阳极小车自动清理机控制系统说明书_完整.doc

题 目 阳极小车自动清理机控制系统 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 学 院 答辩日期 摘 要 随着自动化生产程度的提高, PLC 在生产控制系统中的应用也越来越广泛。尤其 是如今的互联网大潮下，PLC 和其它工业控制计算机构成大型的控制系统是可编程控制 技术的发展方向。可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分， 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。 本设计作为阳极组装工艺的一部分，该工艺主要是完成对阳极小车托盘的自动清 理和移动电机的控制，该工艺是集机、电、液于一体的大型自动化的工艺设备。系统 主要由油泵电机、油循环电机、油加热器、小车移动电机控制系统组成。通过对主电 路和控制电路的设计，设计出来控制系统完整的控制电气图和流程图，并且根据阳极 组装的生产工艺的要求，使用 STEP 7 编制了一套适用于该组装工艺的 PLC 控制软件。 关键词： 可编程控制器；变频器；自动清理 Abstract With the improvement of automatic production, the PLC application in production control system is becoming more and more broad. Especially in present internet ，large control system consists of PLC and other industrial computer is the development direction of programmable control technology. As important component of automation network and the international network, the programmable controller will play an increasingly important role in the industrial area and other areas. As part of the anode assembly process, this design is mainly to complete the anode trolley trays automatic cleaning and mobile motors controlling. It set machine, electricity, liquid in one of the large-scale automation technology and equipment. The system mainly consists of oil pump motor, oil motor, oil heaters and car mobile motor control system. Based on designing the main circuit and the control circuit, this paper designed the control circuit, the control system of complete electrical control diagram and flow chart, and according to the anode assembly production process requirements, use STEP7 prepared a set of suitable for the assembly process control software for PLC. Key Words: PLC；Inverter； Automatic cleaning 目录 第一章 概述 1 1.1 设计背景和依据 1 1.2 设计内容 1 1.3 设计流程和思路 2 1.4 功能简介 2 1.4.1 检测部分.3 1.4.2 夹具动作清理部分.3 1.4.3 移动小车控制部分.4 第二章 系统方案设计 5 2.1 设计依据 5 2.2 方案选择.5 2.2.1 单片机.5 22.2 工业计算机（IPC）.6 2.2.3 可编程逻辑控制器(简称 PLC) .7 2.3 方案论述和确定 7 第三章 系统硬件设计 9 3.1 设计依据 9 3.2 主电路设计 9 3.2.1 主接线图设计.9 3.2.2 导线、电缆和元器件的选择10 3.3 PLC 控制电路的设计 .22 3.3.1 I/O 点的分配 .22 3.3.2 PLC 的选型 .25 3.3.3 CPU 的选择26 3.3.4 数字量输入输出模块27 3.3.5 PLC 控制接线图28 3.4 变频器 .30 3.4.1 变频器的分类31 3.4.2 变频器的基本构成31 3.4.3 变频器的工作原理和选择32 3.4.4 变频器的优点 .33 3.5 液压系统设计34 3.5.1 液压控制系统的优点 .35 3.5.2 液压系统的组成35 第四章 系统软件设计 .36 4.1 STEP7 软件介绍 .36 4.1.1 软件安装及其主要功能36 4.1.2 STEP7 使用步骤39 42 设计系统分析 41 4.2.1 主程序流程图 .41 4.2.2 子程序流程图 .42 4.3 程序设计46 第五章 设计总结 .64 参考文献 .65 外文翻译原文 .66 外文翻译译文 .74 致谢 .81 附录 182 附 录 2.83 第一章 概述 1.1 设计背景和依据 在当今自动化程度越来越高的现代化企业中，以 PLC 为主构建的过程控制系统是 一种比较可靠的控制系统，它以编程的便捷性以及使用的可靠性而广泛应用于各大现 代化企业中。