床。较之成组拖动更简化了拖动机构，缩短了传动线路，提高了传动的效率，至今中小型通用机床仍有采用单电机拖动的。（3）多电机拖动：随着机床自动化程度的提高和重型机床的发展，机床的运动增多，要求提高，出现了采用多台电动机驱动一台机床（如铣床）乃至十余台电动机拖动一台重型机床（如龙门刨床）的拖动方式，这样可以缩短机床的传动链，易于实现各工作部件运动的自动化。（4）交、直流无级调速：由于电气无级调速具有可灵活选择最佳切削用量和简化机械传动结构等优点，20世纪30年代出现的交流电动机――直流电动机――直流电动无级调速系统，至今还在重型机床上有所应用。2．电气控制系统的发展与分类(1)逻辑控制系统：又称开关量或断续控制系统，逻辑代数是它的理论基础，采用具有两个稳定工作状态的各种电气和电子器件构成各种逻辑控制系统。按自动化程度的不同分为：1）手动控制。在电气控制初期，大都采用电器开关对机床电动机的起动、停止、反向等进行手动控制，现在砂轮机、 台钻等动作简单的小型机床上仍有采用。2）自动控制。（2）连续控制系统：对物理量（如电压、转速等）进行连续自动控制的系统，又称模拟控制系统。（3）混合控制系统：同时采用数字控制和模拟控制的系统称为混合控制系统，数控机床、机器人的控制驱动系统多属于这类控制系统。1.3 本课题的主要研究内容本节重点学习电气控制线路设计的基本内容，即确定电力拖动方案、设计生产机械电力拖动自动控制线路、选择拖动电机及电气元件、进行生产机械电力装备施工设计、编写生产机械电气控制系统的电气说明书与设计文件。在进行电力拖动方案的确定时，应遵循有关原则进行选择。应当考虑电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用；根据生产机械的调速要求如调速范围、调速平滑性、机械特性硬度、转速调节级数及工作可靠性等方面来选择合适的拖动方案；在满足技术指标的前提下，进行经济比较，最后确定最佳方案。设备的电气控制方法很多，有继电器接触器的有触点控制，有无触点逻辑控制，有可编程序控制器控制、计算机控制等。总之，合理地确定控制方案，设计实现、简便、可靠、经济、适用的电力拖动控制系统的重要前提。应考虑以下几个方面：1．控制方式与拖动需要相适应。控制方式并非越先进越好，而应该以经济效益为标准。2．控制方式与通用化程度相适应。对于某些加工一种或几种零件的专用机床，它的通用化程度很低，但它可以有较高的自动化程度。3．控制方式应最大限度满足工艺要求。根据加工对象的工艺要求，控制线路应具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度满足工艺要求。4．控制电路的电源应当可靠。简单的控制电路可直接用电网电源，元件较多、电路较复杂的控制装置，可将电网电压隔离降压，以降低故障率。影响方案确定的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平，取决于设计人员的设计经验和设计方案的灵活运用。 第二章 电气控制线路的逻辑设计 设计工作的首要问题是树立正确的设计思想，树立工程实践的观点，使设计的产品经济、使用、可靠、先进、使用及维修方便。任何一台机械设备的结构形式和使用效能与其电气自动化程度有着密切的关系，因此要求电气设计人员必须与设备的机械设计相对应，这就要求电气设计人员必须对机械设备的机械结构、加工工艺有一定的了解，这样才能设计出符合要求的电气控制设备。2.1 电气控制系统设计的基本内容机械设备的控制系统绝大多数属于电力拖动控制系统，因此生产机械电气控制系统设计的基本内容有以下几个方面：1．确定电力拖动方案。2．设计生产机械电力拖动自动控制线路。3．选择拖动电机及电气元件，制定电气明细表。4．进行生产机械电力装备施工设计。5．编写生产机械电气控制系统的电气说明书与设计文件。2.2电力拖动方案确定的原则对各类生产机械电器控制系统的设计，首要的是选择和确定合适的拖动方案。主要是根据设备的工艺要求及结构来选择电动机的数量，然后根据各生产机械的调速来确定调速方案，同时，应当考虑电动机的调速特性与负载相适应，以求的电动机充分合理的应用。在满足技术指标的前提下，进行经济比较，最后确定最佳方案。2.3控制方案的确定选择设备的电气控制方法很多，由继电器接触器的有触点控制，有无触点逻辑控制，有可编程控制器控制、计算机控制等。总之，合理的确定控制方案，设计实现、简便、可靠、经济、适用的电力拖动控制系统的重要前提。控制方案的确定，应遵循以下原则：1．控制方式与拖动需要相适应。控制方式并非越先进越好，而应该以经济效益为标准。控制逻辑简单、加工程序基本上固定的生产机械，采用继电器接触器控制方式比较合理；对于经常改变加工程序或控制逻辑复杂的生产机械设备，则采用可编程控制器较为合理。