电气控制柜设计制作．电路篇(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：任清晨

出版社：电子工业出版社

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电气控制柜设计制作．电路篇试读：

前言

电是一种绿色环保型二次能源，电的使用使科学技术得到了飞速的发展，同时使人类的生产、生活水平得到了极大的提高。当今世界上如果没有电，人类的生产、生活将会一团糟，情况将难以想象。为了更好地使用电这种能源，人类一天也没有停止过对其特性及其应用技术的研究。为了更好地利用电能，全世界的所有全科大学、工科院校和职业技能培训机构几乎毫无例外地都开设了电气专业的课程。虽然电可以造福人类，但是在使用电能的同时，电能对使用者也具有极大的危害和潜在的风险。利用机柜作为电气控制装置的外壳进行安全防护，就构成了电气控制柜。

电气控制设备是人类使用电能为自身服务的工具和桥梁。人类从利用电能的第一天起从未停止过对电气控制设备的研究，使电气控制设备及其性能日臻完善。电气控制设备的使用遍及人们生产、生活的各个角落和各行各业。电气控制柜的设计和制作工艺技术水平，直接影响着人类使用电能为自身服务的水平和质量。因此，提高电气控制柜的设计和制作的从业人员及欲加入电气控制设备制造行业的人员的技术工艺水平，具有十分重要的意义。“电气控制柜设计·制作·维修技能丛书”以很自然的方式，将电气控制柜制作的前人经验及相关国家标准和工艺规范的具体内容融入各章节中，拥有本丛书可以省去查阅相关国家标准和各种手册的大量时间，基本可以做到一书在手即可解决电气控制柜制作中的几乎全部问题。本丛书的特点是以国家标准为主线，避开行业问题及与生产无关的纯理论问题，重点介绍各行各业均适用的电气控制柜设计制作的实用生产技术和职业能力。对于电气控制设备生产企业的从业人员和电气控制设备使用企业的维护修理人员来讲，本丛书是一套工具书；对于大专院校和职业技术院校电气专业在校学生来讲，本丛书是一套教辅参考书，可以有效地提高毕业生的工作能力和就业竞争力；对于职业技术培训机构和自学成才者来讲，本丛书是不可多得的教材。“电气控制柜设计·制作·维修技能丛书”由3个分册组成：第一分册《电气控制柜设计制作——电路篇》，第二分册《电气控制柜设计制作——结构与工艺篇》，第三分册《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》，三个分册构成一个比较完整的体系。本书是丛书的第一分册，主要讲解电气控制技术的发展、电气控制柜使用条件及主要性能指标、影响电气控制柜制作的因素、电气控制柜设计制作的原则、电路设计规范、电路图的设计方法及注意事项、元器件的选择原则和使用方法。学习本丛书前，最好先学习一些机械基础知识、电工电子技术基础知识和液压基础知识，这样会收到事半功倍的学习效果。

本书由任清晨主编，魏俊萍、王维征、刘胜军、任江鹏、李宏宇、曹广平、赵丽也参与了部分书稿的编写工作。在编写过程中，查阅了大量的相关国家标准和出版物，并且阅读了互联网上的相关文章，这些出版物和文章为本书的编写提供了大量的素材，在此向这些文章的作者表示衷心的感谢。本书内容经过中国科学院电工所科诺伟业公司武鑫博士、天威保变风电公司鲁志平总工程师审阅，在此向二位专家表示衷心的感谢。编者

第1章 电气控制

1.1 概述

1.1.1 电气控制技术发展简史

任何技术和技能的发展都源于人类生产和生活的需要及人类在生产活动和生活中创造发明的长期积淀。因此，了解人类历史的科学技术发展史、近代工业革命的历史和电气控制技术发展的几个阶段，有助于对电气控制技术的学习。1.1.1.1 人类历史的科学技术发展简史

科学技术在人类历史的长河中出现了5次大的飞跃，变革了历史的发展进程。

第一次是取火技术的发明和应用，结束了人类的野蛮时代，进入了文明时代。

第二次是农业技术体系的形成，使人类的生产生活进入稳定的农业文明时代，形成自给自足的农业经济。

第三次是蒸汽机的发明和应用，机械技术的应用使人类进入工业社会时代。

第四次是电的发明和应用，电气技术的应用使人类进入电气文明时代。

第五次是核能和电子技术的发明和应用，促进了高科技产品的诞生，使人类的生活发生了亘古未有的巨大变化。1.1.1.2 近代工业革命的三大阶段

1．第一次工业革命

早期的工业生产，除人力之外只有以畜力、风力或水力作为动力。人类为了生存及生活得更美好，在同自然界的斗争中深感自己的渺小和无力，总是梦想自己能够具有大象般的力量和骆驼一样的耐力。

在18世纪60年代前后开始于英国的工业革命称为第一次工业革命，又称为产业革命或第一次科技革命。1788年瓦特发明了蒸汽机，蒸汽机的发明实现了人类多年的愿望，解决了动力来源问题，最终导致了产业革命，使生产力得到了巨大发展。这是近代以来的第一次世界性技术革命。

机械动力的使用，第一次有可能把人类从繁重的劳动中解放出来，使生产效率得到了极大的提高。以蒸汽机的发明和应用为主要标志，从此人类进入“机械时代”。具有良好的自动控制系统是蒸汽机得以成功应用的必要条件之一，它标志着机械自动化领域技术化和理论化阶段的开始。蒸汽机上的离心式自动调速装置是机械式自动控制系统的代表（见图1.1.1）。但由于每个需要动力的工厂必须安装锅炉、蒸汽机、笨重的皮带轮轴传动装置，还需要自己解决燃料来源及运输等问题，仍然很不方便。图1.1.1 瓦特蒸汽机上的离心调速机构

机械装置是由轴、齿轮、凸轮、皮带、杠杆等机械零件组成的，机械钟表是人们日常生活中最常见的机械装置，利用机械装置可以实现生产机械的自动化。但是机械自动化具有其天然的缺陷：一是机械动力无法远距离传输；二是机械装置无法进行远距离控制；三是机械装置全部是刚性结构，一经制成便无法改变，只能完成特定的功能，也就是说没有柔性。这些原因阻碍了机械自动化的进一步发展。直到电气自动化技术与其相结合，机械自动化才进入了第二个春天。

2．第二次工业革命“电”是一个与人们生活息息相关、密不可分的事物，人们从一开始对它恐惧到逐渐认识，再到加以利用，经历了一个漫长的过程，“电”也因此改变了人类的命运。电的发明和利用，促进了人类制造技术的发展，而以制造业为基础的工业文明，使得人类社会进入了一个崭新的时代。

19世纪的第二次世界性技术革命是以电的发明和电力的广泛运用而开始的，大致发生在我国清朝光绪到“中华民国”这段时间。电的发明和应用是大批科学工作者在一段时期内通过不懈的努力取得的成果，从此使人类进入“电气时代”。

所谓“电气时代”，是指以电能作为一种主要的能量形式支配着社会经济生活。电能的突出优点在于：第一，它是一种易于传输的工业动力；第二，它还是极为有效、可靠的信息载体。因此，电力时代主要体现在动力传输与信息传输两个方面。与动力传输相关联，出现了大型发电机、高压输电网、各种各样的电动机和照明电灯；与信息传输相关联，出现了电报、电话和无线电通信。这些伟大的发明使人类的生活进入了一个更光明、更美好的新时期。

早在我国东汉时期，王充在《论衡》一书中提到“顿牟掇芥”等问题。在公元前585年，古希腊哲学家塞利斯已经发现了摩擦过的琥珀能吸引碎草等轻小物体。到1660年，马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机；1745年，荷兰人发明蓄电池；1819年，丹麦科学家奥斯特就发现了电流的磁效应现象。1820年，法国科学家安培根据奥斯特的报告，对磁场与电流之间的关系作了进一步的整理与研究。他认为，两条电线平行放置的时候，电流流动的方向相同时，会相互排斥；相反，则会相互吸引。如果将电线绕成线圈，通电后，线圈就会像自然界的磁石一样。现在，安培的名字已经家喻户晓，成为电流强度单位的名称。大约在同一时期，德国人欧姆发现了电阻定律：导体上存在着一种阻力，随着长度的增加而增加，但随着截面面积的增加而减小。电阻的存在使电流随着电线长度的增加而逐渐减弱。1831年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，提出了发电机的理论基础。1837年英国发明电报，第二年美国就推广使用了。

1866年，德国工程师西门子制成了发电机；1870年，比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始被用来带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。在电力的使用中，发电机和电动机是相互关联的两个重要组成部分。发电机将机械能转化为电能；电动机则将电能转化成机械能。1876年贝尔发明了电话；1879年爱迪生发明了世界上第一只实用的白炽灯，从此将光明带进人们的生活。随后，电灯、电话、电焊、电钻、电车、电报等如雨后春笋般涌现出来。各种电动生产工具和生活用具的出现，导致了对电的大量需求。

把电力应用于生产，必须解决远距离输送问题。1876年，俄国出现了街道及家庭的电力照明。1882年，法国学者德普勒发现了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生在纽约创建了美国第一个火力发电站，把输电线连接成网络。随着对电能需求的显著增加和用电区域的扩大，直流电动机显示出成本高、易出事故等缺点。从19世纪80年代起，人们又投入了对交流电的研究。交流电具有通过变压器任意变化电压的长处，使输电效率达到80％以上，最早较大规模使用交流电是在电力照明中的应用。1885年，意大利科学家法拉第提出的旋转磁场原理，对交流电机的发展起到了重要作用。19世纪80年代末90年代初，人们研制出三相异步发电机，这种比较经济、可靠的三相交流电机迅速得到推广。

电、电流、电磁感应和电磁波的发明和应用，以及电力传输的成功，是使电力取代蒸汽动力的重大突破，它使电力很快成为广泛应用的能源和动力。电力工业的发展进入新的阶段。电力照亮了城市和农村，为工厂和矿山提供了方便、灵活的强大动力，成为生产、交通运输、通信等全面转向工业化的决定因素。

随着发电厂的建立，需要有通、断大电流且耐受高压的断路器设备。20世纪20年代最简单的断路器是金属棒与盛有水银的容器。接通时就将金属棒插入水银中，断开时将棒提起。这种开关比较笨重，价钱也很贵，使用时要操动几次才能保证接触良好。这迫使人们寻求更好的办法。除了在接通后开关触点要接触良好之外，随着功率和电流的增大，断路器断开时会产生火花（称为电弧）。电弧的高温可以使触点烧环，甚至熔化，造成伤人或火灾。因此必须设法使电弧及早熄灭，使电路得以分断成功。1893年，M.O.多里沃-多布罗夫斯基发明了电磁断路器，1895年，英国费朗梯取得油断路器专利。

通常采用多台机组、多个发电站（包括水力及火力电厂），用输电线连接成网，形成了由众多发电站、输电线、变电所、配电网及广大用户组成的电力系统。电力系统在负荷上能互相支援，故障中有多路供电，使电能的供应更为安全可靠、经济高效。

电力系统中为了减小事故造成的损失，保护人身及设备的安全，必须有保护设施。最早的保护设备只是简单的熔断器、避雷器、断路器等。随着机组的加大和电压等级的提高，陆续研制出各种继电器及量测设备，组成保护电路，“继电保护”已经发展成为电厂中的一种专门技术。直到现在人们的技术水平还不能完全适应需要，包括欧美工业发达的国家，也一再出现电力系统失控，造成大面积停电。每次故障的损失常以数亿元计算。对电力系统稳定性的研究正在进一步发展中，“继电保护”的市场需求是电气控制技术发展的基础条件。

19世纪末20世纪初，在世界上掀起了电气化的高潮，美国、德国由于最早实现了电气化而迅速进入世界工业强国行列。电力技术的广泛应用，首先促进了电力工业、电气设备工业的迅速发展。以发电、输电、配电这三个环节为主要内容的电力工业产生并发展起来了。发电机、电动机、变压器、断路器及电线、电缆等电气设备制造工业也迅速兴起，同时还促进了材料、工艺和控制等工程技术的发展。电力技术的发展使许多传统产业得到改造，使得一系列新技术应运而生。

3．第三次工业革命

伴随着人类文明的不断前行，人们始终没有停止对电力这种能源的开发与利用，应运而生的电子技术也为人们更好地利用这种能源提供了巨大的帮助，而同样不断发展的客观要求，使得电气产品由传统型向组合化、智能化、高灵敏度和高可靠性方向发展。

第三次工业革命从20世纪40年代开始，以电子技术的发明和应用为主要标志。

1）电子管与晶体管

人类在与自然界斗争的过程中，不断总结和丰富着自己的知识。电子科学技术就是在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线电检波。1906年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极——栅极而发明了电子三极管，从而建立了早期电子技术史上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳。但是电子管毕竟成本高、制造繁、体积大、耗电多，自1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，不能否定电子管独特的优点，在有些装置中，无论从稳定性，经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。

1957年，美国通用电气公司研制出世界上第一个晶闸管，使半导体技术进入了强电领域。其结构的改进和工艺的改革为新器件的开发和研制奠定了基础。经过近二十年的工艺完善和应用开发，到20世纪70年代，晶闸管已趋于成熟，形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时还派生了不对称晶闸管（ASCR）、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管（TRIAC）等器件。20世纪80年代末期和90年代初期发展起来的，以功率MOSFET和IGBT为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

2）集成电路

第一个集成电路是在1958年见诸于世的。集成电路的出现和应用，标志着电子技术发展到了一个新的阶段。它实现了材料、元件、电路三者之间的统一；同传统的电子元件的设计与生产方式、电路的结构形式有着本质的不同。随着集成电路制造工艺的进步，集成度越2来越高，出现了大规模和超大规模集成电路（如可在一块6mm的硅片上制成一个完整的计算机），进一步显示出集成电路的优越性。集成电路的微型化和高可靠性使分立器件电路相形见绌、望尘莫及。

3）数字计算机控制技术（1）数字逻辑控制技术

数字控制是按数字化的代码组成的程序对控制对象实现自动控制的一种方法。

数字控制和数字测量也在不断发展，并得到日益广泛的应用。数字控制机床和“自适应”数字控制机床相继出现。目前利用电子计算机对几十台乃至上百台数字控制机床进行集中控制（所谓“群控”）也已经实现。（2）计算机控制技术

随着半导体技术的发展和科学研究、生产与管理等的需要，电子计算机应时而兴起，并且日臻完善。从1946年诞生第一台电子计算机以来，已经经历了电子管、晶体管、集成电路及超大规模集成电路四代，运算速度已达每秒千亿次。自从1971年美国Intel公司生产出世界上第一台微处理器Intel 4004以来，微处理器的性能和集成度几乎每两年就提高一倍，价格却大幅度下降。在随后30多年的时间里，微型计算机经历了4位机、8位机、16位机、32位机几个大的发展阶段，目前64位机也已经普遍使用。随着半导体集成电路技术的发展，微型计算机的运行速度越来越快，可靠性大大提高，体积越来越小，功能越来越齐全，成本却越来越低，使微型计算机的应用越来越广泛。微型计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的变革。现在正在研究和开发第五代计算机（人工智能计算机）和第六代计算机（生物计算机），它们不依靠程序工作，而依靠人工智能工作。

计算机控制是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题。计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结合，推动计算机控制技术不断发展。微型计算机不仅可应用于科学计算、信息处理、办公娱乐、民用产品、家用电器等领域，而且在仪器、仪表及过程控制领域也得到了广泛的应用。仪器、仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理及系统控制等方面有着重要的应用，在许多高精度、高性能、多功能的测量仪器中都采用了微处理器技术。过程控制也是微型计算机应用最多的一个方面，控制对象已从单一的工艺流程扩展到整个企业的生产、管理及现场各种设备的控制中，采用分布式计算机控制，实现了企业的控制和管理一体化，大大提高了企业的自动化程度。

近年来，随着计算机技术、自动控制技术、检测与传感器技术、网络与通信技术、微电子技术、显示技术、现场总线智能仪表、软件技术及自控理论的高速发展，计算机控制的技术水平大大提高，计算机控制系统的应用水平突飞猛进。利用计算机控制技术，人们可以对现场的各种设备进行远程监控，完成常规控制技术无法完成的任务，微型计算机控制已经被广泛地应用于军事、农业、工业、航空航天及日常生活的各个领域。大到载人航天飞船的研制，小到日用的家用电器，甚至计算机控制的家庭机器人，到处可见计算机控制系统的应用。

4）计算机网络通信技术

从人类发明电报电话之日起，通信技术就已经产生。现代通信技术主要研究信号的产生、信息的传输、交换和处理，以及在计算机通信、数字通信、卫星通信、光纤通信、计算机网络、个人通信、平流层通信、多媒体技术、互联网技术、数字程控交换等方面的理论和工程应用问题。通信技术是以现代的声、光、电技术为硬件基础，辅以相应软件来达到信息交流目的。通信技术随着现代科学技术水平的不断提高而得到迅速发展。

通信技术是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进行信息传递的方式。计算机网络就是将分散的计算机通过通信线路有机地结合在一起，达到相互通信，实现软/硬件资源共享的综合系统。网络是计算机的一个群体，是由多台计算机组成的，这些计算机是通过一定的通信介质互连在一起的，使得彼此间能够交换信息。

计算机网络控制的功能主要体现在三个方面：信息交换、资源共享、分布式处理。（1）信息交换

信息交换是计算机网络最基本的功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的系统通信。用户可以通过网络传送电子邮件、发布指令、进行监测、电子贸易、远程控制、聊天等。（2）资源共享

所谓的资源是指构成系统的所有要素，包括软/硬件资源，如计算处理能力、大容量磁盘、高速打印机、绘图仪、通信线路、数据库、文件和其他计算机上的有关信息。由于受经济和其他因素的制约，这些资源并非（也不可能）所有用户都能独立拥有，所以网络上的计算机不仅可以使用自身的资源，也可以共享网络上的资源。因而增强了网络上计算机的处理能力，提高了计算机软/硬件的利用率。（3）分布式处理

一项复杂的任务可以划分成许多部分，由网络内各计算机分别协作并行完成有关部分，使整个系统的性能大为增强。

通信与计算机控制技术的融合，将电气控制技术发展到一个新的阶段。20世纪90年代走向实用化的现场总线控制系统正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统的出现，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。多协议、多层次、专业网络、行业总线将是未来十年现场总线发展的方向，应根据应用的场合不同来进行选择，同时支持多种协议的网关芯片也将随着装备技术和芯片技术的发展而日益成熟。

一般过程控制中可能选PROFIBUS等，PROFIBUS可以说是一个很好的块通信协议，相当严谨；具有诊断、参数化、配置、数据交换能力，且在可靠性方面相当完备。PROFIBUS的最大优点是状态机与通用处理器之间的多缓存结构，使通信的实时性、一致性和可靠性得到了充分的保证。

就目前来说，控制功能的应用仍然是通过有线电缆来完成的。现今的无线技术是对有线技术强有力的补充。在工业过程控制领域，安全、有效的工厂操作总是放在第一位的。无线技术更为可靠、连续、兼容的操作方式将给整个工业界以信心，越来越多的无线控制设备将应用于工厂中。1.1.1.3 电气控制无处不在

早上起来，被用电池驱动的闹钟吵醒，打开电灯，卷起暖和的电热毯，穿好衣服，使用电磁炉加热早餐。走出家门，坐上电车去公司上班，电车司机按照十字路口的红绿灯指示，安全地把您送到目的地。在工作岗位，首先要打开电子计算机查看往来的电子邮件，然后使用打印机或复印机准备会议时需要分发的文件。接着来到会议室打开照明灯光，开始调整投影仪及音响设备。会议结束后，需要到市场车间查看各种数控设备、起重运输设备、检测设备等设备是否运转正常。下班后，立刻打开手机与朋友联络聚餐。

今天的世界已是电的世界，人们几乎没有一天可以离开电。没有电，洗衣机不能用，衣服不能洗净烘干；电视不能看；游戏机不能玩；十字路口的红绿灯不能亮；工厂无法开工；人们吃饭都会遇到困难。如果一天没有电，就会觉得忽然变得无所事事、寸步难行，因为大部分的工作与生活都会受到影响。

没有先进的电气控制技术，就不可能有许许多多的人造卫星在太空翱翔，工厂也不会有完全自动的无人值守生产线，通信技术只能停留在人工接线阶段，地面上也不可能有高速列车在飞驰。电气控制早已渗透进人们生活及工作的方方面面，电气控制无处不在。

1.1.2 电气控制

电气控制技术是以各类电力拖动装置与系统为对象，以实现控制过程自动化为目标的控制技术。电气控制系统是自动化系统的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到了广泛应用，是实现工业生产自动化的重要技术手段。现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标，在很大程度上取决于生产设备的先进性和电气自动化程度。

自动化是人类自古以来永无止境的梦想和追求目标。电气自动化，是指在人类的生产、生活和管理过程中，通过采用一定的电气技术装置和策略，使得仅用较少的人工干预甚至没有人工干预，就能使系统达到预期目的的过程，从而减少和减轻了人的体力和脑力劳动，提高了工作效率、效益和效果。由此可见，电气自动化涉及人类活动的几乎所有领域。

随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用、新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触点硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。新的控制理论和新型电器及电子器件的出现，成为电气控制技术发展的新的推动力。1.1.2.2 电气控制设备

电气控制设备又称为电气控制装置，电气控制设备在自动化系统中起着电能控制、保护、测量、转换和分配的作用。随着控制技术、高低压电气元器件技术、电气自动化技术及计算机软/硬件技术的不断发展，电气控制设备也在向数字化方向发展。

1．电气控制设备的功能

为了保证被控设备运行的可靠与安全，需要有许多辅助电气设备为之服务。能够实现某项控制功能的若干个电气元件及组件的组合称为控制回路。电气控制设备一般分为一次控制回路和二次控制回路，不同的被控制设备有不同的控制回路，而且高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不同。这些设备要有以下功能。

1）自动控制功能

自动控制指的是在没人参与的情况下，利用电气控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。例如，高压和大电流开关设备的体积是很大的，一般都采用操作系统来控制分、合闸，特别是当设备出了故障时，需要开关自动切断电路，因此要有一套自动控制的电气操作设备，对供电设备进行自动控制。

2）安全保护功能

电气控制设备与线路在运行过程中不可避免地会发生故障，被控制设备也难免会出现一些问题。例如，电流（或电压）可能会超过设备与线路允许工作的范围与限度。这就需要一套检测这些故障的信号并对设备和线路进行自动调整（断开、切换等）的安全保护装置，以保障人员与设备的安全。

3）监视功能

电是眼睛看不见的，接触会有危险。一台设备是否带电或断电、运行是否正常，从外表看无法分辨，这就需要设置各种视听信号，如显示屏、灯光和音响等装置，对电气控制设备进行电气监视。

4）测量功能

监控装置的信号只能定性地表明设备的工作状态（有电或断电），如果想定量地知道电气设备的工作情况，还需要有各种仪表测量设备，测量线路的各种参数，如电压、电流、频率和功率等的大小。

在电气控制设备操作与监视中，传统的操作组件、控制电器、仪表和信号等设备大多可被计算机控制系统及电子组件所取代，但在小型设备和就地局部控制的电路中仍有一定的应用范围。这些是电路实现微机自动化控制的基础。

2．电气控制设备的结构组成

由于电气控制系统一般均安装在具有安全保护功能的机柜（箱）中，所以习惯上把电气控制设备称为电气控制柜，简称电柜。一般的电气控制设备由以下几部分构成。

1）一次电路及其元器件

一次电路也称为主电路，它是从电源到负载输送电能时电流所经过的电路。即一次电路是直接与交流电网电源连接的电路。由一次设备相互连接，构成发电、输电、配电或进行其他控制的电气回路，称为一次回路或一次接线系统。

一次电路中的各种电气设备称为一次设备，包括发电机、变压器、各种开关、断路器、接触器、熔断器、母线、电力电缆、电抗器、电动机和用电设备等。例如与交流电网电源连接的装置、变压器的一次侧绕组、电动机及其他负载装置。

一次电路一般工作于高电压、大电流工作状态，一般一次电路的电源都是220V及以上交流电。其主要作用是对被控制对象的电源进行控制，从而实现对被控制对象的控制。

对被控制对象的电源进行控制包括：（1）电源的通断（开关）控制，即被控制设备的启停控制，照明电路的通断控制；（2）电源电压的高低控制，即对被控制对象的速度、亮度、力度等进行控制；（3）电源电流的大小控制，即对被控制对象的电压、功率、热量等进行控制；（4）电源电流的方向控制，即对被控制电动机的方向进行控制；（5）电源频率的控制，即对被控制对象的速度、亮度、力度等进行控制；（6）电源相位的控制，即对被控制电动机的方向进行控制。

2）二次电路及其元器件

二次电路又称为控制电路或辅助电路，它是对主电路进行控制、保护、监视、测量的电路。二次电路是为保障一次电路能够安全、可靠地工作所设置的电路，如电力系统中的测量回路、继电保护回路、开关控制及信号回路、操作电源回路、断路器和隔离开关的电气闭锁回路等低压回路。

二次电路中的各种设备称为二次设备，它们包括各种控制开关（如按钮等）、继电器、接触器的线圈和辅助触点、信号灯、测量仪表、PLC等。由二次设备互相连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线，包括控制系统、信号系统、监测系统、继电保护和自动化系统等。例如，在电力系统中，由互感器的二次侧绕组、测量监视仪器、继电器、自动装置等通过控制电缆连成的电路，用以控制、保护、调节、测量和监视一次回路中各参数和各元件的工作状况，以及用于监视测量仪表、控制操作信号、继电保护和自动装置等。

二次电路的电源是380V、220V、36V等交流电或直流电。380V、220V电源可以在一次电源中取得。如果一次侧为高压，也可以用变压器取得380V、220V、36V电源；还可以用整流器和干电池取得直流电源。

3）机柜及其附件

机柜是电气控制设备不可缺少的组成部分，机箱机柜的作用有4个方面。（1）机柜给电源、一次设备、二次设备及附属设备提供空间，并通过机箱内部的支撑、支架、各种螺丝或卡子夹子等连接件将这些零部件牢固地固定在机柜内部，将电气控制设备的各类电器、元部件、线缆等集中组合并装载，形成一个集约型的整体。（2）机柜坚实的外壳保护着一次设备、二次设备、电源及附属设备，能防压、防水、防冲击、防尘，并且它还能发挥防电磁干扰、辐射的功能，起屏蔽电磁辐射的作用。（3）机柜还提供了很多便于使用的面板开关指示灯等，让操纵者更方便地操纵电气控制设备或观察电气控制设备的运行情况。（4）便于设备的美观设计和设备安装，方便以后的维护与运行，防触电及防小动物或昆虫对电气控制设备的破坏，保障操作人员的人身安全。

一个好的机柜意味着保证电气控制系统可以在良好的环境里运行。所以，机柜应该能够系统地解决高密度散热、大量线缆敷设和管理、大容量配电、能够在高稳定性的环境下运行等问题。

4）安装板

安装板也是电气控制设备不可缺少的组成部分。电气控制设备中的一次设备体积比较大，一般安装在机柜的框架上。而二次设备体积比较小，但元器件数量比较多，从结构设计方面考虑，二次设备器件完全直接安装在机柜的框架上是不可能的。将众多的二次设备器件安装在安装板上，然后将安装板安装在机柜的框架上，是目前比较成熟的解决方案。例外，安装板作为设备的一个模块，可以给维修提供便利。

5）接线端子

接线端子用于实现电气控制柜内部及外部的可靠电气连接，方便进行维修。1.1.2.3 电气控制设备的智能化

随着工业生产手段的复杂化和功能要求的不断提高，工业生产对电气控制系统的要求也越来越高，除了传统的容量、可靠性外，对数据量、远程控制、故障检测等也提出了更高的要求。

智能化控制柜可完成设备自动化和过程自动化控制，实现完美的网络功能，具有性能稳定、可扩展、抗干扰强等特点，是现代工业的核心和灵魂。可以根据用户需求量身设计智能化控制柜，满足用户要求，并可配以人机界面触摸屏，达到轻松操作的目的。智能化控制设备还可通过modbus、profibus等通信协议的数据传输与网络上的上位机实现远程监控。

1．远程测量

远程测量是指可查看各回路、控制单元（子站）的电量参数。

2．远程调节

远程调节是指各子站可远距离上传、下载各种保护设定值、特征曲线。

3．远程控制

远程控制是指对各子站实现远程储能（万能式断路器）、合闸、分闸、启动、停车（电动机控制回路）等操作。

4．信息查询

信息查询是指对系统各种信息资源进行查询，如故障记录、日记报表、管理、成本分析、电网质量和负荷分析等，这实际上是自动化技术与配电技术的结合。

1.1.3 电气控制技术发展的几个阶段

现在电气工程及其自动化的触角已伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。电气控制技术的发展走过了几个比较有代表性的阶段，了解这几个有代表性的发展阶段及其特点，对于学习电气控制柜的制作有很大帮助。1.1.3.1 开关控制电器阶段

