第8章電氣控制系統(tǒng)設計

8.1電氣控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容8.2電氣接線圖的設計方法8.3繼電器—接觸器控制線路的設計方法8.4PLC控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容和方法8.5應用示例小結(jié)8.1電氣控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容是根據(jù)電氣控制要求設計和編制出設備的電氣控制系統(tǒng)制造和使用、維護中的所有圖紙和資料。電氣圖紙主要包括電氣原理圖、電氣安裝圖、電氣接線圖等。主要資料包括元器件清單及用途表、設備操作使用說明書、設備原理及結(jié)構(gòu)、維修說明書等。8.1.1電氣控制系統(tǒng)設計的基本原則電氣控制系統(tǒng)設計涉及的內(nèi)容十分廣泛，設計的每一個環(huán)節(jié)都與產(chǎn)品的質(zhì)量和成本密切相關，其基本原則如下：

(1)電氣控制方式應與設備的通用化和專用化程度相適宜，既要考慮控制系統(tǒng)的先進性，又要與具體國情和企業(yè)實力相適應。脫離實際地盲目追求自動化和高技術指標是不可取的。

(2)設備的電力拖動方案和控制方式應符合設計任務書提出的控制要求和技術、經(jīng)濟標準，拖動方案和控制方式應在經(jīng)濟、安全的前提下，最大限度地滿足機械設備的加工工藝要求。

(3)合理地選擇元器件，在保證電氣性能的基礎上降低生產(chǎn)制造成本。

(4)操作維修方便，外形結(jié)構(gòu)美觀。8.1.2電氣控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容電氣控制系統(tǒng)設計的基本任務是滿足生產(chǎn)機械的控制要求，在電氣原理和工藝設計過程中，需要完成以下設計項目：

(1)擬定電氣設計任務書(技術條件)。電氣設計任務書是電氣設計的依據(jù)，應會同電氣和機械設計及企業(yè)管理決策人員共同分析設備的機械、液壓、氣動裝置等原理及動作要求、技術及經(jīng)濟指標，確定電氣的設計任務書。

(2)電力拖動方案的選擇。設備的拖動方法主要有電力拖動、液壓傳動、氣動等。電力拖動的傳動，液壓和氣動系統(tǒng)的控制要求是電氣控制系統(tǒng)設計的主要依據(jù)。采用電力拖動時，應根據(jù)機械設備驅(qū)動力矩或功率的要求，合理選擇電機類型和參數(shù)。電力拖動方案要考慮電機啟動及換向方法、調(diào)速方式及方法、制動方法等內(nèi)容。(3)控制方式的選擇。應根據(jù)拖動方式和設備自動化程度的要求，合理選擇控制方式。隨著電力電子技術、檢測技術、計算機技術及自動控制理論的不斷發(fā)展進步，以及機械結(jié)構(gòu)與工藝水平的不斷提高，電氣控制技術也由傳統(tǒng)的繼電接觸器控制向順序控制、可編程控制、計算機網(wǎng)絡控制等方面發(fā)展，控制方案的可選性不斷增多。

對于一般機械設備(含通用和專用)，其工作程序是固定不變的，多選用固定式的基本邏輯型繼電接觸器控制方式。對于經(jīng)常變換加工工序的設備，可以采用可編程控制器控制。對于復雜控制系統(tǒng)(如自動生產(chǎn)線、加工中心等)以及對顯示操作有特殊要求的設備，可采用較大型的可編程控制系統(tǒng)，觸摸屏操作、顯示等先進控制手段，亦可選用工業(yè)控制計算機和組態(tài)軟件或計算機集散式控制系統(tǒng)來控制。(4)設計電氣控制原理圖并選擇元器件。電氣原理圖主要包括主電路、控制電路和輔助電路。根據(jù)電氣原理合理選擇元器件，并列寫元器件清單。

(5)根據(jù)電氣原理圖，設計并繪制電氣設備總的布置圖，繪制控制面板圖、元器件安裝底板圖、電氣安裝接線圖和電氣互連圖等系列工藝性技術圖紙。

(6)編寫使用說明書和維修說明書。以上圖紙及資料一般用計算機繪制或打印，以便于裝訂成冊并存檔，向用戶提供完整的電氣維護使用手冊。8.2電氣接線圖的設計方法

電氣接線圖是電氣設計的重要組成部分，是電氣安裝施工所依據(jù)的工藝性文件。系統(tǒng)地掌握電氣控制系統(tǒng)接線圖工藝設計方法，是保障電氣控制系統(tǒng)質(zhì)量的基礎。電氣安裝接線圖簡稱電氣接線圖。電氣接線圖是為安裝電氣設備、對電器元件配線或設備檢修服務的。接線圖的特點是將同一元件的所有電氣符號畫在同一方框內(nèi)，該方框的位置與電氣安裝位置圖中的相對位置一致，但方框的大小不受限定。繪制電氣接線圖的方法有很多種，本教材主要介紹基于導線二維標注的繪制方法。

