电气控制系统设计流程指导书

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电气控制系统设计流程指导书
电气控制系统设计流程
指导书
(征求意见版)
天津市海王星海上工程技术有限公司技术中心
二○一二年十一月
《机械制图要求》编写组
编写人员胡亚楠
校核刘广斌
审核刘津
编辑胡亚楠
前言
天津市海王星海上工程技术有限公司
《机械制图要求》编组2012年11月
目录
1电气控制系统设计的内容和方法 (5)
1.1......................... 电气控制系统设计的基本原则5 1.
2............. 电气控制系统设计的基本任务、内容5
1.2.1原理设计内容 (6)
1.2.2工艺设计内容 (7)
1.3......................... 电气控制系统设计的一般步骤7
1.3.1拟订设计任务书 (7)
1.3.2确定电力拖动方案 (8)
1.3.3拖动电动机的选择 (10)
1.3.4电动机容量的选择 (11)
1.3.5选择控制方式 (13)
1.3.6设计电气控制原理图并合理选用元器件以及编制元器件明表 (13)
1.3.7设计电气设备的各种施工图样 (13)
1.3.8编写设计说明书和使用说明书 (13)
2电气控制原理电路设计的方法与步骤 (13)
2.1................. 电气控制原理电路的基本设计方法14
2.1.1经验设计法 (14)
2.1.2逻辑设计法 (15)
2.2............................. 电气原理图设计的基本步骤16 2.
3................................. 原理图设计中的一般要求17
2.3.1电气控制原理应满足工艺的要求 (17)
2.3.2控制电路电源种类与电压数值的要求 (18)
2.3.3确保电气控制电路工作的可靠性和安全性 (18)
2.3.4应具有必要的保护环节 (21)
2.3.5操作、维修方便 (22)
2.3.6控制电路力求简单、经济 (22)
3电气控制装置的工艺设计 (22)
3.1................................. 电气设备的总体布置设计22
3.1.1组件划分的原则 (24)
3.1.2电气控制设备的不同组件之间的接线方式 (24)
3.2........................ 电器元件布置图的设计与绘制25
3.3..................................... 电器部件接线图的绘制27 3.4................. 电气柜、箱和非标准零件图的设计29 3.5............................................................. 清单汇总31 4PLC控制系统设计的内容和方法 (31)
4.1......................... PLC控制系统设计的基本原则31 4.2......................... PLC控制系统设计的基本内容32 4.3......................... PLC控制系统设计的一般步骤34
4.3.1流程图功能说明 (35)
4.3.2PLC程序设计的步骤 (36)
4.4................................................. PLC机型的选择37
4.4.1PLC选型的基本原则 (37)
4.4.2输入/输出模块的选择 (38)
4.4.3对程序存储器容量的估算 (39)
1 电气控制系统设计的内容和方法
电气控制系统设计的基本内
容是根据电气控制要求设计和编
制出设备电气控制系统制造和使
用、维护中的所有图纸和资料。


气图纸主要包括电气原理图、电气
安装图、电气接线图等。

主要资料
包括元器件清单、设备操作使用说
明书、设备原理及结构、维修说明
书等。

1.1 电气控制系统设计的基本原则
生产机械种类繁多,其电气控
制方案各异,但电气控制系统的设
计原则和设计方法基本相同。

设计
工作的首要问题是树立正确的设
计思想和工程实践的观点,它是高
质量完成设计任务的基本保证基
本原则如下:
1.最大限度地满足生产机械和生产
工艺对电气控制系统的要求。

2.设计方案要合理。

3.机械设计与电气设计应相互配
合。

4.确保控制系统安全可靠地工作。

1.2 电气控制系统设计的基本任务、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
的图样、资料等。

图样包括电气原
理图、电气系统的组件划分图、元
器件布置图、安装接线图、电气箱
图、控制面板图、元器件安装底板
图和非标准件加工图等,另外还要
编制外购件目录、单台材料消耗清
单、设备说明书等文字资料。

