1、電氣控制系統的設計電氣控制系統的設計任務是根據生產工藝，設計出合乎要求的、經濟的電氣控制線路；并編制出設備制造、安裝和維修使用過程中必須的圖紙和資料，包括電氣原理圖、安裝圖和互連圖以及設備清單和說明書等。由于設計是靈活多變的，即使是同一功能，不同人員設計出來的線路結構可能完全不同。因此，作為設計人員，應該隨時發現和總結經驗，不斷豐富自己的知識，開闊思路，才能做出最為合格的設計。一、電氣控制系統設計的基本內容和一般原則1.電氣控制系統設計的基本內容設計一臺電氣控制系統的新設備，一般包括以下設計內容：（1）擬定電氣設計的技術條件（任務書）；（2）選擇電氣傳動形式與控制方案；（3）確定電動機的容量；

2、（4）設計電氣控制原理圖；（5）選擇電氣元件，制訂電機和電氣元件明細表；（6）畫出電動機、執行電磁鐵、電氣控制部件以及檢測元件的總布置圖；（7）設計電氣柜、操作臺、電氣安裝板以及非標準電器和專用安裝零件；（8）繪制裝配圖和接線圖；（9）編寫設計計算說明書和使用說明書。根據機電設備的總體技術要求和電氣系統的復雜程度不同，以上步驟可以有增有減，某些圖紙和技術文件也可適當合并或增刪。2.電氣控制線路設計的一般原則當機械設備的電力拖動方案和控制方案已經確定后，就可以進行電氣控制線路的設計。電氣控制線路的設計是電力拖動方案和控制方案的具體化，一般在設計時應該遵循以下原則：2.1 最大限度地實現生產機械和

3、工藝對電氣控制線路的要求(a)不合理的線路 (b)合理的線路圖1 電氣柜接線控制線路是為整個設備和工藝過程服務的。因此，在設計之前，要調查清楚生產要求，對機械設備的工作性能、結構特點和實際加工情況有充分的了解。電氣設計人員深入現場對同類或接近的產品進行調查，收集資料，加以分析和綜合，并在此基礎上考慮控制方式，起動、反向、制動及調速的要求，設置各種聯鎖及保護裝置，最大限度地實現生產機械和工藝對電氣控制線路的要求。2.2 在滿足生產要求的前提下，力求使控制線路簡單、經濟(1)盡量選用標準的、常用的或經過實際考驗過的環節和線路。(2)盡量縮短連接導線的數量和長度。設計控制線路時，應合理安排各電器的位

4、置，考慮到各個元件之間的實際接線，要注意電氣柜、操作臺和限位開關之間的連接線。例如：圖1是電氣柜接線，要求起動按鈕SB1和停止按鈕SB2裝在操作臺上，接觸器K裝在電氣柜內。圖（a）所示的接線不合理，按（a）圖接線就需要由電氣柜引出4根導線到操作臺的按鈕上。圖（b）所示線路是合理的，它將起動按鈕SB1和停止按鈕SB2直接連接，兩個按鈕之間距離最小，所需連接導線最短。這樣，只需要從電氣柜內引3根導線到操作臺上，節省了一根導線。(3)盡量減少電氣元件的品種、規格和數量，并盡可能采用性能優良，價格便宜的新型器件和標準件，同一用途盡量選用相同型號的電氣元件。(4)盡量減少不必要的觸點以簡化電路。在滿足動

5、作要求的條件下，電氣元件觸點愈少，控制線路的故障機會率就愈低，工作的可靠性愈高。常用的方法有：在獲得同樣功能情況下，合并同類觸點。如圖2所示，（b）圖將兩個線路中同一觸點合并比（a）圖在電路上少了一對觸點。但是在合并觸點時應注意觸點對額定電流值的限制。圖2 (a) (b) 合并同類觸點圖3(a) 不加二極管(b) 加二極管利用半導體二極管的單向導電性來有效地減少觸點數，如圖3所示。對于弱電電氣控制電路，這樣做既經濟又可靠。在設計完成后，利用邏輯代數進行化簡，得到最簡化的線路。(5)盡量減少電器不必要的通電時間，使電氣元件在必要時通電，不必要時盡量不通電，可以節約電能并延長電器的使用壽命。(a)

6、 不合理線路 (b) 合理線路圖4以時間原則控制的電動機降壓起動線路圖4為以時間原則控制的電動機降壓起動線路圖。（a）圖中接觸器KM2得電后，接觸器KMl和時間繼電器KT就失去了作用，不必繼續通電，但它們仍處于帶電狀態。（b）圖線路比較合理，在KM2得電后，切斷了KMl和KT的電源。2.3 保證控制線路工作的可靠性和安全性（1）選用的電氣元件要可靠、牢固、動作時間短，抗干擾性能好。（2）正確連接電器的線圈。在交流控制電路中不能串聯接入兩個電器的線圈，即使外加電壓是兩個線圈額定電壓之和，也是不允許的，如圖5所示。圖5 兩個接觸器線圈串聯(a)產生飛弧 (b) 消除飛弧圖6 電氣觸點正確連接方式（