2．控制方式与通用化程度相适应。通用化是指生产机械加工不同对象的通用化程度，它与自动化是两个概念。对于某些加工一种或几种零件的专用机床，它的通用化程度比较很低、但它可以有较高的自动化程度，这种机床宜采用固定的控制电路；对于单件、小批量可以加工形状复杂零件的通用机床，宜采用数字程序控制，或采用可编程序控制器控制，因为他们可以根据不同的加工对象而设定不同的加工程序，因而有较好的通用性和灵活性。3．控制方式应最大限度满足工艺要求。根据加工工艺要求，控制线路应具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度满足工艺要求。4．控制电路的电源应当可靠。简单的控制电路可直接用电网电源，元件较多、电路较复杂的控制装置，可将电网电压隔离降压、以降低故障率。对于自动化程度较高的生产机械可采用直流电源，这有助于节省安装空间，便于同无触点元件连接，元件动作平稳，操作维修也比较安全。影响方案确定的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平，取决于设计人员的设计经验和设计方案的灵活运用。2.4电气控制线路的设计方法。生产机械的电气控制系统是生产机械的重要组成部分，他对生产机械能否正确可靠地工作决定性的作用。因此，设计电气控制线路前，应对生产机械的工作性能、基本机构、运动情况及加工工艺过程有充分的了解，特别要明确生产工艺对电气控制提出的要求，在此基础上，再来考虑控制方式，如控制方式、起动、反向、制动、调速等控制，设置必要的保护与联锁，以保证满足生产机械的工艺要求。在进行具体电路设计时，首先应设计主电路，然后设计控制电路，最后是信号电路及局部照明电路等。初步设计完成后，应当仔细检查，但电路是否符合设计要求，应尽可能使之完善简化，最后选择所用电器的型号与规格。2.4.1控制线路的设计要求。不同用途的电气控制线路，其控制要求有所不同，一般应满足以下要求：1.应能满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确而可靠地工作。2.线路结构求简单，尽量选用常用的且经过实际考验过的线路。3.操作、调整和检修方便。4.具有各种必要的保护装置和联锁环节，即使在误操作时也不会发生重大事故。5.工作稳定，安全可靠，符合使用环境条件。2.4.2设计控制线路时应注意的问题设计具体线路时，为了使线路设计的简单且准确可靠，应注意以下几个问题。1.尽量减少连接导线设计控制线路时，应考虑各元器件的实际位置，尽可能减少配线时的连接导线。如图2.1（a）所示电路是不合理的。因为按钮一般是安装在操作台上的，而接触器是安装在电器柜内的，这样接线就需要由电器柜内二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮与停止按钮直接连接，这样就可以减少一次引出线，如图2.1(b)所示为合适的连接。 （a）不合理
（b）合理图2.1 电气连接图2．正确连接电器的线圈电压线圈通常不能串联使用，如图2.2（a）所示为不正确的连接。由于他们的阻抗不尽相同，造成两个线圈上的电压分配不等。即使是两个同型号线圈，外加电压是他们的额定电压之和，也不允许这样连接，因为电器动作总有先后，应有一个接触器先动作时，其线圈阻抗增大，该线圈上的电压降增大，使另一个接触器不能吸合，严重时将使线圈烧毁。电感量相差悬殊的两个电器线圈，也不要并联连接。图2.2（b）中直流电磁铁YA与继电器KA并联，在接通电源时可正常工作，但在断开电源时，由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大得多，所以断电时，继电器很快释放，但电磁铁线圈产生的自感电动势可能使继电器又吸合一段时间，从而造成继电器的误动作。解决的方法是可以各用一个接触器的触点来控制。如图2.2（c）所示。 （a）错误
（c）正确 图2.2
电磁线圈连接图3．寄生电路中应避免出现寄生电路寄生电路是线路动作过程中意外接通的电路。如图2.3HL和热保护的正反向电路。正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。当热继电器FR动作时，线路就出现了寄生电路如图中虚线所示，使正向接触器KM1不能有效释放，起不了保护作用；反转时亦然。 图2.3
寄生电路 包含各类专业文献、中学教育、文学作品欣赏、行业资料、高等教育、各类资格考试、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、专业论文、18电气控制线路的设计与应用等内容。　
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控制线路的设计
