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(共82张PPT)
项目八电气控制系统的设计
知识训练
技能训练
知识训练
知识训练一电气控制系统的设计与安装
一、电气控制系统设计的主要内容
电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设备制造和使用过程中必需的图纸、资料，包括电气原理图、电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板及电器元件安装底板、非标准紧固件加工图等，编制外购成件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。
任何生产机械电气控制装置的设计，都包含两个基本方面:一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求;另一个是满足电气控制装置本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制装置设计包括原理与工艺设计两个方面。
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1.原理设计内容
(1)拟订电气设计任务书。
(2)选择电力拖动方案与控制方式。
(3)确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体型号。
(4)设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术要求。
(5)设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。
(6)选择电器元件，制订元器件目录清单。
(7)编写设计说明书。
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2.工艺设计内容
工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的调试、维护、使用提供必要的图纸资料。它包括以下几个方面:
(1)根据设计的原理图及选定的电气元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。
(2)按照原理框图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理图，列出各部分的元件目录表，并根据总图编号设计各组件的进、出线号。
(3)根据组件原理电路及选定的元件目录表，设计组件装配图、接线图，图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。
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(4)根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准安装零件图纸，标明技术要求。
(5)设计电气箱
(6)根据总原理图、总装配图及各组件原理图等资料进行汇总，分别列出外购清单、标准件清单及主要材料消耗定额
(7)编写使用说明书
二、电气控制设计的一般程序
1.拟订设计任务书
简要说明所设计设备的型号、用途、工艺过程、动作要求，传动参数、工作条件，另外还应说明以下主要技术指标及要求:
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(1)控制精度、生产效率要求
(2)电气传动基本特性，如运动部件数量、用途，动作顺序，负载特性，调速指标，启动、制动要求等
(3)自动化程度要求
(4)稳定性及抗干扰要求
(5)联锁条件及保护要求
(6)电源种类、电压等级、频率及容量要求
(7)目标成本与经费限额
(8)验收标准与验收方式
(9)其他要求，如设备布局、安装要求、操作台布置、照明、指示、报警方式等。
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2.选择施动方案与控制方式
电力拖动方案是指根据零件加工精度、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启动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。
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(1)拖动方式的选择。电力拖动方式有单独拖动与分立拖动两种。单独拖动就是一台设备只由一台电动机拖动，分立拖动是通过机械传动链将动力传送到达每个工作机构，一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。电气传动发展的方向是电动机逐步接近工作结构，形成多电动机的拖动方式。如有些机床，除必需的内在联系外，主轴、刀架、工作台及其他辅助运动结构，都分别用单独电动机拖动。这样，不仅能缩短机械传动链，提高传动效率，便于自动化，而且也能使总体结构简化。因而在选择时应根据生产工艺及机械结构的具体情况决定电动机的数量。
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(2)调速方案的选择。一般金属切削的主运动和进给运动，以及要求具有快速平稳的动态性能和准确定位的设备，如龙门刨床、锁床等，都要求具有一定的调速范围，为此，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机以及电气的无级调速传动方案。在选择调速方案时，可参考以下几点:
①重型或大型设备主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。这有利于简化机械结构，缩小设备体积，降低设备制造成本。
②精密机械设备如坐标锁床、精密磨床、数控机床及某些精密机械手，为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。
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③一般中、小型设备如普通机床没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。为了简化结构，扩大调速范围，也可采用双速或多速的笼型异步电动机。在选用三相笼型异步电动机的额定转速时，应满足工艺条件的要求。
(3)启、制动方案的确定。机械设备主运动传动系统的启动转矩一般都比较小，原则上可采用任何一种启动方式。对于它的辅助运动，在启动时往往要克服较大的静转矩，必要时也可选用高启动转矩的电动机，或采用提高启动转矩的措施。另外，还要考虑电网容量对电网容量不大而启动电流较大的电动机，一定要采用限制启动电流的措施，如串入电阻降压启动等，以免电网电压波动较大而造成事故。
