柳燕飛

山東科技職業(yè)學(xué)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(jī)控制等[1]。其中繼電器控制的優(yōu)點(diǎn)是方便直觀，是電氣控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是往往由于繼電器控制方式的電氣原理圖設(shè)計(jì)過程復(fù)雜繁瑣，使廣大初學(xué)者望而卻步，如果巧妙理解和運(yùn)用了設(shè)計(jì)過程中的一些技巧，電氣控制設(shè)計(jì)就會(huì)清晰明了。

1 電氣控制系統(tǒng)分析

以C650型臥式車床電氣控制系統(tǒng)為例，總體研究繼電器控制設(shè)計(jì)的過程。普通車床的功能主要是進(jìn)行車削、鉆孔、鏜孔、倒角、割槽和切斷等工作。C650型臥式車床結(jié)構(gòu)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(tái)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)：電動(dòng)機(jī)M1，完成主軸運(yùn)動(dòng)和刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)[2]，M1是車床的主要工作電機(jī)，通過控制電動(dòng)機(jī)M1的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具工作，通過更換不同刀具即可完成相應(yīng)的車削、鉆孔、鏜孔、倒角、割槽和切斷等任務(wù)，電動(dòng)機(jī)M1采用直接起動(dòng)的方式起動(dòng)，可正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，并且為了準(zhǔn)確快速定位，正、反兩旋轉(zhuǎn)方向都加以反接制動(dòng)。為了加工調(diào)整方便，還需要具有點(diǎn)動(dòng)功能。電動(dòng)機(jī)M2是冷卻泵，在工件加工時(shí)實(shí)施冷卻[3]，電動(dòng)機(jī)M2采用單方向的連續(xù)運(yùn)行控制即可。電動(dòng)機(jī)M3實(shí)現(xiàn)刀架的快速移動(dòng)，選用大功率電動(dòng)機(jī)，要求根據(jù)需要隨時(shí)手動(dòng)控制起停，這里采用點(diǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)M1的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，KM4實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)M2的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)控制，KM5實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)M3的點(diǎn)動(dòng)控制，并且電動(dòng)機(jī)M1、M2帶有短路保護(hù)、過載保護(hù)和限流保護(hù)，電動(dòng)機(jī)M3帶有短路保護(hù)。

控制電路分析：按鈕SB1是電動(dòng)機(jī)M1的停止按鈕，SB3控制電動(dòng)機(jī)M1正向啟動(dòng)，SB4控制電動(dòng)機(jī)M1的反向啟動(dòng)，按鈕SB2控制電動(dòng)機(jī)M1的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行是正轉(zhuǎn)方向的，按下停止按鈕后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行反接制動(dòng)，通過速度繼電器KV控制制動(dòng)停止[4]。

按鈕SB5是電動(dòng)機(jī)M2的停止按鈕，SB6是電動(dòng)機(jī)M2的啟動(dòng)按鈕。

行程開關(guān)SQ是控制電動(dòng)機(jī)M3點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行的控制部件，是通過刀架的快速移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)?shù)都芸焖僖苿?dòng)操作手柄壓合行程開關(guān)SQ時(shí)，給接觸器KM5線圈送電，電動(dòng)機(jī)M3啟動(dòng)，操作手柄離開行程開關(guān)，則電動(dòng)機(jī)M3停止運(yùn)行。

2 設(shè)計(jì)技巧

2.1 安全保護(hù)

電氣設(shè)計(jì)過程中首先要設(shè)置安全保護(hù)。短路保護(hù)使用熔斷器實(shí)現(xiàn)，凡是能形成通電回路的都需要設(shè)置，包括主電路和控制電路，比如C650車床電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中三個(gè)電動(dòng)機(jī)主電路、啟動(dòng)指示燈回路以及控制回路都使用了熔斷器來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。過載保護(hù)使用熱繼電器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于有負(fù)載且負(fù)載會(huì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的電路，一般需要設(shè)置過載保護(hù)，防止負(fù)載過載運(yùn)行而燒毀，比如C650車床電氣系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)M1、M2主電路就采用熱繼電器實(shí)現(xiàn)了過載保護(hù)。根據(jù)電路運(yùn)行的情況還可以添加相應(yīng)可能較容易出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況進(jìn)行保護(hù)，比如主電路的設(shè)計(jì)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(diǎn)動(dòng)時(shí)連續(xù)的啟動(dòng)電流造成電動(dòng)機(jī)的過載，另一作用是電動(dòng)機(jī)M1反接制動(dòng)時(shí)可以減少制動(dòng)電流。這些特定情況需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中不斷地進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累。另外，為了精密電子儀器的正常運(yùn)行還可以進(jìn)行欠電壓保護(hù)，為了防止人身觸電還應(yīng)設(shè)置漏電保護(hù)?？傊?，設(shè)計(jì)電氣控制原理圖時(shí)，首先要保證設(shè)備和操作人員的安全。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

