青海铝厂阳极组装工艺PLC控制系统设计说明书

1、. . . . 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。本设计基于西门子公司 S7-300 可编程控制器，设计了铝厂阳极组装工艺 PLC 控制的自动控制系统。该工艺过程主要是对托盘小车的控制和轨道电机的控制，本设计取材于铝厂阳极组装工程实例，该工艺是集机、电、液、气于一体的大型自动化的工艺设备。系统主要由油泵电机、油加热器、液压站、皮带运输机、小车移动电机和控制系统组成。通过对控制系统主电路、控制电路设计和参数计算，给出了控制系统完整的控制电气原理图和流程图。根据阳极组装的生产工艺的要求，设计并使用 STEP 7 编制了一套适用于该组装工艺的 PLC 控制软

2、件。本设计过程中涉与较多的开关量输入输出点，故选用配置灵活的模块式结构 PLC 以提高系统的可靠性与处理效率。关键词：关键词： 可编程控制器；轨道电机可编程控制器；轨道电机；自动控制自动控制；变频器变频器. . . . 2 / 105AbstractAbstractWith the improvement of automatic production, the PLC application in production control system is also more and more broad.This design based on the Siemens S7-300 prog

3、rammable controller, has designed the Qinghai aluminum manufacturer anode assembly technology PLC control automatic control system. This technological process is mainly to the tray cars control and the orbital electrical machinerys control, this design selects material from the Qinghai aluminum manu

4、facturer anode assembly project example, this technological is the collection machine, the electricity, the fluid, the gas in a bodys large-scale automation process unit. The system is mainly composed by the oil pump electrical machinery, the oil heater, the hydraulic pressure station, the belt conv

5、eyer, the car moves the electrical machinery and the control system is composed. Through to the control system main circuit, the control circuit design and the parameter computation, has given the control system complete control electricity schematic diagram and the flow chart. According to the anod

6、e assemblys technique of productions request, designed and uses STEP 7 to establish a set to be suitable for this assembly technology PLC control software.This design involves more switches quantity input output spot, the simulation quantity input output spot, therefore selects input output disposit

7、ion nimble module type structure PLC to enhance the system the reliability and the processing efficiency.KeyKey WordsWords: :PLCPLC；OrbitalOrbital electricalelectrical machinerymachinery；AutomaticAutomatic controlcontrolFrequencyFrequency changerchanger . . . . 3 / 105目 录摘摘 要要 1 1ABSTRACTABSTRACT2 2

8、第一章第一章 设计任务、设计要求与设计参数设计任务、设计要求与设计参数 1 1.1 设计任务 1 1.2 设计要求与设计参数 11.2.1 设计要求 1 1.2.2 设计参数 1第二章第二章 系统方案设计系统方案设计 3 32.1 设计依据 32.2 各部分功能分述 3 2.2.1 阳极小车上料过程：4 2.2.2 夹具动作过程：42.2.3 阳极小车下料过程：52.2.4 翻转装置 52.3 控制方案的比较、论证和确定 62.3.1 方案的比较 62.3.2 方案论证与确定 9第三章系统硬件设计第三章系统硬件设计 10 3.1 设计依据 103.2 主电路设计 10 3.3 导线、电缆与元器

9、件选型 133.3.1 导线和电缆 13 3.3.2 断路器 143.3.3 熔断器 193.3.4 低压隔离器 22 3.3.5 接触器 233.3.6 继电器 27 3.3.7 接近开关 32. . . . 4 / 1053.3.8 电动机 333.3.9 电流表和电流互感器 343.3.10 24V 直流电源 343.3.11 油加热器 343.3.12 光电传感器 343.3.13 控制按钮、信号灯 353.4 变频器设计 363.4.1 概述 363.4.2 变频器分类 363.4.3 变频器的组成、工作原理与控制方式 37 3.4.4 变频器选择 393.5 系统控制电路设计 42