7、3）正確連接電器的觸點。同一電氣元件的常開和常閉觸點靠得很近，若分別接在電源不同的相上，由于各相的電位不等，當觸點斷開時，會產生電弧形成短路。如圖6所示。圖5中每個線圈上所分配到的電壓與線圈阻抗成正比，兩個電器動作總是有先有后，不可能同時吸合。若接觸器KM2先吸合，線圈電感顯著增加，其阻抗比未吸合的接觸器KMl的阻抗大，因而在該線圈上的電壓降增大，使KMl的線圈電壓達不到動作電壓。因此，若需兩個電器同時動作時，其線圈應該并聯連接。圖6（a）所示的開關S1的常開和常閉觸點間產生飛弧而短路，圖6（b）所示開關S1的電位相等，就不會產生飛弧。(a)不合理 (b)減少元件依次動作圖4-7電器正確連接方

8、式（4）在控制線路中，采用小容量繼電器的觸點來斷開或接通大容量接觸器的線圈時，要計算繼電器觸點斷開或接通容量是否足夠？不夠時必須加小容量的接觸器或中間繼電器，否則工作不可靠。在頻繁操作的可逆線路中，正反向接觸器應選加重型的接觸器。（5）在線路中應盡量避免許多電器依次動作才能接通另一個電器的控制線路，如圖7電器正確連接方式，（a）所示不合理，（b）圖為正確線路。（6）避免發生觸點“競爭”與“冒險”現象。通常我們分析控制回路的電器動作及觸點的接通和斷開，都是靜態分析，沒有考慮其動作時間。實際上，由于電磁線圈的電磁慣性、機械慣性、機械位移量等因素，通斷過程中總存在一定的固有時間（幾十毫秒幾百毫秒），

9、這是電氣元件的固有特性，它的延時通常是不確定、不可調的。在線路中應盡量避免許多電器依次動作才能接通另一個電器的控制線路，如圖7電器正確連接方式，（a）所示不合理，（b）圖為正確線路(a)“競爭”與“冒險” (b)合理電路圖8 時間繼電器組成的反身關閉電路在電氣控制電路中，在某一控制信號作用下，電路從一個狀態轉換到另一個狀態時，常常有幾個電器的狀態發生變化，由于電氣元件總有一定的固有動作時間，往往會發生不按預定時序動作的情況，觸點爭先吸合，發生振蕩，這種現象稱為電路的“競爭”。另外，由于電氣元件的固有釋放延時作用，也會出現開關電器不按要求的邏輯功能轉換狀態的可能性，我們稱這種現象為“冒險”。“競

10、爭”與“冒險”現象都將造成控制回路不能按要求動作，引起控制失靈。例如圖8是時間繼電器組成的反身關閉電路中觸點競爭與解決的方法。如圖8（a）所示為用時間繼電器組成的反身關閉電路。當時間繼電器KT的常閉觸點延時斷開后，時間繼電器KT線圈失電，經ts秒延時斷開的常閉觸點恢復閉合，而經t1秒常開觸點瞬時動作。如果tst1則電路能反身關閉；如果tst1則繼電器KT就再次閉合這種現象就是觸點競爭。在此電路中增加中間繼電器KA就可以解決觸點競爭，如圖8（b）所示。要避免發生觸點“競爭”與“冒險”現象的方法有：應盡量避免許多電器依次動作才能接通另一個電器的控制線路；防止電路中因電氣元件固有特性引起配合不良后果

11、，當電氣元件的動作時間可能影響到控制線路的動作程序時，就需要用時間繼電器配合控制，這樣可清晰地反映元件動作時間及它們之間的互相配合；若不可避免，則應將產生“競爭”與“冒險”現象的觸點加以區分、聯鎖隔離或采用多觸點開關分離。圖9具有指示燈和熱繼電器保護的正反向控制電路中的寄生電路（7）在控制線路中應避免出現寄生電路。在電氣控制線路的動作過程中，意外接通的電路叫寄生電路（或假電路）。圖9所示是一個具有指示燈和熱繼電器保護的正反向控制電路。在正常工作時，能完成正反向起動、停止和信號指示；但當熱繼電器FR動作時，線路就出現了寄生電路（如圖9中虛線所示），使正向接觸器KM1不能釋放，起不了保護作用。在正

12、常工作時，能完成正反向起動、停止和信號指示；但當熱繼電器FR動作時，線路就出現了寄生電路（如圖9中虛線所示），使正向接觸器KM1不能釋放，起不了保護作用。避免產生寄生電路的方法有：在設計電氣控制線路時，嚴格按照“線圈、能耗元件下邊接電源（零線），上邊接觸點”的原則，降低產生寄生回路的可能性；還應注意消除兩個電路之間產生聯系的可能性，若不可避免應加以區分、聯鎖隔離或采用多觸點開關分離。如將圖中的指示燈分別用KM1、KM2的另外常開觸點直接連接到左邊控制母線上，就可消除寄生電路。（8）設計的線路應能適應所在電網情況，根據現場的電網容量、電壓、頻率，以及允許的沖擊電流值等，決定電動機應直接或間接（降

13、壓）起動。2.4 操作和維修方便電氣設備應力求維修方便，使用安全。電氣元件應留有備用觸點，必要時應留有備用電氣元件，以便檢修、改接線用，為避免帶電檢修應設置隔離電器。控制機構應操作簡單、便利，能迅速而方便地由一種控制形式轉換到另一種控制形式，例如由手動控制轉換到自動控制。二、電力拖動方案確定原則和電機的選擇電力拖動方案是指確定電動機的類型、數量、傳動方式及電動機的起動、運行、調速、轉向、制動等控制要求，是電氣設計的主要內容之一，為電氣控制原理圖設計及電氣元件選擇提供依據。確定電力拖動方案必須依據生產機械的精度、工作效率、結構以及運動部件的數量、運動要求、負載性質、調速要求以及投資額等條件。1.

