【电器与PLC 控制技术】第3 章 电气控制系统的设计.pdf

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1、 第 3 章 电气控制系统的设计 任何生产机械电气的控制系统设计都包括两个基本方面，一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，即决定生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。本章将在前面各章分析的基础上，针对某些生产机械，讨论如何完成其电气控制系统设计，即完成一个电气控制系统设计应遵循的基本原则。3.1 电气控制系统设计的基本原则 在现代生产的控制设备中，对机电、液电、气电等设备的配合要求越来越高

2、。虽然生产机械的种类繁多，其电气控制设备也各不相同，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本是相同的。电气控制系统设计的基本原则就是：在最大程度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠、动作准确、结构简单、经济，电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。3.1.1 电气控制系统设计要求 电气控制系统的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的，是传动形式与控制方案的具体化。其设计灵活多变，没有固定的方法和模式，即使是同一个电路的功能结构，不同人员设计出来的线路可能完全不同。因此，作为设计人员，应该随时发现和总结经验，不断丰富和拓宽思路，才能做出最为合理的

3、设计。一般情况下，电气控制系统的设计应满足生产机械加工工艺的要求，线路要安全可靠，操作和维护方便，设备投资少等。因此，要求控制电路的设计必须正确，并能合理地选择电器元件。一般在设计时应该满足以下要求。1.最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求 首先要对生产要求、机械设备的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分了解。生产工艺要求一般是由机械设计人员提供的，实际执行时有些地方可能会有些差异，这就需要电气设计人员深入现场对同类或接近的产品进行调查、分析和综合，从而作为设计电气控制线路的依据。并在此基础上考虑控制方式，启动、反向、制动及调速的要求，设置各种联锁及保护装置。电器与 PLC 控制

4、技术 66 66 2.在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单、经济(1)尽量选用标准的、成熟的环节和线路。(2)尽量缩短连接导线的数量和长度。设计控制线路时，应合理安排各电器的位置、考虑各个元件之间的实际接线。要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线，如图 3.1(a)和图 3.1(b)所示，仅从控制线路上分析，没有什么不同，但若考虑实际接线，图 3.1(a)就明显不合理，因为按钮在操作台上，而接触器在电气柜内，这样就需要由电气柜二次引出较长的连接线到操作台的按钮上。而图 3.1(b)的连接是将启动按钮和停止按钮直接连接，这样就可以减少一次引出线，减少布线的麻烦和导线的使用数量。特别要注

5、意，同一电器的不同触头在线路中应尽可能具有更多的公共接线，这样可以减少导线数和缩短导线的长度。图 3.1 电器连接图(3)尽量减少电器数量，采用标准件，尽可能选用相同型号的电器元件，以减少备用量。(4)尽量减少不必要的触头，简化控制线路以减小控制线路的故障率，提高系统工作的可靠性。为此可采用以下 4 种方法。合并同类触头。如图 3.2 所示，在获得同样功能的情况下，图 3.2(b)比图 3.2(a)在电路中减少了一对触头。但是在合并触头时应注意触头对额定电流值的限制。图 3.2 同类触头的合并 利用转换触头。利用具有转换触头的中间断电器，将两触头合并成一对转换触头，如图 3.3 所示。利用半导

6、体二极管的单向导电性来有效减少触头数，如图 3.4 所示。对于弱电电气控制电路，这样做既经济又可靠。第 3 章 电气控制系统的设计 6767 图 3.3 转换触头的应用 图 3.4 利用二极管等效 利用逻辑代数进行化简，以便得到最简化的线路。(5)线路在工作时，除必要的电路必须通电外，其余的尽量不通电以节约电能，并延长电路的使用寿命。由图 3.5(a)可知，接触器 KM2 得电后，接触器 KM1 和时间继电器 KT就失去了作用，不必继续通电，但它们仍处于带电状态。图 3.5(b)线路比较合理。在 KM2得电后，就切断了 KM1 和 KT 的电源，节约了电能，并延长了该电器的寿命。图 3.5 减

