异步时序逻辑设计实例优化

1.液体混合罐工作控制

有一两种液体混合装置，如图3-30所示。控制要求是，起始状态容器是空的，3个阀门（X1、X2、X3）均关闭，电动机M也不工作。液面传感器L、I、H也处于OFF状态。

起动后，先是X1阀门打开，液体A流入。液位达到I时，I开关ON，使X1阀门关闭，而X2打开，液体B流入。当液面到达H时，H开关ON，X2阀门关闭，起动电动机M，对两种液体作搅拌。搅拌6s后，电动机M停止工作，打开阀门X3，把混合液放出，直到L传感器OFF，再过2s，阀门X3关闭，又开始新的周期。若要停止操作，可按停车按钮T。但按后不立即停止工作，待这个工作循环完成，才停止工作。

设计过程

1）用的可编程序控制器可任选，其I/O分配略，但用相应符号X1、X2、X3、Q、T、M、H、L代表。时间继电器符号为TM、TL。

图3-30 两种液体进行混合的装置

2）用梯形图逻辑编程。其步骤是列原始通电表，通电表惟一性设计，列写逻辑式子，画梯形图。

列原始通电表：用相应的符号列表，如起动按钮用Q，TM为与M共同工作的时间继电器等。所画出的原始通电表见表3-14。

表3-14 图3-30原始通电表

对原始通电表进行惟一性检查，知：

X1起动主要靠Q信号，其它X1OFF的节拍均无此信号，所以，不存在相混。但是，第二循环及以后的循环，无Q信号，仍应使X1起动，这可用TL帮忙。这相当于把1、10节拍合并。X1断电，其信号为I，其它ON节拍也无此信号，故也不存在相混。

X2于第4节拍工作，其它节拍都不工作。第4节拍时I、L均ONHOFF。这种情况还出现在第7节拍。但第7节拍时X3ON，而第4节拍时X3OFF，这可把第4与第7节拍的逻辑条件区分开。故对X2而言，惟一性原则也满足。

X3于第6节拍起动，它用的信号为TM，是惟一的。其断电于第10节拍，用的信号为TL也是惟一的。

M于第5节拍工作，这时HON。第6节拍也是这个情况。但两者可用TM区分开，故M也不存在相混。

TM靠HON起动，是惟一的。

TL靠X3ON，再LOFF起动，也是惟一的。

这样，通电表的惟一性设计后，可保持原始通电表不变。

停车按钮T输入是随机的，但它输入后可对其进行记忆（如以Z表示），并用这记忆的信号去“切断”TL与X1的连系，即可达到目的。其在通电表中表示略。

列写逻辑式子：

为了便于理解及使式子简练，这里用的也是原始符号。

对X1：其起动电路，依上述分析应为；其保持电路应为。

对X2：其保持电路不用，起动电路用作工作电路，应为。

对X3：其起动电路为TM；其保持电路为。

对M：其保持电路不用，起动电路即为工作电路，为。

对TM：工作电路为H。

对TL：工作电路为。对Z：其起动电路为T；保持为。

这样，它的完整的逻辑式子为

根据以上逻辑式画梯形图，如图3-31所示。

这里列写逻辑式子未完全套用以前的公式，而是用直接观察的办法。由于本例逻辑变量较多，相区分的信号又较明显，直接观察更为简便。

图3-32为利用了锁存指令的梯形图。其功能与图3-31相同。

2.小车运动控制

如图3-33所示的小车，有3个状态，向左（反转），向右（正转），停车。LS为反映小车所处位置的行程开关，PS为选择小车位置的按钮，各有5个。控制要求是：按下选择按钮的编号大于小车当前位置的开关号时，按下起动按钮SW，小车将向右运动，直至小车新位置行程开关的编号与选择位置的开关编号相等时，小车停止运动。按下选择按钮的编号小于小车当前位置行程开关的编号时，按下起动按钮SW，小车将向左运动，直至小车新前位置行程开关的编号与选择位置的开关编号相等时，小车停止运动。