早期的电气控制都比较简单，主要是实现电器与电源之间的通断控制。由于当时的电器电压不是很高，电流不是很大，所以开关普遍采用裸露的非封闭形式，因此称为可见断点的开关。可见断点的开关因为其接通和断开状态一目了然，从心理上可以给人安全感，而且实际上在断开状态下也确实是安全的。比较有代表性的开关电器就是刀开关，至今仍然在普遍使用。

早期的刀开关一般由人直接操作，开关的通断速度不可能很快，因此只能用于低压且电流不太大的控制场合。因为电压较高及电流较大的开关在接通和断开的过程中会产生强烈的电弧，电弧会将开关的接触部分烧坏，电弧还会危及操作者的人身安全。为了解决电弧的危害，一是在开关上采用机械速动装置，减少产生电弧的时间；二是采用灭弧装置，减小电弧并降低电弧的温度；三是将开关用外壳完全封闭起来，避免对人的伤害；四是利用杠杆机构操作开关，使人处于安全位置；五是采用电动操作机构，实现开关的远距离操控和自动控制。

为了安全起见，根据国家标准，一般电气控制中的隔离开关应采用可见断点的开关。对于全封闭型开关及远距离操控开关，必须在操作器件上醒目地标示出开关接通和断开位置。对于自动控制开关，则必须在操作后有检测开关通断状态的反馈信号显示，以确保操作的可靠性和安全性。1.1.3.2 继电控制电器阶段“继电保护”是输变电过程中的一种专门技术，是由各种继电器及量测设备组成的保护电路，目的是保证持续不间断供电。“继电保护”技术的发展为电气自动控制技术的发展奠定了基础。

继电控制是利用具有继电特性的元件进行控制的自动控制系统。所谓继电特性是指，在输入信号作用下输出仅为通、断等几个状态的特性。由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。例如，电炉温度调节中，根据炉温是否超过规定值而断开或接通电源。这种只有通、断两个状态的控制又称双位式控制。继电控制中使用的元件并不限于电磁式继电器，也可用别的手段来实现继电特性。例如，在双位式温度调节中，常采用双金属片作为敏感元件，温度变化时双金属片因两部分金属的膨胀系数不同而弯曲变形，接通或断开触点。液压和气动阀等也是具有继电特性的元件。

各种接触器、继电器的使用，对电气控制技术的发展具有决定性的意义。各种接触器、继电器的操作方式彻底颠覆了开关设备只能近身操作的观念，开启了远距离电气操作的时代。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器除具有开关功能外，还具有比较多的其他控制功能，这些功能为实现电气自动控制立下了汗马功劳。继电器与早期的开关电器相比具有以下特点。

1．具有记忆功能

利用继电器的接点可以连接成自保持电路，即使控制信号消失，继电器仍然可以保持控制指令的状态，这就是继电器的记忆功能。继电器的记忆功能是实现自动控制的基本条件，在电气自动控制中应用相当普遍。

2．动作速度快

继电器的动作一般由电磁铁控制，其动作速度一般只有零点几秒。继电器的动作速度比其他机械结构的开关电器快，有利于减小电弧，用于电压较高、电流较大的控制场合。

3．可以实现较远距离控制

继电器的控制回路中电流很小，因此在控制回路导线截面积一定的情况下，电压降很小，所以可以进行较远距离的控制。

4．可以实现非电量的控制

利用时间继电器可以实现对时间的控制；利用速度继电器可以实现对速度的控制；利用温度继电器可以实现对温度的控制；利用干簧式或磁保持继电器可以实现对磁场的控制；利用步进继电器可以实现顺序控制等。继电器对非电量的控制，较大地扩展了电气自动控制的应用领域。

5．具有放大作用

继电器利用工作电流很小的控制回路控制通断能力很大的主接点，可以控制很大功率的电路，因此继电器具有放大作用。

6．可以实现各种保护

1）失电压保护和欠电压保护

利用继电器电磁铁线圈在失电压和欠电压状态时不能吸合的特点，实现失电压保护和欠电压保护。

2）过电压保护

利用电压继电器可以实现过电压保护。

3）短路保护、过电流保护和过载保护

利用热继电器可以实现短路保护、过电流保护和过载保护。

4）断相保护

断相后其余两相的电流必然增大，利用热继电器或电流继电器可以实现断相保护。

7．可以实现监测功能

根据每一个继电器的控制功能，其接点连接上信号灯和电铃，就可以显示控制电路各个部分的工作状态，并可以实现故障显示、报警和监测功能。

8．扩大控制范围

多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、断开、接通多路电路。

9．综合信号功能

根据电气控制逻辑的需要，将多个控制信号按规定（串联、并联或混联）的形式输入多绕组继电器时，经过比较、综合，实现预定的控制目标。

正是由于继电器具有上述强大功能，自动装置上的继电器与其他电器一起可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。正是由于继电器的出现，人类才第一次实现了电气控制自动化。因此，继电器的运用在电气控制的发展史上具有里程碑的意义。

继电器接触式控制系统具有控制结构简单、方便实用、易于维护、控制容量大、抗干扰能力强、价格低廉等优点，继电控制系统的主要优点是控制装置比较简单。对于同样的功率，继电控制装置的质量和体积在各类控制系统中是比较小的，因此广泛应用于各类设备的电气控制。目前，继电器接触式控制仍然是电气控制设备最基本的控制形式之一，继电器-接触器控制系统至今仍在许多生产机械设备中广泛采用。

继电控制系统的主要缺点是控制的非线性。但也存在接线方式固定、灵活性差、难以适应复杂和程序可变的控制对象的要求，另外还有工作频率低的问题。由于继电控制系统的电气接点太多，接点的锈蚀、烧蚀、熔合及接触不良，使继电控制系统的故障率较高，存在可靠性差的问题。同时继电器的线圈耗电量很大，既不符合当代绿色环保要求，又不易实现电气控制设备小型化的要求。1.1.3.3 数字逻辑控制阶段

开关电器和继电器控制的实质就是开关量的控制，因为只有接通“1”和断开“0”两个状态。

这里所讲的数字逻辑控制阶段是指，集成电路普遍采用以后，使用逻辑门电路进行的数字逻辑控制。尽管继电控制系统也可以进行一些比较简单的数字逻辑控制，但是由于继电控制系统实现这些逻辑电路结构十分复杂、成本高且可靠性差，并且存在难以避免的时序上的竞争问题，要解决这一问题，对设计人员的要求很高，最终往往需要通过实验才能解决。

在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统通常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫作顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单、价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接来实现继电器接触控制的。但装置体积大，功能也受到一定限制。

集成电路的逻辑门芯片具有体积小、质量轻、耗电量小、工作可靠的特点。集成的各种门电路、触发器、寄存器、编码器、译码器和半导体存储器组成组合逻辑电路和时序逻辑电路广泛应用在电气自动控制中，并且比较成功地解决了组合逻辑电路的竞争——冒险现象。

数字逻辑控制阶段最为成功的案例是数控机床的应用。为解决占机械总加工量80％左右的单件和小批量生产的自动化难题，20世纪50年代出现了数控机床。它综合应用了数字逻辑控制、检测、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。1.1.3.4 电子计算机控制阶段

1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处理器芯片Intel 4004，并以它为核心组成了世界上第一台微型计算机MCS-4。它开创了计算机应用的新时代。但是将普通PC直接移植于电气控制系统，存在系统过于复杂、成本太高的问题。直到专门为工业控制而设计的单片机诞生，这一问题才得以解决。

1．单片机

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把整个计算机系统集成到一个芯片上。概括地讲，一块芯片就是一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、软件可修改、为应用和开发提供了便利条件。利用单片机可以实现柔性控制、通信技术、多目标控制、仿真与智能控制。

单片机虽然具有强大的功能，但是它的价格很低（一般在十元以内）。低廉的价格和强大的功能为单片机在电气控制领域内的应用创造了条件。目前，单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通信设备、导航系统、家用电器等。

单片机的最小系统只用一片集成电路，它作为控制部分的核心部件，可进行简单的运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控设备的“肚子”内。一个单片机系统的最低价格只有几十元。单片机控制系统使用灵活，多用于有一定生产批量、专业性比较强、市场面不是很大的领域。因为如果市场面很大，生产批量大，就会有更加经济的专用控制芯片生产出来。单片机控制系统比较适宜小批量生产及在旧设备技术改造中应用。

2．可编程逻辑控制器（PLC）

随着大规模集成电路和微处理机技术的发展及应用，电气控制技术也发生了根本性的变化，在20世纪70年代，出现了将计算机存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器——可编程序控制器（PLC），它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用电器普遍应用于工业自动控制领域。

可编程控制器技术是以硬接线的继电器-接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、连网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或模拟量的输入、输出满足各种类型设备控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统组成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机械设备中开关量控制的主要电气控制装置。

可编程逻辑控制器（PLC）是利用单片机技术由模仿原继电器控制原理发展起来的，20世纪70年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它用来存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令，并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1μs到几十μs之间。PLC用梯形图编程，在计算逻辑方面，表现出快速的优点，扫描周期在微秒量级，计算1KB逻辑程序用时不到1ms。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算，把计算结果传送给PLC的控制器。

对于相同I/O点数的系统，用PLC比用计算机集中控制系统（DCS）的成本要低一些（大约能省40％）。PLC没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比DCS要低很多。一个大型的PLC控制器可以接收几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少，采用小型PLC较为合适。PLC由于采用通用软件，在设计企业的管理信息系统方面要容易一些。

通用PLC应用于专用设备时，可以认为它就是一个嵌入式控制器，但PLC相对一般嵌入式控制器而言具有更高的可靠性和更好的稳定性。可编程控制器作为离散控制的首选产品，以微处理器为核心，通过软件手段实现各种控制功能。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于各个行业的控制中。

1.1.4 控制设备的分类

将产品进行分类，有利于产品设计及生产的标准化，标准化有利于组织批量生产，可以减少不必要的重复性劳动。而产品设计及生产的标准化对于提高生产效率、降低生产成本、提升企业在市场中的竞争力具有重要的意义。1.1.4.1 电气控制设备的分类

1．要根据电气控制设备的特性和特点对电气控制设备进行分类

控制设备可按下述各项标准分类，这些要求和特点直接影响电气控制设备的设计与制作，可以由用户与制造厂协商确定。（1）外形设计。（2）安装场所。（3）安装条件（指设备的移动能力）。（4）防护等级。（5）外壳形式。（6）安装方法，如固定式或可移动式部件：

①对人身的防护措施；

②内部隔离形式；

③功能单元的电气连接形式。

2．按照是否符合电力系统标准分类

输变电系统是电气控制设备应用的主要领域。因为在电力系统中，电气控制的主要目标是电力的通断控制，所以输变电系统所使用的电气控制设备一般称为开关柜。由于输变电线路的电压等级已经标准化，因此开关柜也已经基本标准化，开关柜的主要技术指标是电压等级和通断电流的能力（大小）。开关柜是电气控制设备中标准化程度最高的一大类，开关柜的需求量很大，基本已经形成了专业化的大规模生产。习惯上人们将符合电力系统标准的开关柜称为标准柜。

与标准控制柜相对应的是非标准控制柜。由于电气控制已经普遍应用在生产和生活的各个领域，在每个应用领域中都不像电力系统对开关柜的要求那么统一，因此很难对它们进行标准化和统一。习惯上将这些应用于各个领域、满足各自不同要求的电气控制柜称为非标准柜。非标准电气控制设备一般生产批量较小，多数由主机生产厂自己设计制作或外包给电气控制设备生产企业加工。

因为开关柜标准化程度较高，其设计已经实现模块化，技术资料比较容易获取，因此本书将把非标准电气控制设备设计与制作作为讲解的重点。但是本书讲解的基本方法和原则对于开关柜也是完全适用的，毕竟开关柜属于电气控制设备的一个类型。1.1.4.2 电气控制设备的特性

电气控制设备的特性应在产品标准中规定，因为这些特性对于电气控制设备的设计和制作具有指导意义。电气控制设备的特性如下。

1．电气控制设备形式（1）电气控制设备的种类，如开关柜、控制柜等。（2）极数。（3）电流的种类。（4）分断时介质类型。（5）运行条件（操作方式、控制方法等）。

以上所列项目并不全面，可以增减。

2．主电路的额定值和极限值

1）额定能力

额定能力包括额定分断能力、额定接通能力、额定短路分断能力、额定短路接通能力、额定运行短路分断能力（由产品标准规定）、额定极限短路分断能力。

2）额定电压

额定电压包括额定控制电源电压、额定控制电路电压、额定冲击耐受电压、额定绝缘电压、额定工作电压、额定转子绝缘电压（由产品标准规定）、额定定子绝缘电压（由产品标准规定）、额定转子工作电压（由产品标准规定）、额定定子工作电压、自耦减压启动器的额定启动电压（由产品标准规定）。

3）额定电流（由产品标准规定）

额定电流包括额定工作电流、额定限制短路电流、额定短时耐受电流、额定转子工作电流（由产品标准规定）、额定定子工作电流（由产品标准规定）、电动机定子发热电流、电动机转子发热电流、额定不间断电流、选择性极限电流、交接电流、约定封闭发热电流、约定自由空气发热电流。

4）其他额定值

其他额定值包括额定频率和额定工作功率。

1.2 电气控制柜使用条件及主要性能指标

本节将对国家标准要求的电气控制柜的使用条件及主要性能指标进行介绍，这些内容是在进行电气控制柜设计及制作时必须达到的硬性要求。

1.2.1 正常使用条件

电气设备应适合其预期使用的实际环境和运行条件。满足国家标准规定的控制设备应能在下列条件下运行，并能正常工作。当实际环境和运行条件与下文规定范围不符时（非标准使用条件），供方和用户可能有必要达成协议。

非标准使用条件可根据制造厂和用户的协议确定。如果使用的元件（如继电器、电子设备等）不是按这些条件设计的，那么允许采取适当的措施以保证其正常工作。1.2.1.1 周围空气温度

1．户内控制设备的周围空气温度

周围空气温度不得超过＋40℃，而且在24h内其平均温度不超过＋35℃。

周围空气温度的下限为-5℃。

2．户外控制设备的周围空气温度

周围空气温度不得超过＋40℃，而且在24h内其平均温度不超过＋35℃。周围空气温度的下限如下。（1）温带地区为-25℃。（2）严寒地区为-50℃。

如果在严寒地区使用控制设备，制造商与用户之间需要达成一个专门的协议。

对具有外壳的电器，周围空气温度是指外壳周围的空气温度。

对于使用在周围空气温度高于＋40℃（如在夏季风电机组机舱内、热带国家或地区）或低于-5℃（如-25℃的要求是对用户外的低压开关设备和控制设备提出的）的电器，应根据有关产品标准（适用时）或根据制造厂和用户的协议进行设计和使用。制造厂样本中给出的数据可以代替上述协议。

有关产品标准应明确某些形式的电器（如断路器或启动器的过载继电器）的标准参考空气温度。1.2.1.2 海拔

电气控制设备应能在海拔高度2000m以下正常工作。

对于在海拔高于1000m处使用的电子设备和用于海拔高于2000m的控制设备，有必要考虑介电强度的降低和空气冷却效果的减弱。打算在这些条件下使用的控制设备，建议按照制造厂与用户之间的协议进行设计和使用。1.2.1.3 湿度

1．户内电气控制设备的湿度

空气清洁，在最高温度为＋40℃时，相对湿度不得超过50％。在较低温度时，允许有较大的相对湿度。例如，＋20℃时相对湿度为90％。但应考虑到由于温度的变化，有可能会偶尔产生适度的凝露。

2．户外电气控制设备的湿度

当最高温度为＋40℃、相对湿度不超过50％时，电气设备应能正常工作。温度低则允许较高的相对湿度（如20℃时为90％），最高温度为＋25℃时，相对湿度短时可高达100％。1.2.1.4 污染等级

污染等级指控制设备所处的环境条件。

对外壳内的开关器件或元件，可使用外壳内环境条件的污染等级。

应按电气间隙或爬电距离的微观环境确定对电器绝缘的影响，而不是按电器的环境确定其影响。电气间隙或爬电距离的微观环境可能好于或差于电器的环境。微观环境包括所有影响绝缘的因素，如气候条件、电磁条件、污染的产生等。

为了确定电气间隙和爬电距离，在国家标准中确立了以下4个微观环境的污染等级。

污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性污染。

污染等级2：一般情况下只有非导电性污染。但是，也应考虑到偶然由于凝露造成的暂时的导电性。

污染等级3：存在导电性污染，或者由于凝露使干燥的非导电性污染变成导电性污染。

污染等级4：造成持久性的导电性污染，如由于导电尘埃或雨雪造成的污染。

工业用途的污染等级标准：如果没有其他规定，工业用途的电气控制设备一般在污染等级3环境中使用。而其他污染等级可以根据特殊用途或微观环境考虑采用。设备的微观环境污染等级可能受外壳内安装结构的影响。1.2.1.5 振动、冲击和碰撞

应通过选择合适的设备，将它们远离振源安装或采取附加措施，以防止（由机械及其有关设备产生或实际环境引起的）振动、冲击和碰撞的不良影响。供方与用户可能有必要达成专门的协议。1.2.1.6 供电电源

如果没有其他规定，以下要求适用。（1）交流电压变化范围等于输入额定电压的±10％，短时（在不超过0.5s的时间内）交流电压波动范围为输入额定电压的-15％～＋10％。（2）相对谐波分量不应超过10％。（3）交流电压换相缺口深度不应超过工作电压峰值的40％，换相缺口面积不应超过250（％×度）。（4）非重复和重复瞬态电压与工作电压峰值之比应符合：

非重复瞬态电压峰值/工作电压峰值≤2.5；

重复瞬态电压峰值/工作电压峰值≤1.5。（5）电源频率的偏差不得超过额定频率的±2％。（6）由蓄电池供电的电压变化范围等于额定供电电压的±15％。注意：此范围不包括蓄电池充电要求的额外电压变化范围。（7）设备电源电压的最大允许断电时间由制造厂给出。1.2.1.7 电磁兼容性（EMC）

电气设备产生的电磁干扰不应超过其预期使用场合允许的水平。设备对电磁干扰应有足够的抗扰度水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正常运行。

EMC通用国家标准给出了EMC通用的抗扰度和发射极限值。

为确保电气和电子系统的水平，IEC 61000-5-2给出了其系统电缆和接地指南。如果有产品标准，产品标准优先于通用标准。1.2.1.8 运输、储存和安置条件

如果运输、储存和安置时的条件（如温度和湿度条件）与正常使用条件中的规定不符，应由用户与制造厂签订专门的协议。

如果没有其他的规定，温度范围在-25℃～＋55℃之间适用于运输和储存过程。在短时间内（不超过24h）可达到＋70℃。

设备在未运行的情况下经受上述高温后，不应遭受任何不可恢复的损坏，然后在规定的条件下应能正常工作。应采取防潮、防振和抗冲击措施，以免损坏电气设备。

在低温下易损坏的电气设备包括PVC绝缘电缆。

由于运输需要与主机分开的或独立于机械的重大电气设备，应提供合适的手段，以供起重机或类似设备操作。1.2.1.9 安装条件

设备应按制造厂提供的使用说明书安装。对于垂直安装的设备，安装倾斜度不得超过5°。

1.2.2 特殊使用条件

如果存在下述任何一种特殊使用条件，必须遵守适用的特殊要求或制造商与用户之间应签订专门的协议。如果存在这类特殊使用条件，用户应向制造商提出。

特殊使用条件举例如下。（1）温度值、相对湿度或海拔高度与正常使用条件的规定不同。（2）在使用中，温度和/或气压急剧变化，导致在控制设备内出现异常的凝露。（3）空气被尘埃、烟雾、腐蚀性微粒、放射性微粒、蒸汽或盐雾严重污染。（4）暴露在强电场或强磁场中。（5）暴露在高温中，如太阳的直射或火炉的烘烤。（6）受霉菌或微生物侵蚀。（7）安装在有火灾或爆炸危险的场地。（8）遭受强烈振动或冲击。（9）安装在会使载流容量和分断能力受到影响的地方，如将设备安装在机器中或嵌入墙内。（10）其他特殊使用条件。

1.2.3 工作性能指标

用以表征控制设备工作性能的有关指标，应在各有关产品技术文件中给以明确规定。1.2.3.1 额定工作制

控制设备在正常条件下额定工作制有如下几种。

1．8小时工作制

电器的主触点保持闭合且承载稳定电流足够长时间，使电器达到热平衡，但达到8小时必须分断的工作制。上述分断指由电器操作分断电流。

8小时工作制是确定电器的约定发热电流的基本工作制。

2．不间断工作制

没有空载期的工作制，电器的主触点保持闭合且承载稳定电流超过8小时（数周、数月甚至数年）而不分断。

不间断工作制区别于8小时工作制。因为氧化物和灰尘堆积在触点上可导致触点过热。因此电器用于不间断工作制时应考虑采用降容系数或采用特殊设计（如用银或银基触点）。

3．断续周期工作制或断续工作制

此工作制指电器的主触点保持闭合的有载时间与无载时间有一个确定的比例值，且两个时间都很短，不足以使电器达到热平衡。

断续工作制是用电流值、通电时间和负载因数来表征其特性的，负载因数（习惯称为负载率）是通电时间与整个通断操作周期之比，通常用百分数表示。

负载因数的标准值为：15％、25％、40％和60％。

根据电器每小时能够进行的操作循环次数分级的方法见表1.2.1。表1.2.1 电器等级

对于每小时操作循环次数较多的断续工作制，制造厂应根据实际每小时操作循环次数（如已知）或其约定的每小时操作循环次数来给出额定工作电流值。

用于断续工作制的开关电器可根据断续周期工作制的特征标明。

例如，在每5分钟有2分钟流过100A电流的断续工作制可表示为：100A，12级，40％。

4．短时工作制

短时工作制是指电器的主触点保持闭合的时间不足以使其达到热平衡，有载时间间隔被无载时间隔开，而无载时间足以使电器的温度恢复到与冷却介质相同的温度。

短时工作制的通电时间的标准值为：3min、10min、30min、60min和90min。

5．周期工作制

周期工作制指无论稳定负载或可变负载，电器总是有规律地反复运行的一种工作制。1.2.3.2 主电路的额定值和极限值

额定值和极限值是由制造厂规定的，额定值和极限值应根据有关产品标准的要求来规定，但不必列出所有的额定值和极限值。

1．电压

一定形式的控制设备及电器可以有一个或多个额定电压或一个额定电压范围。

控制设备的额定电压按相关国家标准规定。具体选用时，应在产品技术文件作出明确规定。

1）额定工作电压

控制设备的额定工作电压是一个与额定工作电流组合共同确定电器用途的电压值，它与相应的试验和使用类别有关。

对于单极电器，额定工作电压一般规定为跨极二端电压。

对于多极电器，额定工作电压规定为相间电压。

对于某些电器和特殊用途的电器，可采用不同的方法确定额定工作电压，具体方法在有关产品标准中规定。

对用在多相电路中的多极电器，应区分以下两点。（1）用于单一对地故障不会在一极两端出现相同全电压的系统的电器：

●中性点接地系统；

●不接地和用阻抗接地的系统。（2）用于单一对地故障会在一极两端出现相同全电压的系统（即相接地系统）的电器。

对于不同的工作制和使用类别，电器可以规定一组额定工作电压和额定工作电流或额定功率组合；电器可以规定一组工作电压和相应的接通和分断能力。

应注意的是额定工作电压可能与电器内的实际工作电压不同。

电气控制设备中某一条电路的额定工作电压和该电路中的额定电流共同决定设备使用的电压值。控制电路额定电压的标准值由电气元件的有关标准确定。

电气控制设备的制造商应对保证主电路和辅助电路正常运行的电压极限值作出规定。在任何情况下，这些电压极限值必须保证在正常负载条件下，电气元件控制电路端的电压保持在相关的国家标准规定的极限值内。

2）额定绝缘电压

电器的额定绝缘电压是一个与介电试验电压和爬电距离有关的电压值。在任何情况下，最大的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值。若电器没有明确规定额定绝缘电压，则规定的工作电压的最高值被认为是额定绝缘电压值。

控制设备中任何一条电路的额定绝缘电压——介电试验电压和爬电距离都参照此电压值确定。

控制设备任何一条电路的最大额定工作电压不允许超过其额定绝缘电压。控制设备任一电路的工作电压，即使是暂时的，也不得超过其额定绝缘电压的110％。

对于IT系统的单相电路，建议额定绝缘电压至少等于电源的相间电压。

3）额定冲击耐受电压

在规定试验条件下，控制设备的电路能够承受规定的波形和极性的脉冲电压峰值，且电气间隙值参照此电压值确定。

控制设备中任何一条电路的额定冲击耐受电压应等于或高于控制设备所在系统中出现的瞬态过电压规定值。

4）通断操作过电压

当有关产品标准有要求时，制造厂应规定由开关电器操作引起的通断操作过电压最大值，该值应不超过额定冲击耐受电压值。

2．电流

电气控制设备应规定下列几种电流。

1）约定自由空气发热电流

约定自由空气发热电流是不封闭电器在自由空气中进行温升试验时的最大试验电流值。约定自由空气发热电流值并非额定值，不强制在电器上标志。

约定自由空气发热电流值应至少等于不封闭电器在8小时工作制下最大额定工作电流值。

自由空气应理解为在正常的室内条件下无通风和外部辐射的空气。不封闭电器是指制造厂不提供外壳的电器或制造厂提供的外壳是构成完整电器的一部分和预期不作为电器的防护外壳的电器。

2）约定封闭发热电流

约定封闭发热电流由制造厂规定，用此电流对安装在规定外壳中的电器进行温升试验。如果制造厂的样本中规定电器是封闭电器，上述试验必须进行。封闭电器是指用于规定的形式和尺寸的外壳中的电器或用于多个形式的外壳中的电器。

约定封闭发热电流值应至少等于封闭电器在8小时工作制下的最大额定工作电流值。约定封闭发热电流不是额定值，可不必标在电器上。

如果电器一般不用在规定的外壳中且约定自由空气发热电流试验已通过，则约定封闭发热电流试验不必进行。在这种情况下，制造厂应提供约定封闭发热电流值或降容系数。

约定封闭发热电流值是对无通风电器而言的，试验时采用的外壳应是制造厂规定的实际应用的最小尺寸的外壳。对于通风电器，该值可采用制造厂规定的数据。

3）额定工作电流或额定工作功率

电器的额定工作电流由制造厂规定，额定工作电流的确定应考虑额定工作电压、额定频率、额定工作制、使用类别和外壳防护的形式（如有）。

对于直接开闭单独电动机的电器，额定工作电流指标可在考虑额定工作电压的条件下由该电器所控制的电动机的最大额定输出功率指标代替或补充。制造厂应规定工作电流与工作功率（如有）间的关系。

4）额定不间断电流

额定不间断电流是由制造厂规定的电器能在不间断工作制下承载的电流值。

5）控制设备中某一条电路的额定电流

控制设备中的某一电路的额定电流由制造商根据其内装电气设备的额定值及其布置和应用情况来确定。当进行验证时，必须通此电流，且装置内各部件的温升不超过标准所规定的限值。

设备的额定电流符合国家标准《标准电流等级》的规定。具体选用时，应在产品技术文件中作出明确规定。由于确定额定电流的因素很复杂，因此不可能给出标准值。

6）控制设备中某一条电路的额定短时耐受电流

控制设备中某一条电路的额定短时耐受电流是由制造商给出的、该电路在规定的试验条件下能安全承载的短时耐受电流的方均根值。除非制造商另外规定，该时间为1s。对于交流，此电流值是交流分量的方均根值，并假设可能出现的最高峰值不超过此方均根值的n倍，系数n在相关标准中给出。

如果时间小于1s，建议规定额定短时耐受电流及时间，如20kA，0.2s。

当试验在额定工作电压下进行时，额定短时耐受电流可以是预期电流；当试验在较低电压下进行时，它可以是实际电流。如果试验在最大额定工作电压下进行，此额定值与本标准中确定的额定预期短路电流相同。

7）控制设备中某一条电路的额定峰值耐受电流

控制设备中某一条电路的额定峰值耐受电流是指在规定的试验条件下，制造商规定此电路能够圆满地承受的峰值电流。

8）控制设备中某一条电路的额定限制短路电流

控制设备中某一条电路的额定限制短路电流是指在规定的试验条件下，用制造商规定的短路保护器件进行保护的电路在保护装置动作的时间内能够圆满承受的预期短路电流值。

关于短路保护器件的详细规定应由制造商给出。对于交流而言，额定限制短路电流是交流分量的方均根值。短路保护器件既可以作为控制设备的组成部分，也可以作为独立的单元。

9）控制设备中某一条电路的额定熔断短路电流

控制设备中某一条电路的额定熔断短路电流是指当短路保护器件是熔断器时，此电路的额定限制短路电流。

3．额定分散系数

控制设备中或其一部分中（如一个柜架单元或框架单元）有若干主电路，在任一时刻所有主电路预计电流最大总和与控制设备或其选定部分的所有主电路额定电流之和的比值，即为额定分散系数。