7、少电器通电时间电路 电器与 PLC 控制技术 68 68 3.保证控制线路工作的可靠性(1)选用的电器元件要可靠、抗干扰性能好。(2)正确连接电器的线圈。在交流控制电路中不能串联接入两个电器的线圈，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也是不允许的，如图 3.6(a)所示。因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总是有先有后，不能同时吸合。若接触器 KM1 先吸合，线圈电感显著增加，其阻抗比未吸合的接触器 KM2 的阻抗大，因而在该线圈上的电压降增大，使 KM2 的电压达不到动作电压。因此，若需两个电器同时动作时，其线圈应该并联连接，如图 3.6(b)所示。图 3.6 线圈在交

8、流控制线路中的连接 在直流控制电路中，对于电感较大的电磁线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等，不宜与相同电压等级的继电器直接并联工作。如图 3.7(a)所示，当触头 KM 断开时，电磁铁 YA 线圈两端产生大的感应电动势，加在中间继电器 KA 的线圈上，造成 KA 的误动作。为此在 YA 线圈两端并联放电电阻 R，并在 KA 支路中串入 KM 常开触头，如图 3.7(b)所示，这样就能获得可靠工作。图 3.7 大电感线圈与直流继电器线圈的连接(3)正确连接电器的触头设计时，应使分布在线路不同位置的同一电器触头尽量接到同一极或同一相上，以避免在电器触头上引起短路。如图 3.8(a)所示，

9、限位开关 SQ 的常开触头与常闭触头靠得很近，而在电路中分别接在不同相上，当触头断开产生电弧时，可能在两触头间形成电弧而造成电源短路，若改接成如图 3.8(b)所示的形式，因两触头电位相同，就不会造成电源短路。第 3 章 电气控制系统的设计 6969 图 3.8 正确连接电器的触头 在控制电路中，应尽量将所有电器的联锁触头接在线圈的左端，线圈的右端直接接电源，这样可以减少线路内产生虚假回路的可能性，还可以简化电气柜的出线。(4)在控制线路中，采用小容量继电器的触头来断开或接通大容量接触器的线路时，要计算继电器触头断开或接通容量是否足够，不够时必须加小容量的接触器或中间继电器，否则工作不可靠。(

10、5)在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应选加重型的接触器，同时应有电气和机械的联锁。(6)在线路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制线路。图 3.9(a)中的继电器 K4 需要在 K1、K2、K3 相继动作后才接通。改为如图 3.9(b)所示的接线形式，每一继电器的接通只需经过一对触头，工作可靠性大大提高了。图 3.9 触头的连接(7)防止触头竞争现象。图 3.10(a)为用时间继电器的反身关闭电路。当时间继电器 KT的常闭触头延时断开后，时间继电器 KT 线圈失电，又使经 ts秒延时断开的常闭触头闭合，以及经 t1秒瞬时动作的常开触头断开。若 tst1，则电路能反身关闭；若

11、 tst1则继电器KT 再次吸合，这种现象就是触头竞争。在此电路中，增加中间继电器 KA 便可以解决，如图 3.10(b)所示。电器与 PLC 控制技术 70 70 图 3.10 反身自停电路(8)设计的线路应能适应所在电网情况，如电网容量的大小，电压频率的波动范围，以及允许的冲击电流数值等。据此决定电动机的启动方式是直接启动还是间接(降压)启动。(9)防止寄生电路。控制电路在正常工作或事故情况下，发生意外接通的电路叫寄生电路。若控制电路中存在寄生电路，将破坏电器和线路的工作顺序，造成误动作。图 3.11所示电路在正常工作时能完成正、反向启动，停止时信号指示，但当热继电器 FR 动作时，线路出

12、现了寄生电路，如图 3.11 中虚线所示，使正向接触器 KMl 不能释放，起不了保护作用。图 3.11 寄生电路 4.控制线路工作的安全性 电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的有害影响，避免因误操作而发生事故。在自动控制系统中，常用的保护环节有短路、过流、过载、过压、失压、弱磁、超限、极限等。这些内容已在第 2 章中作了介绍。5.保证操作、安装、调整、维修方便和安全 为了使电器设备维修方便，使用安全，电器元件应留有备用触头，必要时应留有备用第 3 章 电气控制系统的设计 7171电器元件，以便检修调整改接线路；应设置隔离电器，以免