14、確定拖動方式電動機的拖動方式有：單獨拖動，即一臺設備只有一臺電動機拖動；分立拖動，即一臺設備由多臺電動機分別驅動各個工作機構，通過機械傳動鏈連接各個工作機構。電氣傳動發展的趨向是縮短機械傳動鏈，電動機逐步接近工作機構，以提高傳動效率。因而在確定拖動方式時應根據工藝及結構的具體情況決定電機的數量。2.確定調速方案不同的對象有不同的調速要求，為了達到一定的調速范圍，可采用齒輪變速箱、液壓調速裝置、雙速或多速電動機以及電氣的無級調速傳動方案。在選擇調速方案時，可參考以下幾點：（1）重型或大型設備主運動及進給運動，應盡可能采用無級調速。這有利于簡化機械結構，縮小體積，降低制造成本。（2）精密機械設備如

15、坐標鏜床、精密磨床、數控機床以及某些精密機械手，為了保證加工精度和動作的準確性，便于自動控制也應采用電氣無級調速方案。（3）一般中小型設備如普通機床沒有特殊要求時，可選用經濟、簡單、可靠的三相鼠籠式異步電動機，配以適當級數的齒輪變速箱。為了簡化結構，擴大調速范圍，也可采用雙速或多速的鼠籠式異步電動機。在選用三相鼠籠式異步電動機的額定轉速時，應滿足工藝條件要求。在選擇電動機調速方案時，要使電動機的調速特性與負載特性相適應，否則將會引起拖動工作的不正常，電動機不能充分合理的使用。例如，雙速鼠籠式異步電動機，當定子繞組由連接改接成YY連接時，轉速增加1倍，功率卻增加很少，因此它適用于恒功率傳動。對于

16、低速為Y連接的雙速電動機改接成YY后，轉速和功率都增加1倍，而電動機所輸出的轉矩卻保持不變，它適用于恒轉矩傳動。分析調速性質和負載特性，找出電機在整個調速范圍內轉矩、功率與轉速的關系，以確定負載需要恒功率調速還是恒轉矩調速，為合理確定拖動方案和控制方案以及電機和電機容量的選擇提供必要的依據。3電動機的選擇和電動機的起動、制動和反向要求3.1電動機的選擇電動機的選擇包括電動機的種類、結構形式、額定轉速和額定功率。電動機的種類和轉速根據生產機械的調速要求選擇，一般都應采用感應電動機，僅在起動、制動和調速不滿足要求時才選用直流電動機；電動機的結構形式應適應機械結構和現場環境，可選用開啟式、防護式、封

17、閉式、防腐式甚至是防爆式電動機；電動機的額定功率根據生產機械的功率負載和轉矩負載選擇，使電動機容量得到充分利用。一般情況下為了避免復雜的計算過程，電動機容量的選擇往往采用統計類比或根據經驗采用工程估算方法，但這通常具有較大的寬裕度。3.2電動機起動、制動和反向要求一般說來，由電動機完成設備的起動、制動和反向要比機械方法簡單容易。設備主軸的起動、停止、正反轉運動和調整操作，只要條件允許最好由電動機完成。機械設備主運動傳動系統的起動轉矩一般都比較小，因此，原則上可采用任何一種起動方式。對于它的輔助運動，在起動時往往要克服較大的靜轉矩，必要時也可選用高起動轉矩的電動機，或采用提高起動轉矩的措施。另外

18、，還要考慮電網容量，對電網容量不大而起動電流較大的電動機，一定要采取限制起動電流的措施，如串電阻降壓起動等，以免電網電壓波動較大而造成事故傳動電動機是否需要制動，應視機電設備工作循環的長短而定。對于某些高速高效金屬切削機床，宜采用電動機制動。如果對于制動的性能無特殊要求而電動機又需要反轉時，則采用反接制動可使線路簡化。在要求制動平穩、準確，即在制動過程中不允許有反轉可能性時，則宜采用能耗制動方式。在起吊運輸設備中也常采用具有連鎖保護功能的電磁機械制動（電磁抱閘），有些場合也采用回饋制動。三、電氣控制線路的經驗設計法和邏輯設計法電氣控制線路有兩種設計方法，一種是經驗設計法，另一種是邏輯代數設計法

19、。這兩種設計方法在第二章都作過介紹，下面對這兩種方法分別進行較詳細地介紹。1.經驗設計法所謂經驗設計法就是根據生產工藝要求直接設計出控制線路。在具體的設計過程中常有兩種做法：一種是根據生產機械的工藝要求，適當選用現有的典型環節，將它們有機地組合起來，綜合成所需要的控制線路；另一種是根據工藝要求自行設計，隨時增加所需的電氣元件和觸點，以滿足給定的工作條件。1.1 經驗設計法的基本步驟一般的生產機械電氣控制電路設計包括主電路和輔助電路等的設計。1.1.1主電路設計主要考慮電動機的起動、點動、正反轉、制動及多速電動機的調速，另外還考慮包括短路、過載、欠壓等各種保護環節以及聯鎖、照明和信號等環節。1.

