任务5 通过案例学习电气-液压控制系统分析与综合方法

在这次任务中，我们选择液压动力滑台的传动与控制系统为案例，研究电气—液压传动与控制系统的逻辑分析与综合方法。

2.5.1 根据动力滑台的要求设计传动主回路，根据主回路的要求设计液压控制回路

1.动力滑台的选用

动力滑台用于执行组合机床的进给运动。在滑台上装上铣削头、镗削头、钻孔—攻丝头等，就可以多头并举，快速完成各种加工任务。

如果加工精度要求很高，选用机械动力滑台是比较有保证的。但在一般的情况下，选用液压动力滑台有很多优点。（1）液压传动功率密度大、结构简单、布局灵活、连接方便。（2）液压传动运行平稳，速度、功率都可以宽范围的无极调节，切换快速方便。（3）液压元件系列化、标准化、通用化，可组合性好，构成系统容易。（4）自润滑性能好，易于实现过载保护与保压，使用寿命长。

根据图2.5.1就可以明白动力滑台在组合机床中的作用。

2.动力滑台的工作过程和描述方法

动力滑台的工作是循环进行的。包括启动、快进、工进、停止、返回几种工况。启动由人发出指令。此后的工序转换自动完成。快进、返回都不进行加工，要求尽量节省时间。工进的速度和路程要符合工艺要求。

动力滑台的工作要求，通常用工作循环图来描述。表达完整的工作循环图，标明了每一段工序的起点和终点，移动速度v和路程s。本案例是一个具有二次工进的工作循环，如图2.5.2所示。

SB1是位于循环工作起点的启动按钮，手控操作，用于发出启动指令。

SQ2、SQ3、SQ4是行程/位置开关，安装位置根据工艺要求确定。滑台移动到位时，自动发出工序切换指令。

SQ1为起点位置开关。工作循环开始之前，SQ1已被压下（动作），SQ1=1。启动后，滑台一开始动作，SQ1即被释放，SQ1=0。循环结束时，滑台返回原位，SQ1又被压下。

KT为计时器。加工进给到位时，滑台被挡铁挡停，经过短时间停稳后再反向启动返回。延时指令由KT发出。

3.能够实现滑台工作循环传动的液压系统图设计

按照滑台工作循环图的要求，液压动力滑台的传动与控制系统应该具有以下功能。

① 滑台级应该做往复直线运动，可进可退。为此，执行器应采用油缸传动。通常都是活塞固定，油缸移动。液压油应该可以正、反向进出油缸。所以必须设液流方向控制阀。这个阀应能够控制液流左进右出、右进左出或不进不出，有三种不同的逻辑状态。所以必须是三位五通阀。因为循环过程中切换是自动进行的，所以还必须是电磁控制的或电液控制的阀。

② 滑台要求有快进、快退、一次工进、二次工进四种不同的速度v1，v4，v2，v3。每一种速度还应该可以随意设定。所以必须采用调速阀。不用调速阀，仅靠开关阀切换，至多可以获得两种速度。加一个调速阀并配合开关阀可以获得三种不同的速度。加两个调速阀并配合开关控制，可以获得四种不同的速度。所以必须设置两个调速阀及相应配合的开关阀。

按照这些要求和思路设计，得到的液压传动与控制系统图如图2.5.3所示。

四种速度是这样获得的。

1）快进速度v1

油路：油缸“左腔进，右腔出，出油返回变进油”。为了实现“左进右出”，V1应按左位油路工作，P口进，O2口出，O1口断。为了实现“出油返回变进油”，V2也应按左位油路工作，P到A通，部分油从V2的P口进，A口出，进入左腔。V3置于右位，P到A通，一部分油从V3的P口进，A口出，返回油箱。

2）快退速度v4

油路：油缸“右腔进，左腔出，出油径直回油缸”。为此，V1应按右位油路工作。P口进，O1口出，O2口断。由于O2口已断，V2～V5的状态对速度已无影响。V2、V3置于左位或右位均可。

