【文章內(nèi)容簡介】 有標準化、系列化、通用化程度高等技術(shù)優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代機械裝備傳動與控制的重要技術(shù)手段及關(guān)鍵技術(shù)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎囊括了國民經(jīng)濟各個部門和領(lǐng)域，應(yīng)用液壓技術(shù)的程度已成為衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標志之一。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 10 頁 共 104 頁第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 設(shè)計依據(jù)軟件設(shè)計體現(xiàn)在怎樣去控制所要控制的對象，怎樣把整個控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。硬件的設(shè)計則能體現(xiàn)出整個控制系統(tǒng)的流程。硬件設(shè)計是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，軟件設(shè)計是硬件設(shè)計功能的集中體現(xiàn)。在本章主要是硬件設(shè)計及器件選擇。經(jīng)過對系統(tǒng)的功能要求和性能指標的分析，把整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為兩個模塊來完成：（1）.主電路圖設(shè)計；（2）.系統(tǒng)控制圖設(shè)計。根據(jù)前面已經(jīng)確定了的方案來設(shè)計相關(guān)的硬件圖。硬件設(shè)計之前，要考慮到供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)的設(shè)定直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性，故在設(shè)計硬件時是要據(jù)以下幾方面來設(shè)計：；，應(yīng)不破壞控制器的程序和數(shù)據(jù)；，要考慮供電電源的冗余；，應(yīng)不影響控制器的供電；綜合以上幾方面的考慮，可以把供電線路設(shè)計如下：供電直接采用市電網(wǎng)提供的 380V/AC 50HZ；配電方面主要是給 14 臺鼠籠式異步電動機、液壓系統(tǒng)中的加熱器和控制系統(tǒng)中 PLC 的電源模塊、輸入輸出模塊的電能分配，所用的 PLC 需要的電壓既有交流又有直流，交流電壓可以用照明電來供給，而直流電流則由電源模塊來供給。變頻器則是 380V 的三相交流電源來供給，電動機用的電也是380V 的三相交流電。在整個供電系統(tǒng)中采取了很多的保護環(huán)節(jié)，如：熔斷器，熱繼電器、斷路器等等。主電路設(shè)計中，給 PLC 供電時，要注意應(yīng)該對電的質(zhì)量進行控制。主電路設(shè)計主要是選擇電機，計算和選擇導(dǎo)線，斷路器，接觸器等裝置的參數(shù)和型號。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 11 頁 共 104 頁 主電路設(shè)計主電路圖反映了現(xiàn)場設(shè)備的布置情況、接線原理以及相關(guān)的保護裝置，是系統(tǒng)硬件設(shè)計中必不可少的部分。從圖中可體現(xiàn)出對電器接線圖的畫法標準，同時也體現(xiàn)了變頻器的接線方式、系統(tǒng)的控制流程。設(shè)計主電路圖時，不但要求接線合理，而且要求對用到的每個器件進行選型。 （1）電器總配線主電路圖如下圖 （1）所示： 該電路圖中有四臺電機，M1 為油泵電機，拖動主軸旋轉(zhuǎn)； M2 為液壓站冷卻電機；M3 為小車移動電機；M4 為皮帶運輸機；5R 為油加熱器；5S 為小車抱閘出。