13、带电检修。控制机构应操作简单，能迅速而方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式，例如由手动控制转换到自动控制。为避免带电维修，每台设备均应装有隔离开关。根据需要可设置手动控制及点动控制，以便于调整设备。必要时可设多点控制开关，使操作者可在几个位置均能控制设备。需要注意的是装有手动电器的控制线路和带行程开关的控制线路，一定要有零压保护环节，以避免由于断电时手动开关没扳到分断位置或行程开关恰好被压动，在恢复供电时造成意外事故。还要注意实际上总有误操作的可能性，在控制线路中应该加入必要的联锁保护。3.1.2 电气控制系统设计的基本内容 电气设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设备制造和使用维修过

14、程中所必需的各种图纸、资料，其中包括电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气原理图、控制面板布置图等，编制设备清单、电气控制系统操作使用及维护说明书等资料。因此，电气控制系统设计包含原理设计与工艺设计两部分。1.原理设计内容 电气原理设计是整个系统设计的核心，它是工艺设计和制定其他技术资料的依据，电气控制系统原理设计内容主要包括以下部分。(1)拟定电气设计任务书。(2)确定拖动方案，选择所用电动机的型号。(3)确定系统的整体控制方案。(4)设计并绘制电气原理图。(5)计算主要技术参数并选择电气元件。(6)编写元件目录清单及设计说明书，为工程技术人员的使用提供方便。2.工艺设计内容 工

15、艺设计的主要目的是便于组织电气控制系统的制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的调试、维护、使用提供必要的图样资料。工艺设计的主要内容如下。(1)根据设计原理图及所选用的电器元件，设计绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总装配图应能反映各电动机、执行电器、各种电器元件、操作台布置、电源及检测元件的分布状况；总接线图应能反映系统中的电器元件各部分之间的接线关系与连接方式。(2)根据原理框图和划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部分的元件目录表，并根据总图编号统计出各组件的进出线号。(3)根据组件原理电路及选定的元件目录表，设计组件装配图(电器元件布置与安装图)、接

16、线图，图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。这些资料是组件装配和生产管理的依据。(4)根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图，标明技术要求。这些图样是机械加工和外协作加工所必需的技术资料。(5)设计电气原理图。根据组件尺寸及安装要求确定电气柜结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电器与 PLC 控制技术 72 72 电气原理图设计中，应注意操作维护方便与造型美观。(6)根据总原理图、总装配图及各组件原理图资料进行汇总，分别列出外购件清单，标准件清单以及主要材料消耗定额。这些是生产管理(如采购、调度、配料等)和成

17、本核算所必须具备的技术资料。(7)编写使用维护说明书。3.1.3 电气控制系统设计步骤 根据电气设计的内容，电气控制系统设计的基本步骤如下。(1)拟定电气控制系统设计任务书。电气控制系统设计任务书是整个电气设计的依据，任务书中除扼要说明所设计设备的型号、用途、加工工艺、动作要求、传动参数及工作条件外，还要说明以下主要技术指标及要求。控制精度和生产效率的要求。电气传动基本特性，如运动部件数量、用途、动作顺序、负载特性、调速指标、启动、制动方面的要求。稳定性及抗干扰要求。联锁条件及保护要求。电源种类、电压等级。目标成本及经费限额。验收标准及验收方式。其他要求，如设备布局、安装要求、操作台布置、照明

18、、信号指示、报警方式等。(2)确定拖动(传动)方案、选择电动机型号。根据零件加工精度、加工效率、生产机械的结构、运动部件的数量、运动方式、负载性质和调速等方面的要求以及投资额的大小，确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟定电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制方案。在这里，电动机的选择非常重要，选择电动机的基本原则如下。电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以保证加工过程中运行稳定并具有一定的调速范围与良好的启动、制动性能。工作过程中电动机容量能得到充分利用。电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。在满足设计要求的情况下、应优先考虑采