10、3.5.1 设计依据 423.5.2 S7-300 系列 PLC 组成 433.5.3 S7-300PLC 特点 443.5.4 模块选择 443.5.5 硬件地址配置 52第四章控制系统软件设计第四章控制系统软件设计 534.1 软件设计分析 534.1.1 STEP7 概述 534.1.2 STEP7 使用步骤 534.1.3 STEP 7 的编程功能 554.2 系统流程图 574.3 I/O 地址分配表：61 4.4 系统程序梯形图 64总结总结 77参考文献参考文献 78英文翻译原文 79 英文翻译译文英文翻译译文 90致致 98 附录附录 1 199附录附录 2 2100附录附录

11、3 3101附录附录 4 4102附录附录 5 5103. . . . - 1 - / 105第一章 设计任务、设计要求与设计参数1.1 设计任务本次设计为功能设计，取材于铝厂阳极组装工程实例，根据新型铝厂电解铝的阳极组装工艺要求，完成阳极组装工艺中托盘小车、轨道电机与夹具动作控制系统的电气主电路、PLC 控制电路设计和控制程序设计。自动控制系统由可编程控制器（PLC）控制柜、轨道电机操作台、阳极小车等控制系统组成。要求进行系统的设备与元器件选型、各类导线的选择与布线设计。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，实现阳极组装工艺过程的自动化

12、控制。1.2 设计要求与设计参数1.2.1 设计要求小车运行控制（1）包括小车的前进和后退与制动控制，夹具的上升和下降、夹具的翻转和复位 控制等；（2）PLC 对变频器的起停，调速和制动使能控制。轨道电机控制（1）完成 10 个电机起、停信号的检测、实现电机的自由起、停；（2）完成小车和轨道电机各种信号的互锁和监控；（3）根据轨道的运载情况，决定电机的起停、故障和过载保护控制。本设计是要实现对阳极组装工艺过程的自动控制，是一套实际生产设备，设计要依据工艺要求，按照以下原则设计：1.先进性：选用目前先进的控制设备、仪器仪表、检测元件、低压电器，保证系 统的先进性。2.可靠性：操作台面板应具有各电

13、机运行状态指示、电动机电流指示、电动机过 统的先进性。3.可扩充性：PLC 设计时，应留有一定余量的输入/输出点数和扩展槽。4.合理性：硬件图形要合理、正确、标准，具有实用价值；程序设计要先进、合 理，具有可读性和可维护性。1.2.2 设计参数（1）油泵电机 15kW、油加热器 2kW、皮带运输机 2.2kW、轨道电机功率 2.5kW、. . . . - 2 - / 105小车移动电机 7.5kW、制动电机 0.2kW。（2）系统具有电机过载、过流保护、油温高保护与短路保护等必要的保护环节。（3）系统具有手动/自动工作方式。. . . . - 3 - / 105第二章 系统方案设计2.1 设计

14、依据铝锭阳极组装工艺是电解铝行业中不可缺少的一种作业方式，其作业的劳动强度不大，但因该工艺主要任务是利用熔化的磷生铁完成合格焙烧阳极块与钢导杆组装成电解所需的阳极，所以常常要在高温环境下工作。在传统的阳极组装工艺作业中，最常见的作业流程为：浇铸输送脱模冷却提升翻转整齐夹持提升换向。这种作业方式工作流程长。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，

15、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。本系统设计包括：托盘小车的控制和轨道电机的控制两部分，其中托盘小车的结构分为夹具和小车电机，夹具负责夹住和释放托盘，由液压驱动，而小车电机则负责将托盘运送到对面的轨道上，然后再次返回，作往返运动，为使小车在运动过程中不致使托盘滑落，平稳运行，小车的控制需要调速和制动。轨道电机共 10 台，分别驱动10 条轨道，由该 10 条轨道托运托盘。通过机械手夹具来实现托盘从 5#轨道向 6#轨道的运动，其动作分为夹具夹紧、夹具放松，夹具上升、夹具下降，夹具翻转、夹具复位和前进、后退。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

