教学材料《工业电气控制》-3.3

3.3.1经验设计法经验设计法是根据要求，选用典型环节组合形成控制线路；然后添加联锁等反复设计的方法。1经验设计法的基本步骤1）主电路设计：应考虑电动机的启动，点动、正反转、制动和调速。2）控制电路设计：主要考虑满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求，包括基本控制、特殊控制，选择控制参量、确定控制原则。整机各单元的连接，生产过程自动化或半自动及调整的控制电路。3)联锁保护环节和辅助电路设计。4)线路的综合审查。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

2经验设计法举例例3-1，以下以一个龙门刨床的横梁机构升降电气控制线路设计为例来说明经验设计法的设计过程。1）控制系统的工艺要求龙门刨床上装有横梁机构，刀架装在横梁上，用来加工工件。为适应不同高度工件加工对刀的的需要，要求横梁能通过丝杆传动快速沿着立柱上下移动，横梁的上下移动一台三相交流异步电动机M1拖动。为保证零件的加工精度，当横梁点动到需要的高度时，应立即由夹紧机构将横梁夹紧在立柱上。每次移动前先松开夹紧结构。因此，设置另一台三相交流异步电动机M2拖动夹紧放松机构。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

横梁机构对电气控制有如下要求：①保证横梁能沿着立柱上下移动，夹紧机构能实现横梁的夹紧或放松。②横梁夹紧与横梁移动之间必须按照一定的顺序操作，即当横梁上下移动时，能自动按照“放松横梁→横梁上下移动→夹紧横梁→夹紧电动机自动停止运动”顺序动作。③横梁在上升和下降时应设置限位保护。④横梁夹紧与运动之间及正反向运动之间应设置联锁。2）设计步骤（1）主电路设计：升降电动机M1和夹紧放松电动机M2都要求正反转，故采用KM1、KM2、KM3、KM4四个接触器进行控制，据此设计出主电路如图3-10所示。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

（2）基本控制电路设计：横梁的升降和夹紧放松均为调整运动，采用点动控制。用两个点动按钮SB1、SB2分别控制升降和夹紧放松运动。两个按钮控制4个接触器，需增加两个中间继电器KA1、KA2根据工艺可设计出控制电路如图3-10所示。经仔细分析，该控制线路存在问题如下：①，按上升点动按钮SB1后，接触器KM1、KM4同时得电吸合，横梁上升与放松同时进行，按下降点动按钮SB2与上相同。不满足“夹紧机构先放松，横梁后移动”工艺要求。②，放松线圈KM4持续通电会使夹紧机构持续放松，没有设置横梁放松程度检测元件。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

③松开按钮SB1、SB2，横梁不能移动，夹紧线圈KM3得电吸合，夹紧电动机持续旋转，不能夹紧后自动停止。④缺上升、下降KM1、KM2的互锁⑤缺上升下降越限保护因此，需要选择控制过程变化参量，来满足工艺要求。（3）选择控制参量，确定控制原则：①反映横梁放松程度的参量采用行程开关SQ1来检测放松程度，如图3-11，横梁放松到一定程度时，其压块压动SQ1，使SQ1常闭触点断开，KM4线圈失电；同时SQ1常开触点闭合，使升降接触器KM1、KM2通电，横梁上下移动。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

②反映横梁夹紧程度的参量：夹紧力与电流量有关，夹紧力大，则电流也大。故用电流继电器来反映夹紧程度。将其动作电流整定在额定电流的2倍左右，当超过整定值，电流继电器KI的常闭触点断开，KM3线圈失电，自动停止夹紧电动机工作。（4）设计联锁保护环节：增加行程开关SQ2、SQ3分别实现横梁上下行程的限位保护。行程开关SQ1不仅反映了放松信号，还实现横梁升降前先放松的顺序控制及放松到位后停止。设置中间继电器KA1、KA2的常闭触点作为互锁保护触点实现横梁上升与下降及横梁移动与横梁夹紧之间联锁保护。熔断器FU1、FU2、FU3用作短路保护。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

（5）线路的完善与校核：线路设计完成后，有不合理地方需进一步简化。应认真仔细校核。完善有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、工作自动循环的组成、动作过程程序、电气保护及联锁条件等。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.1经验设计法

3.3.2逻辑设计法利用逻辑代数来分析、化简、设计线路的方法。要点是将控制电路中的继电器、接触器线圈的通、断与触点的闭合、断开看成逻辑函数与逻辑变量关系，由于逻辑函数式可以化简，因此，采用逻辑设计法设计较复杂控制线路比经验设计法更为合理。1机床电器逻辑电路的表示方法规定：继电器、接触器线圈得电状态为1，线圈失电状态为0；触点闭合状态为1，触点断开状态为0；如图3-12所示，逻辑或表示触点的并联，逻辑与表示触点的串联，逻辑非表示状态相反。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