三相交流電源通過刀開關(guān) QS 將電源引入， FR 分別為主電機油泵電機 M1 的過載保護。FUFUFU3 為 M1 電動機的短路保護；FUFUFU6 為電動機 MMM4 的短路保護；電動機 MMM4 由于容量很小且小車快速移動電機 M3 短時工作，故不用設(shè)置過載保護。使用變頻器來控制電機的啟動，停止，加速，減速及故障停車；由于變頻器有過流保護，過載保護，欠壓保護等，因此在電路中不需要再單獨加入這些保護裝置；通過電流互感器 TA 接入電流表 A1A6 以監(jiān)視各電動機繞組的電流。圖 （1）電器總配線主電路圖a) 油泵電機 M1 為整個控制系統(tǒng)提供潤滑油之用。其控制方式可以有“自動”和“手動”兩種，在“自動” 方式下，將在各控制過程運行時自動地為其提供潤滑油；在“手動”方式下，則主要用于檢查油泵的工作情況或潤滑油的質(zhì)量。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 12 頁 共 104 頁b) 小車移動電機 M4: 由變頻器 UF 控制，變頻器的通電和斷電由空氣斷路器控制 QF6和接觸器 KM5 控制，前進、后退的轉(zhuǎn)速大小由電位器直接控制，正、反轉(zhuǎn)及點動則由 PLC 控制。c) 夾具的動作不需要調(diào)速，故不通過變頻器來控制，而由 PLC 控制。（2）陽極小車總配電圖如下圖 （2）所示： 圖 （2）陽極小車總配電圖（3）軌道電機控制主電路圖下圖 （3）所示：蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 13 頁 共 104 頁 圖 （3）軌道電機控制主電路圖以上電路圖中設(shè)計的短路、過載保護雖然都是電流型保護，但由于故障電流、動作值、保護特性、保護要求以及使用元件不同，故它們之間是不能互相取代的。 導(dǎo)線、電纜及元器件選型 導(dǎo)線和電纜 導(dǎo)線和電纜的選擇是供配電設(shè)計中的重要內(nèi)容之一。導(dǎo)線和電纜是分配電能的主要器件，選擇的合理與否，直接影響到有色金屬的消耗量與線路投資，以及電力網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。選擇導(dǎo)線和電纜以前應(yīng)貫徹以鋁代銅的技術(shù)政策，盡量采用鋁心導(dǎo)線，目前提倡采用銅線，以減少損耗、節(jié)約電能，而在易爆炸、腐蝕嚴重的場所，以及用于移動設(shè)備、檢測儀表、配電盤的二次接線等，必須采用銅線。導(dǎo)線和電纜的選擇，必須滿足用電設(shè)備對供電安全可靠和電能質(zhì)量的要求，盡量節(jié)省投資，降低年運行費，布局合理，維修方便。導(dǎo)線和電纜的選擇包括兩個方面內(nèi)容：①型號選擇；②截面選擇。：建筑物或車間內(nèi)采用的配電線路及從電桿上引進戶內(nèi)的線路多為絕緣導(dǎo)線。絕緣導(dǎo)線的線芯材料有鋁芯和銅芯兩種。鑒于塑料絕緣的絕緣性能良好，價格低，可節(jié)約橡膠和棉紗，在室內(nèi)敷設(shè)可取代橡膠絕緣線，所以選擇了塑料絕緣導(dǎo)線。常用塑料絕緣線型號有：BLV（BV） ，BLVV（BVV） ，BVR。這里選用 BV 型。：蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 14 頁 共 104 頁 按允許載流量選擇導(dǎo)線和電纜截面：在導(dǎo)線和電纜（包括母線）通過正常最大負荷電流（即計算電流）時，其發(fā)熱溫度不應(yīng)該超過正常運行時的最高允許溫度，以防止導(dǎo)線或電纜因過熱而引起絕緣損壞或老化。這就要求通過導(dǎo)線或電纜的最大負荷電流不應(yīng)大于其允許載流量。： 本設(shè)計在配電部分采用 BV 型銅心塑料線穿鋼管埋地敷設(shè)，假設(shè)當?shù)氐淖顭嵩缕骄鶜鉁貫?15 度。