电气工程硬件设计思路

电气硬件设计硬件设计流程图
前言：
首先明确电气工程及其自动化主要是控制方向的，所以电气的硬件设计指比如说：输入/输出的开关量、数字量、模拟量的选择，执行器的选择，控制器的选择还有人机操作的选择等这些方面的确定。

（比如开关、各种继电器、保护器、PLC、电机等均为电气的硬件部分）要与机械部分的硬件相互区分，电气的硬件部分控制机械的硬件部分。

一确定系统控制任务与设计要求
了解机械运动与电气执行元件之间的关系，仔细分析被控对象的控制过程和控制要求，熟悉工艺流程及设备性能，明确各项任务的要求、约束条件及控制方式。

对于较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立的部分，这样可以化繁为简，有利于编程和调试
二指定电气控制方案
根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定控制系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联线运行等。

还要确定控制系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、网络通信等。

三确定输入输出信号
3-1控制对象的类型
3-2控制对象的数值范围
四硬件选型与配置
4-1 控制器（多为PLC）选型与配置
(1)选择合适的PLC机型：从性能结构、i/o点数、储存量和特殊功能考虑，并根据系统复
杂程度和控制要求来选择。

已达到系统运行可靠、维护使用方便、和性价比。

(2)Plc的i/o点数的选择：首先估算系统i/o点数，根据现场的输入输出设备。

选择时保留
百分之10到15的余量。

(3)输入输出模块的选择：
○1根据现场输入信号与PLC输出模块的距离来选择工作电压。

例如12v不超过12m
○2对于高密度的输入模块：一般接入输入模块总点数，不得超过PLC输入总点数的百分之60.
输入部分输出有继电器、晶体管、晶闸管输出。

继电器输出便宜，输出变化不太快、开关频率慢的场合优先选择。

开关频率、功率因数低的感性负载，可选用晶闸管或晶体管输出，但是其过载能力低，对感性负载断开瞬间的反向击穿电压必须采取抑制措施。

而且输出模块的同时接通点数总电流不得超过该模块最大的允许电流值。

低功率集中设备可选低电压高密度的i/o模块，大功率分散设备可选择高电压低密度的i/o
模块。

(4)估算用户控制程序的存储容量控制程序所占的内存容量与控制系统的控制要求的复杂
程度、i/o点数、运算处理、程序结构等多方面因素有关，所以只能根据经验。

如下图：用户储存程序容量表
（5）特殊功能模块配置在工控中除了开关量外，还有温度、压力、液位流量等过程控制变量以及位置、速度、加速度、力矩、转矩等运动控制变量，所以需要对这些变量进行检测与控制。

在这些场合，输入输出已经不是关键参数，而应考虑它们的控制功能。

所以要用专业的模块，如ad-da转换模块、温度模块、位控模块、高速计数模块、脉冲计数模块以及网络通信模块
（6）i/o分配列出系统i/o分配表将相同型号集中配置，地址等按顺序连续编排。

最后绘制i/o端口接线。

4-2检测装置
各种模拟/数字量的传感器、限位装置等，用来获取系统中几何或物理量的信息，反馈回控制器，为实现控制提供依据
4-3执行机构
根据系统要求：比如速度、带载能力、精确度等因素，来选择电动、液动、气动、直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等。

并选择与之匹配的驱动器
4-4人员操作机构
工业现场工作人员使用的设备，通过此设备，完成控制、管理功能。

一般有PC装载组态元件，键盘、鼠标、触摸屏、各种网络通讯来操作控制。

五 i/o分配并绘制接线图
通过对输入输出设备的分析、分类和整理，进行相应的I/O地址分配，应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号地址安排在一起，以便施工和布线，并绘制I/O接线图
六控制程序设计
按照控制系统的要求进行PLC程序设计是工程项目设计的核心。

程序设计时应将控制任务进行分解，编写完成不同功能的程序块，包括循环扫描主程序、急停处理子程序、手动运行子程序、自动运行子程序、故障报警子程序等。

编写的程序要在实验室进行模拟运行与调试，检查逻辑及语法错误，观察在各种可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求，发现问题及时修改设计。

七现场运行调试
在工业现场所有的设备都安装到位，所有的硬件连接都调试好以后，要进行程序的现场运行与调试。

在调试过程中，不仅要进行正常控制过程的调试，还要进行故障情况的测试，应当尽量将可能出现的情况全部加以测试，避免程序存在缺陷，确保控制程序的可靠性。

只有经过现场运行的检验，才能证明设计是否成功。

八项目归纳
在设计任务完成后，要编制工程项目的技术文件。

技术文件是用户将来使用、操作和维护的依据，也是这个控制系统档案保存的重要材料，包括总体说明、电气原理图、电器布置图、硬件组态参数、符号表、软件程序清单及使用说明等。

九以THWJX-1机械手系统为例说明工程设计过程
9-1系统的控制任务与要求
1）任务
在两个直流电机带载下，基座与机械臂可以自由旋转。

在两个步进电机带载下，x、y丝杠可以联动运行。

X、Y两轴限位开关限制步进电机运动，基座两个限位传感器限制基座旋转度。

在电磁换向阀作用下控制平行夹的开/关。

2）要求
在固定地点在平行夹作用下将一个物体夹起，在基座电机与步进电机作用下放置于另一个地方，在恢复原来状态。

9-2电气控制方案
要可以手动、自动、限位控制、多级联动。

9-3确定输入输出信号
气夹正反限位
输入基座正反限位
信号基座脉冲都是数字量
X轴左右限位
Y轴上下限位
继电器开关
输出电磁换向阀都是数字量
信号步进电机正反转
直流电机开关
X轴左右限位
9-4 硬件选型与配置
1控制器
选择合适的PLC机型：从性能结构、i/o点数、储存量和特殊功能考虑，并根据系统复杂程度和控制要求来选择。

已达到系统运行可靠、维护使用方便、和性价比。

Plc的i/o点数的选择：首先估算系统i/o点数，根据现场的输入输出设备。

选择时保留百分之10到15的余量。

2执行机构
根据控制要求确定采用不同执行机构，有电动执行机构、气动执行机构、液动执行机构等。

以电动执行机构中电动机为例：根据供电情况选择电机的额定电压，根据负载选择额定功率，根据转速选择电机极对数或额定转速，电机功率较大的话，效率也是重要的参数。

直流减速电机DC24V rpm20
步进电机DC1A 4.6Ω
3检测装置
光电开关DC24V 200mA
行程开关DC24V
9-5 I/o分配与接线图
THWJX-1机械手输入/输出的分配如下：
6
基座正转限位0006 6
ML（基座）1007
7
基座反转限位0007 7
MR（基座）1100
8
电磁换向阀
1101 接线图
9-6硬件工程的安装：
注意硬件系统与系统之间不要存在工作区域的冲突问题。

9-7工程验收：
检测是否符合系统控制任务与要求
9-8总结报告：
在设计任务完成后，要编制工程项目的技术文件。

技术文件是用户将来使用、操作和维护的依据，也是这个控制系统档案保存的重要材料，包括总体说明、电气原理图、电器布置图、硬件组态参数、符号表、软件程序清单及使用说明等。