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传动电动机是否需要制动，应视机电设备工作循环的长短而定。对于某些高速高效金属切削机床，宜采用电动机制动。如果对于制动的性能无特殊要求而电动机又需要反转时，则采用反接制动可使线路简化。在要求制动平稳、准确，即在制动过程中不允许有反转可能性时，则宜采用能耗制动方式。
电动机的频繁启动、反向或制动会使过渡过程中的损耗增加，导致电动机过载。因此必须限制电动机的启动、制动电流，或者在选择电动机的类型上加以考虑。
3.选择电动机
电动机的选择包括电动机的种类、结构形式、额定转速和额定功率。
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(1)根据生产机械的调速要求选择电动机的种类
感应电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，因此在感应电动机能满足生产需要的场合都宜采用感应电动机，仅在启动、制动和调速不满足要求时才选用直流电动机。近年来，随着电力电子及控制技术的发展，交流调速装置的性能和成本已能与直流调速装置相媲美，越来越多的直流调速应用领域被交流调速占领。在需要补偿电网功率因数及稳定工作时，应优先考虑采用同步电动机;在要求大的启动转矩和恒功率调速时，常选用直流串级电动机;对于要求调速范围大的场合，常采用机械与电气联合调速。
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(2)根据工作环境选择电动机的结构模式
在正常环境条件下，一般采用防护式电动机;在人员及设备安全有保证的前提下，也可采用开启式电动机;在空气中存在较多粉尘的场所，宜采用封闭式电动机;在比较潮湿的场所，选用湿热带型电动机;在露大场所，宜选用户外型电动机;在高温车间，可以根据周围环境温度，选用相应绝缘等级的电动机;在有爆炸危险及有腐蚀性气体的场所，应选用隔爆型及防腐型电动机。
(3)根据生产机械的功率负载和转矩负载选择电动机的额定功率
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首先根据生产机械的功率负载图和转矩负载图预选一台电动机，然后根据负载进行发热校验，用检验的结果修正预选的电动机，直到电动机容量得到允分利用(电动机的稳定温升接近其额定温升)，最后再校验其过载能力与启动转矩是否满足拖动要求。
4.选择控制方式
电气控制方案的选择对机械结构和总体方案非常重要，因此，必须使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。选择控制方案时应遵循的原则如下。
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(1)控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。一般的简单生产设备需要的控制元器件数很少，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，可采用有触点的继电一接触器控制系统。虽然该控制系统在电路结构上是呈“固定式”的，但它能控制较大的功率，而且控制方法简单，价格便宜，目前仍使用很广。对于要求较复杂的控制对象或者要求经常变换工作流程和加工对象的机械设备，可以采用可编程序控制器控制系统。
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(2)控制方式随控制过程的复杂程度而变化。在自动生产线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程度不同，采用分散控制或集中控制的方案。但各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以简化设计及制造过程。
(3)控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。此外，在电气控制方案中还应考虑以下问题: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、信号指标、照明及人机关系等。
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5.设计电气控制原理线路图并合理选用元器件，编制元器件目录清单。
6.设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工图纸并以此为根据编制各种材料定额清单。
7.编写说明书
三、电气控制系统设计的基本原则
一般来说，当生产机械的电力拖动方案和控制方案已经确定以后，就可以进行电气控制线路的具体设计工作了。电气控制线路的设计没有固定的方法和模式，作为设计人员，必须不断扩展自己的知识面，总结经验，丰富自己的知识，设计出合理的、性能价格比高的电气线路。下面介绍在设计中应遵循的一般原则。
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1.最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制系统的要求
电气控制系统是为整个生产机械设备及其工艺过程服务的。因此，设计之前，首先要弄清楚生产机械设备需满足的生产工艺要求，对生产机械设备的整个工作情况作一全面、细致的了解。同时深入现场调查研究，收集资料，并结合技术人员及现场操作人员的经验，以此作为设计电气控制线路的基础。
2.在满足生产工艺要求的前提下，控制线路应简单经济
(1)尽量选用标准电器元件，尽量减少电器元件的数量，尽量选用相同型号的电器元件以减少备用品的数量。
(2)尽量选用标准的、常用的或经过实践检验的典型环节或基本电气控制线路。
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(3)尽量缩短连接导线的数量和长度。设计控制线路时，应考虑到各元器件之间的实际接线。特别要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线。图8-1所示为连接导线，图8-1 ( a)所示是不合理的连线方法，图8-1(b)所示是合理的连线方法。因为按钮在操作台上，而接触器在电气柜内，一般都将启动按钮和停止按钮直接连接，这样就可以减少一次引出线
(4)减少不必要的触点，从而简化电气控制线路在满足工艺要求的前提下，使用的电气元件越少，电气控制线路中所涉及的触点数量也越少，因此控制线路越简单，同时还可以提高控制线路的工作可靠性，降低故障率。
①合并同类触点图8-2中列举了一些触点简化与合并的例子。
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②利用转换触点的方式利用具有转换触点的中间继电器将两对触点合并成一对转换角虫点，如图8-3所示。
③利用半导体二极管的单向导电性减少触点的数目如图8-4所示，利用半导体二极管的单向导电性可以减少一个触点。这种方法适用于控制电路中所用电源为直流电源的场合。
(5)控制线路在工作时，除必要的电器必须通电外，其余的电器尽量不通电以节约电能。以异步电动机Y一△降压启动的控制线路为例，如图8-5所示。在电动机启动后，接触器KM3和时间继电器KT就失去了作用，可以在启动后利用KM2的常闭触点切除KM3和KT线圈的电源。