16、反转等的控制。对于轨道电机的控制，每条轨道上都安装由一个位置（光电）传感器，可用来判断前后由无托盘并检测到位的托盘，以发布控制命令进行控制。本次设计是根据铝厂阳极组装工艺的要求，完成托盘小车和轨道电机控制系统的电器控制电路设计和 PLC 控制程序的设计。自动控制系统由可编程控制器（PLC）控制柜、轨道电机操作台等组成。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、气动阀等机构协调动作，实现阳极组装工艺过程的自动化。2.2 各部分功能分述本设计主要完成轨道电机对托盘小车的运送和阳极小车夹具动作的 PLC 控制系统的设计，故采用作业围大，效率高且便于操作的 PLC

17、 控制来完成铝锭生产过程的夹具动作过程。本设计集机、电、液、气于一体，按照工艺要求，现将各部分设计的工艺过程分别介绍如下：. . . . - 4 - / 1052.2.1 托盘小车上料过程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，其运料过程分为两个过程：上料过程和下料过程。每个过程有一个轨道，而每个轨道又被分为五段小轨道，如轨道示意图 2.2.1 所示。每段都由一个电动机驱动，整个系统共有 10 台轨道电机，分别拖动 10 条轨道，由该 10 条轨道托运托盘。根据工艺的要求：上料过程中的 4#轨道和下料过程中的 7#轨道设计的比其他几段要长。在小车运行到

18、上料过程的 3#轨道和下料过程的 8#轨道时，要等待有上料完或下料完信号的发出后，小车才能继续向前运行。每段轨道的旁边都有一个光电传感器，用来判断前后有无托盘并检测到位的托盘，以发布控制命令，每个传感器都放在每段轨道的末端。轨道示意图 2.2.1 如下所示： 上料过程1# 2# 3# 4# 5#下料过程 10# 9# 8# 7# 6# 图 2.2.1 托盘小车上、下料轨道示意图 小车上料的运输过程如下：皮带运输机启动，将托盘小车放到 1#轨道上，光电检测器检测 2#轨道上有无托盘，若无，则启动 1#轨道的电动机，小车运行至 2#轨道；继续检测 3#轨道上有无托盘，若无，则启动 2#轨道的电动机

19、，小车运行至 3#轨道；同样检测 4#上有无托盘，无且 3#轨道上料动作完后则启动 3#轨道的电动机，小车运行至4#轨道；（根据工艺要求：3#和 8#轨道为托盘小车必须经过的轨道），检测 5#轨道有无托盘，若无，则启动 4#轨道电动机，小车运行至 5#轨道，此时，上料过程完成。2.2.2 夹具动作过程上料过程完成后，进入下一工艺，小车在此等待残阳极清理过程。该过程通过液压的驱动，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，在上面又有气缸压紧的一个气动夹具。气缸的加紧和放松由电磁换向阀控制，两块夹板和一块固定压板与夹具之间都有绝缘板相隔，因为夹板与压板上均接有电气的接

20、地线，用以控制夹具的到位。夹具动作过程如下：启动液压电机 光电检测器检测 5#轨道有无托盘 （有）夹具松开减速下降至下限位夹紧托盘延时 1s夹具加速上升至 5#轨道的上限位夹具翻转清理残阳极. . . . - 5 - / 105延时 1s 夹具复位延时 1s 夹具夹紧匀速右移至 6#轨道的上限位 夹具下降至6#轨道的下限位 夹具松开延时 1s夹具上升至 6#轨道上限位 夹具左移至 5#轨道上限位，夹具小车运动图如下图 2.2.2 所示。至此，残阳极清理过程完成。进入下一工艺下车下料过程。图2.2.2 夹具小车运动图从上图很显然地看出，夹具的运动包括下降、上升、右移、左移以与托盘的夹紧和放松。其

21、中上升下降和右移左移分别由两个双线圈的两位式电磁阀驱动完成。而夹紧和放松则由只有一个线圈的两位式电磁阀驱动完成，线圈通电时托盘被夹住，线圈断电时托盘被放松。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，才允许下降动作进行。2.2.3 阳极小车下料过程托盘小车下料运输过程如下：阳极小车经过残阳极的处理过程已经运行到 6#轨道上，光电检测器检测 7#轨道上有无托盘，若无，则启动 6#轨道电动机，小车运行至 7#轨道；继续检测 8#轨道上有无托盘，若无，则启动 7#轨道电动机，小车运行至 8#轨道；同样检测