在电解铝厂，基于 PLC 的阳极组装工艺控制系统对于整个车间的自动化 控制系统起着至关重要的作用。中国铝电解技术自 70 年代末引进 160KA 中间下料预焙 槽技术之后，从消化国外技术开始，揭开了中国现代铝电解技术发展的序幕。现代电 解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质， 炭素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在 950-970下，在电解槽 内的两极上进行电化学反应，既电解。 在电解铝厂，阳极组装车间是电解铝厂的一个重要车间，一般包括装残极、电解 质清理、残极抛丸、残极压脱、磷铁环压脱、钢爪抛丸、铝导杆校直、钢爪校直、铝 导杆清刷、钢爪蘸石墨、钢爪烘干、组装阳极组、浇铸、卸新阳极组等工位，形成阳 极组装生产的主流程，阳极运输小车是运输阳极的主要设备，在运输的过程中，残阳 极碎块散落在小车上，影响阳极小车的运输功能，所以，清理阳极小车是阳极组装车 间的第一道工序。完成阳极小车的自动清理将大大降低了工人的工作量，提高了工作 效率，实现阳极小车的完全自动化。 本次设计是根据铝厂阳极组装工艺的要求，完成阳极托盘小车的自动清洗控制电 路设计和 PLC 控制程序的设计。自动控制系统由可编程控制器控制柜和托盘清洗操作 台组成。该控制系统以 PLC 为核心，配以合理的低压电气、先进的检测元件、控制电 动机，液压阀等机构协调动作，实现阳极小车清理的自动化，同时通过变频器可实现 对小车移动电机的启动、变频调速、正反转、停止等的控制。在 5#轨道和 6#轨道上各 安装一个光电传感器,以判断 5#轨道是否有托盘需要清理,6#轨道是否有未被运走的托盘,以 及时清理和放置. 1.2 设计内容 这次设计的主要任务就是完成阳极组装工艺中阳极小车的自动清理控制，包括移 动电机的加速、匀速、减速运行控制和自动清理装置。移动电机的变速运行可以由变 频器完成，由于小车托盘质量和体积都相对比较大，所以自动清理过程需要启动液压 装置。根据铝厂阳极组装工艺要求，该小车自动清理装置的设计包括移动小车、油泵 电机、油循环电机和夹具动作控制系统的电气主电路、PLC 接口电路和控制梯形图。设 计过程中要对系统进行理论分析、设计计算和元器件选型，并撰写说明书和绘制电气 接线图及程序流程图。 设计的主要内容有：设计的主要内容有：（1）设计完成 PLC 对变频器的起停、调速和制动控制，移动电机 的前进、后退运行控制； （2）设计夹具的夹紧、放松、上升、下降、翻转、逆翻转、停止 和复位控制； （3）根据电机的运行情况，决定电机的起停、故障和过载保护； （4）设计完整的液压控制系统，使清理过程顺利进行，并要对液 压系统的油温实时监测，保证液压系统正常工作； （5）完成电气主电路和 PLC 接口电路的设计，并用 CAD 制图； （6）完成软件需求的系统分析及梯形图编程。 1.3 设计流程和思路 阳极小车自动清理机控制系统的设计主要包括两方面的内容：液压控制夹具动作 部分和变频器控制移动小车部分。夹具的动作包括夹具的夹紧、放松、上升、下降、 翻转、回翻转、停止和复位，其中夹紧和放松通过延时设置完成，并且通过限位开关 判断是否夹紧和放松，上升和下降由电磁阀控制完成，并且设计减速上升和减速下降， 翻转和回翻转就是清理托盘的过程，翻转动作是用两个压紧气缸将铝锭的两端沿轴向 夹紧，然后用气缸将其翻转一定角度而停止，延时 1-2s 后，再用气缸翻转复位。 夹具的上升、下降、夹具、放松等都可以用两位式电磁阀驱动完成，而夹具的左 右移动由移动小车完成，移动小车的前进、减速前进、后退和减速后退由变频器控制， 此时需要对变频器频率进行参数设置。 在了解清理过程工艺的基础上，确定系统的主接线连接图，进一步就可以确定 PLC 的输入输出点了，输入输出点的设计是根据工艺流程需要，设置了自动和手动两 种模式 。输入输出点的确定是控制的核心部分，只有这样才能正确连接控制图，编写 梯形图。 1.4 功能简介 本次设计采用效率高且便于操作的 PLC 来实现阳极小车的自动清理和移动小车控 制,模块式 PLC 结构的特点就是：CPU 为独立的模块，输入输出也是独立模块，因此配 置很灵活，可以根据不同的系统规模选用不同档次的 CPU 及各种 IO 模块、功能模块。 各个模块尺寸统一，安装整齐，对于 IO 点数很多的系统选型、安装调试、扩展、维 修等都非常方便。现将各部分功能作一一简介。 1.4.1 检测部分 本设计中的阳极小车实际上是铝厂生产线中的运料小车，设计中的托盘小车也称 为阳极小车，阳极小车的自动清理实际上就是对托盘进行清理。