机床电气控制线路的设计
?机床一般都是由机械与电气两大部分组成的,设
计一台机床,首先要明确该机床的技术要求,拟
订总体技术方案。
?机床的电气设计是机床设计的重要组成部分,机
床的电气设计应满足机床的总体技术方案要求。
机床电气设计涉及的内容广泛,主要是设计电气
原理图,正确选择低压控制电器及编制电气元件
一览表等。
机床电气控制线路的设计
?要求:了解机床电气设计的基本内容,重点掌握
继电器―接触器控制线路设计的一般规律及设计
?掌握普通机床电气原理图设计的一般方法,正确
选择电动机、接触器、继电器、熔断器和主令电
器等低压控制电器。
电 气 设 计 的 一 般 原 则9.1电气设计的一般原则
机床电气设计的基本要求
?1熟悉设计机床的总体技术要求及工作过程,弄
清其它系统对电气控制系统的技术要求。2了解所设计机床设备的现场工作条件、电源
及测量仪表种类等情况。
49.1 电 气 设 计 的 一 般 原 则9.1电气设计的一般原则
机床电气设计的基本要求
?3依据总体技术要求,通过技术经济分析,选择
出最佳的传动方案和控制方案。
?4设计机构简单、技术先进、工作可靠、维护方
便、经济耐用的电气控制电路,进行模拟试验,
验证其能满足所设计机床的工艺要求。
59.1 电 气 设 计 的 一 般 原 则
?5保证使用安全,贯彻执行最新的国家标准。
?1.1.2 机床电气设计的基本内容
?1拟订电气设计的技术条件任务书。
?2选择并确定电气传动形式与控制方案。
69.1 电 气 设 计 的 一 般 原 则
?3确定电动机容量。
?4设计电气控制原理图。
?5选择电气元件,制定电动机和电气元件明细表。
79.1 电 气 设 计 的 一 般 原 则
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电气控制线路的经验设计
第四章电气控制线路的经验设计；本章教学目的与要求；1、了解电气设计的基本原则；2、了解机床电力拖动电动机的选择；3、了解电气控制线路的设计；4、了解机床厂用电器的选择；重点：电气控制线路的设计；难点：电气控制线路的设计；第一节电气设计的基本原则；一、机床电气设计的基本要求；(1)熟悉所设计机床(设备)的总体技术要求及工作；(2)了解机床(设备)的现场工作条件
电气控制线路的经验设计本章教学目的与要求1、了解电气设计的基本原则。2、了解机床电力拖动电动机的选择。3、了解电气控制线路的设计。4、了解机床厂用电器的选择。重点：电气控制线路的设计。难点：电气控制线路的设计。第一节 电气设计的基本原则一、机床电气设计的基本要求(1)熟悉所设计机床(设备)的总体技术要求及工作过程，弄清其它系统对电气控制系统的技术要求。(2)了解机床(设备)的现场工作条件，供电情况及测量仪表的种类。(3)通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案和控制方案。(4)设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电气控制电路。进行模拟试验，验证控制电路能否满足机床的工艺要求。(5)保证使用的安全性，贯彻最新国家标准。二、机床电气设计的内容及设计步骤(1)拟定电气设计的技术条件(任务书)。(2)确定电力传动方案和控制方案。(3)确定电动机容量。(4)设计电气控制原理图。(5)选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器件的清单及备件，易损件的清单。(6)绘制电气安装图、位置图、互连图。(7)设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件。(8)编写设计计算说明书及使用说明书，包括顺序说明、维修说明及调整方法。根据实际情况，对上述步骤可作适当的调整。三、电气设计的技术条件电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机床(设备)型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明：(1) 用户供电电网的种类、电压、频率及容量。(2)有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速指标、电动机的起动、反向和制动要求等。(3)有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、自动控制的动作顺序、电气保护及联锁条件等。(4)有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量显示、故障报警及照明等要求。