22、 9#轨道上有无托盘，无且 8#轨道小车下料动作完后则启动 8#轨道的电动机，小车运行至 4#轨道；（根据工艺要求：3#轨道和 8#轨道为阳极小车必须经过的轨道），检测 10#轨道有无托盘，若无，则启动 9#轨道电动机，小车运行至 10#轨道，此时，下料过程完成。托盘下料过程轨道示意图如上图 2.2.1 所示。2.2.4 翻转装置按照阳极组装工艺的要求，当进行残阳极处理时要对托盘进行反转 180 度的装置设计。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 180 度而停止，延时 1-2s 后，再用气缸反转 180 度复位。只要托盘小车运行到 5#轨道，经过检测，需要进行翻

23、转，复位清理残阳极时，都按上述设计进行操作。升上右 移位置左 移反下 降位置右 移反上升左 移升上反下 降下降时间. . . . - 6 - / 1052.3 控制方案的比较、论证和确定2.3.1 方案的比较实现铝厂阳极组装工艺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） 、可编程计算机控制器（PCC） 、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，它们之间也有许多一样之处。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，

24、也有很多一样点。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。（一）单片机所谓单片机系统就是采用单片机CPU与其它外围芯片，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

25、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

26、。单片机系统在80年代国很流行，但由于受到本身可靠性与其它方面的限制，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。. . . . - 7 - / 105（二）工业计算机（IPC）所谓IPCIPC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

27、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IPCIPC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IPCIPC的编程又相对比较复杂，这样

28、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 本身可靠性与其它的限制，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。（三

29、）可编程计算机控制器（PCC）PCC 是一种不同于 PLC 和 IPC 的新一代控制器，代表了当今工业控制技术。它不仅吸收了 PLC 和 IPC 的优点，而且自身优势也很明显。它采用了分时多任务操作系统，可十分灵活的利用操作系统调度和管理整个系统， PCC 模式和 IPC 模式相比，优势在于设计时能提供面向工业的专业化标准，符合软件与硬件的模块化的设计。此外，PCC还能方便的处理设计中的开关量和模拟量、灵活的进行回路调节、能使用高级语言编程。 但作为新兴的控制器，广大工程技术人员对其可靠性和厂商能否提供优良的后续. . . . - 8 - / 105服务和技术支持抱怀疑的态度。同时，作为先进的

30、控制技术，工厂维护人员对之知之甚少，不利于维护。而 PCC 的技术成本也是我们不得不考虑的因素。 （四）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。可编程控制器与其外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体，易于扩展其功能的

31、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

32、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。2.3.2 方案论证与确定由于本次设计的系统要在现

33、场使用，且通过对以上几种控制方案的对比，我发现. . . . - 9 - / 105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，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 合比较以上四种方案，从可实时性等方面考虑，本设计采用方案四较好，故我决定采用 PLC 控制。在整个工艺的控制过程中，夹具小车的动作很关键，对于这部分控制采用了液压驱动的控制方式，以便能更好的完成

34、该组装工艺中的夹具的各动作过程。与其它传动控制方式相比，液压传动与控制具有能量大，易获得较大的力矩、结构简单、紧凑，动态响应快，便于大围无级调速，易于实现自动控制与机电一体化，易于实现过载保护，有标准化、系列化、通用化程度高等技术优势，已成为现代机械装备传动与控制的重要技术手段与关键技术之一，其应用领域几乎囊括了国民经济各个部门和领域，应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志之一。. . . . - 10 - / 105第三章系统硬件设计3.1 设计依据软件设计体现在怎样去控制所要控制的对象，怎样把整个控制系统的功能实现。硬件的设计则能体现出整个控制系统的流程。硬件设计是软件设

