基于行程开关控制的顺序电路设计正文.docx
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基于行程开关控制的顺序电路设计正文
1设计依据
1.1课题意义
行程开关是位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主令电器。
利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。
通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
所谓顺序控制（SequentialController）就是指使“生产机械的动作（或工作内容）按事先规定好的时间函数或逻辑顺序进行工作的控制方式。
就是使生产机械或生产过程中各执行机构按规定的时序而顺序动作，或在现场输入信号作用下，按预定规律而顺序动作的自动控制。
随着科学技术的不断发展和进步，电气自动化在机械制造、生产加工和国防科研的方面扮演着举足轻重的作用。
在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。
机床上有很多这样的行程开关顺序控制电路，用它控制工件运动或自动进刀的行程，避免发生碰撞事故。
有时利用行程开关使被控物体在规定的两个位置之间自动换向，从而得到不断的往复运动。
比如自动运料的小车到达终点碰着行程开关，接通了翻车机构，就把车里的物料翻倒出来，并且退回到起点。
到达起点之后又碰着起点的行程开关，把装料机构的电路接通，开始自动装车。
循环往复，达到完全自动化运行的目的。
1.2背景现状及特点
目前国内外对顺序电路进行了很多讨论和研究，主要表现在如下几个方面：
（1）基于PLC的顺序控制。
能够随时修改控制规律（转换条件和时序），改变控制器进行的逻辑运算及实现的定时时间，并使其输入信号量及输出信号量均可以改变，顺序控制器就可以满足不同的控制要求，其控制的精度很高，适用于各种需要顺序控制的场合，成为真正意义上的顺序控制器。
而且系统升级几乎不用扩充外设，只需要改写相应的控制程序即可。
但是PLC价格昂贵，操作水平高。
多用于配套式的电气控制系统当中，应用不是很广泛。
（2）基于单片机的顺序控制。
其价格相对合理，而且产品的种类繁多，大量的被应用于工厂的生产实践。
可以满足不同的控制要求，能够适用于多种需要顺序控制的场合。
但是基于单片机的电气控制系统都要求连接与其功能相对应的外部设备和电路。
需要设置各种各样的接口电路和数据存储器，但是系统的功能扩充和升级相对困难。
而且要求技术操作人员有较强的程序语言知识。
（3）基于各种继电器和行程开关，光电感应等组成的顺序控制电路。
按照生产过程要求确定的转换条件及时序所规定的控制规律是不变的，各执行机构的动作顺序也是不变的。
它不具有通用性而只有针对性，而且控制精度不高，不能运用于高端的控制系统之中，只能适用于对精度要求不高的电气控制系统当中。
但价格便宜，工艺简单。
性价比较高，便于学习和操作。
此次设计将主要针对基于行程开关的顺序控制电路展开。
1.3设计电路的方案
本顺序控制电路由主电路，控制电路，保护装置等部分组成。
电路的控制及电动机的动作和工件的动作由时间继电器和行程开关控制得到。
用行程开关进行顺序电路的设计，使其具有一定的扩展性和通用性。
在成本、工作性能、操作学习等方面达到较好的效果。
2电气控制系统设计的要求
2.1电气控制系统设计的基本原则
1、最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制的要求
（1）按工艺要求提出的起动、反向、制动、调速等设计主电路。
（2）根据主电路设计控制电路的基本环节（如起、制动及调速等环节）。
（3）分析工作中可能出现的故障，线路中要加必要的保护环节。
（4）综合审查，检查其动作是否无误，关键环节可做必要的试验，使控制线路进一步完善。
2、确保控制线路工作的可靠性、安全性
（1）正确连接电器元件的线圈
（a）、交流线圈不能串联使用（外加的电压是两个线圈额定电压之和也是不允许）
两个电器需要同时动作时其线圈应该并联连接。
（b）直流控制电路中，对于电感较大的线圈（如电磁阀、电磁铁等的线圈）不能与相同电压等级的继电器的线圈并联工作。
（2）正确安排电器元件及触点位置
3、应具有必要的保护环节
故障的情况下，应能保证操作人员、电器设备、生产机械的安全，并能有效地抑制事故的扩大。
保护措施：
过载、短路、过流、过压、失压、联锁和行程等保护。
设置合闸、断开、事故、安全等的指示信号。
4、在满足生产要求的前提下，控制线路应力求简单、经济
