气压逻辑回路与控制系统课件

第11章 气压逻辑回路与控制系统 11.1 逻辑代数 11.2 气压逻辑回路 11.3 逻辑回路的设计 11.4 程序控制系统 11.5 可编程控制器及其应用 返回返回 11.1 逻辑代数 1.三种基本逻辑运算及其恒等式 (1) 逻辑或（加）运算 s=a+b （11.1） 式中：s因变量，也称为逻辑函数，它是逻辑元件的输出； a，b自变量，它们是逻辑元件的输入。 逻辑或（加）的运算规则是a，b中的一个为真（“1”）时 ，则s为真（“1”）。其恒等式为： a+0=a，a+1=1，a+a=a 用数值表示的运算规律为： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 三种基本逻辑运算及其恒等式(2/2) (2) 逻辑与（乘）运算 s=ab （11.2） 逻辑与（乘）的运算规则是仅当均a，b为真（“1” ）时，s才为真（“1”）。其恒等式为： a0=0，a1=a，aa=a 数值表示的运算规则为： 00=0 01=0 10=0 11=1 (3) 逻辑非（否）运算 （11.3） 它的运算规则是a为假（“0”）时，s为真（“1”）， s和a的值总处于对应状态。 数值运算规则为： 2.基本定律 基本定律有交换律、结合律和分配律三个，它的运 算规则与普通代数相同。 (1) 交换律 （11.4） (2) 结合律 （11.5） (3) 分配律 （11.6） 3.形式定律 形式定律也是逻辑运算中常用的运算定律，通过 形式定律和基本定律可实现对逻辑函数的化简。为了便 于区别，给以不同的命名。 (1) 吸收律 （11.7） (2) 展开律 （11.8） (3) 反映律 （11.9） 形式定律(2/2) (4) 狄摩根定律 （11.10） (5) 过渡律 （11.11） (6) 交叉换位律 （11.12） 4.逻辑运算规则和对偶定理 (1) 逻辑运算规则 在逻辑代数运算中，运算规则是按非、与、或， 先括号内后括号外的顺序进行，不影响运算次序的括号 可以去掉。 (2) 对偶定理 分析上述基本定律和形式定律可知，逻辑代数运 算中存在或、与，0、1对偶互换性。也就是说，在某一 逻辑公式中进行或、与互换，0、1互换，得到新的逻辑 公式也成立，这种性质称为对偶性，对偶定理可作如下 叙述。 对偶定理：若某个由基本定律导出的逻辑公式， 则其对偶公式也成立。 5.逻辑函数、真值表、基本逻辑门和逻辑图 (1) 逻辑函数 由逻辑变量及其逻辑关系组成的逻辑代数式称为逻 辑函数，记作 （11.13） 式中：s逻辑函数； f表示逻辑函数与逻辑变量之间的逻辑关系； a，b逻辑变量。 (2) 真值表 逻辑函数及其逻辑变量之间的全部数值用一张表表 示，则称此表为真值表。 逻辑函数、真值表、基本逻辑门和逻辑图(2/2) (3) 基本逻辑门 具有基本逻辑功能的元器件称为基本逻辑门，每 个基本逻辑门都对应有相应的逻辑函数和真值表，任 意的逻辑函数都可以通过基本逻辑门构成。基本逻辑 门包括与门、或门和非门三种。 (4) 逻辑图 任一逻辑函数，无论多么复杂，都可以用相应的 逻辑图表示。构成逻辑图的方法是将逻辑函数分解成 若干基本逻辑门，根据逻辑函数关系连接而成。逻辑 函数中每一个逻辑变量均为基本逻辑门的输入，基本 逻辑门的输出可以是下一个基本逻辑门的输入，最后 一个逻辑门的输出是逻辑函数的输出。 11.2 气压逻辑回路 气压逻辑回路是把气压回路按照逻辑关系组合而成 的回路。按照逻辑关系可把气信号组成“是”，“或”，“与 ”，“非”等逻辑回路。用这些逻辑回路进行信号变换，有 助于控制系统的设计。 表11.3中介绍了几种常见的逻辑回路，表中右边的“ 真值表”即逻辑回路的动作说明表。a，b为输入信号，S 为输出信号。 11.3 逻辑回路的设计 1.