1.4 电气控制电路的设计方法
电气控制电路的设计方法通常有两种。一种是一般设计法，也叫经验设计法。它根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制电路。它的特点是无固定的设计程序和设计模式，灵活性很大，主要靠经验进行。另一种是逻辑设计法，它根据生产工艺要求，利用逻辑代数来分析、设计线路。该方法设计的线路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制电路。但是相对而言，逻辑设计法难度较大，不易掌握。
1.4.1 经验设计法
一般的电气控制电路设计包括主电路和辅助电路设计。
主电路设计主要考虑机床电动机的启动、点动、正反转、制动及多速电动机的调速、短路、过载、欠电压等各种保护环节，以及联锁、照明和信号等环节。
控制电路设计主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求。
1）首先根据生产工艺的要求，画出功能流程图。
2）确定适当的基本控制环节。对于某些控制要求，用一些成熟的典型控制环节来实现，主要包括联锁的控制和过程变化参量的控制。
①联锁的控制环节。在生产机械和自动线上，不同的运动部件之间存在相互联系、相互制约的关系，这种关系称为联锁。联锁控制一般分为两种类型：顺序控制和制约控制。例如，车床主轴转动时，要求油泵先给齿轮箱供油润滑，然后主拖动电动机才允许启动，这种联锁控制称为顺序控制。龙门刨床工作台运动时，不允许刀架运动，这种联锁控制为制约控制，通常把制约控制称为联锁控制。联锁控制规律的普遍规则有以下2种。
a.制约控制 要求接触器KM1动作时，KM2不能动作。将接触器KM1的常闭触点串接在接触器KM2的线圈电路中，即逻辑“非”关系。
b.顺序控制 要求接触器KM1动作后，KM2才能动作。将接触器KM1的常开触点串接在接触器KM2的线圈电路中，即逻辑“与”关系。
②过程变化参量的控制。根据工艺过程的特点，准确地监测和反映模拟参量（如行程、时间、速度、电流等）的变化，实现自动控制，即按控制过程中变化参量进行控制的规律。
a.行程原则控制 以生产机械运动部件或机件的几何位置作为控制的变化参量，主要使用行程开关进行控制，这种方法称为行程原则控制。例如，龙门刨床工作台往返循环的控制电路。
b.时间原则控制 以时间作为控制的变化参量，主要采用时间继电器进行控制的方法称为时间原则控制。例如，定子绕组串电阻降压启动控制电路。
c.速度原则控制 以速度作为控制的变化参量，主要采用速度继电器进行控制的方法称为速度原则控制。例如，异步电动机反接制动控制电路。
d.电流原则控制 根据生产需要，经常需要参照负载或机械力的大小进行控制。机床的负载与机械力在交流异步电动机或直流他励电动机中往往与电流成正比。因此，将电流作为控制的变化参量，采用电流继电器实现的控制方法称为电流原则控制。例如，机床的夹紧机构，当夹紧力达到一定强度不能再大时，要求给出信号，使夹紧电动机停止工作。
3）根据生产工艺要求逐步完善线路的控制功能，并增加各种适当的保护措施。
4）根据电路简单、经济和安全、可靠等原则，修改电路，得到满足控制要求的完整线路。
反复审核电路是否满足设计原则，在条件允许的情况下，进行模拟试验，逐步完善整个机床电气控制电路的设计，直至电路动作准确无误。
下面通过C534J1立式车床横梁升降电气控制原理线路的设计实例，进一步说明经验设计法的设计过程。这种结构无论在机械传动还是电力传动控制的设计中都有普遍意义，在立式车床、摇臂钻床、龙门刨床等设备中均采用类似的结构和控制方法。
（1）电力拖动方式及其控制要求
为适应不同高度工件加工时对刀的需求，要求安装有左、右立刀架的横梁能通过丝杠传动快速做上升和下降的调整运动。丝杠的正反转由一台三相交流异步电动机拖动，同时，为保证零件的加工精度，当横梁移动到需要的高度后应立即通过夹紧机构将横梁夹紧在立柱上。每次移动前要先放松夹紧装置，因此设置另一台三相交流异步电动机拖动夹紧、放松机构，以实现横梁移动前的放松和到位后的夹紧动作。在夹紧、放松机构中设置两个行程开关SQ1与SQ2，分别检测已放松与已夹紧信号。横梁升降控制要求如下。
1）采用短时工作的点动控制。
2）横梁上升控制动作过程：按上升按钮→横梁放松（夹紧电动机反转）→压下放松位置开关→停止放松→横梁自动上升（升、降电动机正转），到位放开上升按钮→横梁停止上升→横梁自动夹紧（夹紧电动机正转）→已放松位置开关松开，已夹紧位置开关压下，达到一定夹紧程度→上升过程结束。
