实验题目：运料小车电气控制设计与实践

1. 课程简要信息

课程名称：电装实习

课程学时：2 周

先修课程：电工学

适用专业：过程装备与控制工程、安全工程、油气储运工程等非电类专业

学生年级：二年级

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目内容：一铝铸造车间面积 420 平方米，层高 6.8 米，运料小车 AC380V， $7 . 5 \mathrm { k W }$ ，1470r/min，卸料电磁阀采用直流电源 $2 4 \mathrm { V }$ 。小车动作如图1所示,动作程序要求：

（1）小车从甲地启动后，运行至乙地能自动停止，停留 $t _ { 1 }$ 时间装料后自动返回。
（2）小车返回至甲地能自动停止，停留 $t _ { 2 }$ 时间卸料后又自动启动。
（3）小车经过乙地不停止，运行至丙地又自动停止，停留 $t _ { 3 }$ 时间，装另一种料后自动返回。
（4）小车返回经过乙地不停止，返回到甲地后自动停止，完成了一个工作循环。
（5）在甲地停留 $t _ { 2 }$ 时间，卸料后又自动启动，小车运行至乙地自动停止。
以后又按上述过程自动循环下去。

图1 送料小车动作示意图

项目任务要求：

（1）对铝铸造车间进行负荷计算，设计供电线路。

（2）设计车间的电气照明。

（3）采用继电接触原理设计送料小车控制。具体包括：实现上述动作程序要求；系统断电时小车应立刻停转，不得自由停车；小车能在任意位置启停；小车在故障状况下能急停；有零压、过载和短路保护；有必要的联锁控制；应有工作状况显示等。

电气调速为选做项。

（4）进行电气控制系统的工艺设计。

（5）电气安装与调试。

（6）编制设计计算说明书和设备使用说明书。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

（1）供电及电气照明设计：项目以铝铸造车间为对象，进行负荷计算，设计供电线路；根据车间性质选择合适的照度，设计合理的照明方案。

（2）电气控制原理设计：选择电力拖动方案和控制方式；选择电动机、电磁阀和电气元件等；查阅相关资料、方案论证、设计出符合控制要求、能保证电气安全及满足生产工艺要求的电机及电磁阀控制方案，按设计过程编写设计计算说明书。

（3）工艺设计：根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制总装配图；根据电器元件的型号、外形尺寸、安装尺寸绘制配电板布置接线图和控制板布置接线图，并标明安装方式、接线方式。工艺设计要求编写出设备使用说明书。

（4）清单汇总：根据设计图纸，列出元件清单。
（5）实践：从理论设计到进入实验室，安装、配线并通电测试，进一步完善设计。
（6）答辩：整理实验任务书、设计图纸、设计及使用说明书，答辩通过后提交上述资料。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

近机类非电专业学生学习电工学重在应用，通过电工学基础理论和基本实验的学习，我们发现学生对应用电工学知识能力、“器件-电路-系统”设计能力、工程实践能力还很欠缺，为此电工学课程后，补充车间供电、电气照明、电气控制系统设计与安装调试、安全用电等基本知识，开设了综合实践训练环节（电装实习），此案例项目属于其一。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

落实近机类机设、过控等专业工程教育专业认证要求指标：理解并掌握过程及装备控制的基本方法；与团队其他成员能有效沟通，达到将电工学应用于本专业和发展本专业的能力。

1）掌握特定车间负荷计算及供电和电气照明设计。
2）掌握车间电气控制及电气保护的设计。
3）熟悉常用电工材料、器具的有关性能和使用。
4）掌握电气设备的安装、配线及调试。
5）掌握电气施工的安全技术知识。
6）训练团队协作意识，提高撰写报告的能力。

6. 教学设计与引导

本项目综合运用《电工学》变压器、交流电动机、继电接触器控制系统、直流电源电路、工业企业供电与安全用电、电气照明及工厂电气控制技术等知识，由课堂理论引导、学生设计与实践及答辩等环节构成。

（1）理论引导，布置任务，1.5 天

由指导教师在课堂集中进行授课，内容如下：

1）铝铸造车间供电和照明系统介绍及负荷计算。
2）电气控制设计的原则和内容。
3）电力拖动方案的确定和电动机的选择。

4）电气控制电路设计的一般要求。
5）电气控制电路设计的方法与步骤。
6）低压配电线路、导线、配电装置的选择和安装。
7）常用低压控制电器的选择、安装和要求。
8）电气照明技术、设计与安装。
9）电气控制的施工设计与施工。
重点：负荷计算、电气控制线路及保护的分析。
难点：设计原则、设计方法。