电气控制系统设计的内容主
要包含原理设计与工艺设计两个
部分,以电力拖动控制设备为例,
设计内容如下。

1.2.1 原理设计内容
电气控制系统原理设计的主要内
容包括:
1. 拟订电气设计任务书。

2. 确定电力拖动方案,选择电动
机。

3. 设计电气控制原理图,计算主要
技术参数。

4. 选择电器元器件,制订元器件明
细表。

5. 编写设计说明书。

电气原理图是整个设计的中
心环节,它为工艺设计和制订其他
技术资料提供依据。

1.2.2 工艺设计内容
进行工艺设计主要是为了便
于组织电气控制系统的制造,从而
实现原理设计提出的各项技术指
标,并为设备的调试、维护与使用
提供相关的图样资料。

工艺设计的
主要内容有:
1. 设计电气总布置图、总安装图
与总接线图。

2. 设计组件布置图、安装图和接
线图。

3. 设计电气箱、操作台及非标准
元件。

4. 列出元器件清单。

5. 编写使用维护说明书。

1.3 电气控制系统设计的一般步骤
1.3.1 拟订设计任务书
电气控制系统的设计任务书中,主要包括以下内容:
1. 设备名称、用途、基本结构、动
作要求及工艺过程介绍。

2. 电力拖动的方式及控制要求等。

3. 联锁、保护要求。

4. 自动化程度、稳定性及抗干扰要
求。

5. 操作台、照明、信号指示、报警
方式等要求。

6. 设备验收标准。

7. 其他要求。

1.3.2 确定电力拖动方案
电力拖动方案选择是电气控
制系统设计的主要内容之一,也是
以后各部分设计内容的基础和先
决条件。

所谓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
动机起动、运行、调速、转向、制
动等控制要求。

电力拖动方案的确定要从以下几
个方面考虑:
1.3.
2.1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。

电力拖动发展的趋
向是电动机逐步接近工作机构,形
成多电动机的拖动方式,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
结构得到简化。

在具体选择时,应
根据工艺要求及结构具体情况决
定电动机的数量。

1.3.
2.2调速方案的选择
对于生产机械设备从生产工
艺出发往往要求能够调速,不同的
设备有不同的调速范围,调速精度
等,为了满足一定的调速性能,应
选用不同的调速方案,如采用机械
变速,多速电动机变速,变频调速
等方法来实现。

随着交流调速发
展,其经济技术指标不断提高,采
用各种形式的变频调速技术,将是
机械设备调速的主流。

大型、重型设备的主运动和进
给运动,应尽可能采用无极调速,
有利于简化机械结构、降低成本;
精密机械设备为保证加工精度也
应采用无极调速;对于一般中小型
设备,在没有特殊要求时,可选用
经济、简单、可靠的三相鼠笼型异
步电动机。

1.3.
2.3电动机调速性质应与负载特性相适应
机械设备的各个工作机构,具
有各自的负载负载特性,如机床的
主运动为恒功率负载,而进给运动
为恒转矩负载。

在选择电动机调速
方案时,要使电动机的调速性质与
生产机械的负载特性相适应,以使
电动机获得充分合理的使用。

如双
速笼型异步电动机,当定子绕组由
三角形联结改成双星形联结时,转
速增加一倍,功率却增加很少,适
用于恒功率传动;对于低速为戥联
结的双速电动机改成双星形联结
后,转速和功率都增加一倍,而电
动机输出的转矩保持不变,适用于
恒转矩传动。