20、2.2輔助電路設計主要考慮如何滿足電動機的各種運轉功能及生產工藝要求。設計步驟是根據生產機械對電氣控制電路的要求，首先設計出各個獨立環節的控制電路，然后再根據各個控制環節之間的相互制約關系，進一步擬定聯鎖控制電路等輔助電路的設計，最后再考慮根據線路的簡單、經濟和安全、可靠，修改線路。1.1.3反復審核電路是否滿足設計原則在條件允許的情況下，進行模擬試驗，逐步完善整個電氣控制電路的設計直至電路動作準確無誤。1.2.經驗設計法的特點1易于掌握，使用很廣，但一般不易獲得最佳設計方案。2要求設計者具有一定的實際經驗，在設計過程中往往會因考慮不周發生差錯，影響電路的可靠性。3當線路達不到要求時，多用增加

21、觸點或電器數量的方法來加以解決，所以設計出的線路常常不是最簡單經濟的。4需要反復修改草圖，一般需要進行模擬試驗，設計速度慢。1.3.經驗設計法舉例下面以設計龍門刨床橫梁升降控制線路為例來說明經驗設計法。龍門刨床（或立車）上裝有橫梁機構，刀架裝在橫梁上，隨著加工工件大小不同橫梁機構需要沿立柱上下移動，在加工過程中，橫梁又需要保證夾緊在立柱上不松動。橫梁的上升與下降由橫梁升降電動機來驅動，橫梁的夾緊與放松由橫梁夾緊放松電動機來驅動。橫梁升降電動機裝在龍門頂上，通過蝸輪傳動，使立柱上的絲杠轉動，通過螺母使橫梁上下移動。橫梁夾緊電動機通過減速機構傳動夾緊螺桿，通過杠桿作用使壓塊夾緊或放松。龍門刨床橫梁

22、夾緊放松示意圖如圖10所示。圖10 龍門刨床橫梁夾緊放松示意圖橫梁機構對電氣控制系統的工藝要求：（1）刀架裝在橫梁上，要求橫梁能沿立柱作上升、下降的調整移動。（2）在加工過程中，橫梁必須緊緊地夾在立柱上，不許松動。夾緊機構能實現橫梁的夾緊和放松。（3）在動作配合上，橫梁夾緊與橫梁移動之間必須有一定的操作程序：按向上或向下移動按鈕后，首先使夾緊機構自動放松；橫梁放松后，自動轉換成向上或向下移動；移動到所需要位置后松開按鈕，橫梁自動夾緊；夾緊后夾緊電動機自動停止運動。（4）橫梁在上升與下降時，應有上下行程的限位保護。（5）正反向運動之間，以及橫梁夾緊與移動之間要有必要的聯鎖。在了解清楚生產工藝要求

23、之后，可進行控制線路的設計。1.3.1設計主電路根據橫梁能升降移動和能夾緊放松的工藝要求，需要用兩臺電動機來驅動，且電動機能實現正反向運轉。因此采用4個接觸器KMl、KM2和KM3、KM4，分別控制升降電機M1和夾緊放松電動機M2的正反轉，如圖11（a）所示。因此，主電路就是控制兩臺電機正反轉的電路。1.3.2設計基本控制電路由于橫梁的升降和夾緊放松均為調整運動，故都采用點動控制。采用兩個點動按鈕分別控制升降和夾緊放松運動，僅靠兩個點動按鈕控制4個接觸器線圈是不夠的，需要增加兩個中間繼電器KAl和KA2。根據工藝要求可以設計出如圖11(b)所示的草圖。圖11(a) 橫梁控制的主電路圖 (b)

24、橫梁控制的輔助電路草圖經仔細分析可知，該線路存在以下問題：按上升點動按鈕SBl后，接觸器KMl和KM4同時得電吸合，橫梁的上升與放松同時進行，按下降點動按鈕SB2，也出現類似情況。不滿足“夾緊機構先放松，橫梁后移動”的工藝要求。放松接觸器線圈KM4一直通電，使夾緊機構持續放松，沒有設置檢測元件檢查橫梁放松的程度。松開按鈕SBl，橫梁不再上升，橫梁夾緊線圈得電吸合，橫梁持續夾緊，不能自動停止。根據以上問題，需要恰當地選擇控制過程中的變化參量，實現上述自動控制要求。1.3.3選擇控制參量，確定控制原則（1）反映橫梁放松程度的參量。可以采用行程開關SQl檢測放松程度。見圖12。當橫梁放松到一定程度時

25、，其壓塊壓動SQ1，使常閉觸點SQl斷開，表示已經放松，接觸器KM4線圈失電；同時，常開觸點SQl閉合，使上升或下降接觸器KMl和KM2通電，橫梁向上或向下移動。（2）反映橫梁夾緊程度的參量可以有時間參量、行程參量和反映夾緊力的電流量。若用時間參量，不易調整準確；若用行程參量，當夾緊機構磨損后，測量也不準確。本例選用反映夾緊力的電流參量是適宜的，夾緊力大，電流也大，故可以借助過電流繼電器來檢測夾緊程度。在圖12中，夾緊電機M2的主電路中串聯過電流繼電器KI，將其動作電流整定在2IN。KI的常閉觸點串接在KM3控制支路中。當夾緊橫梁時，M2的電流逐漸增大，當電流超過KI整定值時，KI的常閉觸點斷

26、開，KM3線圈失電，M2自動停止夾緊的工作。1.3.4設計聯鎖保護環節采用行程開關SQ2和SQ3分別實現橫梁上升、下降行程的限位保護。圖12為修改后的完整控制線路圖。采用熔斷器FUl和FU2作短路保護。行程開關SQ1不僅反映了放松信號，而且還起到了橫梁升降和橫梁夾緊之間的聯鎖作用。中間繼電器KAl、KA2的常閉觸點，用于實現橫梁升降電動機和夾緊電動機正反向運動的聯鎖保護。圖12 完整的控制線路圖（1）按下橫梁上升點動按鈕SBl，由于行程開關SQl的常開觸點沒有壓合，升降電動機M1不工作；中間繼電器KA1線圈得電，KM4線圈得電，夾緊放松電動機M2工作，將橫梁放松。（2）當橫梁放松到一定程度時，