19、用结构简单、价格便宜、使用和维护方便的三相交流异步电动机。如果生产设备的各部分之间不需要保证一定的内在联系，则可采用多台电动机分别拖动的方式，以缩短设备的传动链，提高传动效率，简化设备结构。根据设备中主要电动机的负载情况、调速范围及对启动、反向、制动的要求确定拖动形式。一般设备采用交流拖动系统，利用齿轮箱变速，为了扩大调速范围、简化设备结构，也可采用双速或多速笼型异步电动机及绕线型异步电动机。如果设备对启动、制动要求很高，需要无级调速，应该采用直流电动机调速系统或交流变频调速系统。与此同时需要注意电动机调速的性质，应当与负载特性相适应。例如负载需要恒功率调速时，可采用定子绕组由三角形改为双星形

20、连接的双速电动机或直流它励电动机的调磁调速。负载需要恒转矩调速时，可选用定子绕组由星形连接改成双星形的交流双速电机或直流它励电动机调压调速。第 3 章 电气控制系统的设计 7373(3)确定控制方案。为了保证设备协调准确动作，充分发挥其效能，在确定控制方案时，应考虑以下几点。确定控制方式。根据控制设备复杂程度及生产工艺精度要求的不同，可以选择几种不同的控制方式。例如：继电接触控制、顺序控制、PLC 控制、计算机联网控制等。满足控制线路对电源种类、工作电压、频率等方面的要求。构成自动循环。画出设备工作循环简图，确定行程开关的位置。如在电液控制时要确定电磁铁和电磁阀的通断状态，列出上述电器元件与执

21、行动作的关系表。确定控制系统的工作方法。一台设备可能有不同的工作方式，例如自动循环、手动调整、动作程序转换及控制系统中的检测等，需逐个予以实现。妥善考虑联锁关系及电气保护。联锁关系及电气保护是保证设备运行、操作相互协调及正常执行的条件，所以在制定控制方案时，必须全面考虑设备运动规律和各动作的制约关系，完善保护措施。(4)画出电气控制线路原理图。(5)选择电器元件，制定电机和电器元件明细表。(6)设计电气柜、操作台、电气安装板，画出电机和电器元件的总体布置图。(7)绘制电气控制线路装配图及接线图。(8)编写设计计算说明书和使用说明书。3.2 电气控制系统的设计方法 原理线路设计是原理设计的核心内

22、容。在总体方案确定之后，具体设计是从电气原理图开始的，如上所述，各项设计指标是通过控制原理图来实现的，同时它又是工艺设计和编制各种技术资料的依据。电气原理图设计的基本步骤如下。(1)根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。(2)根据各部分要求设计出原理框图中各个部分的具体电路。设计的步骤为主电路控制电路辅助电路联锁与保护检查、修改与完善。(3)绘制总原理图。按系统框图结构将各部分联成一个整体。(4)正确选用原理线路中每一个电器元件，并制订元器件目录清单。对于比较简单的控制线路，例如普通机械或非标设备的电气配套设计，可以省略前两步直接进行原理图设

23、计和选用电器元件。但对于比较复杂的自动控制线路，生产机械或者采用微机或电子控制的专用检测与控制系统，要求有程序预选和一定的加工精度、生产效率、自动显示、各种保护、故障诊断、报警应按上述 4 步骤进行设计，以保证总装调试的顺利进行。电气原理设计的方法主要有分析设计法(又称经验设计法)和逻辑设计法两种，下面将分别介绍。3.2.1 分析设计法 所谓分析设计法指根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节(单元电路)或将经过电器与 PLC 控制技术 74 74 考验的成熟电路按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，以综合成满足控制要求的完整线路。当找不到现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计，将

24、主令信号经过适当的组合与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信号。设计过程中，要随时增减元器件和改变触头的组合方式，以满足拖动系统的工作条件和控制要求，经过反复修改得到理想的控制线路。分析设计法的特点是无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者所掌握，对于具有一定工作经验的电气人员来说，也能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。其缺点是设计方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周时会影响线路工作的可靠性。由于这种设计方法以熟练掌握各种电气控制线路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制线路的经验为基础，所以又称为经验设计法。经验设计法指根据控制任务经控制系统划分为若干控制环节