3）一工进速度v2

油路：油缸“左腔进，右腔出，一个阀4管调速”。为了实现“左进右出”，V1应按左位油路工作，P口进，O2口出，O1口断。出油由O2口经过F2进入调速阀V4被调速，然后经过开关阀V3流回油箱，绕开了调速阀V5。所以V3应按右位油路工作，PA通，P口进，A口出。同时开关阀V2应切断由右返左的油路，故V2应置于右位，使PA断。所以V1、V2、V3工作位置的适当组合，保证了“一个阀4管调速”的实现。

4）二工进速度v3

油路：油缸“左腔进，右腔出，阀4阀5同调速”。为了实现“左进右出”，V1应按左位油路工作，P口进，O2口出，O1口断。出油由O2口经过F2进入调速阀V4后再经过调速阀V5流回油箱。为了实现“阀4阀5同调速”，V2仍应断开，置右位。阀V3也应该断开，使液流通过调速阀V5返回油箱。所以V3应该置左位，PA断。

以上四种状态，按照v1，v2，v3，v4的次序排列，就可以得到V1，V2，V3三个方向控制阀的逻辑状态时序表，见表2.5.1。

表2.5.1 液压滑台工作循环中三个方向控制阀阀位的逻辑状态时序表

对液压元件的逻辑描述，可以像机械元件和电气元件一样进行。阀的工作位置，就是一种逻辑量。V2和V3是二位阀，属于二值逻辑元件，有左、右两个不同的位置，分别用逻辑值L（Left）和R（Right）来表示。

V1与V2和V3不同，具有左、中、右三个不同的工作位置，不能用二值逻辑来描述，而应该用三值逻辑来描述。左、中、右三个工作位置，分别用逻辑值L、M（Middle）、R来表示。

二值逻辑是最基本的、应用最广的逻辑。但它不能直接用于二值以上的逻辑对象。用逻辑表代替逻辑式来描述逻辑对象，不再受这一限制。不管逻辑对象有几种逻辑状态，只要是有限的，就可以运用逻辑空间的概念和逻辑表的描述方法。运用重在思路，而不要囿于规矩。

于是，可以构造出三个方向控制阀V1、V2、V3组成的三维逻辑空间，用来描述液压滑台传动系统的时序逻辑运动，如图2.5.4所示。其中，V2维和V3维都是二值维，V1维则是三值维。把表2.5.1中各行的V1、V2、V3逻辑值依次编号填入这个逻辑空间中，就可以得到V1、V2、V3的逻辑功能表（见图2.5.4）。其中的①号和⑤号在表2.5.1见图中不能明显看出而没有列出，但在逻辑功能表中则十分显然，是逻辑变化过程中必经的格点。可以看出，已经得到了一个能够满足液压滑台循环工作的要求，没有逻辑矛盾和竞争、没有逻辑错误的逻辑功能表，因而与其对应的液压传动与控制系统的设计是正确的。

在图2.5.3中，油泵P与油缸E组成液压传动主回路。方向控制阀V1、V2、V3和调速阀V4、V5组成液压控制回路。主回路根据滑台传动要求设计。液压控制回路根据液压主回路的要求设计。已经做完了这两项工作，得到了V1、V2、V3的控制要求。那么，V1、V2、V3的控制要求又该如何实现呢？

2.5.2 根据控制油路的要求设计控制电路

如何根据控制油路的要求设计控制电路，是面临需要解决的问题。按照由元件到系统的顺序来研究解决这个问题。

1.准确掌握方向控制阀的逻辑输入—输出特性

在液压控制回路中，调速阀V4、V5是模拟器件，不是逻辑油路设计讨论的对象。而方向控制阀是逻辑器件，其逻辑特性是必须加以讨论的。只有把元器件的逻辑输入—输出特性准确的搞清楚了，才能正确的完成控制油路和控制电路的设计。

方向控制阀又称换向阀。换向阀有手动控制的、机动控制的、电磁控制的、电磁—液压控制的等。其输出信号都是油路信号，即油路通与不通。而输入信号则分别为手动信号、机动信号、电信号。电磁控制换向阀是通过电磁铁来控制阀体与阀芯的相对位置。电磁铁通电时，电磁力通过顶杆将阀芯向离开电磁铁的方向顶开，相当于阀体向靠近电磁铁的方向相对于阀芯移动，从而使阀体与阀芯之间的油路通断发生改变。

