电气控制系统设计流程指导书.docx
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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
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
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。
电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。
此法计算工作量大，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。
其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。
这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。
这种方案对维修、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
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。
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。
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。
2.根据总体尺寸及结构型式、安装尺寸，设计箱内安装支架，并标出安装孔、安装螺栓及接地螺栓尺寸，同时注明配作方式。
柜、箱的材料一般应选用柜、箱用专用型材。
3.根据现场安装位置、操作、维修方便等要求，设计开门方式及型式。
4.为利于箱内电器的通风散热，在箱体适当部位设计通风孔或通风槽，必要时应在柜体上部设计强迫通风装置与通风孔。
5.为便于电气箱、柜的运输，应设计合适的起吊勾或在箱体底部设计活动轮。
总之，根据以上要求，应先勾画出箱体的外形草图，估算出各部分尺寸，然后按比例画出外形图，再从对称、美观、使用方便等方面进一步考虑调整各尺寸比例。
外表确定以后，再按上述要求进行各部分的结构设计，绘制箱体总装图及各面门、控制面板、底板、安装支架、装饰条等零件图，并注明加工要求，再视需要选用适当的门锁。
当然，电气箱、柜的造形结构各异，在箱体设计中应注意吸取各种型式的优点。
对非标准的电器安装零件，应根据机械零件设计要求，绘制其零件图，凡配合尺寸应注明公差要求，并说明加工要求。
3.5清单汇总
在电气控制系统原理设计及工艺设计结束后，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，列出元件清单、标准件清单、材料消耗定额表，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，也便于成本核算。
4PLC控制系统设计的内容和方法
PLC控制系统的设计具有传统电气控制系统设计的一般规律，但由于PLC控制属于软件控制，因此PLC控制系统的设计又具有其自身的特点。
下面就PLC控制系统设计的基本原则、基本内容以及步骤进行阐述，以便初学者掌握。
当然，要设计一个经济、实用、可靠、先进的PLC控制系统，还需要有丰富的专业知识和实际工作经验。
4.1PLC控制系统设计的基本原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。
因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
1.最大限度地满足被控对象的控制要求。
设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。
2.在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、实用，维修方便。
3.保证控制系统的安全、可靠。
4.考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。
4.2PLC控制系统设计的基本内容
1.总体方案的确定：
熟悉控制对象和控制要求，分析控制过程，确定总体方案。
2.正确选用电气控制元件和PLC：
PLC控制系统是由PLC、用户输入及输出设备、控制对象等连接而成的。
应认真选择用户输入设备（按钮、开关、限位开关和传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯、电磁阀等执行元件）。
要求进行电气元件的选用说明。
必要时应设计完成系统主电路图。
根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC。
PLC是控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。
选择PLC应包括机型、容量、I/O点数、输入输出模块（类型）、电源模块以及特殊功能模块的选择等。
3.分配I/O点：
根据选用的输入输出设备、控制要求，确定PLC外部I/O端口分配。
a.作I/O分配表，对各I/O点功能作出说明。
b.画出PLC外部I/O接线图，依据输入输出设备和I/O口分配关系，画出I/O接线图。
接线图中各元件应有代号、编号等。
并在电器元件明细表中注明规格数量等。
4.PLC控制流程图及说明：
绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明。
5.程序设计：
利用CX-Programmer编程软件编写控制系统的梯形图程序。
在满足系统技术要求和工作情况的前提下，应尽量简化程序，尽量减少PLC的输入输出点，设计简单、可靠的控制程序。
注意安全保护（检查联锁要求、防误操作功能等能否实现）。
6.调试、完善控制程序：
a.利用CX-Pro
升级会员 