电气控制电路的设计方法

电气控制电路的设计方法通常有两种：1．分析设计法2．逻辑设计法1．分析设计法分析设计法是根据生产工艺要求，选择适当的基本环节（典型控制电路）或经过考验的成熟电路，按各部分的连锁条件组合起来，加以补充和修改，综合成满足控制要求的完整电路。由于这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制典型电路和具备一定的阅读分析各种电气控制电路的经验为基础，所以又称为经验设计法。这种方法为一般工程技术人员所常用。

用分析设计法设计控制电路时，应注意以下几个原则。

1．应最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制电路的要求2．保证控制电路工作的可靠和安全

3．在满足生产要求的前提下，控制电路应力求简单、经济4．应尽量使操作和维修方便

分析设计法在设计过程中往往还要经过多次反复地修改、试验，才能使电路符合设计的要求。即使这样，设计出来的电路可能不是最简，所用的电器及触点不一定最少，所得出的方案不一定是最佳方案。2．逻辑设计法 逻辑设计法是利用逻辑代数这个数学工具来进行电路设计。根据设备的工艺要求，将执行元件需要的工作信号以及主令电器的接通与断开看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的最简“与、或”关系式。根据最简关系式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，获得需要的控制电路。控制电路的逻辑设计方法继电器接触器组成的控制电路，分析其工作状况常以线圈通电或断电来判定。构成线圈通断条件是供电电源及与线圈相联结的那些动合、动断触点所处的状态。若认为供电电源E不变，则触点的通断是决定因素。电器触点只存在接通或断开两种状态分别用“1”、“0"表示。对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器等元件，线圈通电状态规定为“1”状态，失电则规定为“0”状态。有时也以线圈通电或失电作为该元件是处于“1”状态或是“O”状态。继电器、接触器的触点闭合状态规定为“1”状态；触点断开状态规定为“0”状态。控制按钮、开关触点闭合状态规定为“1”状态；触点断开状态规定为“0”状态。作以上规定后，继电器、接触器的触点与线圈在原理图上采用同一字符命名。为了清楚地反映元件状态，元件线圈、动合触点的状态用同一字符来表示，而动断触点的状态以表示(K上面的一杠，表示“非”，读K非)，若元件为“1”状态，则表示线圈“通电”，继电器吸合，其动合触点“接通”，动断触点“断开”。“通电”、“接通”都是“1”状态，而断开则为“0”状态。若元件为“0”状态，则与上述相反。以“0”、“1”表征两个对立的物理状态，反映了自然界存在的一种客观规律——逻辑代数。它与数学中数值的四则运算相似，逻辑代数(也称开关代数或布尔代数)中存在着逻辑与(逻辑乘)、逻辑或(逻辑加)、逻辑非的三种基本运算，并由此而演变出一些运算规律。运用逻辑代数可以将继电器接触器系统设计得更为合理，设计出的电路能充分地发挥元件作用，使所应用的元件数量最少，但这种设计一般难度较大。在设计复杂的控制电路时，逻辑设计有明显的优点。2.5.1逻辑运算用逻辑函数来表达控制元件的状态，实质是以触点的状态(以斜体的同一字符表示)作为逻辑变量，通过逻辑与、逻辑或、逻辑非的基本运算，得出的运算结果就表明了继电接触器控制电路的结构。逻辑函数的电路实现是十分方便的。

逻辑与——触点串联图2—23所示的串联电路就实现了逻辑与的运算，逻辑与运算用符号“·”表示(也可省略)。接触器的状态就是其线圈K的状态(以斜体的同一字符表示)，当电路接通，线圈K通电，则K=1；如电路断开，线圈K失电，则K=0。图2-23的电路就可用逻辑关系式表示为K=A·B

若将输入逻辑变量A、B与输出逻辑变量K列成表格形式，则称此表为真值表。表2-9即为逻辑与的真值表。由真值表可总结逻辑与的运算规律：虽然“O”、“1”不是数值的量度，但其运算法则在形式上与普通数学的乘法运算相同。

图2-23“与”电路表2-9逻辑与的真值表ABK=A·BO101O011OO01

逻辑或——触点并联图2-24所示的并联电路就实现逻辑或运算，逻辑或运算用符号“+”表示。要表示接触器的状态就要确定线圈K的状态。按照图2-24的接线，可列出逻辑或的逻辑关系式表2-10逻辑或真值表K=A+B