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3.保证电气控制线路工作的可靠性
保证电气控制线路工作的可靠性，最主要的是选择可靠的电气元件，同时在具体线路设计中应注意以下几点:
(1)正确连接电气元件的触点。在设计控制线路时，应使分布在线路不同位置的同一电气元件触点尽量接到同一个或尽量共接同一等位点，以避免在电器触点上引起短路。如图8-6所示，限位开关SQ的动合触点接在电源的一相，动断触点接在电源的另一相上，当触点断开产生电弧时，可能在两触点间形成飞弧造成短路。如改成图8-6 (b)所示的形式，由于两触点间的电位相同，就不会造成电源短路。
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(2)正确连接电器的线圈。交流电器线圈不能串联使用，如图8-7所示。即使外加电压是两个线圈的额定电压之和，也是不允许的。因为两个电器动作总是有先有后，有一个电器吸合动作，它线圈上的电压降也相应增大，从而使另一个电器达不到所需要的动作电压。因此，若需要两个电气元件同时工作，其线圈应并联连接。
(3)应尽量避免电器依次动作的现象。在电气控制线路中，应尽量避免许多电气元件依次动作才能接通另一个电气元件的控制线路。如图8-8 ( a)所示，接通线圈KM3要经过KM , KM1和KM2这3对常开触点方可得电。若改为图8-8(b)所示接线，则每个线圈通电只需经过一对触点，这样可靠性更高。
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(4)避免出现寄生电路。在电气控制线路的动作过程中，发生意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路将破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。在正常工作时，线路能完成正反转启动、停止和信号指示，但当电动机过载、热继电器FR动作时，线路就出现了寄生电路，如图8-9虚线所示。这样使正向接触器KM1不能释放，起不到保护作用。
(5)避免发生触点“竞争”与“冒险”现象。由于任何一种电器元件从一种状态到另一种状态都有一定的动作时间，对一个控制电路来说，改变某一控制信号后，由于触点和线圈动作时间之间的配合不当，可能会出现与控制预定结果相反的结果。这时控制电路就存在着潜在的危险—“竞争”。
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另外，由于电器元件的固有释放延时作用，因此也会出现开关电器不按要求的逻辑功能转换状态的可能性，这种现象称为“冒险”。“竞争”与“冒险”现象都造成控制回路不能按要求动作，引起控制失灵，如图8-10所示。
当K闭合时，接触器KM1 , KM2竟争吸合，只有经过多次振荡吸合“竟争”后，才能稳定在一个状态上。同样在K断开时，KM1 , KM2又会争先断开，产生振荡。通常分析控制电路的电器动作及触点的接通和断开都是静态分析，没有考虑其动作时间。实际上，由于电磁线圈的电磁惯性、机械惯性等因素，通断过程中总存在一定的固有时间(几十毫秒到几百毫秒)，这是电器元件的固有特性。设计时要避免发生触点“竟争”与“冒险”现象，防止电路中因电器元件固有特性引起配合不良的后果。
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(6)在频繁操作的可逆运行线路中，正反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且要有机械联锁
(7)设计的电气控制线路应能适应所在电网的情况，并据此来决定电动机是采用直接启动还是其他启动方式。
(8)允分考虑继电器触点的接通和分断能力。如要增加接通能力，可以多并联触点;如要增加分断能力，则可以多串联触点。
4.保证电气控制线路工作的安全性
电气控制线路应具有完善的保护环节，来保证整个生产机械的安全运行，消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故的发生。
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电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过流保护、过载保护、零电压和欠电压保护等。
(1)短路保护。常用的短路保护元器件有熔断器和断路器。熔断器的熔体串联在被保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，熔断器的熔丝自动熔断，切断电路，达到保护的目的。断路器又称自动空气开关，在线路发生短路、过载和欠压故障时快速地自动切断电源，它是低压配电重要的保护元件之一，常作低压配电盘的总电源开关及电动机变压器的合闸开关。
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当电动机容量较小时，控制线路不需另外设置熔断器作短路保护，主电路的熔断器也可作控制线路的短路保护。当电动机容量较大时，控制电路要单独设置熔断器作短路保护。也可以采用自动空气开关作短路保护，它既可以作为短路保护，又可以作为过载保护。当线路出现故障时，空气开关动作，事故处理完重新合上开关，线路重新运行工作，如图8-11所示。
(2)过流保护。如果在直流电动机和交流绕线转子异步电动机启动或制动时，限流电阻被短接，将会造成很大的启动或制动电流，另外，负载的加大也会导致电流增加。过大的电流将会使电动机或机械设备损坏。因此，对直流电动机或绕线转子异步电动机常采用过流保护。
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图8-12 ( a)所示电路为采用过电流继电器保护电动机过流的电路，通常用在限流启动的直流电动机和绕线型异步电动机的过流保护中，其继电器的动作值一般整定为1. 2倍的电动机启动电流。
图8-12 (b)所示电路中，过电流继电器则是用在笼型异步电动机直接启动时的过流保护中。当电动机启动时，时间继电器KT延时断开的动断触点未断开，过电流继电器的线圈不能接入电路，这时，虽启动电流很大，但过电流继电器不起作用。当启动结束后，KT的动断触点经延时已断开，过电流继电器开始起保护作用。
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(3)过载保护。电动机的负载突然增加，断相运行或电网电压降低都会引起电动机过载。电动机长期过载运行，绕组温升超过其允许值，电动机的绝缘材料就要变脆，寿命就会减少，严重时将损害电动机。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。
常用的过载保护器件是热继电器，热继电器可以满足这样的要求:当电动机为额定电流时，电动机为额定温升，热继电器不动作;在过载电流较小时，热继电器要经过较长时间才动作;过载电流较大时，热继电器则经过较短时间就会动作。
