穩定、成熟、安全的電氣自動化系統是企業進行生產以及深度管理的物質基礎。一套完整的工作設計流程對一家氣化公司至關重要。本文通過對汽車輪轂輸送線的電氣設計流程和細節進行剖析和總結，對電氣控制系統的元件選型進行詳細分析，對電氣原理圖和可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）程序的設計進行了簡單闡述，對現場安裝接線和調試進行了簡單總結。

1 工作流程

圖1所示為完整的汽車輪轂輸送系統，其控制要求如下：

• 1）總系統分部。包括送料線、升降機、出料線。
• 2）控制面板。包括蜂鳴1個，急停1個、總電源按扭1個加白色指示燈、啟動按扭、停止按扭、三色報警燈。
• 3）動作說明：①當起動時且傳感器1至傳感器4沒有檢測到物料時，電動機1至電動機4聯動；②當且傳感器4檢測到物料時，電動機4（升降機處上位），載料等待，電動機3運行至傳感器2檢測到時才停止，電動機1和電動機2接收傳感器1信號停止；③ 傳感器5檢測到物料，電動機5運行5～12s再停止；④ 電動機6一直保持常動。

下面將整個汽車輪轂輸送線電氣設計流程進行詳細說明。

2 電氣件選型

1）PLC

一般來說西門子、三菱、AB、歐姆龍是企業的首選品牌，幾大品牌的相關產品在大型、中型、小型的各個應用層面占據著絕對優勢。

西門子PLC性能強大，可操作性強，通信能力強大，可以集成更多的智能模塊，有相配套的伺服系統和組態軟件。常用于大型和復雜的自動化控制。常用型號如S7-200 smart，S7-200和S7-1500等。

圖1 汽車輪轂輸送系統

三菱PLC程序直觀易懂，利于順序控制和過程控制，指令豐富，有專用的定位指令，適用于步進控制。但其通信功能比較薄弱，需要數據采集的地方應用比較少。

羅克韋爾PLC歐美應用較多，價格偏貴，具有強大的組網能力，性能穩定。羅克韋爾擁有包括CPU、擴展I/O、遠程I/O、變頻器、伺服驅動器、伺服電動機、安全繼電器以及觸摸屏等完整的工控硬件。

歐姆龍PLC軟件復雜，不易于掌握，但其硬件精制、緊湊，易于安裝和調試。

綜上所述，《自動鉆帽口滾道》項目選用三菱PLC，型號為FX3U-48MT/ES，自帶24個輸入，24個輸出。

2）低壓斷路器

作為配電系統中常用的保護設備，低壓斷路器普遍應用在配電系統中。低壓斷路器具有過電流、失壓、分斷等脫扣機構以及良好的延時特性。其選型原則如下：

• （1）型號選擇。按不同用途分為配電用、照明用、保護電動機用、晶閘管保護用以及漏電保護用。
• （2）極數選擇。根據控制、保護對象的相數，選擇四極、三極、二極、單極低壓斷路器。
• （3）額定電壓應大于或等于斷路器安裝處線路的最大工作電壓。
• （4）額定電流應大于或等于線路的計算電流。

3）按鈕、指示燈

按鈕主要包括起動、停止、復位以及選擇開關等，而指示燈則包括帶燈按鈕里的指示燈和燈柱的紅、綠、藍、黃等狀態指示燈。包括各種顏色和類型的按鈕頭、觸點模塊和觸點基座。另外，一個觸點基座上可以同時安裝幾個常開或者常閉觸點模塊。

4）傳感器

主流品牌主要有羅克韋爾、SICK、歐姆龍、施耐德、基恩士等。傳感器主要有光電傳感器、接近開關、光纖傳感器以及行程開關。

對于選型，要考慮被測物到光電傳感器的距離、被測物運動量程、被測物表面是否光滑、反光、吸光（如黑色海綿）、安裝的地方與需要檢測的檢測物的距離以及供電電壓、輸出方式、接線方式、IP等級、安裝方式、外形等因素。

5）中間繼電器

中間繼電器主要用于繼電保護與自動控制系統中。正確選用中間繼電器，一般遵循以下幾個原則：

• （1）使用的環境。根據不同的使用環境選取不同的中間繼電器，不僅可以減少發生事故的概率，還可以保證其使用功能有效發揮。
• （2）繼電器的負載特性和負載大小。一般繼電器的負載分為阻性、感性等幾種類型。負載大小即觸電接通的瞬間因為電阻過小而產生巨大的電流。
• （3）激勵電源的選擇。為了保證工作的穩定性和操作的安全性，要考慮激勵電源的選用，有效抑制工作時產生的反向電壓。

6）開關電源

開關電源主要進行升壓、降壓和交流電與直流電之間切換。在電氣控制系統中，控制電路主要使用直流24V。其輸入電壓220V和380V。實現對PLC、傳感器、中間繼電器、觸摸屏的供電。

