行车电气控制系统设计资料共28页.docx
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行车电气控制系统设计资料共28页
第1章绪论
1.1系统概述
电动专用行车是现代化生产中用于物料输送的重要设备，传统的控制方式下，大都采用人工操纵的半自动控制方式，在许多场合，为了提高工作效率，促进生产自动化和减轻劳动强度，往往需要实现电动行车的自动化控制，实现自动化控制，可以使行车能够按照预定顺序和控制要求，自动完成一系列的工作。
专用行车生产线自动化的程度在德国、意大利、美国等国家的发展水平已经较高，而在我国尚处于发展阶段。
而本文介绍的工厂电镀车间的电镀专用行车，分别利用继电器接触控制和PLC构成一套自动控制系统，实现对电镀专用行车的自动控制过程。
（1）本设计方案中的控制对象电机均由交流接触器完成开、停的控制，电动机需采用正、反向控制，正、反转之间具有互锁的功能，为了避免过多的使用接触器，互锁装置由PLC内部的软件完成。
（2）为了精确的对各个行动部件（大车，小车）进行定位，采用行程开关和接近开关对其进行定位的设计，选用的开关在现场进行安装，在选型和安装硬件以及编程时应考虑抗干扰性能。
选用的开关由于要进行反复的使用和承受高强度的负荷，选用开关时还要考虑其耐磨损性。
（3）导轨上的驱动电机，其内部设有过载保护开关，一般为常闭型触点。
作为电机的过载保护信号，在设计PLC的控制电路时应考虑该信号的逻辑关系。
（4）对于电镀车间小型行车系统而言，电镀环节是整个工序成败的关键，而进行电镀的镀槽定位的信号是由装在电镀现场的行程开关录入的，所以行程开关的工作状况，即行程开关在工作时的好坏对生产有极大的影响。
而行程开关一般为无源电器元件，其动作为重复性的机械动作，磨损和受压的次数最多，因而是整个工作的电气元件中最容易出现故障的装置。
所以在自动程序开始之前，先要对行程开关进行检测，进行检测时，是用检测电机（小功率）驱动一个检测小车对行程开关进行通/断的测试。
（5）起吊电机（M1）、横行电机（M2）、走行电机（M3）、检测用电机（M4）。
分别采用热继电器实现过载保护，其热继电器的常开触点用过中间继电器KA的转换后，作为PLC的输入触点，用以完成各个电机系统的过载保护。
（6）主回路选用自动开关，各负载和控制回路以及PLC控制回路采用熔断器实现短路的保护。
（7）电气控制箱设置在控制控制室内。
控制面板与控制箱内的电器板选用BVR型铜导线连接，电气控制箱与执行装置之间采用接线端子板连接。
（8）设计方案中选用的PLC为继电器输出型。
（9）PLC本身配有24＋V的直流电源，该接线端可为输入传感器提供直流24V电源。
PLC的接地线与机器的接地端相连，基本单元必须接地。
为了抑止附加在电源设及输入端的干扰，应给PLC接以专用地线，接地点应与动力设备（电动机）的接地点分开，接地电阻应该小于100Ω，接地线面积应大于2mm2，而且接地点应该尽可能靠近可编程控制器。
（10）PLC控制程序，均采用梯形图编程（LD）。
1.1.1PLC系统
可编程控制器（PLC）是一种数字型的电子系统，即为计算机产品，它为在工业环境下应用而设计，即为工业计算机。
这种工业计算机与传统用于工业控制的继电器相比具有独一无二的特性[1]。
（1）高可靠性：
PLC在软硬、件的设计上采用了一系列的抗干扰措施，使目前其他任何一种工业控制设备都无法达到这样的可靠性。
（2）编程方便，易于学用：
它采用与实际继电器控制电路非常接近的梯形图方式编程，广大电气技术人员非常熟悉，易于掌握，易于推广。
（3）通用性强：
PLC用程序代替了接线，改变接线只要改变程序，因而柔性大。
（4）体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品。
第2章方案论证
PLC与继电器控制系统的比较
1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备
6）功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。
与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。
可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。
7）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。
而继电器对生产工艺变化的适应性差，需要进行重新设计与接线。
楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
PLC控制系统是从继电器控制系统发展而来的，继电器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，目前仍然在工业领域中大量应用。
然而就其控制性能与自身的功能已无法满足现代工业控制的要求和发展，下面就用继电器控制和PLC控制系统来完成专用行车的设计。
第3章
系统硬件电路设计
专用行车装置的主要控制及原理
2.3.1电机的正反转控制
本设计中，要求电机根据指令改变运动方向，即保证行车能够前/后、上/下、左/右移动，实际上也就是要求电动机能够实现正反转。