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图8-13 (a)所示电路适用于保护电动机出现三相均衡过载，图8-13(b)所示电路适用于保护电动机出现任一相断线或三相均衡过载，但当三相电源发生严重不均衡或电动机内部短路、绝缘不良等，有可能使某一相电流高于其他两相，上述两电路就不能起到保护作用了。图8-13(c)所示为三相保护电路，对各种过载情况它都能起到保护作用。
由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器作过载保护的同时，还必须设有短路保护。
短路、过流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流、动作值及保护特性、保护要求和使用元器件的不同，它们之间是不能相互取代的。
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(4)零电压与欠电压保护。电动机正常工作时，由于电源电压消失而使电动机停转，当电源电压恢复后，电动机可能会自行启动，从而造成人身伤亡和设备毁坏的事故。为了防止电压恢复时电动机自行启动的保护称为零电压保护。
另外，电源电压过分地降低将引起一些电器释放，造成控制线路不正常工作，可能发生事故，同时也会引起电动机转速下降甚至停转，因此需要在电源电压降到一定值以下时就将电源切断，这就是欠电压保护。
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一般常用零电压保护继电器和欠电压保护继电器实现零电压保护和欠电压保护。如图8-14所示，通过并联在主令控制器零位动合触点上的零位继电器的动合触点来实现保护。
也可以不用零电压保护继电器操作，而是用按钮操作。如图8-15所示，当电源电压过低或断电时，接触器释放，此时接触器的主触点和辅助触点同时打开，使电动机电源切断并失去自锁。当电源电压恢复正常时，操作人员必须重新按下启动按钮，才能使电动机启动。
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(5)弱磁保护。对于直流电动机而言，必须有足够强度的磁场才能确保正常启动运行在启动时，如果直流电动机的励磁电流太小，产生的磁场也会减弱，将会使直流电动机的启动电流很大。正常运行时，如果直流电动机的磁场突然减弱或消失，会引起电动机转速迅速升高，换向失败，损坏机械，甚至发生“飞车”事故，因此，必须设置弱磁保护，及时切断电源。
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弱磁保护是在直流电动机的励磁回路中串入起弱磁保护的欠电流继电器来实现的。电动机启动过程中，当励磁电流至达到弱磁继电器(欠电流继电器)的动作值时，继电器就吸合，使串在控制回路中的常开触点闭合，接通电源，电动机启动正常运行;当励磁回路电流太小时，继电器就释放，其触点复位，切断控制回路电源，电动机停转。
(6)限位保护。对于做直线运动的生产机械常设有极限保护环节，如上下极限、前后极限保护等。一般用行程开关的动断触点来实现。
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(7)超速保护。生产机械设备在运行中，如果速度超过了预定许可的速度时，将会造成设备损坏。例如，在高炉卷扬机和矿井提升机设备中，必须设置超速保护装置来控制速度或切断电源起到及时保护的作用。超速保护一般是用离心开关完成，也可以用测速发电机来实现。
(8)其他保护。除了以上几种保护外，可按生产机械在其运行过程中的不同工艺要求和可能出现的现象，根据实际情况来设置，如温度、水位等保护环节。
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四、电气控制系统的一般设计方法
电气控制线路的设计方法通常有两种。一种是一般设计法，也叫经验设计法。它是根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制线路。它的特点是无固定的设计程序和设计模式，灵活性很大，主要靠经验进行。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉大量的控制线路，掌握多种典型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验。在设计过程中往往还要经过多次反复地修改、试验，才能使线路符合设计要求。即使这样，设计出来的线路可能不是最简化线路，所用的电器及触点不一定是最少，所得出的方案也不一定是最佳方案。
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另一种是逻辑设计法，它是根据生产工艺要求，利用逻辑代数来分析、设计线路。用这种方法设计的线路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制线路但是相对而言，逻辑设计法难度较大，不易掌握。
(一)经验设计法
1.经验设计法的基本步骤
经验设计法主要包括主电路、控制电路和辅助电路的设计。主电路的设计包括电动机的启动、点动、正反转、制动和调速的设计。控制电路的设计主要包括基本控制线路和特殊部分的设计以及控制参量的确定，主要目标是满足电动机的各种运转功能和工艺要求。
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辅助电路的设计主要包括各种联锁环节以及短路、过载、过流等保护环节的设计，完善整个控制线路的设计。最后进行线路的综合审查，反复审查所设计的控制线路是否满足了设计的原则和生产工艺的要求。下面通过龙门刨床(或立车)横梁升降自动控制线路设计实例来说明电气控制线路的一般设计方法。
2.经验设计法举例
(1)横梁升降控制系统的工艺要求。现要设计一个龙门刨床的横梁升降控制系统。在龙门刨床(或立车)上装有横梁机构，刀架装在横梁上，用来加工工件。由于加工工件位置高低不同，要求横梁能沿立柱上下移动，而在加工过程中，横梁又需要夹紧在立柱上，不允许松动。因此，横梁机构对电气控制系统提出了以下要求:
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①由于刨床工件加工位置高低不同，要求横梁沿立柱能作上升、下降的调整运动。
②为确保切削加工的进行，正常情况下横梁应夹紧在立柱上，夹紧装置由夹紧电动机拖动，而横梁的上、下移动由另一台横梁升降电动机拖动。
③在动作配合上，横梁夹紧与横梁移动之间必须有一定的操作程序。当横梁上下移动时，应能自动按照“放松横梁、横梁上下移动、夹紧横梁、夹紧电动机自动停止运动”的顺序动作。
④横梁升、降应设有限位保护，而夹紧电动机应设有夹紧力保护，它是用过电流继电器来实现的。
⑤横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间应有必要的联锁。
