火焰切割机的电气设计（二）
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simatic s7-300是一种通用型plc，能适合自动化工程中的各种应用场合，尤其是在生产制造工程中的应用。模块化、无排风扇结构、易于实现分布式的配置、以及用户易于掌握等特点，使得s7-300在以下工业部门中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案：
l 生产制造工程
l 汽车工业
l 通用机械制造
l 专用机械制造
l 各种类型的专用机床oem
l 塑料加工
l 包装工业
l 食品和饮料工业
l 工艺过程工程（例如，供水、排水、建筑服务设施等）
s7-300具有以下显著特点：
l 循环周期短、处理速度高
l 指令集功能强大、可用于空间有限的场合
l 模块化结构、适合密集安装
l 有不同档次的cpu、各种各样的功能模块和i/o模块可供选择
l 100%免维护
l 已检定合格的、可在恶劣气候条件下露天使用的模块类型
s7-300是由各种模块部件所组成，各模块能以各种不同方式组合在一起。这表明可将控制系统设计成完全符合应用的需要。
除了模块之外，用户其他所需要的就是一种din标准导轨。各模块安装在导轨上，并用螺丝固定。这种结构形式既可靠又电磁兼容。
背板总线集成在各模块上，通过将总线连接器插在模块机壳的背后，使背板总线联成一体。最多8个模板可一起装在一个机架上（中央控制器/扩展单元）。
图 4.2 多机架的s7-300plc
4.3 plc模块简介
（1）cpu模块
cpu模块主要由微处理器（cpu芯片）和存储器组成。在plc控制系统中，cpu模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。s7-300/400将cpu模块简称为cpu。
（2）信号模块
输入（input）模块和输出（output）模块简称为i/o模块，开关量输入、输出模块简称为di模块和do模块，模拟量输入、输出模块简称为ai模块和ao模块，它们统称为信号模块。信号模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和cpu模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电动机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。
开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。
cpu模块内部的工作电压一般是dc 5v，而plc的输入/输出信号电压一般较高，例如dc 24v或ac 220v。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏cpu模块的元器件，或使plc不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离plc的内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。
（3）功能模块
为了增强plc的功能，扩大其应用领域，减轻cpu的负担，plc厂家开发了各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。
（4）接口模块
cpu模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。
（5）通信处理器
通信处理器用语plc之间、plc与远程i/o之间、plc与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将plc接入mpi、profibus-dp、as-i和工业以太网，或者用于实现点对点通信等。cpu模块集成有mpi通信接口，有的还集成了其他通信接口。
（6）电源模块
plc一般使用ac 220v电源或dc 24v电源，电源模块用于将输入电压转换为dc 24v电压和背板总线上的dc 5v电压，供其他模块使用。
（7）编程设备
s7-300/400使用安装了编程软件step 7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到plc，也可以将plc中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程和传送。编程软件还具有对网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。
4.4 电源模块的选择
ps307电源模块（5a）具有以下显著特性：
l 输出电流5a
l 输出电压24vdc；防短路和开路保护
l 连接单相交流系统（输入电压120/230vac，50/60hz）
l 可靠的隔离特性，符合en 60 950
l 可用作负载电源
图 4.3 ps307电源模块（5a）的接线图
表 4-1 ps307（5a）技术特性表
4．5 数字量输入模块的选择
表4-2数字量输入模块特性
