基于模塊化設計的電氣控制設計技巧分析

柳燕飛

山東科技職業學院，山東濰坊，261053

0 引言

電氣控制方式通常有繼電器控制、PLC控制及單片機控制等[1]。其中繼電器控制的優點是方便直觀，是電氣控制設計的基礎，但是往往由于繼電器控制方式的電氣原理圖設計過程復雜繁瑣，使廣大初學者望而卻步，如果巧妙理解和運用了設計過程中的一些技巧，電氣控制設計就會清晰明了。

1 電氣控制系統分析

以C650型臥式車床電氣控制系統為例，總體研究繼電器控制設計的過程。普通車床的功能主要是進行車削、鉆孔、鏜孔、倒角、割槽和切斷等工作。C650型臥式車床結構如圖1所示。

為了完成車床的這些基本功能，電氣控制部分采用三臺電動機來實現：電動機M1，完成主軸運動和刀具進給運動的驅動[2]，M1是車床的主要工作電機，通過控制電動機M1的運動來實現刀具工作，通過更換不同刀具即可完成相應的車削、鉆孔、鏜孔、倒角、割槽和切斷等任務，電動機M1采用直接起動的方式起動，可正、反兩個方向旋轉，并且為了準確快速定位，正、反兩旋轉方向都加以反接制動。為了加工調整方便，還需要具有點動功能。電動機M2是冷卻泵，在工件加工時實施冷卻[3]，電動機M2采用單方向的連續運行控制即可。電動機M3實現刀架的快速移動，選用大功率電動機，要求根據需要隨時手動控制起停，這里采用點動控制較好。

C650普通車床控制電路如圖2所示。

主電路分析：交流接觸器KM1與KM2分別實現電動機M1的正轉和反轉，KM4實現電動機M2的連續運轉控制，KM5實現電動機M3的點動控制，并且電動機M1、M2帶有短路保護、過載保護和限流保護，電動機M3帶有短路保護。

控制電路分析：按鈕SB1是電動機M1的停止按鈕，SB3控制電動機M1正向啟動，SB4控制電動機M1的反向啟動，按鈕SB2控制電動機M1的點動運行，點動運行是正轉方向的，按下停止按鈕后，電動機進行反接制動，通過速度繼電器KV控制制動停止[4]。

按鈕SB5是電動機M2的停止按鈕，SB6是電動機M2的啟動按鈕。

行程開關SQ是控制電動機M3點動運行的控制部件，是通過刀架的快速移動來實現的，當刀架快速移動操作手柄壓合行程開關SQ時，給接觸器KM5線圈送電，電動機M3啟動，操作手柄離開行程開關，則電動機M3停止運行。

2 設計技巧

2.1 安全保護

電氣設計過程中首先要設置安全保護。短路保護使用熔斷器實現，凡是能形成通電回路的都需要設置，包括主電路和控制電路，比如C650車床電氣系統設計中三個電動機主電路、啟動指示燈回路以及控制回路都使用了熔斷器來實現短路保護。過載保護使用熱繼電器實現，對于有負載且負載會長時間運行的電路，一般需要設置過載保護，防止負載過載運行而燒毀，比如C650車床電氣系統中電動機M1、M2主電路就采用熱繼電器實現了過載保護。根據電路運行的情況還可以添加相應可能較容易出現危險的情況進行保護，比如主電路的設計過程中，接觸器KM3的作用是控制限流電阻R的接入和切除[2]。R為限流電阻，防止在點動時連續的啟動電流造成電動機的過載，另一作用是電動機M1反接制動時可以減少制動電流。這些特定情況需要在實際設計中不斷地進行經驗積累。另外，為了精密電子儀器的正常運行還可以進行欠電壓保護，為了防止人身觸電還應設置漏電保護。總之，設計電氣控制原理圖時，首先要保證設備和操作人員的安全。

2.2 模塊化設計

電氣控制設計過程中一定要采用模塊化設計思路，首先熟練掌握電氣控制設計的基本方式，針對一個復雜系統的電氣設計，首先分析其功能組成，分模塊完成各功能設計，常見的電氣控制方式有點動控制、連續控制和正反轉控制等，熟練掌握這些基本的設計模塊，然后根據功能要求在基本模塊基礎上進行添加、修改及結合，設計過程就會大大簡化。

如圖3反接制動控制電路所示，交流接觸器KM1的線圈控制回路是正轉連續運行控制模塊，交流接觸器KM2的線圈控制回路是反轉連續運行控制模塊，兩者控制模塊完全相同，不同在于主回路兩交流接觸器相序相反，兩模塊的組合是當按下停止按鈕SB2時，電動機從正轉變為反轉從而短時強制動，所以在這里停止按鈕SB2也是交流接觸器KM2線圈通電的啟動按鈕，并且正反轉兩交流接觸器不能同時通電，否則會發生主電路短路，需要進行互鎖設置，這是正反轉模塊的內容，總體看也符合正反轉控制模塊的設計思路。因為此控制原理圖中反向運轉為制動作用，所以何時停止尤為重要，如果過早制動不完全，過晚又會造成制動過量出現反轉現象，因此反轉控制回路中再加入速度繼電器來控制反轉何時停止。速度繼電器的添加原則參考2.3小節起停串并聯控制。