電氣控制設(shè)計(jì)過程中一定要采用模塊化設(shè)計(jì)思路，首先熟練掌握電氣控制設(shè)計(jì)的基本方式，針對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)，首先分析其功能組成，分模塊完成各功能設(shè)計(jì)，常見的電氣控制方式有點(diǎn)動(dòng)控制、連續(xù)控制和正反轉(zhuǎn)控制等，熟練掌握這些基本的設(shè)計(jì)模塊，然后根據(jù)功能要求在基本模塊基礎(chǔ)上進(jìn)行添加、修改及結(jié)合，設(shè)計(jì)過程就會(huì)大大簡(jiǎn)化。

如圖3反接制動(dòng)控制電路所示，交流接觸器KM1的線圈控制回路是正轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)行控制模塊，交流接觸器KM2的線圈控制回路是反轉(zhuǎn)連續(xù)運(yùn)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(dāng)按下停止按鈕SB2時(shí)，電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)從而短時(shí)強(qiáng)制動(dòng)，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(dòng)按鈕，并且正反轉(zhuǎn)兩交流接觸器不能同時(shí)通電，否則會(huì)發(fā)生主電路短路，需要進(jìn)行互鎖設(shè)置，這是正反轉(zhuǎn)模塊的內(nèi)容，總體看也符合正反轉(zhuǎn)控制模塊的設(shè)計(jì)思路。因?yàn)榇丝刂圃韴D中反向運(yùn)轉(zhuǎn)為制動(dòng)作用，所以何時(shí)停止尤為重要，如果過早制動(dòng)不完全，過晚又會(huì)造成制動(dòng)過量出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此反轉(zhuǎn)控制回路中再加入速度繼電器來控制反轉(zhuǎn)何時(shí)停止。速度繼電器的添加原則參考2.3小節(jié)起停串并聯(lián)控制。

其實(shí)，為了設(shè)計(jì)過程中模塊化的迅速實(shí)現(xiàn)，使用相對(duì)較多的調(diào)速控制、降壓?jiǎn)?dòng)控制和制動(dòng)控制等也可以作為控制模塊進(jìn)行直接調(diào)用、依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改使用。

再看C650車床電氣控制中，電動(dòng)機(jī)M1要求既可以正反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，又需要停止的時(shí)候進(jìn)行反接制動(dòng)，這跟剛才分析的制動(dòng)控制有所不同，基本模塊可以采用正反轉(zhuǎn)控制模塊，但是制動(dòng)過程因?yàn)橐呀?jīng)存在正反轉(zhuǎn)控制電路，所以直接添加停止按鈕時(shí)的反向制動(dòng)切換即可，因?yàn)榧扔袉?dòng)正反轉(zhuǎn)又存在停止時(shí)的正反轉(zhuǎn)制動(dòng)，所以引入了中間繼電器來實(shí)現(xiàn)停止制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)M1還需要有點(diǎn)動(dòng)的功能，這里把點(diǎn)動(dòng)控制與正反轉(zhuǎn)控制以及反接制動(dòng)三個(gè)模塊相結(jié)合。

電動(dòng)機(jī)M3的控制是在點(diǎn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)上對(duì)點(diǎn)動(dòng)控制按鈕稍作改動(dòng)，電動(dòng)機(jī)M2更是直接采用連續(xù)運(yùn)行控制基本控制模塊即可完成相應(yīng)功能。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，電氣控制圖可靠性大大提高，設(shè)計(jì)難度也大大降低。

2.3 起停串并聯(lián)設(shè)計(jì)

起停串并聯(lián)設(shè)計(jì)是在模塊化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，在完成基本模塊設(shè)計(jì)過程中，一般情況下，啟動(dòng)控制是將常開觸點(diǎn)并聯(lián)到啟動(dòng)支路中，停止控制是將常閉觸點(diǎn)串聯(lián)到控制回路中，啟動(dòng)條件好比我們說的“或”邏輯，只要滿足任何一個(gè)條件都可以發(fā)生啟動(dòng)，所以使用并聯(lián)，而停止條件好比我們說的“與”邏輯，一定有任何一個(gè)停止控制發(fā)生，電動(dòng)機(jī)必須不再工作，所以要采用串聯(lián)。