主流品牌主要有AB、施耐德和西門子等。其選型主要根據所有負載功率的和的大小來選擇。

7）觸摸屏

主流品牌有歐姆龍、西門子、威綸（如MT8000系列）、AB（如2711P系列）等。威綸通是國內比較主流的品牌，其應用比較方便、型號眾多、編程簡單易于多種型號的PLC通信。

8）端子

端子是用于實現電氣連接的配件產品，主要廠家有Wago、菲尼克斯、德國威德米勒，國內的上海友邦和成都瑞聯等。分為普通接線端子、帶熔斷器端子、接地端子和其他特殊使用端子，具有雙層和單層之分。端子帶有固定式橋接件，用于將各個端子短接起來。端子主要依據所接電線的橫截面積來選型，且端子的橫截面大小必須大于或者等于電線的橫截面積。

9）電線和電纜

電氣主回路布線，零線的顏色為淡藍色；接地線為黃綠雙色線；交流線火線為紅色。柜內24V供電為白色，0V為藍色。布線講究橫平豎直，通過電流的大小來電線的型號。銅電線在30℃時的選型方法見表1。

表1 銅電線選型表

電纜分為直流電纜和交流電纜。主要用于將分布于車間的電動機、傳感器、開關按鈕的接線整合起來，并放置于鍍鋅線槽或者橋架內。表示方法為x（根數）×y（每根電線的橫截面積，mm2）。

10）電柜

電柜內的電氣件主要由電源、PLC、開關、繼電器、接線端子、變頻器等組成。適用于裝PLC的柜型，通常選用固定柜，且門板為整門的柜型（如KB柜），不宜選GGD柜、抽屜柜和固定分割柜。

另外，在環境比較惡劣的場合，電柜下方配有電柜基座，進、出風口可按照通風過濾器和風扇，防止現場的粉塵碎屑、水或者油漬等侵蝕電柜或者內部的電氣元件和電纜。

11）安全繼電器

安全繼電器由數個繼電器與電路組合而成，它具有強制導向接點結構，發生接點熔結現象時也能確保安全。

主要作用為：①在緊急停止解除時，機器不能出現突然再起動，而需要另外的復位按鈕來起動機器或者系統；②當機器安全電路發生故障時，可以停止機器動力電源；③安全電路發生故障時，保證機器不能再起動。

總之，安全回路將急停的觸點、安全門、安全光柵等保護器件串聯起來，作為其保護輸入回路。一旦出現緊急事故，系統立即做出反應并輸出正確信號，使裝置安全停車，以阻止危險的發生或事故的擴散。故障解除或者確認安全時，需按下復位按鈕來恢復系統動作。

對安全繼電器進行選型，必須確認機械的危險等級，只有確認了這臺機械的危險等級之后，再根據EN954-1標準，以指定安全電路設計和實施的依據類別。

12）電磁開關

主流品牌為FESTO，電磁開關都是配套于氣缸一起購買的，一般由機械組成員購買，在此不再贅述。

13）變頻器

變頻器主要是控制三相電動機的起停以及運行速度的改變，其主流品牌主要包括羅克韋爾、ABB、西門子、三菱、施耐德、LG等。國內主要包括臺達、英威騰、森蘭等。

變頻器負載類型有三種，分別為恒轉矩負載、恒功率負載和風機、水泵負載。在選型時，應以實際電動機電流值作為變頻器的選擇依據，以電動機的額定功率作為參考依據；變頻器到電動機的電纜的長度總和應該在變頻器的容許范圍內。

變頻器控制高速電動機，需用長電纜運行或需要在高環境溫度、高開關頻率、高海拔高度等特殊情況下運行，變頻器需放大一檔選擇；變頻器防護等級要與現場的情況相匹配，以防止現場的灰塵、水汽影響變頻器的長久運行。

14）機器視覺系統和工業機器人

PLC與機器人、機器視覺系統組成的控制系統在工業控制領域里面應用廣泛。視覺技術是計算機圖像處理在工業領域的應用，其對速度要求比較高?？梢苑譃橐曈X算法軟件，智能相機，機器視覺系統集成3類，在工業檢測和控制領域得到了廣泛應用。在國內應用廣泛的品牌主要有美國的康耐視、日本的基恩士以及中國的大恒、凌云等。

我國工業機器人從20世紀70年代發展開始至今，由主體、驅動系統和控制系統3個基本部分組成，其應用的數量和質量標志著企業生產自動化、智能化的先進水平。在包裝流水線具有廣泛的應用，主要進行分揀、碼垛等作業。圖2所示為完整的碼垛電氣系統結構圖。