托盘小车的运料过程 分为上料过程和下料过程，这两个过程各有一个轨道，如图 2.1 所示: 上料过程轨道 1# 2# 3# 4# 5# 下料过程轨道 10# 9# 8# 7# 6# 图 2.1 小车上下料轨道 检测部分所要实现的功能就是检测 5#轨道是否有托盘，当 5#轨道有托盘时，就 要启动夹具动作进行清理了，若没有托盘，则等待，并且继续检测。检测托盘小车主 要由光电开关来实现，光电开关是一种集发射器和接收器为一体的传感器，当有被检 测物体到达时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关 就产生了开关信号，这种开关信号就可以作为数字量输入 PLC 进行控制了。 1.4.2 夹具动作清理部分 检测部分一旦检测到 5#轨道有托盘，就要启动夹具开始清理了，当然并不是立即 清理，可以有 2-3 秒的延时，然后再启动。由于托盘体积和质量都较大，所以需要液 压系统完成对夹具的控制，通过液压的驱动，机械手夹具开始动作。在两个气缸的作 用下，有两个夹板将其托盘两端牢牢夹住，在其上方两端分别安装有一个夹紧限位开 关和放松限位开关，用以确定夹具的夹紧和放松。 清理流程如下清理流程如下： 启动电机（液压系统） 检测 5#轨道是否有托盘 若有，则夹具下降至轨道 下限减速限位 至下限位停止 夹具夹紧（延时设置） 至夹具夹紧限 位 夹具上升 至上限减速限位减速 至上限位停止 小车后退至阳极残 渣回收处 夹具翻转（清理残阳极） 延时 2 秒 夹具回翻转（复位） 夹具右移至右限位 检测 6#轨道是否有托盘 若有，则夹具下降 至下限减速 限位减速 至下限位停止 夹具放松（延时设置） 至夹具放松限位 夹具上升 至上限减速限位减速 至上限位停止 夹具左移至左限位停止。 这就是一个完整的阳极小车自动清理过程。 从清理过程可以看出，夹具的动作有上升、下降、左移、右移和翻转，这些都可 以由两位式电磁阀驱动完成。由于6#轨道小车上只允许最多一个托盘，故当夹具行至 6#轨道上限位时，通过光电检测器检测，检测结果送入PLC,只有当6#轨道小车台面上 为空时，才允许托盘下降。 翻转动作是用两个压紧气缸将托盘的两端沿轴向夹紧，然后用气缸将其翻转，延 时 1-2s 后，再用气缸反转复位。只要托盘小车运行到 5#轨道都要进行清理，复位清理 残阳极时，都按上述设计进行阳极小车的自动清理。 1.4.3 移动小车控制部分 本系统中对移动小车的要求比较高，要求移动小车要前进、前进减速、后退、后 退减速及停止，停止位置误差很小，所以采用机械抱闸，保证移动小车准确地停止， 也就是托盘准确地停在轨道上。 移动小车的调速采用变频器调速，变频器的作用是: (1) 控制电动机的启动电流。 （2）降低电力线路电压波动。 （3）启动时需要的功率更低。 （4）可以按照用户的需要 进行光滑地调速。 （5）停止方式受控，可以减少对机械部件和电动机的冲击。 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固 定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变频器，是异步电 动机变频调速的控制装置。 第二章 系统方案设计 2.1 设计依据 早期阳极组装工艺电气控制系统多为继电器、接触器组成的复杂系统，这种系统 存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷，几乎无数据处理和通信功能，必须有专人 负责操作。而将 PLC 应用到阳极组装工艺的控制系统后，不仅实现了阳极小车的自动 化控制，降低了系统的运行费用，而且采用 PLC 控制系统具有连线简单，控制速度快， 精度高，可靠性和可维护性好，安装、维修和改造方便等优点。 本次设计是根据铝厂阳极组装工艺的要求，完成阳极移动的控制、自动清理控制 电路设计和 PLC 控制程序的设计。自动控制系统由移动小车控制和托盘清理组成。该 控制系统以 PLC 为核心，配以合理的低压电气、先进的检测元件、控制电动机协调动 作，实现阳极小车清洗的自动化，同时通过变频器可实现对小车移动电机的启动、变 频调速、正反转、停止等的控制。阳极托盘的清理过程由液压系统控制夹具完成，夹 具动作分为夹具上升、下降、减速、放松、夹紧、翻转、逆翻转和停止，PLC 可以用 各个限位开关进行夹具动作的控制。除此之外，该控制系统还有自动、手动和联动按 钮，当只按下自动按钮时不会自动运行，只有同时按下自动和联动按钮才会转入自动 模式。 2.2 方案选择 实现铝厂阳极小车自动清理控制系统设计的方案有多种，常用技术方案选项有单 片机（MCS） 、工业计算机（IPC） 、可编程控制器（PLC）等。 近几十年来，IPC、单片机和PLC三者在技术上都有了长足的发展，在微电子技术 发展的背景下，它们之间也有许多相同之处。例如，从硬件的角度来看，它们都是由 微电子元件，微处理器，大容量半导体存储器和I/O模件等组成。在软件编程方面，也 有很多相同点。因此，这三类自动化控制装置在技术，功能和应用领域上不断地相互 渗透，在很多场合下可以相互补充或替代。但是，由于IPC、单片机和PLC三者的技术 起源不同，在技术发展的侧重点和主要应用背景上也有差异，它们又保持着各自的特 点和优势，适合的应用场合也不完全一样。 2.2.1 单片机 所谓单片机系统就是采用单片机CPU及其它外围芯片，根据不同系统设计电路板， 最终设计成一台简易的计算机系统，并在此基础上设计程序以达到所要求的控制功能。 单片机是由工业自动化仪表控制系统发展而来，目前形成了以工业控制计算机为中心 的集散系统。