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电气控制设备设计的一般步骤
发表于:2020-07-01 19:10 分享至:

  设计任务书是整个电气控制设备的设计依据,也是设备竣工验收的依据。设计任务的拟定:一般由技术领导部门和任务设计部门会同用户,通过协商,供需双方签订技术要求协议;然后生产企业根据供需双方签订的技术要求协议,根据本企业的设计能力、工艺条件编制出设计任务书,将数据任务下达给技术设计部门。电气控制设备的设计任务书主要包括以下内容:

  电气控制系统方案必须充分满足现场对控制设备的需求,主要设计需要考虑到实现简便、可靠、经济、适用等特点,保证控制方式与控制需要相适应、与通用化程度相适应,以及充分满足被控制设备要求,具有良好的通用性和灵活性。

  设备的电气控制方法很多,有继电器接触器的有触点控制、无触点逻辑控制、可编程序控制器控制、计算机控制等。因此,对被控制设备的控制方案并不是唯一的。只有选择合理的控制方案,才能够低成本并且可靠地实现控制目标;也只有确定了控制方案,才能够在约束条件下开始电气原理图的设计工作。合理地确定控制方案,是设计实现简便、可靠、经济、适用的电气控制设备的重要前提。控制方案的确定应遵循以下原则。

  控制方式并非越先进越好,而是应该以经济效益为标准。控制设备的成本低,说明控制设备的经济效益好。决定控制设备的成本的主要因素是控制目标。对控制方案制定影响较大的控制目标因素有下面几个。

  从实用角度出发,一般把控制目标分为恒值控制、随动控制和程序控制。不同控制目标所对应的自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。一般按照控制目标为哪种物理量及控制特点作为确定控制方案的选择标准,根据控制目标选定控制系统类型,见表2.1.1。

  控制目标数量决定了控制系统的大小和控制系统的层级数量。一般把简单的只有一个控制目标的系统称为最小系统,它只有一个控制层级。复杂的控制系统一般具有多个控制目标,而且这些控制目标往往是互相嵌套的,分别处于不同的控制层级。一般根据控制系统在控制层级的多少,把控制系统分为小型控制系统、中型控制系统和大型控制系统。

  PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如表2.1.2所示。

  对于只有一个控制现场的情况,一般采用集中控制系统;对于有两个以上控制现场的情况,如果控制现场距离比较近,一般也采用集中控制系统,若控制现场距离比较远,就必须采用集散控制系统。

  在设备操作人员可以到达的控制现场,一般采用人工控制系统;而在设备操作人员无法到达的控制现场,一般采用远程控制系统或遥控控制系统。

  如果停电不会对设备和人员造成损害,说明设备对安全和可靠性要求不太高,安全和可靠性要求在最低层级,只要在进行电路和工艺设计时稍微采取一些技术措施就可以了。

  如果电气控制设备在运行时死机和控制失灵的现象是绝对不允许的,这表明对设备的安全和可靠性要求很高。因此需要掉电保护、抗干扰、防爆等技术设计,而且都应很有效且可靠,才能满足用户要求。这些要求意味着比较复杂的安全保护电路才能满足安全和可靠性要求。

  例如,当控制设备突然断电时,即使设备允许紧急停机,设备控制系统也必须设有备用电源,在出现问题时自动切换。切换完成后,需要在最短的时间内记录必需的检测数据,同时采取必要的安全措施(如紧急制动等)。如果备用电源为电池,应紧急停机。若设备不允许紧急停机,必须连续运行,则设备必须安装双电源,在出现问题时自动切换。为防止控制系统本身故障,可采取双机冗余、热备份等设计。

  上述情况由于安全和可靠性要求本身就具有很多控制目标,因此安全和可靠性要求本身就需要占用很多资源,安全保护电路本身就构成2~3个控制层级。即使单一的控制目标,由于安全和可靠性要求较高,也会构成一个比较大的控制系统。

  控制方法要实现拖动方案的控制要求。控制方法有控制器控制、网络控制和遥控3种。不同控制条件及要求应选定的控制方法见表2.1.3。

  继电器、PLC及微型计算机都是大批量工业化生产的、通用化程度高的控制电器。但是在控制设备实际使用中,它们的设计及加工工作量、各自环境适应性有很大差异,因此它们各自适用于不同的控制场合。

  目前,在电气控制领域应用最为广泛的控制方式为PLC与继电器接触器控制,它们均为大批量工业生产的电气控制标准件。另外,单片机控制也占有比较少的市场份额。主要是因为单片机控制系统不是大批量工业生产的电气控制标准件,因此单片机控制系统的设计制作工作量很大,对设计制作及维修人员的要求比较高,一般多用于年产量不超过一千件的专门产品控制。因此,PLC与继电器接触器控制方式应该作为优先选择方向。