电磁换向阀的功能可以用方框图2.5.5来表示。这个图说明，电磁换向阀的作用是输入的逻辑电信号转换为输出的逻辑油信号，即用电信号的有无来控制油路的通断。这看似很简单的概念实际上很有用。虽然还不知道一只电磁换向阀的内部结构和工作机理，但仍然可以使用它。因为对于使用者来说，最重要的不是它的内部结构，而是它的外部性能。运用上述概念，就可以对它的外部逻辑特性进行测试。以V1为例，它的电气输入端是两个电磁铁YA1、YA2，液压输出端是5个油口P、A、B、O1、O2。输入端YA1、YA2的通断可以有四种组合。只要逐一加上四种输入电信号组合，逐一检测并记录5个油口之间的通、断关系，最后把这些输入—输出逻辑信号填表整理，它的外部逻辑特性就求出来了。这就是对待“黑箱”的办法。

如果有一只允许拆开的阀，“黑箱”就变“白箱”了。电磁控制换向阀的道理就一目了然了。可以用一个结构与工作原理示意图来模拟一下。图2.5.6所示的是一个电磁控制三位五通换向阀。左右各有一个电磁铁。当电磁铁YA1、YA2的线圈都不通电时，由于两端弹簧力的作用，阀芯在阀体的中位保持着平衡。这时阀体与阀芯之间形成的两个右腔被隔开，5个油口之间互不相通。若YA1通电，YA2断电，则YA1的衔铁被吸入线圈内，通过顶杆使阀芯右移，压缩右边的弹簧，放松左边的弹簧，直到弹簧力与电磁力达到平衡时停止。这时阀体工作于左位。P口与A口通，B口与O2口通，O1口断。类似的，若YA2通电，YA1断电，则P口与B口通，A口与O1口通，O2口断。

把这个结构和工作机理抽象成图形，就得到三位四通电磁控制换向阀的图形符号。每一种液压元件都有标准规定的示意图形符号。掌握液压元器件图形符号的含义，是阅读和绘制液压系统图的基础。液压系统图的表达方法与电路原理图有很多类似的地方，对电专业的人学习非常有利。V1、V2、V3的图形符号及逻辑特性如图2.5.7所示。

在图形符号中，用“□”来表示“位”。“位”指的是阀体相对于阀芯的位置，而不是阀芯相对于阀体的位置。左位是阀体置于阀芯的左位，是图形符号的左位，也是与左边的控制电磁铁同一侧的位。右位与此类似。“二位”指的是有左右两个位。“三位”指的是有左中右三个位。油口的文字标号与图形符号配合使用。用P表示进油口，即与油泵及滤油器相连接的油口。A、B表示工作油口，即与油缸、油动机、油负载相接的油口。O（或T）表示回油口，即与油箱相连接的油口。两油口之间带箭头的实线“↖”、“↘”、“↑”、“↓”表示通。如果没有箭头连线则表示不通。接有符号“⊥”的油口为不通口。

2.阀位与电磁铁状态之间的对应关系

阀的功能决定于阀位，而阀位由电磁铁来控制。我们应该直接列出阀的功能与电磁铁之间的关系。对三位电磁换向阀V1来说，阀位L、M、R与电磁铁YA1、YA2状态之间的关系为

对二位阀V2，阀位L、R与电磁铁YA3的状态之间的关系为

对二位阀V3，阀位L、R与电磁铁YA4的状态之间的关系为

图2.5.7中，逻辑特性表描述了阀位是如何决定油口之间的通断关系的。而为了设计阀的控制电路，更需要知道的是，电磁铁的状态如何决定油口之间的通断关系。为此，利用式（2.5.1）～式（2.5.3），我们将图2.5.7中换向阀逻辑特性表中的阀位信息L、M、R转换为电磁铁YA1、YA2、YA3和YA4的状态信息。这样就得到了电磁铁的状态如何决定V1、V2和V3的阀口通断的关系表，即V1、V2和V3的逻辑输入—输出特性表，如图2.5.8所示。

3.为了实现油路的控制要求，电磁铁应该如何动作？

表2.5.1和图2.5.4说明了，为了实现油路的传动和控制要求，方向控制阀V1、V2和V3的阀位L、M、R应该按什么顺序变化。而为了按照液压油路的要求来设计控制电路，更需要知道的是电磁铁应该按照什么顺序激励。为此，利用L、M、R与YA1、YA2、YA3、YA4的关系式（2.5.1）～式（2.5.3），用YA1、YA2、YA3和YA4来代替表2.5.1中的L、M、R，得到电磁铁应有的动作顺序见表2.5.2。