圖2 電氣系統結構例圖

3 電氣原理圖的繪制

3.1 2D布局圖的細化

在進行電氣原理圖繪制之前要做三部分工作。

• 1）機械布局。機械工程師在2D圖上標出氣缸、電動機的安放位置、編號等，然后在旁邊列出氣缸和電動機的參數表。
• 2）電氣布局。電氣工程師2D圖上根據公司自己的標準標出傳感器、急停、三色燈等的安放位置以及編號。
• 3）橋架布局。電氣工程師在2D圖上初步標出橋架的走向。

現場2D布局圖見圖1。

3.2 原理圖繪制軟件簡介

電氣原理圖的繪制主要有兩種軟件，一個是Autocad，一個是EPLAN。Autocad軟件制定的電氣設計標準全面而且完整，圖紙可參考借鑒的范圍很大，但是卻無法滿足快速進步且信息量更多的電氣設計。EPLAN是一款專業電氣繪圖和管理軟件，可面向圖形和對象進行設計，它無論在項目的管理，還是在圖紙設計中的準確性、靈活性、高效性方面都達到較高的水平。

對于一個完整的項目圖紙，一般包括多線原理圖、標題頁、目錄、端子圖表、部件匯總表、連接列表甚至是控制柜內3D布局圖。其中各種圖表可以通過報表的形式生成。

3.3 EPLAN電氣圖紙的設計流程

• 1）表格的創建。主要包括結構標識符總覽、部件列表、電纜圖表、端子排列圖、部件匯總表等，表格的創建為自動生成報表提供基礎。
• 2）制定項目結構。主要包括制定高層代號、位置代號、用戶自定義及圖號等。
• 3）根據工藝和用戶要求繪制電氣原理圖，包括電氣件、端子和電纜定義線等的繪制。對于簡單的電氣件，直接插入符號即可。而對于比較復雜的電氣元件，既可以用黑盒來表示，也可以通過插入窗口宏來表示。
• 4）通過2D安裝板布局導航器繪制安裝板布置圖。
• 5）利用報表模板，自動生成項目報表。
• 6）將繪制的原理圖備份以及打印，也可將EPLAN圖紙轉換成PDF圖紙，便于分享和查閱。

圖3 電氣原理例圖

4 PLC程序設計

根據繪制的電氣原理圖和細化的2D布局圖，明確控制系統中輸入點的個數，如急停按鈕、起動停止按鈕、傳感器以及反饋信號等。明確輸出點的個數，如帶燈按鈕的指示燈、燈柱、電動機、氣缸等。

在程序設計過程中，要根據控制要求，構建出系統的總框架，然后按照系統功能分塊，最后對功能細化和統一。系統程序結構清晰，不僅便于程序的擴展，也利于于工程師進行調試和修改。離線編好程序后，下載至PLC硬件中，根據現場調試來逐步完善程序，防止因程序問題造成的安全問題。

5 電柜設計以及安裝接線

5.1 電柜設計

通過2D安裝板布局導航器繪制安裝板布置圖。把線槽、導軌、端子排、斷路器等電氣件放入電柜中，如圖4所示。

圖4 柜內布局圖

5.2 安裝接線

安裝接線如圖5所示，分為以下步驟：

圖5 元件安裝和現場接線

• 1）確認電氣件全部采購到位。
• 2）電工根據2D布局圖放置所有主要電氣件，先放置線槽、導軌，再放置主要電氣件在導軌上。
• 3）根據電氣原理圖現場合理布線，并且將電線置于線槽內。
• 4）確認電柜的擺放位置和方向、柜外鍍鋅線槽的擺放位置和走向。
• 5）根據電氣原理圖現場布線，將電動機和傳感器供電線路接好，并用匝線束好，套上套管，將線槽蓋蓋上。
• 6）打掃現場，進行清理工作。

5.3 PLC程序調試

程序調試如圖6所示。具體步驟如下：

• 1）電腦與PLC通信。
• 2）下載PLC程序。
• 3）監視模式下進行軟元件測試。
• 4）檢驗每個傳感器是否正常工作。
• 5）按下啟動按鈕，在線模式下一邊修改程序，一邊更新PLC程序，直至整個系統符合系統要求，并且不會產生安全事故為止。
• 6）線管套牌貼標。
• 7）調試完畢，通知客戶方進行現場驗收。
• 8）驗收完畢，工作交接。

圖6 PLC程序調試

6 結論

本文針對汽車輪轂輸送線自動控制系統這一具體項目，首次對一般氣化公司的電氣化自動控制系統的設計流程進行了全程總結，包括繪制電氣原理圖的工作要點、主要電氣件的選型、柜體布局和接線、現場接線以及現場調試工作等，對工業電氣自動化的設計實踐有實際指導作用。而嚴謹的設計方法、清醒的安全理念、配合默契的設計團隊對于縮短施工周期、降低成本、維護工作人員安全意義重大。