南華大學液壓與氣動教學課件11

1、第第1111章章 氣壓邏輯回路與控制系統(tǒng)氣壓邏輯回路與控制系統(tǒng)11.1 邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)11.2 氣壓邏輯回路氣壓邏輯回路11.3 邏輯回路的設計邏輯回路的設計11.4 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)11.5 可編程控制器及其應用可編程控制器及其應用11.1 邏輯代數(shù)邏輯代數(shù)1.三種基本邏輯運算及其恒等式 (1) 邏輯或（加）運算s=a+b （11.1） 式中：s因變量，也稱為邏輯函數(shù)，它是邏輯元件的輸出； a，b自變量，它們是邏輯元件的輸入。 邏輯或（加）的運算規(guī)則是a，b中的一個為真（“1”）時，則s為真（“1”）。其恒等式為：a+0=a，a+1=1，a+a=a 用數(shù)值表示的運算規(guī)律為：0+0=

2、0 0+1=11+0=1 1+1=1 三種基本邏輯運算及其恒等式三種基本邏輯運算及其恒等式(2/2) (2) 邏輯與（乘）運算s=ab （11.2） 邏輯與（乘）的運算規(guī)則是僅當均a，b為真（“1”）時，s才為真（“1”）。其恒等式為：a0=0，a1=a，aa=a 數(shù)值表示的運算規(guī)則為：00=0 01=010=0 11=1 (3) 邏輯非（否）運算 （11.3） 它的運算規(guī)則是a為假（“0”）時，s為真（“1”），s和a的值總處于對應狀態(tài)。 數(shù)值運算規(guī)則為： as 10 01 00 11 2.基本定律 基本定律有交換律、結(jié)合律和分配律三個，它的運算規(guī)則與普通代數(shù)相同。 (1) 交換律 （11.

3、4） (2) 結(jié)合律 （11.5） (3) 分配律 （11.6） abbaabbacbacbacbacba)()()()(bdbcadacdcbaacabcba)()(3.形式定律 形式定律也是邏輯運算中常用的運算定律，通過形式定律和基本定律可實現(xiàn)對邏輯函數(shù)的化簡。為了便于區(qū)別，給以不同的命名。 (1) 吸收律 （11.7） (2) 展開律 （11.8） (3) 反映律 （11.9） abaaabaa)()(ababaababa)(babaababaa)(形式定律形式定律(2/2) (4) 狄摩根定律 （11.10） (5) 過渡律 （11.11） (6) 交叉換位律 （11.12） baba

4、baba)()()(cabacbcabacaabbccaab)()(bacacababaaccaba4.邏輯運算規(guī)則和對偶定理 (1) 邏輯運算規(guī)則 在邏輯代數(shù)運算中，運算規(guī)則是按非、與、或，先括號內(nèi)后括號外的順序進行，不影響運算次序的括號可以去掉。 (2) 對偶定理 分析上述基本定律和形式定律可知，邏輯代數(shù)運算中存在或、與，0、1對偶互換性。也就是說，在某一邏輯公式中進行或、與互換，0、1互換，得到新的邏輯公式也成立，這種性質(zhì)稱為對偶性，對偶定理可作如下敘述。 對偶定理：若某個由基本定律導出的邏輯公式，則其對偶公式也成立。 5.邏輯函數(shù)、真值表、基本邏輯門和邏輯圖 (1) 邏輯函數(shù) 由邏輯變

5、量及其邏輯關系組成的邏輯代數(shù)式稱為邏輯函數(shù)，記作 （11.13） 式中：s邏輯函數(shù)； f表示邏輯函數(shù)與邏輯變量之間的邏輯關系； a，b邏輯變量。 (2) 真值表 邏輯函數(shù)及其邏輯變量之間的全部數(shù)值用一張表表示，則稱此表為真值表。 ),(bafs 邏輯函數(shù)、真值表、基本邏輯門和邏輯圖邏輯函數(shù)、真值表、基本邏輯門和邏輯圖(2/2) (3) 基本邏輯門 具有基本邏輯功能的元器件稱為基本邏輯門，每個基本邏輯門都對應有相應的邏輯函數(shù)和真值表，任意的邏輯函數(shù)都可以通過基本邏輯門構(gòu)成。基本邏輯門包括與門、或門和非門三種。 (4) 邏輯圖 任一邏輯函數(shù)，無論多么復雜，都可以用相應的邏輯圖表示。構(gòu)成邏輯圖的方法