傳統(tǒng)的電氣接線圖通過標注導線線號以及在器件間采用連接導線束來表示導線的連接關系，用這種方法繪出的電氣接線圖存在以下缺點：

(1)連接導線束較多，圖面較亂。

(2)器件間連接對應關系不明朗，查找線號及分析讀圖都較困難。因此，這種方法正在逐步被淘汰。導線二維標注法的設計思想是：在器件接線端用數(shù)字標明導線線號和器件編號，來指示導線的編號和去向，從而省去了器件間的連接導線束，使得電氣接線圖的接線關系更加簡單明了，圖面更加整潔。

電氣接線圖繪制的前提條件是在電氣原理線路圖的基礎上，根據(jù)元器件的物理結(jié)構(gòu)及安裝尺寸，在電氣安裝底板上排出器件的具體安裝位置，繪制出元器件布置圖及安裝底板圖。再根據(jù)元器件布置圖中各個元器件的相對位置繪制電氣接線圖。電氣接線圖和電氣安裝互連圖的繪制原則如下所述。1.電氣接線圖的繪制原則

(1)在接線圖中，各電器元件的相對位置應與實際安裝位置一致。在各電器元件的位置圖上，以細實線畫出外形方框圖(元件框)，并在其中畫出與原理圖一致的圖形符號。一個元件的所有電器部件的電氣符號均應集中在本元件框的方框內(nèi)，不得分散畫出。(2)在原理圖上標注接線標號(簡稱線號)時，主回路線號通常采用字母加數(shù)字的方法標注，控制回路線號采用數(shù)字標注。控制電路線號標柱的方法是在繼電接觸器線圈上方或左方的導線標注奇數(shù)線號，線圈下方或右方的導線標注偶數(shù)線號；也可以由上到下、由左到右地順序標注線號。線號標注的原則是每經(jīng)過一個電器元件，變換一次線號(不含接線端子)。(3)給各個器件編號，器件編號用多位數(shù)字。通常，器件編號連同電器符號標注在器件方框的斜上方(左上或右上角)。(4)接線關系的表示方法有兩種。一是用數(shù)字標注線號，器件間用細實線連接的表示方式。如果器件間連接線條多，那么這樣表示會使得電氣接線圖圖面顯得雜亂，因此該方式多用于接線關系簡單的電路。二是導線二維標注法。二維標注法采用線號和器件編號的二維空間標注，表示導線的連接關系，即器件間不用線條連接，只簡單地用數(shù)字標注線號，用電氣符號或數(shù)字標注器件，分別寫在電器元件的連接線上(含線側(cè))和出線端，指示導線及去向。導線二維標注法具有結(jié)構(gòu)簡單，易于讀圖的優(yōu)點，廣泛適用于簡單和復雜的電氣控制系統(tǒng)的接線圖設計。安裝工藝的布線方式有槽板式和捆扎線把式兩種(其方法介紹略)。基于導線二維標注接線方法的布線路徑可由電氣安裝人員依據(jù)就近、美觀的原則自行確定。(5)配電盤底板與控制面板及外設(如電源引線、電動機接線等)間一般用接線端子連接，接線端子也應按照元器件類別進行編號，并在上面注明線號和去向(器件編號)。但導線經(jīng)過接線端子時，導線編號不變。2.電氣安裝互連圖的繪制原則電氣安裝互連圖用來表示電氣設備各單元間的接線關系。互連圖可以清楚地表示電氣設備外部元件的相對位置及它們之間的電氣連接，是實際安裝接線的依據(jù)，在生產(chǎn)現(xiàn)場中得到了廣泛應用。不同單元線路板上的電器元件必須經(jīng)接線端子板連接，系統(tǒng)設計時應根據(jù)負載電流的大小計算并選擇連接導線，原理圖中應注明導線的標稱截面積和種類。互連圖的主要繪制規(guī)則有：(1)互連圖中導線的連接關系用導線束表示，連接導線應注明導線規(guī)范(顏色、數(shù)量、長度和截面積等)。

(2)穿管或成束導線還應注明所有穿線管的種類、內(nèi)徑、長度及考慮備用導線后的導線根數(shù)。其他：注明有關接線安裝的技術條件。3.電氣接線圖繪制的簡要步驟

(1)畫元件框及符號。依照安裝位置，在接線圖上畫出元器件的電氣符號圖形及外框。

(2)分配元件編號。給器件編號，并將器件編號標在接線圖中。

(3)標線號。在原理圖上定義并標注每一根導線的線號。

(4)填充連線的去向和線號。在器件連接導線的線側(cè)和線端標注線號和導線去向(器件編號)。8.3繼電器—接觸器控制線路的設計方法

繼電器—接觸器控制是應用最廣泛的控制方式之一。它通過觸點的“通”、“斷”來控制電動機、電磁閥或其他電氣設備完成特定的動作。控制線路的設計在滿足生產(chǎn)要求的前提下，力求使線路簡單、經(jīng)濟、可靠。下面從幾個不同角度來說明繼電器—接觸器控制電路設計的一般規(guī)律：(1)盡量選用典型環(huán)節(jié)或經(jīng)過實際檢驗過的控制線路。