  通用化是指生产机械加工不同对象的通用化程度,它与自动化是两个不同概念。对于某些加工一种或几种零件的专用机床,它的通用化程度很低,但它可以有较高的自动化程度,这种机床宜采用固定的控制电路;对于单件、小批量且可以加工形状复杂零件的通用机床,则采用数字程序控制,或采用可编程序控制器控制,因为它们可以根据不同的加工对象而设定不同的加工程序,因而有较好的通用性和灵活性。

  根据被控制设备控制过程要求,电气控制线路可以具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能,以最大限度地满足设备使用、维护和修理要求。

  在自动控制设备中,根据控制要求和联锁条件的复杂程度不同,可采用分散控制或集中控制的方案。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致,以便简化设计和制造过程。

  在控制方案中还应考虑工序变更、系统的检测、各个运动之间的联锁、照明及人机关系等。

  简单的控制设备可直接用电网电源,元件较多、电路较复杂的控制装置,控制电路可将电网电压隔离降压,以降低故障率。对于自动化程度较高的生产设备,可采用直流电源,这有助于节省安装空间,便于同无触点元件连接,元件动作平稳,操作维修也比较安全。对于有较高可靠性要求的控制电路,必须配备不间断电源,不间断电源的容量应能保证电气控制设备与被控制设备的安全,使其能从容地处理必需的安全处理工作。

  对于使用继电器、PLC及微型计算机就可以实现的控制目标,一般按照下面的原则进行选定。

  控制逻辑简单、控制过程基本固定的设备,采用继电器接触器控制方式比较合理。虽然这种控制系统接线“固定”,但它能控制的功率大、简单、价廉、可靠性好,目前使用很广。

  对于控制过程中需要进行模拟量处理及数学运算的、输入/输出信号多、控制要求复杂,经常改变控制程序或控制逻辑复杂的,控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的,视情况采用可编程控制器、数控及微机控制方案较为合理。

  电气设备控制方法很多,包括控制器控制、继电器接触器控制、无触点逻辑控制、可编程控制及计算机控制。不同的控制目标应采用不同的控制方法。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,最大限度地满足控制目标的要求。

  PLC与继电器控制系统两者之间既有相似性又有很多不同之处,但是它们从来没有抵触过。PLC和继电器在控制系统中是相辅相成的,继电器从来没有停止进一步的发展。包括西门子公司在内的业界巨头,从来没有承诺普通PLC是安全的。设备的安全控制(停电、重起、人身防护)都是由专门安全继电器来保证的,所以至今世界上还有许多生产商在专门生产、研发继电器。

  目前名牌大厂商的I/O点数最少的小型PLC价格为800元左右,小生产商的价格为500元左右。相对于价格只有几十元的继电器和接触器,当使用接触器和继电器数量在10个以内时, PLC价格还是比较高的。如果控制系统使用的接触器和继电器数量很多,PLC的价格优势将会凸显。

  根据经验,I/O点数小于50点的电气控制系统一般应优先采用继电接触控制方式,I/O点数大于50点的电气控制系统一般应优先采用PLC。PLC的I/O点数是在产品上标明的,继电接触控制方式的I/O点数可以通过电气控制柜上外接的接线端子数量确定。

  一个最简单的控制目标至少需要两个输入、两个输出即总共四个I/O端口,一个要求严格的控制目标可能需要几十个I/O端口。

  PLC的负载能力比继电接触控制的负载能力小得多,因此当负载功率较大时一般采用继电接触控制方式。当采用PLC控制方式时,若负载功率较大,可以通过接触器或自动开关装置进行放大,组成一个PLC与继电接触控制的混合控制方式。

  根据经验,一般把控制目标小于8个开关量的控制,且没有子目标的控制系统视为比较简单的控制系统。简单的控制系统一般应优先采用继电接触控制方式。控制目标大于8个且有子目标的控制系统视为复杂的控制系统。复杂的控制系统应优先采用PLC控制方式。

  单纯开关量的控制比较简单,开关量和模拟量的混合控制就比较复杂。有控制精度要求、定位精度要求、监测监控要求、网络通信要求的控制系统必定采用闭环的反馈环节和比较应答机制,这样的控制系统一般都比较复杂。

  继电接触控制系统采用硬接线方式,看得见摸得着,因此对设计制作维修人员素质要求比较低。PLC的控制逻辑靠虚拟的继电器和接线,看不见摸不着,因此对设计制作维修人员素质要求比较高。

  设计制作继电接触控制系统,只需画出电气原理图、元器件布置图和接线图基本上就可以解决问题了。设计制作PLC控制系统,除了画出电气原理图、元器件布置图和接线图外,还必须画出梯形图,编制控制程序。

  PLC和继电器各有好处,继电器经济实惠,PLC功能强大、技术先进,但它们都有各自的局限性。到底采用哪种控制方式,应根据应用环境和控制要求的具体情况来确定。PLC不是完全顶替继电器电路,只不过是顶替多设备电路中的连锁及关联关系的这一部分,单台设备的手动现场控制是必不可少的,也只有靠继电器回路控制才是更好的选择。