25、，参考典型控制线路设计，然后考虑各环节之间的联锁关系，经过补充、修改、综合成完整的控制线路。以下主要介绍经验设计法的基本步骤及特点。1.经验设计法的基本步骤 一般的生产机械电气控制电路设计包括主电路、控制电路和辅助电路等的设计。1)主电路的设计 主要考虑电动机的启动、点动、正反转、制动及多速电动机的调速。2)控制电路的设计 主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求，包括实现加工过程自动或半自动的控制等。3)辅助电路的设计 主要考虑如何完善整个控制电路的设计，包括短路、过载、零压、联锁、照明、信号、充电测试等各种保护环节。4)反复审核电路是否满足设计原则 在条件允许的情况下，进行模拟试

26、验，直至电路动作准确无误，并逐步完善整个电器控制电路的设计。在具体的设计过程中常有两种作法：(1)根据生产机械的工艺要求，适当选用现有的典型环节。将它们有机地组合起来，并加以补充修改，综合成所需要的控制线路。(2)在找不到现成的典型环节时，可根据工艺要求自行设计电器元件和触头，以满足给定的工作条件。2.经验设计的基本特点(1)这种方法易于掌握，使用很广，但一般不易获得最佳设计方案。(2)要求设计者具有一定的实际经验在设计过程中往往会因考虑不周发生差错，影响电路的可靠性。(3)当线路达不到要求时，多用增加触头或电器数量的方法来加以解决，所以设计出的线路常常不是最简单经济的。(4)需要反复修改设计

27、草图，设计速度较慢。第 3 章 电气控制系统的设计 7575(5)一般需要进行模拟试验。(6)设计程序不固定。3.2.2 逻辑设计法 用经验设计法来设计继电接触式控制线路，对于同一个工艺要求往往会设计出各种不同结构的控制线路，并且较难获得最简单的线路结构。通过多年的实践和总结，工程技术人员发现，继电器控制线路中的各种输入信号和输出信号通常只有两种状态：通电和断电。而早期的控制系统基本上是针对顺序动作而进行的设计，于是提出了逻辑设计的思想。所谓逻辑设计法就是从系统的工艺过程出发，将控制线路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以及主令元件的接通与断开等看成逻辑变量，并将这些逻辑变

28、量关系表示为逻辑函数关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简，然后按化简后的逻辑函数式画出相应的电路结构图，使之成为“与”、“或”、“非”的最简关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后再做进一步的检查和完善，得到所需的控制线路。1.继电接触式控制线路中逻辑变量的处理 一般在控制线路中，电器的线圈或触头的工作存在着两个物理状态。对于接触器、继电器的线圈是通电与断电；对于触头是闭合与断开。在继电接触式控制线路中，每一个接触器或继电器的线圈、触头以及控制按钮的触头都相当于一个逻辑变量，它们都具有两个对立的物理状态，故可采用“逻辑 0”和“逻辑 1”来表示。任何一个逻辑问题中，

29、“0”状态和“1”状态所代表的意义必须做出明确的规定，在继电接触式控制线路逻辑设计中规定如下。(1)对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器等元件的线圈，通常规定通电为“1”状态，失电则规定为“0”状态。(2)对于按钮、行程开关元件，规定压下时为“1”状态，复位时为“0”状态。(3)对于元件的触头，规定触头闭合状态为“1”状态，触头断开状态为“0”状态。分析继电器、接触器控制电路时，元件状态常以线圈通电或断电来判定。该元件线圈通电时，其本身的常开触头(动合触头)闭合，而其本身的常闭触头(动断触头)断开。因此，为了清楚地反映元件状态，元件的线圈和其常开触头的状态用同一字符来表示，而其常闭触