(2)在控制原理正確的前提下，減少連接導線的根數(shù)與長度。進行電氣原理圖設計時，應合理安排各電器元件之間的連線，尤其要注重電氣柜與各操作面板、行程開關之間的連線，使其盡量合理。例如，圖8-1(a)所示的兩地控制電路的原理雖然正確，但因為電氣柜及一組控制按鈕安裝在一起(一地)，距另一地的控制按鈕有一定距離，所以兩地間的連線較多，電路結(jié)構(gòu)不盡合理。而圖8-1(b)所示電路兩地間的連線較少，更為合理。圖8-1兩地控制電路(3)減少線圈通電電流所經(jīng)過的觸點點數(shù)，提高控制線路的可靠性。在圖8-2(a)所示的順序控制電路中，KA3線圈通電電流要經(jīng)過KA1、KA2、KA3的三對觸點；若改為圖8-2(b)所示的電路，則每個繼電器的接通只需經(jīng)過一對觸頭，工作更為可靠。圖8-2順序控制電路(4)減少不必要的觸點和通電時間。減少不必要觸點的方法是使用卡諾圖或公式法化簡控制電路的控制邏輯；減少電器不必要的通電時間，可以節(jié)約電能，延長器件的使用壽命。例如，降壓啟動控制電路的啟動過程結(jié)束后，應將控制啟動過程用的時間繼電器和其他電器線圈斷電。又如，能耗制動過程結(jié)束后，應將控制制動過程的各電器線圈均斷電復位。(5)電磁線圈的正確連接方法。電磁式電器的電磁線圈分為電壓線圈和電流線圈兩種類型。為保證電磁機構(gòu)可靠工作，同時動作的電器的電壓線圈只能并聯(lián)連接。例如，圖8-3所示的電壓線圈就不允許串聯(lián)連接，而只能并聯(lián)連接。否則的話，將因銜鐵氣隙的不同，而使線圈交流阻抗不同，電壓不平均分配，從而導致電器不能可靠工作。反之，電流線圈同時工作時只能串聯(lián)，不能并聯(lián)。電磁線圈的位置通常畫在控制電路的下方，電磁線圈的文字符號通常標于電磁線圈下方的電源線下。規(guī)范的電路設計習慣可以避免電器意外接通的寄生現(xiàn)象以及其他不必要的故障產(chǎn)生。圖8-3電壓線圈并聯(lián)(6)防止競爭現(xiàn)象。圖8-4(a)為由時間繼電器組成的反身關閉電路。電路的設計方法是：時間繼電器延時時間到后，常閉觸點斷開，線圈斷電自動復位，為下一次通電延時做準備。但依賴繼電器自身所帶的常閉觸點來切斷其線圈的導電通路時會產(chǎn)生不可靠的競爭現(xiàn)象，在線路設計時應力求避免。對競爭現(xiàn)象的分析：當時間繼電器的常開觸點延時斷開后，時間繼電器的線圈失電，又使經(jīng)過ts秒斷開的常閉觸點恢復閉合，使經(jīng)過t1秒閉合的瞬時常開觸點斷開。若ts>t1，則電路能反身關閉；若ts<t1，則KT的繼電器線圈再次吸合，這種現(xiàn)象叫觸點競爭。圖8-4(b)所示的電路增加了起控制作用的中間繼電器KA，從而可以避免競爭現(xiàn)象的發(fā)生。圖8-4反身關閉電路(7)控制電源的選擇。由于觸點容量大，主電路的電器一般采用交流電器，而控制電器有很多不同的選擇方式。因此，控制電路設計的一項重要內(nèi)容就是控制電源的選擇。控制電源有交流和直流兩大類，每一類電源又有不同的電壓等級。電源的類型要與繼電器—接觸器的類型相一致。對于簡單的控制線路，可直接用交流電網(wǎng)供電。當線路比較復雜，用的電器較多，對工作可靠性要求較高以及有安全照明要求時，可采用由控制變壓器隔離并降壓(127V、110V、路復雜、電器數(shù)量很多，對每一個電器的可靠性都要求較高的場合以及控制電路帶有直流負載36V)的低壓供電。但需注意，隨著控制電源電壓的降低，控制電路的電流將增大。在控制電(如直流電磁鐵)的情況下，控制電路可采用直流電器，需要低壓直流電源供電。(8)控制變壓器容量的計算。控制變壓器用來降低控制電路和輔助電路的電壓，以滿足一些電器元件的電壓要求。在保證控制電路工作安全可靠的前提下，控制變壓器的容量可以按以下條件選擇：變壓器的容量應大于控制電路有最大工作負載時所需要的功率，即

ST≥KT∑SXC式中：ST——變壓器所需容量(單位為W);∑SXC——控制電路有最大負載時工作電器吸合所需要的功率(單位為VA);KT——變壓器容量的儲備系數(shù)，一般取1.1~1.25。8.4