27、夾緊裝置將SQl壓下，其常閉觸點斷開，KM4線圈失電，夾緊放松電動機停止工作；SQ1常開觸點閉合，KM線圈得電，升降電動機M1起動，驅動橫梁在放松狀態下向上移動。（3）當橫梁移動到所需位置時，松開上升點動按鈕SBl，KA1線圈失電，KMl線圈失電使升降電動機M1停止工作；由于橫梁處于放松狀態，SQl的常開觸點一直閉合，KA1常閉觸點閉合，KM3線圈得電，使M2反向工作，從而進入夾緊階段。（4）當夾緊電動機M2剛起動時，起動電流較大，過電流繼電器KI動作，但是由于SQl的常開觸點閉合，KM3線圈仍然得電；橫梁繼續夾緊，電流減小，過電流繼電器KI復位；在夾緊過程中，行程開關SQl復位，為下次放松作

28、準備。當夾緊到一定程度時，過電流繼電器KI的常閉觸點斷開，KM3線圈失電，切斷夾緊放松電動機M2，整個上升過程到此結束。橫梁下降的操作過程與橫梁上升操作過程類同。1.3.5線路的完善和校核控制線路設計完畢后，往往還有不合理的地方，或者還有需要進一步簡化之處，應認真仔細地校核。對圖12所示線路審核是對照生產機械工藝要求，反復分析所設計線路是否能逐條實現，是否會出現誤動作，是否保證了設備和人身安全，是否還要進一步簡化以減少觸點或節省連線等。下面分四個階段對橫梁升降移動和夾緊放松進行分析：（1）按下橫梁上升點動按鈕SBl中間繼電器KA1線圈得電KM4線圈得電夾緊電動機M2工作將橫梁放松。（2）當橫梁

29、放松到一定程度時，夾緊裝置將SQl壓下SQl常閉觸點斷開KM4線圈失電M2停止工作；而SQ1常開觸點閉合KM線圈得電升降電動機M1起動橫梁在放松狀態下向上移動。（3）當橫梁移動到所需位置時，松開SBlKA1線圈失電KA1常開觸點復原KMl線圈失電使M1停止工作；由于橫梁處于放松狀態，SQl的常開觸點一直是閉合的KA1常閉觸點復原KM3線圈得電使M2反轉從而進入夾緊階段。（4）當M2剛起動時IQ較大，KI動作，常閉觸點雖斷開了但SQl的常開觸點閉合KM3線圈仍然得電橫梁繼續夾緊當IQ較小時KI常閉觸點復位在夾緊過程中SQl復位，為下次放松作準備。當夾緊到一定程度時KI的常閉觸點斷開KM3線圈失電

30、M2停止夾緊結束。橫梁下降的操作過程與橫梁上升操作過程類同。以上分析初看無問題，但仔細分析第二階段即橫梁上升或下降階段，其條件是橫梁放松到位。如果按下SB1后SB2的時間很短，橫梁放松還未到位就已松開按下的按鈕，致使橫梁既不能放松又不能進行夾緊，容易出現事故。改進的方法是將KM4的輔助觸點并聯在KM1、KM2兩端，使橫梁一旦放松，就必然繼續工作至放松到位，然后可靠地進入夾緊階段。2.邏輯分析設計法邏輯設計法是根據生產工藝的要求，利用邏輯代數來分析、化簡、設計線路的方法。這種設計方法是將控制線路中的繼電器、接觸器線圈的通、斷，觸點的斷開、閉合等看成邏輯變量，并根據控制要求將它們之間的關系用邏輯函

31、數關系式來表達，然后再運用邏輯函數基本公式和運算規律進行簡化，根據最簡式畫出相應的電路結構圖，最后再作進一步的檢查和完善，即能獲得需要的控制線路。邏輯設計法較為科學，能夠用必須的最少的中間記憶元件（中間繼電器）的數目確定實現一個自動控制線路，以達到使邏輯電路最簡單的目的，設計的線路比較簡化、合理。但是當設計的控制系統比較復雜時，這種方法就顯得十分繁瑣，工作量也大。因此，如果將一個較大的、功能較為復雜的控制系統分成若干個互相聯系的控制單元，用邏輯設計方法先完成每個單元控制線路的設計，然后再用經驗設計方法把這些單元電路組合起來，各取所長，也是一種簡捷的設計方法。2.1利用邏輯函數化簡來簡化電路圖1

32、3(a)未化簡電路圖 (b)化簡后的簡化電路邏輯函數的化簡可以使繼電接觸器控制電路簡化。對于較簡單的邏輯函數，可以利用邏輯代數的基本定律和運算法則，并綜合運用并項、擴項、提取公因子等方法進行化簡。例：對圖13(a)所示線路寫出邏輯函數并進行簡化化簡后的線路如圖13(b)所示。利用邏輯函數來簡化電路需要注意以下問題：（1）注意觸點容量的限制。檢查化簡后觸點的容量是否足夠，尤其是擔負關斷任務的觸點。（2）注意線路的合理性和可靠性。一般繼電器和接觸器有多對觸點，在有多余觸點的情況下，不必強求化簡，而應考慮充分發揮元件的功能，讓線路的邏輯功能更明確。2.2繼電接觸器線路的邏輯函數繼電器、接觸器線路是開