30、头的状态用该字符的“非”来表示。例如对于接触器 KM1 来说，其常开触头的状态用KM1 表示，其常闭触头的状态用则用KM1表示。2.继电接触式控制线路中的基本逻辑运算 继电接触式控制线路中的基本逻辑运算可以概括为 3 种：与、或、非。下面对这 3 种基本逻辑运算做详细分析。1)继电接触式控制线路中的逻辑“与”如图 3.12 所示，用逻辑“与”来解释，只有当 K1 和 K2 两个触头全部闭合即都为“1”态时，接触器线圈 KM 才能通电为“1”态。如果 K1 和 K2 两个触头中有其中任一个触头断开，则线圈 KM 就断电。所以电路中触头串联形式是逻辑“与”的关系。逻辑“与”的电器与 PLC 控制技

31、术 76 76 逻辑函数式为式(3-1)。(KM)K1 K2f=(3-1)式(3-1)中，K1 和 K2 均称为逻辑输入变量(自变量)，而 KM 称为逻辑输出变量。2)逻辑“或”如图 3.13 所示，用逻辑“或”来解释，当触头 K1 和 K2 任意一个闭合时，则线圈 KM通电即为“1”态，只有当触头 K1 和 K2 都断开时，线圈 KM 断电即为“0”态。逻辑“或”的逻辑函数式为式(3-2)。(KM)K1K2f=+(3-2)图 3.12 逻辑“与”电路 图 3.13 逻辑“或”电路 3)逻辑“非”逻辑“非”也称逻辑“求反”。图 3.14 表示元件状态 KA 的常闭触头KA与触发器KM 线圈状态

32、的控制是逻辑非关系。其逻辑函数式为式(3-3)。(KM)KAf=(3-3)图 3.14 逻辑“非”电路 当开关 K 合上，常闭触头KA的状态为“0”，则 KM0，线圈不通电，KM 为“0”状态；当 K 打开，KA1，则 KM1，线圈通电，接触器闭合，KM 为“1”状态。在任何控制线路中，控制对象与控制条件之间都可以用逻辑函数式来表达，所以逻辑法不仅用于线路设计，也可以用于线路简化和读图分析。3.逻辑设计法的一般步骤(1)按工艺要求作出工作循环图。(2)按工作循环图画出主令元件、检测元件和执行元件等的状态波形图。(3)根据状态波形图，列写执行元件(输出元件)的逻辑函数式。(4)根据逻辑函数式画出

33、电路结构图。(5)进一步检查、化简和完善电路，增加必要的联锁、保护等辅助环节。4.逻辑电路的设计方法 逻辑电路的设计有组合逻辑电路设计和时序逻辑电路设计两种方法。下面将分别介绍这两种设计方法。第 3 章 电气控制系统的设计 77771)组合逻辑电路的设计 所谓组合逻辑电路是指执行元件的输出状态只与同一时刻控制元件的状态有关，输入、输出呈单方向关系，即只能由输入量影响输出量，而输出量对输入量无影响。以下以冲床的控制过程为例来说明如何进行组合逻辑电路的设计。(1)冲床的控制要求。为了保护冲床操作者的人身安全，采用在两地有两个人同时控制才能启动冲床的方案，如图 3.15 所示。线路中使用 3 个按钮

34、，分别为 SB1、SB2、SB3，控制冲床电机的接触器线圈为 KM，同时按下 SB1、SB2 或同时按下 SB2、SB3 时，KM 接通，其余情况下 KM均不通电。(2)组合逻辑电路的设计步骤。根据功能与要求列出元件状态表，见表 3-1。表 3-1 冲床的元件状态表 SB1 SB2 SB3 f(KM)0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 列出逻辑变量和输出变量的逻辑代数式并化简为式(3-4)。12312321313(KM)SB SB SBSB SB SBSB(SB SBSB SB)f=+=+(3-4)根据

35、逻辑代数式绘制控制电路，如图 3.15 所示。检查、完善所设计的线路。主要检查是否存在寄生电路及触头竞争，然后绘制主电路并加入必要的保护环节。尽管逻辑设计法较复杂，但其化简电路的过程容易实现。例如要求化简图 3.16(a)所示的控制电路，先列出图 3.16(a)电路的逻辑代数式为式(3-5)。(KM)(ABBC)(ABBCAC)ABCf=+(3-5)然后根据逻辑代数基本运算法则化简上面的代数式为式(3-6)。(KM)ABCABCB(ACAC)f=+=+(3-6)化简后的控制电路如图 3.16(b)所示。电器与 PLC 控制技术 78 78 图 3.15 冲床的控制电路 图 3.16 化简电路