PLC控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容和方法

隨著控制系統(tǒng)復雜程度的增加，PLC控制系統(tǒng)將逐步取代繼電器—接觸器電氣控制系統(tǒng)。本節(jié)將介紹PLC控制系統(tǒng)的一般設計內(nèi)容和方法。8.4.1設計原則在設計過程中，通常應遵循以下基本原則：

(1)經(jīng)濟性。在滿足控制要求的前提下，應盡可能降低設計、使用和維護的成本，力求性價比最高。

(2)可靠性。控制系統(tǒng)要功能完善、穩(wěn)定可靠。

(3)先進性。在滿足可靠性的前提下，系統(tǒng)要保證一定的先進性。

(4)可擴展性。對于PLC單機系統(tǒng)，要考慮通過增加擴展模塊來滿足系統(tǒng)規(guī)模擴大的要求；對于網(wǎng)絡系統(tǒng)，網(wǎng)絡應易于增加節(jié)點，易于連接新型采集裝置，易于與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。8.4.2設計內(nèi)容和方法在PLC控制系統(tǒng)的設計中，要對控制對象進行詳細分析，首先應確定系統(tǒng)用PLC單機控制，還是用PLC形成網(wǎng)絡；然后對各種方案進行對比，確定控制方案；最后按系統(tǒng)要求進行硬件和軟件的功能劃分、設計和調(diào)試，直到滿足控制系統(tǒng)設計要求為止。

1.明確控制要求通過對控制對象進行詳細分析，熟悉其控制要求和生產(chǎn)工藝，列出控制系統(tǒng)的所有功能和指標要求，明確控制要求。

2.選擇I/O設備根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選擇合理的I/O設備，并初步估計需要的I/O點數(shù)。常用傳動設備及電氣元件所需的I/O點數(shù)可以參考表8-1。表8-1常用傳動設備及電氣元件所需的I/O點數(shù)3.選擇PLC型號

PLC的型號種類很多，在選擇時應主要考慮以下幾個方面：

(1)I/O點數(shù)。根據(jù)輸入、輸出設備數(shù)量計算PLC的I/O點數(shù)，并且在選購PLC時要在實際需要點數(shù)的基礎上留有10%~15%的余量。

(2)存儲容量與速度。盡管各廠家的PLC產(chǎn)品大體相同，但也有一定的區(qū)別。目前還未發(fā)現(xiàn)各公司之間完全兼容的產(chǎn)品。各個公司的開發(fā)軟件都不相同，而用戶程序的存儲容量和指令的執(zhí)行速度是兩個重要指標。一般存儲容量越大、速度越快的PLC價格就越高，但應該根據(jù)系統(tǒng)的大小合理選用PLC產(chǎn)品，一般按下式估算用戶程序的存儲容量：存儲器字數(shù)=1.3×(開關量I/O點數(shù)×10+模擬量點數(shù)×200)(3)編程器的選擇。

PLC編程可采用以下三種方式：手持編程器編程。它只能用廠家規(guī)定的語句表中的語句編程。這種方式效率低，但對于系統(tǒng)容量小、用量小的產(chǎn)品比較適宜，其體積小，易于現(xiàn)場調(diào)試，造價也較低。

圖形編程器編程。該編程器采用梯形圖編程，方便直觀，一般的電氣人員短期內(nèi)就可應用自如，但該編程器價格較高。個人計算機加PLC軟件包編程。這種方式是效率最高的一種方式，也是應用非常普遍的一種方式。因此，應根據(jù)系統(tǒng)的大小與難易，開發(fā)周期的長短以及資金的情況合理選購PLC產(chǎn)品。(4)輸入/輸出模塊的選擇。選擇哪一種輸入/輸出模塊，取決于控制系統(tǒng)輸入/輸出回路的信號種類和要求。①電源回路。PLC供電電源一般為AC85V~240V(也有DC24V)，其電源適應范圍較寬，但為了抗干擾，應加裝電源凈化元件(如電源濾波器、1∶1隔離變壓器等)。②輸入回路。輸入回路有直流5V/12V/24V/48V/60V等和交流115V/220V等形式。一般應根據(jù)現(xiàn)場設備和主機的距離來選擇電壓的高低。如5V的輸入模塊適用于10m以內(nèi)的距離，48V適用于30m以上的距離。

③輸出回路。根據(jù)PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，可確定輸出端是采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或晶閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。各種輸出方式之間的比較如下：

繼電器輸出：優(yōu)點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載，且電壓也可不同，帶負載電流可達2A／點。但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載，這是由繼電器的壽命決定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少，一般在幾十萬次至幾百萬次之間，有的公司產(chǎn)品可達1000萬次以上，響應時間為10ms。

晶閘管輸出：帶負載能力為0.2A/點，只能帶交流負載，可適應高頻動作，響應時間為1ms。晶體管輸出：最大優(yōu)點是適應于高頻動作，響應時間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶DC5V~30V的負載，最大輸出負載電流為0.5A/點，但每4點不得大于0.8A。當系統(tǒng)輸出頻率為6次/min以下時，應首選繼電器輸出，因其電路設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次／min以下時，既可采用繼電器輸出方式，也可采用PLC輸出驅(qū)動達林頓三極管(5A~10A)，再驅(qū)動負載。

