電氣控制技術的設計技巧探討

中鐵第五勘察設計院集團有限公司 李 明

電氣控制技術是應用十分廣泛，包括單片機控制、計算機控制、PLC、人工智能等多種形式。由于這是一項專業(yè)性很強的工作，要想較好的完成此類工作，就需要豐富的理論基礎支持，另外電氣控制也通常面向設備的實際應用，故此經驗也起著至關重要的作用。掌握電氣控制技術的設計技巧對設計人員具有重要意義，同時在行業(yè)發(fā)展過程中也要加強對電氣控制系統(tǒng)設計的探究，通過分析研究電氣控制系統(tǒng)設計，優(yōu)化內部性能。

目前電氣控制系統(tǒng)廣泛應用在電氣工程中，通過對繼電保護的自動化技術進行創(chuàng)新，加強其安全性以及實用性，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，以此來保證電力行業(yè)可以更快發(fā)展，從而提升城市經濟的發(fā)展速度。

1 電氣控制系統(tǒng)設計概念與設計標準

1.1 電氣控制系統(tǒng)設計概念

電氣控制系統(tǒng)的設計主要包括電氣控制系統(tǒng)制造、使用和維護所需的各種數據和圖紙，包括電氣接線圖、電氣原理圖、電氣安裝圖、部件清單、設備使用說明書、維護說明書等重要圖紙及其他重要資料。電氣控制系統(tǒng)的設計有很多環(huán)節(jié)，其中對總體設計有顯著影響的環(huán)節(jié)包括控制方案的確定、電機容量的選擇和電氣控制電路的設計。

1.2 電氣控制系統(tǒng)設計標準

1.2.1 機械和電氣設計要相互協(xié)調

機械驅動和電氣控制是一種互相約束的關系：某一特定情況下各零件的尺寸是影響其運轉的主要因素，零件的品質對整個設備的運行有很大的作用。這兩樣東西都是必須的。在使用機電一體化控制的過程中，應根據控制要求、工藝要求和工藝過程來決定機電的相互聯系；針對不同的生產設備和制造技術，對電力控制的需求也越來越大。電力控制是一個生產廠家的關鍵設備，它的好壞影響著產品的質量和成本，也是一家公司的一個重要指標。為確保生產設備及生產過程的安全，必須對電力系統(tǒng)進行合理的設計。

1.2.2 提出系統(tǒng)的設計方案

根據控制系統(tǒng)的構成，并根據現場的具體條件，選擇PLC 為控制器、HMI 接口，并完成了相關的軟體和軟體的設計，并對該系統(tǒng)進行了試驗和評價。在滿足控制需求的基礎上，通過對其進行優(yōu)化、調整，達到指標高、質量高、速度快的自動操作；確保控制系統(tǒng)安全高效地工作[1]。

2 電氣控制系統(tǒng)主要設計內容與一般流程

電氣控制系統(tǒng)的設計主要包括原理設計和工藝設計兩部分。以電氣傳動控制設備為例，主要設計內容如下。

2.1 電氣控制系統(tǒng)主要設計內容

電氣控制系統(tǒng)原理設計主要內容：制定電子電路的設計計劃；選用適當的電動機和電動機；畫出電控系統(tǒng)的設計圖紙和技術指標；選取適當的電子組件并設定組件清單；確認線路的連接情況；畫出線路方塊圖；裝置的裝配和調試；對電器的操作進行確認；做好保安工作；對所使用的儀器進行常規(guī)的檢驗和維護；編寫圖紙和計算。在設計過程中電路板是關鍵的一步，是進行過程的必要技術數據。

電氣控制系統(tǒng)工藝設計主要內容：工藝設計主要是為了便于組織電氣控制系統(tǒng)的制造，以實現原理設計中提出的技術指標，并為設備的調試、維護和使用提供相關圖紙，主要內容包括：設計總安裝圖、電氣總布置圖、總接線圖；設計部件布置圖、安裝圖和接線圖；設計電氣箱、控制臺和非標準部件；列出組件；準備操作和維護說明。

2.2 電氣控制系統(tǒng)設計一般流程

2.2.1 擬定電氣控制系統(tǒng)設計方案

設計方案不僅是整個電氣控制系統(tǒng)的設計依據，也是設備竣工驗收的依據。設計任務的制定一般由技術領導部門、設備使用部門和任務設計部門來完成：設備名稱、功能、整體結構、操作要求及工藝介紹；電氣驅動方式以及自身控制要求等；聯鎖及保護要求；設備驗收標準；其他需求。