所以，单片机在模拟量处理、回路调节方面具有一定优势，主要用在连 续过程控制，侧重回路调节功能。 由于单片机的所有器件均不是工业级的，抗干扰性，特别是抗电源干扰能力很弱， 可能引起单片机系统的不稳定。而且一旦单片机系统出现故障，很难诊断出故障元件， 操作人员必须翻阅说明书方能发现故障所在，按说明书指示排除故障，这样排除故障 的时间相对较长。最简单的方法是更换整个系统，这样就会增加维修成本。总之，这 样的人机对话不够友善。 由于单片机的线路是根据一定的功能要求特别设计的，所以要增加一个功能就要 重新设计线路，而且对应的程序都要重新设计。一般单片机系统的操作均采用自动设 计的键盘，设定数据用拨码开关，显示用LED，整个面板显得繁锁，而且为了减少操 作键，设计时往往一键多用，操作人员很难脱开说明书操作。 单片机系统在80年代国内很流行，但由于受到本身可靠性及其它方面的限制，目 前除了仪表上仍然采用外，在工业现场的应用已逐步被PLC所代替。 单片机的显著优势在于单片机要改变控制规律和被控参数，只需要改变其程序就 可以了，但同时也是它的劣势，因为工程技术人员必须具备有较高的计算机专业知识 才能对控制规律和被控参数进行修改。鉴于这个原因且按照工程上的惯例，众多工程 技术人员还是喜欢采用PLC进行控制。 22.2 工业计算机（IPC） 所谓IPC系统就是采用工业控制计算机系统，在此基础上设计程序以达到所设计的 功能。工控机由普通计算机发展起来，是为了满足快速大量数据处理要求的设备。在 硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强；在软件开发方面，软件资源丰富，特 别是有实时操作系统的支持。因此，IPC在要求快速、实时性强、模型复杂和计算工作 量大的工业对象的控制方面占有优势。 由于IPC的主要器件均不是工业级的，相对单片机系统，抗干扰性特别是抗电源干 扰能力虽然有一定提高，但变频调速对电源的干扰很大，因此也可能引起系统的不稳 定。一旦工控机系统出现故障，很难诊断出故障元件，这样维修周期增加，而且非专 业人员不能维修，如果故障由于程序设计不合理引起，如果缺乏合适的调试工具，要 找出故障原因也很困难。系统若要增加一个功能就要重新设计对应的程序，而IPC的编 程又相对比较复杂，这样对于现场操作人员的要求就比较高，虽然操作的界面较为友 善，但对于不熟悉计算机系统的人来说，仍然不够简便易学。 工业计算机 IPC 用于工业现场的个人计算机系统，具有功能强大、软件丰富和界 面友好等优点。但是 IPC 软件开发周期长，接口模块少，布线不灵活，安装体积大， 扩展性差，而且 IPC 主要通过接口模块转换各种信号，如何抗干扰也是个问题。 在本系统中，控制现场环境恶劣（高温、多烟尘等） ，控制器的高度可靠性是工程 师在设计中首先要考虑的问题。显然 IPC 可靠性差和对环境要求甚高的特点使它无法 胜任。而且由于 IPC 本身可靠性及其它的限制，目前除了在工厂中作为监控机以外， 在工业现场已很少采用。 2.2.3 可编程逻辑控制器(简称 PLC) 可编程逻辑控制器(简称 PLC)是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化控 制技术而开发的新一代工业控制器产品，广泛应用于各种生产机械的过程控制中，被 认为是构成机电一体化产品的重要装置。 PLC 是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下而设计，采用了可编程的存 储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令， 并通过数字或模拟输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外 围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。由于其面 向用户的指令系统、具有数字量或模拟量的输入输出能力，使得其应用非常方便，特 别适用于各种工业设备的控制。 PLC 之所以得到迅速发展和广泛应用，主要是由于它具有以下特点： （1）可靠性高、抗干扰能力强、用软件实现大量的开关量逻辑运算，克服了因继电器 触头不良而造成的故障；输入采用直流低电压，更加可靠、安全；面向工业环境 设计，采用滤波、屏蔽、隔离等抗干扰措施，适应各种恶劣的工业环境，远远超 过了传统的继电器控制系统和一般的计算机控制系统。 （2）编程简单、易于掌握. PLC 采用梯形图方式的编程，与继电器逻辑控制的设计 相似，具有直观、简单、易于掌握等优点。 （3）功能完善、使用灵活方便. 随着 PLC 技术的不断发展，其功能更加完善，不仅 具有开关量逻辑控制功能、步进和计数功能，还具有模拟量处理、温度控制、网 络通信等功能。既可单机使用，也可联网运行；既可集中控制，也可分布控制。 运行过程中可随时修改控制逻辑，增减系统的功能。 （4）体积小、质量轻、功耗低.由于采用了单片机等集成芯片，其体积小、 质量轻、结构紧凑、功耗低。 进入 90 年代后，PLC 机的性能价格比大幅度地提高，尤其是 PLC 机较过去的继 电器回路，其硬件配置灵活，组态方便，控制系统简单明了，接线简单、可靠，便 于查找故障点，使得 PLC 已经成为新一代工业控制机的首选装置。 