表2.5.2 实现液压滑台工作循环的控制阀阀位和电磁铁逻辑状态时序表

同样，用YA1、YA2、YA3和YA4来代替图2.5.4中的L、M、R，得到在电磁铁逻辑空间中应有的动作顺序如图2.5.9所示。

在电磁铁逻辑功能表实际使用（标有数字）的格中标出与该格对应的电路状态，把图2.5.9变为图2.5.10。图2.5.10更具体的说明了电磁铁的动作顺序如何决定了电路的功能顺序。

已经由液压传动与控制系统所要求的功能顺序确定了电磁铁应有的动作顺序。现在的问题变成了如何实现电磁铁所要求的动作顺序？

4.根据循环工作图在逻辑空间中创建指令——执行元件时序逻辑功能表

在电路中，电磁铁是执行元件。它是被动地只管执行命令的。命令的发布者是指令元件，如按钮、开关、行程开关、传感器输出开关、保护电路输出开关等。所以，要解决如何实现电磁铁依序动作的问题，先要建立起执行者与指令发布者之间的关系，即电磁铁与按钮SF1、行程开关SQ1、SQ2、SQ3、SQ4及时间继电器KF之间的逻辑关系。

为此，根据电磁铁动作顺序表（见表2.5.2），电磁铁时序逻辑功能表（见图2.5.9）、（见图2.5.10），将电磁铁的时序逻辑状态信息填入到液压滑台工作循环图（见图2.5.2）中，得到兼有指令元件时序逻辑信息和执行元件时序逻辑信息的液压滑台工作循环图（见图2.5.11）。

把图2.5.11中的时序逻辑信息放到逻辑空间中进行严格而准确的描述，构造一个包括全部指令元件和执行元件在内的时序逻辑功能表。为此，首先把这个逻辑空间画出来。这个逻辑空间包含1个按钮、4个行程开关、1个时间继电器、4个电磁铁、有10个维，如图2.5.12所示。然后以图2.5.11为依据，从循环图的起点开始，填写电路所占用的逻辑格。首先确定起点处各指令元件和执行元件的状态，在逻辑空间中找出起点格。除了SQ1=1外，其余各元件的初值均为0。所以起点格为

然后以工作循环图为依据，一次改变一个元件的状态，将序号填入相应的格中。沿着工作循环图走一圈。走到哪里，改到哪里，填到哪里。经过19步，填完了全部的格。第20格又回到了起点。

填完逻辑空间中控制电路的全部逻辑格之后，用箭头线依次将两两相邻的电路格连接起来，得到一个闭合的时序逻辑状态回路，即10维逻辑空间中液压滑台控制电路的指令——执行元件的时序逻辑功能表，如图2.5.12所示，这是构成逻辑控制电路的重要依据。

10维逻辑空间中的1024个逻辑格，由此分成了两种。一种是控制电路占用了的格，称为电路格，简称为实格。其余的格，电路没有占用，就称为空格。已经占用了的格，有了专门的用途，不能更改，不能再占用。而没有占用的空格，是自由的格，可以按规则使用，不会改变电路的时序逻辑特性。空格并非无用的格，在电路的综合与简化中，将发挥十分重要的作用，应该加以充分利用。

5.根据电路时序逻辑功能表建立控制电路逻辑结构表达式

每一个逻辑控制电路都包含两类电路元素。一类是触点，一类是线圈。每个电路元件可能同时含有这两类元素，如继电器、接触器、记忆器、触发器等。也可能只含有一类元素。如按钮、开关、逻辑门等，只含有触点。又如电磁铁、电磁换向阀、电磁阀、电磁离合器、电磁制动器、电动机等。每个线圈由相应的触点组合电路控制。各触点组合电路借助于继电器、接触器、记忆器、触发器类元件相互连接和传送信号，构成时序逻辑控制电路。设计时序逻辑控制电路，先要把每一个线圈的组合逻辑控制电路设计出来。为此，就要先写出每个线圈的组合逻辑控制结构表达式。从电路的时序逻辑功能表出发，可以遵循确定的规律来做这件事。

