基于汽车轮毂输送线的电气设计流程
武汉工程大学的研究人员韩桂荣，在2020年第4期《电气技术》杂志上撰文，在汽车轮毂输送线自动控制系统的基础上对一般公司的电气化自动控制系统的设计流程进行总结；对各个环节的设计方法和工作要点进行指导性的阐述，特别是绘制电气原理图的工作要点、主要电气件的选型以及主流电气品牌的总结；然后对柜体布局和接线、现场接线以及现场调试工作的细节进行一定程度的总结与思考。
稳定、成熟、安全的电气自动化系统是企业进行生产以及深度管理的物质基础。一套完整的工作设计流程对一家气化公司至关重要。本文通过对汽车轮毂输送线的电气设计流程和细节进行剖析和总结，对电气控制系统的元件选型进行详细分析，对电气原理图和可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）程序的设计进行了简单阐述，对现场安装接线和调试进行了简单总结。
1 工作流程
图1所示为完整的汽车轮毂输送系统，其控制要求如下：
1）总系统分部。包括送料线、升降机、出料线。
2）控制面板。包括蜂鸣1个，急停1个、总电源按扭1个加白色指示灯、起动按扭、停止按扭、三色报警灯。
3）动作说明：①当起动时且传感器1至传感器4没有检测到物料时，电动机1至电动机4联动；②当且传感器4检测到物料时，电动机4（升降机处上位），载料等待，电动机3运行至传感器2检测到时才停止，电动机1和电动机2接收传感器1信号停止；③ 传感器5检测到物料，电动机5运行5～12s再停止；④ 电动机6一直保持常动。
下面将整个汽车轮毂输送线电气设计流程进行详细说明。
2 电气件选型
1）PLC
一般来说西门子、三菱、AB、欧姆龙是企业的首选品牌，几大品牌的相关产品在大型、中型、小型的各个应用层面占据着绝对优势。
西门子PLC性能强大，可操作性强，通信能力强大，可以集成更多的智能模块，有相配套的伺服系统和组态软件。常用于大型和复杂的自动化控制。常用型号如S7-200 smart，S7-200和S7-1500等。
图1 汽车轮毂输送系统
三菱PLC程序直观易懂，利于顺序控制和过程控制，指令丰富，有专用的定位指令，适用于步进控制。但其通信功能比较薄弱，需要数据采集的地方应用比较少。
罗克韦尔PLC欧美应用较多，价格偏贵，具有强大的组网能力，性能稳定。罗克韦尔拥有包括CPU、扩展I/O、远程I/O、变频器、伺服驱动器、伺服电动机、安全继电器以及触摸屏等完整的工控硬件。
欧姆龙PLC软件复杂，不易于掌握，但其硬件精制、紧凑，易于安装和调试。
综上所述，《自动钻帽口滚道》项目选用三菱PLC，型号为FX3U-48MT/ES，自带24个输入，24个输出。
2）低压断路器
作为配电系统中常用的保护设备，低压断路器普遍应用在配电系统中。低压断路器具有过电流、失压、分断等脱扣机构以及良好的延时特性。其选型原则如下：
（1）型号选择。按不同用途分为配电用、照明用、保护电动机用、晶闸管保护用以及漏电保护用。
（2）极数选择。根据控制、保护对象的相数，选择四极、三极、二极、单极低压断路器。
（3）额定电压应大于或等于断路器安装处线路的最大工作电压。
（4）额定电流应大于或等于线路的计算电流。
3）按钮、指示灯
按钮主要包括起动、停止、复位以及选择开关等，而指示灯则包括带灯按钮里的指示灯和灯柱的红、绿、蓝、黄等状态指示灯。包括各种颜色和类型的按钮头、触点模块和触点基座。另外，一个触点基座上可以同时安装几个常开或者常闭触点模块。
4）传感器
主流品牌主要有罗克韦尔、SICK、欧姆龙、施耐德、基恩士等。传感器主要有光电传感器、接近开关、光纤传感器以及行程开关。
对于选型，要考虑被测物到光电传感器的距离、被测物运动量程、被测物表面是否光滑、反光、吸光（如黑色海绵）、安装的地方与需要检测的检测物的距离以及供电电压、输出方式、接线方式、IP等级、安装方式、外形等因素。
5）中间继电器
中间继电器主要用于继电保护与自动控制系统中。正确选用中间继电器，一般遵循以下几个原则：
（1）使用的环境。根据不同的使用环境选取不同的中间继电器，不仅可以减少发生事故的概率，还可以保证其使用功能有效发挥。