1.3.3 拖动电动机的选择
电动机的选择主要有电动机
的类型、结构型式、容量、额定电
压与额定转速。

电动机选择的基本
原则有:
1. 电动机的机械特性应满足生产
机械提出的要求,要与负载的负载
特性相适应。

保证运行稳定且具有
良好的起动,制动性能。

2. 工作过程中电动机容量要得到
充分利用,使其温升尽可能达到或
接近额定温升值。

3. 电动机结构型式满足机械设计
提出的安装要求,并能适应周围环
境工作条件。

4. 在满足设计要求前提下,应优先
采用结构简单,价格便宜,使用维
护方便的三相笼型异步电动机。

1.3.4 电动机容量的选择
1.3.4.1分析计算法
根据生产机械负载图预选一
台电动机,再用该电动机的技术数
据和生产机械负载图求出电动机
的负载图。

最后按电动机的负载图
从发热方面进行校验,并检查电动
机的过载能力与起动转矩是否满
足要求,如若不合格,另选一台电
动机重新计算,直到合格为止。


法计算工作量大,负载图的绘制较
为困难。

对于比较简单,无特殊要
求,生产数量不多的电力拖动系
统,电动机容量往往采用统计类比
法。

1.3.4.2统计类比法
将各国同类型,先进的机床电
动机容量进行统计和分析,从中找
出电动机容量与机床主要参数间
的关系,再根据我国实际情况得出
相应的计算公式来确定电动机容
量的一种实用方法。

当机床的主运动和进给运动
由同一台电动机拖动时,则应按主
运动电动机功率计算。

若进给运动
单独一台电动机拖动,并具有快速
运动功能时,则电动机功率应按快
速移动所需功率来计算。

此外,还有一种类比法,通过
对长期动作的同类生产机械的电
动机容量调查,并对机械主要参
数,工作条件进行类比,然后再确
定电动机的容量。

1.3.5 选择控制方式
控制方式要实现拖动方案的
控制要求。

随着现代电气技术的迅
速发展,生产机械电力拖动的控制
方式从传统的继电接触器控制向
PLC控制、CNC控制、计算机网络
控制等方面发展,控制方式越来越
多。

控制方式的选择应在经济、安
全的前提下,最大限度地满足工艺
的要求。

1.3.6 设计电气控制原理图并合理选用元器件以
及编制元器件明表
1.3.7 设计电气设备的各种施工图样
1.3.8 编写设计说明书和使用说明书
设计说明和使用说明是设计
审定、调试、使用、维护过程中必
不可少的技术资料。

设计和使用说
明书应包含:拖动方案的选择依
据,本系统的主要原理与特点,主
要参数的计算过程,各项技术指标
的实现,设备调试的要求和方法,
设备使用、维护要求,使用注意事
项等。

2 电气控制原理电路设计的方法与步骤
电气控制原理电路设计是原
理设计的核心内容,各项设计指标
通过它来实现,它又是工艺设计和
各种技术资料的依据。

2.1 电气控制原理电路的基本设计方法
电气控制原理电路设计的方法主要有经验
设计法和逻辑设计法两种。

2.1.1 经验设计法
经验设计法也叫分析设计法,
是根据生产工艺的要求选择适当
的基本控制环节(单元电路)或将比
较成熟的电路按其联锁条件组合
起来,并经补充和修改,将其综合
成满足控制要求的完整电路。

当没
有现成的典型环节时,可根据控制
要求边分析边设计。

经验设计法的优点是设计方法
简单,无固定的设计程序,它是在
熟练掌握各种电气控制电路的基
本环节和具备一定的阅读分析电
气控制电路能力的基础上进行的,
容易被初学者所掌握,对于具备一
定工作经验的电气技术人员来说,
能较快地完成设计任务,因此在电
气设计中被普遍采用。

其缺点是设
计出的方案不一定是最佳方案,当
经验不足或考虑不周全时会影响
电路工作的可靠性。

为此,应反复
审核电路工作情况,有条件时还应
进行模拟试验,发现问题及时修
改,直到电路动作准确无误,满足
生产工艺要求为止。

2.1.2 逻辑设计法
逻辑设计法是利用逻辑代数
来进行电路设计,从生产机械的拖
动要求和工艺要求出发,将控制电
路中的接触器、继电器线圈的通电
与断电、触头的闭合与断开、主令
电器的接通与断开看成逻辑变量,
根据控制要求将它们之间的关系
用逻辑关系式来表达,然后再化
简,做出相应的电路图。