2.3 方案论述和确定 由于本次设计的系统要在现场使用，且通过对以上几种控制方案的对比，我发现 采用可编程序控制器(简称 PLC)不但能达到阳极组装工艺控制系统需要的控制要求，而 且控制精度和可靠性能也都令人满意， PLC 这项控制技术在工程实际中应用的时间较 长，范围较广，技术已经相当成熟，在工程技术人员心目中有不可替代的地位。最重 要的是 PLC 可根据电流保护的要求适时输出，控制断路器的脱扣跳闸装置完成保护动 作。 综合比较以上三种方案，从可实时性等方面考虑，本设计采用方案三较好，故我 决定采用 PLC 控制。 第三章 系统硬件设计 3.1 设计依据 经过对系统功能要求和性能指标的分析，阳极小车自动清理控制系统的硬件设计 主要可以分为两部分：（1） 主电路设计；（2）PLC 控制电路设计。主电路接线应考 虑电机的起停、功率大小、正反转等等，为了安全，还要设置过载保护和短路保护等。 PLC 控制电路在设计之前，应先搞清楚哪些是数字量输入输出，哪些是模拟量输入输出， 根据已经确定了的 IO 口进行相应的扩展，对应数字量和模拟量的模块就可以设计了。 在设计硬件电路之前，要先考虑供电系统，它不仅是控制系统的电源，还可以 保证控制系统的可靠性。硬件设计时应依据以下几条供电要求： 1.输入电源电压在一定的允许范围内变化； 2.当输入交流电断电时，应不破坏控制器的程序和数据； 3.当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余； 4.当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电。 3.2 主电路设计 主电路是 PLC 控制设计中必不可少的一部分，它反映了现场设备的布置情况、接 线原理以及相关的保护措施。主电路的设计要很清楚地体现出各个器件的电气连接， 如电机的连接，变频器的接线方式等，不但要接线合理，还要正确地画出每个元件的 电气符号，只有这样，才能算是完整的主电路接线图。当然，每个元件都要进行选型， 包括电源和 PLC 型号的选择，有了图和元件型号，别人才能读懂图，现场接线调试了。 3.2.1 主接线图设计 系统主接线图如 3.1 所示，系统有三个电机，M1 为油泵电机，用来拖动主轴旋 转，功率为 22KW，采用直接启动方式；M2 为油循环泵电机，功率为 2.2KW；M3 为 移动小车电机，功率 2.2KW，移动小车既可以前进也可以后退，还要控制其运行速度， 使用变频器来完成；5R 为油加热器，用来控制油温保持在一定范围之内；5S 为小车 抱闸。 三相交流电源通过空开 QF 将电源引入，FR1、FR2、FR3 分别为油泵电机、油循 环泵电机和移动小车电机的过载保护，FU1、FU2、FU3、FU4 是油泵电机、油循环电 机、小车抱闸和油加热器的短路保护，由于变频器有过流保护、过载保护、欠压保护 等，所以不需要设计短路和过载保护装置。 图 3.1 系统主接线图 （1） 油泵电机：油泵电机 M1 为液压系统提供压力油之用，其工作方式有自动 和手动，在自动方式下，将在系统运行过程中自动地提供油，手动方式主要用 于检修或者检测油的质量等等。 （2） 油循环泵电机：和油泵电机一样，也有两种工作方式:手动和自动，完成液压系 统的油循环。 （3） 小车电机：在此说明书中有时也叫移动电机，移动电机可以前进也可以后退， 并用变频器控制其前进、后退以及转速，用来把清理过的托盘从 5#轨道运到 6# 轨道。 （4） 油加热器：油温的恒定直接影响液压系统的正常工作，当检测到油温低时，油 加热器进行加热，保持油温在一定范围内恒定。 （5） 小车抱闸：为了保证夹具能准确地停在轨道上方，采用小车抱闸对移动小车进 行停止位置的精确控制。 3.2.2 导线、电缆和元器件的选择 （1 1）导线和电缆的选择）导线和电缆的选择 导线和电缆的选择是供配电设计中的重要内容之一。导线和电缆是分配电能的主 要器件，选择的合理与否，直接影响到有色金属的消耗量与线路投资，以及电力网的 安全经济运行。选择导线和电缆以前应贯彻以铝代铜的技术政策，尽量采用铝心导线， 目前提倡采用铜线，以减少损耗、节约电能，而在易爆炸、腐蚀严重的场所，以及用 于移动设备、检测仪表、配电盘的二次接线等，必须采用铜线。导线和电缆的选择， 必须满足用电设备对供电安全可靠和电能质量的要求，尽量节省投资，降低年运行费， 布局合理，维修方便。 导线和电缆的选择包括两个方面内容：型号选择；截面选择。 导线的功能用于输送电能，是电力线路的主要组成部分，它不但要具有良好的导 电性能，同时还应具备机械强度高、抗腐蚀性强、质轻价廉等特点。 按导线的结构可分为单股导线、多股导线和空心导线；按导线使用的材料可分为 铜绞线、铝绞线、钢芯绞导线和钢导线。钢芯铝绞线（LGJ）是将多股铝线绕在钢芯外 层，由于集肤效应，电流主要从铝导线通过，而机械载荷主要由钢芯承担，因其机械 强度大，在架空线路中广泛使用。输配电线路应采用多股裸导线，如果线路的输送功 率大，导线截面积大，对导线的机械强度要求高时，可采用钢芯铝导线（钢芯铝导线 广泛采用在 35KV 及以上的线路中） 。 在 220KV 及以上的线路，为了减少电晕和对无线电的干扰，提高线路的输电能力， 多采用分裂导线。低压配电线路可使用单股裸铜导线，用电单位厂区的线路一般采用 外包绝缘导线。除低压配电线路使用外包绝缘导线外，架空线一般采用裸露导线。 电力电缆主要用于城区、国防工程、海底输电和电站等必须采用地下输电的场合。 供电电缆一般敷设在地下的廊道内，其作用是传输和分配电能。