(5)盡量選用大公司的產(chǎn)品，其質(zhì)量有保障，技術支持好，一般售后服務也較好，還有利于產(chǎn)品擴展與軟件升級。4.系統(tǒng)的硬件設計硬件設計主要包括以下幾方面：

(1)分配PLC的I/O點地址。根據(jù)輸入設備和輸出設備的數(shù)量和型號分配I/O地址，以便繪制接線圖及編寫程序。分配I/O地址的原則如下：①每一個輸入信號占用一個輸入地址，每一個輸出地址驅(qū)動一個負載。②同一類型的信號集中配置，地址編號按順序連續(xù)編排。③彼此相關的輸出器件，例如，電機的正反轉(zhuǎn)、電磁閥的夾緊與放松等，要連續(xù)編寫其輸出地址編號。(2)繪制電氣線路圖。步驟為：①繪制主電路圖。②繪制PLC輸入/輸出接線端子圖。③繪制PLC的電源線路。④繪制輸入/輸出設備的電源線路。⑤設計電氣控制柜(臺)及電器布置圖。

(3)安裝電氣控制柜(臺)。5.系統(tǒng)的軟件設計一般按以下步驟編寫軟件：

(1)設計控制系統(tǒng)流程圖或功能表圖，明確動作的順序和條件。

(2)根據(jù)系統(tǒng)流程圖或功能表圖，結(jié)合分配的I/O地址，即可編寫程序。常用的方法有經(jīng)驗設計法、邏輯設計法和流程圖設計法(即功能表圖設計法)。

①經(jīng)驗設計法。經(jīng)驗設計法是將繼電器—接觸器控制線路原理圖按照一定的對應關系，轉(zhuǎn)化為梯形圖的設計方法。該方法非常適合對繼電器—接觸器控制線路熟悉的工程技術人員使用。②邏輯設計法。邏輯設計法以邏輯代數(shù)為基礎，根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化，列出檢測元件、中間元件和執(zhí)行元件的邏輯表達式并化簡，然后再轉(zhuǎn)化為梯形圖。③順序控制設計法(功能表圖設計法)。在工業(yè)控制領域中，順序控制設計法已經(jīng)成為PLC程序設計的主要方法。1)功能流程圖的組成功能流程圖由狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作說明四部分組成。功能流程圖的一般結(jié)構(gòu)形式如圖8-5所示。

(1)狀態(tài)。狀態(tài)用矩形框表示，框中的數(shù)字是該狀態(tài)對應的工步序號，也可以將與該狀態(tài)相對應的編程元件(如PLC內(nèi)部的通用輔助繼電器、移位繼電器、狀態(tài)繼電器等)作為狀態(tài)的編號。注意，“0”狀態(tài)或原始狀態(tài)用雙線框表示。圖8-5功能流程圖的一般結(jié)構(gòu)形式

(2)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換用有向線段表示。在兩個狀態(tài)框之間必須用轉(zhuǎn)換線段相連接。

(3)轉(zhuǎn)換條件。轉(zhuǎn)換條件用與轉(zhuǎn)換線段垂直的短劃線表示。每個轉(zhuǎn)換線段上必須有一個表示轉(zhuǎn)換條件的短劃線。在短線旁可以用文字或圖形符號或邏輯表達式注明轉(zhuǎn)換條件的具體內(nèi)容。當相鄰兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件滿足時，兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換才得以實現(xiàn)。

(4)動作說明。在狀態(tài)框旁邊，用文字說明了與狀態(tài)相對應的工步的內(nèi)容，這些文字即為動作說明。動作說明用矩形框圍起來，用短線與狀態(tài)框平行相連。動作說明旁邊往往也標出了實現(xiàn)該動作的電氣執(zhí)行元件的名稱或PLC地址。2)功能流程圖的特點功能流程圖的基本特點是各工步按順序執(zhí)行，上一工步執(zhí)行結(jié)束，轉(zhuǎn)換信號出現(xiàn)時，立即開通下一工步，同時關斷上一工步。在圖8-5中，Xi－1=1是第i步開通的前導信號，待轉(zhuǎn)換條件a滿足時，第i步立即開通(Xi=1)，同時關斷前一工步(Xi－1=0)。由此可見，第i步開通的條件有兩個，即Xi-1=1和a=1。第i-1步關斷的條件只有一個，即Xi=1。功能流程圖第i步開啟和關斷的條件，運用邏輯表達式可表示為式中，左邊的Xi