6、是將邏輯函數(shù)分解成若干基本邏輯門，根據(jù)邏輯函數(shù)關系連接而成。邏輯函數(shù)中每一個邏輯變量均為基本邏輯門的輸入，基本邏輯門的輸出可以是下一個基本邏輯門的輸入，最后一個邏輯門的輸出是邏輯函數(shù)的輸出。 11.2 氣壓邏輯回路氣壓邏輯回路 氣壓邏輯回路是把氣壓回路按照邏輯關系組合而成的回路。按照邏輯關系可把氣信號組成“是”，“或”，“與”，“非”等邏輯回路。用這些邏輯回路進行信號變換，有助于控制系統(tǒng)的設計。 表11.3中介紹了幾種常見的邏輯回路，表中右邊的“真值表”即邏輯回路的動作說明表。a，b為輸入信號，S為輸出信號。 11.3 邏輯回路的設計邏輯回路的設計1.邏輯代數(shù)法 應用邏輯代數(shù)法設計邏輯回路，其

7、基本步驟如下： 1）數(shù)學化實際問題，列出輸入輸出真值表； 2）由真值表列寫邏輯函數(shù)； 3）化邏輯函數(shù)為最簡邏輯函數(shù)； 4）根據(jù)最簡邏輯函數(shù)作邏輯原理圖及氣壓邏輯回路圖。 2.卡諾圖法 (1) 用卡諾圖化簡邏輯函數(shù) 用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)是一種既簡單，又直觀的方法?？ㄖZ圖是真值表的一種變換，它比真值表更明確地表示出邏輯函數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。使用卡諾圖可以直接寫出最簡邏輯函數(shù)，避免了繁鎖的邏輯代數(shù)運算。 卡諾圖是一個如同救生圈狀的立體圖形，為了便于觀察和研究，將它沿內(nèi)圈剖開，然后橫向切斷展開成一個矩形圖形。 若自變量為一個，則卡諾圖上有兩個方格，自變量為兩個，則卡諾圖上有四個方格，自變量為三個，則卡諾圖上

8、有八個方格，。方格數(shù)是自變量的可能排列組合數(shù)，即方格數(shù)為2n個。其中n為變量的個數(shù)。 卡諾圖法卡諾圖法(2/2) (2) 卡諾圖法在邏輯回路設計中的應用 邏輯代數(shù)是設計邏輯回路的重要數(shù)學工具，而卡諾圖為邏輯函數(shù)化簡提供了簡便方法。對于邏輯控制系統(tǒng)而言，不但需要有必要的邏輯控制元件，還需有例如啟動信號（手動或自動），主控閥（雙氣控制換向閥）及執(zhí)行機構(gòu)等，才能構(gòu)成較為完整的邏輯控制系統(tǒng)。 11.4 程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng) 程序控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)領域，尤其是氣壓裝置中廣泛應用的一種控制系統(tǒng)。程序控制包括數(shù)字程序控制和簡單程序控制兩類。按發(fā)信裝置和控制信號不同，簡單程序控制可分為行程程序控制和時間程

9、序控制兩種。 程序控制是根據(jù)生產(chǎn)過程中的物理量，例如位移、時間、壓力、溫度、液位等的變化，使被控對象的各執(zhí)行元件按照預先給定的程序或條件有序協(xié)調(diào)地工作。 行程程序控制是閉環(huán)程序控制系統(tǒng)，如圖11.13所示。當啟動輸入信號發(fā)出后，邏輯回路將發(fā)出執(zhí)行信號，控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行第一步動作，完成第一步動作后，觸發(fā)行程閥或行程開關，發(fā)出氣的或電的控制信號，經(jīng)邏輯回路發(fā)出第二個執(zhí)行信號，實現(xiàn)第二動作，整個系統(tǒng)將按預先給定的程序循環(huán)工作。顯然只有完成第一步動作后，才有可能進行下一步動作，這種控制方式具有連續(xù)的控制作用，極為安全可靠，是氣壓設備上應用最為廣泛的一種控制方式。 行程程序控制系統(tǒng)包括發(fā)信裝置、執(zhí)行機構(gòu)