3）横梁下降控制动作过程：按下降按钮→横梁放松→压下已放松位置开关→停止放松，横梁自动下降→到位放开下降按钮→横梁停止下降并自动短时回升（升、降电动机短时正转）→横梁自动夹紧→已放松位置开关松开，已夹紧位置开关压下并夹紧至一定紧度，下降过程结束。
可见下降与上升控制的区别在于到位后多了一个自动的短时回升动作，其目的在于消除移动螺母上端面与丝杠的间隙，以防止加工过程中因横梁倾斜造成的误差，而上升过程中移动螺母上端面与丝杠之间不存在间隙。
4）横梁升降动作应设置上、下极限位置保护。
（2）设计过程
1）根据拖动要求设计主电路 由于升、降电动机M1与夹紧、放松电动机M2都要求正反转，所以采用KM1、KM2及KM3、KM4接触器主触点变换相序控制。考虑到横梁夹紧时有一定的紧度要求，故在M2正转即KM3动作时，其中一相串联过电流继电器KI检测电流信号，当M2处于堵转状态，电流增长至动作值时，过电流继电器KI动作，使夹紧动作结束，以保证每次夹紧程度相同。据此便可设计出如图1.11所示的主电路。
图1.11 主电路及控制电路草图之一
2）设计控制电路草图 如果暂不考虑横梁下降控制的短时回升，则上升与下降控制过程完全相同，当发出上升或下降指令时，首先是夹紧、放松电动机M2反转（KM4吸合），由于平时横梁总是处于夹紧状态，行程开关SQ1（检测已放松信号）不受压，SQ2处于受压状态（检测已夹紧信号），将SQ1常开触点串联在横梁升降控制回路中，常闭触点串联于放松控制回路中（SQ2常开触点串联在工作台转动控制回路中，用于联锁控制），因此在发出上升或下降指令时（按SB1或SB2），必然是先放松（SQ2立即复位，夹紧解除），当放松动作完成SQ1受压，KM4释放，KM1（或KM2）自动吸合实现横梁自动上升（或下降）。上升（或下降）到位，放开SB1（或SB2）停止上升（或下降），由于此时SQ1受压，SQ2不受压，所以KM3自动吸合，夹紧动作自动发出直到SQ2压下，再通过KI常闭触点与KM3的常开触点串联的自保回路继续夹紧至过电流继电器动作（达到一定的夹紧紧度），控制过程自动结束。按此思路设计的草图如图1.11所示。
3）完善设计草图 图1.11设计草图功能不完善，主要是未考虑下降的短时回升。下降的短时自动回升是满足一定条件的结果，此条件与上升指令是“或”的逻辑关系，因此它应与SB1并联，应该是下降动作结束，即由KM2常闭触点与一个短时延时断开的时间继电器KT触点串联组成，回升时间由时间继电器控制，于是便可设计出如图1.12所示的设计草图。
图1.12 控制电路设计草图之二
4）检查并改进设计草图 检查设计草图之二，在控制功能上已达到上述控制要求，但仔细检查会发现KM2的辅助触点使用已超出接触器拥有数量，同时考虑到一般情况下不采用二常开二常闭的复合式按钮，因此可以采用一个中间继电器KA来完善设计，如图1.13所示。其中R-M、L-M为工作台驱动电动机M正反转联锁触点，即保证机床进入加工状态，不允许横梁移动。反之，横梁放松时不允许工作台转动，是通过行程开关SQ2的常开触点串联在R-M、L-M的控制回路中来实现的。另外，在完善控制电路设计过程中，进一步考虑横梁的上、下极限位置保护，采用限位开关SQ3（上限位）与SQ4（下限位）的常闭触点串接在上升与下降控制回路中。
图1.13 控制电路设计草图之三
5）总体校核设计线路 控制线路设计完毕，最后必须经过总体校核，因为经验设计往往会因考虑不周而存在不合理之处或有进一步简化的可能。其主要检测内容有：是否满足拖动要求与控制要求；触点使用是否超出允许范围；电路工作是否安全可靠；联锁保护是否考虑周到；是否有进一步简化的可能等。
1.4.2 逻辑设计方法
逻辑设计方法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计的，即根据生产机械的拖动要求以及工艺要求，将执行元件所需要的工作信号以及主令电器的接通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数表示，然后运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为所需要的最简单的“与”“或”“非”的关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后检查、完善，即能获得所需要的控制线路。