35、计的基础，软件设计是硬件设计功能的集中体现。在本章主要是硬件设计与器件选择。经过对系统的功能要求和性能指标的分析，把整个控制系统的硬件设计分为两个模块来完成：（1）.主电路图设计；（2）.系统控制图设计。根据前面已经确定了的方案来设计相关的硬件图。硬件设计之前，要考虑到供电系统。供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，故在设计硬件时是要据以下几方面来设计：1.输入电源电压在一定的允许围变化；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；综合以上几方面的考虑，可以把供电线路设计如下：供电

36、直接采用市电网提供的 380V/AC 50HZ；配电方面主要是给 14 台鼠笼式异步电动机、液压系统中的加热器和控制系统中 PLC 的电源模块、输入输出模块的电能分配，所用的 PLC 需要的电压既有交流又有直流，交流电压可以用照明电来供给，而直流电流则由电源模块来供给。变频器则是 380V 的三相交流电源来供给，电动机用的电也是380V 的三相交流电。在整个供电系统中采取了很多的保护环节，如：熔断器，热继电器、断路器等等。主电路设计中，给 PLC 供电时，要注意应该对电的质量进行控制。主电路设计主要是选择电机，计算和选择导线，断路器，接触器等装置的参数和型号。. . . . - 11 - /

37、1053.2 主电路设计主电路图反映了现场设备的布置情况、接线原理以与相关的保护装置，是系统硬件设计中必不可少的部分。从图中可体现出对电器接线图的画法标准，同时也体现了变频器的接线方式、系统的控制流程。设计主电路图时，不但要求接线合理，而且要求对用到的每个器件进行选型。 （1）电器总配线主电路图如下图 3.2.2（1）所示： 该电路图中有四台电机，M1 为油泵电机，拖动主轴旋转；M2 为液压站冷却电机；M3为小车移动电机；M4 为皮带运输机；5R 为油加热器；5S 为小车抱闸出。三相交流电源通过刀开关 QS 将电源引入， FR 分别为主电机油泵电机 M1 的过载保护。FU1、FU2、FU3 为

38、 M1 电动机的短路保护；FU4、FU5、FU6 为电动机 M2、M3、M4 的短路保护；电动机 M2、M3、M4 由于容量很小且小车快速移动电机 M3 短时工作，故不用设置过载保护。使用变频器来控制电机的启动，停止，加速，减速与故障停车；由于变频器有过流保护，过载保护，欠压保护等，因此在电路中不需要再单独加入这些保护装置；通过电流互感器 TA 接入电流表 A1-A6 以监视各电动机绕组的电流。图 3.2（1）电器总配线主电路图a) 油泵电机 M1 为整个控制系统提供润滑油之用。其控制方式可以有“自动”和“手动”两种，在“自动”方式下，将在各控制过程运行时自动地为其提供润滑油；在“手动”方式下

39、，则主要用于检查油泵的工作情况或润滑油的质量。. . . . - 12 - / 105b) 小车移动电机 M4: 由变频器 UF 控制，变频器的通电和断电由空气断路器控制 QF6和接触器 KM5 控制，前进、后退的转速大小由电位器直接控制，正、反转与点动则由 PLC 控制。c) 夹具的动作不需要调速，故不通过变频器来控制，而由 PLC 控制。（2）阳极小车总配电图如下图 3.2（2）所示： 图 3.2（2）阳极小车总配电图（3）轨道电机控制主电路图下图 3.2（3）所示：. . . . - 13 - / 105 图 3.2（3）轨道电机控制主电路图以上电路图中设计的短路、过载保护虽然都是电流型

40、保护，但由于故障电流、动作值、保护特性、保护要求以与使用元件不同，故它们之间是不能互相取代的。3.3 导线、电缆与元器件选型3.3.1 导线和电缆 导线和电缆的选择是供配电设计中的重要容之一。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，以与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，以与用于移动设备、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，

41、维修方便。导线和电缆的选择包括两个方面容：型号选择；截面选择。1.型号选择：建筑物或车间采用的配电线路与从电杆上引进户的线路多为绝缘导线。绝缘导线的线芯材料有铝芯和铜芯两种。鉴于塑料绝缘的绝缘性能良好，价格低，可节约橡胶和棉纱，在室敷设可取代橡胶绝缘线，所以选择了塑料绝缘导线。常用塑料绝缘线型号有：BLV（BV） ，BLVV（BVV） ，BVR。这里选用 BV 型。2.截面选择：. . . . - 14 - / 105 按允许载流量选择导线和电缆截面：在导线和电缆（包括母线）通过正常最大负荷电流（即计算电流）时，其发热温度不应该超过正常运行时的最高允许温度，以防止导线或电缆因过热而引起绝缘损坏