① 油泵電機：線路中電流的計算：PC=Pe/k=15KW/=IC=Pe/3UNCOSφ=相線截面的選擇：因為是三相四線制線路，所以查 4 根單芯線穿鋼管的參數(shù)，查下表得，4 根單芯線穿鋼管敷設(shè)的每相芯線截面為 16mm178。的 BV 型導(dǎo)線，在環(huán)境溫度為 25 度時的允許流量為65A，其正常最高允許溫度為 65 度，即 Ial=65A。39。?????導(dǎo)線額定負荷時的最高允許溫度 65 度l導(dǎo)線允許載流量所采用的環(huán)境溫度 25 度o導(dǎo)線敷設(shè)地點實際的環(huán)境溫度 15 度39。? 導(dǎo)線的實際允許載流量為： ???180。 所以選擇 滿足允許載流量的要求。mS??保護線 的選擇：PE按 ??216PEmS?所以選擇的導(dǎo)線 BV500316110。② 液壓站冷卻電機、小車移動電機、皮帶運輸機、油加熱器由于這些設(shè)備的功率和驅(qū)動電流很小，所計算出來的計算電流也很?。ù蠹s都是在 3A 左右） 。故選擇的導(dǎo)線型號均為：5 根:BV500341③ 配電總線的型號選擇線路中電流的計算：蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 15 頁 共 104 頁Ic 大約=29A+4+=因為是三相四線制線路，所以查 4 根單芯線穿鋼管的參數(shù)，查下表得，4 根單芯線穿鋼管敷設(shè)的每相芯線截面為 25mm178。的 BV 型導(dǎo)線，在環(huán)境溫度為 25 度時的允許流量為 85A，其正常最高允許溫度為 65 度，即 Ial=85A。所以選擇的導(dǎo)線 BV500325116。 斷路器斷路器俗稱自動開關(guān)，兼有短路、過載和欠電壓保護等功能，這種開關(guān)能在線路發(fā)生故障時快速地自動切斷電源。它是低壓配電重要保護元件之一，常作低壓配電盤的總電源開關(guān)及電動機、變壓器的合閘開關(guān)。對熔斷器，在發(fā)生短路時，很可能造成一相熔斷器熔斷，造成單相運行，但對于斷路器，只要發(fā)生短路就會自動跳閘，將三相電源同時切斷，故可減少電動機斷相運行的隱患。本設(shè)計用的是低壓斷路器，低壓斷路器是指用于交流電壓 1200V、直流電壓1500V 及以下電壓范圍的斷路器，是低壓配電系統(tǒng)中的主要配電電器元件。 低壓斷路器主要用于保護交、直流低壓電網(wǎng)內(nèi)用電設(shè)備和線路，使之免受過電流、短路、欠電壓等不正常情況的危害，同時也可用于不頻繁起動的電動機操作或轉(zhuǎn)換電路。Ⅰ.低壓斷路器結(jié)構(gòu)低壓斷路器主要由觸點、操作機構(gòu)、脫扣器、滅弧裝置等組成。操作機構(gòu)有直接手柄操作、杠桿操作、電磁鐵操作、電動機驅(qū)動四種。脫扣器又分為電磁脫扣器，熱脫扣器，復(fù)式脫扣器、欠壓脫扣器、分勵脫扣器等五種。Ⅱ.低壓斷路器型號及含義如下圖 （1）所示：D低壓斷路器W—萬能式WX—萬能式限流型Z — 塑料外殼式ZX—塑料外殼式限流型ZL—漏電斷路器極數(shù)額定電流（A）設(shè)計代號圖 （1） 低壓斷路器型號及含義DZ15L 系列漏電保護開關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)如下表所示：額定電壓（V） 380額定頻率（Hz） 50～60派生代號：L—漏電蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 16 頁 共 104 頁額定頻率（Hz） 40極數(shù) 3過電流脫扣器額定電流（mA） 40額定漏電動作電流（mA） 50額定漏電不動作電流（mA） 25額定漏電動作時間（s） ＜DZ15L 系列漏電保護斷路器適于在交流 380V 及以下、頻率為 50Hz、額定電流為63A 及以下的電路中作漏電保護之用。當有人觸電或回路泄漏電流超過規(guī)定值時，漏電保護斷路器能在 內(nèi)自動切斷電源，保障人身安全和防止發(fā)生因泄漏電流造成的事故。