10、、邏輯控制回路、動力源等。發(fā)信裝置發(fā)出執(zhí)行信號，通常是行程閥，行程開關等，此外還有力、壓力、溫度等的傳感器也可用來作為發(fā)信裝置。執(zhí)行元件和它聯(lián)動的機構(gòu)稱為執(zhí)行機構(gòu)，常用的執(zhí)行元件有氣缸、氣壓馬達、氣壓閥等。邏輯控制回路是根據(jù)系統(tǒng)程序控制要求，由氣壓方向閥，氣壓邏輯元件或電氣邏輯元件等構(gòu)成。動力源由空氣壓縮機、油水分離器、干燥器、儲氣罐、調(diào)壓閥、油霧器等組成。 根據(jù)氣壓缸在工作運行一個周期中往復動作的次數(shù)，行程程序控制系統(tǒng)分為單往復和多往復兩種。為適應生產(chǎn)的需要，程序系統(tǒng)可設計成可以選擇的程序控制，程序的選擇可以是預先選定，也可以在運行過程中，根據(jù)某種條件自動選定。也可根據(jù)需要設計成壓力控制，時

11、間控制系統(tǒng)。 1.氣壓系統(tǒng)中常用的電氣電路 (1) 控制繼電器 常用的控制繼電器包括時間繼電器、壓力繼電器、熱繼電器、溫度繼電器等。控制繼電器被廣泛地應用于電力拖動、程序控制、自動調(diào)節(jié)與自動檢測系統(tǒng)中。圖11.14為控制繼電器的工作原理圖。它由按鈕開關，電磁鐵線圈、觸點、接線柱等構(gòu)成。通過按鈕開關，使電磁鐵線圈通電勵磁，吸合觸點，控制回路閉合通電。 串聯(lián)電路串聯(lián)電路(1/1) (2) 串聯(lián)電路 串聯(lián)電路也稱邏輯“與”電路。一臺設備需幾個人進行操作時，為保證安全，需要每個操作者控制一個設備啟動開關，只有當每個操作者都按下自己控制的啟動開關時，設備才能開始運行。圖11.15為串聯(lián)電路一例。由圖可知

12、，只有當SB1、SB2、SB3均被按下閉合，電磁閥線圈YA才能通電勵磁。稱具有這種功能的電路為串聯(lián)電路。 并聯(lián)電路并聯(lián)電路(1/1) (3) 并聯(lián)電路 并聯(lián)電路也稱為邏輯“或”電路。一臺設備同時幾個人操作時，為確保安全，也需要每個操作者都控制一個設備停止按鈕，只要其中任一操作者按下自己控制的設備停止按鈕，設備即刻停止運行。具有這種控制功能的回路可由并聯(lián)電路來實現(xiàn)。如圖11.16所示，由圖可知，按鈕開關SB1、SB2、SB3中，任何一個開關被閉合時，電磁閥線圈YA即可通電勵磁 。 自保持電路自保持電路(1/2) (4) 自保持電路 自保持電路也稱為記憶電路，由于常用的按鈕通常是即開按鈕，是一個短

13、時間信號。欲使電路保持通電信號，需要有保持電路來維持。圖11.17為保持電路的一種，由圖可知，只需按鈕開關SB1動作一次，燈A將繼續(xù)保持燈滅狀態(tài)，燈B將繼續(xù)保持燈亮狀態(tài)。因此稱此電路為自保持電路。 自保持電路自保持電路(2/2) 要解除電路的自保持，可在觸點KA2與繼電器KA之間加入一個常閉按鈕開關SB2，如圖11.18所示。當按下按鈕開關SB1后，電路進入自保持狀態(tài)。當按下停止按鈕SB2，自保持狀態(tài)將被解除。 延時電路延時電路(1/1) (5) 延時電路 由于現(xiàn)代氣壓自動化設備所能完成的工藝過程越來越復雜，各工序之間需按一定時間緊密地配合，要求工藝過程時間可隨人們的要求在某一定范圍內(nèi)調(diào)整。為