(5)机床主要电气设备(如电动机、执行电器和行程开关等)的参数及布置框图。该技术任务书是依据所设计机床(设备)的总体技术方案拟定的。四、机床电力传动方案的确定1．确定机床传动的调速方式机械设备的调速要求，对确定其传动方案是一个很重要的因素。机床传动的调速方式一般可分为机械调速和电气控制调速。前者是通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机床的主运动和进给运动进行调速。后者是采用直流电动机或交流电动机以及步进电动机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。对于一般无特殊调速指标要求的机床，电力拖动应优先采用三相鼠笼式异步电动机，因为这种电动机结构简单、运行可靠、价格经济、维修方便，若配以适当级数的齿轮变速箱或液压调速系统，便能满足一般机床的调速要求。若要进一步简化传动机构，减少机械传动链，提高传动效率，扩大调速范围，则也可采用双速或多速的鼠笼式异步电动机。例如，当调速范围D＝2～3，调速级数≤2～4时，采用可变极数的双速或多速鼠笼式异步电动机便是恰当的选择。对于调速范围、调速精度、调速的平滑性要求较高以及起制动频繁的机床，则采用直流或交流调速系统。直流调速系统线路成熟，具有很好的调速性能，在条件允许的情况下是优先考虑的方案。交流调速具有一系列优点，很有发展前途，其技术已日臻成熟，在一定范围大有取代直流调速的趋势。但其装置较直流调速更复杂、造价更高，采用时应注意进行技术经济指标的比较。2．传动方式与其负载特性相适应在确定机床电力传动方案时，必须对电力传动的调速性质和其负载特性进行分析。找出电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系[T＝f(n)；P＝f(n)]。确定负载需要恒功率传动，还是恒转矩传动，这也是为合理确定传动方案、控制方案及电动机容量的选择，提供必要的依据。若机械设备的负载特性与电力传动的调速性质不相适应，将会引起电力传动的工作不正常，电动机不能得到合理的使用。3．电动机的起制动和正反转的要求在机床的传动控制中，采用电气控制电动机的起制动和正反转是较为简单的一种控制方式。对于一般较小容量的电动机，其容量不超过供电变压器容量的20％，一般可采用直接起动。对于超过电网允许压降的电动机起动或对机床运动部件产生过大的动态应力的电动机起动，必须采取限制起动电流或起动转矩的措施。常用的方法有：在定子电路中串人电阻或电抗，星三角起动和延边三角形起动，使用自耦变压器降压起动等。若在电网允许的压降内，为了提高电动机的起动转矩，有时可采取某些措施，例如，对绕线式异步电动机转子串接对称电阻的起动。
传动电动机是否需要制动，这要根据机床工作需要而定。若无特殊要求，一般采用反接制动，这样可使控制线路简化。若在制动过程中要求平稳、准确，而且不允许有反转情况发生，则必须采取其它可靠的制动措施，如能耗制动方式，电磁制动器，锥形转子电动机等。对于其它一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的精密机床设备，除必须采用限制电动机起制动电流以外，还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电动机系统或其它较复杂的控制方式，以满足机床的控制要求。五、机床电气控制方案的确定在考虑设计机床电力传动方案过程中，实际上对机床电气控制的方案也同时进行了考虑。因为这两者具有密切的关系。只有通过这两种方案的相互实施，才能实现生产机械的工艺要求。目前随着机床生产工艺要求的不断提高，机床的使用功能、动作程序、自动化程序也相应复杂。为满足这些控制要求，各项先进技术也已逐渐渗透到机床控制系统的各个领域。各种新型的控制系统不断出现，如继电接触式控制系统、可编程控制器、数控装置及微机控制等。电气控制方案对机床的机械结构和总体方案将产生很大的影响。因此，如何使机床电气控制方案设计既能满足生产技术指标和可靠性安全性的要求，又能提高经济效益，这是一个值得探讨的问题。 1．机床电气控制方案的可靠性一个系统或产品的质量，一般包括技术性能指标和可靠性指标。设计的可靠性就是使一个系统或产品设计满足可靠性指标。如果一个系统或产品的可靠性不在产品设计阶段进行考虑，没有一些具体的可靠性指标或者设计师不懂得可靠性的设计方法，那么保证一个系统或产品的可靠性是困难的。在绪论中，已阐述了继电接触器控制、可编程控制器、数控及微机控制等各自的特点。因此，当需要确定采用何种控制方案时，应该根据实际情况，实事求是地进行设计。既要防止脱离现实的设计，也应避免陈旧保守的设计。