电气控制技术的设计技巧探讨

中铁第五勘察设计院集团有限公司 李 明

电气控制技术是应用十分广泛，包括单片机控制、计算机控制、PLC、人工智能等多种形式。由于这是一项专业性很强的工作，要想较好的完成此类工作，就需要丰富的理论基础支持，另外电气控制也通常面向设备的实际应用，故此经验也起着至关重要的作用。掌握电气控制技术的设计技巧对设计人员具有重要意义，同时在行业发展过程中也要加强对电气控制系统设计的探究，通过分析研究电气控制系统设计，优化内部性能。

目前电气控制系统广泛应用在电气工程中，通过对继电保护的自动化技术进行创新，加强其安全性以及实用性，使电气工程中的电气控制系统在日常工作中效率得到提升，以此来保证电力行业可以更快发展，从而提升城市经济的发展速度。

1 电气控制系统设计概念与设计标准

1.1 电气控制系统设计概念

电气控制系统的设计主要包括电气控制系统制造、使用和维护所需的各种数据和图纸，包括电气接线图、电气原理图、电气安装图、部件清单、设备使用说明书、维护说明书等重要图纸及其他重要资料。电气控制系统的设计有很多环节，其中对总体设计有显著影响的环节包括控制方案的确定、电机容量的选择和电气控制电路的设计。

1.2 电气控制系统设计标准

1.2.1 机械和电气设计要相互协调

机械驱动和电气控制是一种互相约束的关系：某一特定情况下各零件的尺寸是影响其运转的主要因素，零件的品质对整个设备的运行有很大的作用。这两样东西都是必须的。在使用机电一体化控制的过程中，应根据控制要求、工艺要求和工艺过程来决定机电的相互联系；针对不同的生产设备和制造技术，对电力控制的需求也越来越大。电力控制是一个生产厂家的关键设备，它的好坏影响着产品的质量和成本，也是一家公司的一个重要指标。为确保生产设备及生产过程的安全，必须对电力系统进行合理的设计。

1.2.2 提出系统的设计方案

根据控制系统的构成，并根据现场的具体条件，选择PLC 为控制器、HMI 接口，并完成了相关的软体和软体的设计，并对该系统进行了试验和评价。在满足控制需求的基础上，通过对其进行优化、调整，达到指标高、质量高、速度快的自动操作；确保控制系统安全高效地工作[1]。

2 电气控制系统主要设计内容与一般流程

电气控制系统的设计主要包括原理设计和工艺设计两部分。以电气传动控制设备为例，主要设计内容如下。

2.1 电气控制系统主要设计内容

电气控制系统原理设计主要内容：制定电子电路的设计计划；选用适当的电动机和电动机；画出电控系统的设计图纸和技术指标；选取适当的电子组件并设定组件清单；确认线路的连接情况；画出线路方块图；装置的装配和调试；对电器的操作进行确认；做好保安工作；对所使用的仪器进行常规的检验和维护；编写图纸和计算。在设计过程中电路板是关键的一步，是进行过程的必要技术数据。

电气控制系统工艺设计主要内容：工艺设计主要是为了便于组织电气控制系统的制造，以实现原理设计中提出的技术指标，并为设备的调试、维护和使用提供相关图纸，主要内容包括：设计总安装图、电气总布置图、总接线图；设计部件布置图、安装图和接线图；设计电气箱、控制台和非标准部件；列出组件；准备操作和维护说明。

2.2 电气控制系统设计一般流程

2.2.1 拟定电气控制系统设计方案

设计方案不仅是整个电气控制系统的设计依据，也是设备竣工验收的依据。设计任务的制定一般由技术领导部门、设备使用部门和任务设计部门来完成：设备名称、功能、整体结构、操作要求及工艺介绍；电气驱动方式以及自身控制要求等；联锁及保护要求；设备验收标准；其他需求。