如果制造商给出了额定分散系数，此系数将用于按照标准进行的温升试验中。在没有实际电流资料的情况下，额定分散系数应采用表1.2.2给出的数据。表1.2.2 额定分散系数值

4．额定频率

控制设备的额定频率是指设备标明的与其工作条件有关的频率值。同一电控设备可以有一组额定频率或额定频率范围，也可交直流两用。

额定频率用于设计电器且与其他特性值有关的电源频率。如果控制设备的电路选用了不同的频率值并依此而设计，则应给出各条电路的额定频率值。

频率值允许限制在内装电气元件相应的国家标准中所规定的范围以内。如果控制设备的制造商没有其他规定，则假定限制在额定频率的98％～102％范围内。1.2.3.3 正常负载和过载特性

电气控制设备及电器在正常负载和过载条件下应考虑以下基本要求。

如果适用，规定的使用类别可以包括过载条件下的相应的性能要求，具体要求如下。

1．耐受通断电动机的过载电流能力

用于通断电动机的电器应能耐受启动和加速电动机至正常转速产生的热应力和操作过载产生的热应力。满足上述条件的具体要求在有关产品标准中规定。

2．额定接通能力

控制设备及电器的额定接通能力是指在规定的接通条件下电器能良好接通的电流值，该值由制造厂规定。应规定的接通条件为：（1）外施电压；（2）试验电路的特性。

应根据有关的产品标准规定且考虑额定工作电压和额定工作电流来确定电器的接通能力。

如果适用，有关产品标准应规定额定接通能力和使用类别的关系。

对于交流电，额定接通能力用电流（假设为稳态的）的对称分量有效值表示。

对于交流电，在电器的主触点闭合后第一个半波的电流峰值（峰值的大小取决于电路的功率因数和闭合瞬间的电压相位）可能明显大于接通能力中所用的稳态条件下的电流峰值。无论固有的直流分量是多少，只要在有关产品标准的规定的功率因数范围内，电器应能接通等于其额定接通能力的交流分量电流。

3．额定分断能力

控制设备及电器的额定分断能力是指在规定的分断条件下能良好分断的电流值，该值由制造厂规定。应规定的分断条件为：（1）试验电路的特性；（2）工频恢复电压。

应根据有关产品标准的规定及额定工作电压和额定工作电流来确定额定分断能力。

控制设备及电器应能分断小于和等于其额定分断能力的电流值。

开关电器可能有多个分断能力，每一分断能力对应一个工作电压和一个使用类别。

对于交流电，额定分断能力用电流对称分量的有效值表示。

如果适用，有关产品标准应规定额定分断能力与使用类别的关系。1.2.3.4 短路特性

控制设备及电器在短路条件下应考虑以下基本要求。

1．额定短时耐受电流

控制设备及电器的额定短时耐受电流是指在有关产品标准规定的试验条件下电器能够无损地承载的短时耐受电流值，该值由制造厂规定。

2．额定短路接通能力

控制设备及电器的额定短路接通能力是在额定工作电压、额定频率、规定的功率因数（交流）或时间常数（直流）下由制造厂对电器所规定的短路接通能力电流值。在规定的条件下，它用最大预期峰值电流表示。

3．额定短路分断能力

控制设备及电器的额定短路分断能力是在额定工作电压、额定频率和规定的功率因数（交流）或时间常数（直流）下由制造厂对电器所规定的短路分断能力电流值。在规定的条件下，它用预期分断电流值（对于交流电，用交流分量有效值）表示。

4．额定限制短路电流

控制设备及电器的额定限制短路电流是在有关产品标准规定的试验条件下，用制造厂指定的短路保护电器进行保护的控制设备及电器，在短路保护电器动作时间内能够良好地承受的预期短路电流值，该值由制造厂规定。

指定的短路保护电器的具体要求应由制造厂规定。

对于交流，额定限制短路电流用交流分量有效值表示。

短路保护电器可以构成控制设备及电器的一部分或为一个独立单元。1.2.3.5 绝缘电阻与介电性能

1．绝缘电阻

设备中带电回路之间，以及带电回路与裸露导电部件之间，应用相应绝缘电压等级（至少500V）的绝缘测量仪器进行绝缘测量。测得的绝缘电阻按标称电压至少为1000Ω/V。

2．冲击耐受电压

试验电压施加于以下位置。（1）设备的每个带电部件（包括连接在主电路上的控制电路和辅助电路）和内连的裸露导电部件之间。（2）在主电路每个极和其他极之间。（3）没有正常连接到主电路上的每个控制电路和辅助电路与主电路、其他电路、裸露导电部件，以及外壳或安装板之间。

试验电压值按《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》第3章3.2中的规定。

3．工频耐受电压

试验电压应施加于以下位置。（1）设备的所有带电部件与相互连接的裸露导电部件之间。（2）在每个极和为此试验被连接到控制设备相互连接的裸露导电部件上的所有其他极之间。

试验电压值对主电路及与主电路直接连接的辅助电路的试验电压值，按《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》第3章第2节相关规定。

制造厂已指明不适于由主电路直接供电的辅助电路，按《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》第3章第2节相关规定。1.2.3.6 温升

在按指定的条件下进行试验时，测量电器各部件的温升，其值不应超过《电气控制柜设计制作——调试与维修篇》中表3.2.1中的规定。

正常使用条件下的温升可能与试验值有所差异，这取决于安装条件和连接导体的尺寸。

温升极限适用于全新的和完好的条件下进行试验的电器。产品标准对不同的试验条件和小尺寸（容积）的器件可以规定不同温升值，但不可超过上述温升值10K。1.2.3.7 EMC环境

在没有专门协议的情况下，对电气控制设备及电器，要考虑下面两种电磁环境条件中的使用情况。（1）环境1：主要与低压公共电网有关。例如，在居民区，商业区和轻工业区安装使用。本环境不包括强干扰源，如弧焊机。环境1适合GB-4824中的B类设备。（2）环境2：主要与低压非公共电网或工业电网有关，包括强干扰源，如弧焊机。环境2适合GB-4824中的A类设备。1.2.3.8 噪声

噪声危害有以下两方面。（1）噪声污染致耳聋。噪声强度越大，频率越高，噪声性耳聋发病率越高。（2）噪声污染致病。“噪声病”已成为医学专门名词，其发病率与日俱增，被人视为能致人死亡的一种疾病。

设备在正常工作时所产生的噪声，用声级计测量应不大于70dB（A声级）。

对于不需要经常操作、监视的设备，经制造厂与用户协议，其噪声值可高于上述值。

1.2.4 智能型控制设备要求

智能型控制设备应满足一般电气控制设备的要求。1.2.4.2 功能要求

智能型控制设备除应满足一般电气控制设备的要求外，还应满足以下要求。

1．通信方式

智能型控制设备的通信系统可采用总线方式或其他数字通信方式。

2．遥调功能

控制设备系统中动力中心应能通过上位机远程调节各从站的设定值、特件曲线等，如对某一回路框架断路器进行参数设定等。

3．遥测功能

通过上位机远程测量各回路、各从站（控制单元的）电量参数：（1）主进线电路：三相电流、三相电压（相电压、线电压）、有功功率、有功电能、无功电能。（2）配电电路：三相电流、三相电压（相电压/线电压）、有功电能、无功电能。（3）动力照明：三相电流。（4）电动机回路：三相电流、一相电流、三相电压（相电压、线电压）、功率因数、有功功率。（5）补偿回路：三相电压（相电压、线电压）、功率因数（实际值/设定值）。（6）其他：电网频率、谐波。

可遥测的具体参数应根据用户需要确定。

4．遥控功能

通过上位机对各从站实现以下控制功能。（1）动力中心电路：控制开关的储能、合闸、分闸。（2）配电回路：控制开关的分闸、合闸。（3）电动机控制电路：电动机的启动、停车等操作。（4）补偿电路：能选择自动/手动补偿。手动方式下，远程可控制电容器的投切等。

可遥控的具体功能应根据用户需要确定。

5．遥信功能

通过上位机提供系统的各种信息资源。（1）通信状态、开关状态、报警/故障标识、电动机回路操作次数/运行时间等。（2）各类信息资源查询、记录、日记报表等。（3）电能管理、成本分析、电能质量和负荷分析等。

可遥信的具体功能应根据用户需要确定。

6．实时控制功能

对特定的控制对象（从站）能进行自动控制，满足从站对可靠性和足够短响应时间的要求。

1.3 影响电气控制柜制作的因素

1.3.1 电气控制柜的制作方式

产品的生产数量决定了电气控制柜的制作方式。1.3.1.1 生产类型

按照生产批量的大小可以划分成3种不同的生产类型，不同的生产类型的工艺过程有不同的特点。

在每天有一定的工作班数的情况下，每年要求制造的产品数量称为年产量。根据年产量大小的不同，制造业一般可分为3种不同的生产类型，即单件生产、成批生产和大量生产。

1．单件生产

单个地制造结构和尺寸不同的产品，并且很少重复，甚至不重复生产，称为单件生产。一般进行技术革新、老设备技术改造或进行新产品试制都属于单件生产。

如果是技术革新及老设备技术改造，不存在后续生产问题，电气控制柜可能在使用草图的状态下就制作完成了。而新产品试制则需要为后续生产准备出完整的技术资料，因此必须有正规的设计图纸及工艺文件，以便在试制过程中对这些设计图纸及工艺文件进行修改和完善。

2．成批生产

成批地制造相同的工件，每隔一定的时间又重复进行，这种生产称为成批生产。每批所制造的相同工件的数量称为批量。批量是根据工件的订货合同、年产量及产品装配周期确定的。按照批量的大小，成批生产又可分为大批、中批和小批生产3种。

大批生产类似大量生产，小批生产类似单件生产，中批生产介于单件生产和大量生产之间。由于电气控制柜具有品种繁多、一般批量有限的特点，一般电气控制设备制造厂多是成批生产的工厂。

3．大量生产

当一种产品的制造数量较多时，大多数工作地点经常是在重复进行一种工件的某一工序的加工，这种生产称大量生产。如汽车制造厂、拖拉机制造厂、家用电器制造厂等都是属于大量生产的工厂。除了标准化程度比较高的一些高低压开关柜产品外，电气控制设备制造厂极少处于此状态。

目前，按照产品的年产量划分生产类型，尚无十分严格的标准，在划分时可参考表1.3.1。表1.3.1 生产类型划分参考表1.3.1.2 不同生产类型的工艺特点

从表1.3.1可见，在不同的生产类型情况下的加工方案，包括所使用的设备、工量夹具、原材料等各方面都有很大的不同。当产品固定、产量很大时，应该采用各种高生产率的专用设备和夹具，这样劳动生产率高，成本也能降低。但在产量较小时，若用专用设备，则由于调整设备的时间长，设备利用率低，平均的单件折旧费就高，成本反而增加，所以一般常用通用设备，主要依靠工人的操作技术水平保证产品的质量和生产效率。由此说明，生产类型不同对工件的工艺过程及设备的选用有很大影响。各种生产类型特征见表1.3.2。表1.3.2 各种生产类型特征

1.3.2 客户的要求

电气控制设备无论是作为商品还是自己使用，都必须满足客户或自己的一定要求，只有这样才能使客户或自己满意。客户的要求一般在生产厂与客户在签订供货合同时，通过签订合同附加的技术协议来规范。自己使用的电气控制设备可以省去签订合同这一步，但最好也要形成一个文档，以便验收时心中有数。客户的要求一般应包含以下项目。1.3.2.1 执行标准

1．产品标准化

产品标准化是指工业产品和零部件的性能、结构、质量、尺寸、工艺设备、工艺方法、技术条件、试验方法及原材料等规定统一标准，并付诸实施的一项技术组织措施。产品标准化有广义和狭义之分。狭义的产品标准化是指全面推行技术标准的过程；广义的产品标准化包括技术标准和管理标准。标准化按其内容分为基础标准、产品标准、工艺标准、工艺装备标准、零部件标准和原材料标准等。

产品标准化是一项重要的技术经济政策，是现代化工业生产发展的客观需要，是生产上技术上实现集中统一协调和互换的保证，也是组织和管理现代化生产的重要手段。实行产品标准化对发展国民经济、促进技术进步具有重要作用。

2．产品标准化的具体表现（1）有利于保证和提高产品质量，合理发展产品品种。（2）有利于简化产品品种，加快产品设计和工艺准备工作。（3）便于产品的使用和维修。（4）有利于组织专业化生产，减少劳动消耗，提高劳动生产率，缩短生产周期。（5）有利于节约原材料，合理利用国家资源，降低产品成本。（6）有利于扩大对外经济和技术交流。

3．产品标准化的层次

电气控制设备的设计制造标准按其适用范围分为国际标准、国家标准、部颁标准、行业标准、企业标准5个层次。通常所称的标准化是指全国范围的标准化。供货合同的技术协议中必须明确电气控制设备的设计制造按照哪一层次的标准，国家标准还需要明确是哪一国家的国家标准；同时在供货合同的技术协议中应标明标准的代号。电气控制设备的设计制造企业必须严格按照要求的标准进行方能满足用户的要求。1.3.2.2 控制要求

各层次的标准一般只对电气控制设备设计制造的具有共性的问题进行规范，如安全问题、电气强度问题、绝缘问题、结构问题等。由于电气控制设备广泛应用于各个领域，各种电气控制设备难免会有一些自己特有的控制要求。对于电气控制设备设计制造标准没有涉及的一些问题，应在供货合同的技术协议中确定。通常应该解决下面这些问题，但并非全部。

1．控制目标要求

控制目标通常可以理解为控制对象，实际控制目标比控制对象更为具体。例如，翱翔在太空的人造卫星是控制对象，而人造卫星的飞行姿态是控制目标；飞速行进的高速列车是控制对象，而高速列车运行状态（加速、匀速、减速、制动、停车等）是控制目标；电动机是控制对象，而电动机的转速、扭矩或温度是控制目标。

2．控制方式要求

各种电气控制设备都有其特定的控制方式要求，常见控制方式如下。

1）手动控制方式

手动控制方式是最基本的控制方式。一般手动控制方式将一个完整的控制过程分解为相对独立的控制环节，每个控制环节的转换通过人的干预操作实现。

2）自动控制方式

自动控制方式是各种控制方式中最为高级的控制方式。自动控制方式只有启动和停止两个状态通过人的干预操作实现，电气控制设备将自动完成一个完整的控制过程。

很显然，自动控制方式可以有效地减轻人的劳动强度，降低劳动力成本。但是自动控制方式要求电气控制设备必须具有完善的安全保护及检测监控系统，这必然会导致电气控制设备的复杂化，使电气控制设备的成本大幅提高。

3）调整控制方式

调整控制方式只会出现在具有自动控制方式的电气控制设备上。设置调整控制方式是为了便于进行生产时或维修后进行调整。由于在自动控制方式下有众多的保护及监控电路工作，而这些电路的工作往往会造成调整工作的复杂化，甚至可能使调试工作根本无法进行。因此在调整控制方式时会将一些妨碍调试工作的保护及监控电路切除，以提高调试工作的效率。

4）遥控控制方式

上面所讲的手动、自动和调整三种控制方式设置在一般控制柜的控制面板上、中央控制台或被控制设备的按钮站上。对于一些大型成套设备，一条生产线有几十米甚至几百米长，为了便于故障时的紧急停机，往往需要按一定距离设置很多个按钮站。即使这样，也会出现巡检人员走在两个按钮站之间时发生异常的情况。紧急停机操作是减少损失的唯一办法，因此遥控控制方式应需而生。

遥控控制方式可以随时随地在需要时进行各种操作，既提高了效率，又可以减少不必要的损失。由于遥控控制方式可以使操作人员与生产设备保持一定距离，因此当异常发生时，可以避免处理故障时可能出现的对操作人员的人身伤害。

3．控制精度要求

一些只对负载的开关量进行控制的系统可能没有控制精度要求，但是对于具有反馈环节的控制系统，控制精度要求是必不可少的。例如，太空舱与宇宙飞船对接的伺服系统、数控机床的仿形系统等。控制精度主要要求下面一些技术指标。

1）响应时间

控制系统的响应时间是指从控制指令发出到被控制对象开始执行所需要的时间。响应时间对于那些有比较多的控制对象且它们的动作必须协调的场合，是一项必须重视的技术指标，否则可能出现动作的错乱，甚至会造成设备的损坏。

2）跟踪精度

对于具有伺服回路的电气控制设备，必然有跟踪精度要求。我国的远望号科学考察船就用于对航天器进行跟踪，如果远望号科学考察船上的跟踪设备没有足够的跟踪精度，便无法对航天器进行准确的跟踪，甚至会出现无法跟踪到目标或丢失跟踪目标的问题。

3）定位精度

定位精度有时是指控制系统将运动中的控制目标准确停止在某一特定位置的精度，有时是指控制系统将两个运动中的控制目标准确停止在某一相对位置的精度。宇宙飞船与太空舱的对接要求有很高的定位精度，电梯的平层操作也要求有比较高的定位精度。

4．控制成本要求

控制成本实际上就是电气控制设备的制造成本与其维护、修理成本的总和。

电气控制柜的制造成本与电气控制系统的复杂程度成正比，而电气控制系统的复杂程度与控制精度正相关。因此，要想降低控制成本，应在满足基本控制要求的前提下，尽可能地降低控制精度要求，使电气控制系统达到最简化，只有这样，电气控制柜的制造成本与其维护、修理成本才能最低。1.3.2.3 可靠性要求

电气控制系统的可靠性是对电气控制柜的基本要求，没有任何企业或个人敢于购买和使用不可靠的电气控制设备，因为不可靠的电气设备不但不可能帮人们的忙，还会给人们添乱，甚至危及人们的人身安全。

电气控制系统的可靠性是其各个子系统的可靠性的乘积，而各个子系统的可靠性又是构成各个子系统的所有元器件的可靠性的乘积，同时还必须考虑各个子系统及各个元器件之间电气连接的可靠性问题。因此要想提高电气控制系统的可靠性，首先必须要求设计的电气控制电路是可靠的，同时必须选择可靠性高的电器及元器件，在制作过程中还必须采用精良的工艺才能达到预期的可靠性要求。

可靠性要求越高，电气控制柜的制造成本也越高，因此应根据实际情况提出可靠性要求。例如，宇宙飞船对控制系统的可靠性要求最高，因为只要发射升空后出现故障便无法处理；飞机对控制系统的可靠性要求也很高，如果飞机升空后出现故障便很难处理，可能造成机毁人亡；火车控制系统的可靠性要求相对就差一些了，因为火车在地面上运行，出现故障也就是不能动了，除非出现两车相撞的灾难性事故，一般不会出现车毁人亡的情况。可靠性与故障率成反比，可靠性高的电气控制设备出现故障的概率低，因此其维护、修理成本低。1.3.2.4 寿命要求

一般要求电气控制设备的使用寿命与其控制的设备使用寿命相同，盲目追求电气控制设备的长寿命没有任何意义。电气控制设备的长寿命意味着电气元件在选用时降额幅度增大，必将导致电气控制设备的体积增大、成本增加。1.3.2.5 安全性要求

电气控制设备的安全性关系着被控制设备及人的生命安全，没有任何企业或个人敢于购买和使用安全性差的电气控制设备。尽管提高电气控制设备的安全性意味着电气控制电路的复杂化，制造成本的上升，但是任何一个电气控制设备都不能在安全性问题上打折扣。

鉴于安全性问题的重要性，在解决安全性问题时成本问题往往被放在次要位置，也就是说解决安全性问题应该不计血本。不同的使用场合和环境中，存在的安全性问题会有差异，但是也存在诸如触电、过电压、过电流、雷击、电磁干扰这样一些共性的问题。这些具有共性的安全问题一般都已经有比较成熟的解决方案，在各种技术标准中都有明确的要求。

保证电气控制设备的安全性，必须从控制电路的安全设计开始，并贯穿于整个制造过程中。电气控制设备的安全设计包括电路的安全设计及结构的安全设计两个方面。制造过程对安全性的影响同样不可小觑，因为再好的安全设计如果没有制造工艺的可靠保障也会化为乌有。

试验和检验是保证安全性必不可少的关键环节。试验的目的是验证控制电路安全设计的正确性和可靠性；检验则偏重于消除电气控制柜加工制造过程中产生的可能危害安全性的情况。

1.3.3 使用条件

1．温度

高温造成设备散热困难、电参数变化、元器件热击穿等；低温造成材料变质、出现凝露受潮现象等。温度剧烈交变对电子电气设备影响更大。

对电子元器件而言，温度每超过额定温度8℃，其寿命将降低一半。

在昼夜温差达到或超过30℃的地区使用电子电气设备时应进行温度交变试验。

2．干燥和湿热

干燥造成塑料、橡胶等有机材料变干发脆，导致某些部件（密封件、绝缘件、弹性件等）失效。湿热造成材料受潮变质，绝缘能力下降，元器件电参数变化、短路、腐蚀、霉菌、昆虫侵蚀等。对于工作在湿热地区的电子电气设备，必须进行湿热交变试验。

3．气压

气压降低，电子元件抗电强度下降，易导致飞弧、击穿等；同时由于大气密度减小，设备对流散热能力变差。

在海拔5000m以下，每升高100m抗电强度下降1％，设备温度升高0.4～1℃；在30000m高空抗电强度为地面的9.9％，其对流散热能力约为地面的50％。

4．盐雾和大气中的有害物质

盐雾使设备绝缘性降低，盐雾沉积在设备、元件和零件上会使其加速腐蚀。沿海和海用设备应进行盐雾试验。

部分工业环境中的空气含有如SO、HCl等各种化学反应形成的2烟雾，这些含有酸、碱、盐成分的雾能引起设备金属部件的腐蚀，并使有机材料变质。

工业环境中的工业粉尘、生物碎屑、霉菌孢子，随空气四处传播，它们侵入设备后，能加速设备运动部件的磨损，破坏绝缘。1.3.3.2 机械因素对电气控制设备的影响

机械因素主要包括振动、碰撞冲击、离心力等。机械因素施加在设备上时可能引起以下情况。（1）机械性损坏。例如，结构件破裂、变形、疲劳损坏，元器件引线断裂、焊点脱焊等。（2）电性能变化、工作点变化。例如，可变电容片因谐振造成电量变化；电感回路因磁芯移动造成回路失谐；等等。（3）电接触和电连接失效。例如，接触不良、继电器误动作。（4）其他。例如，腐蚀加重、涂覆层破坏、内应力变化加剧。

1.3.4 设备条件和技术水平

电气控制设备的生产从工艺角度可以分成电气装配和机柜制作两个部分。电气控制柜的电气装配属于劳动密集型的工作，人的工作目前仍然无法由机械设备所替代。机柜制作需要使用钣金加工设备，不同生产类型电气控制设备生产企业的生产设备有很大的差异。

1．设备条件

生产设备对于生产企业来讲属于前期投资，如果生产设备先进精良却只进行单件生产，其结果只能是赔钱。较小的生产规模如果采用较先进的工艺装备，虽然生产效率高、产品质量好，但设备投资大、设备利用率低，势必造成极大的浪费。因此电气控制设备的生产工艺装备应与生产规模相适应，才能取得最佳的经济效益。

电气控制设备的主要生产设备由机柜的生产规模决定。较小的生产规模使用通用钻床、剪板机、冲床和折弯机。中等生产规模时采用分散安装的数控钻床、数控剪板机、数控冲床和数控折弯机。大规模生产应采用由机械手、传送带、开卷机、钢板校平机、数控剪板机、数控联动冲床、多工位数控冲床、剪切校正机、数控折弯机、自动焊接机、箱体成形机、箱体自动焊接机组成的流水生产线，采用人工装卡和运送半成品。而超大规模生产则应使用由机械手、传送带连接开卷机、钢板校平机、数控剪板机、数控联动冲床、多工位数控冲床、剪切校正机、数控折弯机、自动焊接机、箱体成形机、箱体自动焊接机等设备构成的自动化生产线，工人只需进行监控。

先进的生产设备可以形成较强的生产能力，产品的质量也可以得到较好的保障。设备的自动化程度越高，对操作工人的技术水平要求越高，工人的费用也要增加。设备的自动化程度越高，进行维修的难度越大、时间越长、会导致费用增加，使生产成本增加。

2．技术水平

技术水平主要是指生产技术人员的技术水平。没有高水平的生产技术人员不可能生产出先进精良的电气控制设备。生产技术人员的技术水平关键在于其在电气控制设备制造行业的知识和工作经验的积累。

电气控制设备的单件生产，对生产人员的技术水平要求较高。因为在单件生产状态下，生产人员可能需要参与从设计到制作完成的全过程，当出现问题时也需要自己解决。

对于批量生产的电气控制设备生产企业，其人员分工很细。有专门的技术人员进行产品及零部件设计，并负责解决生产中出现的问题。在这种情况下，对操作工人的技术水平要求并不高，只要能够识图便可以满足生产要求。

1.3.5 技术文件与标志

用户安装、操作和维护机械电气设备所需的资料，应以简图、图、表图、表格和说明书的形式提供。这些资料应使用供方和用户共同商定的语言，提供的资料可因提供的电气设备的复杂程度而异。对于很简单的设备，有关资料可以包容在一个文件中，只要这个文件能显示电气设备的所有器件并使之能够连接到供电网上即可。

供方应确保随每台电气控制设备提供用户要求的技术文件。对于出口产品，有些国家要求使用由法律要求所覆盖的特定语言。技术文件与标志应满足下列要求。1.3.5.1 技术文件

1．需要为用户提供的资料

随电气设备提供的资料应包括以下内容。

1）主要文件（元器件清单或文件清单）

制造商应在其技术文件或产品目录中规定成套设备及设备内电气元件的安装、操作和维修条件。

如果有必要，成套设备的运输、安装和操作说明书上应指出某些方法，这些方法对合理地、正确地安装、交付使用与操作成套设备是极为重要的。

必要时，上述文件中应给出推荐的维修范围和维修周期。

如果电气元件的安装排列使电路的识别不很明显，则应提供有关资料，如接线图或接线表。

2）配套文件

配套文件包括以下几种。（1）设备、装置、安装及电源连接方式的清楚、全面的描述。（2）电源的技术要求。（3）实际环境（如照明、振动、噪声级、大气污染）的资料（在适当的场合）。（4）概略图或框图（在适当的场合）。（5）电路图。（6）下述有关资料（在适当的场合）：编制的程序（当使用设备需要时）；操作顺序；检查周期；功能试验的周期和方法；调整维护和维修指南，尤其是对保护器件及其电路；元器件和备用件清单。（7）安全防护装置、连锁功能、具有潜在危险运动的防护装置，尤其是以协作方式工作的机械防护装置的连锁的详细说明（包括互连接线图）。（8）安全防护的说明和有必要暂停安全防护功能时（如手工编程、程序验证）所提供措施的说明。（9）保证机械安全和安全维护的程序说明。（10）搬运、运输和存放的有关资料。（11）负载电流、峰值启动电流和允许电压降的有关资料（当适用时）。（12）由于采取的保护措施引起遗留风险的资料，指出是否需要任何特殊培训的信息和任何需要个人保护设备的资料。（13）控制设备制造厂应提供对控制设备使用的特殊条件和智能元器件（如总线接口、智能马达控制器等）的说明书，以及使用中的有关信息和标准。

2．适用于所有文件的要求

除非制造商和用户之间另有协议，否则应符合下列要求。（1）文件应依照GB/T 6988的相关部分制定。（2）参照代号依照GB/T 5094的相关部分制定。（3）说明书/手册应依照GB/T 19678—2005制定。（4）元器件清单应依照GB/T 19045—2003中的B类提供。

为了便于查阅各种文件，供方应选用下述方法之一。（1）文件由少量文件（如少于5）组成时，每个文件应附有属于电气设备的所有其他文件作为相互参考的文件号。（2）只对于单层主要文件，应将图或文件清单中带文件号和标题的全部文件列出。（3）在属于同一层次的元器件清单中，应列出文件结构某些层次的文件号和标题的全部文件。

3．安装文件

安装文件应给出安装机械（包括试车）所需的全部资料。在复杂情况下，可能还需要参阅详细的装配图。

应清楚地表明现场安装电源电缆的推荐位置、类型和截面积。

应说明机械电气设备电源线用的过电流保护器件的形式、特性、额定和调定值的选择所需的数据。

如必要，应详细说明由用户准备的地基中的通道的尺寸、用途和位置。

应详细说明由用户准备的机械和关联设备之间的管道、电缆托架或电缆支撑物的尺寸、类型及用途。

如必要，图上应标明移动或维修电气设备所需的空间。

在需要的场合应提供互连接线图或互连接线表。这种图或表应给出所有外部连接的完整信息。如果电气设备预期使用一个以上电源供电，则互连接线图或表应指明使用的每个电源所要求的变更或连接方法。