36、组合逻辑设计方法简单，所以作为经验设计法的辅助和补充，用于简单控制电路的设计，或对某些局部电路进行简化。2)时序逻辑电路的设计 时序逻辑电路的特点是输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且还与输出量的原有状态及其组合顺序有关，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记 40 元件(如中间继电器等)记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。其设计过程比较复杂，基本步骤如下。(1)根据拖动要求，先设计主电路，明确各电动机及执行元件的控制要求，并选择产生控制信号(包括主令信号与检测信号)的主令元件(如按钮、控制开关、主令控制器等)和检测元件(如行程开关、压力继电器

37、、速度继电器、过电流继电器等)。(2)根据工艺要求作出工作循环图，并列出主令元件、检测元件及执行元件的状态表，写出各状态的特征码(一个以二进制数表示一组状态的代码)。(3)为区分所有状态(重复特征码)而增设必要的中间记忆元件(中间继电器)。(4)根据已区分的各种状态的特征码，写出各执行元件(输出)与中间继电器、主令元件及检测元件(逻辑变量)间的逻辑关系式。(5)化简逻辑式，据此绘出相应控制线路。(6)检查并完善设计线路。由于这种设计方法难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所需元件数量少，各电器元件都能充分

38、发挥作用，当给定条件变化时，能找出电路变化的内在规律，尤其在复杂电路的设计中更能显示其优越性。第 3 章 电气控制系统的设计 7979思考题与习题 3-1 将图 3.17 中的线路进行简化。图 3.17 题 3-1 图 3-2 电路如图 3.18 所示，回答下列问题。图 3.18 题 3-2 图(1)试分析其工作原理。(2)若要使时间继电器的线圈 KT 在 KM2 得电后自动断电而又不影响其正常工作，对线路应作怎样的改动？3-3 设计钻削加工时刀架的自动循环线路，如图 3.19 所示。具体要求如下。(1)自动循环，即刀架能自动地由位置 1 移动到位置 2 进行钻削，并自动退回位置 1。电器与

39、PLC 控制技术 80 80(2)无进给切削，即刀具到达位置 2 时不再进给，钻头继续进行无进给切削以提高精度。过段时间后，再自动回到位置 l。(提示：利用时间继电器)。(3)快速停车，即当刀架回到位置 1 时，自动快速停车。(提示：利用速度继电器)。3-4 设计一工作台自动循环控制线路，工作台在原位(位置 1)启动，运行到位置 2 后立即返回，循环往复，直至按下停止按钮。3-5 要求对一小型吊车设计其主电路与控制电路。小型吊车的动作过程为：小型吊车有 3 台电动机，横梁电动机 M1 带动横梁在车间前后移动，小车电动机 M2 带动提升机构在横梁上左右移动，提升电机 M3 升降重物。3 台电动机

40、都采用直接启动，自由停车。要求：(1)3 台电动机都能正常启、保、停。(2)在升降过程中，横梁与小车不能动。(3)横梁具有前、后极限保护，提升有上、下极限保护。3-6 某学校大门由电动机拖动，如图 3.20 所示。要求如下。图 3.19 刀架自动循环 图 3.20 学校大门示意图(1)长动时在开或关门到位后能自动停止。(2)能点动开门或关门。试设计其电气控制线路。3-7 试设计两台笼型电动机 Ml、M2 的顺序启动、停止的控制电路。(1)M1、M2 能顺序启动，并能同时或分别停止。(2)M1 启动后 M2 启动：M1 可点动，M2 可单独停止。3-8 试设计一个工作台前进退回控制电路：工作台由电动机 M 带动、行程开关SQ1 和 SQ2 分别装在工作台的原位和终点。要求如下。(1)前进后退停止到原位。(2)工作台到达终点后停一下再后退。(3)工作台在前进中能立即后退到原位。(4)有终端保护。