也可按图示接线列出逻辑或状态的真值表。见表2-10所示。按其真值表显示逻辑或的运算规律为O+O=0O+1=11+O=1l+1=1

它与数学的加法大部分相似，只是1+1≠2。因为逻辑函数只存在“0”“1”两种状态。上面关系也可总结为“见1出1，全0为0”。图2-24或逻辑电路表2-10逻辑或真值表ABK=A+BO101O011O1112．5．1．3逻辑非图2-25表示元件状态A对接触器状态K的控制关系是逻辑非的关系。其逻辑关系表达式为当开关SA合上，A=1，其常闭触点的状态为“O”则K=0，线圈不通电，为“O”状态；当SA打开，A=O，=1，则K=1，线圈通电，接触器吸合，为“1”状态。其真值表如表2-11所示。有时也称A对K是“非控制”。以上与、或、非逻辑运算其逻辑变量未超过二个，但对多个逻辑变量也同样适用。图2-25逻辑非电路表2-11逻辑非真值表K=AK=1OO1下面介绍有关逻辑代数定理

1．交换律A·B＝B·AA+B=B+A2．结合律A·(B·C)=(A·B)·CA+(B+C)=(A+B)+C3．分配律A·(B+C)=A·B+A·CA+B·C=(A+B)·(A+C)4．吸收律A+AB=AA·(A+B)=AA+B=A+B+A·B=+B5．重迭律A·A=AA+A=A6．非非律=A7．反演律(摩根定理)

以上基本定律都可用真值表或继电器电路证明，读者可自行证明。2.5.2逻辑函数的化简逻辑函数化简可以使继电接触器电路简化，因此有重要的实际意义。这里介绍公式法化简，关键在于熟练掌握基本定律，可采用提出因子、并项、扩项、消去多余因子、多余项等方法综合运用，进行化简。化简时经常用到常量与变量关系：A+0＝AA·1＝AA+1＝1A·0＝0A+=lA·＝0

下面举几个例子说明如何化简。例1

例2

例3采用逻辑代数式的化简，就是对继电接触器电路的化简，但是在实际组成电路时，有些具体因素必须考虑。

1．触点容量的限制特别要检查担负关断任务的触点容量。触点的额定电流比触点电流分断能力约大十倍，所以在化简后要注意触点是否有此分断能力。

2．在有多余触点，并且多用些接点能使电路的逻辑功能更加明确的情况下，不必强求化简来节省触点。2.5.3继电器开关的逻辑函数前面已经阐明，继电器电路是开关电路，符合逻辑规律。它以执行元件作为逻辑函数的输出变量，而以检测信号、中间单元及输出逻辑变量的反馈触点作为逻辑变量，按一定规律列出逻辑函数表达式。下面通过两个简单电路说明列逻辑函数表达式的规律。图2-26a、b为两个简单的起、保、停电路。组成电路的触点按原规定，动断触点以逻辑非表示。电路中SB1为起动信号(开启)，SB2为停止信号(关断)，K的动合触点状态K为保持信号。对图2-26a可列出逻辑函数为其一般形式为图2-26起、保、停电路式中X开——开启信号

X关————关断信号

K————自保信号

fk————继电器K的逻辑函数。对图2-26b可列出逻辑函数为它的一般形式为（2-2）式(2-1)、式(2-2)所示的逻辑函数都有相同的特点，就是它具有三个逻辑变量X开、X关和K，其中：

X开——继电器K的开启信号，应选取在继电器开启边界线上发生状态转变的逻辑变量。若这个逻辑变量是由“O”转换到“1”，就取其原变量形式；若是由“l”转换到“O”，则取其反变量形式。

X关——继电器K的关断信号，应选取在继电器关闭边界线上发生状态转变的逻辑变量。若这个逻辑变量是由“1”转换到“O”，就取其原变量形式；若是由“O”转换到“1”，则取其反变量形式。

K——继电器K本身的动合触点，属于继电器的内部反馈逻辑变量，起自保作用，以维持K得电后的吸合状态。这两个电路都是起、保、停电路，其逻辑功能相仿，但从逻辑函数表达式来看，式(2-1)中X开=1，则fk=1。在这种状态下不起控制作用，称此电路为开启从优形式。式(2-2)X关=0，则fk

=0。X开在这种状态下不起控制作用，称此电路为关断从优形式。实际的起、保、停电路往往都有许多联锁条件，例如铣床的自动循环工作必须在主轴旋转条件下进行；而龙门刨返回行程油压不足也不能停车，必须到原位停车。因此，对开启信号及关断信号都增加了约束条件，这时只要将式(2-1)、式(2-2)扩展一下，就能全面的表示输出逻辑函数。