4．概略图和功能图

如果需要了解操作的原理，则应提供概略图。概略图象征性地表示电气设备及其功能关系，而无须示出所有互连关系。

功能图可用作概略图的一部分，或除了概略图之外还有功能图。

5．电路图

应提供电路图，这些图应示出机械及其关联电气设备的电气电路。GB/T 4728中没有的图形符号应单独指明，并在图上或支持文件上说明。机械上的和贯穿于所有文件中的器件和元件的符号和标志应完全一致。

如必要，应提供表明接口连接的端子图。为了简化，这种图可与电路图一起使用。这种图应包括所标明的每个单元所涉及的详细电路图。

在机电图上，开关符号应展示为电源全部断开（如电、空气、水、润滑剂的开关），而机械及其电气设备应显示为正常启动的状态。

电路图的展示应使其能便于了解电路的功能、便于维修和便于故障位置测定。有些控制器件和元件的功能特性，若从它们的符号表示法不能明显表达出来，则应在图上其符号附近说明或加注脚注。

6．操作说明书

技术文件中应包含一份详述安装和使用设备的正确方法的操作说明书。应特别注意所提出的安全措施。

如果能为设备操作编制程序，则应提供编程方法、需要的设备、程序检验和附加安全措施的详细资料。

7．维修说明书

技术文件中应包含一份详述调整、维护、预防性检查和修理的正确方法的维修说明书。对维修间隔和记录的建议应为该说明书的一部分。如果提供正确操作的验证方法（如软件测试程序），则这些方法的使用应详细说明。

8．元器件清单

如果提供元器件清单，至少应包括订购备用件或替换件所需的信息（如元件、器件、软件、测试设备和技术文件）。这些文件是预防性维修和设备保养所需的，其中包括建议设备用户在仓库中储备的元器件。

元器件清单应为每个项目列出：（1）文件中所用的项目代号；（2）形式代号；（3）供方或可买到的代替货源；（4）在适当的场合的一般特性。1.3.5.2 标志

1．铭牌

每台电气控制设备应配备一个或数个铭牌，铭牌应坚固、耐久，其位置应该是在控制设备安装好后易于看见的地方，而且字迹要清楚。

为了尽可能从制造厂获得全部资料，制造厂的名称和商标及产品的设计型号或系列号必须标在电器上，最好是在铭牌上。

下面（1）和（2）项的资料应在铭牌上标出。

另外，（3）～（19）项的数据，如果适用，可以在铭牌上给出，也可以在制造商的技术文件中给出。（1）制造商（生产厂）或商标。注意：制造商是对完整的控制设备承担责任的机构。（2）型号或标志号，或其他标记，据此可以从制造商得到有关的资料。（3）执行标准。（4）电流类型（及在交流情况下的频率）。（5）额定工作电压。（6）额定绝缘电压。如制造商已标明，可标为额定冲击耐受电压。（7）辅助电路的额定电压（如适用）。（8）工作限值。（9）每条电路的额定电流（如适用）。（10）短路耐受强度。（11）防护等级。（12）对人身的防护措施。（13）户内使用条件、户外使用条件和特殊使用条件，如制造商已标明，则为污染等级。（14）为控制设备所设计的系统接地形式。（15）外形尺寸，其顺序为高度、宽度（或长度）、深度。（16）质量。（17）内部隔离形式。（18）功能单元的电气连接形式。（19）环境1或环境2。

2．标志

在控制设备内部，应能辨别出单独的电路及其保护器件。

如果要标明控制设备电气元件，所用的标记应与控制设备接线图上的标记一致。如需要标志在电器上，则有关产品标准应符合相应的规定。

标志应不易磨灭和易于识别。电器上还应标志下列数据且保证在安装后是易见的。（1）操动器的运动方向（如适用）。（2）操动器位置标记。（3）合格标记和认证标志（如适用）。（4）对于微型电器，则标以符号、颜色代号或字母代号。（5）接线端子的识别和标志。（6）IP代号和防电击保护等级（当适用时）。（尽可能标在电器上）（7）隔离适用性（当适用时），其隔离功能符号如下。

隔离用断路器：隔离开关：

上述符号应达到：

●清楚、明显；

●当电器按使用要求安装且接近操动器时符号应是可见的。

无论电器是不封闭的还是封闭的，上述要求均适用。

如果上述符号作为线路图的一部分，且该线路图仅用于标志隔离的适用性，则上述要求同样适用。

1.4 电气控制柜设计制作的原则

1.4.1 技术设计的一般原则

1．事先进行试验和进行评价的原则

对于缺乏实践考验和实用经验的材料、元器件、单元电路和设计加工方法，必须事先进行试验和科学评价，然后根据其可靠性和安全性选用。

2．预测和预防的原则

要事先对电气控制系统及其组成要素的可靠性和安全性进行预测。对已发现的问题加以必要的改善，对易于发生故障或事故的薄弱环节和部位也要事先制定预防措施和应变措施。

3．技术经济性原则

不仅要考虑可靠性和安全性及寿命，还必须考虑系统的质量因素和输出功能指标，其中包括技术功能和经济成本。

4．审查原则

既要进行安全性、可靠性设计，又要对设计进行安全性、可靠性审查和其他专业审查（如标准化），也就是要重申和贯彻各专业、各行业提出的评价指标。

5．整理准备资料和交流信息原则

为便于电气控制设备设计工作者进行分析、设计和评价，应充分收集和整理设计者所需要的数据和各种资料，以有效地利用已有的实际经验。

6．信息反馈原则

应对实际使用的经验进行分析，并将分析结果反馈给有关部门。

1.4.2 安全设计原则

作为产品风险评价的整个技术要求的一部分，应对与电气设备危害有关的危险进行评价。这将确定风险的可接受程度及对可能遭受危害人员的必要保护措施，并要求机械及电气设备的性能保持在令人满意的水平。

事故起因有下列几种，但不限于这些。（1）电气设备失效或故障，从而导致电击或电火花的产生。（2）控制电路（或与其有关的元器件）失效或故障，从而导致机械误动作。（3）电源干扰或故障，以及动力电路失效或故障造成的机械误动作。（4）滑动或滚动接触的电路连续性损失所引起的安全功能失效。（5）电气设备外部或内部产生的电干扰（如电磁、静电、射频干扰）。（6）噪声达到危害人员健康的程度。（7）会引起伤害的外表温度。

安全措施包括设计阶段和要求用户配置的综合设施。

在设计和研制过程中，应首先识别源于机械及电气设备的危险和风险。在本质安全设计方法不能消除危险或充分降低风险的场合，应提供降低风险的保护措施（如安全防护）。在需要进一步降低风险的场合，应提供额外的方法（如警示方法），此外，降低风险的工作程序是必要的。

推荐使用GB 7251.1—2005的附录B的查询表，以便于拟定用户和供方间的协议。协议是根据电气设备的有关基本条件和用户的附加技术要求制定的，这些附加要求包括：（1）根据机械（或一组机械）的类型和使用，提出附加的安全要点；（2）便于维护或修理；（3）提高操作的可靠性和简易性。1.4.2.2 电气产品安全设计基本要求

安全性是保证机电设备能够可靠地完成其规定功能，同时保证操作和维护人员的人身安全的重要特性。安全性设计应使产品达到本质安全化的要求。（1）设备的操作者或维护者不具备电的基本常识，仍能保证最大安全性。（2）设备的操作者或维护者粗心大意时仍能保证最大安全性。

本质安全是指操作失误时，设备能自动保证安全；当设备出现故障时，能自动发现并自动消除，能确保人身和设备的安全。为使设备达到本质安全而进行的研究、设计、改造和采取各种措施的最佳组合称为本质安全化。

设备是构成控制系统的物质系统，由于物质系统存在各种危险与有害因素，为事故的发生提供了物质条件。要预防事故发生，就必须消除物质系统的危险与有害因素，控制物质系统的不安全状态。本质安全的设备具有高度的可靠性和安全性，可以杜绝或减少伤亡事故，减少设备故障，从而提高设备利用率，实现安全生产。本质安全化正是建立在以物质系统为中心的事故预防技术的理念上的，它强调先进技术手段和物质条件在保障安全生产中的重要作用。它希望通过运用现代科学技术，特别是安全科学的成就，从根本上消除能引发事故的主要条件。如果暂时达不到，则采取两种或两种以上的安全措施，形成最佳组合的安全体系，达到最大限度的安全。同时，尽可能采取完善的防护措施，增强人体对各种伤害的抵抗能力。设备本质安全化的程度并不是一成不变的，它将随着科学技术的进步而不断提高。

从人机工程理论来说，伤害事故的根本原因是没有做到人-机-环境系统的本质安全化。因此，本质安全化要求对人-机-环境系统作出完善的安全设计，使系统中物的安全性能和质量达到本质安全程度。从设备的设计、使用过程分析，要实现设备的本质安全，可以从三方面入手。（1）设计阶段：采用技术措施来消除危险，使人不可能接触或接近危险区，如在设计中对齿轮系采用远距离润滑或自动润滑，即可避免因加润滑油而接近危险区。又如，将危险区完全封闭，采用安全装置，实现机械化和自动化等，都是设计阶段应该解决的安全措施。（2）操作阶段：建立有计划的维护保养和预防性维修制度；采用故障诊断技术，对运行中的设备进行状态监督；避免或及早发现设备故障，对安全装置进行定期检查；保证安全装置始终处于可靠和待用状态；提供必要的个人防护用品；等等。（3）管理措施：指导设备的安全使用，向用户及操作人员提供有关设备危险性的资料、安全操作规程、维修安全手册等技术文件；加强对操作人员的教育和培训，提高工人发现危险和处理紧急情况的能力。

根据事故致因理论，事故是由于物的不安全状态和人的不安全行为在一定的时空里的交叉所致。据此，实现本质安全化的基本途径有：从根本上消除发生事故的条件（即消除物的不安全状态，如替代法、降低固有危险法、被动防护法等）；设备能自动防止操作失误和设备故障（即避免人操作失误或设备自身故障所引起的事故，如联锁法、自动控制法、保险法）；通过时空措施防止物不安全状态和人不安全行为的交叉（如密闭法、隔离法、避让法等）；通过人-机-环境系统的优化配置，使系统处于最安全状态。

总之，本质安全化从控制导致事故和“物源”方面入手，提出防止事故发生的技术途径与方法，对于从根本上发现和消除事故与危害的隐患，防止误操作及设备故障可能发生损坏具有重要作用。它贯穿于方案论证、设计、基本建设、生产、科研、技术改造等一系列过程的诸多方面，是确保安全生产所须遵循的“物的安全原则”。1.4.2.3 电气产品有哪些安全风险

任何在正常使用条件或故障条件下使用的电气产品都存在以下危险。

1．通过人体的危险电流（触电）（1）防电击——电气设备的电击危险直接威胁着使用者的安全，所以防电击（防触电）也就成为对所有用电设备的最起码要求。为此，任何电子产品都必须具有足够的防电击措施。（2）防能量危险——大电流的输出端短路或大容量电容器（如大容量电解电容）端子短路会形成大电流甚至产生火花，冒出熔融金属，引起燃烧。就此而言，也不能一概而论，认为低压电路就是没有危险的。所以在这方面必须有一定的保护措施。

2．温度过高及起火

温度过高会造成电气元件绝缘的老化，缩短电气元件的使用寿命，并使电气控制设备的可靠性降低，可能危及人员和财产的安全。

外露部件或材料的温度过高容易导致着火燃烧。除此之外，外露部件的温度过高还有可能造成人员烫伤，特别是导热性能良好的外露金属零部件。

燃烧除了直接威胁使用者人身安全之外，还直接威胁周围环境的安全，从而威胁更多人员和公共环境的安全。着火燃烧过程的二次生成物的影响：烟雾浓度影响着火现场人员的逃生；二次生成物的毒性直接危及现场人员的生命；二次生成物的腐蚀性威胁着现场的人员及现场环境的设备。所以，燃烧历来是电气控制设备产品设计中必须认真防范的。

3．内爆或爆炸的影响

高压及真空状态都存在内爆或爆炸的危险。它们在受到震动、撞击、高温等情况时可能发生内爆或爆炸，会有爆炸伤人的危险。

4．辐射危险

可能对人员造成伤害的辐射包括声频辐射、光辐射（含红外光和紫外光）、电离辐射等。由于电子技术应用赿来赿普遍，带有以上辐射源的电子、电器产品的使用者可能对其中的辐射毫不了解，更没有保护意识。设计人员应对此引起重视。

5．机械危险（1）机械不稳定性：对静止部件或设备整体，如果重心过高或重心不稳，都有倾倒伤人的危险。（2）机械零部件引起的伤害：无意接触到运动部件有可能会造成人身伤害。例如，接触到功率较大、转速较高，其叶片硬度超过一定值的风扇，就可能造成严重后果。由于设计不周或加工不良，至使边、角太锐利而划伤使用人员。

6．化学危险

接触某些液态危险化学物质（如酸、碱、汞）或其蒸气、气体化学物质或烟雾、盐雾等（如氯化氢气体、氯气等）会造成人身伤害。当产品含有或可能产生这类物质时，必须考虑采取足够的防护措施。1.4.2.4 应首先采用改变产品的危险性特征的方法消除安全隐患（1）选择其他的工作机理。（2）使用过程中发生损坏和伤害事故之前，使产品钝化。（3）将操作者与危险源隔离。（4）减少操作者随意改动产品的可能性。纠正或预防操作者的危险行为。（5）通过产品对操作者的行为施加影响。（6）从人体工程学或认识能力的角度挑选操作者。改造或杜绝危险的环境条件。（7）通过产品来对选择使用场所施加影响。1.4.2.5 安全技术措施选择顺序

在电气控制设备的安全设计中，会出现安全技术和经济利益之间的矛盾，这时应优先考虑安全技术上的要求，并按以下顺序考虑安全技术措施。

1．直接安全技术措施

直接安全技术措施指在结构等方面采取安全措施，将设备设计得无任何危险和隐患。

2．间接安全技术措施

间接安全技术措施指在不可能或不完全可能实现直接安全技术措施时所采用的特殊安全技术措施。这种措施只具有改进和保证安全使用设备的目的而不带有其他功能。

3．提示性安全技术措施

若上述两种措施都达不到目的，或不能完全充分达到目的，可以采取这种以说明书、标记、符号等形式简练地说明在什么条件下采取何种措施，才能安全地使用设备的安全技术措施。例如，设备必须进行某种定位、安装、维护；必须按某种程序操作；必须采取某种运输、储存方式；使用维修中必须注意何种规则才能预防某种危险；等等。1.4.2.6 进行电路设计和结构设计时安全性设计的优选顺序（1）设计使危险最小。（2）使用安全装置。（3）安装警报设备。（4）使用安全操作规程和注意防护。1.4.2.7 安全设计必须考虑环境条件和应用条件，特别应考虑特殊条件

所谓环境条件是指电气设备所承受的周围的物理、化学和生物的条件。这些条件是由单一环境参数及其严酷程度组合而成的。它们通常包括自然界中出现的和产品自身或外部产生的条件。

1．单一环境参数

单一环境参数包括如下几点。（1）气候环境。温度、温度变化、湿度、压力、压力变化、环境介质（气体/液体）的运行（包括产品相对于环境介质的运行）、降水（包括雨、雪、冰雹）、辐射（包括太阳辐射、太阳辐射以外的热辐射、离子辐射）、水（除了雨以外的滴水、溅水、喷水、射水、水浪、浸水）、湿润等。（2）生物环境。包括各种霉菌和真菌、昆虫及鸟、鼠、蛇等动物。（3）化学（包括微粒）环境。包括海盐、二氧化硫、硫化氢、氧化氮、臭氧、有机碳氢化合物、氨、机械活性粒子（沙、尘、泥浆）等。（4）机械环境。包括冲击的非稳态振动、周期性（正弦的）和非周期性（随机的）的稳态振动、自由跌落、外物的碰撞、滚动和倾斜、稳态加速度和静负荷的稳态力。（5）电气和电磁环境。静态和交变电场、静态和交变磁场、传输导线的干扰。

电气设备的单个环境参数的严酷程度应符合现行国标《电工电子产品环境参数分类及其严酷程度分级》。产品所处的实际环境条件通常是复杂的，往往同时暴露在若干个环境条件之内。因此在设备的安全设计中应当确知产品同时暴露在哪几种环境条件中，以及每种环境条件的严酷程度。

2．特殊的环境或运行条件

特殊的环境或运行条件有以下几种：易燃和易爆危险；异常高或异常低的温度；异常的潮湿；特殊的化学、物理和生物作用。

在特殊条件下运行的电气控制设备除应遵守一般安全设计规则外，还必须制订和遵守相应标准。例如，在爆炸危险环境下的电气设备必须遵守现行国家标准《爆炸性环境用防爆电气设备》的要求。1.4.2.8 安全设计必须考虑设备在制造过程中的安全

这个要求可能需要从设备结构设计和制造工艺设计两方面来考虑。设备的安全设计还应考虑其他一些因素或条件。例如，操作人员的素质、人机工效学的要求、产品对环境的影响等。1.4.2.9 电气控制设备安全设计方法

任何电气控制设备都是在一定的环境下工作的，而潮湿、盐雾和霉菌会降低材料的绝缘强度，引起漏电，从而导致故障。因此，必须采取防止或减少环境条件对机电产品安全稳定性影响的各种方法，以保证机电产品的性能。

1．防止电危险的安全性设计

防止电危险的安全性设计主要包括以下几点。（1）设计操作方便的电源开关，以便能及时切断电源。（2）全部外露金属件都要可靠接地。（3）设置过压、过流和漏电保护装置。（4）设置高压电容器自动放电装置。（5）电源和高压部位应当设置明显标志，如电源进出线的“相”“零”“地”，蓄电池的“正”“负”，以防误操作。（6）特别要注意高压部件的绝缘设计。（7）露天使用的机电产品应设置避雷装置。（8）多个电连接器应有防差错设计。（9）如果设备运行中有静电产生，必须防止危险的静电集聚，否则必须采取放电或隔离安全技术措施。（10）供维修使用的照明电源应为安全电压。（11）尽量减少电弧放电，为此尽量不用触点闭合器件。

2．防止机械危险的安全性设计

防止机械危险的安全稳定性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。安全稳定性是产品质量的时间指标，是产品性能能否在实际使用中得到充分发挥的关键之一。安全稳定性设计必须与控制产品的功能设计同步进行，设计人员必须掌握其设计方法。

防止机械危险的安全稳定性设计主要包括以下几点。（1）运动部件应当加防护和限位装置以保证人身安全。（2）设备的边角应当倒圆以防伤人。（3）门、抽屉及其他运动部件，应当加连锁装置以防意外脱落。（4）设备的稳定性。

立式设备不允许由于振动、大风或其他外界作用力而翻倒。如果通过结构设计和元器件质量分布不能或不完全能满足这一要求，则必须采取特殊安全措施。例如，采用平衡砝码，使其有较合理的重心位置。对于有驾驶位置的活动式设备，要考虑采用防倾覆措施。如果设备的稳定性只有通过在安装和使用现场采取一定的方式或特殊措施才能实现时，则应在设备上或使用说明书中加以说明。固定式设备可留固定孔，在固定点埋设地脚螺钉或其他限位部件，以保证稳定性。（5）设备的运输。设备的外形结构应便于移动和搬运。标明质量，注明装卸部分位置及重心。（6）有危险的部位，应当设置明显标志，如吊装索具位置。

3．防止火灾和爆炸危险的安全性设计

防止火灾和爆炸危险的安全性设计主要包括以下几点。（1）有爆炸危险的器件，对其使用、运输和存储都应有相应的安全措施。（2）有易燃危险的器件，应有相应的防范措施。（3）对电气设备，应当加强维护和检修，以防引起火灾。（4）尽量采用阻燃性好的材料。（5）设置灭火装置。

4．防止辐射危险的安全性设计

防止辐射危险的安全性设计主要包括以下几点。（1）微波辐射功率密度大于10mW/cm，应当加装防护衰减装置。（2）磁通量大于0.1T，应当加装防护衰减装置。-62（3）因为激光进入人眼的密度不能大于5×10J/cm，因此，产生激光的部位应设置明显标志；X射线每周累计照射量一般不能大于-25.58×10C/kg。（4）有防差错的安全性设计，就不会发生灾难性后果。

5．防潮设计的原则（1）采用吸湿性小的元器件和材料。（2）采用喷涂、浸渍、灌封等处理。（3）局部采用密封结构。（4）改善整机使用环境，如采用空调、安装加热去湿装置。（5）经常在潮湿环境条件下使用的控制设备，选用元器件时要特别注意其密封性和耐潮性。（6）在潮湿环境下或在海上及沿海地区应用的设备，应尽量使用密封的继电器和光电耦合固体继电器。

6．防霉设计的原则（1）采用抗霉材料，如无机矿物质材料。（2）采用防霉剂进行处理。（3）控制环境条件来抑制霉菌生长，如采用防潮、通风、降温、降湿等措施。

7．防盐雾设计的原则（1）采用防潮和防腐能力强的材料。（2）采用密封结构。（3）易腐蚀表面进行重防腐处理。（4）岸上设备应当远离海岸。

8．抗震设计

任何机电产品都要经过从厂家到用户的装运过程，特别是在振动场合下应用的机电设备，必须采取防止或减少振动环境条件对机电产品可靠性影响的各种方法，以保证电气控制设备工作中的性能。为此应当充分注意以下几个方面。（1）印制电路板上的元器件引脚线长应当尽量短，以增强抗振能力。（2）印制电路板应当竖放并进行加固。（3）较重的器件应当进行加固。（4）悬浮的引线不宜拉得过紧，以防振动时断裂。（5）运输机电产品时，应当加强防震措施。（6）振动场合应用的机电产品，应当采用防震措施。

9．电磁兼容性设计

电磁兼容性是指控制设备在电磁环境中正常工作的能力。电磁干扰是对控制设备工作性能有害的电磁变化现象。电磁干扰不仅影响控制设备的正常工作，甚至造成控制设备中的某些元器件损害。因此，对控制设备的电磁兼容技术要给予充分的重视。既要注意控制设备不受周围电磁干扰正常工作，又要注意控制设备本身不对周围其他设备产生电磁干扰，影响其他设备的正常运行。

电磁兼容性设计应包括以下几个方面。（1）电磁兼容性的预测和分析。（2）制定项目的电磁兼容性标准。（3）进行相同的频谱管理。（4）制定电源、结构、工艺、布局等电磁兼容性的要求。（5）拟制电磁兼容性试验大纲。

10．设备运行中危险因素的防护设计（1）电气设备在运行时，工件、工具、部件和所产生的金属屑有可能飞甩出去，应该使用诸如防护罩等特殊安全技术措施。设备的设计必须使其发出的噪声和振动保持在尽可能低的水平上。（2）如果设备的灼热或过冷部分能造成危险，则应采取隔离措施。伸臂范围之内的设备可触及部分的最高温度应控制在表1.4.1所示的范围内。表1.4.1 伸臂范围内的设备可触及部分在正常运行中的最高温度（3）不要在经常工作的部件旁安置高温零件。（4）凡是需在极热或极冷条件下使用的工具或控制器，都不要安装金属把手。（5）应对使用和维护设备提供温度适宜的环境，过冷或过热都是不允许的，应增设空调设备。（6）设计时应使一切外露部分（包括机箱）在35℃环境温度下，它们的温度不超过60℃。面板和控制器不应超过43℃。（7）要控制振动，大振幅、低频率对人体是有害的，应采取措施限制。（8）设备运行中所需的工作介质不得对人和周围环境产生有害影响。如果不能避免危险的工作介质（如淬火设备、喷漆设备、电镀设备等所用工作介质），则必须采取特殊安全技术措施或操作说明，在什么条件下才能无危险作用。

如果在工作过程中产生有害的粉尘、蒸气和气体，必须将其密闭起来或使其变为无害后排出。如果采用这些措施有困难或这些措施还不能保证安全，则必须在使用说明书中指出应采取的其他措施。

带有液体的设备，在正常使用中，当液体溢出时，不得损害电气绝缘。在发生故障和事故时，不得致使液体流到工作间或喷溅到工作人员身上。如果采取措施有困难或采取了措施还不能保证安全，则必须在使用说明书中指出应采取的其他措施。如果在运行中出现有害的液体，则必须将其密闭起来，或者使其变为无害后排出。（9）必须防止危险的静电集聚。如果设备运行中有静电产生，可能导致危险，则必须采取特殊安全技术措施。（10）应对设备内各种噪声源进行控制，同时应增设消音设备。

11．开关、控制和调节装置的设计（1）控制和调节装置

电能的接通、分断和控制，必须保证可靠和安全，调节部分的设计要防止误接通和误分断。手动控制的操作件运动方向和最终效应应符合表1.4.2所示的规定，必要时应辅以容易理解的图形符号和文字说明。自动或部分自动开关和控制过程，必须排除由于过程重叠或交叉可能造成的危险，为此要有相应的连锁或限位装置。控制系统的设计，要保证即使在导线损坏的情况下也不致造成危险。复杂的安全技术系统要装设监控装置。表1.4.2 手动控制的操作件运动方向和最终效应

如果在设备上装有控制装置和作为特殊安全技术措施的离合器或连锁机构，这些机构必须具有强制作用，为此应当做到：

①特殊安全技术装置要与工作过程和运行过程的开始同时起作用；

②特殊安全技术装置起作用之后，工作过程和运行过程才开始起作用；

③在工作人员接近危险的区域时，先强制性地停止工作过程和运行过程。（2）紧急开关

在下列情况下，设备必须装设紧急开关。

①在可能发生危险的区域内，工作人员不能快速地操纵操作开关以终止可能造成的危险。

②设备中有几个可能造成危险的部分存在时，工作人员不能快速地操纵一个公用的操作开关来终止可能造成的危险。

③切断供电可能造成更大危险。

④工作人员在控制台处不能看到所控制的全套设备。

必须有足够数量的开关装设在各个控制位置上人手能迅速摸到的地方，紧急开关应采用醒目的红色标记。无论是被接通还是被分断电源的设备，都不允许由于启动紧急开关而造成危险。紧急开关应当手动复位。（3）防止误启动

对于在安装、维护、检验时，人体或人体部分需要伸入危险区域的设备，必须防止设备的误启动。可采取以下措施。

①首先强制分断设备的电能输入。

②在“断开”位置采用多重闭锁的总开关。

③将控制或连锁元器件布置在危险区域，且只能在此区域闭锁或启动。

④装入或拔出的开关钥匙。

1.4.3 可靠性设计原则

从人机系统的整体可靠性出发，合理确定人与机器的功能分配，从而设计出经济可靠的人机系统。

一般情况下，机器的可靠性高于人的可靠性，实现生产的机械化和自动化，就可将人从机器的危险点和危险环境中解脱出来，从根本上提高人机系统的可靠性。1.4.3.2 高可靠性组成单元要素原则（1）控制设备要优先采用经过时间检验的、技术成熟的、高可靠性的元器件及单元要素来进行设计。（2）在满足技术性要求的情况下，尽量简化方案及电路设计和结构设计，减少整机元器件数量及机械结构零件。（3）电路设计和结构设计应容许元器件和机械零件有最大的公差范围。（4）电路设计和结构设计应把需要调整的元器件（如电位器、需整定电器等）减到最小程度。（5）电路设计应保证电源电压和负荷在通常可能出现极限变化的情况下，电路仍能正常工作。（6）设计设备和电路时，应尽量放宽对输入及输出信号临界值的要求。1.4.3.3 具有安全系数的设计原则

由于负荷条件和环境因素随时间而变化，所以可靠性也是随时间变化的函数，并且随时间的增加，可靠性在降低。因此，设计的可靠性和有关参数应具有一定的安全系数。1.4.3.4 高可靠性方式原则

为提高可靠性，宜采用冗余设计、故障安全装置、自动保险装置等高可靠度结构组合方式。

1．系统“自动保险”装置

自动保险，就是即使是不懂业务的人或不熟练的人进行操作，也能保证安全，不受伤害或不出故障。这是机器设备设计和装置设计的根本性指导思想，是本质安全化追求的目标。要通过不断完善结构尽可能地接近这个目标。

2．系统“故障安全”结构

故障安全，就是即使个别零部件发生故障或失效，系统性能不变，仍能可靠工作。

系统安全常常是以正常、准确地完成规定功能为前提的。可是，由于组成零件产生故障而引起误动作，常常导致重大事故发生。为达到功能准确性，采用保险结构方法可保证系统的可靠性。

3．从系统控制的功能方面来看，故障安全结构的种类（1）消极被动式。组成单元发生故障时，机器变为停止状态。（2）积极主动式。组成单元发生故障时，机器一面报警，一面还能短时运转。（3）运行操作式。即使组成单元发生故障，机器也能运行到下次定期检查。