2.2.2 落实电力拖动方案

电力拖动方案是指根据加工精度、生产机械结构，加工效率要求、确定电机的型号、传动方式，数量、转向、运行、制定电机启动、调速、制动等控制要求，运动要求、运动部件数量、负载性质、调速要求和投资。电力拖动方案的确定应从以下层面考虑。

2.2.2.1 拖动方式的选择

有单独驱动和集中驱动两种。多台电动机的动力牵引，可减小机械式的传动链条、增加传动效能，使整个系统结构更加简单。该系统已达到自动操作，在国内有着很好的应用前景。在特定的选择中，根据技术和构造来确定电动机的数目；选择调速方案。在大型、重型设备的主动送料时，尽量使用无级变速控制，有利于简化机构的构造、节约生产费用。一般、微型的若无特别需求，可选用经济便利的三相笼式高效电机[2]。

2.2.2.2 电动机调速性能要匹配负载特性

对于恒定负荷，选用电动机的速度调节方式，使之适应于生产设备的负荷特点，使之得到全面、合理的使用。在满足设计需求时应该选用结构较小、造价较低的产品；三相交流异步电动机方便操作和维护，电机的选配应根据电机的选用而定；电机容量计算一种是解析计算法、一种是统计类比法。分析计算方法是根据机械功率估算电机的工况预选电机，然后根据电机的实际负载情况制作负载图，根据负载图检查温升，确定预选电机是否合适。如果没有则重新选择，直到电机合适为止。在相对简单、无特殊要求、生产量小的电气传动系统中，通常根据经验采用统计类比法或工程估算法选择电机容量。一般选择容量稍大一些的等级并保留一定的余量，避免异常情况下电机过载。

2.2.2.3 选择控制模式

该系统的控制模式应与牵引计划的控制需求相一致。根据设备特点及现场条件，决定了其控制模式。控制模式和装置的种类有很大关系，采用的方法也会有很大的差别。所以选择合适的、合理的控制方法是确保产品的品质的关键。在电子技术发展的今天，机械电子驱动从传统的继电器-触点控制逐渐发展为CNC 控制、PLC 控制和微机联网控制，不同的控制方法具有各自的特性、使用情况和技术需求；绘制电子电路电路板和各个部件的主要部件的型号和数目，并提供相关的设备；电力装置的图纸；编制一份产品的设计手册和操作指南。

3 电气控制技术的设计

3.1 电气控制技术设计难点

电气控制技术通过设计小型电气控制设备从而实现对大型机械的控制，确保生产工作的集中、高效和稳定，设计中应考虑的因素有：目标生产过程的安全性、稳定性和质量要求；各单位之间灵活密切的合作；紧急停电等突发故障的控制措施；远程、无线稳定控制等。在此工作需求下电气控制设计的难点主要体现如下。

3.1.1 积累丰富的工作经验

车间生产的电气控制设计不同于传统的软件逻辑设计，它的应用环境非常复杂，需考虑很多因素。然而在设计过程中易出现针对性不足的情况，这不能保证电气控制设计能完美地适应生产环境。同时电气控制系统涉及面积较广、设备较多，对于较为复杂的系统，电力系统中各设备装置间也有着较为密切的联系，如某一节点发生问题就可能会导致系统性的影响，从而对整个电力系统在生产工作过程中会产生较大故障因素。因此较多企业在电力控制系统设计中应设置继电的保护装置，可利用继电保护装置对其实时进行保护，避免在电力使用过程中出现安全事故，有效降低事故发生后的影响。

3.1.2 综合度高

电力工程中的继电保护设备，是利用传感器对电力设备的运行状态进行实时监测，并将所获得的数据进行收集和处理。在此基础上根据自己的经验和有关的理论知识制订出一套实用的维修计划，以保证电网的安全、稳定运行；很实用。通过对电力系统特殊运行状态的监测，实现对电力系统的保护、动态监测和校正。除掌握电气控制的基本逻辑和继电保护的基本原理外，还需对系统应用场景有充分的了解，以确保电气控制设计的实际应用价值[3]。