图3-31 液体混合罐工作控制程序

图3-32 使用锁存指令梯形图

图3-33 小车运动控制示意图

设计过程

1）输入用符号LS1、LS2、LS3、LS4、LS5、PS1、PS2、PS3、PS4、PS5、SW代表，分别对应的输入点好为0.01、0.02、…、0.10，而起动按钮（SW）对应点号为0.00。输出用符号10.01代表向右（正转）、10.02代表向左（反转）。

2）编程

（a）通电表设计

所设计的电路为随机电路，从输入入手，按所有可能情况列写通电表，相当复杂，也无此必要。如果从输出考虑，由于它只有向左、向右两种情况，故便于归纳。先不考虑起动按钮，仅考虑行程开关LS及选择按钮PS与向右、向左输出的置位与复位的逻辑关系，其通电表见表3-15。由于它是随机的，故这里省略了节拍的概念。节拍是与输入相联系的概念，现从输出考虑，故可不用它。

表3-15 图3-33通电表

从表知，对10.01、10.02，其S、R电路的逻辑条件，与可能出现的逻辑条件均不相混，故此表可满足惟一性原则。

（b）列写逻辑式

由于这里的输入LS、PS出现时，都仅为一个ON，这为我们列写逻辑式提供方便，即仅考虑变量本身，其它可不考虑。具体列写如下：

10.01S电路

S1=PS5（LS4+LS3+LS2+LS1）+PS4（LS3+LS2+LS1）+PS2（LS2+LS1）+PS2LS3

10.01R电路

R1=PS5LS5+PS4LS4+PS3LS3+PS2LS2

10.02S电路

S2=PS1（LS2+LS3+LS4+LS5）+PS2（LS3+LS4+LS5）+PS3（LS4+LS5）+PS4LS5

10.02R电路

R2=PS1LS1+PS2LS2+PS3LS3+PS4LS4

（c）画梯形图

列出逻辑式后，可画出对应的梯形图，不过还要考虑几个实际问题：

①选择按钮给出的是短信号，按后即复原，故须对其记忆。设用内部辅助继电器200.01～200.05分别对PS1～PS5作记忆，直到选择编号与实际编号相等时，再清除这个记忆。以10.01为例，其逻辑式为

其余的类推。这里用到位后的信号LS1作为断电输入信号，故其保持电路为LS1（200.01）。

用了200.01～200.05后，即可用它代换上述逻辑式中的PS1～PS5。

②起动输入信号SW应作为10.01、10.02的置位电路的条件之一。

③10.02、10.01必须互锁，以保证安全。

④实际电路应尽可能简化，以节省指令条数。

考虑以上4点后的梯形图如图3-34所示。图中10.02的输出未画出，它与10.01类似。

本梯形图把KEEP 10.01等指令画在前而OUT 200.01等在后，这很重要。这可保证到达要求位置时，10.01等先复位，然后200.01等才复位。否则，即前后调一下，10.01等就复位不了的。

图3-34 小车运动控制程序

3.组合机床动力头运动控制

设计组合机床主轴动力头的运动控制的电路。该动力头由液压驱动。电磁阀DT1得电，前进；失电后退。同时，还用电磁阀DT2控制前进及后退的速度，得电快速，失电慢速。

要求机床的工作过程是：从原位（行程开关1XK ON）开始工作。按下起动按钮Q，先快速进；到行程开关2XKON，转为工进（慢速前进）；加工一定深度，3XK ON，快退；退到2XK OFF（目的为了排屑），又快进；快进至3XK ON，又转工进；加工到尺寸，4XKON，快退，直至原位1XKON停，完成一个工作循环。

图3-35a所示为系统结构。其具体工作过程如图3-35b所示。这里，虚线为快速运动，而实线为慢速运动，箭头指明它的运动方向。

图3-35 机床动力头运动控制

设计过程(www.xing528.com)