sm 321；di 32×24 vdc数字量输入模块具有以下显著特性：
l 32个输入点，带隔离，16点为一组
l 额定输入电压24 vdc
l 适用于开关和2/3/4线bero（接近开关）
4．6 数字量输出模块的选择
表4-3数字量输出模块特性
数字量输出模块sm322；do 32×24 vdc/0.5a（6es7 322-1bl00-0aa0）具有以下显著特性：
l 32个输出点，带隔离，8点为一组
l 0.5a输出电流
l 24vdc额定负载电压
l 适用于电磁阀、直流接触器和指示灯
4．7 数字量输入输出模块的选择
表4-4数字量输入输出模块特性
数字量输入/输出模块sm 323；di8/do8×24vdc/0.5a（6es7 323-1bh×1-0aa0）具有以下显著特性：
l 8个输入点，带隔离，8点为一组
l 8个输出点，带隔离，8点为一组
l 额定输入电压24vdc
l 额定负载电压24vdc
l 输入适用于开关和2/3/4线接近开关（bero）
l 适用于电磁阀、直流接触器和指示灯
4．8 接口模块的选择
表4-5 接口模块的特性
（1）接口模板im 360具有以下特性
l 用于s7-300机架0的接口
l 通过连接电缆368将数据从im360传送到im361
l im360与im361之间的最大距离为10米。
（2）接口模板im361具有以下特性
l 24vdc电源
l 用作s7-300机架1到机架3的接口
l 通过s7-300背板总线的最大电流输出为0.8a
l 通过368连接电缆将数据从im360传送到im361或从im361传送到im361
l im360和im361之间的最大长度为10米
l im361和im361之间的最大长度为10米
5 低压电气元件的选择
5．1 选择原则
电器元件选择的基本原则如下：
（1） 按对电器元件的功能要求确定电器元件的类型。
（2） 确定电器元件承载能力的临界值及使用寿命。根据电器控制的电压、电流及功率的大小确定电器元件的规格。
（3） 确定电器元件预期的工作环境及供应情况，如防油、防尘、防水、防爆及货源情况。
（4） 确定电器元件在应用中所要求的可靠性进行选择。
（5） 确定电器元件的使用类型。
5．2 按钮的选择
按钮主要根据所需要的触点数、使用场合、颜色标注以及额定电压、额定电流进行选择。
按钮颜色及其含义。国标gb5226-85《机床电气设备通用技术条件》对按钮的颜色做了如下规定。
（1）“停止”和急停按钮必须是红色。当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。
（2）“启动”按钮的颜色是绿色。
（3）“启动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色，不得用红色和绿色。
（4）点动按钮必须是黑色。
（5）复位按钮（如保护继电器的复位按钮）必须是蓝色。当复位按钮还有停止的作用时，则必须是红色。
5．3 限位开关的选择
当生产机械运动速度不是太快时，通常选用一般用途的行程开关；而当生产机械行程通过的路径不宜装设直动式行程开关时，应选用凸轮轴转动式的行程开关；而在工作效率很高、对可靠性及精度要求也很高时，应选用接近开关。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节。接近开关具有使用寿命长、工作可靠、重复定位精度高、无机械磨损、无火花、无噪音、抗振能力强等特点。
行程开关分pnp和npn两种
pnp输出行程开关一般应用在plc或计算机作为控制指令较多，npn输出行程开关用于控制直流继电器较多，在实际应用中要根据控制电路的特性进行选择其输出形式。
现选择如下：
夹紧臂张开位行程开关（原位、pnp二线制）
切枪限位接近开关（终位、pnp二线制）
小车行程开关（原位、前位、pnp二线制）
5．4 交流接触器的选择
接触器分交流与直流两种。应用最多的是交流接触器。
当线圈通电后，线圈中因有电流通过而产生磁场，静铁心在电磁力的作用下，克服弹簧的反作用力，将动铁心吸合，从而使动、静触头接触，主电路接通；而当线圈断电时，静铁心的电磁吸力消失，动铁心在弹簧的反作用力下复位，从而使动触头与静触头分离，切断主电路。
选择时主要考虑主触点的额定电压与额定电流、辅助电流触点的数量、吸引线圈的电压等级、使用类别、操作频率等。选择交流接触器，其主触点的额定电流应等于或大于负载或电动机的额定电流。
式中
—接触器的额定电压；
—负载的额定线电压；
—接触器的额定电流；
—接触器主触点电流；
—电动机功率；
—电动机额定线电压；
k—经验常数，k=1～1.4。
故选施耐德 交流接触器
lc1-d0910n5c 9a 220v
n5—电压编号 c—合资产品
5．5 继电器的选择
继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式），从而通过其触头或突变量促使在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、联锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。