（1）、正确选择线路和环节
尽量选用标准的、常用的，或经过实际考验过的线路和环节。
（2）、尽量缩短连接导线的数量和长度
注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线。
（3）、正确选用电器
尽量缩减电器的数量，采用标淮件，并尽可能选用相同型号。
（4）应减少不必要的触点以简化线路
在控制线路图设计完成后，宜将线路化成逻辑代数式计算，以便得到最简化的线路。
5、力求操作维护、检修方便
电气控制设备：
操作简单，维护检修安全方便。
1）操作回路数较多，应采用主令控制器，而不能用许多个按钮。
2）检修方便，应设隔离电器，避免带电操作。
3）为调试方便，应加方便的转换控制方式，如从自动控制转换到手动控制。
设多点控制，以便于对生产机械进行调试。
注意对设计完的线路的审核：
能否满足工艺要求、多余环节、多余电器、寄生电路、产生误动作、保护环节是否完善．设备事故和人身事故、处理故障是否安全方便。
必要时要进行实验模拟负裁实验。
2.2电气控制系统设计的其他要求
（1）主电路和控制电路以及各个电动机应具必要的短路和过载保护。
（2）各电机应有单独的供电线路，便于故障的查找和排除。
而且可以提高电路的安全性和可靠性。
（3）电动机采用直接启动方式。
（4）为了防止电路产生误动作，要求控制电路要有严格的自锁和联锁保护。
（5）控制线路再工作时，除必要的电器元件必须通电外，其余的尽量不通点以节约电能。
（6）在控制线路设计时，使分布在线路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或尽量共接同一等位点，以避免在电器触点上引起短路。
避免出现寄生电路。
3电气原理图的绘制原则
3.1原理图的组成部分：
主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径。
辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器和接触器的线圈、继电器的触点、接触器的辅助触点、按钮、照明灯、信号灯、变压器等电器元件组成。
3.2绘制电气原理图的要求
（1）原理图中，各个元气件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。
同一电气元件的各个部件可以不画在一起。
例如：
接触器、继电器的线圈和触点可以不画在一起。
（2）原理图中的各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准图形符号，文字符号也要符合国家标准规定。
（3）控制系统内的全部电动机、电器和其他机械的带电部件，都应在原理图中表示出来。
（4）图中元件、元件和设备的可动部分，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。
例如,继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电状态画；主令控制器、万能转换开关按手柄处于零位时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画等。
（5）原理图的绘制应布局合理、排列均匀，为了便于看图，可以水平布置，也可以垂直布置。
（6）电气元件应按功能布置，并尽可能按工作顺序安排，其布局顺序应该是从上到下，从左到右。
电路垂直布置时，类似元件横向对齐，水平布置时，类似项目应纵向对齐。
例如。
图中线圈属于类似项目，由于线路采用垂直布置，所以接触器线圈应横向对齐。
（7）电气原理图，有直接联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示；无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。
4设计思路及过程
顺序电路主要完成以下三个步骤：
三台电动机M1、M2、M3，M1起动运行40秒后，M2自动起动、M1停止；M2电机启动后一段时间（自定），M3自动起动、M2停止；M3运行20秒后，M2反向运行、M3停止；M2运行后一段时间（自定），M2停止、M1起动——循环运行
4.1主电路的设计
整个主电路由三台电动机拖动，均采用笼型感应电动机。
由于电网容量相对于电动机容量来讲足够大，而且三台电动机又不同时起动，所以不会对电网产生较大的冲击。
因此，本电路采用直接起动。
由于顺序控制电路对制动时间和停车准确度没有特殊要求，制动时则采用自由停车。