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(2)主电路设计。横梁移动和横梁夹紧需用两台异步电动机拖动，M1为横梁升降电动机，M2为夹紧放松电动机。为了保证实现上下移动和夹紧放松的要求，电动机必须能实现正反转，因此需要4个接触器KM1 , KM2 , KM3 , KM4分别控制两个电动机的正反转。所以，主电路就是两台电动机的正反转电路
(3)基本控制电路的设计。4个接触器控制两台电动机的运行，上下移动和放松夹紧这两个运动用点动控制来实现，中间继电器K1和K2用来增加触点的数量。根据上述要求，设计出图8-16所示的控制电路，但这仅是完成了基本控制要求，还不能完成顺序控制的要求。为了实现这两个自动控制要求，还需要做相应的改进，这需要恰当地选择控制过程中的变化参量来实现。
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(4)特殊控制部分的设计。如图8-17所示，当按下向上移动按钮SB1时，中间继电器K1通电，其常开触点闭合，KM4通电，则夹紧电动机做放松运动，同时，其常闭触点断开，实现与夹紧和下移的联锁。当放松完毕，压块就会压合SQ1，其常闭触点断开，接触器线圈KM4失电，同时SQ1常开触点闭合，接通向上移动接触器KM1。这样，横梁放松以后，就会自动向上移动。向下的过程与向上相似
为了实现横梁夹紧后使夹紧电动机自动停止，在夹紧电动机夹紧方向的主电路中串联接入一个电流继电器KA，其动作电流可整定在额定电流两倍左右。
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KA的常闭触点串接在KM3接触器电路中。横梁移动停止后，如上升停止，行程开关SQ2的压块会压合，其常闭触点断开，KM3通电，因此夹紧电动机立即自动启动。当横梁夹紧到一定程度时，夹紧电动机M2主电路电流升高，当电流达到KA的整定值时，KA将动作，其常闭触点一旦断开，KM3又断电，自动停止夹紧电动机的工作。
(5)设计联锁保护环节。本设计线路中采用K1和K2的常闭触点实现横梁移动电动机和夹紧电动机正反转工作的联锁保打‘。行程开关SQ2和SQ3实现横梁上下的限位保护开关SQ2实现向上运动的限位保护SQ3实现向下运动的限位保打‘。横梁上升到预定位置时，SQ2压块就会压合，其常闭触点断开，K1断开，接触器KM1线圈断电，则横梁停止上升SQ1则起到了横梁移动和横梁放松间的联锁控制。
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(6)线路的综合审查。电气控制电路图设计完成后，必须认真进行校核，看其是否满足生产工艺要求，电路是否合理。特别应该对照生产要求再次分析设计线路是否逐条予以实现，线路在误操作时是否会产生事故。
(二)逻辑设计法
逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电气控制线路，即根据生产工艺要求，将控制线路中的接触器、继电器等电气元件线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通与断开等均看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为最简单的“与”、“或”关系式，设计出符合生产工艺要求的电气控制线路。
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1.逻辑代数基拙
(1)逻辑变量。在逻辑代数中，将具有两种相反工作状态的物理量称为逻辑变量。例如，继电器、接触器等电器元件线圈的得电与失电，触点的闭合与断开等。这里线圈和触点相当于一个逻辑变量，其相反的两种工作状态可用逻辑变量“0”和“1”表示，通常用KM, K、SQ,…分别表示接触器、继电器、行程开关等电器的常开触点， …表示常闭触点。电器元件的线圈通电为“1”状态，线圈失电为“0”状态;触点闭合为"1”状态，触点断开为“0”状态;行程开关触点闭合为“1”状态，触点断开为“0”状态。
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(2)基本逻辑运算。在继电接触式电气控制线路中，把表示触点状态的逻辑变量称为输入逻辑变量，把表示接触器、继电器等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量，输出逻辑变量与输入逻辑变量之间所满足的相互关系称为逻辑函数关系。
①逻辑与—触点串联。图8-18 (a)所示的串联电路就实现了逻辑与的运算 逻辑与的关系表达式为KM = K1·K2
逻辑与运算用符号“·”表示(也可省略)。接触器的状态就是其线圈KM的状态。线路接通，即K1 , K2都为1时，线圈KM通电，则KM=1;如线路断开，即只要K1 , K2有一个为0时，线圈KM失电，则KM = 0。
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②逻辑或—触点并联。图8-18(b)所示的并联电路就实现了逻辑或运算
逻辑或的关系表达式为IBM = K1 + K2
逻辑或运算用符号“+”表示。只要K1 , K2有一个为1，则KM = 1;只有当K1 , K2全为0时，KM =0
③逻辑非—动断触点。逻辑非的关系表达式为KM = K
图8-18(c)所示电路实现了常闭触点与接触器KM线圈串联的逻辑非电路。当K=1时，常闭触点K断开，KM =0;当K =0时，常闭触点K闭合， KM = 1。
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(3)逻辑代数的基本定理
交换律:A·B=B·A
A+B=B+A
结合律:A·(B·C)=(A·B)·C
A+(B+C)=(A+B)+C
分配率:A( B+C)=AB +AC
A+B·C=(A+B)·(A+C)
吸收律:A·AB = A
A·(A+B)=A
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重叠律:A·A=A
A+A=A
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(4)逻辑代数的化简。一般来说，原始逻辑表达式都较为繁琐，涉及的变量较多，根据这些表达式设计出的电气控制线路图也较为复杂。因此，在保证逻辑功能不变的前提下，可以用逻辑代数的定理和法则将原始的逻辑表达式进行化简，从而得到较为简单的电气控制线路图。
化简时常用的常量和变量关系为:
A+0=A A·0=0 A+1=1 A-1=A
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常用的方法如下。
合并项法:根据 ，将两项合为一项。如 。
吸收法:根据A +AB -A消去多余的因子。如B + ABDF = B。
消去法:根据 消去多余的因子。如 。
配项法:根据A·1 =A, A +0 =A来进行化简。
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例如:化简逻辑表达式
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因此，图8-19 (a)化简后得到图8-19(b)所示电路，并且图8-19 (a)与图8-19 (b)所示电路在功能上等效。