3.2 电气控制技术的设计方法

电控设计方法主要包括经验设计和逻辑设计。不同于一般分类，在电气控制设计中经验设计和逻辑设计是互补的，而不是完全分离的两个独立的设计过程。

3.2.1 逻辑设计

是一种基于程序语言的电气控制系统设计方法，电气控制系统的功能大多是通过逻辑设计的方式来实现的。经验设计对电气控制功能的划分给出了指导和建议，但在日益复杂的生产背景下，传统的导线控制方式显然无法实现大多数功能的方便稳定控制。因此逻辑设计方法作为经验设计的缺陷补充和功能实现手段应运而生。常用的逻辑设计模式有多条件独立分支控制设计及多条件全分支控制设计。无论何种模式都通过逻辑概念对复杂生产条件下的控制电路进行优化，以最简单的电路实现生产设备的稳定运行。

3.2.2 经验设计

就是根据现有的生产经验对电气控制系统的功能模块进行规划设计，并通过一定的手段在软件系统和控制设备中实现。在实际工作中的表现主要是将复杂的电路系统划分为不同的功能模块，从而简化结构设计，保证电气控制设计的便捷性和准确性。一般在经验设计理念的指导下，电气控制设计将按启动、联锁、关机、顺序、自锁、保护以及延时控制等多个功能模块进行，对电控设计具有指导作用，对电控设计的集成化具有重要意义。

3.3 电气控制技术的设计技巧

3.3.1 逻辑设计方法的技巧和应用

逻辑设计方法的技能比经验设计方法更专业。因其是对经过经验设计优化的电路进行逻辑分析、剔除不必要的电路和开关设计，所以设计者须掌握电路控制的基本原理。同时在设计过程中还需进行逻辑论证，以保证简化后的电路与原电路功能的一致性。虽然实现逻辑设计的技巧是复杂的，但没有逻辑设计电气控制电路通常会过于复杂、安装困难，且会浪费大量的资源。

逻辑设计技能也可根据逻辑设计分为两类：对于多条件的独立分支控制该技术的实现相对简单，由于采用了面向单电路的结构，可直接对各个节点进行功能分析，并可将相似的节点组合起来，简化控制电路；对于多条件全支路控制设计，其基本思想与单个支路控制相似，但由于涉及的接触数量过多，常采用状态表的手段进行辅助分析，线路断开或运行用两个数字0或1表示，从而实现相同功能触点的快速组合，保证控制电路设计最简单[4]。

3.3.2 经验设计方法的技巧和应用

经验式设计技能是指在电控设计中积累的针对不同生产环境和问题的解决方法。如，在设计过程中对电气元件的选择和动力电缆的规格选择等。通常电机设备铭牌上都会标明电机的额定功率和额定电流值，通过查询电气厂家样本相关的元器件型号就可确定适合的规格型号；如在设计初期电机设备还没有采购的情况下，也可参考电气设备厂家样本查看同功率设备的额定电流值，从而完成电气元件的选型设计。电缆规格的选型和工作经验更加密不可分，因需考虑很多因素，如电缆的使用环境、敷设方式、电缆载流量、敷设的距离等，如电缆是室外埋地敷设就要选择铠装电缆；如是用于消防就要选择耐火型电缆。所以电缆选型时要尽量选稍大一级的规格，避免在使用过程中发热严重损坏绝缘层。

总之，电气控制设计不仅是一项理论支撑性很强的工作，且对实践经验的要求也很高。应重视、学习和灵活运用电气控制设计技巧，在充分接受前人积累的基础上，提高电气控制设计的效率和功能完善，确保生产设备稳定、安全运行。因此，必须对电气控制系统设计进行合理规划，优化运行效率，以确保电气控制系统在应用过程中发挥自身的价值，为电气工程长远发展夯实基础。