在时序逻辑功能图2.5.12中，时间继电器KF和电磁铁YA1、YA2、YA3、YA4为有线圈的电路元件。要写出这5个元件线圈的组合逻辑控制结构表达式。表达式的左边是线圈的逻辑代号，可取值0或1。表达式的右边，是线圈所对应的组合控制逻辑结构式。

以YA1的组合逻辑控制结构式为例进行说明。从图2.5.12可以看到，电路的时序逻辑环路0-1-2-…-18-19-0中，每一个线圈都分了一个逻辑段。YA1所分的一段是逻辑段3-4-5-6-7-8-9，一共包括7个逻辑格。其中4-5-6-7-8-9段共6个格是“在家里”的，即在线圈YA1的“辖区”内的。只有逻辑格3不是“家”里的。但“她”是正在“娶”进门的“媳妇”，是“一家的”。另一方面，逻辑格10是在YA1的“家”里的，但没有算在“家”里。原因是“她”正在“嫁”出去，已经不是家里的了。记住“娶进嫁出成一家，控制逻辑全不差”这句话，就可以准确地辨清每一个线圈的控制逻辑格和控制逻辑段。线圈YA1的控制逻辑段仍以YA1记之。YA1的组合逻辑控制结构式就是根据YA1的控制逻辑格、控制逻辑段写出来的。

于是，YA1的控制逻辑可以写成为

YA1=【3】+【4】+【5】+【6】+【7】+【8】+【9】

YA1的组合逻辑控制结构式至少应覆盖这7个实格。还应该尽可能覆盖更多的空格。覆盖的格越多，YA1的组合逻辑控制结构式就越简单，电路就越可靠，越便宜。但绝不能覆盖不属于YA1的电路的其他实格。

这就是覆盖的五大原则：第一条，娶进嫁出；第二条，己格必盖；第三条，它格禁盖；第四条，越宽越简；第五条，不可间断。

依据这些覆盖原则，可以把YA1写成为

YA1=（YA1-1）+（YA1-2） （2.5.4）

其中

YA1-1=【3】+【4】+【5】+【6】 （2.5.5）

YA1-2=【4】+【5】+【6】+【7】+【8】+【9】 （2.5.6）

这是把全覆盖分解成为两个相交的（相交部分为【4】+【5】+【6】）分覆盖来做。首先来做第一个覆盖式（2.5.5）。把必须覆盖的格3、4、5、6都包括进去，然后借助于表的对称性，依据逻辑代数的化简公式，将有规律分布的、尽可能多的空格用红色矩形条盖住，就得到能实现对式（2.5.5）极大覆盖的YA1-1逻辑功能链覆盖图（2.5.13）。顺便说，如果把画逻辑表、填逻辑表、覆盖逻辑表的工作都放到计算机上，用绘图软件来做，那是很容易也很有趣的，比在纸张上的手工作业方便多了。

根据逻辑功能链覆盖图（见图2.5.13），立即可以写出覆盖部分所对应的组合逻辑控制结构式为

用同样的方法做第二个覆盖式（2.5.6）。把必须覆盖的格4、6、7、8、9都包括进去，然后借助于表的对称性，依据逻辑代数的化简公式，将有规律分布的、尽可能多的空格用红色矩形条盖住，就得到能实现对式（2.5.6）的极大覆盖的YA1-2逻辑功能链覆盖图（见图2.5.14）。

根据逻辑功能链覆盖图，可以写出覆盖部分所对应的组合逻辑控制结构式为

将式（2.5.7）和式（2.5.8）代入式（2.5.4）中，就得到YA1的组合逻辑控制结构式

接着写YA2的组合逻辑控制结构式。根据“娶进嫁出”的原则，YA2的控制逻辑链是13-14-15-16-17-18，可分为13-14-15和14-15-16-17-18具有重叠部分的两块来进行连续覆盖。结果得到YA2逻辑功能链覆盖图（见图2.5.15和图2.5.16）。并根据覆盖图得到

接着写YA3的组合逻辑控制结构式。根据“娶进嫁出”的原则，YA3的控制逻辑链是1-2-3-4-5，可分为1-2和2-3-4-5两个重叠相接的链进行覆盖。结果得到YA3逻辑功能链覆盖图（2.5.19）和（2.5.20）。并根据覆盖图得到