1）输入输出分配

用CPM2A CPU20的可编程序控制器，其点数已够用。I/O分配如下：

输入：Q、1XK、2XK、3XK、4XK分别为0.00、0.01、0.02、0.03、0.04。

输出：DT1、DT2分别为10.01、10.02。

2）程序设计

（a）通电表设计。先依照工作顺序，初列通电表，见表3-16。

（b）对原始通电表进行惟一性原则检查。检查DT1。它有两次起动。第一次起动输入信号为Q，用它可与所有DT1为OFF节拍的逻辑条件区分开。第二次起动在第7节拍。其起动信号为及其它条件均与第13节拍（DT1为OFF）相混，即表3-16中标的B—b。DT1有两次断电，第一次在第5节拍，它与第9节拍的条件相混，即表3-16中标的A—a。第二次断电逻辑条件不相混。

检查DT2。它有3次起动，第一次起动不存在相混。第二次在第5节拍起动，与第9节拍相混，即表示所标A—a。第三次在第10节拍起动，不存在相混。它也有三次断电，第一次在第4节拍断电，它与第8节拍相混，即表中标以C—c。第二次在第9节拍断电，如果作到在第5节拍DT1断电后，DT2再起动，可不相混。第三次断电在第14节拍，不存在相混。

按规定画完实线后（见表3-16），须在第3（或1，2）、6及10（或11、12）节拍建3条分界线，才能把全部相混区分开。再查所建的分界线也不存在相混。

3条分界线，需用三个内部辅助继电器。设用9.01及9.02。其工作情况也按“先逐个ON，ON后再逐个OFF”的原则布置，如表3-16所示。

表3-16 通电表设计

（续）

对表3-16再做检查，可知无论是DT1、DT2，还是对10.01、10.02均不相混。

（c）列写逻辑式子

DT1起动电路特解

DT1起动电路通解，经化简后为

从中选出含有特解的项。可以是头两项，或第一及第三项。这里用头两项，即

DT1保持电路特解为第1、2、3、4及7、8、9节拍逻辑条件的或，其表达式略。

DT1保持电路通解为第5及第10节拍逻辑条件或的非，经化简为

选K及·（9.02）或4XK（9.01）即可覆盖所有的特解，现选（9.02）。这样

可得

同理，可求DT2、9.01、9.02的逻辑表达式：

（d）画梯形图。依上述逻辑表达式，可画出的对应梯形图，如图3-36所示。

若用锁存指令（KEEP），那起动电路即为S（置位）电路，保持电路（去掉自保持触点）的反即为R电路。其梯形图略。

4.计数信号应用

（1）设计要求。要求设计用一个按钮控制的电路，按钮A反复动作，到第4节拍时，产生输出，100.00 ON。第6节拍时，停止输出，10.00 OFF，电路复原。具体的要求见原始通电表，即表3-17。

（2）惟一性设计。从起动看，第4节拍和第2及第6节拍相混；从断电看，第6节拍和第4节拍相混。按上述原则，画出它的相混表，见表3-18。

可看出，只要在3、5节拍处建分界线，即可把上述相混区分开。再查所建分界线是否相混时，发现第3节拍的分界线建立条件与第1节拍相混，故应在第2节拍再建一分界线。再查第2节拍的分界线又与第0节拍（即第6节拍）相混，故还应于第一节拍建分界线。之后再查，再不相混了。

从表3-18知，须建4条分界线，须用2个内部辅助继电器，并设其为9.01、9.02。

图3-36 组合机床动力头运动控制程序

表3-17 原始通电表

表3-18 通电表设计

内部辅助继电器可按“依次通，全通后再依次断”的原则对其进行工作设定。如这里的10.00的取值为0的区，在第一条分界线处（即第一节拍）令9.01ON、9.02OFF；第二条分界线处（即第2节拍），令9.01 ON、9.02 ON（依次通的原则）；第三分界线处，令9.01 OFF、9.02 ON（全通后，依次断个）。到第5节拍，则令9.01 OFF、9.02 OFF，电路复原，又可建一个分界线。加入内部继电器9.01、9.02后的通电表，见表3-19。再查表，已无逻辑相混。