逻辑设计法的优点是能获得理
想、经济的方案,但这种方法设计
难度较大,整个设计过程较复杂,
还要涉及一些新概念,因此,在一
般常规设计中,很少单独采用。


具体设计过程可参阅专门论述资
料,这里不再作进一步介绍。

逻辑电路有两种基本类型,对
应的设计方法也各有不同。

1. 组合逻辑电路其特点是执行元
件的输出状态只与同一时刻控制
元件的状态有关,输入、输出呈单
方向关系,即输出量对输入量无影
响。

它的设计方法比较简单,可以
作为经验设计法的辅助和补充,用
于简单控制电路的设计,或对某些
局部电路进行简化,进一步节省并
合理使用电器元件与触点。

2. 时序逻辑电路其特点是输出状
态不仅与同一时刻的输入状态有
关,而且还与输出量的原有状态及
其组合顺序有关,即输出量通过反
馈作用,对输入状态产生影响。


种逻辑电路设计要设置中间记忆
元件(如中间继电器等),记忆输
入信号的变化,以达到各程序两两
区分的目的。

2.2 电气原理图设计的基本步骤
电气原理图设计的基本步骤是:
1. 根据确定的拖动方案和控制方
式设计系统的原理框图,拟订出各
部分的主要技术要求和主要技术
参数。

2. 根据各部分的要求,设计出原理
框图中各个部分的具体电路。

设计
时按主电路、控制电路、辅助电路、
联锁与保护、总体检查反复修改与
完善的先后顺序进行。

3. 绘制总原理图。

按系统框图结构
将各部分联成一个整体。

4. 恰当选用元器件,并制订元器件
明细表。

设计过程中,可根据控制电路的简
易程度适当地选用上述步骤。

2.3 原理图设计中的一般要求
一般来说,电气控制原理图应
满足生产机械加工工艺的要求,电
路要具有安全可靠,操作和维修方
便、设备投资少等特点。

为此,必
须正确地设计控制电路,合理地选
择电器元器件。

原理图设计应满足以下要求:
2.3.1 电气控制原理应满足工艺的要求
在设计之前必须对生产机械
的工作性能、结构特点和实际加工
情况有充分的了解,并在此基础上
来考虑控制方式、起动、反向、制
动及调速的要求,设置各种联锁及
保护装置。

2.3.2 控制电路电源种类与电压数值的要求
对于比较简单的控制电路,而
且元器件不多时,往往直接采用交
流380V或220V电源,不用控制电
源变压器。

对于比较复杂的控制电
路,应采用控制电源变压器,将控
制电压降到110V或48V、24V。


种方案对维修、操作以及元器件的
工作可靠、有利。

对于操作比较频繁的直流电
力传动的控制电路,常用220V或
110V直流电源供电。

直流电磁铁及
电磁离合器的控制电路,常采用
24V直流电源供电。

2.3.3 确保电气控制电路工作的可靠性和安全性
为保证电气控制电路可靠地工作,应考虑以下几个方面:
1. 元器件的工作要稳定可靠
2. 电器元件的线圈和触头的连接应符合
国家有关标准规定
ADMINISTRATOR 电器元件图形符号应符合GB4728中的规定,绘制时要合理安排版面。

例如,主电路一般安排在左面或上面;控制电路或辅助电路排在右面或下面;元器件目录表安排在标题上方。

为读图方便,有时以动作状态表或工艺过程图形式将主令开关的通断、电磁阀动作要求、控制流程等表示在图面上,也可以在控制电路的每一支路边上标注出控制目的。

在实际连接时,应注意以下几点:
1) 正确连接电器线圈。

交流电压线圈通常不能串联使用,即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联或接在两倍线圈额定电压的交流电源上,以免电压分配不均引起工作不可靠。