14、此，需要利用延時電路加以實現(xiàn)。 圖11.19為延時電路，圖11.19a為延時閉合電路，延時時間由定時器KT確定。當按下啟動按鈕SB，定時器KT開始計數(shù)，經(jīng)過規(guī)定時間后，定時器觸點KT接通，電燈XD亮。圖11.19b為延時斷開電路。當按下SB，定時器觸點KT同時接通，電燈XD亮，放開SB，定時器開始計數(shù)，到規(guī)定時間后，定時器觸點KT才斷開，XD燈滅。優(yōu)先電路優(yōu)先電路(1/3) (6) 優(yōu)先電路 所謂優(yōu)先電路，是指當?shù)玫较嗷ッ軇幼餍盘枙r，使先加入信號優(yōu)先動作，而后加入信號不起作用的電路。通常稱具有這種功能的電路為先入信號優(yōu)先電路。為說明問題，下面先分析一個例子。 圖11.20a為雙電磁鐵中位封閉

15、式三位四通閥控氣壓缸，圖11.20b為控制它的電路。優(yōu)先電路優(yōu)先電路(2/3) 工作開始時，按下按鈕SB1，繼電器KA1通電勵磁，并進入自保持狀態(tài)，列號5的繼電器觸點KA1閉合通電，電磁閥線圈YA1勵磁，換向閥換向，氣缸前進，當活塞桿前端與限位開關SQ1接觸后，繼電器KA1自保持狀態(tài)被解除，線圈YA1被消磁，換向閥復位，氣缸停止前進。按下按鈕SB2，繼電器KA2通電勵磁并進入自保持狀態(tài)，列號6繼電器觸點KA2閉合，線圈YA2勵磁，換向閥換向，氣缸后退，當活塞前端與限位開關SQ2接觸，繼電器KA2自保持狀態(tài)被解除，YA2同時也被消磁，換向閥復位，氣缸停止運動。乍看起來，上述電路似乎可以沒有問題地

16、完成氣缸往復運動。 優(yōu)先電路優(yōu)先電路(3/3) 但當活塞處于中間位置，限位開關SQ1、SQ2均處于閉合狀態(tài)，同時或先后按下SB1和SB2（SQ1壓開前），此時繼電器KA1、KA2均進入自保持狀態(tài)，YA1、YA2均被勵磁，換向閥無法進入正常工作，導致電磁鐵過熱或燒壞。為使該系統(tǒng)能正常工作，需采用優(yōu)先電路加以控制。圖11.21為先入優(yōu)先聯(lián)鎖電路。該電路利用繼電器常閉觸點KA1，KA2實現(xiàn)優(yōu)先聯(lián)鎖作用。 2.行程程序控制系統(tǒng)的設計 行程程序控制系統(tǒng)通常包括單往復行程程序控制系統(tǒng)，多往復行程程序控制系統(tǒng)，選擇程序控制系統(tǒng)等。常用的行程程序控制系統(tǒng)的設計方法有信號動作線圖法（X-D線圖法）、卡諾圖法、程

17、序控制線圖法等。這里介紹一種更為常用的設計方法X-D線圖法。 (1) 單往復行程程序控制系統(tǒng)的設計 在給定的行程程序一次循環(huán)過程中，系統(tǒng)中各執(zhí)行元件只作一次往復運動的系統(tǒng)稱為單往復行程程序控制系統(tǒng)。應用XD狀態(tài)線圖法設計行程程序控制系統(tǒng)的步驟為： 1）根據(jù)事先給定的行程程序繪制XD狀態(tài)線圖。 2）由XD狀態(tài)線圖判別障礙信號。 3）尋求消除障礙信號方式，確定執(zhí)行信號。 4）作程序控制邏輯原理圖及氣壓控制線路圖。 行程程序控制系統(tǒng)的設計行程程序控制系統(tǒng)的設計(2/3) (2) 多往復行程程序控制系統(tǒng)的設計 多往復行程程序是指程序運行一個循環(huán)中，至少有一個氣壓缸作一次以上的往復運動。 (3) 選擇程