对于开启信号来讲，当开启的转换主令信号不只一个，还需具备其他条件才能开启，则开启信号用X开主表示，其他条件称开启约束信号，用X开约表示。显然，条件都具备才能开启，说明X开主与X开约是“与”的逻辑关系，用它去代替式(2-1)、(2-2)中X开。当关断信号不止一个，要求其他几个条件都具备才能关断时，则关断信号用X关主表示，其他条件称为关断的约束信号，以X关约表示。“0”状态是关断状态，显然X关主与X关约全为“0”时，则关断信号应为“O”；X关主为“O”而X关约=1时，则不具备关断条件，所以二者是“或”关系。以X关主+X关约代替式(2-1)、(2-2)中，则可得起、保、停电路的一般形式，式(2-1)扩展成式(2-3)；式(2-2)扩展成式(2-4)。

例如需要设计一动力头主轴电动机的起、保、停电路，要求滑台停在原位时，允许动力头主轴电动机起动，进给到需要位置时，才允许停止主轴电动机。若滑台在原位，压行程开关SA1。表示进给到需要位置时，压行程开关SA2。起动按钮为SB1，停止按钮为SB2，则可用式(2-3)或式(2-4)设计继电器电路。其中：X开主=SB1X开约=SAlX关主=X关约=

按式(2-3)按式(2-4)上述二式对应的电路图如图2-27a、b所示。继电接触器控制电路采用逻辑设计方法，可以使电路简单、充分运用电器元件、得到较合理的电路。对复杂电路的设计，特别是生产自动线、组合机床等的控制电路的设计，采用逻辑设计法比经验设计法更为方便、合理。逻辑设计法一般按以下步骤进行：步骤1充分研究加工工艺过程，作出工作循环图或工作示意图。步骤2按工作循环图作执行元件节拍表及检测元件状态表——转换表。步骤3根据转换表，确定中间记忆元件的开关边界线，设置中间记忆元件。步骤4列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式。步骤5根据逻辑函数式建立电路结构图。步骤6进一步完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节，检查电路是否符合原控制要求，有无寄生回路，是否存在竞争现象等。完成以上6步，则可得一张完整的继电器控制原理图。若需实际制作，还需要对原理图上所有元件选择具体型号。热继电器、过流继电器、时间继电器等需要按电力拖动的要求和具体的工艺循环去整定其动作值。将原理图编上线号，最后画出装配图，完成设计任务。逻辑设计法一般仅完成前面6个步骤内容，以下举出两个具体例子说明如何进行逻辑设计。图2-27动力头控制电路

例l

龙门刨床横梁升降自动控制电路设计(不考虑回升)

龙门刨横梁移动是操作工人根据需要按上升或下降按钮SBH或SBL。首先横梁夹紧电动机M向放松方向运行，完全放松后碰SA开关，横梁转入上升或下降，即控制升降电动机的接触器KM-U或KM-D工作。到达需要位置时，松开SBH或SBL，横梁停止移动，自动夹紧(即夹紧电动机M向夹紧方向运行)，SA复位。当夹紧力达一定程度时，过电流继电器动作，夹紧电动机停止工作。按上述工艺过程可列出工艺循环图，以后按步骤设计。1）工作循环图如图2-28所示。图2-28工作循环图2）根据工作循环图列出状态表状态表是按顺序把各程序输入信号(检测元件)的状态，中间元件状态和输出的执行元件状态用“O”、“1”表示出来，列成表格形式。它实际是由输入元件状态表，中间元件状态表，执行元件状态表综合在一起所组成的。元件处于原始状态为“0”状态，受激状态(开关受压动作，电器吸合)为“1”状态。将各程序元件状态一一填入，若一个程序之内状态有一到二次变化，则用表示。为了清楚起见，将使程序转换的那些转换主令信号单列一行，同时也在转换主令信号转换的程序分界线上以粗黑线表示。根据上面规定列表2-12如下。表2-12龙门刨横梁升降状态表程序名称执行元件状态检测元件状态转换主令信号KM-U／KM-DKM-AKM-BSAKSSBH／SBL0原位0／000000／01放松0／010001／1SBH／SBL2上升／下降1／1O0101／1SA3夹紧0／0010／0SBH／SBL4停止0／0OOO0／0KS表中原位时所有元件都不受激，当按SBH／SBL(“／”表示“或”)后直到横梁升降停止前都保持其受激状态(受压)。进入第一程序，KM-A吸合，夹紧电动机向放松方向运行。SA受激，转入第二程序，视SBH还是SBL受激，以决定横梁是上升还是下降。松开SBH／SBL，升降停止，转入第三程序，KM-B吸合，夹紧电动机M向夹紧方向运动。此程序内，起动开始，起动电流使KS动作。完成起动后，KS又释放，所以状态KS为，状态SA也因电动机向夹紧方向运行而由受激转为常态，也为。当横梁夹紧后，KS动作，状态为“1”，转入第四程序，使全部元件处于常态，恢复初始状态。