42、或老化。这就要求通过导线或电缆的最大负荷电流不应大于其允许载流量。3.导线和电缆的有关计算：本设计在配电部分采用 BV 型铜心塑料线穿钢管埋地敷设，假设当地的最热月平均气温为 15 度。 油泵电机：线路中电流的计算：PC=Pe/k=15KW/0.89=16.85KWIC=Pe/3UNCOS=16.85/GAJF=16.85/0.5849=28.81A相线截面的选择：因为是三相四线制线路，所以查 4 根单芯线穿钢管的参数，查下表得，4 根单芯线穿钢管敷设的每相芯线截面为 16mm的 BV 型导线，在环境温度为 25 度时的允许流量为65A，其正常最高允许温度为 65 度，即 Ial=65A。65

43、 1565 251.12aloaloK导线额定负荷时的最高允许温度 65 度al导线允许载流量所采用的环境温度 25 度o导线敷设地点实际的环境温度 15 度o 导线的实际允许载流量为：1.126572.828.81IalKIalAIcA所以选择满足允许载流量的要求。216mmS保护线的选择：PES按要求选择0.5PESS216PEmmS所以选择的导线 BV-500-316-110。 液压站冷却电机、小车移动电机、皮带运输机、油加热器由于这些设备的功率和驱动电流很小，所计算出来的计算电流也很小（大约都是在 3A 左右） 。故选择的导线型号均为：5 根:BV-500-34-12.5 配电总线的型

44、号选择线路中电流的计算：. . . . - 15 - / 105Ic 大约=29A+3.6A4+3.8A=47.2A因为是三相四线制线路，所以查 4 根单芯线穿钢管的参数，查下表得，4 根单芯线穿钢管敷设的每相芯线截面为 25mm的 BV 型导线，在环境温度为 25 度时的允许流量为 85A，其正常最高允许温度为 65 度，即 Ial=85A。所以选择的导线 BV-500-325-116。3.3.2 断路器断路器俗称自动开关，兼有短路、过载和欠电压保护等功能，这种开关能在线路发生故障时快速地自动切断电源。它是低压配电重要保护元件之一，常作低压配电盘的总电源开关与电动机、变压器的合闸开关。对熔断

45、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与以下电压围的断路器，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。.低压断路器结构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

46、脱扣器，复式脱扣器、欠压脱扣器、分励脱扣器等五种。.低压断路器型号与含义如下图 3.3.2（1）所示：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 3.3.2（1） 低压断路器型号与含义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派生代号：L漏电. . . . - 16 - / 105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）0.1DZ15L 系列漏电保护断路器适于在交流 380V

47、与以下、频率为 50Hz、额定电流为63A 与以下的电路中作漏电保护之用。当有人触电或回路泄漏电流超过规定值时，漏电保护断路器能在 0.1s 自动切断电源，保障人身安全和防止发生因泄漏电流造成的事故。同时可用来保护线路和电动机的过载与短路，也可作为线路的不频繁转换与电动机的不频繁起动之用断路器图形符号如下图 3.3.2（2）所示：图 3.3.2（2） 断路器图形符号.低压断路器选用原则低压断路器的选用应根据线路与电气设备的额定电流与对保护的要求来选择适合的类型。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

48、. 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与晶闸管的断路器，应选用直流快速断路器。.在选择之前要进行一些负荷计算计算负荷是按发热条件选择供配电系统元件而需要计算的负荷功率和负荷电流，是用来代替实际变动负荷的一种假想负荷。计算负荷的确定方法有“需要系数法” 、 “二项式法” 、 “ABC 法”等，计算结果比较相近。本设计计算采用 “ 需要系数法 ” 。1. 用电设备容量与单台计算负荷的确定：(1) 设备的设备容量 PS：指在长期工作制下的电动机的设备容量,是指其铭牌上的额定功率 PN(2

