電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)技巧探討

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 李 明

電氣控制技術(shù)是應(yīng)用十分廣泛，包括單片機(jī)控制、計(jì)算機(jī)控制、PLC、人工智能等多種形式。由于這是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，要想較好的完成此類工作，就需要豐富的理論基礎(chǔ)支持，另外電氣控制也通常面向設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，故此經(jīng)驗(yàn)也起著至關(guān)重要的作用。掌握電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)技巧對(duì)設(shè)計(jì)人員具有重要意義，同時(shí)在行業(yè)發(fā)展過(guò)程中也要加強(qiáng)對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探究，通過(guò)分析研究電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化內(nèi)部性能。

目前電氣控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電氣工程中，通過(guò)對(duì)繼電保護(hù)的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，加強(qiáng)其安全性以及實(shí)用性，使電氣工程中的電氣控制系統(tǒng)在日常工作中效率得到提升，以此來(lái)保證電力行業(yè)可以更快發(fā)展，從而提升城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。

1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括電氣控制系統(tǒng)制造、使用和維護(hù)所需的各種數(shù)據(jù)和圖紙，包括電氣接線圖、電氣原理圖、電氣安裝圖、部件清單、設(shè)備使用說(shuō)明書、維護(hù)說(shuō)明書等重要圖紙及其他重要資料。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很多環(huán)節(jié)，其中對(duì)總體設(shè)計(jì)有顯著影響的環(huán)節(jié)包括控制方案的確定、電機(jī)容量的選擇和電氣控制電路的設(shè)計(jì)。

1.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)要相互協(xié)調(diào)

機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電氣控制是一種互相約束的關(guān)系：某一特定情況下各零件的尺寸是影響其運(yùn)轉(zhuǎn)的主要因素，零件的品質(zhì)對(duì)整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行有很大的作用。這兩樣?xùn)|西都是必須的。在使用機(jī)電一體化控制的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)控制要求、工藝要求和工藝過(guò)程來(lái)決定機(jī)電的相互聯(lián)系；針對(duì)不同的生產(chǎn)設(shè)備和制造技術(shù)，對(duì)電力控制的需求也越來(lái)越大。電力控制是一個(gè)生產(chǎn)廠家的關(guān)鍵設(shè)備，它的好壞影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和成本，也是一家公司的一個(gè)重要指標(biāo)。為確保生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程的安全，必須對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

1.2.2 提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，選擇PLC 為控制器、HMI 接口，并完成了相關(guān)的軟體和軟體的設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。在滿足控制需求的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整，達(dá)到指標(biāo)高、質(zhì)量高、速度快的自動(dòng)操作；確保控制系統(tǒng)安全高效地工作[1]。

2 電氣控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容與一般流程

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括原理設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩部分。以電氣傳動(dòng)控制設(shè)備為例，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

2.1 電氣控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：制定電子電路的設(shè)計(jì)計(jì)劃；選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)；畫出電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)指標(biāo)；選取適當(dāng)?shù)碾娮咏M件并設(shè)定組件清單；確認(rèn)線路的連接情況；畫出線路方塊圖；裝置的裝配和調(diào)試；對(duì)電器的操作進(jìn)行確認(rèn)；做好保安工作；對(duì)所使用的儀器進(jìn)行常規(guī)的檢驗(yàn)和維護(hù)；編寫圖紙和計(jì)算。在設(shè)計(jì)過(guò)程中電路板是關(guān)鍵的一步，是進(jìn)行過(guò)程的必要技術(shù)數(shù)據(jù)。

電氣控制系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：工藝設(shè)計(jì)主要是為了便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，以實(shí)現(xiàn)原理設(shè)計(jì)中提出的技術(shù)指標(biāo)，并為設(shè)備的調(diào)試、維護(hù)和使用提供相關(guān)圖紙，主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)總安裝圖、電氣總布置圖、總接線圖；設(shè)計(jì)部件布置圖、安裝圖和接線圖；設(shè)計(jì)電氣箱、控制臺(tái)和非標(biāo)準(zhǔn)部件；列出組件；準(zhǔn)備操作和維護(hù)說(shuō)明。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般流程

2.2.1 擬定電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案不僅是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是設(shè)備竣工驗(yàn)收的依據(jù)。設(shè)計(jì)任務(wù)的制定一般由技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)部門、設(shè)備使用部門和任務(wù)設(shè)計(jì)部門來(lái)完成：設(shè)備名稱、功能、整體結(jié)構(gòu)、操作要求及工藝介紹；電氣驅(qū)動(dòng)方式以及自身控制要求等；聯(lián)鎖及保護(hù)要求；設(shè)備驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；其他需求。

2.2.2 落實(shí)電力拖動(dòng)方案

電力拖動(dòng)方案是指根據(jù)加工精度、生產(chǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，加工效率要求、確定電機(jī)的型號(hào)、傳動(dòng)方式，數(shù)量、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行、制定電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等控制要求，運(yùn)動(dòng)要求、運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量、負(fù)載性質(zhì)、調(diào)速要求和投資。電力拖動(dòng)方案的確定應(yīng)從以下層面考慮。