原则上，由继电接触器组成的控制电路属于开关电路，在电路中，器件只有两种状态：线圈通电或断电，触点闭合或断开。这种对立的状态可以用开关代数（也称逻辑代数或布尔代数）来描述电气元件所处的状态和连接方法。
（1）逻辑代数的代表原则
在逻辑代数中，用“1”和“0”表示两种对立的状态，即可表示继电器、接触器、控制电路中器件的两种对立状态，具体规则如下：
1）对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器的线圈，规定通电状态为“1”，断电则为“0”；
2）对于按钮、行程开关等元件，规定按下时为“1”，松开时为“0”；
3）对于器件的触点，规定触点闭合时为“1”，触点断开时为“0”。
（2）逻辑代数的分析方法
分析继电接触器逻辑控制电路时，为了清楚地反映器件状态，器件的线圈和常开触点用同一字符来表示，例如A；而其常闭触点的状态用该字符的“非”来表示，例如
；若器件为“1”状态，则表示其线圈通电，继电器吸合，常开触点闭合，常闭触点断开；若器件为“0”状态，则与上述相反。
采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，能指出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。任何控制线路、控制对象与控制条件之间都可以用逻辑函数式来表示，所以逻辑法不仅可以用于线路设计，也可以用于线路简化和读图分析。逻辑代数读图法的优点是各控制元件的关系能一目了然，不会读错和遗漏。
例如，图1.13中，横梁上升与下降动作发生条件与电路动作可以用下面的逻辑函数式来表示：
逻辑电路有两种基本类型，对应其设计方法也各不相同。一种是执行元件的输出状态，只与同一时刻控制元件的状态相关，输入、输出呈单方向关系，即输出量对输入量无影响，这种电路称为组合逻辑电路。其设计方法比较简单，可以作为经验设计法的辅助和补充，用于简单控制电路的设计，或对某些局部电路进行简化，进一步节省并合理使用电气元件与触点。
设计要求：某电机只有当继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或两个动作时才能运转，而在其他条件下都不运转，试设计其控制电路。设计步骤如下。
1）列出控制元件与执行元件的动作状态表，如表1.5所示。
表1.5 状态表
2）根据表1.5写出KM的逻辑代数式。
3）利用逻辑代数基本公式化简最简“与或非”式。
4）根据简化了的逻辑式绘制控制电路，如图1.14所示。
图1.14 控制电路
另一种逻辑电路被称为时序逻辑电路，其特点是输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且与输出量的原有状态及其组合顺序有关，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记忆元件（如中间继电器等），记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。其设计过程比较复杂，基本步骤如下。
1）根据拖动要求，先设计主电路，明确各电动机及执行元件的控制要求，并选择产生控制信号（包括主令信号与检测信号）的主令元件（如按钮、控制开关、主令控制器等）和检测元件（如行程开关、压力继电器、速度继电器、过电流继电器等）。
2）根据工艺要求作出工作循环图，并列出主令元件、检测元件以及执行元件的状态表，写出各状态的特征码（一个以二进制数表示一组状态的代码）。
3）为区分所有状态（重复特征码）而增设必要的中间记忆元件（中间继电器）。
4）根据已区分的各种状态的特征码，写出各执行元件（输出）与中间继电器、主令元件及检测元件（逻辑变量）间的逻辑关系式。
5）化简逻辑式，据此绘制出相应控制线路。
6）检查并完善设计线路。
随着可编程控制器（PLC）的发展，稍复杂的电路已经被可编程控制器所取代，而我们主要是通过此种方法理解电气控制线路的实质，力求用最简单的方法设计出最实用、可靠的电路。由于这种方法设计难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。其具体设计过程可参阅专门论述资料，这里不再作进一步介绍。