表3-19 已无逻辑相混通电表

（3）求逻辑表达式。有了表3-19所示通电表，下一步可求与其对应的逻辑表达式。

该表仅4个逻辑变量，用卡诺图求解较方便。卡诺图每格中有三种值：一为1，是特解的最小项；一为0，必须为0的最小项；一为d，为任意项。分别对10.00、9.01、9.02求解的卡诺图的步骤是：

1）填写卡诺图。每格都要依给定的逻辑条件填入合适的值。

2）画卡诺图。要把所有含1的格全覆盖。

3）列逻辑式。经选择把能包含所有1，但又最简项组成逻辑表达式。

对10.00、9.01、9.02求解的卡诺图，如图3-37所示。

（4）画梯形图。求出逻辑表达，其相应的梯形图如图3-38所示。

图3-37 求解的卡诺图

5.煤气加热炉切阀、转换阀控制

图3-39为煤气加热炉切阀、转换阀工作示意图。左右切阀、转换阀要定时切换，或按要求切换，以实现储热节能及保证切阀不超温。具体工作过程是，左、右煤气切阀1交替开通，空气、烟气转换阀左右转换，总是处于图3-39a，或图3-39b状态之一。处于图3-39a状态时，空气从左喷嘴进入炉子，并冷却左喷嘴（加温空气）；而烟气从右喷嘴排出，加温右喷嘴（储热）；左切阀进煤气，右切阀关闭。处于图3-39b态时，空气从右喷嘴进入炉子，并冷却右喷嘴（加温空气）；而烟气从左喷嘴排出，加温左喷嘴（储热）；右切阀进煤气，左切阀关闭。

图3-38 与求解卡诺图对应的梯形图程序

图3-39 切阀、转换阀工作示意图

L—左切阀 R—右切阀 M—转换阀

输出用3个变量L、M、R，分别代表左煤气切阀，空气、烟气转换阀，右煤气切阀。依以上描述，系统总是处于100（左切阀开，转换阀置左位置）或011（右切阀开，转换阀置右位置）状态之一。其切换的工艺要求是，每当送入控制脉冲A，则先关已开的切阀，切阀关到位后，转换阀转向，换向到位后，再开原关闭的切阀。

阀动作反馈信号用相应的行程开关。具体有：左切阀开到位开关（Ld），左切阀关到位开关（Ln），右切阀开到位开关（Rd），右切阀关到位开关（Rn），转换阀置右位置开关（Md），转换阀置左位置开关（Mn）。

按设计要求，列出的通电表见表3-20。表中有四处相混，但在第4、第8及第13节拍加分界线即可消除这个相混。

为此，增加两个内部继电器M01、M02。其状态在第4、第8及第13节拍改变，见表3-20。

有了M01、M02，此通电表已符合要求，已不存在相混。

表3-20 图3-39通电表设计

依此通电表，列出输出及内部继电器的逻辑表达式如下（化简过程略）：

依以上逻辑表达式，画出的梯形图如图3-40所示。

如图所示，在状态100时，送来脉冲A，则先转换到000（左切阀关）。左切阀关到位（Ln=1），进入010（转换阀置右位置）。阀置右到位（Md=1），进入011（右切阀开）。直到右切阀开到位（Rd=1），这个周期完成。

同样，在状态011时，送来脉冲A，则先转换到010（右切阀关）。右切阀关到位（Rn=1），进入000（转换阀置左位置）。阀置左到位（Mn=1），进入100（左切阀开）。直到左切阀开到位（Rd=1），这个周期也完成。

从图还可看到，如初始状态为000，Ln=1、Rn=1、Mn=1时，如有A脉冲，则可转为001。

图3-40 煤气加热炉切阀、转换阀控制程序