被转化或施加于继电器的电量或非电量称为检点器的激励量（输入量），当继电器被激励，从一个起始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性，包括吸合、不吸合、保持与释放状态。施加于继电器的激励量或高于它的吸合值或低于它的释放值，可以是电量如交流或直流电的电流、电压等，也可以是非电量如位置、时间、温度、速度、压力等。当输入量变化到高于它的吸合值或低于它的释放值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触头式继电器其输出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。
继电器的用途很多，一般可以归纳如下：
（1） 输入与输出电路之间和隔离；
（2） 信号转换（从断开到接通）；
（3） 增加输出电路（即切换几个负载或切换不同电源负载）；
（4） 重复信号；
（5） 切换不同电压或电源负载；
（6） 保留输出信号；
（7） 闭锁电路；
（8） 提供遥控。
因此，继电器选择如下：
欧姆龙g2a-432a-n1型
欧姆龙g2ak-232a 型
5．6 控制变压器的选择
控制变压器用来降低辅助电路的电压，以满足一些电器元件的电压要求，保证控制电路安全可靠地工作。控制变压器的选择原则如下：
（1）控制变压器一、二次侧电压应与交流电源电压、控制电路和辅助电路电压相等。
（2）应能保证接于变压器二次侧的交流电磁器件在启动时可靠地吸合。
（3）电路正常运行时，变压器温升不应超过允许值。
控制变压器容量的近似计算公式为
式中， —变压器容量的储备系数， =1.1～1.25
1.1×6×220≈1452kva
所以选择额定容量为1500kva的jbk3-1500变压器
5．7 自动开关的选择
低压断路器俗称自动空气开关，是低压配电网中的主要电器开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。主要用在不频繁操作的低压配电线路或开关柜（箱）中作为电源开关使用，并对线路、电器设备及电动机等实行保护，当它们发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起到保护作用，应用十分广泛。较高性能型万能式断路器带有三段式保护特性，并具有选择性保护功能。高性能万能式断路器带有各种保护功能脱扣器，包括智能化脱扣器，可实现计算机网络通信。低压断路器具有的多种功能，是以脱扣器或附件的形式实现的，根据用途不同，断路器可配备不同的脱扣器或继电器。脱扣器是断路器本身的一个组成部分，而继电器（包括热敏电阻保护单元）则通过与断路器操作机构相连的欠电压脱扣器或分励脱扣器的动作控制断路器。
图5.1施耐德c65n系列断路器
自动开关选择如下：
相数
额定电流
型号
1p
2a
17925
1p
4a
17949
1p
16a
17931
2p
10a
17941
3p
2a
17949
3p
4a
17951
3p
25a
17957
5．8 直流稳压电源
5.8.1稳压电源的作用
电子设备一般是由整流器供电的。当交流电网电压或负载电流变化时，整流器输出电压也会随之发生变化。但是，许多电子设备，比如精密的电子测试仪器、自动控制装置和电子计算机等，都要求直流电源电压稳定不变，否则，将造成测量和计算误差，或引用自动控制装置工作不稳，甚至根本无法工作。为了供给稳定的直流电压，必须采用直流稳压电路。直流稳压电路与整流器和滤波器合在一起，构成直流稳压电源，其方框图如图3.7所示。
图5.2 直流稳压电源方框图
5.8.2 直流稳压电源的种类及选用
直流稳压电源按习惯可分为化学电源，线性稳压电源和开关型稳压电源，它们又分别具有各种不同类型：
开关型直流稳压电源
它的电路形式主要有单端反激式、端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说波纹较大（一般≤1%vo（p-p），好的可做到十几mv（p-p）或更小）。它的功率可自几瓦-几千瓦均有产品。价位为3元-十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：
（1）ac/dc电源
该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供dc/dc变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦-几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源（ac220输入，dc48v或24v输出）也属次类。
（2）dc/dc电源
在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经dc/dc变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
（3）通信电源
通信电源其实质上就是dc/dc变换器式电源，只是它一般以直流-48v或-24v供电，并用后备电池作dc供电的备份，将dc的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。