4．设置中间记忆元件——中间继电器，使待相区分组增加特征数，成为相区分组状态表中第三程序中有特征数000，第四程序也有特征数000，所以要增加中间单元K。若第三程序K=1，第四程序K=0，则可区分，待相区分组转化为相区分组。其实KM-B本身就具有记忆功能，可以用KM-B代替需要增加的中间单元K，省去另设一中间单元。也就是采用自锁功能，使第三程序由特征数110、010决定，则第三第四程序就属于可区分组了，因而第三程序本身是一定需要自锁的。5．列中间单元及输出元件的逻辑函数式上一节已经得出两种输出元件的一般逻辑函数表达式和由状态表直接看出，输出元件在某程序开启通电，开启对应的上面横线称开启边界线；输出单元在某程序关断，关断所对应的下横线称关断线。开关边界线以内是该元件受激状态，状态表中填入“1”，开关边界线以外都是“0”状态。由逻辑变量的“与”“或”关系组成的逻辑输出函数就是要保证在开关边界线内取“1”，边界线外取“0”，这是选择逻辑变量组成逻辑函数的依据。开启边界线转换主令信号是X开主。若转换主令信号由常态变为受激，则X开主取其动合触点；若转换主令信号由受激变为常态，则X开主取其动断触点。关闭边界线转换主令信号是X关主。若转换主令信号由常态变为受激，则X关主取其动断触点；若转换主令信号由受激变为常态，则X关主取其动合触点。

X开约、X关约反映了电路的联锁以及可能产生的误动作的防止。X开约原则上应是取开启线近旁的“1”状态，开关边界线外尽量为“O”状态的逻辑变量。X关约应取在关断边界线近旁为“0”状态，在开关边界线外为“1”状态的逻辑变量。是否要加自锁环节应视X开主·X开约为“1”状态的范围而定，若在开关边界线内X开主·X开约不能保持“1”状态，则要加自锁环节。若在开关边界线内始终为“1”，则不需要自锁环节。根据以上原则，可以对4个输出元件(KM-U、KM-D、KM-B、KM-A)列出逻辑函数式。程序1放松程序KM-A=(SBH+SBL)

若SBH或SBL作为X开主，其状态由常态到受激，所以取其动合触点。其关断边界线上为SA受激，所以取其动断触点的状态作为X关主。程序2升降程序

横梁上升其转换主令信号为SA，处于受激状态，所以X开主取SA动合触点的状态，为了防止升、降按钮同时按压的误操作，将的动断触点的状态作为X开约。在开关边界线内X开主·X开约=SA·=1，所以不需要自锁环节。KM-D的逻辑函数式原理上与此相同，只是选择SBL为下降按钮。横梁上升其转换主令信号为SA，处于受激状态，所以取SA动合触点的状态，为了防止升、降按钮同时按压的误操作，将SBL的动断触点的状态作为。在开关边界线内·=SA·=1，所以不需要自锁环节。KM-D的逻辑函数式原理上与此相同，只是选择SBL为下降按钮。程序3夹紧程序若横梁上升时转换主令信号为SBH，它由受激转为常态；若横梁下降时，转换主令信号是SBL，也是由受激转为常态。前者X开主=(SBH的动断触点)，X开约=SA·；后者X开主=(SBL的动断触点)，X开约=SA·。由于SA在开关边界线内由1→0，所以需要自锁。KS为关断主令信号，由常态到受激，所以取KS的动断触点的状态。其逻辑函数式也可由状态表校验，程序3的特征数为〔10、000〕，而逻辑函数式中第一项

实为〔10〕状态逻辑函数为“1”的组合，其中、作为最后一个“0”。化简为。KS在横梁夹紧后，因电动机堵转，电流加大超过其动作值而动作，利用其受激作为X关主=，所以第二项为KM-B。由于第三程序内始终为“1”，所以将上式演变为