电缆线路的结构主要 由电缆、电缆接头与封装头、电缆支架与电缆夹等组成。 电力电缆有多种形式，按线芯数分为单芯、双芯、三芯、四芯等；按结构分为统 包式、屏蔽式和分相铅包式等；应用于超高压系统的新式电力电缆有充油式、充气式 和压气式等。 分类及用途代号K-控制电缆，P-信号电缆，YH-电焊机用，YD-探 照灯用，Y-移动电器，N-农用 绝缘代号Z-纸绝缘，X-橡皮绝缘，V聚氯乙烯 导体代号T-铜，L-铝 内护层代号Q-铅包，L-铝包，H-橡套，HF-非燃性橡套，V-聚 氯乙烯护套 派生代号P-干绝缘，F-分相铅包，C-滤尘器用，D-不滴流 外护层代号1-麻被护层，2-钢带铠装麻被护层，20-裸钢带铠 装，3-细钢丝铠装麻被护层，30 裸细钢丝铠装 综上，这里选择导线型号为 LGJJ(加强型钢芯铝绞线)，电缆型号为 XLQP 20(铝线 橡皮绝缘铅包裸钢带铠装干绝缘电力电缆)。 导线和电缆截面的选择对电网技术、经济性能影响很大，在选择导线截面时，既 要保证供电的安全可靠，又要充分利用导线的负荷能力。因此，要综合考虑技术、经 济效益来选择合理的导线和电缆截面积。 导线截面的选择原则有：1、按经济电流密度选择；2、按长时允许电流选择；3、 按允许电压损失选择；4、按机械强度条件选择。 这里按经济电流密度选择导线和电缆截面：从降低电能损耗角度看，导线截面积 越大损耗越小，但初期投资增加；从降低投资、折旧费、利息的角度，则希望截面积 越小越好，但必须保证供电质量和安全。另外，导线截面积大小对电网的运行费用有 密切关系，按经济电流密度（economic current density）选择导线截面可以使年综 合费用最低，年综合费用包括电流通过导体所产生的年电能损耗费、导电投资、折旧 费和利息等。综合这些因素，使年综合费用最小时所对应的大小截面称为经济截面 S， 对应的电流密度称为经济电流密度 J。年电能损耗与年最大负荷利用小时数 Tmax 有关， 所以经济电流密度 Jec 与 Tmax 有关，按线路正常运行最大长时工作电流 Imax,由下式 计算出导线经济截面 Aec(mm2)： Aec , Imax = = 3 计算负荷 Pca 是供电线路在 30min 内出现的的最大平均负荷，对单台电热设备、 变压器等，设备额定容量就作为计算负荷，即 Pca=PN,而对于对台用电设备，则可用需 要系数法计算负荷。 查表得 Kd=0.9,功率因数=0.82。所以由Kd= 得 cos 总 油泵电机：油泵电机：Pca=KdP总=0.922KW=19.8KW Qca=Pcatan=19.80.7=13.86KW Sca=24.17KVA Imax=Pca/3UN=19.8/3*0.22*0.82=36.59A cos Aec= =91.48A 36.59 0.4 综上计算：选择导线为 LGJ-95.最大室外长时允许电流为 335A91.48A，满足要求。 小车电机、油循环泵电机小车电机、油循环泵电机：Pca=KdPca=0.92.2KW=1.98kw Qca=Pcatan= 1.980.7=1.39KW Sca=2.42KVA Imax=Pca/3UN=3.66A cos Aec=9.15mm2 3.66 0.4 选择导线型号为 TJ-10.电流 60A3.66A,满足要求。 （2 2） 断路器的选择断路器的选择 自动空气断路器简称自动空气开关或自动开关，它相当于刀闸开关、熔断器、热 继电器和欠电压继电器的组合，是一种自动切断电路故障用的保护电器。自动空气开 关与接触器不同的是允许切断短路电流，但允许操作次数较低。对熔断器，在发生短 路时，很可能造成一相熔断器熔断，造成单相运行，但对于断路器，只要发生短路就 会自动跳闸，将三相电源同时切断，故可减少电动机断相运行的隐患。 本设计用的是低压断路器，低压断路器是指用于交流电压 1200V、直流电压 1500V 及以下电压范围的断路器，是低压配电系统中的主要配电电器元件。 低压断路 器主要用于保护交、直流低压电网内用电设备和线路，使之免受过电流、短路、欠电 压等不正常情况的危害，同时也可用于不频繁起动的电动机操作或转换电路。 低压断路器主要由触点、操作机构、脱扣器、灭弧装置等组成。操作机构有直接 手柄操作、杠杆操作、电磁铁操作、电动机驱动四种。脱扣器又分为电磁脱扣器，热 脱扣器，复式脱扣器、欠压脱扣器、分励脱扣器等五种。 低压断路器型号示意如下： D 低压断路器 W万能式 WX 万能式限流型 Z 塑料外壳式 ZX 塑料外壳式限流型 ZL漏电断路器 极数 额定电流 （A） 设计代号 图 3.2 断路器型号示意图 DZ15L 系列漏电保护开关的技术数据如下表所示： 额定电压（V）380 额定频率（Hz）5060 额定频率（Hz）40 极数3 过电流脱扣器额定电流（mA）40 额定漏电动作电流（mA）50 额定漏电不动作电流（mA）25 额定漏电动作时间（s）0.1 断路器图形符号如下图 3.2 所示： 图 3.3 断路器图形符号 低压断路器的选用应根据线路及电气设备的额定电流及对保护的要求来选， 低压断路器的选择原则如下： 1. 若额定电流较小（600A 以下） ，短路电流不太大，可选用塑料壳式断路器； 2. 若短路电流相当大的支路，则应选用限流式断路器； 3. 若额定电流很大，或需要选择型断路器时，则应选择万能式断路器； 4. 若有漏电电流保护要求时，应选用带漏电保护功能的断路器等； 5.