2.逻辑设计法的基本步骤
电气控制线路一般由输入电路和输出电路组成。
输入电路主要由主令元件、检测元件组成。主令元件包括按钮、开关、主令控制器竹其功能是实现电动机的启动、停止及紧急制动等;检测元件包括行程开关、速度继电器竹其功能是检测物理量，作为程序自动切换时的控制信号。
输出电路由中间记忆元件和执行元件组成。中间记忆元件即继电器，其功能是记忆输入信号的变化，使按顺序变化的状态相区分开来;执行元件的基本功能是驱动生产机械的运动，满足生产工艺的要求，它可以分为有记忆功能和无记忆功能两种，接触器、继电器等属于前者，电磁阀、电磁铁属于后者。
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逻辑设计法的步骤如下:
(1)按照生产工艺要求，确定执行元件和检测元件，作出工作循环示意图。根据工作循环示意图作出执行元件和检测元件的动作节拍表和状态表。
(2)根据主令元件和检测元件状态表写出每个状态的方程，并增设必要的中间记忆元件，列出中间记忆元件的开关逻辑函数和执行元件的逻辑函数。
(3)根据逻辑函数式建立电气控制线路图。
(4)进一步完善电路，增加必要的保护和联锁环节。
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3.逻辑设计法举例
某电动机只有在继电器 K1 , K2和K3中任何一个或任何两个继电器动作时才能运转，而在其他任何情况下都不运转，试设计其控制线路。电动机的运转由接触器KM控制。根据题目的要求，列出接触器、继电器通电后动作状态表，如表8-1所示。
根据动作状态表，接触器KM通申‘的逻辑函数式为
利用逻辑代数基本公式进行化简得
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根据简化了的逻辑函数关系式，可绘制如图8 - 20所示的电气控制线路。
五、常用控制电器的选择
在继电接触器电气控制电路图设计完成后，便应着手选择各种控制电器。正确合理地选择电器元件是控制电路安全、可靠工作的重要保证，也是使电气控制设备具有一定的先进性和良好经济性的重要环节。
常用电器元件的选择原则如下:
(1)根据对控制元器件功能的要求，确定电器元件的类型。例如，当元器件用于通、断功率较大的主电路时，应选用交流接触器;若有延时要求，应选用延时继电器。
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(2)确定元器件承载能力的临界值及使用寿命。主要是根据电气控制的电压、电流及功率大小来确定元器件的规格。
(3)确定元器件预期的工作环境及供应情况。如防油、防尘、货源等。
(4)确定元器件在供应时所需的可靠性等。确定用以改善元器件失效率用的老化或其他筛选实验。采用与可靠性预计相适应的降额系数等，进行一些必要的核算和校核。
1.接触器的选用
选用接触器的方法步骤如下:首先根据接触器所控制负载的工作任务来确定接触器的类别，其次根据接触器控制对象的工作参数(如工作电压、电流、功率、操作频率等)确定接触器的容量等级，根据控制回路电压决定接触器线圈电压，最后对于特殊环境下工作的接触器则选用派生型产品。
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接触器分直流接触器和交流接触器两大类，一般情况下，接触器的选用主要依据是接触器主触点的额定电压、电流要求，辅助触点的种类、数量及其额定电流，控制线圈电源种类，频率与额定电压，操作频繁程度和负载类型等因素。具体细节可以参考项目一。
2.继电器的选用
继电器是组成各种控制系统的基础元件，因此选用时应综合考虑继电器的适用性、功能特点、使用环境、额定电压、额定电流等因素，适当选用，合理使用，使控制系统正常可靠地工作。
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(1)中间继电器的选用。中间继电器用于电路中传递与转换信号，扩大控制路数，将小功率控制信号转换为大容量的触点控制，扩允交流接触器及其他电器的控制作用。其选用主要根据触点的数量及种类确定型号，同时注意吸引线圈的额定电压应等于控制电路的电压等级。
(2)电流、电压继电器的选用。其主要依据是被控制或被保护对象的特性、触点的种类、数量、控制电路的电压、电流、负载性质等因素，线圈电压、电流应满足控制线路的要求。如果控制电流超过继电器触点额定电流，可将触点并联使用。也可以采用触点串联使用方法来提高触点的分断能力。
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(3)时间继电器的选用。常用的时间继电器有空气阻尼式、电磁式、电动式及晶体管式和数字时间继电器等，选用时应考虑延时方式(通电延时或断电延时)、延时范围、延时精度要求、外形尺寸、安装方式、价格等因素。在延时精度要求不高且电源电压波动大的场合，宜选用价格低廉的电磁式或空气阻尼式时间继电器;当延时范围大，延时精度较高时，可选用电动式或晶体管式时间继电器;延时精度要求更高时，可选用数字式时间继电器，同时也要注意线圈电压等级能否满足控制电路的要求。
3.热继电器、熔断器、断路器的选用
热继电器、熔断器、断路器的选择详见项目一。
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4.各种按钮、开关的选用
(1)按钮。按钮通常是用来短时接通或断开小电流控制电路的一种主令电器。其选用依据主要是需要的触点对数、动作要求、结构形式、颜色以及是否需要带指示灯等。如启动按钮选绿色、停止按钮选红色、紧急操作选蘑菇式等。目前，按钮产品有多种结构形式、多种触点组合及多种颜色，供不同使用条件选用。
(2)刀开关。刀开关又称闸刀，主要用于接通和断开长期工作设备的电源以及不经常启动、制动和容量小于75 kW的异步电动机。刀开关主要是根据电源种类、电压等级、电动机容量、所需极数及使用场合来选用。当用刀开关来控制电动机时，其额定电流要大于电动机额定电流的3倍。
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(3)组合开关。组合开关主要用于电源的引入与隔离，又叫电源隔离开关。其选用依据是电源种类、电压等级、触点数量及电动机容量。当采用组合开关来控制5 kW以下小容量异步电动机时，其额定电流一般取电动机额定电流的1. 5~3倍。
5.万能转换开关的选用
按额定电压和工作电流选用合适的开关型号，按操作需要选定手柄形式和定位特征，按控制要求参照转换开关样本确定触点数量和接线图编号。
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6.行程开关的选用
根据应用场合及控制对象选择，有一般用途行程开关和起重设备用行程开关，根据安装环境选择防护型号，根据控制回路的电压和电流选择行程开关系列。
7.接近开关的选用
接近开关较行程开关价格高，因此仅用于工作频率高、可靠性及精度要求均较高的场合。按应答距离要求选择型号、规格，按输出要求选择输出形式是有触点还是无触点式。
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六、生产机械电气设备施工设计