像圖3反接制動(dòng)控制電路中速度繼電器的常開觸點(diǎn)是交流接觸器KM2線圈斷電的停止條件，因此就串聯(lián)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(dòng)機(jī)M1的點(diǎn)動(dòng)控制的啟動(dòng)按鈕SB2是啟動(dòng)控制，與正反轉(zhuǎn)啟動(dòng)控制按鈕SB3、SB4都是使電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)工作的控制按鈕，按下任何一個(gè)啟動(dòng)按鈕電動(dòng)機(jī)M1都應(yīng)該開始轉(zhuǎn)動(dòng)，因此三者是并聯(lián)的關(guān)系，而點(diǎn)動(dòng)控制不能存在自鎖條件，所以SB2并聯(lián)是把整個(gè)正反轉(zhuǎn)控制的啟動(dòng)支路及保持支路即SB3和KA都包含。KM2和KM1的常閉觸點(diǎn)是防止正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，兩交流接觸器同時(shí)閉合造成主電路的短路，因而設(shè)置的互鎖控制，KM2常閉觸點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)時(shí)保證正轉(zhuǎn)不會(huì)啟動(dòng)，也就是正轉(zhuǎn)的停止控制，因此是串聯(lián)進(jìn)正轉(zhuǎn)控制電路中的。再比如熱繼電器是過載時(shí)應(yīng)該使整個(gè)電路停止工作，也就是FR的常閉觸點(diǎn)是整個(gè)電動(dòng)機(jī)M1控制回路的停止控制，因此FR是串聯(lián)在整個(gè)電動(dòng)機(jī)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(dòng)的條件是串聯(lián)在孔子電路中的，而停止的條件是并聯(lián)在電路中的。這個(gè)要跟上面所述情況區(qū)分清楚。在這里如果電動(dòng)機(jī)要發(fā)生啟動(dòng)就必須保證這個(gè)條件存在，所以必須保證這個(gè)條件是發(fā)生啟動(dòng)的“與”邏輯，也就是這個(gè)啟動(dòng)條件沒有滿足，那么電動(dòng)機(jī)就啟動(dòng)不了，所以應(yīng)該串聯(lián)進(jìn)電路中，同樣停止的條件意味著電動(dòng)機(jī)要停止必須是這個(gè)停止的條件已經(jīng)被破壞掉了，否則電動(dòng)機(jī)仍然可以通過這個(gè)條件維持運(yùn)轉(zhuǎn)，所以這里的條件相當(dāng)于“或”邏輯，應(yīng)該使用并聯(lián)方式。例如：如圖5順序啟?？刂齐娐分?，電動(dòng)機(jī)M1先啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)M2才可以啟動(dòng)，即電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)是電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)的條件，在控制電路中，控制電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)的交流接觸器KM1的常開觸點(diǎn)是交流接觸器KM2線圈通電的條件，因此KM1的常開觸點(diǎn)串聯(lián)在了KM2的線圈得電的控制回路中，而停止時(shí)必須電動(dòng)機(jī)M2先停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)M1才能停止運(yùn)轉(zhuǎn)，即控制電動(dòng)機(jī)M2運(yùn)轉(zhuǎn)的交流接觸器KM2的線圈失電應(yīng)該是控制電動(dòng)機(jī)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(xiàn)是KM2常開觸地?cái)嚅_，所以把KM2的常開觸點(diǎn)并聯(lián)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)

電氣控制設(shè)計(jì)過程中，在完成既定任務(wù)的前提下，電氣元件使用越少越好，線路越簡(jiǎn)單越好，首先電氣元件越少成本越低，安裝實(shí)現(xiàn)起來越容易，故障率也越低，當(dāng)然這一切首先是以保障功能完全實(shí)現(xiàn)且線路安全的前提下，比如主電路中，電動(dòng)機(jī)M3是短時(shí)工作，不存在過載的情況，這里就優(yōu)化了FR，不設(shè)過載保護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以C650臥式車床的電氣控制原理圖設(shè)計(jì)分析，闡述了電氣控制設(shè)計(jì)過程中的使用技巧，包含安全保護(hù)、模塊化設(shè)計(jì)、起停串并聯(lián)設(shè)計(jì)和最簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)要求功能電氣控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，只要能夠完成既定功能且保障設(shè)備及人身安全的設(shè)計(jì)都是可取的，如何快速經(jīng)濟(jì)地完成設(shè)計(jì)目標(biāo)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(shè)計(jì)者的效率和電氣原理圖的可靠性。