表示第i步的狀態(tài)；右邊的Xi-1表示第i步的前導信號，a表示轉(zhuǎn)換條件，Xi表示自鎖信號，表示關斷第i步的主令信號。

3)功能流程圖的主要類型功能流程圖的主要類型如下：

(1)單流程。它反映按順序排列的步相繼被激活的一種基本形式，其結(jié)構(gòu)如圖8-5所示。

(2)選擇分支和連接。圖8-6是選擇性分支和連接的功能流程圖，它在一個活動步之后，緊接著有幾個后續(xù)步可供選擇，選擇分支的每個工步都有各自的轉(zhuǎn)換條件。圖8-6中，當工步2處于激活狀態(tài)時，若轉(zhuǎn)換條件b＝1，則執(zhí)行工步3；若轉(zhuǎn)換條件c=1，則執(zhí)行工步4。ｂ、ｃ、ｄ、ｅ是選擇執(zhí)行的條件。哪個條件滿足，則選擇相應的分支，同時關斷上一工步2。圖8-6選擇分支和連接(3)并行分支和連接。當轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)導致各個分支同時被激活時，采用并行分支，如圖8-7所示。其有向連接線的水平部分用雙線表示。當工步2處于激活狀態(tài)時，若轉(zhuǎn)換條件b=1，則工步3、5同時開啟，即工步2必須在工步3、5都開啟后才能關斷。圖8-7并行分支和連接(4)循環(huán)和跳轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)過程中，有時要求在一定條件下停止執(zhí)行某些原定動作，此時可用跳轉(zhuǎn)程序。有時需要重復執(zhí)行，此時可用循環(huán)程序。如圖8-8所示，當工步1處于激活狀態(tài)時，若條件e=1，則跳過工步2、3，直接激活工步4。跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是一種特殊的選擇分支。當工步4處于激活狀態(tài)時，若條件d=1，則循環(huán)執(zhí)行，激活狀態(tài)1。循環(huán)程序也是一種特殊的選擇分支。圖8-8循環(huán)和跳轉(zhuǎn)

注意：轉(zhuǎn)換是有方向的，一般功能圖的轉(zhuǎn)換順序是從上到下，從左到右。是正常順序時可以省略箭頭，否則必須加箭頭，以標明方向。4)用功能流程圖繪制梯形圖功能流程圖完整地表現(xiàn)了控制系統(tǒng)的控制過程、各狀態(tài)的功能、狀態(tài)轉(zhuǎn)換的順序和條件。它是進行PLC應用程序設計的便捷工具。利用功能流程圖進行程序設計時，大致可按以下幾個步驟進行：

(1)根據(jù)控制要求和工藝過程的內(nèi)容、步驟和順序，畫出功能流程圖。

(2)在功能流程圖上以PLC輸入點或其他元件來定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，當某轉(zhuǎn)換條件的實際內(nèi)容不止一個時，可用邏輯表達式的形式來表示有效轉(zhuǎn)換條件。

(3)按照電氣執(zhí)行元件與PLC軟繼電器的編號對照表，在功能流程圖上指出實現(xiàn)狀態(tài)或動作命令控制功能的電氣執(zhí)行元件，并用對應PLC地址定義這些執(zhí)行元件。

(4)根據(jù)功能流程圖寫出工步狀態(tài)的邏輯表達式。

(5)寫出各執(zhí)行電器的邏輯表達式。

(6)根據(jù)表達式編制梯形圖程序。圖8-9是一個液壓動力滑臺實現(xiàn)進給控制的功能流程圖和狀態(tài)的邏輯關系，具體梯形圖請讀者自己設計。圖8-9某液壓動力滑臺實現(xiàn)進給控制的功能流程圖8.5應用示例

本節(jié)分別以繼電器—接觸器控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的應用為例，進一步說明電氣控制系統(tǒng)的設計方法。8.5.1繼電器—接觸器控制系統(tǒng)設計應用示例下面結(jié)合電氣控制設備制造的工程實際，以一臺小型電動機控制線路設計為例，結(jié)合電氣接線圖和電氣互連圖的繪制原則，進一步說明導線二維標注法在電氣接線圖中的應用方法和電氣控制系統(tǒng)設計的過程。1.電動機啟停控制電氣原理圖電動機啟停控制電氣原理路如圖8-10所示，為簡化內(nèi)容，電路原理分析從略。為便于施工和設計電氣接線圖，電氣原理圖中依據(jù)線號標注原則標出了各導線標號，大電流導線標出了載流面積(根據(jù)電動機工作電流計算出的導線的截面積)。元器件清單見表8-2。圖8-10電動機啟停控制電氣原理圖表8-2元器件清單2.電氣安裝位置圖電氣安裝位置圖又稱布置圖，主要用來表示原理圖所有電器元件在設備上的實際位置，為電氣設備的制造、安裝提供必要的資料。圖中，各電器符號與電氣原理圖和元器件清單中的器件代號一致。根據(jù)此圖可以設計相應器件的安裝打孔位置圖，用于器件的安裝固定。電氣安裝位置圖同時也是電氣接線圖設計的依據(jù)。