1.机床电气设备的总体布置
根据国家标准GB 5226-85《机床电气设备通用技术条件》规定:尽可能把电气设备组装在一起，使其成为一台或几台控制装置。只有那些必须安装在特定位置上的器件，如按钮、手动控制开关、行程开关、离合器、电动机等，才允许分散安装在机床的其他部位。大型机床各个部分可以有其独立的控制装置。
总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图形式来表达的，图中应以示意形式反映出各部分主要组件的位置及各部分接线关系、走线方式及使用管线要求等。总装配图、接线图(根据需要可以分开，也可以并在一起画)是进行分部设计和协调各部分组成一个完整系统的依据。
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总体设计要使整个系统集中、紧凑，拟定采用哪些电气控制装置，如控制柜、操纵台或悬挂操纵箱等，确定机床床身上安装的电气设备和床身以外的电气设备。一般将功能类似的元件组合在一起构成电气控制装置，如用于操作的按钮、开关、指示及检测元件及调节元件集中在操纵台上，各种接触器、继电器、熔断器、控制与照明变压器等集中、紧凑地安装在控制柜上。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，应考虑两地操作的可能。总电源紧急停止控制应安放在方便而明显的位置。总体配置设计合理与否将影响到电气控制系统工作的可靠性，并关系到电气系统的制造、装配质量、调试、操作及维护是否方便。
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2.电器元件布置图的绘制
电器元件布置图是某些电器元件按一定原则的组合。同一组件中电器元件的布置要注意以下问题:
(1)体积大和较重的电器元件应装在电器板的下面，而发热元器件应安装在电器板的上面。
(2)强电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、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。
(4)电器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器安放在一起，以利加工、安装和配线。
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(5)电器元件布置不宜过密，要留有一定的间距，若采用板前走线槽配线方式，应适当加大各排电器间距，以利布线和维护。各电器元件的位置确定以后，便可绘制电器布置图。
(6)布置图是根据电器元件的外形绘制，并标出各元器件间距尺寸。每个电器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，以保证各电器的顺利安装。
(7)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)和采用导线规格，选择进出线方式，并选用适当接线端子板，按一定顺序标上进出线的接线号
图8 -21就是根据上述原则绘制出的C620-1型车床的电器元件布置图。
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3.电气安装接线图的绘制原则
(1)绘制安装接线图时，各电器元件均按其在安装底板中的实际安装位置绘出。元件所占图面积按实际尺寸以同一比例绘制。
(2)绘制安装接线图时，一个元件的所有部件绘在一起，并且用点画线框起来，即采用集中表示法。有时将多个电器元件用点画线框起来，表示它们是安装在同一安装底板上的。
(3)绘制安装接线图时，各电器元件的图形符号和文字符号必须与原理图一致，并符合国家标准。
(4)绘制安装接线图时，各电器元件上凡是需要接线的部件端子都应绘出，并予以编号，各接线端子的编号必须与原理图的导线编号相一致。
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(5)绘制安装接线图时，安装底板内外的电器元件之间的接线通过接线端子板进行连接。安装底板上有几个接至外电路的引线，端子板上就应绘出几个线的接点。
(6)绘制安装接线图时，走向相同的相邻导线可以绘成一股线。
(7)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。
图8-22就是根据上述原则绘制出的电气安装接线图。
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4.元器件及材料清单的汇总
在电气控制系统原理设计及工艺设计结束后，应根据各种图纸，对本设备需要的各种零件及材料进行综合统计，按类别划出外购件汇总清单表、标准件清单，主要材料消耗核算表及辅助材料消耗核算表。以便采购人员、生产管理部门按设备制造需要备料，做好生产准备工作。
5.编写设计说明书及使用说明书
设计制造中，电气控制系统的投资占有很大比例，同时，控制系统对生产机械运行可靠性、稳定性起着重要的作用。因此，控制系统设计方案完成后，在投入生产前应经过严格的审定。为了确保生产设备达到设计指标，设备制造完成后，还要经过仔细的调试，使设备运行处于最佳状态。设计说明及使用说明是设计审定及调试、使用、维护过程中必不可少的技术资料。设计及使用说明书应包含以下主要内容:
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(1)拖动方案选择依据及本设计的主要特点。
(2)主要参数的计算过程
(3)设计任务书中要求各项技术指标的核算与评价
(4)设备调试要求与调试方法
(5)使用、维护要求及注意事项
七、电气控制系统的安装与调试
1.电气控制拒的安装配线
控制柜内的配线施工规则可以参考项目二电气装配的工艺要求，这里主要介绍电气柜外部配线。柜外配线采用线管配线方式，这种方法耐潮、耐腐蚀、不易遭受机械损伤，适用于有一定机械压力的场合。
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(1)所用导线为中间无接头的绝缘软线
(2)电气柜外部的全部配线(除有适当保护的电缆外)必须一律装在导线通道内，使导线有适当的机械保护，能防止液体、铁屑和灰尘的侵入。
(3)导线通道应有裕量，允许以后增加导线(动力线除外)。若用钢管，其管壁厚度应大于1 mm;若用其他材料，壁厚必须具有上述钢管等效的强度。
(4)所有穿管导线，在其两端头必须标明线号，以便查找和维修的进行。
(5)安装在同一机械保护管路中的导线束应留.I,备用导线。
(6)机床移动部件或可调整部件上的电气设备的接线必须用软线，且有导线护套，导线护套能承受机械运动以及油、冷却液和温度的有害作用。
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2.电气控制拒的调试
电气控制装置安装完成后，在投入运行前，为了确保安全和可靠工作，必须进行认真细致的检查、试验与调整。其主要步骤如下:
(1)根据电气控制电路图，检查接线图是否准确无误，特别要注意线路标号与接线板角虫点标号是否一致。