18、序控制系統(tǒng)的設計 前面介紹的都是按某一固定程序運行的程序控制系統(tǒng)。但為適應生產(chǎn)工藝提出的不同要求，需要有選擇程序控制系統(tǒng)。所謂選擇程序控制系統(tǒng)，它所運行的程序不是固定，而是多個程序，要執(zhí)行哪個程序，是根據(jù)某條件或要求確定的。 行程程序控制系統(tǒng)的設計行程程序控制系統(tǒng)的設計(3/3) 選擇程序控制系統(tǒng)可分為自動選擇程序和人工預選程序兩種。下面分別加以討論。 1）自動選擇程序控制系統(tǒng) 自動選擇程序控制系統(tǒng)的特點是，當系統(tǒng)完成某一動作后，下一步應執(zhí)行哪一動作，要根據(jù)檢測元件的信號來確定。例如一臺檢測產(chǎn)品質(zhì)量的設備，不可能事先知道某件產(chǎn)品合格與否，必須根據(jù)檢測結(jié)果，由傳感器給出合格與否的信號，根據(jù)此信號

19、決定該產(chǎn)品應送入成品庫還是廢品庫。即由傳感器的信號自動選擇程序運行。 2）人工預選程序 人工預選程序是在系統(tǒng)運行前由操作者根據(jù)需要，通過“程序預選閥”事先選擇好所要執(zhí)行程序。 11.5 可編程控制器及其應用可編程控制器及其應用 PLC可編程邏輯控制器與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制相比，具有如下優(yōu)點： （1）體積小，可靠性高，邏輯功能強。 （2）由于PLC采用軟件編程控制，因而隨著要求的隨時變更，可以通過程序的修改方便地加以實現(xiàn)。 PLC雖然采用了計算機和微處理器，但它與計算機相比，又具有如下特點。 （1）PLC采用了面向邏輯語言，以繼電器邏輯梯形圖為表達式，因而簡單易懂，操作方便。 （2）一般PLC具

20、有模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的對象進行組合和擴展，以滿足工業(yè)控制的需要，具有良好的性能價格比。 圖11.38為可編程控制器系統(tǒng)框圖。 1.指令系統(tǒng)及編程 (1) 觸點指令 觸點指令包括運算開始、串聯(lián)連接、并聯(lián)連接。指令操作符為LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI等。梯形圖中畫法為： 其中： LD取，取支路起始段的常開觸點； LDZ取反，取支路起始段的常閉觸點； AND與，常開觸點的串聯(lián)； ANI與反，常閉觸點的串聯(lián)； OR或，常開觸點的并聯(lián)； ORI或反，常閉觸點的并聯(lián)。 LDLDIANDANIORORI指令系統(tǒng)及編程指令系統(tǒng)及編程(2/6) (2) 塊指令 塊指令包括回路塊串聯(lián)與并聯(lián)指令，

21、指令操作符為ANB、ORB。梯形圖中畫法為： 其中ANB塊與為A塊和B塊串聯(lián)運算。 ORB塊或為A塊和B塊并聯(lián)運算。 塊A塊BANBORB塊A塊B指令系統(tǒng)及編程指令系統(tǒng)及編程(3/6) (3) 輸出指令 輸入指令包括輸出、直接輸出等，指令操作符為OUT、OUTD。其中OUT輸出，將邏輯運算結(jié)果輸出給指定裝置。OUTD直接輸出，直接輸出給指定輸出繼電器Y的輸出模板。 (4) 置位、復位指令 置位指令操作符為SET，復位指令操作符為RST。 (5) 直接置位、復位指令 直接置位、直接復位操作符分別為SETD、RSTD。 (6) 定時器指令 定時器指令操作符為OUT T。 指令系統(tǒng)及編程指令系統(tǒng)及編

22、程(4/6) (7) 步控制指令 步控制指令操作符為SC，它是控制步（過程控制）的指令，使用這條指令，對過程控制復雜的系統(tǒng)，也能簡單地完成編程任務。對于一個過程控制，通?？杀硎境扇缦滦问健?ON 電源1 過程2 過程3 過程指令系統(tǒng)及編程指令系統(tǒng)及編程(5/6) 應用步控制指令SC，可作出如下梯形圖。8011M0000LSC000X0000L0001LSC001X0001L0002LSC002X0002L0003LSC003X0003L0001LSC004XFLSC001初始步執(zhí)行步過程1執(zhí)行步過程2執(zhí)行步過程31返回過程緊急停止步指令系統(tǒng)及編程指令系統(tǒng)及編程(6/6) 圖中M8011僅第一次掃瞄時ON，在程序動作的第一次掃瞄部使L0000 ON，程序處于初始狀態(tài)，同時使其他的繼電器L0001L001F均為OFF。如果X000 ON