其實，為了設計過程中模塊化的迅速實現，使用相對較多的調速控制、降壓啟動控制和制動控制等也可以作為控制模塊進行直接調用、依據實際情況進行修改使用。

再看C650車床電氣控制中，電動機M1要求既可以正反轉運轉，又需要停止的時候進行反接制動，這跟剛才分析的制動控制有所不同，基本模塊可以采用正反轉控制模塊，但是制動過程因為已經存在正反轉控制電路，所以直接添加停止按鈕時的反向制動切換即可，因為既有啟動正反轉又存在停止時的正反轉制動，所以引入了中間繼電器來實現停止制動，電動機M1還需要有點動的功能，這里把點動控制與正反轉控制以及反接制動三個模塊相結合。

電動機M3的控制是在點動控制的基礎上對點動控制按鈕稍作改動，電動機M2更是直接采用連續運行控制基本控制模塊即可完成相應功能。采用模塊化設計思路，電氣控制圖可靠性大大提高，設計難度也大大降低。

2.3 起停串并聯設計

起停串并聯設計是在模塊化設計基礎上進行的補充設計，在完成基本模塊設計過程中，一般情況下，啟動控制是將常開觸點并聯到啟動支路中，停止控制是將常閉觸點串聯到控制回路中，啟動條件好比我們說的“或”邏輯，只要滿足任何一個條件都可以發生啟動，所以使用并聯，而停止條件好比我們說的“與”邏輯，一定有任何一個停止控制發生，電動機必須不再工作，所以要采用串聯。

像圖3反接制動控制電路中速度繼電器的常開觸點是交流接觸器KM2線圈斷電的停止條件，因此就串聯在電路中。

再看C650車床控制電路中M1控制電氣原理圖，如圖4中，電動機M1的點動控制的啟動按鈕SB2是啟動控制，與正反轉啟動控制按鈕SB3、SB4都是使電動機M1啟動工作的控制按鈕，按下任何一個啟動按鈕電動機M1都應該開始轉動，因此三者是并聯的關系，而點動控制不能存在自鎖條件，所以SB2并聯是把整個正反轉控制的啟動支路及保持支路即SB3和KA都包含。KM2和KM1的常閉觸點是防止正反轉切換時，兩交流接觸器同時閉合造成主電路的短路，因而設置的互鎖控制，KM2常閉觸點是電動機M1反轉時保證正轉不會啟動，也就是正轉的停止控制，因此是串聯進正轉控制電路中的。再比如熱繼電器是過載時應該使整個電路停止工作，也就是FR的常閉觸點是整個電動機M1控制回路的停止控制，因此FR是串聯在整個電動機M1控制回路的主干上的。

但如果是作為控制的必要條件的話，則啟動的條件是串聯在孔子電路中的，而停止的條件是并聯在電路中的。這個要跟上面所述情況區分清楚。在這里如果電動機要發生啟動就必須保證這個條件存在，所以必須保證這個條件是發生啟動的“與”邏輯，也就是這個啟動條件沒有滿足，那么電動機就啟動不了，所以應該串聯進電路中，同樣停止的條件意味著電動機要停止必須是這個停止的條件已經被破壞掉了，否則電動機仍然可以通過這個條件維持運轉，所以這里的條件相當于“或”邏輯，應該使用并聯方式。例如：如圖5順序啟停控制電路中，電動機M1先啟動，電動機M2才可以啟動，即電動機M1啟動是電動機M2啟動的條件，在控制電路中，控制電動機M1啟動的交流接觸器KM1的常開觸點是交流接觸器KM2線圈通電的條件，因此KM1的常開觸點串聯在了KM2的線圈得電的控制回路中，而停止時必須電動機M2先停止運轉，電動機M1才能停止運轉，即控制電動機M2運轉的交流接觸器KM2的線圈失電應該是控制電動機M1工作的KM1線圈失電的條件，KM2線圈失電輔助觸電上的表現是KM2常開觸地斷開，所以把KM2的常開觸點并聯在KM1的停止電路上作為KM2線圈停止是KM1線圈停止的條件[5]。

2.4 最簡化設計

電氣控制設計過程中，在完成既定任務的前提下，電氣元件使用越少越好，線路越簡單越好，首先電氣元件越少成本越低，安裝實現起來越容易，故障率也越低，當然這一切首先是以保障功能完全實現且線路安全的前提下，比如主電路中，電動機M3是短時工作，不存在過載的情況，這里就優化了FR，不設過載保護。

3 結語

本文以C650臥式車床的電氣控制原理圖設計分析，闡述了電氣控制設計過程中的使用技巧，包含安全保護、模塊化設計、起停串并聯設計和最簡化設計。要實現要求功能電氣控制的設計實現方法多種多樣，只要能夠完成既定功能且保障設備及人身安全的設計都是可取的，如何快速經濟地完成設計目標就需要在工作中注意多積累多思考，合理靈活地使用文中闡述的方法將大大提高設計者的效率和電氣原理圖的可靠性。