若控制和保护硅整流装置及晶闸管的断路器，应选用直流快速断路器。 尖峰电流的计算： 尖峰电流是指由电动机启动、电压波动等原因引起的单台或多台用电设备持续 1s2s 的短时最大负荷电流。它与计算电流不同，它比计算电流大得多。计算尖峰电流 的目的是选择熔断器、整定低压断路器、继电保护装置、计算电压波动及检验电动机 自起动条件等，尖峰电流就是用电设备的起动电流。 尖峰电流的计算公式为： Ijf=KIN 其中：IN 额定电流 K起动电流系数 （鼠笼型电动机取 67 ，绕线式电动机取 22.5，直流电动机取 1.7。 ） 油泵电机：油泵电机：Ic=Sc/ UN= 24.17/0.38= 36.72A 33 IN =Pca/ UN=19.8/0.380.82=36.69A3 cos 3 Ipk=Ist=KstIN =636.69A=220.14A 油加热器油加热器: : Pc=Pe=2 kW Qc= 0 小车移动电机小车移动电机: : Ic=3.66A IN =Pca/ UN=1.98/0.380.82=6.35A cos Ipk=Ist=KstIN=76.35A=44.45A 本设计中选择的断路器是具有过载和短路功能的塑料外壳式自动空气断路器，该 断路器又称装置式自动开关。该断路器主要产品有 DZ5、DZ9、DZ10、DZ20、DZ15L 等 系列。 所以选择断路器型号为:DZ10-250, DZ 15L60 。 （3 3）熔断器的选择）熔断器的选择 熔断器是一种利用融化作用而切断电路的保护电器，熔断器主要由熔体和熔断管 二部分组成。而其中熔体是主要部分，它既是敏感元件又是执行元件，因此熔断器结 构比较简单。熔断器种类很多，按热惯性分为无热惯性、大热惯性、小热惯性三种。 热惯性越小，融化越快。按熔体形状分为丝状、片状、笼状三种。 熔断器用于不同的负载，其额定电流的选择方法不同。 （1） 当用于保护无启动过程的平稳负载如照明、电阻电炉等，可按下式计算： 熔断器额定电压大于线路额定电压 URTRURT 熔断器额定电流大于负载额定电流 IRTRIRT T （2） 如用于保护单台长期工作的电动机，按下式计算： IRTR(1.52.5)IRT (3) 如用于保护频繁起动的电动机，应按下式计算： IRTR(83.5)IRT （4）如用于保护多台电动机时，则应按下式计算： IRTR (1.52.5)IRTmax+IRT 所以，对应油泵电机，熔断器选择 RTO-400，油循环电机和小车电机选择 RL1- 60。 （4 4） 接触器接触器 一般接触器都具有下列组成部分：电磁机构；主触点和灭弧装置；辅助触点；释 放弹簧机构或缓冲装置；支架与底座。接触器电磁机构的线圈通电后，在铁心中产生 磁通，在衔铁气隙处产生吸力，使衔铁产生闭合动作，主触头在衔铁的带动下也闭合， 于是接通了电路。与此同时，衔铁还带动辅助触头动作，使常开触头闭合，性常闭触 头打开。当线圈断电或电压显著降低时，吸力消失或减弱，衔铁在释放弹簧作用下打 开，主、辅触头又恢复到原来状态。接触器图形符号如下图 3.3 所示： 3.4 交流接触器图形符号 KM KM 接触器的主要技术数据有额定电压、额定电流、线圈额定电压、额定操作频率接 通与分断能力、电气寿命相机械寿命、线圈的起动功率与吸持功率等。 （1） 额定电压：是指接触器主触点的额定电压，一般情况，交流 220V,380V,660V. 在特殊场合额定电压高达 1140V;直流主要有 110V、220V、440V 等。 （2）额定电流：是指接触器主触点的额定工作电流。它是在一定的条件下规定 的，目前常用的电流等级为 10800A. （3）吸力线圈的额定电压：交流 36V、127V、220V、380V.直流 24V、48V、220V、440V. （4）机械寿命和电气寿命：接触器的机械寿命一般可达到数百万次以至一千万 次；电气寿命：是机械寿命的 5%-20%。 （5）线圈的消耗功率：可分为启动功率和吸持功率。两者相等，对于交流接触 器，一般启动功率约为吸持功率的 58 倍。 （6）额定的操作工作功率：是指每小时允许的操作次数，一般为 300 次/小时， 600 次/小时，1200 次/小时。 （7）动作值：是指接触器的吸合电压和释放电压，规定接触器的吸合电压大 于线圈额定电压的 85%时应可靠吸合，释放电压高于线圈额定电压的 7%。 接触器的型号及代表意义如下图： CJ 设计序号 Z重任务 X消弧 B栅片去游离灭弧 T表示改型后的 极数（以数字表示，三极 产品不注明数字） A、B改型产品 Z直流线圈 S带锁扣 额定电流（A） 图 3.5 交、直流接触器型号含义 交流接触器 如 CJ12T-250,该型号的意义为 CJ12T 系列交流接触器，额定电流 250A，主触头为 三极。 接触器的选择：接触器的选择： 常用接触器的使用类别和典型用途如下： 电流种类使用类别代号典 型 用 途 AC AC1 AC2 AC3 AC4 无感或微感负载，电阻炉 绕线式电动机的起动和中断 笼型电动机的起动和运转中分段 笼型电动机的起动反接制动，反向和点动 DC DC1 DC2 DC3 无感或微感负载，电阻炉 并励电动机起动反接制动，反向和点动 串励电动机起动反接制动，反向和点动 油泵电机： Ic=PN/kUN=19.8KW/10.38=52.11A 由于油泵电机不需要正反转，所以选择接触器型号为 CJ0-75，辅助触头 10A,数量: 2 动合，2 动断，吸引线圈消耗功率 55VA,最大操作频率 600 次/h. 