33、關線路，符合邏輯規律。它以按鈕、觸點和中間繼電器等作為輸入邏輯變量，進行邏輯函數運算后得出以執行元件為輸出變量。通過下面簡單線路對其邏輯函數表達式的規律加以說明。圖14(a)、(b)為簡單的起、保、停電路例：圖14（a）、（b）為兩個簡單的起、保、停電路。常開觸點（動合觸點）的狀態用相同字符來表示，而常閉觸點（動斷觸點）的狀態以邏輯非表示。則SB1為起動信號（開啟），為停止信號（關斷），KM的動合觸點為KM。對圖（a）和圖（b）可分別寫出邏輯函數為： (1) (2)將圖14中SB1作為開啟信號X開；SB2作為關斷信號X關；KM為自鎖信號；則接觸器KM的邏輯函數fKM的一般形式為：fKM=X開+

34、X關KM（3）fKM=X關(X開+KM）（4）圖14中的兩個電路圖邏輯功能相似，但從邏輯函數表達式來看：式（3）中的X開=1時，fKM=1，X關這時不起控制作用，因此這種電路稱為開啟從優形式；式（4）中的X關=0時，fKM=0，X開這時不起控制作用，因此這種電路稱為關斷從優形式。一般為了安全起見，選擇圖14（b）的關斷從優形式。實際的起、保、停電路往往有很多相互限制的條件，因此需要添加起、保、停電路的聯鎖條件，對開啟信號和關斷信號增加約束條件。例如，動力頭主軸電動機必須在滑臺停在原位時才能起動，滑臺進給到需要位置時，才允許主軸電動機停止。因此，對開啟信號及關斷信號都增加了約束條件。（1）開啟信

35、號：當開啟的轉換主令信號不止一個，要求具備其它條件才能開啟時，則開啟信號用X開主表示，其它條件稱開啟約束信號，用X開約表示。顯然，只有條件都具備才能開啟，說明X開主與X開約是“與”的邏輯關系。因而X開=X開主X開約。（2）關斷信號：當關斷信號不止一個，要求具備其它條件才能關斷時，則關斷信號用X關主表示，其它條件稱為關斷的約束信號，以X關約表示。顯然，X關主與X關約全為“0”時，才能關斷，所以X關主與X關約是“或”的關系。因而X關=X關主X關約。可將式（3）和式（4）擴展成式（5）和式（6）。fKM=X開主X開約+（X關主X關約）KM（5）fKM=（X關主X關約)（X開主X開約+KM）（6）根據

36、式（5）和（6）可設計具有開啟條件和關斷條件的動力頭主軸電動機起動線路。若滑臺在原位，壓行程開關SQ1運行；若滑臺進給到需要位置時，壓行程開關SQ2停止。而起動按鈕為SB1，停止按鈕為。其中：X開主SB1，X開約SQ1，X關主，X關約。fKMSB1SQ1（）KM（7）fKM（）（SB1SQ1KM）（8）上述兩式對應的線路如圖15（a）、（b）所示。圖15(a)、(b)動力頭控制電路2.3 邏輯設計方法的一般步驟邏輯設計法可以使線路簡化，充分利用電氣元件來得到較合理的線路。對復雜線路的設計，特別是生產自動線、組合機床等控制線路的設計，采用邏輯設計法比經驗設計法更為方便、合理。邏輯設計法的一般步驟

37、：（1）充分研究加工工藝過程，作出工作循環圖或工作示意圖；（2）按工作循環圖作出執行元件及檢測元件狀態表；（3）根據狀態表，設置中間記憶元件，并列寫中間記憶元件及執行元件邏輯函數式；（4）根據邏輯函數式建立電路結構圖；（5）進一步完善電路，增加必要的連鎖、保護等輔助環節，檢查電路是否符合原控制要求，有無寄生回路，是否存在觸點競爭現象等。完成以上五步，則可得到一張完整的控制原理圖。2.4 用邏輯設計法進行線路設計下面仍以龍門刨床橫梁升降介紹邏輯設計法設計自動控制線路。龍門刨床橫梁升降移動是按上升或下降按鈕SBl或SB2實現，首先橫梁夾緊電機M2由接觸器KM4控制向放松方向運行，完全放松后碰行程開

38、關SQl，控制接觸器KMl或KM2動作，然后升降電機M1驅動橫梁上升或下降；當到達需要位置時手松開按鈕SBl或SB2，橫梁停止升降移動，由接觸器KM3控制自動夾緊，SQ1復位；當夾緊力達到一定程度時，過電流繼電器KI動作，夾緊電機停止工作。以下按前面介紹的五個步驟內容進行設計。圖16 工藝循環圖按上述工藝過程可列出工藝循環圖如圖16所示圖中：SBlSB2中的“”表示“或”。根據工作循環圖列出狀態表表2龍門刨床橫梁升降狀態表KI0/00000 / 0停止4SB1/SB20/0010 / 0夾緊3SQ11/101001 / 1上升/下降2SB1/SB21/100100 / 0放松10/000000

