“逻辑设计法”——多气缸顺序动作电气控制系统设计

林少玲，王翠凤

(1.福建信息职业技术学院自动化工程系； 2.机械工程系，福州 350003)

0 引言

对于多气缸顺序动作电气控制系统的设计，一般常用经验法、串级法及移位暂存法进行电气回路的设计，但经验法只适用于简单回路的设计，对于复杂回路的设计，不但容易发生错误而且不易发现错误；至于串级法和移位暂存法虽有规则可循且易于发现错误，但串级法只适用于双稳态元件(具自保能力的双电控换向阀)，而移位暂存法则适用于单稳态元件(单电控换向阀)[1]。而本文的逻辑设计法则提供了程序化、有规可循的方法，可以降低对设计技巧及经验的依赖；该方法既适用于单电控或双电控回路的设计，也适用于单、双混合电控回路的设计。尤其是采用PLC控制时，对阶梯图的设计，本方法更加适用。

1 逻辑法的设计思想和方法

串级法为一种控制回路的隔离法，是多气缸顺序动作全气控回路设计的一种常用的设计方法，其主要特征是利用换向阀为信号起转接作用，即利用5/2(或4/2)双气控换向阀以阶梯方式作顺序连接，同时保证在任何时段，只能允许其中一级管路有气源输出，而其他各级管路都处于排气状态[2]，如图1所示。

电气控制回路的基本组成元素是继电器，继电器由线圈、常开触点和常闭触点组成，而串级转换气路中的5/2(或4/2)双气控换向阀在功能上与继电器极其相似，双气控换向阀在气压作用下使阀芯滑动，导致换向，这在功能上相当于线圈通电，就如电磁阀电磁铁通电一般。而阀芯换向后产生的效果就是气流通道的通断，这又如线圈通电后引起相应继电器通断一样，只不过继电器通断的是电路，而阀通断的是气路[3]。其相似关系如图2所示。

(a)二级串级转换气路

(b)三级串级转换气路

(c)四级串级转换气路图1 各级串级转换气路

k.常开触点；常闭触点图2 继电器与双气控阀相似性关系

因此，可利用电—气相似性原理[4]，结合串级转换气路中输出(管路)对输入(5/2双气控换向阀)的配置演变为电气控制回路中各级电源转换时，输出(各级电源)与输入(继电器常开触点，常闭触点)的逻辑关系，如图3所示。

(a)二级配置图

(b)三级配置图

(c)四级配置图图3 逻辑电路输出与输入的配置

但是双气控换向阀与继电器二者又不同：控制各级气源转换的双气控换向阀是双稳态元件(具自保能力)，而电气回路中控制各级电源转换的继电器却是单稳态元件。如何将适用于双稳态元件的逻辑式子转换为适用于单稳态元件的逻辑方程式，可借助图4的自保电路求得转换公式[1]。

将图4的自保电路利用布林代数式表示，即可求得转换公式：

图4 自保电路

控制电源换级的元件为单稳态元件(继电器)，必须增加自保回路。控制气缸的元件既可以是双稳态元件(双电控换向阀)也可以是单稳态元件(单电控换向阀)。因此，当控制气缸的双稳态元件(双气控换向阀)欲转换为适用于单稳态元件(单电控换向阀)的逻辑方程式时，假如其控制条件能同时符合下列两个原则，则不必另增继电器设计的自保电路，即可直接将双稳态的式子更改为单稳态的式子[1]：

原则1：气压缸的往复动作，例如B+、B-，在利用串级原则分组后分别被区分在相邻的两组中，例如Ⅰ和Ⅱ，Ⅱ和Ⅲ。

原则2：上述两个动作中的后一动作，如B-又被区分在该组的开头。

2 逻辑设计法应用

两个气缸的动作顺序如图5所示，其中A气缸采用双电控换向阀，B气缸采用单电控换向阀。

图5 气缸动作顺序图

2.1 分级

气缸作为执行元件其伸出和缩回由换向阀控制，为避免换向阀的两端控制信号同时出现，分级时必须将其避开，保证每一气缸只在该级中出现1次动作。即：同一级中每个英文字母只能出现一次，且组数愈少愈好。

根据气缸的动作顺序图，确定每一个动作所触发的信号元件，按照分级原则进行分级，其分级如图6所示。

图6 动作顺序分级图

2.2 换级电路设计

根据动作顺序分组图作出其时序图如图7所示。

图7 时序图

说明：当按钮开关PB(换级元件)继电器k1得电并自保，而当触发b1(换级元件)时，继电器k1失电。

依据双稳态的逻辑方程转换为适用于单稳态的逻辑方程的转换公式得出该换级电路的逻辑函数：

2.3 逻辑回路设计

1)A气缸采用双稳态元件(双电控换向阀)，无须增加自保回路。其中：

①A+为第Ⅰ组开头的第一个动作，故其逻辑式子为：A+=Ⅰ。

②A-属于第Ⅱ组，但必须B缸后退作动b0时才被驱动，故其逻辑式子为：A-=Ⅱ•b0

2)B气缸虽然采用单稳态元件(单电控换向阀)，但因其满足转换的判定原则，因此，无须增加自保回路。其中：

①B+属于第Ⅰ组，但必须A缸前进作动a1时才被驱动，故其逻辑式子为：B+=I•a1。

②B-为第II组开头的第一个动作，故其逻辑式子为：B-=Ⅱ。

整理电气回路的逻辑式子如下：

B(±)=Ⅰ·a1=k1·a1。

因此，将上述逻辑式子转换为电气控制回路，如图8所示，经FluidSIM_P仿真和实验平台调试运行，验证满足其动作顺序。

图8 气缸顺序动作控制回路图

3 结语

本文利用了电—气相似性原理，将全气控串级法中气路转换时，输出(气路)对输入(5/2双气控换向阀)的配置演变为电气控制回路中各级电源转换时，输出(各级电源)与输入(继电器常开触点，常闭触点)的逻辑关系，并利用布林代数与单稳态元件(继电器、单电控换向阀)的自保回路，将适用于双稳态元件的逻辑式子转换为适用于单稳态元件的逻辑方程式，并通过实例验证了该方法有效可行，可实现单电控、双电控或混控的复杂系统电气回路的设计。