由三相异步电动机转动原理[23]可知，若要电机逆向运行，只要将接于电动机定子的三相电源线中的任意两相对调一下即可，可通过两个接触器来改变电动机定子绕组的电源相序来实现[9]。
电机的正反转控制线路如图3.11所示。
其中接触器KM1为正向接触器，控制电机的正转；KM2为反向接触器，控制电机M的反转。
图2.3.1电机的正反转控制
该正反转控制原理为:
正转:
合上刀开关→按下复合开关SB3→反转线路断开,线圈KM1通电→KM1常开开关吸合,常闭开关打开→电机正转；
反转:
合上刀开关→按下复合开关SB2→正转线路断开,线圈KM2通电→KM2常开开关吸合,常闭开关打开→电机反转；
停止:
直接按下SB1，线路断开。
该控制线路必须要求KM1和KM2不能同时通电，否则会引起主电路电源短路，所以要求电路设置必要的联锁环节，即将其中一个接触器的常闭触头串入另一个接触器线圈电路中，则任何一个接触器先通电后，即使按下相反方向的启动按钮，另一个接触器也无法接通，这种利用两个接触器的辅助常闭触头实现相互控制的方式成为电气联锁。
起互锁作用的常闭触头称为互锁触头。
为提高生产效率，简便正反操作，常利用复合按钮组成“正—反—停”或“反—正—停”的互锁控制。
复合按钮的常闭触头同样起到互锁作用，这样的互锁称为机械互锁[10-11]。
该电路既有接触器常闭触头的电气互锁又有复合按钮常闭触头的机械互锁，即具有双重互锁。
2.3.2能耗制动的控制
耗制动是电气制动，三相异步电动机能耗制动时，切断定子绕组的交流电源后，在定子绕组任意两相通入直流电流，形成一个固定磁场，与旋转着的转子中的感应电流相互作用产生制动力矩。
制动结束后，必须及时切除直流电源[12]。
能耗制动示意图如图2.3.2所示。
3继电接触控制设计
3.1专用行车主控制电路设计
1、由接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5和KM6分别控制电动机M1、M2、M3的正反转；
2、M2、M3由热继电器FR1、FR2实现过载保护，M1为点动短时工作，故不设过载保护；
3、FU1实现短路保护，并由隔离开关QS作为电源控制；
4、为保证准确定位，并考虑到进退与升降运动由同一信号电动机拖动，且不会同时工作（联锁）。
所以停车时，可采用同一个直流电源实现能耗制动。
直流电源可采用低压交流电源经单相桥式整流得到。
能耗制动回路中设有单独的短路保护，由FU2、FU4实现；
5、考虑到升降运动中吊有一定的重量，在行车平移中，需设置电磁抱闸制动控制。
三相电磁铁YA与M3并联，当M3得电时，YA工作，松开刹车允许升降运动。
M3失电时，YA释放，抱闸刹车，使吊篮稳定停留在空中，能安全的前后平移。
[15-16]。
主控制电路如图3.1
M1正转左移，反转右移，采用点动控制，两地操作（控制操作台或现场操作）。
在吊篮进退与升降运动中，不允许左右移动，故串联KA1～KA4常闭触点，以实现联锁。
左右极限位保护，由固定于左右两端的限位开关SQ6、SQ7实现。
2）根据电镀工艺要求，行车前进运动与升降运动为自动控制，其控制过程是：
按下SB11（见图），KM3及KA1吸合，行车前进，当运行到需要停留的槽位，例如到1槽清洗，由运动挡铁压下固定于道轨一侧的行程开关SQ1，SQ1常闭触点串在M2控制回路中。
使KM3、KA1失电，M2停止旋转，同时由KA1常闭及SQ1常开触点接通前进制动回路。
KM7、KT1得电，使M2制动行车准确停在1槽。
制动时间由KT1调定，停留时间由KT4调定。
若工艺要求1槽无需停留，则可扳动开关SA1，使其常开触点闭合，常闭触点打开，则行车继续前进。
在M2制动的同时，由KM7常开触点接通KM6与KA4，使M3的正转，吊篮下降，至下限位，限位开关SQ11受压，使KM6失电。
同时SQ11常开触点接通下降制动回路，而使其迅速停车。
零件在槽内停留时间由时间继电器KT4自动控制，由KT4延时闭合触点接通KM5，KA3，使M3反转，吊篮上升。
到上极限位压下限位开关SQ10，使M3停转。
同时SQ10常开触点接通上升制动回路，KM8和KT2得电，在制动的同时，由KM8常开触点接通行车前进控制回路。
如此循环，直至按工艺要求完成零件的过程，行车到达绺，压SQ8自动停止前进，同时由SQ8常开触点接通KM4、KA2使行车自动回到原位。
进退与升降之间，由KA1、KA2及KA3、KA4常闭触点串于对方控制回路，实现联锁。
过载保护由FR1、FR2常闭触点串在M2、M3各自的控制回路中实现。
3）根据控制要求，KM3～KM6的副触点数量不够，因而采用KA1～KA4中间继电器办法来解决。
4）因设备调整需要，进退及升降控制应有连续运转控制，也有点动控制。
5）由FU5对控制电路进行短路保护。
6）为节省控制变压器，控制电压直接采用电网电压。
根据上述要求便可设计出如图3.2所示的控制电路。
3.3辅助电路设计
根据设计要求，设计出图3.3所示的辅助电路。
HL0为电源指示，HL1～HL10为行车运行状态显示。
3.4主要参数计算
a.FU1熔体额定电流
IRN≥7IN/2·5=7*1·99/2·5A=5·6A
故选用IRN=6A,其余熔体额定电流选用2A。
b.能耗制动参数计算
制动电流ID=1·5IN=3A