小车电机和油循环泵电机: Ic=PN/kUN=1.98KW/10.38=5.21A 选择接触器型号为 CJ0-10，辅助触头为 5A,吸引线圈消耗功率 14VA,最大操作频率 1200 次/h. 油加热器： 油加热器和小车电机功率差不多，所以根据其长时允许最大电流，选择接触器型 号为 CJ0-10，辅助触头为 5A,吸引线圈消耗功率 14VA,最大操作频率 1200 次/h. （5 5）电磁阀的选择）电磁阀的选择 电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次 是根据六个方面的现场工况。 选型依据： 1、根据管道参数选择电磁阀的：通径规格、接口方式 a、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸。 b、接口方式，一般DN50 要选择法兰接口，DN50 则可根据用户需要自由选择。 2、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组 a、流体粘度：通常在 50cSt 以下可任意选择，若超过此值，则要选用高粘度电磁阀。 b、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜选用食品级 不锈钢材质电磁阀。 c、流体状态：大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于 DN25 订货时一定要 区分开来。 d、高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选 择活塞式结构类型的。 3、根据压力参数选择电磁阀的：原理和结构品种 a、公称压力：这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来 定。 b、工作压力：如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在 0.04Mpa 以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。 4、电气选择：电压规格应尽量优先选用 AC220V、DC24 较为方便。 5、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电, 当电磁阀需要长时间 开启，并且持续的时间多余关闭的时间应选用常开型。 根据以上选择原则，本设计中选择电磁阀的型号为：DSG-01-3C2-D24-N。 （6 6）继电器）继电器 继电器是一种当输入量变化到某一定值时，其触头(或电路)接通或分断交直流小 容量控制回路的自动控制电器.在电气控制领域或产品中，对继电器的需求千差万别， 为了满足各种要求，人们研制生产了各种用途、不同型号和大小的继电器。本设计主 要用到电磁继电器、时间继电器、热继电器等几种常用的继电器。 继电器的主要特性 是输入-输出特性，电磁式继电器的特性如图所示： 图 3.6 继电器特性曲线 电磁式继电器电磁式继电器: : 电磁式继电器与接触器类似，是由铁心、衔铁、线圈、释放弹簧和触点等部分组 成。电磁式继电器的种类很多，如电压继电器、中间继电器、电流继电器、电磁式时 间继电器、接触器式继电器等都属于这一类接触器式继电器是一种作为控制开关电 器使用的接触器，在电路中的作用主要是扩展控制触头数量或增加触头容量。 电磁式继电器有交、直流之分，它是按线圈通过交流电或直流电所决定的。交流 继电器的线圈通以交流电，它的铁心用硅钢片叠成，磁极端面装有短路环。直流继电 器的线圈通以直流电，它的铁心用电工软钢做成，不需要装短路环。 本设计采用的电磁继电器主要用于各个系统的信号引用。选择电压型的继电器即 可以满足要求。 型号： JT3-220V AC 触点： 24V DC 线圈： 220V AC 热继电器热继电器: 热继电器是一种保护电器，专门用来对过载及电源断相进行保护，以防止电动机 因故障导致过热而损坏。主要用于电动机的过载保护、断相及电流不平衡运行的保护 及其他电气设备发热状态的控制。 热继电器是利用电流的热效应原理来切断电路的保护电器。电动机在运行中常会 遇到过载情况，但只要过载不严重，绕组不超过允许温升，这种过载是允许。但是如 果过载情况严重，时间长，则会加速电动机绝缘老化，甚至烧毁电动机。热继电器就 是专门来对连续运行的电动机实现过载及断相保护，以防电动机因过热而烧毁的一种 保护电路。 图 3.7 热继电器符号 常用的热继电器有 JR20、JR16B、JR0、JR16 等系列。 JR0 系列有 20A、40A、60A、100A 四种，除 40A 为二热元件外， ，其余都为三热元件。 电流为 0.35160A,可用于交流电源 500V 以下的电路中。热元件按照负载电流选择。当 电流超过额定电流的 20时，在 20min 内动作；超过额定电流的 50时，在 2min 内 动作。 型号示意如下： 图 3.8 热继电器型号示意图 最后选择热继电器型号为 JR0-20/3。 中间继电器中间继电器: : 中间继电器实质是一种电压继电器。主要用来对外部开关量的接通能力和触头数 量进行放大。中间继电器原理与接触器相同，只是其触点系统中无主、辅触点之分， 触点容量相同。中间继电器的触点容量较小，对于电动机额定电流不超过 5A 的电气控 制系统，可以用其替换接触