6．画电路图按上面求出的逻辑函数式画电路图，这时应注意元件的触点数。例如以上程序中有三式内都有SA，一个行程开关可能没有这许多触点，这时可利用中间继电器增加等效触点，或者分析可否找到等位点，对于上面的式子只要将SA置于最前面位置，成为KM-U、KM-D、KM-B公共通路，则SA将包含在这三个逻辑函数式内。因为将SA合并，也就是将KM-B的关断信号·KM-B与SA并联，因而要分析其影响。由于KM-U、KM-D不工作时SBH、SBL=0，所以这样并联对KM-U、KM-D无影响，但可节省SA的一副动断触点。其电路如图2-29所示。图2-29横梁升降电路之一电路中SBH、SBL的触点是两动断、两动合，数量太多、元件难以满足要求，同时控制按钮到开关柜的距离也很远，穿线太多，应予简化。若

KB=SBH+SBL则同理可得根据以上关系作电路图如图2-30所示。图2-30横梁升降电路之二

2-31横梁升降电路之三

7．进一步完善电路，加上必要的联锁保护等辅助措施，校验电路在各种状态下是否满足工艺要求。最后得到完整电路如图2-31所示。必须说明，考虑到短时间压SBH或SBL，则SA尚未触动，没有转入程序2，也不能进入程序3。但此时横梁已有松动，加工时易造成废品。产生这种现象的原因是列状态表时认为SBH／SBL在第一、第二程序内均为“1”，但这种误操作使按钮SBH／SBL在第一程序内就由“1”→“O”，使横梁不能锁紧。为克服此缺点，横梁放松应加自锁环节，以保证放松后一定夹紧。至于其他保护，联锁、互锁等在经验设计法中已叙述，此处从略。例2

纵向、横向液压缸进给液压系统电气控制电路的逻辑设计。第一步按加工工艺列出工作循环图或示意图。进给系统的液压系统如图2-32所示。由液压系统图可知三位四通阀1起纵向进退控制作用。YV1得电、纵向进给，YV2得电，纵向后退。常通式二位二通阀2决定进给速度，当YV3得电，油路关断，油流经节流阀，进给速度是工作时的速度；当YV3失电，油路无阻碍，进给速度是高速。图2-32纵向、横向液压缸进给系统液压系统图方向阀4、5及节流阀6作用与方向阀1、2及节流阀3作用完全相同，仅是为了控制横向液压缸。液压缸的进给工艺循环如下：按向前按钮后，纵向液压缸带动刀具快进(YV1得电，YV3失电)，碰行程开关ST2，转为工作进给(YV3得电，YV1维持得电)。碰ST3，工进完成，利用死挡铁停留，保证加工工件的尺寸精度。纵向工作完成后转入横向快进(YV4得电、YV6得电)。工作进给完成后，碰ST6，横向液压缸快速退回沿途使ST5复位(YV5失电为横向快退)。整个横向工作阶段，纵向液压缸电磁铁YV1、YV3始终得电。当横向液压缸退回原位时，压行程开关ST4，横向退回停止(YV5失电)，转入纵向快速退回(YV2得电)，ST3、ST2先后复位。退至原位时，压行程开关ST1(YV2断电)，纵退停止，完成一个工作循环。其工作循环如图2-33所示。第二步根据工艺循环，作出执行元件节拍表及检测元件状态表。按第一步叙述的工艺循环及液压系统图可列出节拍表及状态表如表2-13所示。第三步找出待相区分组，确定中间记忆元件。按程序顺序分别写出其特征数，当两组特征数相同时，以拉丁字母A、B、C…命名组数，如表2-14所示。图2-33工作循环图表2-13转换表

程序名称执行元件节拍表检测元件状态表转换主令YV1YV2YV3YV4YV5YV6SA1SA2SA3SA4SA5SA6SBO原位------1OO1OOO1纵快+-----OOlOOSB2纵工+-+---O1O1OOOSA23横快+-++--O11OOOSA34横工+-++-+O11O1OOSA55横退+-+-+-O11OOSA66纵退-+----O10OOSA4

0′原位------1OOlOOOSA1按程序转换顺序找出的待相区分组，就可方便的决定中间记忆单元。方法是画一长圈，使圈内包含的单个拉丁字母尽量多，长圈的上下两端就是中间记忆元件的上下开关边界