三台电动机都用熔断器来作短路保护，用热继电器来作过载保护。
图4.1主电路的设计框图
图4.2主电路的实际接线图
4.2控制电路
为了实现自动控制，三台电动机的起动和停车过程可以用行程量和时间参量加以控制。
由于完成的动作较复杂，所以，采用以时间为变化参量，利用时间继电器和行程开关作为输出器件的控制信号。
图4.3控制电路工作流程图
图4.4控制电路图设计异地双控
使用异地双控可以使得控制现场远离生产现场，在某些危险的现场控制中有着很高的实用价值，其安全性和操作性都得到了提高。
图4.5控制电路图
5设计电路原理图和工作流程
5.1电路原理图
5.2线路的综合审查及工作流程
按下SB2或SB3，继电器KM1通电吸合并自锁，电动机M1起动。
KM1的一个动合触点闭合，接通时间继电器KT1。
KT1为通电延时型时间继电器。
一段时间后，KT1的动合触点闭合，即给KM2的线圈通电，KM2通电，KM2的一个动合触点闭合，碰触行程开关SQ1。
SQ1的常开触点闭合，继电器KM4通电吸合并自锁，KM2断电，接通时间继电器KT2。
KT2为通电延时型时间继电器。
一段时间后，KT2的动合触点闭合，即给KM3的线圈通电，KM3通电，KM4断电，KM3的动合触点闭合碰触行程开关SQ2。
SQ2的常开触点闭合，继电器KM1通电吸合并自锁，电路开始循环。
图5.2顺序控制电路工作流程示意图
6元件列表及元件简介
6.1顺序控制电路电器元件明细表
表6.1顺序控制电路电器元件明细表
符号
名称
型号
规格
数量
M1
交流电动机
Y132S-4
380V/0.6A/125W/2790r/min
1
M2
交流电动机
Y132S-4
380V/0.6A/125W/2790r/min
1
M3
交流电动机
Y132S-4
380V/0.6A/125W/2790r/min
1
QS
电源引入隔离开关
HZ15-9
380V/16A/三极/3万次,
1
SB
控制按钮
LA-15
5A/绿色按钮
1
FU1
熔断器
RC1-15
500V/2A
1
FU2
熔断器
RC1-15
500V/2A
1
FU3
熔断器
RC1-15
500V/2A
1
FU4
熔断器
RL1-15
380V/2A
1
FU5
熔断器
RL1-15
380V/2A
1
KM1
西门子交流接触器
3TF30-232
660V/21.3A/6000次
1
KM2、
西门子交流接触器
3TF30-232
660V/21.3A/6000次
1
KM3
西门子交流接触器
3TF30-232
660V/21.3A/6000次
1
KM4
西门子交流接触器
3TF30-232
660V/21.3A/6000次
1
SQ1
两常开两常闭行程开关
SHINOZAKI
380V/3A
1
SQ2
两常开两常闭行程开关
SHINOZAKI
380V/3A
1
FR1
过载保护继电器
JR36-160/2D
380V/160A
1
FR2
过载保护继电器
JR36-160/2D
380V/160A
1
FR3
过载保护继电器
JR36-160/2D
380V/160A
1
KT1
通电延时继电器
JS7-1A
380V/3A
1
KT2
通电延时继电器
JS7-1A
380V/3A
1
PE
保护地线
BVS型聚氯乙烯铜芯线
8A/外径4.6mm
/截面积0.4mm
2×3
6.2时间继电器
图6.1时间继电器外形
JS7-A系列空气式时间继电器适用于交流50HZ，电压至380V的电路中，通常被应用于半自动和自动控制系统中，按预定时间控制被控元件动作。
符合JB/T54302标准。
额定电压380V，约定发热电流3A.额定控制容量100VA。
继电器按其所具有延时和不延时的触头的组成分为下表的4种形式。
表6.2JS7-A系列时间继电器触头参数
型号
延时触头的数量
不延时触头的数量
重量Kg
线圈通电后延时
线圈断电后延时
动合
动断
JS7-1A
1
1
0.44
JS7-2A
1
1
1
1
0.46
JS7-3A
1
1
0.44
JS7-4A
1
1
1
1
0.46
6.3交流接触器
图6.2交流接触器结构示意图
3TF系列接触器具有安全性能好，导电部件不外露；体积小、重量轻，灭弧采用不饱和树脂，耐弧性好，不易碎裂；操作频率和控制容量高；3TF30-232系列外加辅助触头座；SIGUT-西门子专利端接法，接线方便，牢固，接触可靠性高，抗震性强，安全防护性好。
表6.2CDC-17型交流接触器的性能参数
名称
交流接触器
吸引线圈电压
380V
可通过最大电流
250A
型号
3TF4011-0X9A
可控三相电机功率
7.5KW
可断开最大电流
250A（660V）
数量
4只