逻辑代数法 应用逻辑代数法设计逻辑回路，其基本步骤如下： 1）数学化实际问题，列出输入输出真值表； 2）由真值表列写逻辑函数； 3）化逻辑函数为最简逻辑函数； 4）根据最简逻辑函数作逻辑原理图及气压逻辑回路 图。 2.卡诺图法 (1) 用卡诺图化简逻辑函数 用卡诺图化简逻辑函数是一种既简单，又直观的方 法。卡诺图是真值表的一种变换，它比真值表更明确地 表示出逻辑函数的内在联系。使用卡诺图可以直接写出 最简逻辑函数，避免了繁锁的逻辑代数运算。 卡诺图是一个如同救生圈状的立体图形，为了便于 观察和研究，将它沿内圈剖开，然后横向切断展开成一 个矩形图形。 若自变量为一个，则卡诺图上有两个方格，自变量 为两个，则卡诺图上有四个方格，自变量为三个，则卡 诺图上有八个方格，。方格数是自变量的可能排列 组合数，即方格数为2n个。其中n为变量的个数。 卡诺图法(2/2) (2) 卡诺图法在逻辑回路设计中的应用 逻辑代数是设计逻辑回路的重要数学工具，而卡 诺图为逻辑函数化简提供了简便方法。对于逻辑控制 系统而言，不但需要有必要的逻辑控制元件，还需有 例如启动信号（手动或自动），主控阀（双气控制换 向阀）及执行机构等，才能构成较为完整的逻辑控制 系统。 11.4 程序控制系统 程序控制系统是工业生产领域，尤其是气压装置中广 泛应用的一种控制系统。程序控制包括数字程序控制和简 单程序控制两类。按发信装置和控制信号不同，简单程序 控制可分为行程程序控制和时间程序控制两种。 程序控制是根据生产过程中的物理量，例如位移、时 间、压力、温度、液位等的变化，使被控对象的各执行元 件按照预先给定的程序或条件有序协调地工作。 行程程序控制是闭环程序控制系统，如图11.13所示。 当启动输入信号发出后，逻辑回路将发出执行信号，控制 执行机构执行第一步动作，完成第一步动作后，触发行程 阀或行程开关，发出气的或电的控制信号，经逻辑回路发 出第二个执行信号，实现第二动作，整个系统将按 预先给定的程序循环工作。显然只有完成第一步动作后， 才有可能进行下一步动作，这种控制方式具有连续的控制 作用，极为安全可靠，是气压设备上应用最为广泛的一种 控制方式。 行程程序控制系统包括发信装置、执行机构、逻辑控 制回路、动力源等。发信装置发出执行信号，通常是行程 阀，行程开关等，此外还有力、压力、温度等的传感器也 可用来作为发信装置。执行元件和它联动的机构称为执行 机构，常用的执行元件有气缸、气压马达、气压阀等。逻 辑控制回路是根据系统程序控制要求，由气压方向阀，气 压逻辑元件或电气逻辑元件等构成。动力源由空气压缩机 、油水分离器、干燥器、储气罐、调压阀、油雾器等组成 。 根据气压缸在工作运行一个周期中往复动作的次数， 行程程序控制系统分为单往复和多往复两种。为适应生产 的需要，程序系统可设计成可以选择的程序控制，程序的 选择可以是预先选定，也可以在运行过程中，根据某种条 件自动选定。也可根据需要设计成压力控制，时间控制系 统。 1.气压系统中常用的电气电路 (1) 控制继电器 常用的控制继电器包括时间继电器、压力继电器、热 继电器、温度继电器等。控制继电器被广泛地应用于电力 拖动、程序控制、自动调节与自动检测系统中。图11.14为 控制继电器的工作原理图。它由按钮开关，电磁铁线圈、 触点、接线柱等构成。通过按钮开关，使电磁铁线圈通电 励磁，吸合触点，控制回路闭合通电。 串联电路(1/1) (2) 串联电路 串联电路也称逻辑“与”电路。一台设备需几个人进行 操作时，为保证安全，需要每个操作者控制一个设备启动 开关，只有当每个操作者都按下自己控制的启动开关时， 设备才能开始运行。图11.15为串联电路一例。由图可知， 只有当SB1、SB2、SB3均被按下闭合，电磁阀线圈YA才能 通电励磁。称具有这种功能的电路为串联电路。 