39、 / 0原位0SB1SB2KISQ1KM4KM3KM1KM2轉換主令信號檢測元件狀態執行元件狀態名稱程序狀態表是按照工藝循環圖的順序把各程序輸入信號（檢測元件）的狀態、中間元件狀態和輸出的執行元件狀態用“0”，“1”表示出來，列成表格形式。元件處于原始狀態為“0”狀態，受激狀態（開關受壓動作，電器吸合）為“1”狀態。將各程序元件狀態一一填入，若一個程序之內狀態有12次變化，則用1/0、0/1或1/0/1、0/1/0。根據上面規定列出狀態表2。根據狀態表設置中間記憶元件，并列寫中間記憶元件邏輯函數式及執行元件邏輯函數式（1）找出特征數特征數是在各個程序中由檢測元件狀態構成的二進制數，檢測元件分別

40、為SQ1、KI(教材中為KA3)和SB1/SB2。根據表2，各程序特征數如下表3。表3 特征數表 0100000/00停止41101000100000/0夾緊31011/101上升/下降20011/100放松10000/000原位0特征數SB1SB2KISQ1名稱程序原位：所有元件都不受激，特征數000。第一程序：按下SB1/SB2進入放松程序，KM4吸合，夾緊電機向放松方向運行，但并未壓合SQ1，特征數001。第二程序：放松到位，SQ1壓下后轉入第二程序，由SB1或SB2決定橫梁是上升還是下降，特征數101。第三程序：松開SBlSB2，升降停止，KM3吸合，夾緊電機M2向夾緊方向運動。M2起

41、動開始時，起動電流使KI動作，完成起動后，KI又釋放，所以狀態KI為1/0；SQ1由壓下轉為復位狀態為1/0。可能有的情況是：在狀態K由l變0的過程中，KI為1時，SQ1的狀態為1，特征數為110。KI由1變0時SQ1的狀態仍然保持為1，特征數為100。當SQ1由1變0時，KI仍保持為l（實際上并不存在，因為開始夾緊后若行程開關SQ1已釋放，則在此之前起動過程肯定已結束）；特征數為010，這組特征數可舍去。最終檢測元件的狀態全變為0，特征數為000。第四程序：當橫梁夾緊后，KI動作，狀態為1，轉入第四程序。使全部元件處于常態，恢復初始狀態，KI又為0，故KI為1/0，反映了KI在橫梁夾緊后動作

42、，線路進入停止狀態后KI又釋放的過程。故第四程序特征數為010和000。（2）決定待相區分組特征數決定了檢測元件的狀態也決定了線路的輸出狀態。不同的程序之間，特征數不能相同。從表3可知，如果程序與程序之間的特征數相同，就意味著相同的輸入，對應于不同的輸出結果，且這些不同的結果是不確定的，這是進行控制系統設計中不允許存在的現象。本例中第三程序的000與第四程序的000特征數相同，程序與程序間的特征數相同稱為待相分區組，特征數互不相同的程序叫做相分區組。因此，必須將待相分區組增加新的特征數，使其成為相分區組。（3）設置中間記憶元件中間繼電器，使待相區分組成為相區分組第三程序和第四程序中都有特征數0

43、00，為待相分區組，因此必須設置中間繼電器K來增加特征數。若第三程序K為1，第四程序K為0，則將待相區分組轉化為相區分組。原特征數K新特征數第三程序00010001第四程序00000000由于KM3本身就具有記憶功能，可用KM3替代K，以省去一中間繼電器。由表2可知，由KM3、SQ1、KA3和SB1/SB2組成1000特征數，因而第三程序一定要自鎖。（4）列出中間元件和輸出元件的邏輯函數式在前面已經介紹過兩種邏輯函數表達式（5）、（6）如下：fKM=X開主X開約+（X關主X關約）KMfKM=（X關主X關約）（X開主X開約+KM）列出邏輯函數首先應根據狀態表，找出該輸出元件工作的區域，輸出元件的

44、工作區域以開啟邊界線和關斷邊界線為界。由表2可知，輸出元件在某程序開啟通電，則對應該程序的上橫線為開啟邊界線；在某程序關斷，則對應該程序的下橫線為關斷邊界線，元件在開關邊界線內應為“1”，在邊界線外應為“0”。列寫邏輯函數表達式的關鍵是找出開啟線和關斷線、X開主和X開約信號、X關主和X關約信號。X開主信號如果主令信號由常態變成受激，則取其常開（動合）觸點，若相反則取其常閉（動斷）觸點；X關主信號如果主令信號由常態變成受激，則取其常閉（動斷）觸點，若相反則取其常開（動合）觸點；X開約信號原則上應取開啟線近旁的“1”狀態而開關邊界線外盡量為“0”狀態的輸入變量；X關約信號原則上應取關斷線近旁的“0

45、”狀態而開關邊界線外盡量為“1”狀態的輸入變量。列出的邏輯函數必須保證輸出元件在開關邊界線內應為“1”，在邊界線外應為“0”，這是確定邏輯函數的依據。至于是否加自鎖環節則應根據X開主X開約為“1”的范圍而定：若在開關邊界線內X開主X開約不能保持“1”狀態（即為短信號），則要加自鎖環節；若在開關邊界線內X開主X開約始終保持“1”狀態（即為長信號）則不需要自鎖。下面對四個輸出元件KM1、KM2、KM3和KM4寫出邏輯函數表達式。輸出元件KM4，功能為橫梁放松。根據表2得出工作區域為第一程序。開啟邊界線上SB1或SB2，開啟狀態由常態到受激，因此取其常開觸點，X開主=（SB1+SB2）。關斷邊界線上