（2）继电器的负载特性和负载大小。一般继电器的负载分为阻性、感性等几种类型。负载大小即触电接通的瞬间因为电阻过小而产生巨大的电流。
（3）激励电源的选择。为了保证工作的稳定性和操作的安全性，要考虑激励电源的选用，有效抑制工作时产生的反向电压。
6）开关电源
开关电源主要进行升压、降压和交流电与直流电之间切换。在电气控制系统中，控制电路主要使用直流24V。其输入电压220V和380V。实现对PLC、传感器、中间继电器、触摸屏的供电。
主流品牌主要有AB、施耐德和西门子等。其选型主要根据所有负载功率的和的大小来选择。
7）触摸屏
主流品牌有欧姆龙、西门子、威纶（如MT8000系列）、AB（如2711P系列）等。威纶通是国内比较主流的品牌，其应用比较方便、型号众多、编程简单易于多种型号的PLC通信。
8）端子
端子是用于实现电气连接的配件产品，主要厂家有Wago、菲尼克斯、德国威德米勒，国内的上海友邦和成都瑞联等。分为普通接线端子、带熔断器端子、接地端子和其他特殊使用端子，具有双层和单层之分。端子带有固定式桥接件，用于将各个端子短接起来。端子主要依据所接电线的横截面积来选型，且端子的横截面大小必须大于或者等于电线的横截面积。
9）电线和电缆
电气主回路布线，零线的颜色为淡蓝色；接地线为黄绿双色线；交流线火线为红色。柜内24V供电为白色，0V为蓝色。布线讲究横平竖直，通过电流的大小来电线的型号。铜电线在30℃时的选型方法见表1。
表1 铜电线选型表
电缆分为直流电缆和交流电缆。主要用于将分布于车间的电动机、传感器、开关按钮的接线整合起来，并放置于镀锌线槽或者桥架内。表示方法为x（根数）×y（每根电线的横截面积，mm2）。
10）电柜
电柜内的电气件主要由电源、PLC、开关、继电器、接线端子、变频器等组成。适用于装PLC的柜型，通常选用固定柜，且门板为整门的柜型（如KB柜），不宜选GGD柜、抽屉柜和固定分割柜。
另外，在环境比较恶劣的场合，电柜下方配有电柜基座，进、出风口可按照通风过滤器和风扇，防止现场的粉尘碎屑、水或者油渍等侵蚀电柜或者内部的电气元件和电缆。
11）安全继电器
安全继电器由数个继电器与电路组合而成，它具有强制导向接点结构，发生接点熔结现象时也能确保安全。
主要作用为：①在紧急停止解除时，机器不能出现突然再起动，而需要另外的复位按钮来起动机器或者系统；②当机器安全电路发生故障时，可以停止机器动力电源；③安全电路发生故障时，保证机器不能再起动。
总之，安全回路将急停的触点、安全门、安全光栅等保护器件串联起来，作为其保护输入回路。一旦出现紧急事故，系统立即做出反应并输出正确信号，使装置安全停车，以阻止危险的发生或事故的扩散。故障解除或者确认安全时，需按下复位按钮来恢复系统动作。
对安全继电器进行选型，必须确认机械的危险等级，只有确认了这台机械的危险等级之后，再根据EN954-1标准，以指定安全电路设计和实施的依据类别。
12）电磁开关
主流品牌为FESTO，电磁开关都是配套于气缸一起购买的，一般由机械组成员购买，在此不再赘述。
13）变频器
变频器主要是控制三相电动机的起停以及运行速度的改变，其主流品牌主要包括罗克韦尔、ABB、西门子、三菱、施耐德、LG等。国内主要包括台达、英威腾、森兰等。
变频器负载类型有三种，分别为恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。在选型时，应以实际电动机电流值作为变频器的选择依据，以电动机的额定功率作为参考依据；变频器到电动机的电缆的长度总和应该在变频器的容许范围内。
变频器控制高速电动机，需用长电缆运行或需要在高环境温度、高开关频率、高海拔高度等特殊情况下运行，变频器需放大一档选择；变频器防护等级要与现场的情况相匹配，以防止现场的灰尘、水汽影响变频器的长久运行。
14）机器视觉系统和工业机器人
PLC与机器人、机器视觉系统组成的控制系统在工业控制领域里面应用广泛。视觉技术是计算机图像处理在工业领域的应用，其对速度要求比较高。可以分为视觉算法软件，智能相机，机器视觉系统集成3类，在工业检测和控制领域得到了广泛应用。在国内应用广泛的品牌主要有美国的康耐视、日本的基恩士以及中国的大恒、凌云等。