通常在控制系统中，大多为消极被动式结构。1.4.3.5 元器件的选择对机电产品可靠性的影响

元器件的选择是电气控制设备可靠性的基础之一，很多机电产品的失效是由元器件的性能和质量问题造成的。元器件的选用应遵循下述原则。（1）根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格和质量等级的元器件。（2）根据元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术选用元器件。（3）根据产品要求的可靠性等级，选用与其适应的并通过国家质量认证合格单位生产的元器件。（4）尽量选用标准的、系列化的元器件，重要的关键件应选用军用级以上元器件。（5）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准。（6）根据国家或本单位的元器件优选手册选用。（7）结构件降额一般指增加负载系数和安全裕量，但也不能增加过大，否则会造成设备体积、质量、成本的增加。

1.4.4 节能环保绿色设计原则

电气控制产品的绿色设计包含两方面含义：环保与节能。

电气控制产品的绿色设计要求从产品设计源头入手进行产品生态设计，将产品的设计、制造、使用、维护、回收、后期处理等生命周期各环节的环保要求纳入设计考虑，全方位监控产品对环境的影响，达到产品尽量减少环境破坏的目的。节能方面则要求生产低功耗、高能效的综合产品，以绿色设计为指导原则设计出的产品是功能、性能、能耗三者的平衡。1.4.4.1 环保型材料的利用

符合环保法规要求的产品，必须在产品设计之初的原材料供应商选择时就要按照环保法规操作。有些材料在不利的工作条件下会释放出气体或液体，而这些气体或液体又会和周围的大气组成可燃混合物时，应避免使用这些材料。对那些自称抗火焰、抗燃烧或自灭火的塑料必须严加注意，不可轻信。如果安全设计确实需要这样的性能，应先对材料进行实地实验。

产品制造所使用的材料应满足产品的强度、刚度、硬度、耐磨性、无毒、阻燃性、绝缘能力等要求；应能承受按规定条件使用时可能出现的物理和化学作用；并应考虑材料对人体的危害、材料的老化、材料防腐蚀等因素。最好是可以回收、再生利用，在满足设计要求的前提下成本应该是最低的。

1．尽量采用可再生利用的材料和资源

控制系统及部件设计所选用的材料尽量是可回收、易分解、能再生且在加工和使用过程对环境无害的材料，特别是结构件的设计，应尽可能采用比较容易装配和分解的大模块化结构和无毒材料，提高控制设备材料的再生率。

2．长寿命、低能耗及减轻质量的设计原则

通常来说，延长产品寿命就等于减少了设备的生产量并降低其报废量；降低产品能耗可减少对环境的污染，而减轻产品质量即可减少材料和资源的消耗。要从减少环境负荷的角度，尽可能考虑各系列产品同类零部件的互换性和通用性。为此应在保持设备各项性能参数前提下，尽量减少设备和附属装置的体积和质量，提高系统零部件的强度和耐久性能，实现设备的轻量化和高效率。

3．尽量采用低环境负荷材料

控制设备零部件设计应尽可能不使用氟利昂（空调）、含氯橡胶、树脂及石棉等有害材料。控制设备上使用难以自然分解且对环境有害的工程塑料及其他一些非金属材料，都加重了资源浪费和环境污染。仪表、散热器及蓄能电池等的采购生产，应尽可能减少或替代铅的使用量。因此在控制设备设计一些附属零部件中选用新型环保型材料很重要。

设计电气控制设备时应优先选用清洁产品。清洁产品包括以下类型。（1）回收利用型，如再生产品等。（2）低害低毒型，如水性漆等。（3）低排放型，如低排放产品等。（4）低噪声型，如低噪声产品等。（5）节水型，如节水型产品等。（6）节能型，如节能灯等。（7）可生物降解型，如可降解薄膜等。

4．废弃零部件处理的污染最小化及综合成本最优化

控制设备产品在设计初始阶段就要考虑报废件处理简单、费用低和污染小，零部件要解体方便、破碎容易，能焚烧处理或可作为燃料回收。1.4.4.2 节约能源设计

节能降耗是缓解资源压力的有效途径。节能方面要求生产低功耗、高能效的综合产品，而以绿色设计为指导原则设计出的产品是功能、性能、能耗三者的平衡。节能降耗不仅提高了资源的利用效率，同时也意味着创造了经济效益和环境效益。

节能是指采取技术上可行、经济上合理及环境和社会可接受的一切措施以更有效地利用能源资源。节能不仅可以缓解能源供需矛盾，促进经济持续、快速、健康地发展，而且是减少有害气体排放、降低大气污染的最现实、最经济的途径。

节能材料包括：保温隔热材料；抗磨减阻材料；除垢清渣剂（除去传热面上的高热阻水垢和灰渣）；低电阻、低磁阻、高磁力材料；膜分离材料；等等。在设计电气控制设备时应优先采用节能材料。

发展循环经济是节能降耗的重要途径。循环经济是以低消耗、低排放、高效率为基本目标的经济，是符合可持续发展理念的经济增长方式，也是节能降耗的重要途径。要按照减量化、再利用、资源化的要求进行生产，全面促进节能生产，从源头上降低能源消耗。

必须解决好低功耗与高性能要求的矛盾。作为用户从主观上对性能的要求是没有上限的，而高性能的需求带来的直接影响就是设备功耗的提升。提高设备能效比已成为一个时髦又困难的课题。（1）低功耗设计的宗旨是保证电能的使用“按需所取”。要实现“按需所取”，必须嵌入能效设计，根据需求使用电能，减少不必要的消耗。在实际设计中要注意设计细节，多方面贯彻低功耗设计思想。（2）器件选型：在满足产品性能要求的条件下选择低功耗的器件和支持低功耗模式的器件。（3）动态调整设备状态：根据设备实际运行情况，动态调整部分模块/端口的运行状态，达到降低功耗的目的。（4）选择合适的信号处理方式，减少因处理不合理而带来的能耗。

1.4.5 控制功能设计原则

1．满足用户要求

电气控制设备的功能设计应根据与用户签订的技术协议满足用户预期的控制要求。

2．符合国家标准的电气设备

所设计的电气控制设备必须是符合国家标准的。GB 7251系列标准规定的设备要求覆盖了尽可能宽的开关设备和控制设备范围。

3．一个成功的设计方案在于几个方面的综合

一个成功的设计方案在于几个方面的综合，如可生产性、技术操作、使用难易、使用寿命、节能环保、经济效益、心理学特征等。然而，测定产品使用的安全性具有重要的意义。同时，在安全评价中，还要对安全标准和法规等限制加以考虑。电气控制设备应满足风险评价所确定的安全要求。

4．共存性

控制设备的一些特性可能通过电网对其他电气设备造成有害影响，也可能恶化供电电源质量，所以必须在控制设备的安全设计中降低这些特性。必要时应对这些特性作评估，这些特性有：①瞬时过电压；②快速波动负载；③启动电流；④谐波电流；⑤直流反馈；⑥高频振荡；⑦对地泄漏电流；⑧附加接地的必要性。

5．额定运行状态（1）设备在额定参数下按规定使用时，不得对人体造成危害。只要安全上有要求，设计额定参数应有适当容差。为了保证设备的稳定性，电路设计时，要有一定功率裕量，通常应有20％～30％的裕量，重要地方可用50％～100％的裕量，要求稳定性、可靠性越高的地方，裕量越大。（2）结构件降额一般指增加负载系数和安全裕量，但也不能增加过大，否则会造成设备体积、质量和成本的增加。

1.4.6 可加工性、可装配性和可维修性设计原则

1．标准化设计原则

为便于检修故障，且在发生故障时易于快速修复，同时为考虑经济性和备用方便，应采用零件标准化、部件通用化、设备系列化的产品。（1）产品的设计应符合相关国际、国家、行业及企业标准及规范。（2）为减少故障环节，应尽可能简化结构，尽可能采用标准化结构和方式。（3）尽量采用国家标准和专业标准元器件。（4）在电路设计中应尽量选用无源器件，将有源器件减少到最小程度。

2．人机工效学原则

人机工效学是包括人体科学、劳动科学、技术科学等多学科，实践性很强的一门科学。主要研究人的本质和能力；研究人-机-环境的相互作用着的各个组成部分，包括效率、健康、安全、舒适等在工作和日常生活中如何达到最优化的。

电气控制设备的设计，应当考虑人机工效学的安全要求方面，主要包括：工位、一般人机工效学要求、操纵器的操作方向和最终效应、安全距离、噪声限值、人体全身振动暴露的评价等。（1）不可要求操作人员同时做太多的工作。不能希望设备太快地处理信息。必须记住人的能力是不一样的。应从正确处理人-机-环境的合理关系出发，采用人类易于使用并且差错较少的方式。（2）电气控制设备的操控器及报警装置的形状、尺寸、颜色、安装位置、操动方向应该符合人机工效学的要求和人的生理特点。（3）控制器上要标明操作方向。同一个设备上的控制器运动方向必须一致。（4）设计时要注意不要让手和胳臂妨碍了眼睛的工作。一般来说，控制和显示的互相位置应该是显示器处于中心，眼睛平视的高度，控制器则在下方或四周。（5）控制面板上的标记要一看就懂，应按照国际惯例、国家标准和人机工效学的统一标准进行设计。（6）不同的控制器不但要能用眼睛分辨出来，而且要能用手一摸就能区别。不同的操作控制器要能从颜色、大小、形状和位置上区别出来。（7）凡是按钮操作，要能指示动作效果（如跳动感、听见咔嚓声，或发光显示）。

3．可接近性设计（1）需要常更换的部件应配置在易于更换处。部件和元器件的分布应便于装配、安装、操作、测试、检查、维修。（2）为了便于接近，只要无碍于设备的性能，应按下列优先次序设计安装方法。

①敞开，不用盖子；

②如果需防潮或防止异物侵入，可安装滑动式或铰链式门盖；如果不能满足对应力或密封的要求，可采用能迅速打开的盖子。（3）设备表面应避免过于粗糙，不得有尖角和利棱。（4）设计应避免将零件重叠在一起，可更换的元件应安装在底板上而不要重叠地安装在一起。（5）元件或部件不要被其他大的不易移动的元件、部件或结构阻挡住。（6）在安装板上设计安装把柄或环扣，以便将其自箱柜内移动出来。（7）设计设备时，应注意使维修人员能看见全部零件，以便迅速找出明显的故障（如损坏的零件、烧毁的电阻或断了的线路）。（8）设计接线板和测试点，应使其在打开设备进行维修时不用拆卸电缆或电缆引入板就能接近。（9）插头插座连接方式优选顺序：徒手操作→卡锁→旋转几分之一圈→通用工具操作→旋转多圈→需用专用工具。

4．可维修性设计（1）应尽量使设备的结构简单以便维修，降低维修技术要求与工作量。（2）应保证即使在维修人员在缺乏经验、人手短缺而且在艰难的恶劣环境条件下也能进行维修。只要可能，应使一切维修工作都能方便且迅速地由一个人（不包括监护人员）完成。（3）应做到不需要复杂的相关设备就可以在紧急的情况下进行关键性调整和维修。（4）为便于检修故障，且在发生故障时易于快速修复，同时为考虑经济性和备用方便，应采用零件标准化、部件通用化、设备系列化的产品。（5）尽可能设计少需要或不需要预防性维修的设备，使用不需要或少需要预防性维修的部件。（6）应使需要维修的零、部、整件尽量采用快速解脱装置，以便于分解和结合。（7）应使用最少种类和数量的紧固件，分解结合时最好不用工具或尽量不动用工具。（8）如果维修规程必须按特定步骤进行，就将设备设计成只能按这种步骤进行维修。（9）设计模件和分组件时，需使它们在脱离设备时易于检查和调整。在把它们装到设备上以后，应不再需要调整。

5．故障诊断设计（1）设计应提供简便、实用的自动诊断故障和核准测试设备。（2）在总体设计方案上，应使各部分采取故障隔离措施。（3）应确定需通过预防维修与监视或检查的参数与条件。（4）为了能够迅速进行故障定位，最好采用计算机或微处理器参与的故障自动检测、显示、打印并自动切换。（5）如果不能采用计算机或微处理器进行故障定位，至少机内应设有故障检测电路，用发光二极管、表头等指示故障并设计有报警装置。（6）应提供迅速、确定的故障鉴别方法。如提供计算机判断故障语言或提供故障树形式的逻辑故障判断表，列出可能产生的故障、排除方法和排除故障时间等。（7）应在每一主要部分、模块、分机的输入或输出部位设置检测点。（8）机内监控装置必须易于拆卸，以便校准和修理。

第2章 电气原理图设计

2.1 电气控制系统设计概述

2.1.1 控制系统概述

1．控制系统

控制系统是指通过所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的，控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

例如，假设有一个汽车驱动系统，汽车的速度是其加速器位置的函数。通过控制加速器踏板的压力可以保持所希望的速度（或可以达到所希望的速度变化）。这个汽车驱动系统（加速器、汽化器和发动机车辆）便组成一个控制系统。

2．控制系统的方框图

在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示信号联系；进入方框的信号为输入环节，离开方框的信号为输出环节。液位自动控制系统方框图如图2.1.1所示。图2.1.1 液位自动控制系统方框图（闭环控制）

3．控制系统的分类

1）机械控制系统

机械控制系统是第一次工业革命的产物。机械控制系统利用杠杆、棘轮、凸轮、齿轮、链轮、链条、齿条、螺母、丝杠等机械零件，以杠杆传动、棘轮传动、凸轮传动、齿轮齿条传动、链轮链条传动、螺母丝杠传动等机械原理来实现目标控制。

机械控制系统属于硬碰硬的控制方式，一种机械控制系统只能控制特定目标，因此工作可靠，但机械磨损将影响其控制精度及控制装置的使用寿命。机械控制装置只能进行近距离控制，无法进行远距离控制；机械控制装置的响应速度比较慢。蒸汽机、内燃机、制钉机等是机械控制系统的典型应用。

2）气、液控制系统

气、液控制系统也称为气、液压控制系统，因为它是利用气体或液体的压力来实现控制功能的。

气、液控制系统具有较大的放大能力，液压机是其典型应用；气、液控制系统可以进行一定距离的控制，广泛应用于工程机械；气、液控制由于工作压力高，因此具有爆炸的危险性。

3）电气控制系统

电气控制系统是第二次工业革命的产物。电气控制系统是以电工学、电子学、电路分析理论为基础，利用电气元件和电子元器件所构成的控制系统。

电气控制系统具有可以进行远距离控制、柔性强、质量小、成本低、调整方便等优势，因此目前应用十分广泛。

4．控制元件分类

控制系统中控制对象以外的零部件统称为控制元件。根据控制元件在系统中的功能和作用，可将控制元件分成4大类。

1）执行元件

执行元件的功能是直接驱动被控制对象或直接改变被控制变量。例如，机电控制系统中的各种电动机、液压控制系统中的液压电动机、温度控制系统中的加热器等都属于执行元件。

2）放大元件

放大元件的功能是将微弱信号放大，使信号具有足够大的幅值或功率。例如，由功率晶体管组成的功率放大器输出足够大的电压和电流，直接带动直流电动机转动。

3）测量元件

测量元件的功能是将一种物理量检测出来，并且按着某种规律转换成容易处理和使用的另一种物理量并输出。过程控制中的变送器、传感器都属于测量元件。

4）补偿元件

由上述3大类元件与控制对象组成的系统往往不能满足技术要求。为了保证系统能正常工作并提高系统的性能，控制系统中还要另外补充一些元件，这些元件统称为补偿元件，又称校正元件。常用的补充元件有模拟电子线路、计算机、部分测量元件等。

2.1.2 自动控制系统

电气控制系统是实现自动化的主要手段，简称自控系统。自动控制系统是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。2.1.2.1 自动控制系统的组成

国际公认自动控制系统一般由以下7部分组成，如图2.1.2所示。图2.1.2 自动控制系统组成2.1.2.2 自动控制系统的分类

常用的自动控制系统分类方法如下。

1．按控制原理的不同

自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

1）开环控制系统

在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统，由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制及机械手和生产自动线。

2）闭环控制系统

闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

2．按给定信号（输入量）的变化规律分类

自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。

1）恒值控制系统

若系统输入量为一定值，要求系统的输出量也保持恒定，此类系统称为恒值控制系统。这类控制系统的任务是保证在扰动作用下被控量始终保持在给定值上，在生产过程中的恒转速控制、恒温控制、恒压控制、恒流量控制、恒液位高度控制等大量的控制系统都属于这一类系统。

对于恒值控制系统，着重研究各种扰动对输出量的影响，以及如何抑制扰动对输出量的影响，使输出量保持在预期值上。恒值控制系统又称为自动调节系统，其主要特征是给定量不变。

2）随动控制系统

给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化而变化，如跟踪卫星的雷达天线系统。

随动系统的输入信号是一个随时间任意变化的函数（事先无法预测其变化规律），系统的任务是在存在扰动的情况下，保证输出量以一定的精度跟随输入信号的变化而变化。在这种系统中，输出量通常是机械位移、速度或加速度。随动系统中，若给定量变化是任意的，则称为自动跟踪系统或伺服系统，研究的重点是系统输出量跟随输入量的准确性和快速性。

随动系统在工业、交通和国防等部门有着极为广泛的应用，如机床的自动控制、舰船的操舵系统、火炮控制系统及雷达导航系统等。

3）程序控制系统

若系统的输入量按一定的时间函数变化，但其变化规律是预先知道和确定的，给定值按一定时间函数变化，要求输出量与给定量的变化规律相同，此类系统称为程序控制系统。

例如，程控机床，热处理炉温度控制系统的升温、保温、降温过程都是按照预先设定的规律进行控制的，所以该系统属于程序控制系统。此外，数控机床的工作台移动系统、自动生产线等都属于程序控制系统。程序控制系统可以是开环系统，也可以是闭环系统。2.1.2.3 自动控制系统的性能要求

各种自动控制系统为了完成一定的任务，要求被控量必须迅速而准确地随给定量变化而变化，并且尽量不受任何扰动的影响。然而，实际系统中，系统会受到外界作用，其输出必将发生相应的变化。因控制对象、控制装置及各功能部件的特征参数匹配不同，系统在控制过程中性能差异很大，甚至因匹配不当而不能正常工作。因此，工程上对自动控制系统性能提出了一些要求，主要有以下3个方面。

1．稳定性

所谓系统稳定是指受扰动作用前系统处于平衡状态，受扰动作用后系统偏离了原来的平衡状态，如果扰动消失以后系统能够回到受扰以前的平衡状态，则称系统是稳定的。如果扰动消失后，不能够回到受扰以前的平衡状态，甚至随时间的推移对原来平衡状态的偏离越来越大，这样的系统就是不稳定的系统。稳定是系统正常工作的前提，不稳定的系统是根本无法应用的。

2．准确性

准确性是对稳定系统稳态性能的要求。稳态性能用稳态误差来表示，所谓稳态误差是指系统达到稳态时被控量的实际值和希望值之间的误差，误差越小，表示系统控制精度越高。一个暂态性能好的系统既要过渡过程时间短（快速性，简称“快”），又要过渡过程平稳、振荡幅度小（平稳性、简称“稳”）。

3．快速性

快速性是对稳定系统暂态性能的要求。因为工程上的控制系统总存在惯性，如电动机的电磁惯性、机械惯性等，致使系统在扰动量或给定量发生变化时，被控量不能突变，需要有一个过渡过程，即暂态过程。这个暂态过程的过渡时间可能很短，也可能经过一个漫长的过渡才能达到稳态值，或经过一个振荡过程才达到稳态值，这反映了系统的暂态性能。

在工程上，快速性能是非常重要的。一般来说，为了提高生产效率，系统应有足够的快速性，但是如果过渡时间太短，系统机械冲击会很大，容易影响机械寿命，甚至损坏设备；反之，过渡时间太长，会影响生产效率等。所以，对暂态过程应有一定的要求，通常用超调量、调整时间、振荡次数等指标来表示。

综上所述，对控制系统的基本要求是：响应动作要快、动态过程平稳、跟踪值要准确。也就是，在稳定的前提下，系统要稳、快、准。这些基本要求通常称为系统的动态品质。

同一个系统，稳、快、准是相互制约的。提高了快速性，可能会引起系统强烈振荡；改善了平稳性，控制过程又可能很迟缓，甚至精度也差。2.1.2.4 自动控制线路的基本组成

自动控制系统的线路一般具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度地满足控制要求。一般电气控制线路的基本回路由以下几部分组成。

1．电源供电回路

电源是驱动电气控制设备能够正常进行工作的保障，电源供电回路是任何一台（套）电气控制设备都必不可少的组成部分。常见供电回路的供电电源有AC 380V、AC 220V、DC 24V和DC 12V等多种。

2．保护回路

保护（辅助）回路的工作电源有单相交流220V、36V或直流220V、24V等多种，对电气设备和线路进行短路、过载和失压等各种保护，由熔断器、热继电器、失压线圈、整流组件和稳压组件等保护组件组成。

3．信号回路

信号回路是能及时反映或显示设备和线路正常与非正常工作状态信息的回路，如不同颜色的信号灯、不同声响的音响设备等。

4．自动与手动回路

电气设备为了提高工作效率，一般都设有自动环节，但在安装、调试及紧急事故的处理中，控制线路中还需要设置手动环节，通过组合开关或转换开关等实现自动与手动方式的转换。

5．制动停车回路

制动停车指当设备出现故障时，需要紧急切断电路的供电电源，并采取某些制动措施，使电动机迅速停车的控制环节，如能耗制动、电源反接制动、倒拉反接制动和再生发电制动等。制动停车回路属于设备必不可少的安全保护环节。

6．自锁及闭锁回路

自锁及闭锁回路的作用是提高控制电路的可靠性。启动按钮松开后，线路保持通电，电气设备能继续工作的电气环节叫自锁环节，如接触器的动合触点串联在线圈电路中。具有两台或两台以上的电气装置和组件，为了保证设备运行的安全与可靠，只能一台通电启动，另一台不能通电启动的保护环节，叫闭锁环节，如两个接触器的动断触点分别串联在对方线圈电路中。2.1.2.5 常用控制方法

1．过程控制系统

过程控制系统指以表征生产过程的参量为被控制量，使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统，等同于前面分类中的恒值控制系统。这里的“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高、能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

2．可编程控制器

可编程控制器（PLC）一直保持了其简单至上的原则。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。PLC的产品系列对于用户来说是一个非常节约成本的控制系统。PLC与继电控制相比具有以下优势。（1）功能强、性能价格比高、可靠性高、抗干扰能力强、体积小、能耗低。（2）系统的设计、安装、调试工作量少，维修工作量少，维修方便。（3）具有网络通信功能。（4）PLC可以代替复杂的继电器逻辑回路的控制功能，小型的、低成本的PLC可以代替4～10个继电器。（5）对未来设备升级很方便。高密度的I/O系统、改进设计的输入/输出模块和端子结构，使端子更加集成，以低成本提供了节省空间的接口。（6）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID、网络、CAN总线、现场总线、ASCII通信、定位、主机通信模块和语言模块（如BASIC、PASCALC）等。（7）编程方法简单。梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能。外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为PLC的标准功能。（8）诊断和错误检测功能。从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断。

3．集散控制系统

集散控制系统是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机联系差及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面的集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。

集散控制系统一般由以下四部分组成：①现场控制级；②过程控制级；③过程管理级；④经营管理级。

DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有的显著特点是：①系统灵活；②操作便捷；③功能丰富；④资源共享；⑤使用方便；⑥安全性高。

4．现场总线控制系统

现场总线控制系统的突出特点在于它把集中与分散相结合的DCS集散控制结构变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现在以下几个方面：（1）以数字信号完全取代传统的模拟信号；（2）现场总线实现了结构上的彻底分散；（3）总线网络系统是开放的。

2.1.3 电气控制设备设计的原则与内容

电气控制设备设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两个方面。电气原理图设计是为满足被控制设备各种控制要求而进行的电气控制系统设计，电气原理图设计的质量决定着一台（套）设备的实用性、先进性和自动化程度的高低。电气工艺设计是为满足电气控制系统装置本身的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产工艺设计，包括安装布置图设计、机柜设计、布线工艺设计、保护环节设计、人体工效学设计及操作、维修工艺设计等。电气工艺设计则决定着电气控制设备的制造、使用、维修等的可行性，直接影响电气原理图设计的性能目标及经济技术指标的实现。

电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容。设计者应能在熟练掌握典型环节控制电路的基础上，具有对一般电气控制电路分析能力，并应能举一反三，灵活运用。2.1.3.1 电气控制设备设计的一般原则

被控制设备种类繁多，其电气控制方案各异，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本相同。设计工作的首要问题是树立正确的设计思想和工程实践的观念，它是高质量地完成设计任务的基本保证。（1）最大限度地满足被控制设备对电气控制系统的要求。电气控制系统设计的依据主要来源于被控制设备的控制要求。（2）设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济，便于操作和维修，不要盲目追求高指标和自动化。（3）机械设计与电气设计应相互配合。许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求，因此要从工艺要求、制造成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。（4）确保控制系统安全、可靠地工作。2.1.3.2 电气控制设备设计的任务及内容

1．电气控制设备设计的基本任务

电气控制设备设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必需的图纸、资料等。图纸包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、电气元件安装底板图和非标准件加工图等，另外，还要编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等文字资料。

2．电气控制设备设计的内容

电气控制设备设计的内容主要包含原理设计与工艺设计两个部分，以电力拖动控制设备为例，设计内容主要有以下几点。

1）电气原理图设计内容

电气原理图设计的主要内容包括：（1）拟订电气设计任务书；（2）确定电力拖动方案，选择电动机；（3）设计电气控制原理图，计算主要技术参数；（4）选择电气元件，制订元器件明细表；（5）编写设计说明书。

电气原理图是整个设计的中心环节，它为工艺设计和制定其他技术资料提供依据。

2）工艺设计内容

进行工艺设计主要是为了便于组织电气控制系统的制造，从而实现原理设计提出的各项技术指标，并为设备的调试、维护与使用提供相关的图纸资料。工艺设计的主要内容有：（1）设计电气总布置图、总安装图与总接线图；（2）设计组件布置图、安装图和接线图；（3）设计电气箱、操作台及非标准零件；（4）列出零件清单；（5）编写使用维护说明书。

2.1.4 电气控制设备设计的一般步骤

1．拟订设计任务书

设计任务书是整个电气控制设备的设计依据，也是设备竣工验收的依据。设计任务的拟定：一般由技术领导部门和任务设计部门会同用户，通过协商，供需双方签订技术要求协议；然后生产企业根据供需双方签订的技术要求协议，根据本企业的设计能力、工艺条件编制出设计任务书，将数据任务下达给技术设计部门。电气控制设备的设计任务书主要包括以下内容：（1）设备名称、用途、基本结构、控制动作要求及工艺过程介绍；（2）设备的控制方式及控制精度要求等；（3）安全保护要求；（4）自动化程度、稳定性及抗干扰要求；（5）操作台、照明、信号指示、报警方式等要求；（6）设备验收标准；（7）其他要求。

2．确定电气控制方案

电气控制系统方案必须充分满足现场对控制设备的需求，主要设计需要考虑到实现简便、可靠、经济、适用等特点，保证控制方式与控制需要相适应、与通用化程度相适应，以及充分满足被控制设备要求，具有良好的通用性和灵活性。

设备的电气控制方法很多，有继电器接触器的有触点控制、无触点逻辑控制、可编程序控制器控制、计算机控制等。因此，对被控制设备的控制方案并不是唯一的。只有选择合理的控制方案，才能够低成本并且可靠地实现控制目标；也只有确定了控制方案，才能够在约束条件下开始电气原理图的设计工作。合理地确定控制方案，是设计实现简便、可靠、经济、适用的电气控制设备的重要前提。控制方案的确定应遵循以下原则。

1）控制方案与控制目标需要相适应

控制方式并非越先进越好，而是应该以经济效益为标准。控制设备的成本低，说明控制设备的经济效益好。决定控制设备的成本的主要因素是控制目标。对控制方案制定影响较大的控制目标因素有下面几个。（1）控制目标的类型

从实用角度出发，一般把控制目标分为恒值控制、随动控制和程序控制。不同控制目标所对应的自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。一般按照控制目标为哪种物理量及控制特点作为确定控制方案的选择标准，根据控制目标选定控制系统类型，见表2.1.1。表2.1.1 根据控制目标选定控制系统类型（2）控制目标数量

控制目标数量决定了控制系统的大小和控制系统的层级数量。一般把简单的只有一个控制目标的系统称为最小系统，它只有一个控制层级。复杂的控制系统一般具有多个控制目标，而且这些控制目标往往是互相嵌套的，分别处于不同的控制层级。一般根据控制系统在控制层级的多少，把控制系统分为小型控制系统、中型控制系统和大型控制系统。

PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如表2.1.2所示。表2.1.2 PLC规模分类标准（3）控制现场的分布

对于只有一个控制现场的情况，一般采用集中控制系统；对于有两个以上控制现场的情况，如果控制现场距离比较近，一般也采用集中控制系统，若控制现场距离比较远，就必须采用集散控制系统。

