2.1　电气控制线路的设计方法

电气控制线路的设计方法通常有两种：一般设计法和逻辑设计法。一般设计法是根据生产工艺的控制要求，利用各种典型的控制环节，直接设计控制线路。这种设计方法又称经验设计法。逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电气控制线路的，同时也可以用于线路的简化。

2.1.1　电气控制线路的一般设计法

一般设计法的特点是没有固定的设计模式，灵活性很大，对于具有一定工作经验的设计人员来说，容易掌握，因此在电气设计中被普遍采用。但用经验设计方法初步设计出来的控制线路可能有多种，也可能有一些不完善的地方，需要多次反复的修改、试验，才能使线路符合设计要求。采用一般法设计控制线路时，应注意以下几个问题。

（1）保证控制线路工作的安全和可靠性

电气元件要正确连接，线圈和触点连接不正确，会使控制线路发生误动作，有时会造成严重的事故。

① 线圈的连接　在交流控制线路中，不能串联接入两个线圈，如图2-1所示。串联两个线圈可能使线圈的外加电压小于其额定电压，或者由于电压分配不均造成有的线圈上的电压过大，烧毁线圈。因此两个电器需要同时动作时，线圈应并联连接。

② 触点的连接　同一电器的常开触点和常闭触点位置不能靠得太近，如果采用如图2-2（a）所示的接法，由于常开触点和常闭触点电位不相等，当触点断开产生电弧时，很可能在两触点之间形成飞弧而引起电源短路。为避免以上情况发生，正确的连接方式如图2-2（b）所示。

③ 线路中应尽量减少多个电气元件依次动作后才能接通另一个电气元件的情况　在图2-3（a）中，接通线圈KA3需要经过KA、KA1、KA2三对常开触点，工作不可靠，故应改为图2-3（b）所示接法。

④ 应考虑电气触点的接通和分断能力　若电气触点的容量不够，可在线路中增加中间继电器或增加线路中触点数目。要提高接通能力，可用多触点并联连接，要提高分断能力可用多触点串联连接。

⑤ 应考虑电气元件触点“竞争”问题　同一继电器的常开触点和常闭触点有“先断后合”型和“先合后断”型。

通电时常闭触点先断开、常开触点后闭合，断开时常开触点先断开、常闭触点后闭合，属于“先断后合”型。

通电时常开触点先闭合、常闭触点后断开，断电时常闭触点先闭合、常开触点后断开，属于“先合后断”型。

如果触点先后发生“竞争”的话，电路工作则不可靠。触点“竞争”线路如图2-4所示。若继电器KA采用“先合后断”型，则自锁环节起作用；如果KA采用“先断后合”型，则自锁环节不起作用。

（2）控制线路力求简单、经济

① 尽量减少触点的数目。合理安排电气元件触点的位置，也可减少导线的根数和缩短导线的长度。一般情况下，启动按钮和停止按钮放置在操作台上，而接触器放置在电器柜内。从按钮到接触器要经过较远的距离，减少导线的根数和缩短导线的长度一般采用如图2-5（b）所示的接法，而不采用如图2-5（a）所示的接法。

② 为延长电气元件的使用寿命和节约电能，控制线路在工作时，除必要的电气元件外，应避免长期通电。

（3）防止寄生电路

控制线路在工作中出现意外接通的电路称寄生电路。寄生电路会破坏线路的正常工作，造成误动作。图2-6所示是一个只具有过载保护和指示灯的可逆电动机的控制线路，电动机正转时如果过载，则热继电器FR动作时会出现寄生电路，如图中虚线所示，使接触器KM1不能及时断电，延长了过载的时间，起不到应有的保护作用。

（4）设计举例

① 控制要求　机床切削加工时，刀架的自动循环工作过程如图2-7所示。

刀架由位置1移动到位置2时不再进给，钻头在位置2处对工件进行无进给切削，切削一段时间后，刀架自动退回位置1，实现自动循环。

② 电气控制线路的设计

a.设计主电路。因要求刀架自动循环，故电动机需要能实现正转和反转，故采用两个接触器，通过不同接触器接通，用以改变电源相序，实现正反转。主电路设计如图2-8（a）所示。

b.确定控制电路的基本部分。控制线路中，应具有由启动、停止按钮和正反向接触器组成的控制电动机“正-停-反”的基本控制环节。如图2-8（b）所示为刀架前进、后退的基本控制线路。