再接着写YA4的组合逻辑控制结构式。根据“娶进嫁出”的原则，YA4的控制逻辑链是8-9-10，可以一次完成覆盖，结果得到YA4逻辑功能链覆盖图（见图2.5.19）。由图可得

YA4=SQ3·YA1 （2.5.12）

最后写时间继电器KF的组合逻辑控制结构式。KF的控制逻辑链是12-13-14，可以一次完成覆盖。结果得到KF逻辑功能链覆盖图（见图2.5.20）。由之可以写出

6.根据控制电路逻辑结构式综合控制电路逻辑结构表和求得控制电路图

将式（2.5.9）～式（2.5.13）5个组合逻辑控制结构式整合到一个表中，就得到整体的时序逻辑控制电路结构表，如图2.5.21所示。

根据电路结构表画出控制电路图如图2.5.22所示。

为了不打断设计过程的主要思路，在前面留下了一个漏洞。现在该把它解决了。这个漏洞就是电磁换向阀的线圈YA1、YA2、YA3、YA4是用来实现电信号/液压信号转换的元件，对控制电路而言，只能接收并执行电信号指令，而不能发出或转发电信号。因为它只有线圈，没有触点。可是式（2.5.9）～式（2.5.13）5个组合逻辑控制结构式的等号左边是线圈，右边是触点，其中包括YA1、YA2、YA3、YA4的6个触点。所以这5个逻辑结构式和后面的逻辑结构表是无法实现的。电路图（见图2.5.22）也是不能成立的。

只要用4个中间继电器KF1、KF2、KF3、KF4作为指令元件与执行元件之间的桥梁，承当指令传达与转发的任务，问题就解决了。为此，可用KF1、KF2、KF3、KF4代替式（2.5.9）～式（2.5.13）和图2.5.21、图2.5.22中的YA1、YA2、YA3、YA4，并建立YA1、YA2、YA3、YA4与KF1、KF2、KF3、KF4之间对应相等的关系就可以了。这样得到9个组合逻辑控制结构式，即

这9个组合逻辑控制结构式整合到一个表中，得到整体的时序逻辑控制电路结构表，如图2.5.23所示。

根据电路结构表画出控制电路图如图2.5.24所示。电路设计至此完成。

7.逻辑综合结果的分析检验

逻辑综合所得到的控制电路是否符合液压滑台循环工作过程的要求，可以通过对逻辑式或逻辑表进行迭代计算来分析检验。为此，先画出一个控制电路时序逻辑值分析计算表。表的第1列由上到下依次填上电路元件的代号。对有线圈的元件，还要写出线圈的组合逻辑控制式，据以计算线圈的逻辑值。表的第一行由左到右依次标出列的时序节拍号0，1，2，…。在每一列中分别填出在当时节拍下各元件的逻辑状态。元件的逻辑状态取值为1时填1，取值为0时不填。填写从第0列开始。这时除SQ1=1外，其他元件的逻辑值均为0。将这些逻辑值代入到位于第一列的各元件的控制逻辑式中进行计算，结果各元件的逻辑值都没有变化。说明电路处于静止状态。这时若按下启动按钮SF，则SF=1，其他各元件的状态不变。电路的逻辑状态进入第2列。把第2列的逻辑值代入控制式计算，得到KF3=1，其他各元件的逻辑值不变。这时电路的逻辑状态进入第3列。如此一步一步的迭代计算，由一列的逻辑值算出下一列的逻辑值，直到某一列的逻辑值又回到了第0列。这时就得到了控制电路的时序逻辑值表，见表2.5.3。这个表拿来检验设计的对错，分析电路的工作，查找电路的故障，都是很有用的。这个表本质上与设计的起点——时序逻辑功能图2.5.12是一致的。如果得到的表2.5.3与图2.5.12仍然吻合，就说明逻辑综合过程中没有发生错误。否则，就要查找原因了。