  下面以定子回路中串电阻降压启动和反接制动为例,分析由继电器接触器电路实现的异步电动机的启、制动控制过程。

  如图2.1.3所示,此控制电路含有3个接触器和1个中间继电器,12个可动作的硬触点。启动时,接触器KM2、KM3均处于断开状态,按下启动按钮SB1,KM1通电并自锁,电动机串入电阻减压启动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器KS1的设定值,此设定值可调整),速度继电器KS1的常开触点闭合,中间继电器KA通电并自锁,KA的常开触点闭合,接触器KM3通电,KM3的主触点短接主电路中的定子电阻R,电动机定子中的电阻减小,电流增大,转速上升,到设定的转速时,电动机稳定运行。

  制动时,按下停止按钮SB2,KM1断电,其主触电断开,切断电动机的电源,电动机处于无电状态,由于惯性继续运行,但转速越来越慢。同时由于KM1断电,KM3失电,主电路中的KM3的主触点断开,限流电阻R又串入。另外KM1断电又带来接触器KM2通电,在主电路中KM2的主触点闭合,电动机的供电电源的两个相序对调,电动机处于反接制动状态。当转速下降到设定值时,KS1常开触点断开,中间继电器KA失电,进而断开KM2的电源,电动机失电,迅速停机。

  这种传统的继电接触控制方式的控制逻辑清晰,采用了机电组合方式,便于普通机电类技术人员的维修,但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率高、寿命短,因此运行的可靠性低。

  可编程序控制器是在继电器和计算机控制基础上开发的产品,所以它在继电器控制逻辑清晰的基础上,使用计算机软件控制实现了控制方式的灵活改进。因此与传统的继电接触控制系统相比较,采用PLC实现异步电动机启动、制动控制是最佳选择。下边以三菱系列的PLC为例,电动机的主电路接线所示;改进的控制接线所示;软件梯形图及程序如图2.1.5所示,此梯形图的控制过程如下。

  启动时,按下启动按钮SB1,X400的常开触点闭合,Y430被激励并且自锁,接触器KM1通电,其主触点KM1闭合,电动机串入限流电阻R并开始启动,同时Y430的常开的触点也闭合。当电动机转速上升到某一定值时,速度继电器的常开触点KS1闭合,那么对应的X402就闭合,M100被激励并自锁,Y432被激励,这样使得接触器KM3通电,其主触点KM3闭合,主电路中限流电阻R被短路,电动机的电流增大,转速上升直到初始设定值,电动机开始稳定运行。

  制动时,按下停止按钮SB2,即X401常闭触点断开,进而Y430不被激励,使得接触器KM1失电,对应的触点释放,这样Y430的常闭触点复位,则Y431被激励,接触器KM2通电,对应的触点KM2吸合,把电动机电源的两个相序对调,电动机处于反接制动状态。与此同时, Y430常开触点断开,Y432不被激励,接触器KM3失电,主电路中又串入限流电阻R,使得电动机的电流减小,转速变慢。当电动机转速下降到设定值时,速度继电器的硬触点KS1释放,即X402常开触点断开,M100不被激励,其对应触点动作,使得Y431不再被激励,接触器KM2失电,其触点释放,电动机快速停下来。过载时热继电器FR常开触点闭合,即常闭触点X403断开,使得Y430、M100都不再被激励,进而接触器KM1或KM2失电,断开对应的触点,电动机电源断开,起到过载保护的作用。

  PLC在硬件方面设置了特定的电源,采用了隔离和屏蔽技术,设置了联锁功能、环境检测和诊断电路及“看门狗”电路。在软件方面,软件与硬件相配合,在受到强干扰而导致工作进程混乱甚至停止时会自动保护,采用扫描方式进行工作,编程简单,不易出错。

  PLC控制比继电控制所使用的触点数目减少了三分之二以上,因此PLC控制比继电控制系统可靠性高。

  两种控制方式都需要使用3个规格型号相同的交流接触器,继电控制系统还使用了一个速度继电器和一个中间继电器,继电控制系统的成本为500元。PLC控制系统的成本为1000元左右,因此继电控制是比PLC控制更为经济实惠的控制方案。

  两种控制方案的孰优孰劣,在此难以断言。因为判定一个控制方案是否可取,取决于用户的要求及其经济能力。

  如果为了省钱,显然继电控制系统应该是首选方案。如果为了保证可靠性,且可以不计成本,则PLC控制系统应该是最佳方案。相对于PLC控制这种复杂的控制电路,按照当前比较普遍的使用情况来看,还是以采用继电控制系统为主。

  电气设备的各种施工图纸的设计在本丛书的另一分册《电气控制柜设计制作—结构与工艺篇》中详细介绍。

  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、设备使用和维护要求、使用注意事项等。