ADMINISTRATOR
线圈连接大电感线圈与直流继电器线圈的
连接
a) 不正确b) 正确
a) 错误连接b) 正确连接
2) 合理安排电器元件和触头的位置。

电气元件和触头间的连接
a) 不合理连接b) 合理连接
3) 防止出现寄生电路。

ADMINISTRATOR
寄生回路
4) 尽量减少连接导线的数量,缩短
连接导线的长度。

5) 控制电路工作时,应尽量减少通
电电器的数量,以降低故障的可能
性并节约电能。

6) 在电路中采用小容量的继电器
触头来断开或接通大容量接触器
线圈时,要分析触头容量的大小,
若不够时,必须加大继电器容量或
增加中间继电器,否则工作不可
靠。

2.3.4 应具有必要的保护环节
控制电路在事故情况下,应能
保证操作人员、电气设备、生产机
械的安全,并能有效地制止事故的
扩大。

为此,在控制电路中应采取
一定的保护措施。

常用的有漏电开
关保护、过载、短路、过电流、过
电压、失电压、联锁与行程保护等
措施。

必要时还可设置相应的指示
信号。

2.3.5 操作、维修方便
控制电路应从操作与维修人员的
工作出发,力求操作简单、维修方
便。

2.3.6 控制电路力求简单、经济
在满足工艺要求的前提下,控
制电路应力求简单、经济。

尽量选
用标准电气控制环节和电路,缩减
电器的数量,采用标准件和尽可能
选用相同型号的电器。

3 电气控制装置的工艺设计
电气控制设计的基本思路是
一种逻辑思维,只要符合逻辑控制
规律、能保证电气安全及满足生产
工艺的要求,就可以说是一种好的
的设计。

但为了满足电气控制设备
的制造和使用要求,必须进行合理
的电气控制工艺设计。

这些设计包
括电气设备的结构设计、电气设备
总体配置图、总接线图设计及各部
分的电器装配图与接线图设计,同
时还要有部分的元件目录、进出线
号及主要材料清单等技术资料。

3.1 电气设备的总体布置设计
电气设备总体配置设计任务
是根据电气原理图的工作原理与
控制要求,先将控制系统划分为几
个组成部分(这些组成部分均称作
部件),再根据电气设备的复杂程
度,把每一部件划成若干组件,然
后再根据电气原理图的接线关系
整理出各部分的进出线号,并调整
它们之间的连接方式。

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
及使用的行线槽、管线等。

总装配图、接线图(根据需要可
以分开,也可并在一起)是进行分部
设计和协调各部分组成为一个完
整系统的依据。

总体设计要使整个
系统集中、紧凑,同时在空间允许
条件下,把发热元件,噪声振动大
的电气部件,尽量放在离其它元件
较远的地方或隔离起来;对于多工
位的大型设备,还应考虑两地操作
的方便性;总电源开关、紧急停止
控制开关应安放在方便而明显的
位置。

总体配置设计得合理与否关
系到电气系统的制造、装配质量,
更将影响到电气控制系统性能的
实现及其工作的可靠性、操作、调
试、维护等工作的方便及质量。

3.1.1 组件划分的原则
1. 把功能类似的元件组合在一起。

2. 尽可能减少组件之间的连线数
量,同时把接线关系密切的控制电
器置于同一组件中。

3. 让强弱电控制器分离,以减少干
扰。

4. 为力求整齐美观,可把外形尺
寸、重量相近的电器组合在一起。

5. 为便于检查与调试,把需经常调
节、维护和易损元件组合在一起。

3.1.2 电气控制设备的不同组件之间的接线方式
1. 开关电器、控制板的进出线一般
采用接线端头或接线鼻子连接,这
可按电流大小及进出线数选用不同
规格的接线端头或接线鼻子。