表2.5.3 时序逻辑功能表的另一种形式——时序逻辑值分析计算表

2.5.3 由继电器控制电路到PLC控制电路

机床采用模块方式组合，液压系统采用模块方式组合，电控系统也采用模块方式组合，这是非常理想的。所以PLC在组合机床的控制中有很大的空间。

在2.4.1节中就已经讨论过逻辑实现问题。不管用什么具体方式来实现逻辑控制，本质上都有相似的地方。继电器控制、电子开关控制、PLC控制、液压控制、气动控制、本质上都是逻辑控制。只不过逻辑载体、实现手段不同罢了。设计逻辑控制系统，首先要抓住逻辑本质，把逻辑线路、逻辑程序设计出来，然后再解决具体实现方式所遇到的具体问题。这里先来讨论液压系统控制逻辑的实现问题。

1.液压电磁换向阀的电气技术参数选择

液压电磁换向阀的电磁铁，线圈电压有AC220V、110V和DC24V、12V等多种。控制电路的设计和电磁铁线圈的电压有关系，设计前先要搞清楚。如果液压系统设计都是自己做，则要进行适当的选择。这里选DC24V，电流0.92A。如果所用PLC的输出触点的电流容量不足，则可以选DC205/0.08A的线圈。

2.PLC的选择

① PLC的输出方式，应该选继电器输出方式，可以得到更大的电压/电流容量。

② PLC的I/O点数：不能少于5/4点，还要考虑适当留一些备份。

③ PLC的品牌：选常用的品牌，有利于学习，有利于备份。

根据这些原则，选择三菱PLC。型号选FX1S-14MR，继电器输出，I/O点数为8/6。

3.I/O地址设置

用“=”号表示映射。将继电器控制电路图（见图2.5.22）中的元件代号按表2.5.4映射到PLC中。

表2.5.4 继电器控制电路到PLC的I/O元件映射

4.I/O电路设计

输入/输出电路设计如图2.5.25所示。注意电磁铁是感性负载，一定要在线圈两端逆电流方向并联续流二极管，防止断流过电压的发生。在PLC的电源端和输出端都要设置适当的熔断器做短路保护。

5.控制程序设计

控制程序的设计问题，实际上是时序逻辑控制线路的主题，在前面已经解决了。只不过是按照继电器控制电路的特点来表达罢了。PLC控制的程序，只需要把继电器控制程序“翻译”过来就可以了。所以最方便的程序表达方式是梯形图。要保证“翻译”简便准确，可按以下步骤进行：

1）文字代号翻译

先进行I/O代号的翻译。只要根据I/O“字典”（见表2.5.4），把图2.5.22中的继电器电路的指令元件和执行元件代号改为PLC的I/O继电器代号就可以了。然后再进行中间元件代号的翻译。可以自设一个适当的“字典”。图2.5.22中只有一个延迟传送指令的中间元件——时间继电器KF。设工进终点的停留时间为2s，可以选时间尺度为100ms的计时器T1，取设定常数K=20，则t=100ms×20=2s。

2）图形符号翻译

先把图2.5.22中的继电器电路图形符号改为对应的PLC图形符号，再把电路图按梯形图的规则重画一遍得到梯形图程序（见图2.5.26）。

2.5.4 由继电器控制电路到数字集成电子控制电路

同一个问题，可以有不同的解决方法。继电器控制电路、PLC控制电路、数字集成电子控制电路各有所长和所短。采用什么方法，应该权衡利弊，具体分析，具体解决。用集成数字电子控制电路控制液压系统，应该怎样设计呢？

1.时序逻辑控制电路赖以形成的两种基本的逻辑功能

无论用什么方法实现时序逻辑控制，都离不开两个基本的逻辑功能。这两个基本的逻辑功能，在组合逻辑控制中是没有的。这就是① 记忆功能：如何记住（和忘掉）某个电路元件及整个电路的某个状态？② 控制功能：如何改变某个电路元件及整个电路的某个状态？在任务4中，曾经阐述过逻辑记忆问题，并提出了记忆器的概念和相应的数字集成电子电路。只有组合，没有记忆，电路就无法保持其已经形成的某种状态。一旦控制信号消失，相应的电路状态也随之消失，也就谈不上转入“下一个”状态了。连“这一个”都没有，哪里还有“下一个”呢？所以记忆是时序逻辑电路得以存在的基础。