(2)对照电器元件明细表逐个检查所装电器元件的型号、规格是否相符，产品是否完好无损，特别要注意线圈额定电压是否与工作电压相等。
(3)对照接线图与电气控制电路图认真检查接线是否正确。为判断导线是否有断线或接触良好，可以用万用表进行测量。
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(4)对电动机和连接导线进行绝缘电阻检查，用兆欧表检查，连接导线的绝缘电阻不小于7 M ，电动机的绝缘电阻不小于0. 5 M 等。
(5)检查各开关按钮、行程开关等电器元件应处于原始位置，调速装置的手柄应处于最低速位置。
上述检查完成后，就可以通电进行调试了。通电检查可按控制环节一部分一部分进行，注意观察各电器的动作顺序是否正确，指示装置的指示是否正常，在各部分电路完全正确的基础上才可进行整个电路的系统检查，反复调整，直至全部符合工艺和设计要求。具体调试步骤如下。
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(1)空操作试验。装好控制电路中的熔断器熔体，不接主电路，接通电源开关，使控制电路空操作，试验控制电路的动作是否可靠，接触器动作是否正常;检查接触器自动、互锁控制是否可靠;用绝缘棒操作行程开关，检查其行程和限位控制是否可靠;观察各电器动作灵活性，注意有无卜阻现象;听各电器动作时有无过大的噪声，检查线圈有无过热及异味。
(2)空载试车。上述检查没有问题后，接通主电路，首先点动检查各电动机的转向及转速是否符合要求，然后调整好保护电器的整定值，检查指示信号和照明灯的完好性等。
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(3)带负荷试车。空载试车无误后，接通主电路带负载试车，电动机启动前应先做好停车准备，启动后注意电动机运行是否正常。若发现电动机启动困难，发出噪声，电动机过热，电流表指示异常等现象时，应立即停车断开电源进行检查，待查明原因排查故障后方可再次通电。
对定时运转电路的运行和间隔时间、Y-△启动控制电路的启动时间、反接制动控制电路的终止速度等动作必须要调试，试车正常后，控制线路方可投入运行。
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知识训练二CA6140型卧式车床电气控制系统的设计
一、CA6140型卧式车床的设计要求
CA6140型卧式车床属于普通的小型车床，性能优良，应用较为广泛。可车削外圆、内圆、端面、螺纹、螺杆以及车削定型表面，并可用钻头、绞刀等刀具进行钻孔、锁孔、倒
角、割槽及切断等加工工作。
1.运动形式
切削运动:包括}_件旋转的主运动和刀具的直线进给运动。
进给运动:刀架带动刀具的直线运动。
辅助运动:除切削运动外的其他运动，如尾架的纵向移动、工件的夹紧与放松等。
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2.对电气控制的要求
(1)三台三相笼型异步电动机进行拖动，分别为主轴电动机、刀架快速移动电动机和冷却泵电动机，主轴要求能实现正、反转控制。
(2)要求在主轴电动机启动后，再决定冷却泵是否启动;当主轴电动机停止时，冷却泵应能立即停止。
(3)采用齿轮箱进行调速，实现机械有级调速，电动机不需要进行电气调速。
(4)电气线路中设有过载、短路、欠电压和失电压保护，配有安全的局部照明装置。
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二、电气控制线路图的设计
(1)主电路设计。M1为主轴电动机，带动主轴旋转和刀架作进给运动，KM1控制M1,FR1为M1的过载保护;M2为冷却泵电动机，KM2控制M2 , FR2为M2的过载保护;M3为刀架快速移动电动机，为短期工作，故可不设过载保护。
(2)控制电路设计。M1的启动、停止分别由sB2, sBI来控制。根据设计要求，主轴电动机启动后，冷却泵才能启动，因此在KM2的控制线路中串入KM1的辅助常开触点。刀架快速移动电动机M3的启动是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮SB3来控制的。将操纵手柄扳到所需的方向，压下按钮SB3，接触器KM3得电吸合，电动机M3得电启动，刀架就向指定方向快速移动。
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EL为机床的低压照明灯，由开关QS2控制，HL为电源的信号灯。
(3)控制电源的设计。考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压器T供电，其一次侧为交流380 V，二次侧为交流110 V , 24 V和6 V。110 V给3个接触器供电，24 V和6V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。
综合以上的考虑，绘出CA6140型卧式车床的主电路和控制电路如图8-23所示。
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四、绘制电器布置图和电气接线图
根据电气原理图的布置原则，并结合该机床电气原理图的控制顺序对电器元件进行合理布局，得到图8-24所示的CA6140型卧式车床电器布置图。
电器元件布置图完成后，再依据电器安装接线图的绘制原则绘制电气安装接线图，如图8-25所示。
五、电气控制柜的安装配线
根据电器元件明细表中所列的元件，配齐电气设备和电器元件后进行安装配线。
(1)根据电气安装接线图，其制作的安装板有柜内电器板(配电盘)、操作显示面板和刀架拖动操作板共3块，柜内电器板可以采用4 mm的钢板或其他绝缘板做底板。
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(2)根据电气接线图标明的导线进行配线
(3)在底板上规划安装的尺寸以及电线管的走向线，根据实际尺寸锯电线管，根据走线方向弯管。
(4)根据安装尺寸线钻孔，安装电器元件
(5)给电器元件和连接导线进行编号
(6)按照电气接线图进行接线，先对控制柜内接线，再接柜外的其他电路和设备。特殊的、需外接的导线接到接线端子排上，引入车床的导线要用金属导管保护。
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六、电气控制柜的调试
调试前首先要对电气控制柜的安装进行检查，根据CA6140型卧式车床的电气原理图及电气安装接线图，对安装完毕的电器控制柜逐线检查，核对线号，防止错接、漏接。检查各接线端子的情况是否有虚接的情况，并及时改正。
在检查准确无误后，方可通电试车，步骤如下:首先，合上电源开关QS1，按下SB2按钮，观察主轴电动机的转向、转速是否正确，再合上QS3并按下SB3按钮，观察冷却泵电动机M2和快速移动电动机M3的转向、转速是否正确。其次，在车床电气线路和所有机械部件安装调试后，再按照该车床的各项性能指标和工艺要求进行逐项试车。
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