要提高系统的可靠性，则应把系统的复杂性降至保持工作功能所需要的最低限度，也就是说，系统应该尽可能简单化。非工作所需的元件及不必要的复杂结构尽量不用，否则会增加系统失效的概率。虽然数控及微机控制是机床电气控制的一个发展方向，并且具有许多优点，但我们也必须看到，这些控制装置比较复杂，制造成本高，使用和维修都还有一定困难，况且目前我国的控制元件可靠性还不够高。因此，在确定这些控制方案时，就更应该注重系统的可靠性问题。利用可靠性设计的方法，来提高系统的可靠程度。2．电气控制方案的确定机床的控制方案应与机床的通用性和专用性的程序相适用。在普通机床中，需要的控制元件数很少，其工作程序往往是固定的，使用中一般不需经常改变原有程序，因此，可采用有触头的继电接触器控制系统。虽然该控制系统在电路结构上是呈“固定式”的，但它能控制的功率较大，控制方法简单，价格便宜，目前仍使用得很广。对于在控制中需要进行模拟量处理及数学运算的，输入输出信号多，控制要求复杂或控制要求经常变动的，控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的，可根据情况采用可编程控制、数控及微机控制方案。在机床自动线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程序不同，采用分散控制或集中控制的方案。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以简化设计和制造过程。为满足生产工艺的某些要求，在机床电气控制方案中还应考虑下述诸方面的问题：采用自动循环或半自动循环，手动调整、工序变更、系统的检测、各个运动之间的联锁、各种安全保护、故障诊断、信号指示、照明及人机关系等。六、控制方式的选择控制方式主要有时间控制、速度控制、电流控制及行程控制。
时间控制方式是利用时间继电器或PLC的延时单元，它将感测系统接受的输入信号经过延时一段时间后才发出输出信号，从而实现电路切换的时间控制。速度控制方式是利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。电流控制方式是借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。行程控制方式是利用生产机械运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近．开关进行相互配合，而达到位置控制的作用。如何正确选用这些控制方式，是电气控制电路设计中的一个重要方面。例如对某些物理量，既可用行程控制方式，也可用时间控制方式。但究竟采用何种控制方式，这就需要根据实际工作情况来决定。如若在控制过程中，由于工作条件不允许安置行程开关，那么只能将行程位置的物理量转换成时间的物理量，从而采用时间控制方式。又如某些压力、切削力、转矩等物理量，通过转换可变成电流物理量，这就可采用电流控制方式来控制这些物理量。因此，尽管实际情况有所不同，只要通过物理量的相互转换，便可灵活地使用各种控制方式。在确定控制方式时，还必须注意因负载变化而出现的问题。例如，时间控制方式是一种恒加速的控制，即负载与电流电压的扰动都不会加快或延缓动作过程的时间。因此，若对于制动采用时间控制，则由于不同负载转速不一致，尤其是在反接制动中，时间继电器不能精确控制反接制动转速到零的切断，所以时间控制方式一般不用于反接制动控制，而适用于异步电动机的能耗制动。一般对组合机床和自动线等的自动工作循环，为了保证加工精度而常用行程控制；对反接制动和速度反馈环节用速度控制；对星三角降压起动或多速电动机的变速控制则采用时间控制；对过载保护、电流保护等环节则采用电流控制。以上电气设计等内容，必须符合有关国家标准。根据机床的总体技术要求和控制线路的复杂程度不同，内容可增可减，某些图样和技术文件可适当合并或增删。为保证我国的机床在国际市场上占有一席之地，机床设计必须向国标标准靠拢，否则就会影响我国机床走向国际市场。因此，机床电气设备通用技术条件及机床数字控制系统通用技术条件，是机床电气设计的必要依据。 第二节
机床电力拖动电动机的选择正确的选择电动机具有重要意义，合理的选择电动机是从驱动机床的具体对象、加工规范，也就是要从机床的使用条件出发，经济、合理、安全等方面靠虑，使电动机能够安全可靠地运行。一、机床用电动机容量的选择根据机床的负载功率(例如切削功率)就可选择电动机的容量。然而机床的载包含各类专业文献、生活休闲娱乐、行业资料、中学教育、文学作品欣赏、各类资格考试、应用写作文书、外语学习资料、高等教育、幼儿教育、小学教育、96第四章
电气控制线路的经验设计等内容。　
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