在设备操作人员可以到达的控制现场，一般采用人工控制系统；而在设备操作人员无法到达的控制现场，一般采用远程控制系统或遥控控制系统。（4）安全和可靠性要求

如果停电不会对设备和人员造成损害，说明设备对安全和可靠性要求不太高，安全和可靠性要求在最低层级，只要在进行电路和工艺设计时稍微采取一些技术措施就可以了。

如果电气控制设备在运行时死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，这表明对设备的安全和可靠性要求很高。因此需要掉电保护、抗干扰、防爆等技术设计，而且都应很有效且可靠，才能满足用户要求。这些要求意味着比较复杂的安全保护电路才能满足安全和可靠性要求。

例如，当控制设备突然断电时，即使设备允许紧急停机，设备控制系统也必须设有备用电源，在出现问题时自动切换。切换完成后，需要在最短的时间内记录必需的检测数据，同时采取必要的安全措施（如紧急制动等）。如果备用电源为电池，应紧急停机。若设备不允许紧急停机，必须连续运行，则设备必须安装双电源，在出现问题时自动切换。为防止控制系统本身故障，可采取双机冗余、热备份等设计。

上述情况由于安全和可靠性要求本身就具有很多控制目标，因此安全和可靠性要求本身就需要占用很多资源，安全保护电路本身就构成2～3个控制层级。即使单一的控制目标，由于安全和可靠性要求较高，也会构成一个比较大的控制系统。（5）选择控制方法

控制方法要实现拖动方案的控制要求。控制方法有控制器控制、网络控制和遥控3种。不同控制条件及要求应选定的控制方法见表2.1.3。表2.1.3 不同控制条件及要求应选定的控制方法

2）控制方案与通用化程度相适应

继电器、PLC及微型计算机都是大批量工业化生产的、通用化程度高的控制电器。但是在控制设备实际使用中，它们的设计及加工工作量、各自环境适应性有很大差异，因此它们各自适用于不同的控制场合。

目前，在电气控制领域应用最为广泛的控制方式为PLC与继电器接触器控制，它们均为大批量工业生产的电气控制标准件。另外，单片机控制也占有比较少的市场份额。主要是因为单片机控制系统不是大批量工业生产的电气控制标准件，因此单片机控制系统的设计制作工作量很大，对设计制作及维修人员的要求比较高，一般多用于年产量不超过一千件的专门产品控制。因此，PLC与继电器接触器控制方式应该作为优先选择方向。

通用化是指生产机械加工不同对象的通用化程度，它与自动化是两个不同概念。对于某些加工一种或几种零件的专用机床，它的通用化程度很低，但它可以有较高的自动化程度，这种机床宜采用固定的控制电路；对于单件、小批量且可以加工形状复杂零件的通用机床，则采用数字程序控制，或采用可编程序控制器控制，因为它们可以根据不同的加工对象而设定不同的加工程序，因而有较好的通用性和灵活性。

3）控制方案应最大限度地满足控制过程要求

根据被控制设备控制过程要求，电气控制线路可以具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度地满足设备使用、维护和修理要求。

在自动控制设备中，根据控制要求和联锁条件的复杂程度不同，可采用分散控制或集中控制的方案。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以便简化设计和制造过程。

在控制方案中还应考虑工序变更、系统的检测、各个运动之间的联锁、照明及人机关系等。

4）控制设备电源的可靠性

简单的控制设备可直接用电网电源，元件较多、电路较复杂的控制装置，控制电路可将电网电压隔离降压，以降低故障率。对于自动化程度较高的生产设备，可采用直流电源，这有助于节省安装空间，便于同无触点元件连接，元件动作平稳，操作维修也比较安全。对于有较高可靠性要求的控制电路，必须配备不间断电源，不间断电源的容量应能保证电气控制设备与被控制设备的安全，使其能从容地处理必需的安全处理工作。

对于使用继电器、PLC及微型计算机就可以实现的控制目标，一般按照下面的原则进行选定。

控制逻辑简单、控制过程基本固定的设备，采用继电器接触器控制方式比较合理。虽然这种控制系统接线“固定”，但它能控制的功率大、简单、价廉、可靠性好，目前使用很广。

对于控制过程中需要进行模拟量处理及数学运算的、输入/输出信号多、控制要求复杂，经常改变控制程序或控制逻辑复杂的，控制系统要求体积小、动作频率高、响应时间快的，视情况采用可编程控制器、数控及微机控制方案较为合理。

3．控制方式的选择

电气设备控制方法很多，包括控制器控制、继电器接触器控制、无触点逻辑控制、可编程控制及计算机控制。不同的控制目标应采用不同的控制方法。随着现代电气技术的迅速发展，生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电接触器控制向PLC控制、CNC控制、计算机网络控制等方面发展，控制方式越来越多。控制方式的选择应在经济、安全的前提下，最大限度地满足控制目标的要求。

1）影响控制方式选择决策的因素

PLC与继电器控制系统两者之间既有相似性又有很多不同之处，但是它们从来没有抵触过。PLC和继电器在控制系统中是相辅相成的，继电器从来没有停止进一步的发展。包括西门子公司在内的业界巨头，从来没有承诺普通PLC是安全的。设备的安全控制（停电、重起、人身防护）都是由专门安全继电器来保证的，所以至今世界上还有许多生产商在专门生产、研发继电器。（1）从成本考虑

目前名牌大厂商的I/O点数最少的小型PLC价格为800元左右，小生产商的价格为500元左右。相对于价格只有几十元的继电器和接触器，当使用接触器和继电器数量在10个以内时，PLC价格还是比较高的。如果控制系统使用的接触器和继电器数量很多，PLC的价格优势将会凸显。（2）从I/O点数考虑

根据经验，I/O点数小于50点的电气控制系统一般应优先采用继电接触控制方式，I/O点数大于50点的电气控制系统一般应优先采用PLC。PLC的I/O点数是在产品上标明的，继电接触控制方式的I/O点数可以通过电气控制柜上外接的接线端子数量确定。

一个最简单的控制目标至少需要两个输入、两个输出即总共四个I/O端口，一个要求严格的控制目标可能需要几十个I/O端口。（3）从负载能力考虑

PLC的负载能力比继电接触控制的负载能力小得多，因此当负载功率较大时一般采用继电接触控制方式。当采用PLC控制方式时，若负载功率较大，可以通过接触器或自动开关装置进行放大，组成一个PLC与继电接触控制的混合控制方式。（4）从控制电路复杂程度考虑

根据经验，一般把控制目标小于8个开关量的控制，且没有子目标的控制系统视为比较简单的控制系统。简单的控制系统一般应优先采用继电接触控制方式。控制目标大于8个且有子目标的控制系统视为复杂的控制系统。复杂的控制系统应优先采用PLC控制方式。

单纯开关量的控制比较简单，开关量和模拟量的混合控制就比较复杂。有控制精度要求、定位精度要求、监测监控要求、网络通信要求的控制系统必定采用闭环的反馈环节和比较应答机制，这样的控制系统一般都比较复杂。（5）从设计制作维修人员素质考虑

继电接触控制系统采用硬接线方式，看得见摸得着，因此对设计制作维修人员素质要求比较低。PLC的控制逻辑靠虚拟的继电器和接线，看不见摸不着，因此对设计制作维修人员素质要求比较高。

设计制作继电接触控制系统，只需画出电气原理图、元器件布置图和接线图基本上就可以解决问题了。设计制作PLC控制系统，除了画出电气原理图、元器件布置图和接线图外，还必须画出梯形图，编制控制程序。

PLC和继电器各有好处，继电器经济实惠，PLC功能强大、技术先进，但它们都有各自的局限性。到底采用哪种控制方式，应根据应用环境和控制要求的具体情况来确定。PLC不是完全顶替继电器电路，只不过是顶替多设备电路中的连锁及关联关系的这一部分，单台设备的手动现场控制是必不可少的，也只有靠继电器回路控制才是更好的选择。

2）控制方式选择的实例（1）继电器控制实现阻降压启动和反接制动

下面以定子回路中串电阻降压启动和反接制动为例，分析由继电器接触器电路实现的异步电动机的启、制动控制过程。

如图2.1.3所示，此控制电路含有3个接触器和1个中间继电器，12个可动作的硬触点。启动时，接触器KM2、KM3均处于断开状态，按下启动按钮SB1，KM1通电并自锁，电动机串入电阻减压启动。当电动机转速上升到某一定值时（此值为速度继电器KS1的设定值，此设定值可调整），速度继电器KS1的常开触点闭合，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点闭合，接触器KM3通电，KM3的主触点短接主电路中的定子电阻R，电动机定子中的电阻减小，电流增大，转速上升，到设定的转速时，电动机稳定运行。图2.1.3 继电器接触器控制的主电路与控制电路

制动时，按下停止按钮SB2，KM1断电，其主触电断开，切断电动机的电源，电动机处于无电状态，由于惯性继续运行，但转速越来越慢。同时由于KM1断电，KM3失电，主电路中的KM3的主触点断开，限流电阻R又串入。另外KM1断电又带来接触器KM2通电，在主电路中KM2的主触点闭合，电动机的供电电源的两个相序对调，电动机处于反接制动状态。当转速下降到设定值时，KS1常开触点断开，中间继电器KA失电，进而断开KM2的电源，电动机失电，迅速停机。

这种传统的继电接触控制方式的控制逻辑清晰，采用了机电组合方式，便于普通机电类技术人员的维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率高、寿命短，因此运行的可靠性低。（2）采用PLC实现异步电动机的启动、制动控制

可编程序控制器是在继电器和计算机控制基础上开发的产品，所以它在继电器控制逻辑清晰的基础上，使用计算机软件控制实现了控制方式的灵活改进。因此与传统的继电接触控制系统相比较，采用PLC实现异步电动机启动、制动控制是最佳选择。下边以三菱系列的PLC为例，电动机的主电路接线图不变，如图2.1.3所示；改进的控制接线图如图2.1.4所示；软件梯形图及程序如图2.1.5所示，此梯形图的控制过程如下。图2.1.4 PLC硬件接线图图2.1.5 PLC控制的软件梯形图

启动时，按下启动按钮SB1，X400的常开触点闭合，Y430被激励并且自锁，接触器KM1通电，其主触点KM1闭合，电动机串入限流电阻R并开始启动，同时Y430的常开的触点也闭合。当电动机转速上升到某一定值时，速度继电器的常开触点KS1闭合，那么对应的X402就闭合，M100被激励并自锁，Y432被激励，这样使得接触器KM3通电，其主触点KM3闭合，主电路中限流电阻R被短路，电动机的电流增大，转速上升直到初始设定值，电动机开始稳定运行。

制动时，按下停止按钮SB2，即X401常闭触点断开，进而Y430不被激励，使得接触器KM1失电，对应的触点释放，这样Y430的常闭触点复位，则Y431被激励，接触器KM2通电，对应的触点KM2吸合，把电动机电源的两个相序对调，电动机处于反接制动状态。与此同时，Y430常开触点断开，Y432不被激励，接触器KM3失电，主电路中又串入限流电阻R，使得电动机的电流减小，转速变慢。当电动机转速下降到设定值时，速度继电器的硬触点KS1释放，即X402常开触点断开，M100不被激励，其对应触点动作，使得Y431不再被激励，接触器KM2失电，其触点释放，电动机快速停下来。过载时热继电器FR常开触点闭合，即常闭触点X403断开，使得Y430、M100都不再被激励，进而接触器KM1或KM2失电，断开对应的触点，电动机电源断开，起到过载保护的作用。（3）两种控制方案的比较

①可靠性。

PLC在硬件方面设置了特定的电源，采用了隔离和屏蔽技术，设置了联锁功能、环境检测和诊断电路及“看门狗”电路。在软件方面，软件与硬件相配合，在受到强干扰而导致工作进程混乱甚至停止时会自动保护，采用扫描方式进行工作，编程简单，不易出错。

PLC控制比继电控制所使用的触点数目减少了三分之二以上，因此PLC控制比继电控制系统可靠性高。

②在成本方面。

两种控制方式都需要使用3个规格型号相同的交流接触器，继电控制系统还使用了一个速度继电器和一个中间继电器，继电控制系统的成本为500元。PLC控制系统的成本为1000元左右，因此继电控制是比PLC控制更为经济实惠的控制方案。

③控制方案的选择。

两种控制方案的孰优孰劣，在此难以断言。因为判定一个控制方案是否可取，取决于用户的要求及其经济能力。

如果为了省钱，显然继电控制系统应该是首选方案。如果为了保证可靠性，且可以不计成本，则PLC控制系统应该是最佳方案。相对于PLC控制这种复杂的控制电路，按照当前比较普遍的使用情况来看，还是以采用继电控制系统为主。

4．设计电气控制原理图

电气控制原理图的设计将在本书后续章节中进行详细介绍。

5．设计电气设备的各种施工图纸

电气设备的各种施工图纸的设计在本丛书的另一分册《电气控制柜设计制作——结构与工艺篇》中详细介绍。

6．编写设计说明书和使用说明书

设计说明和使用说明是设计审定、调试、使用、维护过程中必不可少的技术资料。设计和使用说明书应包含拖动方案的选择依据、本系统的主要原理与特点、主要参数的计算过程、各项技术指标的实现、设备调试的要求和方法、设备使用和维护要求、使用注意事项等。

2.1.5 电动机拖动方案的确定方法

在实际应用中，电动机作为被控制目标最为普遍。因此电力拖动方案选择是电气控制系统设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。所谓电力拖动方案是指根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求及投资额等条件，去确定电动机的类型、数量、传动方式及拟订电动机启动、运行、调速、转向、制动等控制要求。

应根据设备的控制要求及结构来选用电动机的数量及类型，然后根据各电动机的调速要求来确定调速方案，同时，应当考虑电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用。

1．拖动方式的选择

电力拖动方式有单独拖动与分立拖动两种。电力拖动发展的趋向是电动机逐步接近工作机构，形成多电动机的拖动方式，这样，不仅能缩短机械传动链，提高传动效率，便于实现自动化，而且能使总体结构得到简化。在具体选择时，应根据工艺要求及结构具体情况确定电动机的数量。

2．调速方案的选择

对于生产机械设备，从生产工艺出发往往要求能够调速，不同的设备有不同的调速范围、调速精度等，为了满足一定的调速性能，应选用不同的调速方案，如采用机械变速、多速电动机变速、变频调速等方法。随着交流调速技术的发展，其经济技术指标不断提高，采用各种形式的变频调速技术将是机械设备调速的主流。

大型、重型设备的主运动和进给运动应尽可能采用无级调速，有利于简化机械结构、降低成本；精密机械设备为保证加工精度也应采用无级调速；对于一般中小型设备，在没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼形异步电动机。

1）无电气调速要求的生产机械

在不需要电气调速和启动不频繁的场合，应首先考虑采用笼形异步电动机。在负载静转矩很大的拖动装置中，可考虑采用绕线式异步电动机。在负载很平稳、容量大且启停次数很少时，则采用同步电动机更为合理，它不仅可以充分发挥同步电动机效率高、功率因数高的优点，还可以调节励磁，使它工作在过励情况下，提高电网的功率因数。

2）要求电气调速的生产机械

应根据生产机械的调速要求（如调速范围、调速平滑性、机械特性硬度、转速调节级数及工作可靠性等）来选择拖动方案，在满足技术指标的前提下，进行经济比较。最后确定最佳拖动方案。

调速范围D＝2～3，调速级数≤2～4，一般采用改变磁极对数的双速或多速笼形异步电动机拖动。

调速范围D＜3，且不要求平滑调速时，采用绕线式转子感应电动机拖动，但只适用于短时负载和重复短时负载的场合。

调速范围D＝3～10，且要求平滑调速时，在容量不大的情况下，可采用带滑差离合器的异步电动机拖动系统。需长期运转在低速时，也可考虑采用晶闸管直流拖动系统。

调速范围D＝10～100时，可采用直流拖动系统或交流调速系统。

三相异步电动机的调速，以前主要依靠改变定子绕组的极数和改变转子电路的电阻来实现。目前，变频调速和串级调速已得到广泛应用。

3）电动机调速性质的确定

电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应。对于双速笼形异步电动机，当定子绕组由Δ连接改为YY接法时，转速由低速转为高速，功率却变化不大，适用于恒功率传动；当定子绕组由Y连接改为YY接法时，电动机输出转矩不变，适用于恒转矩传动。对于直流他励电动机，改变电枢电压调速为恒转矩输出，改变励磁调速为恒功率调速。

若采用不对应调速，即恒转矩负载采用恒功率调速或恒功率负载采用恒转矩调速，都使电动机额定功率增大D倍（D为调速范围），且部分转矩未得到充分利用。所以电动机调速性质是指电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系。究竟是容许恒功率输出还是恒转矩输出，在选择调速方法时，应尽可能使它与负载性质相同。

4）电动机调速性质应与负载特性相适应

机械设备的各个工作机构具有各自的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。

在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用。如双速笼形异步电动机，当定子绕组由三角形连接改成双星形连接时，转速增大一倍，功率却增大很少，适用于恒功率传动；对于低速为Y形连接的双速电动机改成双星形连接后，转速和功率都增大一倍，而电动机输出的转矩保持不变，适用于恒转矩传动。

影响方案确定的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平取决于设计人员的设计经验和设计方案的灵活运用。

3．拖动电动机的选择

电动机的选择主要考虑电动机的类型、结构形式、容量、额定电压与额定转速。

电动机选择的基本原则有以下三点。

1）根据生产机械调速的要求选择电动机的种类

电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载的负载特性相适应，保证运行稳定且具有良好的启动、制动性能。

2）电动机容量的选择

正确选择电动机容量是电动机选择中的关键问题。工作过程中电动机容量要得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。（1）分析计算法

根据生产机械负载图预选一台电动机，再利用该电动机的技术数据和生产机械负载图求出电动机的负载图。最后按电动机的负载图从发热方面进行校验，并检查电动机的过载能力与启动转矩是否满足要求，若不合格，另选一台电动机重新计算，直到合格为止。此法计算工作量大，负载图的绘制较为困难。对于比较简单、无特殊要求、生产数量不多的电力拖动系统，电动机容量往往采用统计类比法。

当机床的主运动和进给运动由同一台电动机拖动时，则应按主运动电动机功率计算。若进给运动由单独一台电动机拖动，并具有快速运动功能，则电动机功率应按快速移动所需功率来计算。（2）统计类比法

通过对长期动作的同类生产机械的电动机容量调查，并对机械主要参数、工作条件进行类比，确定电动机的容量。将同类型设备的机床电动机容量进行统计和分析，从中找出电动机容量与机床主要参数间的关系，再根据实际情况得出相应的计算公式来确定电动机容量。

在比较简单、无特殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机容量的选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工程估算的方法来选用，通常选择较大的容量，预留一定的裕量。

3）根据工作环境选择电动机的结构形式

电动机结构形式必须满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相交流异步电动机。

2.2 电路图的设计方法

电路是由各种电器、电子元件或电气设备按一定方式连接起来的一个整体，如电源、断路器、继电器、负载、半导体器件、电阻器、电容器、导线等，可以实现预期的电气控制功能。

电路设计的一个重要方法是把实际的电路系统抽象为电路模型，用理想元件或理想元件的组合去代替实际电路系统中的实际元件。电路图是用规定的电路符号表示各种理想元件而画出的电路模型图样。电路图只反映各种理想元件在电路中的作用及其相互连接方式，并不反映实际元件的内部结构。

2.2.1 电气控制电路设计概述

电气原理图设计是为满足设备及其工艺要求而进行的电气控制系统设计。电气原理图设计的质量决定着一台（套）电气控制设备的实用性、先进性和自动化程度，是电气控制系统设计的核心。

任何被控制设备功能的实现主要取决于电气控制系统的正常运行，电气控制系统的任一环节的正常运行都将保证被控制设备功能的实现。相反，电气控制系统的非正常运行将会造成事故甚至重大的经济损失。任何一项工程设计的成功与否必须经过安装和运行才能证明，而设计者也只能从安装和运行的结果来验证设计工作，一旦发生严重错误，必将付出代价。因此，保证电气控制系统的正常运行首先取决于严谨而正确的设计，总体设计方案和主要元器件的选择应正确、可靠、安全及稳定，无安全隐患，这就要求设计者应正确理解设计任务、精通生产工艺要求、准确计算、合理选择产品的规格型号并进行校验。正确的设计思想和工程意识是高质量地完成设计任务的基本保证。2.2.1.1 电气原理图设计的内容

电气设计的基本任务是根据控制要求设计和编制设备制造和使用维修过程中所必需的图纸、资料，包括总图、系统图、电气原理图、总装配图、部件装配图、元器件布置图、电气安装接线图、电气箱（柜）制造工艺图、控制面板及电气元件安装底板、非标准件加工图等，以及编制外购器件目录、单台材料消耗清单、设备使用维修说明书等资料。

电气控制系统设计中，原理图是所有图纸的灵魂，它是设计者构思的体现。原理图可以反映出电气系统的功能、电气逻辑。电气原理图是整个设计的中心环节，因为它是工艺设计和制订其他技术资料的依据。电气控制系统原理设计主要包括以下内容。

1．制订电气设计任务书（技术条件）

设计任务书或技术建议书是整个电气控制系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据，因此设计任务书的拟订是十分重要的，必须认真对待。在很多情况下，设计任务下达部门对本系统的功能要求、技术指标只能给出一个大致轮廓，设计应达到的各项具体的技术指标及其他各项要求实际是由技术部门、用户及设计部门共同协商，最后以技术协议形式予以确定的。

一个电气控制系统的设计，应根据工程需要提出的技术要求、工艺要求，拟订总体技术方案，并与机械结构设计协调，才能开始进行设计工作。一项机电一体化设计的先进性和实用性是由被控制设备的结构性能及其电气自动化程度共同决定的。电气设计任务书中除简要说明所设计任务的用途、工艺过程、动作要求、传动参数、工作条件外，还应说明以下主要技术经济指标及要求：（1）电气控制的基本特性要求、自动化程度要求及控制精度；（2）目标成本与经费限额；（3）设备布局、安装要求、控制柜（箱）及操作台布置、照明、信号指示、报警方式等；（4）工期、验收标准及验收方式。

2．选择电气控制方式与电气控制方案

电气控制方案与控制方式的确定是设计的重要部分，方案确定以后，就可以进一步选择被控制对象的类型、数量、结构形式及容量等。例如，电动机选择的基本原则是：（1）电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与被拖动负载特性相适应，以保证运行稳定并具有良好的启动、制动性能，对有调速要求时，应合理选择调速方案；（2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值；（3）电动机的结构形式应满足机械设计要求，选择恰当的使用类别和工作制，并能适应周围环境工作条件。

在满足设计要求的情况下，应优先采用结构简单、使用维护方便的笼形三相交流异步电动机。

3．确定被控制对象的类型及其技术参数

电气控制的被控制对象的范围很广，包括电动机、电磁铁、电磁阀等实体被控制对象，及温度、湿度、速度、时间、压力、空间位置、光照强度等物理量。被控制对象又分为直接被控制对象和间接被控制对象，间接被控制对象往往容易被遗漏，因此必须高度重视。

这些被控制对象的技术参数表述必须准确，不但要定性而且必须定量。

4．设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术指标与要求

通过绘制电原理框图可以确定控制电路各部分之间的逻辑关系、主从关系、层次关系，以便于将总的控制目标的技术参数分解成控制电路各部分技术指标与要求。

5．设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数

为了保证实现设计功能，设计者还应精心设计施工图样，并进行全面的核算，有时会在其中找到纰漏，只有这样才能保证设计质量和工程质量，保证电气控制系统的正常运行。

6．选择电气元件，编制元器件明细表

通过上述工作设计出的电路是用理想元件或理想元件的组合去代替实际电路系统中的实际元件组成的电路模型，必须选择能够购买到的电气元件，并在电路图上标注它们的规格型号，这样才能够成为有实际使用价值的工程设计图纸。

7．编写设计说明书

编写电路图的设计说明书有两个作用：一是对图纸上无法表达清楚的一些问题进行说明，使后续工作能够顺利进行；二是对电路图的设计工作进行总结，以便在以后的设计工作中汲取经验教训。此项工作应参照相关国家标准进行。2.2.1.2 电气原理图设计的基本步骤

电气原理电路设计是控制系统设计的核心内容，各项设计指标均通过它来实现，它又是工艺设计和各种技术资料的依据。

完整的设计程序一般包括初步设计、技术设计和施工图设计3个阶段。初步设计完成后经过技术审查、标准化审查、技术经济指标分析等工作，才能进入技术设计和施工图设计阶段。但对于比较简单的设计，可以直接进入技术设计工作。我们讨论的是各阶段的共性问题，不涉及各阶段的设计程序。实际上根据不同行业特点，设计程序是有差异的。（1）根据选定的控制方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。（2）根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。每一部分的设计总是按主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、总体检查、反复修改与完善的步骤进行。（3）绘制总原理图。按系统框图结构将各部分连成一个整体。（4）正确选用原理线路中每一个电气元件，并编制元器件目录清单。

对于比较简单的控制线路，如普通机床的电气配套设计，可以省略前两步，直接进行原理图设计和选用电气元件。但对于比较复杂的自动控制线路，如专用的数控生产机械或采用微机或电子控制的专用检测与控制系统，要求有程序预选、刀具调整与补偿和一定的加工精度、生产效率、自动显示、各种保护、故障诊断、报警、打印记录等，就必须按上述过程一步一步进行设计。只有各个独立部分都达到技术要求，才能保证总体技术要求的实现，保证总装调试的顺利进行。

2.2.2 电气原理图的设计方法

现代工业生产和生活中，所用的机电设备品种（类）繁多，其电气控制设备类型也千变万化，但电气控制系统的设计规则和方法是有一定规律可循的，这些规则、方法和规律是人们通过长期的实践而总结和发展的。作为电气工程技术人员，必须掌握这些基本原则、规则和方法，并通过工作实践取得较丰富的实践经验后才能做出满意的工程设计。

电气原理图的设计方法主要有经验设计法和逻辑设计法两种，分别介绍如下。2.2.2.1 经验设计法

1．概述

经验设计法又称为分析综合设计法，是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节（单元电路）或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整电路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。经验设计法只适合不太复杂的控制线路设计。

经验设计法通常要求设计人员必须具备一定的阅读、分析电气控制线路的经验和能力，积累多种典型电气控制线路的设计资料，熟练掌握各种典型电气控制线路的基本环节、基本电路和控制方法，同时具有丰富的设计经验。同时还必须深入了解生产第一线，熟悉现场，掌握控制过程，了解控制对象的性能特点。经验设计法的特点是无固定的设计程序和设计模式，灵活性很大，但相对来说设计方法简单。

用经验设计方法初步设计出来的控制线路并不是唯一的，可能有很多种，需要加以比较分析并反复地修改简化，甚至要通过实验加以验证，才能使控制线路符合设计要求。

经验设计法的优点是设计方法简单，无固定的设计程序，它是在熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路能力的基础上进行的，容易被初学者所掌握，对于具备一定工作经验的电气技术人员来说，能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。

其缺点是设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响电路工作的可靠性。为此，应反复审核电路工作情况，有条件时还应进行模拟试验，发现问题并及时修改，直到电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。

2．基本控制环节和基本控制电路

1）基本控制环节

基本控制环节包括点动、长动、停止、自锁、互锁、逻辑与、逻辑或等控制环节。

逻辑与控制环节的实质就是控制开关触点的串联。在采用经验设计法进行控制电路设计的综合环节发挥着十分重要的作用。逻辑与所构成的电路实际上属于条件判断电路，只有当所有条件都满足时电路才能实现接通状态。例如：（1）将各个检测元件（时间继电器、速度继电器、温度压力继电器、电压继电器、电流继电器、电接点温度表等）的常闭触点串联在控制电路的电源输入电路中，就可以对上述物理量进行控制；（2）将检测各个基本控制电路上工作正常的检测元件的常闭触点串联在总控制电路的电源输入中，就可以对有多个组成部分的控制电路进行控制，如自动生产线中的每一台设备及机械手，只要其中一台出现故障，则自动线全部停止工作；（3）将多个主令电器（按钮、组合开关等）的常闭触点串联在控制电路的电源输入中，就可以进行多地的停止控制。

逻辑或控制环节的实质就是控制开关触点的并联，利用它可以进行多地的启动控制。

2）基本控制电路

基本控制电路包括单相及三相交流异步电动机、单相及三相交流直流电动机、三相线绕转子电动机、步进电动机等各种类型电动机的启动停止控制电路、正反转控制电路、调速电路、制动电路等控制电路，以及正反馈控制电路、负反馈控制电路、开环控制电路、闭环控制电路、温度控制电路、位置控制电路、压力控制电路、速度控制电路、单片机最小控制系统等。

基本控制电路的种类很多，由于本书篇幅限制不可能一一列举。在实际工作中完全将基本控制电路熟记于心也是不太现实的，一般通过查找相关资料获得。但是基本控制电路知识的积累是必不可少的，至少要做到头脑中对各种基本控制电路有印象，知道应该到哪里查找。