直流电压UD=IDR=30V（R为定子两相电阻,可查电工手册得知）
整流变压器二次侧交流电流I2=3/0.9A=3·33A
整流变压器二次侧交流电压U2=30/0.9V=33·3V
整流变压器容量S=I2U2=100VA[18]
3.5选择电器元件表3.5元器件目录表
序号
代号
名称
数量
规格型号
备注
1
M1—M3
电动机
3
JO2-12-4
2
FR1、FR2
热继电器
2
JR10-20/3
整定值2A
3
YA
三相制动电磁铁
1
JC2～380V
4
FU1、FU2、FU4、FU5
熔断器
4
RL1-15
FU1熔体额定电流6A,其余2A
5
FU3
熔断器
1
BHC型
熔点2A
6
VC
整流器
1
QL5A,100V
7
TC
变压器
1
BK-100
8
QS
电源开关
1
HZ10-10/3
9
SB1～SB8
点动按钮
8
LA19-11
10
SB9～SB10
停止按钮
2
LA19-11D
红色指示灯6.3V
11
SB10～SB14
起动按钮
4
LA19-11D
绿色指示灯6.3V
12
KM1～KM9
接触器
9
CJ10-1010A/380
线圈额定电压为220V
13
SQ1～SQ5
行程开关
5
LXK2-131
14
SQ6～SQ11
限位开关
6
JLXK1-411
15
SA1～SA5
转换开关
5
HZ10-10/13型
16
HL0～HL5
指示灯
6
XD1
6.3V,0.05A
17
KA1～KA4
中间继电器
4
JZ7-44,380V
18
KT1～KT3
时间继电器
3
JS7-2A.380V
19
KT4～KT8
时间继电器
5
JS11-5,38OV
3.5.1元件简介
三相异步电机
定义：
三相异步电机（Triple-phaseasynchronousmotor）是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。
工作原理：
用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。
短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。
通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。
特点：
优点：
与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。
缺点：
功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。
行程开关
行程开关就是一种由物体的位移来决定电路通断的开关，行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。
当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。
由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。
热继电器
热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。
继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。
热继电器的主要技术参数
额定电压：
热继电器能够正常工作的最高的电压值，一般为交流220V，380V，600V。
额定电流：
热继电器的额定电流主要是指通过热继电器的电流
额定频率：
一般而言，其额定频率按照45~62HZ设计。
整定电流范围：
整定电流的范围有本身的特性来决定。
它描述的是在一定的电流条件下热继电器的动作时间和电流的平方成正比。
如何选用热继电器
热继电器主要用于保护电动机的过载，因此选用时必须了解电动机的情况，如工作环境、启动电流、负载性质、工作制、允许过载能力等。
1、原则上应使热继电器的安秒特性尽可能接近甚至重合电动机的过载特性，或者在电动机的过载特性之下，同时在电动机短时过载和启动的瞬间，热继电器应不受影响（不动作）。
2、当热继电器用于保护长期工作制或间断长期工作制的电动机时，一般按电动机的额定电流来选用。
例如，热继电器的整定值可等于0.95~1.05倍的电动机的额定电流，或者取热继电器整定电流的中值等于电动机的额定电流，然后进行调整。
3、当热继电器用于保护反复短时工作制的电动机时，热继电器仅有一定范围的适应性。
如果短时间内操作次数很多，就要选用带速饱和电流互感器的热继电器。
4、对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用埋人电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。
熔断器
熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。
熔断器是一种过电流保护电器。
熔断器主要由熔体和熔管两个部分及外加填料等组成。
使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，起到保护的作用。