记忆如此重要，但只有记忆、没有控制还是不够的。记住某种状态的前提是出现了某种状态——这是电路状态的改变；忘掉某种状态的实质是进入到另一种状态——这也是电路状态的改变。实现电路状态的改变，靠的就是控制。记忆是“自保”，是“自锁”，是“自己控制自己”——是电路元件把自己的输出信号反馈到自己的输入端作为自己的控制信号，是一种具有“正反馈”的逻辑控制；而要改变电路的状态，必须有“他控”、“他锁”、“别人控制自己”——一个电路元件接收其他电路元件的输出信号送到自己的输入端作为自己的控制信号。

所以时序逻辑控制电路能够依次出现电路状态的变化，靠的就是记忆和控制两种作用相辅相成。掌握这两个基本概念，更容易把控制逻辑结构表或继电器控制逻辑电路转化为数字集成电子控制逻辑电路。

2.按照电路元件的“邻近关系”整理时序逻辑控制电路结构表

一个逻辑控制电路，无论怎么画，怎么做，只要元件之间的连接关系保持不变，这个电路的功能就不变。元件之间的连接关系，是电路的本质特征。同样的，一个逻辑控制电路的结构表，例如，图2.5.21或图2.5.23，可以把它的行与行任意对调，或列与列任意对调，只要不改变格中的文字符号，这个结构表的本质就不会变化。结构表及其对应控制电路的外形变了，但电路的逻辑控制功能保持不变。这称为逻辑控制电路结构表的等效变换。

为了画出数字集成电子时序逻辑控制电路图，可以先对逻辑控制电路结构表图2.5.21进行适当的等效变换，使各个元件控制子电路按照“邻近关系”重新排列。也就是使具有相同输入控制信号的元件控制子电路相邻排在一起。这样就得到了与图2.5.21等效的结构图2.5.27。

从图2.5.27的下部看起。线圈YA3与YA1具有相同的输入控制信号YA3。这个信号是线圈YA3的记忆信号，又是线圈YA1的控制信号。它们必须要分别送到YA3的控制电路的输入端和YA1的控制电路的输入端。这两个输入端必须连接在一起。所以要把线圈YA3的行和线圈YA1的行调到相邻的位置，才有利于画图。电子电路图与继电器电路图不同，连接线很多，不注意这一点，画起来、读起来、做起来都会增加很多困难。

同样的道理，线圈YA4与线圈YA1具有共同点输入控制信号YA1。它既是YA1的自锁信号，又是YA4的它控信号。所以YA4行必须紧接着排在YA1行之上。

再看KF行与YA4行。线圈KF行中有YA4的输出常闭信号作为控制信号，所以KF行必须紧接着排在YA4行的上面。

最后看YA2行与KF行。在YA2行中，只有自锁信号YA2和常数1两个信号，似乎与KF无关。但在1格转90°向上走，却找到了线圈KF的输出信号KF，这是KF的他控信号。YA2是受KF控制的。YA2行必须排在KF行之上。

3.根据结构表绘制数字集成电子时序逻辑控制电路图

由逻辑结构表到电子逻辑控制电路图，也跟由逻辑结构表到继电器逻辑控制电路图一样，是一种一一对应的映射关系。只要细心做，就可以画得出来。当然要牢记“串联为与，并联为或”这8个字。由于结构表调整的好，电路图画起来很容易。结果如图2.5.28所示。

要完成全部电路图，还必须在逻辑控制电路之外，加上信号输入电路和功率输出电路，这里不再多说。

4.数字集成时序逻辑控制电路的性能/成本考量

性能考量，主要看运行的稳定性、可靠性和使用寿命。只要元器件选择正确，进货质量有保证，电路电源可靠，散热设计合理，电子控制电路的稳定性、可靠性和使用寿命是不成问题的。继电器控制电路和PLC控制电路都使用了继电器，继电器可以使用数十万次，而质量优良的电子元件，理论寿命是半永久性的。PLC的优点是灵活通用，纯硬件控制电路不具备这种性能。但对于比较固定的用途，这个优点就不那么重要了。

成本考量，电子控制远低于PLC控制。PLC的采购价格不止1000元，电子控制的成本价格不到100元，相差悬殊。数字集成电路芯片和晶体管的价格都非常便宜，开关电源是主要的成本项目，也不是很贵。

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