并联电路(1/1) (3) 并联电路 并联电路也称为逻辑“或”电路。一台设备同时几个人 操作时，为确保安全，也需要每个操作者都控制一个设备 停止按钮，只要其中任一操作者按下自己控制的设备停止 按钮，设备即刻停止运行。具有这种控制功能的回路可由 并联电路来实现。如图11.16所示，由图可知，按钮开关 SB1、SB2、SB3中，任何一个开关被闭合时，电磁阀线圈 YA即可通电励磁 。 自保持电路(1/2) (4) 自保持电路 自保持电路也称为记忆电路，由于常用的按钮通常是 即开按钮，是一个短时间信号。欲使电路保持通电信号， 需要有保持电路来维持。图11.17为保持电路的一种，由图 可知，只需按钮开关SB1动作一次，灯A将继续保持灯灭状 态，灯B将继续保持灯亮状态。因此称此电路为自保持电 路。 自保持电路(2/2) 要解除电路的自保持，可在触点KA2与继电器KA之间 加入一个常闭按钮开关SB2，如图11.18所示。当按下按钮 开关SB1后，电路进入自保持状态。当按下停止按钮SB2， 自保持状态将被解除。 延时电路(1/1) (5) 延时电路 由于现代气压自动化设备所能完成的工艺过程越来越 复杂，各工序之间需按一定时间紧密地配合，要求工艺过 程时间可随人们的要求在某一定范围内调整。为此，需要 利用延时电路加以实现。 图11.19为延时电路，图 11.19a为延时闭合电路，延时时 间由定时器KT确定。当按下启 动按钮SB，定时器KT开始计数 ，经过规定时间后，定时器触点 KT接通，电灯XD亮。图11.19b 为延时断开电路。当按下SB， 定时器触点KT同时接通，电灯 XD亮，放开SB，定时器开始计 数，到规定时间后，定时器触点 KT才断开，XD灯灭。 优先电路(1/3) (6) 优先电路 所谓优先电路，是指当得到相互矛盾动作信号时，使 先加入信号优先动作，而后加入信号不起作用的电路。通 常称具有这种功能的电路为先入信号优先电路。为说明问 题，下面先分析一个例子。 图11.20a为双电磁铁中位封闭式三位四通阀控气压缸 ，图11.20b为控制它的电路。 优先电路(2/3) 工作开始时，按下按钮SB1，继电器KA1通电励磁， 并进入自保持状态，列号5的继电器触点KA1闭合通电，电 磁阀线圈YA1励磁，换向阀换向，气缸前进，当活塞杆前 端与限位开关SQ1接触后，继电器KA1自保持状态被解除， 线圈YA1被消磁，换向阀复位，气缸停止前进。按下按钮 SB2，继电器KA2通电励磁并进入自保持状态，列号6继电 器触点KA2闭合，线圈YA2励磁，换向阀换向，气缸后退 ，当活塞前端与限位开关SQ2接触，继电器KA2自保持状态 被解除，YA2同时也被消磁，换向阀复位，气缸停止运动 。乍看起来，上述电路似乎可以没有问题地完成气缸往复 运动。 优先电路(3/3) 但当活塞处于中间位置，限位开关SQ1、SQ2均处于闭 合状态，同时或先后按下SB1和SB2（SQ1压开前），此时 继电器KA1、KA2均进入自保持状态，YA1、YA2均被励磁 ，换向阀无法进入正常工作，导致电磁铁过热或烧坏。为 使该系统能正常工作，需采用优先电路加以控制。图11.21 为先入优先联锁电路。该电路利用继电器常闭触点KA1， KA2实现优先联锁作用。 2.行程程序控制系统的设计 行程程序控制系统通常包括单往复行程程序控制系统 ，多往复行程程序控制系统，选择程序控制系统等。常用 的行程程序控制系统的设计方法有信号动作线图法（X- D线图法）、卡诺图法、程序控制线图法等。这里介绍一 种更为常用的设计方法X-D线图法。 (1) 单往复行程程序控制系统的设计 在给定的行程程序一次循环过程中，系统中各执行元 件只作一次往复运动的系统称为单往复行程程序控制系统 。应用XD状态线图法设计行程程序控制系统的步骤为： 1）根据事先给定的行程程序绘制XD状态线图。 