電動機啟停控制電路的電氣安裝分為操作(控制)面板的安裝和電器安裝底板(主配電盤)的安裝兩部分。操作(控制)面板設計在操作平臺或控制柜柜門上，用于安裝各種主令電器和狀態(tài)指示燈等器件。控制面板與主配電盤間的連接導線采用接線端子連接。接線端子安裝在靠近主配電盤接線端子的位置。電器安裝底板用來安裝固定除操作按鈕和指示燈外的其他電器元件。電器安裝底板安裝的元器件布置位置一般自上而下、自左而右依次排列。底板與控制操作面板相連接的接線端子，一般布置在靠近控制面板的上方或柜門軸側(cè)；底板與電源或電機等外圍設備相連的接線端子，一般布置在配電盤的下方靠近過線孔的位置。主配電盤的電氣安裝位置圖如圖8-11所示，操作面板的電氣安裝位置圖如圖8-12所示。圖8-11主配電盤的電氣安裝位置圖圖8-12操作面板的電氣安裝位置圖3.電氣接線圖根據(jù)電氣安裝位置圖及繪制電氣接線圖的具體原則，分別繪制操作面板和電器安裝底板的電氣接線圖。

(1)電器安裝底板(主配電盤)的電氣接線圖如圖8-13所示。圖中，所有元件的電氣符號均集中在本元件框的方框內(nèi)；各個器件編號，連同電器符號標注在器件方框的右上方；電氣接線圖采用二維標注法表示導線的連接關系；線側(cè)數(shù)字表示線號；線端數(shù)字20~25表示器件編號，用于指示導線去向；布線路徑可由電氣安裝人員自行確定。圖8-13主配電盤的電氣接線圖(2)操作(控制)面板的電氣接線圖如圖8-14所示。在控制面板接線圖中，線側(cè)和線上數(shù)字1~7表示線號；線端數(shù)字10~25表示所去器件編號，用于指示導線去向。控制面板與主配電盤間的連接導線通過接線端子連接，并采用塑料蛇形套管防護。圖8-14操作面板的電氣接線圖

4.電氣安裝互連圖表示電動機啟停控制電路的電氣控制柜和外部設備及操作面板間接線關系的電氣安裝互連圖如圖8-15所示。圖中，導線的連接關系用導線束表示，并注明了導線規(guī)范(顏色、數(shù)量、長度和截面積等)和穿線用管的種類、內(nèi)徑(d)、長度及考慮備用導線后的導線根數(shù)，其明細見表8-3。連接配電盤底板和控制面板的導線，采用蛇形塑料軟管或包塑金屬軟管保護。控制柜與電源、電機間采用電纜線連接。

(注：為作圖方便，圖中接線端子與實際位置不相一致)。圖8-15電氣安裝互連圖表8-3管內(nèi)敷線明細表5.安裝調(diào)試設計工作完畢后，要進行樣機的電氣控制柜安裝施工。按照電氣接線圖和電氣安裝互連圖完成安裝及接線，經(jīng)檢查無誤且連接可靠后，可進行通電試驗。首先在空載狀態(tài)下(不接電動機等負荷)通過操作相應開關，給出開關信號，試驗控制回路各電器元件動作以及指示的正確性。經(jīng)過調(diào)試，各電器元件均按照原理要求動作準確無誤后，方可進行負載試驗。第二步的負載試驗通過后，編寫相應的原理、使用操作說明文件。

本節(jié)通過導線二維標注法的應用實例，對電氣設計內(nèi)容、設計方法進行了較為完整的介紹，可以使讀者對低壓控制柜電氣設計有一個較為全面的了解，進而提高工程設計能力。8.5.2PLC控制系統(tǒng)設計應用示例圖8-16是某機械手的工作示意圖。該機械手的任務是將工件從工作臺A搬往工作臺B。機械手的初始位置在原位，按下啟動按鈕后，機械手將依次完成：下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移八個動作，實現(xiàn)機械手一個周期的動作。試設計該機械手的PLC控制系統(tǒng)。圖8-16機械手的工作示意圖1.明確控制要求機械手的所有動作均采用電液控制、液壓驅(qū)動。它的上升／下降和左移／右移均采用雙線圈三位電磁閥推動液壓缸完成。控制要求如下：機械手動作轉(zhuǎn)換靠限位開關來控制，限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分別對機械手進行下降、上升、右移、左移動作的限位，并給出了動作到位的信號。而夾緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是由時間繼電器來控制的。另外，還安裝了光電開關SP，負責監(jiān)測工作臺B上的工件是否已移走，從而產(chǎn)生無工件信號，為下一個工件的下放做好準備。工作臺A、B上工件的傳送不用PLC控制；機械手要求按一定的順序動作，其流程圖如圖8-17所示。圖8-17機械手的動作流程圖

啟動時，機械手從原點開始按順序動作。停止時，機械手停止在現(xiàn)行工步上。重新啟動時，機械手按停止前的動作繼續(xù)進行。為滿足生產(chǎn)要求，機械手設置有手動工作方式和自動工作方式，而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。

手動工作方式：利用按鈕對機械手每一步的動作單獨進行控制，例如，按“上升”按鈕，機械手上升；按“下降”按鈕，機械手下降。此種工作方式可使機械手置原位。單步工作方式：從原點開始，按自動工作循環(huán)的工序，每按一下啟動按鈕，機械手完成一步的動作后自動停止。