2.2.2 落實電力拖動方案

電力拖動方案是指根據加工精度、生產機械結構，加工效率要求、確定電機的型號、傳動方式，數量、轉向、運行、制定電機啟動、調速、制動等控制要求，運動要求、運動部件數量、負載性質、調速要求和投資。電力拖動方案的確定應從以下層面考慮。

2.2.2.1 拖動方式的選擇

有單獨驅動和集中驅動兩種。多臺電動機的動力牽引，可減小機械式的傳動鏈條、增加傳動效能，使整個系統(tǒng)結構更加簡單。該系統(tǒng)已達到自動操作，在國內有著很好的應用前景。在特定的選擇中，根據技術和構造來確定電動機的數目；選擇調速方案。在大型、重型設備的主動送料時，盡量使用無級變速控制，有利于簡化機構的構造、節(jié)約生產費用。一般、微型的若無特別需求，可選用經濟便利的三相籠式高效電機[2]。

2.2.2.2 電動機調速性能要匹配負載特性

對于恒定負荷，選用電動機的速度調節(jié)方式，使之適應于生產設備的負荷特點，使之得到全面、合理的使用。在滿足設計需求時應該選用結構較小、造價較低的產品；三相交流異步電動機方便操作和維護，電機的選配應根據電機的選用而定；電機容量計算一種是解析計算法、一種是統(tǒng)計類比法。分析計算方法是根據機械功率估算電機的工況預選電機，然后根據電機的實際負載情況制作負載圖，根據負載圖檢查溫升，確定預選電機是否合適。如果沒有則重新選擇，直到電機合適為止。在相對簡單、無特殊要求、生產量小的電氣傳動系統(tǒng)中，通常根據經驗采用統(tǒng)計類比法或工程估算法選擇電機容量。一般選擇容量稍大一些的等級并保留一定的余量，避免異常情況下電機過載。

2.2.2.3 選擇控制模式

該系統(tǒng)的控制模式應與牽引計劃的控制需求相一致。根據設備特點及現場條件，決定了其控制模式?？刂颇Ｊ胶脱b置的種類有很大關系，采用的方法也會有很大的差別。所以選擇合適的、合理的控制方法是確保產品的品質的關鍵。在電子技術發(fā)展的今天，機械電子驅動從傳統(tǒng)的繼電器-觸點控制逐漸發(fā)展為CNC 控制、PLC 控制和微機聯網控制，不同的控制方法具有各自的特性、使用情況和技術需求；繪制電子電路電路板和各個部件的主要部件的型號和數目，并提供相關的設備；電力裝置的圖紙；編制一份產品的設計手冊和操作指南。

3 電氣控制技術的設計

3.1 電氣控制技術設計難點

電氣控制技術通過設計小型電氣控制設備從而實現對大型機械的控制，確保生產工作的集中、高效和穩(wěn)定，設計中應考慮的因素有：目標生產過程的安全性、穩(wěn)定性和質量要求；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；遠程、無線穩(wěn)定控制等。在此工作需求下電氣控制設計的難點主要體現如下。

3.1.1 積累豐富的工作經驗

車間生產的電氣控制設計不同于傳統(tǒng)的軟件邏輯設計，它的應用環(huán)境非常復雜，需考慮很多因素。然而在設計過程中易出現針對性不足的情況，這不能保證電氣控制設計能完美地適應生產環(huán)境。同時電氣控制系統(tǒng)涉及面積較廣、設備較多，對于較為復雜的系統(tǒng)，電力系統(tǒng)中各設備裝置間也有著較為密切的聯系，如某一節(jié)點發(fā)生問題就可能會導致系統(tǒng)性的影響，從而對整個電力系統(tǒng)在生產工作過程中會產生較大故障因素。因此較多企業(yè)在電力控制系統(tǒng)設計中應設置繼電的保護裝置，可利用繼電保護裝置對其實時進行保護，避免在電力使用過程中出現安全事故，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設備，是利用傳感器對電力設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并將所獲得的數據進行收集和處理。在此基礎上根據自己的經驗和有關的理論知識制訂出一套實用的維修計劃，以保證電網的安全、穩(wěn)定運行；很實用。通過對電力系統(tǒng)特殊運行狀態(tài)的監(jiān)測，實現對電力系統(tǒng)的保護、動態(tài)監(jiān)測和校正。除掌握電氣控制的基本邏輯和繼電保護的基本原理外，還需對系統(tǒng)應用場景有充分的了解，以確保電氣控制設計的實際應用價值[3]。