2）由XD状态线图判别障碍信号。 3）寻求消除障碍信号方式，确定执行信号。 4）作程序控制逻辑原理图及气压控制线路图。 行程程序控制系统的设计(2/3) (2) 多往复行程程序控制系统的设计 多往复行程程序是指程序运行一个循环中，至少有一 个气压缸作一次以上的往复运动。 (3) 选择程序控制系统的设计 前面介绍的都是按某一固定程序运行的程序控制系统 。但为适应生产工艺提出的不同要求，需要有选择程序控 制系统。所谓选择程序控制系统，它所运行的程序不是固 定，而是多个程序，要执行哪个程序，是根据某条件或要 求确定的。 行程程序控制系统的设计(3/3) 选择程序控制系统可分为自动选择程序和人工预选程 序两种。下面分别加以讨论。 1）自动选择程序控制系统 自动选择程序控制系统的特点是，当系统完成某一动 作后，下一步应执行哪一动作，要根据检测元件的信号来 确定。例如一台检测产品质量的设备，不可能事先知道某 件产品合格与否，必须根据检测结果，由传感器给出合格 与否的信号，根据此信号决定该产品应送入成品库还是废 品库。即由传感器的信号自动选择程序运行。 2）人工预选程序 人工预选程序是在系统运行前由操作者根据需要，通 过“程序预选阀”事先选择好所要执行程序。 11.5 可编程控制器及其应用 PLC可编程逻辑控制器与传统的继电器逻辑控制相 比，具有如下优点： （1）体积小，可靠性高，逻辑功能强。 （2）由于PLC采用软件编程控制，因而随着要求的 随时变更，可以通过程序的修改方便地加以实现。 PLC虽然采用了计算机和微处理器，但它与计算机 相比，又具有如下特点。 （1）PLC采用了面向逻辑语言，以继电器逻辑梯形 图为表达式，因而简单易懂，操作方便。 （2）一般PLC具有模块结构，可以针对不同的对象 进行组合和扩展，以满足工业控制的需要，具有良好的 性能价格比。 图11.38为可编程控制器系统框图。 1.指令系统及编程 (1) 触点指令 触点指令包括运算开始、串联连接、并联连接。指 令操作符为LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI等。梯形 图中画法为： 其中： LD取，取支路起始段的常开触点； LDZ取反，取支路起始段的常闭触点； AND与，常开触点的串联； ANI与反，常闭触点的串联； OR或，常开触点的并联； ORI或反，常闭触点的并联。 指令系统及编程(2/6) (2) 块指令 块指令包括回路块串联与并联指令，指令操作符为 ANB、ORB。梯形图中画法为： 其中ANB块与为A块和B块串联运算。 ORB块或为A块和B块并联运算。 指令系统及编程(3/6) (3) 输出指令 输入指令包括输出、直接输出等，指令操作符为OUT 、OUTD。其中OUT输出，将逻辑运算结果输出给指定装 置。OUTD直接输出，直接输出给指定输出继电器Y的输 出模板。 (4) 置位、复位指令 置位指令操作符为SET，复位指令操作符为RST。 (5) 直接置位、复位指令 直接置位、直接复位操作符分别为SETD、RSTD。 (6) 定时器指令 定时器指令操作符为OUT T。 指令系统及编程(4/6) (7) 步控制指令 步控制指令操作符为SC，它是控制步（过程控制）的 指令，使用这条指令，对过程控制复杂的系统，也能简单 地完成编程任务。对于一个过程控制，通常可表示成如下 形式。 指令系统及编程(5/6) 应用步控制指令SC，可作出如下梯形图。 指令系统及编程(6/6) 图中M8011仅第一次扫瞄时ON，在程序动作的第一 次扫瞄部使L0000 ON，程序处于初始状态，同时使其他 的继电器L0001L001F均为OFF。如果X000 ON，由于 L0000已经ON，所以L0001也ON，同时使L0000 OFF