46、為SQl受激，因此取其常閉觸點為X關主。SB1或SB2為長信號，無須自鎖，即KM4=0。則由4-6式得出：fKM4(X關主+X關約)(X開主X開約+KM)(SBl十SB2)（9）輸出元件KMlKM2，功能為橫梁上升下降。工作區域為第二程序。橫梁上升的開啟邊界線上SQ1處于受激狀態，所以取SQ1常開觸點（動合）狀態，即X開主SQ1；為了防止升、降按鈕同時按壓的誤操作，將SB2的常閉觸點（動斷）的狀態作為X開約。在開關邊界線內X開主X開約SQ11，因此不需要自鎖環節，KM=0；關斷邊界線上SB1受激變為常態，取其常開觸點（動合）狀態，即X關主SB1。KM2的邏輯函數式原理上與此相同，只是選擇SB2

47、為下降按鈕。得出以下兩式：fKMlSQ1SB1（10）fKM2SQ1SB2（11）輸出元件KM3，功能為橫梁夾緊。工作區域為第三程序。橫梁上升開啟邊界線上SBl由受激轉為常態，取常閉觸點，即X開主，X開約SQ1；同理，橫梁下降時開啟邊界線上SB2由受激轉為常態，取常閉觸點，即X開主，X開約=SQ1。由于SQl在開關邊界內由1變0，因此需要KM3自鎖。在關斷邊界線上KI由常態到受激，因此取常閉觸點，即X關主=。分別根據式（5）和（6）可得fKM3SQ1KM3（12）fKM3(SQ1+KM3)（13）在式（13）關斷優先形式中，夾緊電機M2起動時KI動作，KI的常閉觸點斷開而使X開主X開約不起作用

48、，fKM3為“0”。只有選擇式（12）開啟優先形式方可使fKM3在開啟線內為“1”。對式（12）進行化簡。由狀態表可知在開關線內一直為“1”值的變化，因此將上式演變為：fKM3SQ1+KM3(SQ1+KM3)（14）畫電路圖按上面求出的邏輯函數式畫電路圖，這時應注意元件的觸點數。例如，以上4式中有3個式中都有SQ1，一個行程開關可能沒有這么多觸點，這時可利用中間繼電器增加等效觸點，或者分析可否找到等位點。對于上面的式子只要將SQl置于最上面位置，成為KMl、KM2、KM3公共通路，則SQ1將包含在這三個邏輯函數式內。因為將SQ1合并，也就是將KM2的關斷信號KIKM3與SQ1并聯，并聯后要分析

49、其影響。由于KM1、KM2不工作時，SB1、SB2為0，因此這樣并聯對KM1、KM2無影響，但可節省SQ1的一對常閉觸點。其電路如圖17所示。圖17中SB1、SB2的觸點是兩對常開、兩對常閉，數量太多，元件難以滿足要求，同時控制按鈕到開關柜的距離也很遠，穿線太多，應予簡化。圖17橫梁升降電路圖若KSB1SB2則fKM1SQ1SB1SQ1（SB1SB2）SQ1（SB1SB2）SQ1K（15）同理可得：fKM2SQ1K（16）fKM3（SQ1+KM3）（SQ1+KM3）（17）fKM4（SB1SB2）K（18）圖18橫梁升降電路圖圖19 完整的橫梁升降電路圖根據以上關系作電路如圖18所示。進一步完

50、善電路加上必要的連鎖保護等輔助措施，校驗電路在各種狀態下是否滿足工藝要求，其他保護、聯鎖、互鎖等在經驗設計法中已敘述。最后得到完整控制電路圖如圖19所示。學習邏輯設計法能加深對電路的分析與理解，有助于弄清電氣控制系統中輸入與輸出的作用與相互關系，認識到繼電接觸器控制線路設計的實質，對以后學習可編程控制器打下良好的基礎。四、電氣控制系統的工藝設計在完成電氣原理設計及電氣元件選擇之后，就應進行電氣控制的工藝設計。工藝設計的目的是為了滿足電氣控制設備的制造和使用要求。工藝設計內容包括：（1）電氣控制設備總體配置，即總裝配圖、總接線圖。（2）各部分的電器裝配圖與接線圖，并列出各部分的元件目錄、進出線號

51、以及主要材料清單等技術資料。（3）編寫使用說明書。1.電氣設備總體配置設計各種電動機及各類電氣元件根據各自的作用，都有一定的裝配位置，在構成一個完整的自動控制系統時，必須劃分組件。以龍門刨床為例，可劃分機床電器部分（各拖動電動機，抬刀機構電磁鐵，各種行程開關和控制站等）、機組部件（交磁放大機組，電動發電機組等）以及電氣箱（各種控制電氣、保護電器、調節電器等等）。根據各部分的復雜程度又可劃分成若干組件，如印制電路組件、電器安裝板組件、控制面板組件，電源組件等。同時要解決組件之間，電氣箱之間以及電氣箱與被控制裝置之間的連線問題。4.1 劃分組件的原則（1）功能類似的元件組合在一起。例如用于操作的各類按鈕、開關、鍵盤、指示檢測、調節等元件集中為控制面板組件，各種繼電器、接觸器、熔斷器、照明變壓器等控制電器集中為電氣板組件，各類控制電源、整流、濾波元件集中為電源組件等。（2）盡可能減少組件之間的連線數量，接線關系密切的控制電器置于同一組件中。（3）強弱電控制器分離，以減少干擾。（4）力求整齊美觀，外形尺寸、重量相近的電器組合在一起。（5）便于檢查與調試，需經常調節、維護和易損元件組合在一起。4.2 電氣控制設備的各部分及組件之間的接線方式（1）電器板、控制板，機床電器的進出線一般采用接線端子（按電流大小及進出線數選