额定电流
21.3A
电寿命/万次
15-20
主电路额定电压
380V
约定发热电流
25A
机械寿命/万次
6000
6.4热继电器
图6.3热继电器外形结构图
JR36系列双金属片热继电器适用于50HZ，电压380V，电流160A的电路中，用作交流电动机的过载保护。
带有断相保护装置的热继电器，能在三相电动机一相断线或三相严重不平衡的情况下起保护作用。
符合GB14048标准。
不带断相保护装置的热继电器符合表6.3规定，带断相保护装置的热继电器除符合表6.4规定外。
还符合表6.5规定。
表6.3不带断相保护装置的热继电器技术参数
项号
过流整定电流
动作时间
起始状态
任意二极
第三极
1
1.0
0.9
>2h
冷态开始
2
1.15
0
<2h
热态开始
表6.4带断相保护装置的热继电器技术参数
项号
三极整定电流倍数
动作时间
起始状态
1
1.05
>2h
冷态
2
1.2
<2h
从热态开始
3
1.5
<2min（Ie<83A）
<4min（Ie>83A）
从热态开始
4
7.2
2a4a从冷态开始
热继电器动的常闭及常开触头在表6.5的工作条件下能可靠断开与闭合1000次。
表6.5热继电器触头安全工作电压和电流
触头种类
常闭触头
常开触头
工作电压
DC220
AC380
DC220
AC380
约定发热电流Ith（A）
10
10
额定工作电流（A）
0.15
0.47
0.15
0.47
热继电器动作后的复位时间：
当调整为自动复位时，其自动复位时间不大于5min;当调整为手动复位时其手动复位的时间不大于2min。
6.5行程开关
图6.4SHINOZAKI两常开两常闭行程开关外形
SHINOZAKI两常开两常闭行程开关这种高性能、高品质、经济型的行程开关可以为生产厂家大大节省成本，而且其性能可以与德系产品相媲美。
填补了国内市场上的此领域的空缺，相信会逐步替代客户原使用的德系进口产品。
1、双回路型限动开关，用途广泛
2、具坚固之一铸造铝合金外壳
3、高机械强度
4、具耐油、防水和防尘结构
5、因装有设定位置指示板，故维护容易
6、引动器种类多，方便使用
7、用工作温度范围广（-5℃至+80℃），防护等级为IP65
8、机械寿命为1000万次以上,电气寿命为50万次以上
7电器元件布置图
电器元件布置图是为了满足电气控制设备的调试、使用和维修等要求。
在完成电气原理图的设计及电气元件的选择之后，即可以进行电器元件布置图的设计。
7.1电器元件布置图的绘制原则
在一个完整的自动控制系统中，由于各种电器元件所起的作用不同，各自安装的位置也不同。
因此，在进行电器元件布置图绘制之前应根据电器元件各自安装的位置划分各组件。
（根据生产机械的工作原理和控制要求，将控制系统划分为几个组成部分称为部件；根据电气设备的复杂程度，每一部分又可划分为若干组件。
）[4]同一组件内，电器元件的布置应满足以下原则：
（1）易发热的元件应布置在电器板的外围以利于散热和防止干扰其他元器件。
重要的元器件还应该加装防护等装置。
体积大和较重的元件应安装在电器板的下面。
（2）强点和弱电分开应注意弱电屏蔽，防止外界干扰。
（3）电器元件安装位置应利于维护、检修、调整。
（4）电器元件的布置应考虑安全性、实用性，并兼顾整齐、美观、对称。
结构和外形尺寸较类似的电器元件应安装在一起，以利于加工、安装、配线。
（5）各种电器元件的布置不宜过密，要有一定的间距以便于维护和检修。
7.2电器元件布置图的绘制
各种电器元件的位置确定之后，即可以进行电器元件布置图的绘制。
电器元件布置图根据电器元件的外形进行绘制，其中，每个电器元件的安装尺寸及其公差范围应严格按其产品手册标准进行标注，以作为安装底板加工依据，保证电器元件的顺利安装。
在电器元件的布置图中，还要根据本部件进出线的数量和采用导线的规格，选择进出线方式及适当的接线端子排或者接插件。
按一定顺序在电器元件布置图中标出进出线的接线号。
图7.1顺序电路模拟板电器元件布线图
8电气安装接线图的设计
电气安装接线图是根据电气原理图和电器元件布置图进行绘制的。
按照电器元件布置最合理、连接导线最经济等原则来安排。
为安装电气设备、电器元件的配线及电气故障的检修等提供依据。
8.1电气安装接线图的绘制原则
（1）在接线图中，各电器元件的相对位置应与实际安装的相对位置一致。
各电器元件按其实际外形尺寸以统一比例绘制。
（2）各电器元件上凡需接线的端子排应予以编号，而且电气原理图中的导线编号必须一致。
（3）在接线图中，所有电器元件的图形符号、各接线端子的编号和文字符号必须与原理图中的一致，且符合国家的有关规定。
（4）在接线图中应当标明配线穿管的接线标号。
