第三章 继电器接触器控制系统设计2011

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

2、作原理、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

3、相同型号。,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

4、开，常开触点后闭合；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

5、点停止或急停。 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

6、等控制要求。 、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

7、细表 6、设计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

8、行器件风险大，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

9、对应关系，然后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

10、 表示按钮常开触点闭合 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,1

11、9,逻辑与,逻辑或,例3-1：写出图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

12、钮SB1则立即停止运行（小车初始位置停在左侧）。,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

13、骤3：经检查分析发现如下问题，并作改进： 问题一：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KM

14、1、KM2同时接通造成短路。KA1的起动条件应为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

15、入了KM1、KM1和SQ1的常闭触点，是为了保证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

16、要求，有无寄生回路，是否存在竞争现象等。 （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

17、主回路、辅助回路、控制器接线电路、硬件联锁和保护环节电路。 （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，

18、可作为一个单元。 3）强弱电分开、避免干扰。 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（