2. 电气柜(箱)、控制箱、柜(台)之间
以及它们与被控制设备之间,采用
接线端子排或工业联接器连接。

3. 弱电控制组件、印制电路板组件
之间应采用各种类型的标准接插件
连接。

4. 电气柜(箱)、控制箱、柜(台)内的
元件之间的连接,可以借用元件本
身的接线端子直接连接,过渡连接
线应采用端子排过渡连接,端头应
采用相应规格的接线端子处理。

3.2电器元件布置图的设计与绘制
电器元件布置图是某些电器
元件按一定原则的组合。

电器元件
布置图的设计依据是部件原理图、
组件的划分情况等。

设计时应遵循以下原则:
1. 同一组件中电器元件的布置应注意将体积大和较重的电器元件安装在电器板的下面,而发热元件应安装在电气箱(柜)的上部或后部,但热继电器宜放在其下部,因为热继电器的出线端直接与电动机相连便于出线,而其进线端与接触器直接相连接,便于接线并使走线最短,且宜于散热。

2. 强电弱电分开并注意屏蔽,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,人力操作开关及需经常监视的仪表的安装位置应符合人体工程学原理。

4. 电器元件的布置应考虑安全间隙,并做到整齐、美观、对称,外形尺寸与结构类似的电器可安放在一起,以利加工、安装和配线。

若采用行线槽配线方式,应适当加
大各排电器间距,以利布线和维
护。

5. 各电器元件的位置确定以后,便
可绘制电器布置图。

电气布置图是
根据电器元件的外形轮廓绘制的,
即以其轴线为准,标出各元件的间
距尺寸。

每个电器元件的安装尺寸
及其公差范围,应按产品说明书的
标准标注,以保证安装板的加工质
量和各电器的顺利安装。

大型电气
柜中的电器元件,宜安装在两个安
装横梁之间,这样,可减轻柜体重
量,节约材料,另外便于安装,所
以设计时应计算纵向安装尺寸。

6. 在电器布置图设计中,还要根据
本部件进出线的数量、采用导线规
格及出线位置等,选择进出线方式
及接线端子排、连接器或接插件,
并按一定顺序标上进出线的接线
号。

3.3 电器部件接线图的绘制
电器部件接线图是根据部件
电气原理及电器元件布置图绘制
的,它表示成套装置的连接关系,是电气安装、维修、查线的依据。

接线图应按以下原则绘制:
1. 接线图相接线表的绘制应符合GB6988.6—1993中《控制系统功能表图的绘制》的规定。

2. 所有电器元件及其引线应标注与电气原理图中相一致的文字符号及接线号。

原理图中的项目代号、端子号及导线号的编制分别应符合GB5094-1985《电气技术中的项目代号》、GB4026-1992《电器设备接线端子和特定导线线端的识别及应用字母数字系统的通则》及GB4884-1985《绝缘导线标记》等规定。

3. 与电气原理图不同,在接线图中同一电器元件的各个部分(触头、线圈等)必须画在一起。

4. 电气接线图一律采用细线条绘制。

走线方式分板前走线及板后走线两种,一般采用板前走线,对于
简单电气控制部件,电器元件数量
较少,接线关系又不复杂的,可直
接画出元件间的连线;对于复杂部
件,电器元件数量多,接线较复杂
的情况,一般是采用走线槽,只要
在各电器元件上标出接线号,不必
画出各元件间连线。

5. 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
要求等。

6. 部件与外电路连接时,大截面导
线进出线宜采用连接器连接,其它
应经接线端于排连接。

3.4 电气柜、箱和非标准零件图的设计
电气控制装置通常都需要制
作单独的电气控制柜、箱,其设计
需要考虑以下几方面:
1. 根据操作需要及控制面板、箱、
柜内各种电气部件的尺寸确定电
气箱、柜的总体尺寸及结构型式,
非特殊情况下,应使总体尺寸符合
结构基本尺寸与系列。

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