同時可用來保護線路和電動機的過載及短路，也可作為線路的不頻繁轉(zhuǎn)換及電動機的不頻繁起動之用斷路器圖形符號如下圖 （2）所示： 圖 （2） 斷路器圖形符號Ⅲ.低壓斷路器選用原則低壓斷路器的選用應(yīng)根據(jù)線路及電氣設(shè)備的額定電流及對保護的要求來選擇適合的類型。1. 若額定電流較?。?00A 以下） ，短路電流不太大，可選用塑料殼式斷路器；2. 若短路電流相當大的支路，則應(yīng)選用限流式斷路器；3. 若額定電流很大，或需要選擇型斷路器時，則應(yīng)選擇萬能式斷路器；4. 若有漏電電流保護要求時，應(yīng)選用帶漏電保護功能的斷路器等；，應(yīng)選用直流快速斷路器。Ⅳ.在選擇之前要進行一些負荷計算計算負荷是按發(fā)熱條件選擇供配電系統(tǒng)元件而需要計算的負荷功率和負荷電流，是用來代替實際變動負荷的一種假想負荷。計算負荷的確定方法有“需要系數(shù)法” 、 “二項式法” 、 “ABC 法”等，計算結(jié)果比較相近。本設(shè)計計算采用 “ 需要系數(shù)法 ”。1. 用電設(shè)備容量及單臺計算負荷的確定：(1) 設(shè)備的設(shè)備容量 PS： 指在長期工作制下的電動機的設(shè)備容量,是指其銘牌上的額定功率 PN(2) 成組用電設(shè)備的設(shè)備容量 PSΣ=ΣP SI(3) 照明設(shè)備容量 PS=AW (A 建筑物面積 W 單位容量)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 17 頁 共 104 頁(4) 單臺用電設(shè)備的計算負荷 Pjs1=ps (對于不計及效率的單臺用電設(shè)備) 對于需要計及效率（η）的單臺用電設(shè)備，P js1=ps/η。2. 用電設(shè)備計算負荷的確定 求出各用電設(shè)備的設(shè)備容量后,就可以按需要系數(shù)表上的分類方法詳細分成若干個組,進行用電設(shè)備組的負荷計算。用電設(shè)備組的計算負荷的計算公式如下： 有功計算負荷： Pjs2=kxΣP js1 (kx 為需要系數(shù)，一般為 ) 無功計算負荷： Qjs2=P js2tg∮ (tg∮ 為功率因素角的正切值) 視在計算負荷： Sjs2= 22js+j注：三相線路中單相設(shè)備的總?cè)萘坎怀^總?cè)萘康?15%時，單相設(shè)備可按三相負荷平衡計算。3. 尖峰電流的計算：尖峰電流是指由電動機啟動、電壓波動等原因引起的單臺或多臺用電設(shè)備持續(xù)1s~2s 的短時最大負荷電流。它與計算電流不同，它比計算電流大得多。計算尖峰電流的目的是選擇熔斷器、整定低壓斷路器、繼電保護裝置、計算電壓波動及檢驗電動機自起動條件等。尖峰電流就是用電設(shè)備的起動電流。尖峰電流的計算公式為： Ijf=KIN 其中：I N ——額定電流 K——起動電流系數(shù)（鼠籠型電動機取 6~7 ，繞線式電動機取 2~，直流電動機取 。 ）4. 本設(shè)計的負荷計算過程如下：① 油泵電機 Pc= kdPe =╳15= 12 kWQc= Pctgφ=12╳= 9 kWSc=Pc/cosφ=12/= 15kVAIc=Sc/ UN=15/╳ = 尖峰電流的計算：(其中 IN=)Ipk=Ist=KstIN=7╳= ② 液壓站冷卻電機Pc= kdPe =╳= kWQc= Pctgφ=╳= kWSc=Pc/cosφ=Ic=Sc/ UN=╳ = 尖峰電流的計算：(其中 IN= A)Ipk=Ist=KstIN=7╳= 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書第 18 頁 共 104 頁③ 油加熱器Pc=Pe=2 kWQc= 0④ PLC ?⑤ 皮帶運輸機Pc= kdPe =╳= kWQc= Pctgφ=╳= kWSc=Pc/cosφ=Ic=Sc/ UN=╳ = 尖峰電流的計算：(其中 IN= A)Ipk=Ist=KstIN=7╳= ⑥ 小車移動電機Pc= kdPe = ╳= 6 kWQc= Pctgφ=6╳= kWSc=Pc/cosφ=Ic=Sc/ UN=╳