c.设计控制电路的特殊部分。

• 工艺要求。采用位置开关SQ1和SQ2分别作为测量刀架运动的行程位置的元件，其中SQ1放置在如图2-7所示的位置1，SQ2放置在位置2。将SQ2的常闭触点串接于正向接触器KM1线圈的电路中，SQ2的常开触点与KT线圈串联。这样，当刀架前进到位置2时，压动位置开关SQ2，其常闭触点断开，正向接触器线圈KM1失电，刀架不再前进；SQ2常开触点闭合，使时间继电器KT线圈得电开始延时，此时，虽然刀架不再前进，但钻头继续转动进行工件的切削（钻头转动由另一台电动机拖动），无进给切削一段时间后，时间继电器的常开触点KT闭合，反向接触器线圈KM2得电，刀架后退，退回到位置1时，压动位置开关SQ1。同样，SQ1的常闭触点串接于反向接触器KM2线圈电路中，SQ1的常开触点与正向启动按钮SB2并联连接，压动位置开关SQ1时，其常闭触点断开，反向接触器线圈KM2失电，刀架不再后退；SQ1常开触点闭合，正向接触器线圈KM1得电，则刀架又自动向前，实现刀架的自动循环工作。其控制线路如图2-9所示。

• 保护环节。该线路采用熔断器FU做短路保护，热继电器FR做过载保护。

2.1.2　电气控制线路的逻辑设计法

（1）电气控制线路逻辑设计中的有关规定

逻辑设计法是把电气控制线路中的接触器、继电器等电气元件线圈的通电和断电、触点的闭合和断开看成是逻辑变量，规定线圈的通电状态为“1”态，线圈的断电状态为“0”态；触点的闭合状态为“1”态，触点的断开状态为“0”态。根据工艺要求写出逻辑函数式，并对逻辑函数式进行化简，再由化简的逻辑函数式画出相应的电气原理图，最后再进一步检查、完善，以期得到既满足工艺要求又经济合理、安全可靠的最佳设计线路。

（2）逻辑运算法则

用逻辑来表示控制元件的状态，实质上是以触头的状态作为逻辑变量，通过简单的“逻辑与”“逻辑或”“逻辑非”等基本运算，得出其运算结果，此结果表明电气控制线路的结构。

① 逻辑与　如图2-10所示为常开触点KA1、KA2串联的逻辑与电路，当常开触点KA1与KA2同时闭合时，即KA1=1、KA2=1，则接触器KM通电，即KM=1；当常开触点KA1或KA2不闭合，即KA1=0或KA2=0，则KM断电，即KM=0。图2-10可用逻辑“与”关系式表示：

KM=KA1×KA2　　 （2-1）

② 逻辑或　图2-11所示为常开触点KA1与KA2并联的逻辑或电路，当常开触点KA1与KA2任一闭合或都闭合（即KA1=1、KA2=0；KA1=0、KA2=1；或KA1=KA2=1）时，则KM通电，即KM=1；当KA1、KA2均不闭合时，KM=0。图2-11可用逻辑或关系式表示：

KM=KA1+KA2　　 （2-2）

③ 逻辑非　图2-12所示为常闭触点KA与接触器线圈KM串联的逻辑非电路。当继电器线圈通电（即KA=1）时，常闭触点KA断开（即KA=0）、则KM=0；当KA断电（即KA=0）时，常闭触点KA闭合（即KA=1），则KM=1。

图2-12可用逻辑非关系式表示为：

KM=KA　　 （2-3）

有时也称KA对KM是“非控制”。

对于多个逻辑变量，以上与、或、非逻辑运算也同样适用。

（3）逻辑代数式的化简

对逻辑代数式的化简，就是对继电接触器线路的化简，但是在实际组成线路时，有些具体因素必须考虑：

① 触点电流分断能力比触点的额定电流约大10倍，所以在简化后要注意触点是否有此分断能力；

② 在多用些触点能使线路的逻辑功能更加明确并且有多余触点的情况下，不必强求化简来节省触点。

（4）组合逻辑电路设计

组合逻辑电路对于任何信号都没有记忆功能，没有反馈电路（如自锁电路），控制线路的设计比较简单。一般按照以下步骤进行：

① 根据逻辑关系列出真值表；

② 根据真值表列出逻辑表达式；

③ 化简逻辑表达式；

④ 根据简化的逻辑函数表达式绘制电气控制线路。

例如：利用三个继电器KA1、KA2、KA3控制一台电动机，当有一个或两个继电器动作时电动机才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制线路。

电动机的运转由接触器KM控制，根据题目的要求，设继电器动作时为1、不动作为0，电动机转动为1、停转为0，列出真值表，如表2-1所示。

根据真值表，写出接触器KM的逻辑函数表达式：

f(KM)=KA1×KA2×KA3+KA1×KA2×KA3+KA1×KA2×KA3+KA1×KA2

×KA3+KA1×KA2×KA3+KA1×KA2×KA3

用逻辑代数基本公式（或卡诺图）进行化简得：

f(KM)=KA1×(KA2+KA3)+KA1×(KA2+KA3)

根据简化的逻辑函数表达式，可绘制如图2-13所示的电气控制线路。