2控制电路逻辑函数的化简一般生产要求的原始逻辑式较繁琐，涉及的变量多，作出的电气控制线路图复杂。在保证逻辑功能不变前提下，应用逻辑代数的定律将逻辑式进行化简，可得到简化的电气控制线路图。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

例3-2，如图3-13，用逻辑代数定律化简控制电路（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

例3-3，如图3-14，用逻辑代数定律化简该电路（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

3继电-接触器控制线路逻辑函数的一般形式图3-15为电动机启、保、停控制电路,对应图3-15（a）和（b），可分别写出逻辑函数为：式中，SB1为开启条件，为关断条件，KM为自锁信号。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

两个电路图启、保、停功能相似，但从逻辑函数表达式看却有本质区别。在式3-1中SB1=1时，fKM=1，这时按钮SB2不起控制作用，因此这种电路称为开启优先形式。式3-2中，=0时，fKM=0，这时SB1不起控制作用。因此这种电路称为关断优先形式。一般情况下，为了安全起见，均选择关断优先形式。当开启条件的转换主令信号不止一个，还有其它条件约束时，用XK表示开启信号，用XKY表示约束条件；显然，只有条件全部具备才能开启，由此，X开=XK•XKY

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

当关断条件的转换主令信号不止一个，还有其它条件约束时，用XG表示关断信号，用XGY表示约束条件；显然，只有条件全部具备才能关断，由此，X关=XG+XGY由此可得逻辑函数的一般形式：

例：设计一个动力头主轴电动机启、保、停电路，要求滑台停在原位时主轴电动机才能启动；滑台进给到需要位置时，才允许主轴电动机停止。解：设滑台在原位时压动行程开关SQ1输入，进给到需要位置时压动行程开关SQ2，启动按钮为SB1，（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

停止按钮为SB2，则XK=SB1，，XKY=SQ1，按开启优先模式可得：按关断优先模式可得：

对应控制电路如图3-16所示。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

4逻辑设计方法的一般步骤逻辑设计法的一般步骤如下：1）根据工艺过程，作出工作循环图或工作示意图。2）按工作循环图确定逻辑变量，作出主令元件、检测元件及输出执行元件状态表。为区分所有状态，而增设必要的中间状态记忆元件（中间继电器）。3）根据状态表，列出输出执行元件的逻辑函数表达式。4）简化逻辑表达式，据此绘出控制线路。5）进一步完善电路，（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

5用逻辑设计法进行线路设计举例例：某机床动力头滑台进给移动需进行正向快进、正向工进、反向工进、快退移动4步。工艺要求如下：1）双电机驱动：M1工进电动机，M2快进电动机。2）SB1为启动按钮，SQ1为原位行程开关，SQ2为快进转工进行程开关，SQ3为进给终点行程开关。在原位时按SB1，滑台快进，至SQ2，改为工进，至SQ3，改为反向工进，至SQ2改为快退，滑台运动到SQ1，电动机M1、M2停止。3）通过接触器KM1、KM2来控制两台电动机M1、M2的正反转，KM3控制快速进给电动机M3的运转。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

试按要求设计滑台进给移动控制电路。解：1）按照工艺要求作出工作循环图如图3-17。2）可确定逻辑变量如下：①主令元件：SB1—启动，SQ1—原位，SQ2——工进位，SQ3——末位②输出执行元件：KM1—前进（正转），KM2—后退（反转），KM3—加速。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

③中间记忆元件：设置中间继电器KA1、KA2、KA3、KA4分别对应4个工作状态：快进、工进、反向工进、快退。列出逻辑状态表如表3-1，并确定状态转换的激励信号。表中的1/0表示短信号。如按钮SB1的按下与松开。行程开关SQ的接通与断开。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

3）作出逻辑表达式：①输出和中间记忆元件的关系：KM1=KA1+KA2KM2=KA3+KA4KM3=KA1+KA4②对于中间记忆单元的逻辑设计，方法也有多种。本流程属单向步进控制因而采用步进设计方法。即状态逻辑式：式中，KAi-1•Ci为启动条件，其中，KAi-1是确保步进继电器依次动作条件，Ci为步进转换条件。（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次碰到限位开关SQ2，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-2。将图3-2中“工步”更换为“状态”，“准备”更换为“初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-3。

3.3.2逻辑设计法

为停止条件。括号中的KAi为自锁逻辑。以上逻辑式可确保任一时刻只有一个步进继电器工作。由于步进逻辑工作时有关断上一道工序的能力，因此可允许转换条件Ci重复使用。本例中，当动力头滑台采用单周期运行方式时，应用关断优先模式，KA2至KA4增加约束条件SQ2、SQ3、SQ2，可得逻辑式如下：（1）按下启动按钮SB，电机M正转，台车前进，碰到限位开关SQ1后，电机M反转，台车后退。（2）后退碰到限位开关SQ2后，台车电机M停转，5s钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3后，再次后退。（3）当后退再次