3．经验设计法步骤（1）先根据生产工艺的要求画出功能流程图。（2）采用一些成熟的典型线路环节来实现某些基本要求，确定适当的基本控制环节。

当找不到现成的典型环节时，可根据控制要求，将主令信号经过适当的组合和变换，在一定的条件下得到执行元件所需要的工作信号，再套用典型控制电路完成设计。（3）根据生产工艺要求逐步完善其功能要求，并适当配置联锁、检测、保护、信号和照明等环节。设计过程中要随时增减元器件和改变触点的组合方式，以满足被拖动系统的工作条件和控制要求，经过反复修改得到理想的控制线路。（4）利用基本绘制原则把它们综合地组合成一个整体，成为满足控制要求的完整线路。

连接各单元环节，构成满足整机生产工艺要求，实现加工过程自动或半自动和调整的控制电路。在进行具体线路设计时，一般先设计主电路，然后设计控制电路、信号电路、局部特殊电路等。（5）初步设计完成后，应当仔细检查、反复验证，看线路是否符合设计要求，并进一步使之完善和简化。最好采用逻辑分析的方法进一步进行逻辑分析，以优化设计。

应特别注意，电气控制系统在工作过程中因误操作、突然失电等异常情况下不应发生事故，或所造成的事故不应扩大，力求完善整个系统的控制电路。（6）最后选择恰当的电气元件的规格型号，使其能充分实现设计功能。

这种设计方法简单，容易为初学者所掌握，在电气控制中被普遍采用。其缺点是不易获得最佳设计方案，当经验不足或考虑不周时会影响电路工作的可靠性。因此，应反复审核电路工作情况，有条件时应进行模拟试验，发现问题及时修改，直到电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。

4．经验设计法实例

1）皮带运输机的控制电路

下面通过皮带运输机的实例介绍经验设计方法。

皮带运输机根据不同的使用场合有不同的控制线路，本例重点是从清楚层次、易于理解的角度讲述了经验设计法的运用，设备元件的选型、计算等问题在此省略。

在建筑施工企业的沙石料场，普遍使用皮带运输机对沙和石料进行传送转运，图2.2.1是两级皮带运输机示意图，M1是第一级电动机，M2是第二级电动机。图2.2.1 皮带运输机示意图（1）皮带运输机的基本工作特点和控制要求

①两台电动机都存在重载启动的可能；

②任何一级传送带停止工作时，其他传送带都必须停止工作；

③控制线路有必要的保护环节；

④有故障报警装置。（2）主电路设计

电动机采用三相笼形异步电动机，接触器控制启动、停止，线路应有短路、过载、缺相、欠压保护，两台电动机控制方式一样。基本线路如图2.2.2所示。图2.2.2 皮带运输机主电路

线路中采用了自动空气开关、熔断器、热继电器，可满足上述保护需要。（3）控制电路设计

直接启动的基本线路如图2.2.3所示，为操作方便，线路中设计了总停按钮SB5。图2.2.3 皮带运输机控制电路（一）

考虑到皮带运输机随时都有重载启动的可能，为了防止在启动时热继电器动作，有两个解决办法：第一是把热继电器的整定电流调大，使之在启动时不动作，但这样必然降低过载保护的可靠性；第二是启动时将热继电器的发热元件短接，启动结束后再将其接入，这就需要用时间继电器控制。如图2.1.4（a）所示，启动时按下SB1，接触器KM1、KM3和时间继电器KT1同时得电，KM3主触点闭合短接热继电器发热元件，经过一段时间电动机完成启动，时间继电器KT1常闭触点延时断开，KM3失电，主触点断开，热继电器发热元件接入，线路正常工作。此时主电路如图2.2.4（b）所示。图2.2.4 皮带运输机控制电路（二）

若遇故障，某级传送带停转，要求各级传送带都应停止工作，控制线路应能做到自动停车，同时发出相应警示。在发生故障停车时，皮带会因沙石自重而下沉，可以在皮带下方恰当位置安装限位开关SQ1、SQ2，由它来完成停车控制和报警。

皮带运输机主线路如图2.2.5所示，线路中增加了接触器KM和总启动按钮SB6，只有当SQ1、SQ2没有动作，常闭触点闭合时，按下SB6，得电，主电路和控制线路才有电。反之，当故障停车时，SQ1（SQ2）动作，KM失电，主电路和控制线路电源被切断。

如遇临时停电，由于有了SQ1、SQ2的保护作用，线路将无法再启动，因此SQ1、SQ2只能在电动机完成启动后才能投入，为此增加了时间继电器KT，如图2.2.6所示，利用常闭（延时断开）触点短接SQ1、SQ2，保证线路能顺利进行重载启动，启动结束后传送带正常运行，在时间继电器触点延时断开之前，SQ1、SQ2常闭触点已复位，线路正常工作。（4）设计线路的验证

设计完主线路（见图2.2.5）和控制线路（见图2.2.6）后，根据四项设计要求逐一验证。图2.2.5 皮带运输机主线路（考虑故障停车后）图2.2.6 皮带运输机控制线路（考虑停电再启动）

①线路中采用了自动空气开关、熔断器、热继电器，可满足线路保护需要。

②两台电动机重载启动措施：由KM3（KM4）在启动时切除热继电器发热元件；由时间继电器KT短接SQ1（SQ2），保证KM得电，线路通电。

③任何一级皮带输送机出现故障停止工作时，传送带受重下沉，使SQ1（SQ2）动作，KM失电，主电路和控制线路同时断电。

④故障指示灯HL1、HL2显示相应传送带故障。

2）C534J1立式车床横梁升降电气控制原理图的设计

下面通过C534J1立式车床刀架横梁升降电气控制原理线路的设计实例，进一步说明经验设计法的设计过程。这种结构在机械传动和电力传动控制的设计中都有普遍意义，在各种设备中普遍采用类似的结构和控制方法。（1）电力拖动方式及其控制要求

为适应立式车床对不同高度工件加工时对刀具的需要，要求安装有左、右立刀架的横梁能通过丝杠传动快速作上升下降的调整运动。丝杠的正反转由一台2JH61-4型三相交流异步电动机（13kW，380/660V，27.6/16A，1330r/min）拖动，同时，为了保证零件的加工精度，当横梁移动到需要的高度后应立即通过夹紧机构将横梁夹紧在立柱上。每次移动前要先放松夹紧装置，因此设置另一台JD42-4型三相交流异步电动机（2.8kW，220/380V，10.5/6.1A，1430r/min）拖动夹紧放松机构，以实现横梁移动前的放松和到位后的夹紧动作。在夹紧、放松机构中设置两个行程开关SQ1与SQ2，如图2.2.7所示，分别检测已放松与已夹紧信号。图2.2.7 主电路及控制电路设计草图之一（2）横梁升降控制要求

①采用短时工作的点动控制。

②横梁上升控制动作过程：按上升按钮→横梁放松（夹紧电动机反转）→压下放松位置开关→停止放松→横梁自动上升（升/降电动机正转）→到位后松开上升按钮→横梁停止上升→横梁自动夹紧（夹紧电动机正转）→已放松位置开关松开，已夹紧位置开关压下，达到一定夹紧紧度→上升过程结束。

③横梁下降控制动作过程：按下降按钮→横梁放松→压下已放松位置开关→停止放松，横梁自动下降→到位后松开下降按钮→横梁停止下降并自动短时回升（升/降电动机短时正转）→横梁自动夹紧，已放松位置开关松开，已夹紧位置开关压下并夹紧至一定紧度→下降过程结束。

可见下降与上升控制的区别在于到位后多了一个自动的短时回升动作，其目的在于消除移动螺母上端面与丝杠的间隙，以防止加工过程中因横梁倾斜造成的误差，而上升过程中移动螺母上端面与丝杠之间不存在间隙。

④横梁升降动作应设置上、下极限位置保护。（3）设计过程

①根据拖动要求设计主电路。由于升、降电动机M1与夹紧放松电动机M2都要求正反转，所以分别采用典型的电动机正反转控制电路。

考虑到横梁夹紧时有一定的夹紧力的要求，故在M2正转即KM3动作时，其中一相串联过电流继电器KI，检测电流信号，当M2处于堵转状态，电流增长至动作值时，过电流继电器KI动作，使夹紧动作结束，以保证每次夹紧紧度相同。据此便可设计出如图2.2.8所示的主电路。

②设计控制电路草图。

如果暂不考虑横梁下降控制的短时回升，则上升与下降控制过程完全相同。当发出“上升”或“下降”指令时，首先夹紧放松电动机M2反转（KM4吸合），由于平时横梁总是处于夹紧状态，行程开关SQ1（检测已放松信号）不受压，SQ2（检测已夹紧信号）处于受压状态，将SQ1常开触点串在横梁升降控制回路中，SQ2常闭触点串于放松控制回路中（SQ2常开触点串在立车工作台转动控制回路中，用于联锁控制），因此在发出上升或下降指令时（按SB1或SB2），先放松，KM4吸合（SQ2立即复位），当放松动作完成时SQ1受压，KM4释放，KM1（或KM2）自动吸合，实现横梁自动上升（或下降）。上升（或下降）到位，放开SB1（或SB2）停止上升（或下降），由于此时SQ1受压，SQ2不受压，所以KM3自动吸合，夹紧动作自动发出，直到压下，再通过KI常闭触点与KM3的常开触点串联的自锁回路，继续夹紧至过电流继电器动作（达到一定的夹紧力），控制过程自动结束。按此思路设计的控制回路设计草图如图2.2.7所示。

③完善设计草图。图2.2.7的草图功能不完善，主要是未考虑下降的短时回升。下降到位的短时回升是满足一定条件的结果，此条件与上升指令是“或”的逻辑关系，因此它应与SB1并联，应该是下降动作结束后即用KM2常闭触点与一个短时延时断开的时间继电器KT触点的串联组成，回升时间由时间继电器控制。于是便可设计出如图2.2.8所示的设计草图之二。

④检查并改进设计草图。检查图2.2.8，在控制功能上已达到上述控制要求，但仔细检查会发现KM2的辅助触点使用已超出接触器拥有数量，同时考虑到一般情况下不采用二常开二常闭的复合式按钮，因此可以采用一个中间继电器来完善设计。图2.2.8 控制回路设计草图之二

控制回路设计草图之三如图2.2.9所示。其中R-M、L-M为工作台驱动电动机M正反转联锁触点，即保证机床进入加工状态，不允许横梁移动。反之，横梁放松时就不允许工作台转动。这些是通过行程开关SQ1的常闭触点串联在R-M、L-M的控制回路中来实现的。另外，在完善控制电路设计过程中，进一步考虑横梁的上、下极限位置保护，采用限位开关SQ3（上限位）与SQ4（下限位）的常闭触点串联在上升与下降控制回路中。图2.2.9 控制回路设计草图之三

⑤ 总体检查设计线路。

控制线路设计完毕，最后必须经过总体检查，因为分析设计往往会考虑不周而存在不合理之处或有进一步简化的可能。主要检查内容有：是否满足拖动要求与控制要求；触点使用是否超出允许范围；电路工作是否安全可靠；联锁保护是否考虑周到；是否有进一步简化的可能；等等。2.2.2.2 逻辑设计法

1．概述

逻辑设计法又称逻辑分析设计法，逻辑设计法利用逻辑代数这一数学工具来进行电气控制电路设计。对于只有开关量的自动控制系统，其控制对象与控制条件之间只能用逻辑函数式来表示，所以才适用逻辑设计法。而对于连续变化的模拟量（如温度、速度、位移、压力等），逻辑分析设计法是不适用的。

由接触器、继电器组成的控制电路属于开关电路。在电路中，电气元件只有两种状态：线圈通电或断电，触点闭合或断开。这种“对立”的两种不同状态，可以用逻辑代数来描述这些电气元件在电路中所处的状态和连接方法。

对于继电器、接触器、电磁铁等元件，将通电规定为“1”状态，断电则规定为“0”状态；对于按钮、行程开关等元件，规定压下时为“1”状态，复位时为“0”状态；对于元件的触点，规定触点闭合状态为“1”状态，触点断开状态为“0”状态。

分析继电器、接触器控制电路时，元件状态常以线圈通电或断电来判定。该元件线圈通电时，常开触点闭合，常闭触点断开。因此，为了清楚地反映元件状态，元件的线圈和其常开触点的状态用同一字符来表示，如K，而其常闭触点的状态用该字符的“非”来表示，如（K上面的一杠表示“非”，读非）。若元件为“1”状态，则表示其线圈通电，继电器吸合，其常开触点闭合，其常闭触点断开。通电、闭合都是“1”状态，断开则为“0”状态。若元件为“0”状态，则相反。根据这些规定，再利用逻辑代数的运算规律、公式和定律，就可以进行电气控制系统的设计了。

逻辑设计方法可以使继电接触系统设计得更为合理，设计出的线路能充分发挥元件作用，使所用的元件数量最少。逻辑设计法不仅可以进行线路设计，也可以进行线路简化和分析。逻辑分析法的优点是各控制元件的关系一目了然，不会遗漏。这种设计方法能够确定实现一个开关量自动控制线路的逻辑功能所必需的、最少的中间记忆元件（中间继电器）的数目，然后有选择地设置中间记忆元件，以达到使逻辑电路最简单的目的。采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，能指出电路相应变化的内在规律。

虽然逻辑设计法有上述优点，但是在实际工作中，直接使用逻辑设计法还是比较麻烦的，初学者应用起来还是比较困难的。一般情况下往往采用经验设计法初步设计出控制电路，接着使用逻辑设计法进行验证分析，然后进行控制电路的修改完善，最后设计出比较简化、合理、科学的控制电路。

逻辑电路有组合逻辑和时序逻辑两种基本类型，对应的设计方法也各有不同。

2．逻辑设计法进行控制电路设计的步骤

逻辑分析设计法将执行元件需要的工作信号及主令电器的接通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的最简“与”、“或”关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，即能获得需要的控制线路。逻辑设计法进行控制电路设计的步骤如图2.2.10所示。图2.2.10 逻辑设计法的步骤

1）问题的确定

根据控制目标要求画出控制流程方框图；界定目标函数的功能说明、条件说明、性能说明。

2）对复杂问题进行逻辑分解

当设计的控制线路比较复杂时，逻辑设计法显得十分烦琐，工作量也大，而且容易出错，所以一般应对复杂问题进行逻辑分解。就是将一个较大的、功能较为复杂的控制系统分为若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计的方法先完成每个单元控制线路的设计，然后再用经验设计法把这些单元综合起来，各取所长，可以获得理想经济的方案。这种办法可以使所用元件数量少，各元件能充分发挥作用。当给定条件变化时，容易找出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时更能显示出它的优点。

3）根据控制要求列出真值表

编制出执行元件节拍表及检测元件状态表的转换表，然后列出元件动作状态表。

4）中间记忆元件

由于逻辑（开关）元件在改变状态时都有一定的过渡时间，电路由一种状态转换到另一种状态时，必然会出现相同的状态真值，则电路的输出端必然会出现竞争冒险。找出待相区分组，确定必要的中间记忆元件的开关边界线，并据此设置中间记忆元件，利用中间记忆元件引入一个附加的输入信号到组件的输入端就可以消除。

在实际工作中最为现实、可靠的方法是用实验通过调试来发现竞争冒险的存在，然后利用时序波形图来分析判断发生竞争及临界竞争所在的区间，然后通过改变某个信息传输时间来消除这个竞争冒险。

5）列出逻辑表达式

列写出中间记忆元件的开关逻辑函数式及执行元件动作的逻辑表达式或卡诺图。

尽量选用速度独立的逻辑函数（如异或函数、或与函数等）组成不包含竞争冒险的电路。

6）化简

利用逻辑代数法化简或卡诺图域法求出最小化逻辑表达式，再以最小化逻辑表达式构成或产生实现逻辑函数的算法或逻辑电路形式。

7）电路设计

选定开关元件的类型，根据最佳化逻辑表达式绘制控制线路图；进行整体或局部的电路构造的设计。

8）验证

进一步检查、化简和完善，并校验线路；测试与验证逻辑电路的功能、性能仿真。

3．组合逻辑设计方法

1）组合逻辑电路

组合逻辑电路是指在电路中没有反馈回路，因而对于任何信息都没有记忆能力的逻辑电路。

组合逻辑电路的特点是执行元件的输出状态只与同一时刻控制元件的状态有关，输入、输出呈单方向关系，即输出量对输入量无影响。它的设计方法比较简单，可以作为经验设计法的辅助和补充，用于简单控制电路的设计，或对某些局部电路进行简化，进一步节省并合理使用电气元件与触点。

2）组合逻辑设计方法

组合逻辑设计就是在给定逻辑功能和要求的前提下，通过某种设计方式，得到满足功能要求的最简逻辑电路。在组合逻辑设计中，重要的问题在于：首先，要确定设计目标问题，常用的两种设计方式是功能表和布尔表达式；其次，优化逻辑，化简表达式。

①功能表。

功能表就是扩展到任意函数的真值表。如图2.2.11（a）所示的逻辑模块，它有3个输入变量A、B和C，其输出函数为f（A、B、3C）。由于输入共有2＝8种可能的二进制组合，因此完全确定问题需要8个项，如图2.2.11（b）所示。对于每个输入项，输出的值为f＝0或f＝1。图2.2.11 逻辑功能表表示举例

②布尔表达式。

用一个或多个布尔方程作为确定问题的起始点常常是可行的。一旦有了布尔（逻辑）表达式，就可根据需要进一步采用布尔代数的定律对函数进行处理。可以直接从方程中实现逻辑门的选择及实现逻辑网络的构造。

4．时序逻辑设计方法

1）时序逻辑电路

时序逻辑电路是在网络中接有反馈回路，因而使电路具有记忆功能的逻辑电路。其特点是输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且还与输出量的原有状态及其组合顺序有关，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记忆元件（如中间继电器等），记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。

2）时序逻辑电路的设计方法

时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路两大部分组成，其结构如图2.2.12所示。存储电路由触发器构成，是时序逻辑电路不可缺少的部分；时钟电路是时序逻辑设计的核心。图2.2.12 时序逻辑电路的结构图

与组合逻辑电路类似，时序逻辑电路也可以用多种方法描述，如逻辑关系表达式、状态转化表、状态转化图、时序图等。其中，时序图是描述时序逻辑电路特有的方法，它直观地表示了时序逻辑电路的特点和逻辑功能。时序逻辑电路的分析，就是要找出给定电路的逻辑功能，找出在输入变量和时钟信号作用下电路状态和输出状态的变化规律。其设计方法可简述如下：（1）从给定的逻辑图中写出电路的输出方程和触发器的驱动方程，将触发器的驱动方程带入特性方程得到状态方程；（2）经过一系列计算得到状态转换表；（3）用时序图或状态转换图表示状态的变化规律；（4）根据状态转换图或时序图说明电路的逻辑功能。

在时序逻辑电路的设计中，时钟频率是个重要的参数，它是系统运算速度快慢的量度。在许多数字系统中，增加时钟频率将导致系统每秒进行运算的数目按比例增加。

5．逻辑设计法实例

前面设计所得C534J1立式车床刀架横梁升降控制电路（见图2.2.9）中，横梁上升与下降动作发生条件与电路动作可以用下面的逻辑函数式来表示。

在横梁动作之初总处于夹紧状态，SQ1为0（不受压），SQ2为1（受压），因此，在R-M、L-M、KM3均为0的情况下，只要发出上升或下降指令，KM4得电放松（夹紧解除），SQ2由1→0，直到SQ1受压（状态由0→1），放松动作才结束。

可见，上升与下降动作只有在完全放松即SQ1受压情况下才能发生，发出上升指令（SB1为1）只可能使KM1为1，发出下降指令只可能使KM2为1。放松结束后实现自动上升或下降的目的。达到预期高度，解除上升，KA为0，上升动作立即停止。KM3得电自动进入夹紧状态，直至恢复原始状态，即SQ1不受压，SQ2受压，自动停止夹紧动作。

若解除的是下降指令，KA为0，下降动作立即停止，但由于KT失电时其触点延时动作，在延时范围内KM1短时得电使横梁回升，KT触点延时动作后，回升结束，KM3得电自动进入夹紧状态，直至过电流继电器动作，夹紧结束。

2.3 电路设计的注意事项

2.3.1 电气控制电路设计中应注意的问题

电气控制设计中应重视设计、使用和维护人员在长期实践中总结出来的许多经验，使设计线路简单、正确、安全、可靠、结构合理、使用维护方便。通常应注意以下问题。

1．电气控制应最大限度地满足被控制设备的要求

最大限度地满足被控制设备对电气控制系统的要求是电气设计的依据，这些要求常常以工作循环图、执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供，有调速要求的设备还应给出调速技术指标。其他如启动、转向、制动、跟踪、定位、仿形等控制要求应根据生产需要充分考虑。

设计前，应对被控制设备的工作性能、结构特点、运动情况、加工工艺过程、加工情况及工作环境有充分的了解，并在此基础上设计控制方案，考虑控制方式、启动、制动、反向和调速的要求，安置必要的联锁与保护，确保满足被控制设备的要求。

2．控制电源的选择

1）尽量减少控制电源的种类

尽量减少控制线路中电源的电流、电压种类，控制电源用量，控制电压等级应符合标准等级。当控制系统需要若干电源种类时，应按国标电压等级选择。

2）控制电路比较简单时

在控制线路比较简单的情况下，可直接采用电网电压，即交流220V、380V供电，以省去控制变压器。但动力电源电路中的过电压将直接引进控制线路，这对元件的可靠工作不利。另外，由于控制线路电压较高，对维护与安全不利，因此必须引起注意。

3）控制电路比较复杂时

当控制系统使用电器数量比较多、控制电路比较复杂时（当电气系统的电磁线圈超过5个时），控制电路应采用控制电源变压器，将控制电压降到12V或24V。这种方案对维修与操作元件均有利。应采用控制变压器降低控制电压，或用直流低电压控制，既节省安装空间，又便于采用晶体管无触点器件，具有动作平稳可靠、检修操作安全等优点。对于微机控制系统，应注意弱电控制与强电电源之间的距离，不能共用零线，避免引起电源干扰。照明、显示及报警等电路应采用安全电压。

4）对于操作比较频繁的直流电力传动的控制线路，常用直流电源供电

若控制电压过高，在电器线圈断电的瞬间将产生很高的过电压（可达额定电压的十倍以上），这将对电器的可靠性及使用寿命有影响。若控制电压过低，电器触点不易可靠地接通，影响系统的正常工作。直流电磁铁及电磁离合器的控制线路常用24V直流电源供电。

5）设计的电路应能适应所在电网情况

在确定电动机的启动方式是直接启动还是降压启动时，应根据电网或配电变压器容量的大小、电压波动范围及允许的冲击电流数值等因素全面考虑，必要时应进行详细计算，否则将影响设计质量，甚至发生难以预测的事故。

3．控制电路力求简单、经济

越是简单的电路使用的元器件越少，出现故障的概率越低，可靠性越高。因此，在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济。在电气控制系统设计时，为满足同一控制要求，往往要设计几个方案，应选择简单、经济、可靠和通用性强的方案，不要盲目追求自动化程度和高指标。

1）尽量缩短连接导线的长度并减少导线数量

设计控制电路时，应考虑各电气元件的安装位置，尽可能地减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度。

设计控制线路时，应考虑各个元件之间的实际接线。特别要注意控制柜、操作台和按钮、限位开关等元件之间的连接线，如按钮一般均安装在控制柜或操作台上，而接触器安装在控制柜内，这就需要经控制柜端子排与按钮连接，所以一般都先将启动按钮和停止按钮的一端直接连接，另一端再与控制柜端子排连接，这样就可以减少一条引出线。

2）选择电气元件尽量减少品种、规格和数量

尽量减少电气元件的品种、规格与数量。同一用途尽可能选用相同型号的，将电气元件数量减少到最低限度。在电气元件选用中，尽可能选用性能优良、价格便宜的新型器件，电气控制系统的先进性总是与电气元件的不断发展、更新紧密联系在一起的，因此，设计人员必须密切关注电机、电器技术、电子技术的新发展，不断收集新产品资料，以便及时应用于控制系统设计中，使控制线路在技术指标、稳定性、可靠性等方面得到进一步的提高。

3）尽可能减少通电电器的数量

使设计的电气控制系统在正常工作中尽可能减少通电电器的数量，以利节能，延长电气元件寿命及减少故障。

4）妥善处理机械与电气的关系

机械或设备与电气控制已经紧密结合并融为一体，传动系统为了获得较大的调速比，可以采用机电结合的方法实现，但要从制造成本、技术要求和使用方便等具体条件去协调平衡。

4．合理使用电器触点

在复杂的继电接触控制线路中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触点也多，线路设计应注意以下问题。

1）合理使用电器触点

尽量减少控制线路所用的控制电器数量和触点数量，在满足动作要求的条件下，所用的电器越少、触点越少，控制线路的故障机会率就越低，工作的可靠性也就越高。在复杂的电气控制系统中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触点也多，在设计中应注意尽可能减少触点使用数量，以简化线路。

2）主副触点的使用量不能超过限定对数

因为各类接触器、继电器的主副触点数量是一定的，设计时应注意尽可能减少触点使用数量。可采用逻辑设计化简方法，改变触点的组合方式，以减少触点使用数量，或增加中间继电器。

3）在设计控制线路时，应考虑电器触点的接通和分断能力

如果容量不够，可在线路中加接中间继电器，增加线路中触点数目。增强接通能力则用多触点并联，增强分断能力则用多触点串联。控制线路的换接应当尽可能在电流较小的控制电路内进行，这样安全可靠。

4）使用触点容量、断流容量应满足控制要求

避免因使用不当而出现触点磨损、触点烧坏、熔焊而出现黏滞和释放不了等故障，要合理安排接触器主副触点的位置，避免用小容量继电器去切断大容量负载。应计算触点断流容量是否满足被控制负载的要求，还要考虑负载性质（阻性、容性、感性等），避免使用不当，以保证系统工作寿命和可靠性。

5．确保控制电路工作的安全性和可靠性

1）合理安排电气元件及触点位置

触点在连接设计时应分布在不同位置，将各电器触点的位置合理安排，可以减少连接导线的数量。对于一个串联回路，各电气元件或触点位置互换，并不影响其工作原理，从实际连线上却影响到安全、节省导线等各方面的问题。触点的连接如图2.3.1所示。图2.3.1 触点的连接

同一电器的不同触点在线路中应尽可能具有更多的公共连接线，这样可以简化接线并减少导线段数和缩短导线的长度。电器触点尽量接在同一组上，以免在电器触点上引起短路。交流接触器是两个行程控制电器，在电器控制线路中，应尽量将所有电器的控制触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接到电源。这样可以减少在线路内产生虚假回路的可能性，还可以简化控制屏的出线和外部连接。

设计时，应使分布在电路中不同位置的同一电器触点接到电源的同一相上，以避免在电器触点上引起短路故障。

2）正确连接电器线圈

两个型号相同的交流接触器电压线圈不能串联后接于其两倍额定电压的交流电源上使用。由于接触器线圈上的电压是依线圈阻抗大小正比分配的，电器动作总有先后之差，当其中一个接触器先工作后，这个接触器的阻抗要比没吸合的接触器的阻抗大，其分压将超过额定电压，这时线圈电流将增加，有可能将线圈烧毁。另一个接触器线圈电压达不到额定电压而不吸合。

所以，应将接触器线圈并联后再连接到其额定电压值的交流电源上。对于电感较大的电器线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电机励磁线圈等则不宜与相同电压等级的接触器或中间继电器直接并联工作，否则在接通或断开电源时会造成后者的误动作。

线圈的连接如图2.3.2所示。即使外加电压是两个线圈额定电压之和也是不允许的，因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，由于制造上的原因，两个电器总有差异，不可能同时吸合。假如交流接触器K2先吸合，由于K2的磁路闭合，线圈的电感显著增加，因而在该线圈上的电压降也相应增大，从而使另一个接触器K1的线圈电压达不到动作电压。因此，需要两个电器同时动作，则其线圈应并联。图2.3.2 线圈的连接

3）注意避免出现寄生回路

控制电路在正常工作或事故情况下，出现的不是由于误操作而产生的意外接通的电路，称为寄生回路。若控制电路中存在寄生电路，将破坏电器和线路的工作顺序，造成误动作。

图2.3.3所示是一个具有指示灯和热继电器保护的正反向控制电路。在正常工作时，能完成正反向启动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，线路就出现了寄生电路（图2.3.3中虚线所示），使正向接触器K1不能释放，起不了保护作用。在设计电气控制线路时，严格按照“线圈、能耗元件右边接电源（零线），左边接触点”的原则，就可降低产生寄生回路的可能性。另外，还应注意消除两个电路之间产生联系的可能性，否则应加以区分、联锁隔离或采用多触点开关分离。如将图2.3.3中指示灯分别用K1、K2的其他常开触点直接连接到左边控制母线上，加以区分就可消除寄生回路。图2.3.3 寄生电路