我国工业机器人从20世纪70年代发展开始至今，由主体、驱动系统和控制系统3个基本部分组成，其应用的数量和质量标志着企业生产自动化、智能化的先进水平。在包装流水线具有广泛的应用，主要进行分拣、码垛等作业。图2所示为完整的码垛电气系统结构图。
图2 电气系统结构例图
3 电气原理图的绘制
3.1 2D布局图的细化
在进行电气原理图绘制之前要做三部分工作。
1）机械布局。机械工程师在2D图上标出气缸、电动机的安放位置、编号等，然后在旁边列出气缸和电动机的参数表。
2）电气布局。电气工程师2D图上根据公司自己的标准标出传感器、急停、三色灯等的安放位置以及编号。
3）桥架布局。电气工程师在2D图上初步标出桥架的走向。
现场2D布局图见图1。
3.2 原理图绘制软件简介
电气原理图的绘制主要有两种软件，一个是Autocad，一个是EPLAN。Autocad软件制定的电气设计标准全面而且完整，图纸可参考借鉴的范围很大，但是却无法满足快速进步且信息量更多的电气设计。EPLAN是一款专业电气绘图和管理软件，可面向图形和对象进行设计，它无论在项目的管理，还是在图纸设计中的准确性、灵活性、高效性方面都达到较高的水平。
对于一个完整的项目图纸，一般包括多线原理图、标题页、目录、端子图表、部件汇总表、连接列表甚至是控制柜内3D布局图。其中各种图表可以通过报表的形式生成。
3.3 EPLAN电气图纸的设计流程
1）表格的创建。主要包括结构标识符总览、部件列表、电缆图表、端子排列图、部件汇总表等，表格的创建为自动生成报表提供基础。
2）制定项目结构。主要包括制定高层代号、位置代号、用户自定义及图号等。
3）根据工艺和用户要求绘制电气原理图，包括电气件、端子和电缆定义线等的绘制。对于简单的电气件，直接插入符号即可。而对于比较复杂的电气元件，既可以用黑盒来表示，也可以通过插入窗口宏来表示。
4）通过2D安装板布局导航器绘制安装板布置图。
5）利用报表模板，自动生成项目报表。
6）将绘制的原理图备份以及打印，也可将EPLAN图纸转换成PDF图纸，便于分享和查阅。
图3 电气原理例图
4 PLC程序设计
根据绘制的电气原理图和细化的2D布局图，明确控制系统中输入点的个数，如急停按钮、起动停止按钮、传感器以及反馈信号等。明确输出点的个数，如带灯按钮的指示灯、灯柱、电动机、气缸等。
在程序设计过程中，要根据控制要求，构建出系统的总框架，然后按照系统功能分块，最后对功能细化和统一。系统程序结构清晰，不仅便于程序的扩展，也利于于工程师进行调试和修改。离线编好程序后，下载至PLC硬件中，根据现场调试来逐步完善程序，防止因程序问题造成的安全问题。
5 电柜设计以及安装接线
5.1 电柜设计
通过2D安装板布局导航器绘制安装板布置图。把线槽、导轨、端子排、断路器等电气件放入电柜中，如图4所示。
图4 柜内布局图
5.2 安装接线
安装接线如图5所示，分为以下步骤：
图5 元件安装和现场接线
1）确认电气件全部采购到位。
2）电工根据2D布局图放置所有主要电气件，先放置线槽、导轨，再放置主要电气件在导轨上。
3）根据电气原理图现场合理布线，并且将电线置于线槽内。
4）确认电柜的摆放位置和方向、柜外镀锌线槽的摆放位置和走向。
5）根据电气原理图现场布线，将电动机和传感器供电线路接好，并用匝线束好，套上套管，将线槽盖盖上。
6）打扫现场，进行清理工作。
5.3 PLC程序调试
程序人调试如图6所示。具体步骤如下：
1）电脑与PLC通信。
2）下载PLC程序。
3）监视模式下进行软元件测试。
4）检验每个传感器是否正常工作。
5）按下起动按钮，在线模式下一边修改程序，一边更新PLC程序，直至整个系统符合系统要求，并且不会产生安全事故为止。
6）线管套牌贴标。
7）调试完毕，通知客户方进行现场验收。
8）验收完毕，工作交接。
图6 PLC程序调试
6 结论
本文针对汽车轮毂输送线自动控制系统这一具体项目，首次对一般气化公司的电气化自动控制系统的设计流程进行了全程总结，包括绘制电气原理图的工作要点、主要电气件的选型、柜体布局和接线、现场接线以及现场调试工作等，对工业电气自动化的设计实践有实际指导作用。而严谨的设计方法、清醒的安全理念、配合默契的设计团队对于缩短施工周期、降低成本、维护工作人员安全意义重大。