（2）供电、电气照明及电气控制系统设计，4.5 天

引导学生再根据任务要求，借助媒体、图书或到实验室等查阅相关资料，讨论方案、论证方案并进行各子系统设计，指导老师到指定设计教室辅导答疑。

重点：供电设计、控制系统设计。

难点：工艺设计。

（3）实践，3.5 天

掌握常用电工工具的使用、基本电器元件的识别与安装；根据设计的施工工艺，进行安装配线；掌握系统通电、调试等方法。

重点：安装和接线。

难点：接线、调试。

（4）答辩

整理好设计任务书，绘制规范的电气控制原理图、总装配图、配电板布置接线图和控制板布置接线图，编制设计计算说明书和设备使用说明书。通过答辩进一步交流学习并总结。

重点：资料整理。

难点：熟悉每个环节。

本项目以能力培养为主，还应注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用所学知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；运用Visio、CAD 等绘图的能力；编写技术报告的能力及团队协作意识。

7. 实验原理及方案

本项目组成结构如图 2 所示。

图2 系统结构

（1）供电系统：根据项目任务要求，确定供电电源及电压；根据用电设备进行负荷计算，选择供电导线，并确定线路的敷设方式；确定防触电安全措施；确定接地保护形式。

（2）电气照明系统：依据铝铸造车间照明要求，确定照明电源、电压、容量；选择合适照度；选择光源与照明灯具；选择导线和线路的敷设方式。

（3）小车控制系统：电气控制设计应满足以下原则：最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求；在满足要求的前提下，使控制系统简单、经济、合理、便于操作、维修方便、安全可靠；电气元件选用合理、正确，使系统能正常工作；为适应工艺的改进，设备能力应留有裕量。

1)根据项目要求拟定设计任务。

2)根据拖动要求设计主电路。

根据控制要求可将主电路设计成带断电抱闸制动的正反转控制，如图3所示。

图 3 送料小车主电路原理图

主电路设计内容：

$\textcircled{2}$ 确定电动机的类型、型号、容量、转速；确定断电抱闸和电磁阀型号。

$\textcircled{2}$ 电动机的控制方式：根据其容量及拖动负载性质考虑其启动要求，设计电机的启动线路。提示：对于容量小 $( 7 . 5 \mathrm { k W }$ 以下)、启动负载不大的电动机，可采用直接启动；对于大容量电动机应采用降压启动。根据运动要求决定转向控制。

$\textcircled{3}$ 确定电机的工作制，设置欠压保护、过载保护或过电流控制等措施。

$\textcircled{4}$ 根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种控制方式。本项目电机的断电停止应充分考虑。

$\textcircled{5}$ 设置短路保护及其他必要的电气保护。

$\textcircled{6}$ 考虑其他特殊要求：调速要求等。

3)根据主电路的控制要求设计控制电路。

根据控制要求送料小车的控制电路如图4所示。

图4 送料小车控制电路原理图

控制电路设计内容：

$\textcircled{1}$ 正确选择控制电路电压种类及大小。$\textcircled{2}$ 根据每台电动机的启动、运行、调速、制动及保护要求，依次绘制各控制环节(基本单元控
制线路)。$\textcircled{3}$ 设置必要的联锁(包括同一台电动机各动作之间以及各台电动机之间的动作联锁)。$\textcircled{4}$ 设置短路保护以及实验任务书中要求的位置保护(如极限位、越位、相对位置保护)、电压保
护等。$\textcircled{5}$ 根据拖动要求，设计特殊要求控制环节，如提升电机的断电停车、自动循环等控制。$\textcircled{6}$ 按需要设置应急操作。4)根据照明、指示、报警等要求设计辅助电路。5)总体检查、修改、补充及完善。$\textcircled{1}$ 校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。$\textcircled{2}$ 检查接触器、继电器、主令电器的触点使用是否合理，是否超过电器元件允许的数量。$\textcircled{3}$ 检查联锁要求能否实现。$\textcircled{4}$ 检查各种保护能否实现。$\textcircled{5}$ 检查发生误操作所引起的后果与防范措施。6)进行必要的参数计算。

7)正确、合理地选择各电器元件，按规定格式编制元件目录表。

8)根据完善后的设计草图，按GB/T6988电气制图标准绘制电气控制原理图，并按GB/T5094-1985《电气技术中的项目代号》要求标注器件的项目代号，按 GB4884-1985《绝缘导线的标记》的要求对线路进行统一编号。

（4）施工工艺

1)根据电气设备的总体配置及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制电气控制系统的总装配图和接线图。