單周期工作方式：按下啟動按鈕，從原點開始，機械手按工序自動完成一個周期的動作后停在原位。連續(xù)工作方式：機械手在原位時，按下啟動按鈕，它將自動連續(xù)地執(zhí)行周期動作。當按下停止按鈕時，機械手保持當前狀態(tài)。重新恢復后，機械手按停止前的動作繼續(xù)進行。2.選擇I/O設備由機械手執(zhí)行機構(gòu)可知：

(1)輸入為14個開關量信號，由限位開關、按鈕、光電開關組成。

(2)輸出為6個開關量信號，由24V電液控制、液壓驅(qū)動線圈和指示燈組成。

3.選擇PLC型號根據(jù)控制要求，PLC控制系統(tǒng)選用SIEMENS公司的S7200系列CPU214，因為I/O點數(shù)不夠，另外選擇擴展模塊EM221。4.系統(tǒng)的硬件設計

(1)分配PLCI/O地址、內(nèi)部輔助繼電器的地址。表8-4為PLCI/O和所用內(nèi)部輔助繼電器地址分配表。

表8-4I／O和所用內(nèi)部輔助繼電器地址分配表(2)繪制PLC輸入/輸出接線端子圖。根據(jù)表8-4可以繪制出PLC輸入/輸出接線端子圖，見圖8-18。圖8-18PLC輸入/輸出接線端子圖5.系統(tǒng)的軟件設計

1)設計控制系統(tǒng)流程圖或功能表圖控制系統(tǒng)流程圖見圖8-19。

圖8-19控制系統(tǒng)流程圖2)PLC控制系統(tǒng)程序設計

(1)整體設計。為編程結(jié)構(gòu)簡潔、明了，可把手動程序和自動程序分別編成相對獨立的子程序模塊，通過調(diào)用指令進行功能選擇。當工作方式選擇開關選擇手動工作方式時，I0.7接通，執(zhí)行手動工作程序；當工作方式選擇開關選擇自動方式(單步、單周期、連續(xù))時，I1.0、I1.1、I1.2分別接通，執(zhí)行自動控制程序。整體設計的梯形圖(主程序)如圖8-20所示。圖8-20主程序梯形圖(2)手動控制程序。手動操作不需要按工序順序動作，可以按普通繼電器—接觸器控制系統(tǒng)來設計。手動控制的梯形圖見圖8-21。手動按鈕I1.3、I1.4、I1.5、I2.0、I2.1、I2.2分別控制下降、上升、左移、右移、夾緊、放松各個動作。為了保持系統(tǒng)的安全運行，還設置了一些必要的聯(lián)鎖保護，其中，在左右移動的控制環(huán)節(jié)中加入了I0.2作上限聯(lián)鎖，因為機械手只有處于上限位置(I0.2=1)時才允許左右移動。圖8-21手動控制的梯形圖

由于夾緊、放松動作選用了單線圈雙位電磁閥控制，故在梯形圖中用置位、復位指令來控制，該指令具有保持功能，并且也設置了機械聯(lián)鎖。只有當機械手處于下限(I0.1=1)時，才能進行夾緊和放松動作。(3)自動操作程序。由于自動操作的動作較復雜，不容易直接設計出梯形圖，因此可以先畫出自動操作流程圖，用以表明動作的順序和轉(zhuǎn)換的條件，然后根據(jù)所采用的控制方法，就能比較方便地設計梯形圖了。機械手的自動操作流程圖如圖8-19所示。圖中，矩形方框表示其自動工作循環(huán)過程中的一個“工步”，方框中用文字表示該步的編號；方框的右邊畫出了該步動作的執(zhí)行元件；相鄰兩工步之間可以用有向線段連接，表明轉(zhuǎn)換方向；有向線段上的小橫線表示轉(zhuǎn)換的條件，當轉(zhuǎn)換條件得到滿足時，便從上一工步轉(zhuǎn)到下一工步。

對于順序控制，可用多種方法進行編程，用移位寄存器也很容易實現(xiàn)這種控制功能，轉(zhuǎn)換的條件由各行程開關及定時器的狀態(tài)來決定。為保證運行的可靠性，在執(zhí)行夾緊和放松動作時，分別用定時器T37和定時器T38作為轉(zhuǎn)換的條件，并采用具有保持功能的繼電器(M0.X)為夾緊電磁閥線圈供電。其工作過程分析如下：①機構(gòu)處于原位，上限位和左限位行程開關閉合，I0.1、I0.4接通，移位寄存器首位M1.0置“1”，Q0.5輸出原位顯示，機構(gòu)當前處于原位。②按下啟動按鈕，I0.0接通，產(chǎn)生移位信號，使移位寄存器右移一位，M1.1置“1”(同時M1.0恢復為零)，M1.1得電，Q0.0輸出下降信號。

③下降至下限位，下限位開關受壓，I0.1接通，移位寄存器右移