（4）电台电源
电台电源输入ac220v/110v，输出dc13.8v，功率由所供电台功率而定，几安几百安均有产品。为防止ac电网断电影响电台工作，而需要有电池组作为备份，所以此类电源输出一个13.8直流电压外，还具有对电池充电自动转换功能。
（5）模块电源
随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示起优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前，国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。
dc/dc模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算的。
（6）特种电源
高电压小电流电源、大电流电源、400hz输入的ac/dc电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。
根据需要，选用模块电源
西门子 6ep1436-1sh01
5.9 电气元器件目录清单
表5-1
序号
名称
型号
规格
数量
备注
1
自动开关
c65n 1p
17952（2a）
3
施耐德
2
自动开关
c65n 1p
17949（4a）
1
施耐德
3
自动开关
c65n 1p
17931（16a）
1
施耐德
4
自动开关
c65n 2p
17941（10a）
1
施耐德
5
自动开关
c65n 3p
17949（2a）
12
施耐德
6
自动开关
c65n 3p
17951（4a）
1
施耐德
7
自动开关
c65n 3p
17957（25a）
1
施耐德
8
直流稳压电源
6ep1436-1sh01
20a
1
西门子
9
变压器
bk-1500 380v/220v
1500va
1
正泰
10
接触器
lc1-d0910n5c
9a，线圈电压～220v
7
施耐德
11
变频器
acs143-k75-3
0.37kw，带bop面板
6
abb
12
变频器
acs143-1k1-3
0.55kw，带bop面板
6
abb
13
继电器
g2a-432a-n1
dc24v，4no，带显示灯
7
欧姆龙
14
继电器
g2ak-232a
dc24v，2no，带显示灯
96
欧姆龙
6 线路装置
线路装置主要由导线及支持物件所组成，它起着传输电能的作用。线路装置种类很多，按其电压等级分，有特低电压线路、低压线路、高压线路及超高压线路；按供电性质分，有单相线路、三相线路和直流输电线路；按安装方式分，有架空线路、电缆线路及户内外配电线路等。
线路装置必须按规程装设，并符合安全技术要求，否则，就极易发生触电、电气火灾及其他各种电气事故。对线路装置的基本要求是：安全可靠、布线合理、安装牢固、便于维护、美观整齐。低压线路装置严禁利用大地或与大地连接的保护导线（pe线）作中性线（n线）。
导线截面选择
导线截面的选择，必须同时满足：导线的安全载流量（即导线允许载流量）、导线允许的电压降、导线的机械强度和导线与熔体的额定电流（或低压断路器的整定电流）相配合。
6.1导线安全载流量
导线和电缆在通过电流时会发热，当通过正常最大负荷电流时产生发热温度，不应超过其正常运行时的最高允许温度。如果符合太大，导线将会过热，可能造成停电或火灾事故。
6.1.1电力负荷
（1） 单台电动机
（a）
式中： —电动机的额定电流
（2）多台电动机
式中： —功率最大一台电动机的额定电流
—其余各台电动机的计算负荷电流
计算负荷电流在工程中的常用的计算方法
（1）统计所有装接设备的额定功率之和（kw）；
（2）把全部功率换算成电流；
（3）考虑同一时间内的最大需用量（即需用系数）；
（4）考虑发展因数，一般加20%左右宽裕度（即发展系数）。
在三相四线或二相三线的配电线路中，当用电负荷大部分分为单相用电设备时，其n线或pen线的截面不宜小于相线截面；以气体放电灯为主要负荷的回路中，n线截面不应小于相线截面；采用可控硅调光的三相四线或二相三线配电线路，其n线或pen线的截面不应小于相线截面的2倍。单相线路中性线的截面应与相线截面相同。
在采用多相供电时，同一建筑物、构筑物的导线绝缘层颜色选择应一致，即保护导线（pe）应为绿/黄双色线，中性线（n）线为淡蓝色；相线应为 —黄色， —绿色、—红色。
我国电缆产品型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，其含义见表6-1
表6-1 电缆型号字母含义
用途
导线材料
绝缘
内护层
特性
外护层
k-控制电缆
l-铝芯
z-绝缘纸
h-橡套
q-铅包
p-贫油式
d-不滴流
1-麻皮
2-钢带铠装
y-移动电缆
t-铜芯
x-橡皮绝缘
v-聚氯乙烯绝缘
l-铝包
v-聚氯乙烯护套
f-分相铅包
c-重型
20-裸钢带铠装
3-细钢丝铠装
30—裸细钢丝铠装
5-单层粗钢丝铠装
如型电缆，表示铝芯纸绝缘铅包钢带铠装电力电缆。
型电缆，表示铝芯纸绝缘分相铅包裸钢带铠装电力电缆。
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