49、) 成组用电设备的设备容量 PS=PSI(3) 照明设备容量 PS=AW (A 建筑物面积 W 单位容量). . . . - 17 - / 105(4) 单台用电设备的计算负荷 Pjs1=ps (对于不计与效率的单台用电设备) 对于需要计与效率（）的单台用电设备，Pjs1=ps/。2. 用电设备计算负荷的确定 求出各用电设备的设备容量后,就可以按需要系数表上的分类方法详细分成若干个组,进行用电设备组的负荷计算。用电设备组的计算负荷的计算公式如下： 有功计算负荷： Pjs2=kxPjs1 ( (kx为需要系数，一般为 0.9 ) 无功计算负荷： Qjs2=P js2tg (tg为功率因素角的正切

50、值) 视在计算负荷： Sjs2=22( Pjs2 + Qjs2 )注：三相线路中单相设备的总容量不超过总容量的 15%时，单相设备可按三相负荷平衡计算。3. 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、计算电压波动与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。 ）4.

51、本设计的负荷计算过程如下：油泵电机 Pc= kdPe =0.815= 12 kWQc= Pctg=120.75= 9 kWSc=Pc/cos=12/0.8= 15kVAIc=Sc/UN=15/0.38= 22.8A33尖峰电流的计算：(其中 IN=28.81A)Ipk=Ist=KstIN=728.81= 201.7A 液压站冷却电机Pc= kdPe =0.80.37= 0.296 kWQc= Pctg=0.2960.75= 0.22 kWSc=Pc/cos=0.22/0.8= 0.28kVAIc=Sc/UN=0.28/0.38= 0.42A33尖峰电流的计算：(其中 IN=0.62 A)Ipk

52、=Ist=KstIN=70.62= 4.35A. . . . - 18 - / 105 油加热器Pc=Pe=2 kWQc= 0PLC2.50cecPPkWQ皮带运输机Pc= kdPe =0.82.2= 1.76 kWQc= Pctg=1.760.75= 1.32 kWSc=Pc/cos=1.76/0.8= 2.2kVAIc=Sc/UN=2.2/0.38= 3.34A33尖峰电流的计算：(其中 IN=4.7 A)Ipk=Ist=KstIN=74.7= 32.9A小车移动电机Pc= kdPe = 0.87.5= 6 kWQc= Pctg=60.75= 4.5 kWSc=Pc/cos=4.5/0.8

53、= 5.6kVAIc=Sc/UN=5.6/0.38= 8.55A33尖峰电流的计算：(其中 IN=5.4 A)Ipk=Ist=KstIN=75.4= 37.8A1#10#轨道电机：Pc= kdPe =0.82.5= 2kWQc= Pctg=20.75= 1.5kWSc=Pc/cos=2/0.8= 2.5kVAIc=Sc/UN=2.5/0.38= 3.8A33尖峰电流的计算：(其中 IN=4.7 A)Ipk=Ist=KstIN=74.7= 32.9A. . 低压断路器的选择: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，选择这种断路器后不用再选择

54、热继电器了。该断路器主要产品有 DZ5、DZ9、DZ10、DZ20、DZ15L 等系列。 。1.过电流脱扣器动作电流的整定.ORrelpkopIKI 式中，为可靠系数，对动作时间在 0.02s 以上的断路器=1.35。relKrelK. . . . - 19 - / 1052.热脱扣器动作电流的整定 式中，取 1.1。.cop TRrelIKIrelK断路器型号选择： 油泵电机=1.35201.7=272.3A.ORrelpkopIKI=1.122.8=25.08A.cop TRrelIKI故选型号 DZ20-60 液压站冷却电机=1.354.35=5.87A.ORrelpkopIKI=1.1