2)根据电器元件的型号、外形尺寸、安装尺寸绘制配电板和控制板组件的元件布置图。其中配电板布置如图 5 所示。

图 5 送料小车的配电板元件布置图

3)根据元件布置图及电气原理编号绘制配电板和控制板组件的接线图，统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。绘制接线图时，应注意以下几点：

$\textcircled{1}$ 电气接线图中各个电器元件的图形符号及文字符号必须与原理图完全一致，并应符合国家标准。每一个电器元件的所有部件应画在一起，并用虚线框起来。

$\textcircled{2}$ 导线编号。首先应在电气原理图上编写线号，再编写电气接线图线号。电气接线图的线号和实际安装的线号应与电气原理图编写的线号一致。

主电路线号的编写：三相电源自上而下编号为 U、V 和 W，经电源开关后出线上依次编号为 $\mathrm { U } _ { 1 1 }$ 、$\mathrm { \Delta V _ { 1 l } }$ 和 $\mathrm { \sf W } _ { \mathrm { l 1 } }$ ，每经过一个电器元件的接线桩编号要递增，如 $\mathrm { { U } } _ { 1 1 } , \mathrm { { V } } _ { 1 1 }$ 和 $\mathrm { \sf W } _ { \mathrm { l 1 } }$ 递增后为 $\mathrm { U } _ { 1 2 } , \mathrm { V } _ { 1 2 }$ 和 $\mathbf { W } _ { 1 2 \dots \dots \circ }$ 如果是多台电动机的编号，为了不引起混淆，可在字母的前面冠以数字来区分，如 lU、lV 和 lW；2U、2V 和 2W......。

控制电路线号的编写：应从上至下，从左到右每经过一个电器元件的接线桩，编号要依次递增。控制电路线圈以上从阿拉伯数字“1”开始,以奇数依次递增编号，线圈以下以偶数从 $^ { \circ }$ 开始递增编号；指示电路编号从101开始等。

$\textcircled{3}$ 各个电器元件上凡是需要接线的部件及接线桩都应绘出，且一定要标注端子线号。各端子编号必须与电气原理图上相应的编号一致。

$\textcircled{4}$ 安装板内、外的电器元件之间的连线，都应通过接线端子板进行连接。

$\textcircled{5}$ 接线图中的导线可用连续线和中断线来表示，也可用束线来表示。

最后按设计过程和设计结果编写设计说明书及使用说明书。

8. 教学实施进程

本项目学校教务处纳入学期教学计划，在电工学课程结束后，教学计划安排 2 周，集中进行。本项目通过课堂理论引导、学生设计与实践及答辩等环节展开实施，其中：

（1）理论引导，布置任务，1.5 天：这一阶段由课程组的缑新科、李文辉和丁守成三位老师分别从供电照明设计及负荷计算、典型电气控制分析及器件选择、系统设计与实践等角度进行讲解和任务布置。

（2）供电、电气照明及电气控制系统设计，4.5 天：学生通过查阅相关资料、走进实验室，在指定专用教室进行设计，安排指导教师现场辅导答疑。

（3）实践，3.5 天：带着设计、走进实验室，将理论设计付诸于实践，并进一步完善设计。

设计前讲解

教室答疑

实践指导

学生实践

9. 实验报告要求

项目报告需要反映以下工作：

（1）需求分析。
（2）供电、电气照明和电气控制等实现方案的论证。
（3）负荷计算。
（4）依据参数，选择电气元器件并制定器件目录表。
（5）绘制电气控制原理图。
（6）绘制配电板元件的布置接线图。
（7）绘制控制板元件的布置接线图。
（8）绘制总装图。
（9）电气配电板安装配线、控制板安装配线及通电调试。
（10）编写设计计算说明书、设备使用说明书及小结。
（11）列出设计参考资料目录。

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核方式：综合测评。成绩评定考虑以下几个方面：

（1）设计质量：电气系统设计的合理性和完整性。
（2）项目验收：项目任务完成程度，电气配电板及控制板的完成度是重中之重。
（3）项目质量：项目绘图质量、施工工艺、配线质量和调试运行结果灯。
（4）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
（5）项目成本：电器元件和导线选择的合理性，项目成本核算与损耗。
（6）安全意识：安全设计、用电安全、操作安全。
（7）团队意识：与同学沟通协同意识。
（8）项目报告：设计计算说明书和设备使用说明书的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

（1）将电气控制系统设计与实践等内容引入非电类专业电工学教学，打破了电与非电专业、课程与课程之间界限。（2）项目着重突出工程性、系统性，提升将电工学应用于专业和拓展专业的能力，锤炼电气系统设计与工程实践能力，培养自主学习能力和团队协作意识。