3.2 電氣控制技術的設計方法

電控設計方法主要包括經驗設計和邏輯設計。不同于一般分類，在電氣控制設計中經驗設計和邏輯設計是互補的，而不是完全分離的兩個獨立的設計過程。

3.2.1 邏輯設計

是一種基于程序語言的電氣控制系統(tǒng)設計方法，電氣控制系統(tǒng)的功能大多是通過邏輯設計的方式來實現的。經驗設計對電氣控制功能的劃分給出了指導和建議，但在日益復雜的生產背景下，傳統(tǒng)的導線控制方式顯然無法實現大多數功能的方便穩(wěn)定控制。因此邏輯設計方法作為經驗設計的缺陷補充和功能實現手段應運而生。常用的邏輯設計模式有多條件獨立分支控制設計及多條件全分支控制設計。無論何種模式都通過邏輯概念對復雜生產條件下的控制電路進行優(yōu)化，以最簡單的電路實現生產設備的穩(wěn)定運行。

3.2.2 經驗設計

就是根據現有的生產經驗對電氣控制系統(tǒng)的功能模塊進行規(guī)劃設計，并通過一定的手段在軟件系統(tǒng)和控制設備中實現。在實際工作中的表現主要是將復雜的電路系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，從而簡化結構設計，保證電氣控制設計的便捷性和準確性。一般在經驗設計理念的指導下，電氣控制設計將按啟動、聯鎖、關機、順序、自鎖、保護以及延時控制等多個功能模塊進行，對電控設計具有指導作用，對電控設計的集成化具有重要意義。

3.3 電氣控制技術的設計技巧

3.3.1 邏輯設計方法的技巧和應用

邏輯設計方法的技能比經驗設計方法更專業(yè)。因其是對經過經驗設計優(yōu)化的電路進行邏輯分析、剔除不必要的電路和開關設計，所以設計者須掌握電路控制的基本原理。同時在設計過程中還需進行邏輯論證，以保證簡化后的電路與原電路功能的一致性。雖然實現邏輯設計的技巧是復雜的，但沒有邏輯設計電氣控制電路通常會過于復雜、安裝困難，且會浪費大量的資源。

邏輯設計技能也可根據邏輯設計分為兩類：對于多條件的獨立分支控制該技術的實現相對簡單，由于采用了面向單電路的結構，可直接對各個節(jié)點進行功能分析，并可將相似的節(jié)點組合起來，簡化控制電路；對于多條件全支路控制設計，其基本思想與單個支路控制相似，但由于涉及的接觸數量過多，常采用狀態(tài)表的手段進行輔助分析，線路斷開或運行用兩個數字0或1表示，從而實現相同功能觸點的快速組合，保證控制電路設計最簡單[4]。

3.3.2 經驗設計方法的技巧和應用

經驗式設計技能是指在電控設計中積累的針對不同生產環(huán)境和問題的解決方法。如，在設計過程中對電氣元件的選擇和動力電纜的規(guī)格選擇等。通常電機設備銘牌上都會標明電機的額定功率和額定電流值，通過查詢電氣廠家樣本相關的元器件型號就可確定適合的規(guī)格型號；如在設計初期電機設備還沒有采購的情況下，也可參考電氣設備廠家樣本查看同功率設備的額定電流值，從而完成電氣元件的選型設計。電纜規(guī)格的選型和工作經驗更加密不可分，因需考慮很多因素，如電纜的使用環(huán)境、敷設方式、電纜載流量、敷設的距離等，如電纜是室外埋地敷設就要選擇鎧裝電纜；如是用于消防就要選擇耐火型電纜。所以電纜選型時要盡量選稍大一級的規(guī)格，避免在使用過程中發(fā)熱嚴重損壞絕緣層。

總之，電氣控制設計不僅是一項理論支撐性很強的工作，且對實踐經驗的要求也很高。應重視、學習和靈活運用電氣控制設計技巧，在充分接受前人積累的基礎上，提高電氣控制設計的效率和功能完善，確保生產設備穩(wěn)定、安全運行。因此，必須對電氣控制系統(tǒng)設計進行合理規(guī)劃，優(yōu)化運行效率，以確保電氣控制系統(tǒng)在應用過程中發(fā)揮自身的價值，為電氣工程長遠發(fā)展夯實基礎。