2.2.2.1 拖動(dòng)方式的選擇

有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)和集中驅(qū)動(dòng)兩種。多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力牽引，可減小機(jī)械式的傳動(dòng)鏈條、增加傳動(dòng)效能，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)已達(dá)到自動(dòng)操作，在國(guó)內(nèi)有著很好的應(yīng)用前景。在特定的選擇中，根據(jù)技術(shù)和構(gòu)造來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的數(shù)目；選擇調(diào)速方案。在大型、重型設(shè)備的主動(dòng)送料時(shí)，盡量使用無(wú)級(jí)變速控制，有利于簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的構(gòu)造、節(jié)約生產(chǎn)費(fèi)用。一般、微型的若無(wú)特別需求，可選用經(jīng)濟(jì)便利的三相籠式高效電機(jī)[2]。

2.2.2.2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能要匹配負(fù)載特性

對(duì)于恒定負(fù)荷，選用電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)方式，使之適應(yīng)于生產(chǎn)設(shè)備的負(fù)荷特點(diǎn)，使之得到全面、合理的使用。在滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)應(yīng)該選用結(jié)構(gòu)較小、造價(jià)較低的產(chǎn)品；三相交流異步電動(dòng)機(jī)方便操作和維護(hù)，電機(jī)的選配應(yīng)根據(jù)電機(jī)的選用而定；電機(jī)容量計(jì)算一種是解析計(jì)算法、一種是統(tǒng)計(jì)類比法。分析計(jì)算方法是根據(jù)機(jī)械功率估算電機(jī)的工況預(yù)選電機(jī)，然后根據(jù)電機(jī)的實(shí)際負(fù)載情況制作負(fù)載圖，根據(jù)負(fù)載圖檢查溫升，確定預(yù)選電機(jī)是否合適。如果沒(méi)有則重新選擇，直到電機(jī)合適為止。在相對(duì)簡(jiǎn)單、無(wú)特殊要求、生產(chǎn)量小的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用統(tǒng)計(jì)類比法或工程估算法選擇電機(jī)容量。一般選擇容量稍大一些的等級(jí)并保留一定的余量，避免異常情況下電機(jī)過(guò)載。

2.2.2.3 選擇控制模式

該系統(tǒng)的控制模式應(yīng)與牽引計(jì)劃的控制需求相一致。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)條件，決定了其控制模式。控制模式和裝置的種類有很大關(guān)系，采用的方法也會(huì)有很大的差別。所以選擇合適的、合理的控制方法是確保產(chǎn)品的品質(zhì)的關(guān)鍵。在電子技術(shù)發(fā)展的今天，機(jī)械電子驅(qū)動(dòng)從傳統(tǒng)的繼電器-觸點(diǎn)控制逐漸發(fā)展為CNC 控制、PLC 控制和微機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制，不同的控制方法具有各自的特性、使用情況和技術(shù)需求；繪制電子電路電路板和各個(gè)部件的主要部件的型號(hào)和數(shù)目，并提供相關(guān)的設(shè)備；電力裝置的圖紙；編制一份產(chǎn)品的設(shè)計(jì)手冊(cè)和操作指南。

3 電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

電氣控制技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)小型電氣控制設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)械的控制，確保生產(chǎn)工作的集中、高效和穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素有：目標(biāo)生產(chǎn)過(guò)程的安全性、穩(wěn)定性和質(zhì)量要求；各單位之間靈活密切的合作；緊急停電等突發(fā)故障的控制措施；遠(yuǎn)程、無(wú)線穩(wěn)定控制等。在此工作需求下電氣控制設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)如下。

3.1.1 積累豐富的工作經(jīng)驗(yàn)

車間生產(chǎn)的電氣控制設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的軟件邏輯設(shè)計(jì)，它的應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，需考慮很多因素。然而在設(shè)計(jì)過(guò)程中易出現(xiàn)針對(duì)性不足的情況，這不能保證電氣控制設(shè)計(jì)能完美地適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境。同時(shí)電氣控制系統(tǒng)涉及面積較廣、設(shè)備較多，對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，電力系統(tǒng)中各設(shè)備裝置間也有著較為密切的聯(lián)系，如某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題就可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性的影響，從而對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)在生產(chǎn)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大故障因素。因此較多企業(yè)在電力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置繼電的保護(hù)裝置，可利用繼電保護(hù)裝置對(duì)其實(shí)時(shí)進(jìn)行保護(hù)，避免在電力使用過(guò)程中出現(xiàn)安全事故，有效降低事故發(fā)生后的影響。

3.1.2 綜合度高

電力工程中的繼電保護(hù)設(shè)備，是利用傳感器對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理。在此基礎(chǔ)上根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)的理論知識(shí)制訂出一套實(shí)用的維修計(jì)劃，以保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行；很實(shí)用。通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)特殊運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的保護(hù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和校正。除掌握電氣控制的基本邏輯和繼電保護(hù)的基本原理外，還需對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景有充分的了解，以確保電氣控制設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