4）避免发生触点“竞争”、“冒险”现象

在电气控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一个状态转换到另一个状态时，常常有几个电器的状态发生变化，由于电气元件总有一定的固有动作时间，往往会发生不按预定时序动作的情况，触点争先吸合，发生振荡，这种现象称为电路的“竞争”。另外，由于电气元件的固有释放延时作用，也会出现开关电器不按要求的逻辑功能转换状态的可能性，这种现象称为“冒险”。“竞争”与“冒险”现象都将造成控制回路不能按要求动作，引起控制失灵。如图2.3.4所示电路，当KM闭合时，K1、K2争先吸合，只有经过多次振荡吸合竞争后，才能稳定在一个状态上。同样，在KM断开时，K1、K2又会争先断开，产生振荡。图2.3.4 触点的“竞争”与“冒险”现象

5）采用电气联锁与机械联锁的双重联锁

在频繁操作的可逆线路、自动切换线路中，正、反向（或两只）接触器之间至少要有电气联锁，必要时要有机械联锁，以避免误操作可能带来的危害，特别是一些重要设备应仔细考虑每一控制程序之间必要的联锁，即使发生误操作也不会造成设备事故。重要场合应选用机械联锁接触器，再附加电气联锁电路。

6．应具有完善的保护环节，提高系统运行可靠性

要预防可能出现的故障，防止发生人身事故和设备损坏事故，电气控制电路应具有完善的保护环节及防护措施。所以电气控制系统的安全运行主要靠完善的保护环节，包括过载、短路、过流、过压、欠压与失压、弱磁、联锁与限位保护等电气方面的保护功能，有时还应设有工作状态、合闸、断开、事故等必要的指示信号。

保护环节应工作可靠，满足负载的需要，做到动作准确。正常操作下不发生误动作，并按整定和调试的要求可靠工作，稳定运行，能适应环境条件，抵抗外来干扰；事故情况下能准确可靠动作，切断事故回路。经常使用的保护环节如下。

1）电流型保护

在正常工作中，电气设备通过的电流一般不超过额定电流，若少量超过额定电流，在短时间内，只要温升不超过允许值也是允许的，这也是各种电气设备或元件应具有的过载能力。但若通过电气设备或元件的电流过大，将因发热而使温升超过绝缘材料的承受能力，就会造成事故，甚至烧毁电气设备。在散热条件一定的情况下，温升取决于发热量，而发热量不仅取决于电流大小，而且还与通电时间密切相关。电流型保护就是基于这一原理构成的，它通过传感元件检测过电流信号，经过信号变换、放大后控制执行机构及被保护对象动作，切断故障电路。属于电流型保护的主要有短路、过流、过载和断相保护等。（1）短路保护

当电器或线路绝缘遭到损坏、负载短路或接线错误时将产生短路现象。短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几倍到几十倍，使电气设备或配电线路因过流产生的电动力而损坏，甚至因电弧而引起火灾。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短时间内切断电源。当电路发生短路时，短路电流引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电路中的各种电气设备产生机械性损坏。因此，当电路出现短路电流时，必须迅速、可靠地断开电源。

短路保护的常用方法是采用熔断器、低压断路器或专门的短路保护装置。在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。若主电路容量较小，其电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护；若主电路容量较大，则控制电路一定要单独设置短路保护熔断器。（2）过流保护

过流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过流，是指电动机或电气元件超过其额定电流的运行状态，不正确地启动和负载转矩过大也常常引起电动机出现很大的过流，由此引起的过流一般比短路电流小，不超过6倍额定电流。在过电流情况下，电气元件并不是马上损坏，只要在达到最大允许温升之前电流值能恢复正常就是允许的。较大的冲击负载将使电路产生很大的冲击电流，以致损坏电气设备，同时，过大的电流引起电路中的电动机转矩很大，也会使机械的转动部件受到损坏，因此要瞬时切断电源。在电动机运行中产生这种过流比发生短路的可能性要大，频繁启动和正反转、重复短时工作的电动机更是如此。

通常，过流保护可以采用低压断路器、热继电器、电动机保护器、过电流继电器等。其中，过电流继电器与接触器配合使用，即将过电流继电器线圈串联在被保护电路中，电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，其常闭触点串联在接触器控制回路中，由接触器切断电源。这种控制方法既可用于保护，也可达到一定的自动控制目的。这种保护主要应用于绕线转子异步电动机控制电路中。（3）过载保护

过载保护是过流保护的一种，也属于电流型保护。过载是指电动机的运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些，通常在1.5倍额定电流以内。引起电动机过载的原因很多，如负载的突然增加、缺相运行及电网电压降低等。若电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘老化、损坏。异步电动机过载保护应采用热继电器或电动机保护器作为保护元件。热继电器具有与电动机相似的反时限特性，但由于热惯性的关系，热继电器不会受短路电流的冲击而瞬时动作。当有6倍以上额定电流通过热继电器时，需经5s才动作，这样，在热继电器动作前就可能使热继电器的发热元件先烧坏，所以，在使用热继电器作过载保护时，还必须与熔断器或低压断路器配合使用。由于过载保护特性与过电流保护不同，故不能采用过电流保护方法来进行过载保护，因为引起过载保护的原因往往是一种暂时因素，如负载的临时增加而引起过载，过一段时间又转入正常工作，对电动机来说，只要在过载时间内绕组不超过允许温升就是允许的。如果采用过电流保护，势必影响生产机械的正常工作，生产效率及产品质量会受到影响。过载保护要求保护电器具有与电动机反时限特性相吻合的特性，即根据电流过载倍数的不同，其动作时间是不同的，它随着电流的增大而减小。

图2.3.5是交流电动机常用保护类型示意图，具体选用时应有取舍。

图2.3.5（a）中采用低压断路器作为短路保护，热继电器用作过载保护。当线路发生短路故障时，低压断路器动作，切断故障；当线路发生过载故障时，热继电器动作，事故处理完毕，热继电器可以自动复位或手动复位，使线路重新工作。当低压断路器的保护范围不能满足要求时，应采用熔断器作为短路主保护，而使低压断路器作为短路保护的后备保护。

图2.3.5（b）中电压继电器用于低电压保护，过电流继电器用作电动机工作时的过电流保护。当电动机工作过程中由某种原因而引起过电流时，过电流继电器动作，其动断触点断开，电动机便停止工作，起到保护作用。当用过电流继电器保护电动机时，其线圈的动作电流可按下式计算：电流继电器的动作电流I＝1.2×电动机的启动电流图2.3.5 交流电动机常用保护类型示意图

应当指出，过电流继电器不同于熔断器和低压断路器，它是一个测量元件，低压断路器把测量元件和执行元件装在一起，熔断器的熔体本身就是测量和执行元件。过电流保护要通过执行元件接触器来完成，因此，为了能切断过电流，接触器触点容量应加大，但不能可靠地切断短路电流。为避免启动电流的影响，通常将时间继电器与过电流继电器配合，启动时，时间继电器的动断触点闭合，动合触点尚未闭合时，过电流继电器的线圈不接入电路，尽管电动机的启动电流很大，过电流继电器也不起作用。启动结束后，时间继电器延时结束，动断触点断开，动合触点闭合，过电流继电器线圈得电，开始起保护作用。工作过程中，由于某些原因而引起过电流时，过电流继电器动作，其动断触点断开，电动机便停止工作，起到保护作用。（4）断相保护

异步电动机在正常运行中，由于电网故障或一相熔断器熔断引起对称三相电源缺少一相，电动机将在缺相电源中低速运转或堵转，定子电流很大，这是造成电动机绝缘及绕组烧损的常见故障之一。断相时，负载的大小及绕组的接法等因素引起相电流与线电流的变化差异较大，对于正常运行采用三角形连接的电动机（我国生产的三相笼形异步电动机在4.5 kW以上均采用三角形连接），如负载在53％～67％之间发生断相故障，会出现故障相的线电流小于对称性负载保护电流动作值，但相绕组最大一相电流已超过额定值。热继电器热元件串联在三相电流进线中，其断相保护功能采用专门为断相运行而设计的断相保护机构。图2.3.6是一种电子式电动机断相、过载、短路保护电路原理图。电路由断相取样、短路取样、电流取样、延时、射极耦合双稳态触发器、功率推动晶体管V3、继电器KM、直流稳压电源等部分组成。在正常运行时，接触器K工作，电动机运转。触发器V1管的基极输入信号较小，V1截止，V2和V3导通，使继电器KM动作，KM的常开触点闭合，将启动自锁，维持K吸合。图2.3.6 电子式异步电动机保护电路原理图

根据三相交流平衡时其零序电压为零的原理，用R1、R2、R3三个电阻形成一个零序点。相电压平衡时该点电位趋于零，当发生断相或三相严重不平衡时，U升高，经V10，C2滤波后送至电位器RP2，o在RP2上取出电压U经二极管V11加到V1的基极，使V1导通，V2和3V3截止，继电器KM释放，K断开，将电源切除，达到断相保护的目的。调节RP2使三相不平衡值小于某值，如5％时，U不足以使V1导3通。电流信号由三个电流变换器TA1～TA3取得，电流变换器的一次绕组串联在电动机定子三相电路里，三次绕组产生的交流电压经三相桥式整流、滤波后得到一直流电压U。当电动机短路时，电枢电流1很大，U升高，由电位器RP1上引出的电压U也随即升高，它经二极12管V9加到V1基极，使V1导通，V2、V3截止，KM释放，K断开，以实现过载保护。RP1用以调整被保护电路的短路电流值，当电动机电流超过额定值时，增大的U克服稳压管Vw1的稳压值，经电阻R3和电1容C3组成的充电延时环节使U升高，它经二极管V8使V1导通，c3V2、V3截止，KM释放，K断开，达到短路保护的目的。其他部分请读者自行分析。

2）电压型保护

电动机或电气元件在一定的额定电压下才能正常工作，电压过高、过低或工作过程中非人为因素的突然断电都可能造成生产机械的损坏或人身事故，因此，在电气控制线路中应根据要求设置失压保护、过压保护及欠压保护。（1）失压保护

电动机正常工作时，如果因为电源电压的消失而停转，那么在电源电压恢复时就可能启动，电动机的自行启动将造成人身事故或机械设备损坏。对电网来说，许多电动机同时启动也会引起不允许的过电流和过大的电压降。为防止恢复时电动机的自行启动或电气元件自行投入工作而设置的保护，称为失压保护。

采用接触器和按钮控制电动机的启、停就具有失压保护作用。因为，如果正常工作中电网电压消失，接触器就会自动释放而切断电动机电源，当电网恢复正常时，由于接触器自锁电路已断开，不会自行启动。但如果不是采用按钮而是用不能自动复位的手动开关、行程开关等控制，接触器必须采用专门的零压继电器。对于多位开关，要采用零位保护来实现失压保护，即电路控制必须先接通零压继电器。工作过程中一旦失电，零压继电器释放，其自锁也释放，当电网恢复正常时，就不会自行投入工作。（2）欠压保护

电动机或电气元件在有些应用场合下，当电网电压降到额定电压以下，如60％～80％时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠压保护，如图2.3.5所示。因为电动机在电网电压降低时，其转速、电磁转矩都将降低甚至堵转，在负载一定的情况下，电动机电流将增加，不仅影响产品的加工质量，还会影响设备的正常工作，使机械设备损坏，造成人身事故。另外，由于电网电压的降低，如降到额定电压的60％，控制线路中的各类交流接触器、继电器既不释放又不能可靠吸合，处于抖动状态并产生很大的噪声，线圈电流增大，甚至过热造成电气元件和电动机烧毁。

除上述采用接触器及按钮控制方式时利用接触器本身的欠压保护作用外，还可以采用低压断路器或专门的电磁式电压继电器来进行欠压保护，其方法是将电压继电器线圈跨接在电源上，其常开触点串联在接触器控制回路中。当电网电压低于整定值时，电压继电器动作使接触器释放。（3）过压保护

电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等在通断时会产生较高的感应电动势，易使工作线圈绝缘击穿而损坏，因此，必须采用适当的过压保护措施。通常过压保护的方法是在线圈两端并联一个二极管、电阻串电容或二极管串电阻等形式，以形成一个放电回路，如图2.3.7所示。图2.3.7 过压保护电路

3）位置控制与保护

一些被控制设备运动部件的行程及相对位置往往要求限制在一定范围内，如直线运动切削机床、升降机械等需要有限位控制，有些生产机械工作台的自动往复运动需要有行程限位等，如起重设备的左右、上下及前后运动行程都必须有适当的位置保护，否则就可能损坏生产机械并造成人身事故，这类保护称为位置保护。位置保护、限位控制和行程限位在控制原理上是一致的，可以采用限位开关、干簧继电器、接近开关等电气元件构成控制电路，当运动部件到达设定位置时，开关动作，其常闭触点通常串联在接触器控制电路中，因常闭触点打开而使接触器释放，于是运动部件停止运行。

图2.3.8是一种自动往返循环控制线路，电路的原理适用于各种控制进给运动到预定点后自动停止的限位控制保护电路等，其应用相当广泛。图示控制线路是采用行程开关来实现的，这种控制将行程开关安装在事先安排好的位置，当装于生产机械运动部件上的撞块压合行程开关时，行程开关的触点动作，从而实现电路的切换，以达到控制的目的。也可以采用非接触式接近开关代替行程开关。限位开关SQ1放在左端需要反向的位置，而SQ2放在右端需要反向的位置，机械挡铁装在运动部件上。启动时，利用正向或反向启动按钮，如按正转按钮SB2，接触器K1通电吸合并自锁，电动机作正向旋转，带动机械运动部件左移，当运动部件移至左端并碰到SQ1时，将SQ1压下，其常闭触点断开，切断接触器K1线圈电路，同时其常开触点闭合，接通反转接触器K2线圈电路，此时电动机由正向旋转变为反向旋转，带动运动部件向右运动，直到压下SQ2限位开关，电动机由反转又变成正转。图2.3.8 自动往返循环控制线路

7．电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便

电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。例如，设置必要的显示，随时反映系统的运行状态与关键参数；考虑到运动机构调整、修理，设置必要的单机点动；必要的易损触点及电气元件的备用等。

2.3.2 PLC控制系统设计的注意事项

PLC控制系统的设计具有传统电气控制系统设计的一般规律，但由于PLC控制属于软件控制，因此PLC控制系统的设计又具有其自身的特点。下面就PLC控制系统设计的基本原则、基本内容及步骤进行阐述，以便初学者掌握。当然，要设计一个经济、实用、可靠、先进的PLC控制系统，还需要有丰富的专业知识和实际工作经验。2.3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则

任何一种电气控制系统都为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则。（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，收集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。（2）在满足控制要求的前提下力求使控制系统简单、经济、实用、维修方便。（3）保证控制系统的安全、可靠。（4）考虑到生产发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应留有适当的余量。2.3.2.2 PLC控制系统设计的基本内容

1．总体方案的确定

熟悉控制对象和控制要求，分析控制过程，确定总体方案。

2．正确选用电气控制元件和PLC

PLC控制系统是由PLC、用户输入及输出设备、控制对象等连接而成的。应认真选择用户输入设备（按钮、开关、限位开关和传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯、电磁阀等执行元件）。要求进行电气元件的选用说明，必要时应设计好系统主电路图。

根据选用的输入/输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC。PLC是控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要作用。选择PLC应包括机型、容量、I/O点数、输入/输出模块（类型）、电源模块及特殊功能模块等的选择。

3．分配I/O端口

根据选用的输入/输出设备、控制要求，确定PLC外部I/O端口分配。（1）作I/O分配表，对各I/O点功能作出说明。（2）画出PLC外部I/O接线图，依据输入/输出设备和I/O口分配关系，画出I/O接线图。接线图中各元件应有代号、编号等，并在电气元件明细表中注明规格数量等。

4．PLC控制流程图及说明

绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明。

5．程序设计

利用CX-Programmer编程软件编写控制系统的梯形图程序。在满足系统技术要求和工作情况的前提下，应尽量简化程序，尽量减少PLC的输入/输出点，设计简单、可靠的控制程序。注意安全保护（检查联锁要求、防误操作功能等能否实现）。

6．调试、完善控制程序（1）利用CX-Programmer在计算机上仿真运行，调试PLC控制程序。（2）让PLC与输入及输出设备联机进行程序调试。调试中对设计的系统工作原理进行分析，审查控制实现的可靠性，检查系统功能，完善控制程序。控制程序必须经过反复调试、修改，直到符合要求为止。

7．撰写设计报告

设计报告内容中应有控制要求、系统分析、主电路、控制流程图、I/O分配表、I/O接线图、内部元件分配表、系统电气原理图、用CX-Programmer打印的PLC程序、程序说明、操作说明、结论、参考文献等。要突出重点，图文并茂，文字通畅，并着重阐述本人工作内容和心得体会。2.3.2.3 PLC控制系统设计的一般步骤

设计PLC控制系统的一般设计步骤如图2.3.9所示。图2.3.9 PLC控制系统的一般设计步骤

1．PLC硬件设计的步骤（1）根据生产的工艺过程分析控制要求，如需要完成的动作（动作顺序、动作条件及必需的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期及单步等）。（2）根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I/O点数。（3）选择PLC。（4）分配PLC的I/O点，设计I/O电气接口连接图（这一步也可以结合第2步进行）。（5）进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。

2．PLC程序设计的步骤（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可以省去这一步。（2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3）根据梯形图编制程序清单。（4）用编程器将程序输入到PLC的用户存储器中，并检查输入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。（6）待控制台（柜）及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足为止。（7）编制技术文件。（8）交付使用。2.3.2.4 PLC机型的选择

1．PLC选型的基本原则

一般从系统控制功能、指令和编程方式、PLC存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。所选PLC应能够满足控制系统的功能需要。

从应用角度来看，PLC可按控制功能或I/O点数分类。

从PLC的物理结构来看，PLC分为模块式和整体式。

PLC的指令系统一般包括逻辑指令、运算指令、控制指令、数据处理和其他特殊指令，这些指令能完成诸如开平方、对数运算、网络通信（PLC联网已成为一种发展趋势）等功能。

用户可从便于控制系统编程的角度来加以选择，只要能满足实际需要就可以了。PLC的编程有在线编程和离线编程两种方式。采用离线编程可降低成本，对大多数应用系统来说都可以满足生产需要，因而较多的中小型PLC都使用这种方法。

2．输入/输出模块的选择

输入模块将现场设备（如按钮开关）的信号进行检测并转换成PLC机内部的电平信号，它按电压分为交流式和直流式，按电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。选择输入模块时应考虑输入信号电压的大小、信号传输的距离长短、是否需要隔离及采用何种方式隔离、内部供电还是外部供电等问题。

输出模块把PC内部信号转换为外部过程的控制信号，以驱动外部负载。

输入/输出模块是可编程序控制器与被控对象之间的接口，按照输入/输出信号的性质一般可分为开关量（或数字量）模块和模拟量模块。

开关量模块包括输入模块和输出模块，有交流、直流和交直流三种类型。开关量输入模块按输入点数分为4、8、16、32、64等，按电压等级分为直流24V、48V、60V和交流110V、230V等。模块密度要根据实际需要来选择，一般以每块16～32点为好。如果是长距离传输通信，开关量输入模块的门槛电平也是不容忽视的一个因素。直流开关量输入模块的延迟时间较短，可直接与接近开关、光电开关等电子装置相连。

开关量输出模块按输出点数分有16、32、64点，按输出方式分有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。选择的输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。对于频繁通断、低功率因数的感性负载，应采用无触点开关器件，即选用晶闸管输出（交流输出）或晶体管输出（直流输出），这样做的缺点是价格较高。继电器输出属于有触点器件，其优点是适应电压的范围大，价格便宜，但存在寿命短、响应速度较慢的缺点。

模拟量模块也包括输入模块和输出模块。

模拟量输入模块把来自于传感器等的电压、压力、流量、位移等电量或非电量转变为一定范围内的电压或电流信号，所以它分为电压型和电流型。电流型又分为0～20mA、4～20mA两种，电压型分为1～5V、-10～＋10V、0～5V等多种型号。通道有2、4、8、16个。在选用时应注意外部物理量的输入范围，模拟通道循环扫描的时间和信号的连接方式。一般来说，电流型的抗干扰能力优于电压型。模拟量输出模块能输出被控设备所需的电压或电流，它的电压型和电流型的型号与模拟量输入模块的大体相似，选用输出模块驱动执行机构时，中间有可能要增加必要的转换装置，还要注意信号的统一性和阻抗的匹配性。

3．对程序存储器容量的估算

PLC的程序存储器容量通常以字节或步为单位。用户程序所需存储器容量可以预先估算。一般情况下用户程序所需存储的字节数可按照如下经验公式来计算。

1）开关量输入/输出系统

输入：用户程序所需存储的字节数＝输入点总数×10。

输出：用户程序所需存储的字节数＝输出点总数×8。

2）模拟量输入/输出系统

每一路模拟量信号大约需要120字节的存储容量，当模拟输入和输出同时存在时，应有所需内存字节数＝模拟量路数×250。

3）定时器和计数器系统所需内存字节数＝定时器/计数器数量×2

4）含有通信接口的系统（多指PC网络系统）所需存储字节数＝通信接口个数×300

另外，根据系统控制要求的难易程度也可采用另一种方法进行估算：程序容量＝K×总输入/输出点数

对于简单控制系统来说，K＝6；若为普通系统，则K＝8；若为较复杂系统，则K＝10；若为复杂系统，则K＝12。

2.3.3 单片机控制电路设计的注意事项

当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口电流需200μA。200μA×15kΩ＝3V即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了。2.3.3.7 通信接口

通信接口有USB、RS-232/485、CAN、以太网接口等。设计接口时考虑按照模块板设计，各模块之间要独立。增加或删除某一接口时按模块取舍。

2.4 元器件的选择原则

电气原理图的设计中，会使用大量的电气控制元器件，将这些电气控制元器件按照一定要求和规范连接起来，就构成了电气原理图。但此时的电气原理图只能算是一张裸图，是无法满足客户要求的，因为还缺少一个重要的环节——进行电气控制元器件参数的标注，只有进行完元器件参数标注的电气原理图才具有使用价值。而进行电气控制元器件参数的标注就必须首先进行电气控制元器件的选型，即选用哪种规格、型号的元器件。

电路系统性能的稳定可靠与选用的元器件参数、等级、质量等密切相关。设计人员应根据产品应用环境及电路性能的要求，准确提出对元件参数的具体要求，包括标称值、精度和误差要求、稳定性要求、温度范围要求、安装尺寸及与电路性能密切相关的其他要求。因此，选型尤为重要。

2.4.1 控制电器

低压电器能够依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动改变电路的状态、参数，实现对电路或被控对象的控制、保护、测量、指示、调节。低压电器的作用有以下几点。

1．控制作用

如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。

2．保护作用

能根据设备的特点，对设备、环境及人身实行自动保护，如电动机的过热保护、电网的短路保护、漏电保护等。

3．测量作用

利用仪表及与之相适应的电器，对设备、电网或其他非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度、湿度等。

4．调节作用

低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整、房间温湿度的调节、照度的自动调节等。

5．指示作用

利用低压电器的控制、保护等功能，检测设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测、保护掉牌指示等。

6．转换作用

在用电设备之间转换或对低压电器、控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置手动与自动的转换、供电的市电与自备电的切换等。2.4.1.2 常用低压电器的主要种类和用途

常用低压电器的主要种类及用途如表2.4.1所示。当然，低压电器作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现。表2.4.1 常见的低压电器的主要种类及用途

对低压配电电器要求是灭弧能力强、分断能力好、热稳定性能好、限流准确等。对低压控制电器，则要求其动作可靠、操作频率高、寿命长并具有一定的负载能力。

2.4.2 开关器件和元件的选择

开关器件和元件是电气控制设备产品可靠性的基础之一，很多电气控制设备产品的失效是由元器件的性能和质量问题造成的。控制设备内装的开关器件和元件应符合其相关标准。

开关器件和元件的额定电压（额定绝缘电压、额定冲击耐受电压等）、额定电流、使用寿命、接通和分断能力、短路耐受强度等应适合于控制设备外形设计的特殊用途（如开启式和封闭式）。

开关器件和元件的短路耐受强度或分断能力不足以承受安装场合可能出现的应力时，应利用限流保护器件（如熔断器或断路器）对元件进行保护。为内装的开关器件选择限流保护器件时，为了照顾到协调性，应当考虑到元件制造商规定的最大允许值。

开关器件和元件的协调，如电动机启动器和短路保护器件的协调，应符合相关的标准。

在制造商标明了额定冲击耐受电压的电路中，其开关器件和元件不应产生高于该电路的额定冲击耐受电压的开关过电压。而且，也不应承受高于该电路的额定冲击耐受电压的开关过电压。在选择用于给定电路上开关的器件和元件时，应考虑后一点。

例如，额定冲击耐受电压U＝4000V，额定绝缘电压U＝250Vimpi和最大开关过电压为1200V（在230V额定工作电压时）的开关器件和元件可以用于过电压类别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的电路中，甚至用于采用了适当的过电压保护措施的Ⅳ类别的电路中。2.4.2.1 开关器件和元件的选用原则

开关器件和元件的选用要遵循下述原则：（1）根据产品要实现的功能要求和环境条件，选用相应种类、型号规格质量等级的元器件；（2）根据元器件使用时的应力情况，确定元器件的极限值，按降额设计技术选用元器件；（3）根据产品要求的可靠性等级，选用与其相适应的并通过国家质量认证合格单位生产的元器件；（4）尽量选用标准的、系列化的元器件，重要的关键件应选用军用级以上元器件；（5）对非标准的元器件要进行严格的验证，使用时要经过批准；（6）根据国家或本单位的元器件优选手册选用。2.4.2.2 器件封装结构和质量等级的选择

1．开关器件封装结构的选择

环氧树脂塑封器件为非气密性结构，易受潮气、盐雾和其他腐蚀性气体的侵蚀而失效。因此，对使用环境苛刻的产品，应当选用金属、陶瓷或低熔点玻璃封装的器件。

2．质量等级的选择

质量等级是指元器件装机使用前，在制造、检验和筛选过程中质量的控制等级。我国电子元器件分为A、B、C三个质量层次，每个质量层次包含几个质量等级，每个质量等级都有相应的质量系数。

质量等级的选择原则为：（1）对可靠性要求高的产品，优先选用通过生产线军用标准认证并已上QPL（质量认证合格产品目录）表的元器件；（2）关键件、重要件、分配可靠性高、基本失效率高的元器件应当选用质量等级高的元器件；（3）其他元器件可按其生产执行标准，参照国标中质量等级顺序选用。2.4.2.3 降额设计

1．降额设计的依据

开关器件和元件在使用或储存过程中，总存在着某种比较缓慢的物理化学变化。这种变化发展到一定程度时，会使元器件的特性退化、功能丧失，即失效了。而这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。为此，应当对元器件实行降额设计。

2．降额等级

对不同的开关器件和元件，应用在不同的场合，实行不同的降额等级：（1）Ⅰ级降额，是最大降额，应用于最关键设备；（2）Ⅱ级降额，是中等降额，应用于重要设备；（3）Ⅲ级降额，是最小降额，应用于一般设备。

3．降额注意事项

降额注意事项如下：（1）有些元器件的应力是不能降额的，如电子管的灯丝电压、继电器线圈的吸合电流；（2）有些元器件应力的降额是有限度的，如薄膜电阻器的功率减到10％以下时，二极管的反向电压减到60％以下时，失效率将不再下降；（3）有些电容器的降额可能发生低电平失效，即当电容器两端电压过低时呈现开路失效。

4．降额系数

降额系数是依靠试验数据和使用的环境来确定的。确定降额系数的方法如下：（1）数学模型及基本失效率与温度、降额系数之间的关系曲线；（2）降额曲线给出了为保证元器件可靠工作所选择的降额系数与温度之间的函数关系，当在该降额曲线上工作的半导体结温达到其最高结温时，其失效率仍然较高；（3）应用降额图，即在降额曲线的下方，通过试验找到一条半导体结温较低的降额曲线；（4）各种元器件的降额系数参见国家标准。

2.4.3 开关器件和元件参数的选择

1．接通和分断能力

电器在有关产品标准规定的条件下应能接通和分断负载和过载电流而不发生故障，接通和分断所要求的使用类别和操作次数应在有关产品标准中规定。

2．操作性能

与电器操作性能有关的试验是用来验证电器在对应于规定使用类别的条件下能够接通、承载和分断其主电路的电流而不发生故障的试验。

操作性能的特殊要求和试验条件应在有关产品标准中规定，并可涉及以下两点。（1）空载操作性能是在控制电路通电而主电路不通电的条件下进行试验的，目的是验证电器的闭合和断开操作符合控制回路规定的外施电压和/或气压的上限和下限的操作条件。（2）有载操作性能是验证电器接通和分断对应于有关产品标准规定的使用类别下的电流和操作次数。

如果相关产品标准有规定，则有载和空载操作性能验证可组合在同一顺序试验中进行。

3．寿命

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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