以金属导体作为熔体而分断电路的电器。
串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。
具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。
因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。
熔断器主要由熔体、外壳和支座3部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。
熔断器广泛应用于电网保护和用电设备保护，当电网或用电设备发生短路故障或过载时，可自动切断电路，避免电器设备损坏，防止事故蔓延。
熔断器由绝缘底座（或支持件）、触头、熔体等组成，熔体是熔断器的主要工作部分，熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线，当电路发生短路或过载时，电流过大，熔体因过热而熔化，从而切断电路。
熔体常做成丝状、栅状或片状。
熔体材料具有相对熔点低、特性稳定、易于熔断的特点。
一般采用铅锡合金、镀银铜片、锌、银等金属。
在熔体熔断切断电路的过程中会产生电弧，为了安全有效地熄灭电弧，一般均将熔体安装在熔断器壳体内，采取措施，快速熄灭电弧。
熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在低压系统中广泛被应用。
熔体额定电流的选择：
由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。
还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。
熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。
电动机：
①单台直接起动电动机熔体额定电流＝（1.5～2.5）×电动机额定电流。
②多台直接起动电动机总保护熔体额定电流＝（1.5～2.5）×各台电动机电流之和。
③降压起动电动机熔体额定电流＝（1.5～2）×电动机额定电流。
④绕线式电动机熔体额定电流＝（1.2～1.5）×电动机额定电流。
按钮开关
按钮开关是旧标准用术语，新标准（GB2900·18）中简称为按钮。
按钮开关是用来切断和接通控制电路的低压开关电器。
按钮开关的触头的额定电流为5A。
所以，操作按钮开关所控制的电路属于小电流电路。
按钮有单极双位开关或双极双位开关，它按动能与用途又分为起动按钮、复位按钮、检查按钮、控制按钮、限位按钮等多种。
按钮有动合（常开）和动断（常闭）之分。
3.6设计工艺图样
按设计要求设计电气总线图、电器板电器元件布置图。
1）首先要根据控制要求和电气设备的结构，确定电器元件。
在本设计中，电器箱外部，分布于生产线上的电器元件有时机、制动电磁铁、限位形状等。
电器板上应安装的电器元件有熔断器、接触器、中间继电器热继电器、变压器、整流堆等。
控制面板上安装的电子元件有电源开、控制按钮、程序选择形状、指示灯等，其他器如时间继电器等安装在电气箱后下部位（开后门调节较方便）
2）分别对原理线路图的主电路及控制电路进行编号。
3）根据电器元件的分布与原理图编号，绘制电气设备的安装接线图，如图所示。
图中应标明各电气部分的连接线号及连接方式、安装直线方式、导线及安装要求等。
4）根据操作方便、美观、均匀、对称等原则，绘制电器元件布置图，所示。
进出线采用接线端子板过桥。
5）根据电器元件布置图及电器元件的外形尺寸、安装尺寸（由产品手册给出），绘制电器板（胶木板或镀锌铁板）、控制面板（有机玻璃板或铝板）、垫板（保证一定强度，一般采用胶木板或镀锌铁板）等零件加工图样。
图中应标明外形尺寸、安装也及定位尺寸与公差、板的材料与厚度以及加工技术要求。
6）根据电器安装板及控制面板尺寸设计电器箱外形草图，经过修改按钣金加工要求绘制电气箱加工图。
第4章
系统程序设计
PLC设计
4.1PLC的I/O地址分配
根据要求实现的系统的功能，PLC地址分配如表4.3。
根据PLC的I/O端子分配可得PLC外部接线。
如图4.3所示
输入元件代号
输入地址
功能定义
输出元件代号
输出地址
功能定义
SB1
X001
左移点动调整按钮
SA3
X013
第3槽槽位选择开关
SB2
X002
右移点动调整按钮
SA4
X014
第4槽槽位选择开关
SB3
X003
前进点动调整按钮
SA5
X015
第5槽槽位选择开关
SB4
X004
后退点动调整按钮
KM1
Y001
左移控制交流接触器
SB5
X005
上升点动调整按钮
KM2
Y002
右移控制交流接触器
SB6
X006
下降点动调整按钮
KM3
Y003
前进控制交流接触器
SB7
X000
紧急停止按钮
KM4
Y004
后退控制交流接触器
FR1
X016
FR1热继电器常闭触点
KM5
Y005
上升控制交流接触器
FR2
X017
FR2热继电器常闭触点
KM6
Y006
下降控制交流接触器
SB10
X010
前进起动按钮
KM7
Y007
前进制动交流接触器
SQ1
X021
第1槽槽位
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