3.2 電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法

電控設(shè)計(jì)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)。不同于一般分類，在電氣控制設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)是互補(bǔ)的，而不是完全分離的兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3.2.1 邏輯設(shè)計(jì)

是一種基于程序語(yǔ)言的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，電氣控制系統(tǒng)的功能大多是通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)電氣控制功能的劃分給出了指導(dǎo)和建議，但在日益復(fù)雜的生產(chǎn)背景下，傳統(tǒng)的導(dǎo)線控制方式顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)大多數(shù)功能的方便穩(wěn)定控制。因此邏輯設(shè)計(jì)方法作為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的缺陷補(bǔ)充和功能實(shí)現(xiàn)手段應(yīng)運(yùn)而生。常用的邏輯設(shè)計(jì)模式有多條件獨(dú)立分支控制設(shè)計(jì)及多條件全分支控制設(shè)計(jì)。無(wú)論何種模式都通過(guò)邏輯概念對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)條件下的控制電路進(jìn)行優(yōu)化，以最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.2 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)

就是根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并通過(guò)一定的手段在軟件系統(tǒng)和控制設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工作中的表現(xiàn)主要是將復(fù)雜的電路系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證電氣控制設(shè)計(jì)的便捷性和準(zhǔn)確性。一般在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念的指導(dǎo)下，電氣控制設(shè)計(jì)將按啟動(dòng)、聯(lián)鎖、關(guān)機(jī)、順序、自鎖、保護(hù)以及延時(shí)控制等多個(gè)功能模塊進(jìn)行，對(duì)電控設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，對(duì)電控設(shè)計(jì)的集成化具有重要意義。

3.3 電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)技巧

3.3.1 邏輯設(shè)計(jì)方法的技巧和應(yīng)用

邏輯設(shè)計(jì)方法的技能比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法更專業(yè)。因其是對(duì)經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的電路進(jìn)行邏輯分析、剔除不必要的電路和開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)者須掌握電路控制的基本原理。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需進(jìn)行邏輯論證，以保證簡(jiǎn)化后的電路與原電路功能的一致性。雖然實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)的技巧是復(fù)雜的，但沒(méi)有邏輯設(shè)計(jì)電氣控制電路通常會(huì)過(guò)于復(fù)雜、安裝困難，且會(huì)浪費(fèi)大量的資源。

邏輯設(shè)計(jì)技能也可根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)分為兩類：對(duì)于多條件的獨(dú)立分支控制該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于采用了面向單電路的結(jié)構(gòu)，可直接對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能分析，并可將相似的節(jié)點(diǎn)組合起來(lái)，簡(jiǎn)化控制電路；對(duì)于多條件全支路控制設(shè)計(jì)，其基本思想與單個(gè)支路控制相似，但由于涉及的接觸數(shù)量過(guò)多，常采用狀態(tài)表的手段進(jìn)行輔助分析，線路斷開(kāi)或運(yùn)行用兩個(gè)數(shù)字0或1表示，從而實(shí)現(xiàn)相同功能觸點(diǎn)的快速組合，保證控制電路設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單[4]。

3.3.2 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的技巧和應(yīng)用

經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)技能是指在電控設(shè)計(jì)中積累的針對(duì)不同生產(chǎn)環(huán)境和問(wèn)題的解決方法。如，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電氣元件的選擇和動(dòng)力電纜的規(guī)格選擇等。通常電機(jī)設(shè)備銘牌上都會(huì)標(biāo)明電機(jī)的額定功率和額定電流值，通過(guò)查詢電氣廠家樣本相關(guān)的元器件型號(hào)就可確定適合的規(guī)格型號(hào)；如在設(shè)計(jì)初期電機(jī)設(shè)備還沒(méi)有采購(gòu)的情況下，也可參考電氣設(shè)備廠家樣本查看同功率設(shè)備的額定電流值，從而完成電氣元件的選型設(shè)計(jì)。電纜規(guī)格的選型和工作經(jīng)驗(yàn)更加密不可分，因需考慮很多因素，如電纜的使用環(huán)境、敷設(shè)方式、電纜載流量、敷設(shè)的距離等，如電纜是室外埋地敷設(shè)就要選擇鎧裝電纜；如是用于消防就要選擇耐火型電纜。所以電纜選型時(shí)要盡量選稍大一級(jí)的規(guī)格，避免在使用過(guò)程中發(fā)熱嚴(yán)重?fù)p壞絕緣層。

總之，電氣控制設(shè)計(jì)不僅是一項(xiàng)理論支撐性很強(qiáng)的工作，且對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的要求也很高。應(yīng)重視、學(xué)習(xí)和靈活運(yùn)用電氣控制設(shè)計(jì)技巧，在充分接受前人積累的基礎(chǔ)上，提高電氣控制設(shè)計(jì)的效率和功能完善，確保生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行。因此，必須對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理規(guī)劃，優(yōu)化運(yùn)行效率，以確保電氣控制系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮自身的價(jià)值，為電氣工程長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。