55、0.42=0.46A.cop TRrelIKI故选型号 DZ 15L10 皮带运输电机1.3532.9=34.42A.ORrelpkopIKI=1.13.34=3.67A.cop TRrelIKI故选型号为DZ 15L40 小车移动电机1.3537.8=51.03A.ORrelpkopIKI=1.14.56=5.01A.cop TRrelIKI 又考虑到 IQN(1.31.4)IN =(1.31.4) 18=（23.425.2）A （IN 变频器额定电流）故选型号为DZ 15L60 1#10#轨道电机1.3532.9=34.42A.ORrelpkopIKI=1.14.56=5.01A.cop

56、TRrelIKI. . . . - 20 - / 105故选型号为DZ 15L40 加热器和 PLC：因这些设备的功率和驱动电流很小，所计算出来的电流也很小。故均选用以下型号： DZ 15L10 输入和输出模板断路器型号均选用： DZ 15L103.3.3 熔断器1. 概述熔断器时一种最简单有效的保护电器。在使用时，熔断器串联在所保护的电路中，作为电路与用电设备的短路和严重过载保护，当电路发生严重过载或短路短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的电源，但主要用作短路保护，有时也可作为过载保护之用。熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。熔体由易熔金属材

57、料铅、锌、锡、银、铜与其合金制成，通常制成丝状和片状。熔管是装熔体的外壳，由瓷、绝缘钢纸制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。由于熔断器简单，具有较高的分断能力、使用方便、体积小、重量轻以与价格便宜等优点，因而在工业生产中使用极为广泛。熔断器图形符号如下图 3.3.4（1）所示： 图 3.3.3 （1）熔断器图形符号2. 熔断器的种类和型号 熔断器的分类熔断器按结构形式可分为：半封闭插入式熔断器、自复式熔断器、无填料密闭管式熔断器、有填料密闭管式熔断器、螺旋式熔断器等。 熔断器的型号 熔断器的常用型号有：RL6、 RL7、 RT12、RT14、RT15、RT16(NT)、RT18、RT19(AM3)

58、、RO19、RO20、RTO、RC1A 等，在选用时可根据使用场合酌情选择。3. . 熔断器的主要技术参数 熔断器主要技术参数包括额定电压、熔体额定电流、熔断器额定电流、极限分断能力等。（1）额定电压：指保证熔断器能长期正常工作的电压。. . . . - 21 - / 105（2）熔体额定电流：指熔体长期通过而不会熔断的电流。（3）熔断器额定电流：指保证熔断器（绝缘底座）能长期正常工作的电流。实际应用中，熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流。（4）极限分断能力：指熔断器在额定电压下所能开断的最大短路电流。在电路中 出现最大电流一般是指短路电流值。所以，极限分断能力也反映了熔断器分 断

59、短路电流的能力。4熔断器的选择原则熔断器的选择主要是选择熔断器类型、额定电压、熔断器额定电流与熔体的额定电流等。（1）熔断器类型的选择：根据负载的保护特性、短路电流大小、使用场合、安装条件和各类熔断器的适用围来选择熔断器类型。（2）额定电压的选择：熔断器额定电压应大于或等于线路的工作电压。（3）熔体与熔断器额定电流的确定： a 熔体额定电流的确定：对于电阻性负载，熔体的额定电流等于或略大于电路的工作电流。 对于电容器设备的容性负载，熔体的额定电流应大于电容器额定电流的 1.6 倍。对于电动机负载，要考虑启动电流冲击的影响，计算方法如下： 对于单台电动机：（1.52.5）NFINMI式中：熔体额

60、定电流（A） ；电动机额定电流（A） 。NFINMI对于多台电动机：（1.52.5）NFINMINMI式中：容量最大一台电动机额定电流（A） ；maxNMI其余各台电动机额定电流之和（A） 。NMIb 熔断器额定电流的确定：熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。 （4）额定分断能力的选择：额定分断能力必须大于电路中可能出现的最大短路电流。（5）熔断器上、下级配合：为满足选择保护的要求，应注意熔断器上、下级之间的配合，为此要求两级熔体额定电流的比例不小于 1.6：1。（6) 熔断器选型RT14 系列熔断器适用于交流 50HZ或 60HZ、电压 380V、电流至 63A 的配电电流中，作为线