（5）安装底板内外的电器元件之间的连线需通过接线端子排进行。
8.2电气安装接线图
图8.1顺序控制电路电气安装接线图
9顺序控制系统的安装
9.1安装与调试的基本要求
（1）所设计的电气线路必须满足顺序控制的要求。
（2）电气控制线路的动作应准确，动作顺序和安装位置要合理。
对电气控制线路既要求其电器元件的动作准确，又要求当个别电器元件或导线损坏时，不应破坏整个电气线路的工作顺序。
安装时，安装位置既要紧凑又要留有余地。
（3）为防止电气控制线路发生故障时对设备和人身造成伤害，电气控制线路各环节之间应具有必要的联锁和各种保护措施。
（4）电气控制线路要简单经济。
在保证电气控制线路工作安全、可靠的前提下，应尽量使控制线路简单，选用的电器元件要合理，容量要适当，尽可能减少电气元件的数量和型号，采用标准的电器元件；导线的截面积选择要合理，截面不宜过大等；布置要经济合理。
（5）维护和检修方便。
9.2检查电器元件
检查电器元件，在安装前，对使用的所有电气设备和电器元件逐个检查，这一环节是保证安装质量的前提，检查包含以下几个方面：
（1）根据电器元件连线图，检查各电器元件和电气设备是否短缺，规格是否符合设计要求。
若不符合要求，应更换或调整。
（2）检查各电器元件的外观是否损坏，各接线端子及紧固件有无缺短、生锈。
尤其是电器元件中的触点的质量。
（3）检查有延时作用的电器元件的功能能否保证。
（4）用兆欧表检查电器元件及电气设备的绝缘电阻是否符合要求，用万用表或电桥检查一些电器或电气设备（接触器、继电器、电动机）线圈的通短情况以及各操作机构和复位机构是否灵活。
（5）导线的选择根据电动机的额定功率、控制电路的电流容量、控制电路的子回路数量及配线来选择导线。
包含导线的类型、导线的绝缘、导线的截面积和导线的颜色。
9.3安装的准备工作
按产品说明书和电气接线图进行电器元件的安装，做到安全可靠，排列整齐。
电器元件可按下列步骤进行安装：
（1）电路模拟板的底板选材:
5～8mm的层压板。
（2）按安装规定排定电器元件的数量和大小、位置和安装接线图确定版面的尺寸。
（3）按照顺序电路模拟板电器元件布线图，在底板上确定元件的安装位置。
（4）导线的颜色表示：
动力电路的中性线和中间线采用蓝色；交流控制电路采用红色；直流控制线采用蓝色。
（5）导线的线号标志：
。
导线的线号标志必须与电器原理图和电气安装接线图相符合，且在每一根连接导线的接近端子处需套有标明该导线线号的套管。
而且导线的线号不能重复。
图9.1导线标示示意图
（6）控制电路模拟板的配线：
线槽配线时，线槽装线不要超过线槽容积的70%，以便安装和维修。
（7）防护装置：
由于控制箱一般处于条件恶劣的工业环境中，为防止灰尘和液体以及其他杂物的进入，需加装防护装置。
以提高使用的寿命和安全性。
9.4安全注意
本电路具有高电压、大电流在日常使用和维护中应小心谨慎。
应保持电路模拟板干燥，（雨水、湿气、各种液体或水分都可能含有矿物质，会腐蚀电子线路和各种元器件影响系统的安全性。
）注意地底绝缘，保持设备环境干燥。
不敲打或以其他方式粗暴地对待设备。
更换设备部件时严格按照准则。
只能使用配套的或经认可的。
在存放设备的地方应安装消防设施。
10结论
由于电气控制技术面向控制过程、面向用户，适应工业环境，操作方便、可靠性高、价格低廉，所以目前这种控制装置在工厂的自动控制中获得了广泛的应用。
在实际应用中，由于控制设备的负载大，系统复杂，工作现场环境恶劣，更有可能危及到工作人员的安全，为此提高电气控制系统的安全性十分必要。
我们要对顺序控制电路采取一些自锁和互锁的措施。
在本系统中，由于执行元件中交流接触器数量较多，动作的顺序有严格的要求。
为防止产生误动作，在交流接触器的线圈、常闭触头、常开触头中串入了保护电路并加装了异地现场双控功能。
实践证明，这种抗干扰的效果明显。
本系统还可以通过对时间继电器和行程开关的替换来实现对时序控制和空间位置量的控制，以完成不同的工作要求。
也可以通过不同的元器件来实现同一种功能。
通过分析和实践证明，以本顺序控制为模板可以进行时基控制系统和空间控制系统的开发和应用。
因此本设计具有模块化的特性，具有相当范围的通用性。
这也证明了基于各种继电器和位置开关控制的电气控制技术具有一定的通用性和模块化特性。
为我们在生产和制造过程中的电路改造工作提供了一些借鉴。
参考文献
[1]（日本）大滨庄司[著]关静[译]，电气控制线路入门[M].北京：
科学出版社，2005
[2]李火元．电力系统继电器保护与自动装置（第二版）
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