Основы управления: от лампочки до промышленного оборудования (Одна кнопка)

Принцип управления.

Чтобы включить нагрузку (например, лампу), необходимо подать на неё питание, замкнув управляющую цепь.
Самый простой способ — использовать выключатель (SB1, Рис. 1). Щелчок выключателем выполняет элементарную последовательность действий для включения.

Рис. 1. Принципиальная схема включения лампы.

Пример сложной последовательности (защита оператора).
Рассмотрим более сложный случай. Для запуска ползунка пресса необходимо подать питание на его привод. Однако, чтобы обезопасить оператора, требуется гарантировать, что его руки убраны из опасной зоны. Одно из решений — использование двух ручных кнопок и педали.

Логика схемы безопасности:

1. Нажать левую кнопку («Левая рука»).
2. Нажать правую кнопку («Правая рука»).
3. Дождаться сигнала «Готов к пуску» (например, загорания лампы).
4. Нажать педаль («Нога»).

Только после выполнения этой последовательности пресс начнёт работу. В следующих разделах рассмотрим более сложные схемы, а начнем с основ.

Основные типы соединений контактов
Из всего многообразия схем коммутации выделяют два основных типа соединений элементов управления: последовательное и параллельное.
а) Последовательное соединение:
Элементы (контакты, кнопки) соединены друг за другом в одну цепь.
Все нормально разомкнутые (НО) контакты.

Рис. 2. Логическая операция «И» (AND).

В исходном состоянии цепь разомкнута, ток не течёт.
Логика работы: Для замыкания цепи необходимо замкнуть все элементы (Ak) этой цепи. Если хотя бы один контакт останется разомкнутым, цепь будет разорвана. Это логическая операция «И» (AND).

Ф. 1. Логическая операция «И» (AND): условие при котором функция равна 1

Все нормально замкнутые (НЗ) контакты

Рис.3. Логическая операция «ИЛИ-НЕ» (NOR).

В исходном состоянии цепь замкнута, ток течёт.
Логика работы: Для размыкания цепи достаточно разомкнуть любой один элемент (Bk). Цепь прервётся, даже если все остальные контакты останутся замкнутыми. Это реализация функции «ИЛИ-НЕ» (NOR) для сигналов нажатия:

Ф. 2. Логическая операция «ИЛИ-НЕ» (NOR): услове при котором функци равна 0

б) Параллельное соединение.
Все элементы соединены между одними и теми же точками цепи, образуя альтернативные пути для тока.
Все нормально разомкнутые (НО) контакты.
В исходном состоянии цепь разомкнута.

Рис. 4. Логическая операция «ИЛИ» (OR)

Логика работы: Для замыкания цепи достаточно замкнуть любой один элемент (Ck). Ток потечёт по этому пути. Это логическая операция «ИЛИ» (OR).

Ф. 3. Логическая операция «ИЛИ» (OR): условие при котором функция равна 1

Все нормально замкнутые (НЗ) контакты
В исходном состоянии цепь замкнута (ток течёт через все параллельные ветви).

Рис. 5. Логическая операция «И-НЕ» (NAND)

Логика работы: Для полного размыкания цепи необходимо разомкнуть все элементы (Dk). Пока замкнут хотя бы один контакт, цепь будет замкнута. Это реализация функции «И-НЕ» (NAND) для сигналов нажатия на кнопки, чьи контакты размыкаются.

Ф.4. Логическая операция «И-НЕ» (NAND): условие при котором функция равна 0

Таблица истинности в управлении

Таблица истинности — это таблица, описывающая логическую функцию, которая связывает состояния входов (управляющих сигналов) и выхода (исполнительного элемента).
В двузначной логике, используемой в релейных схемах, переменные могут принимать значения:
«1» — Истина (контакт замкнут, сигнал есть, кнопка нажата).
«0» — Ложь (контакт разомкнут, сигнала нет, кнопка отпущена).

Так, Пример для дверного звонка:
- Кнопка не нажата («Ѫ»=0) → Звонок не звенит («Y»=0).
- Кнопка нажата («Ѫ»=1) → Звонок звенит («Y»=1).

Ниже будут следующие условные обозначения для кнопок, контактов и реакции на команды:
Смотрите Рис. 6.

Рис. 6. Кнопка и ее состояние

Кнопка без фиксации:
«0» — отпущена (не нажата, нет команды, исходное положение),
«1» — нажата.

Выключатель (с фиксацией):
«0» — исходное положение,
«1» — зафиксированное положение.

Состояние контактов кнопки:
В состоянии кнопки «0» (отпущена):
— Нормально замкнутый контакт (НЗ) — замкнут («1»).
— Нормально разомкнутый контакт (НО) — разомкнут («0»).
При нажатии на кнопку («0» → «1»):
Все контакты меняют состояние на противоположное (НЗ: «1»→«0», НО: «0»→«1»).
При отпускании кнопки («1» → «0»):
Контакты возвращаются в первоначальное положение (НЗ «0» → «1» и НО «1» → «0»).

Количество контактов у кнопки (НО и НЗ) может быть любым.
Здесь и далее таблица истинности определяет воздействие состояния кнопки («Ѫ») на состояние цепи («Y»):

• «Ѫ»=0 – кнопка не нажата;
• «Ѫ»=1 – кнопка нажата;
• «Ѫ»=0 - цепь разомкнута, нагрузка выключена;
• «Ѫ»=1 - цепь замкнута, нагрузка включена.

Рассмотрим таблицу истины для одной кнопки - Таблица истинности описывает, как состояние кнопки («Ѫ») влияет на состояние цепи («Y»).

Рассмотрим таблицу истинности для схемы с одной управляющей кнопкой «Ѫ».

Случай 1: Прямое управление (Тождество) (См. Таб.1)
«Ѫ»=0 → «Y»=0
«Ѫ»=1 → «Y»=1

Таб. 1. Прямое управление (Тождество)

Исполнительный элемент повторяет состояние кнопки: "нажали" — "включился", "отпустили" — "выключился". Это функция — тождество (identity). Для её реализации используется нормально разомкнутый (НО) контакт кнопки, включённый последовательно с нагрузкой.

Рис. 7. Прямое управление (Тождество)

Случай 2: Инверсное управление (Отрицание, «НЕ») (См. Таб. 2)
«Ѫ»=0 → «Y»=1
«Ѫ»=1 → «Y»=0

Таб. 2. Инверсное управление (Отрицание, «НЕ»)

Исполнительный элемент работает «наоборот». Когда кнопку не трогают — он включён, когда нажимают — выключается. Это функция логического отрицания, инверсии (NOT). Для реализации используется нормально замкнутый (НЗ) контакт кнопки, включённый последовательно с нагрузкой.

Рис. 8. Инверсное управление (Отрицание, «НЕ»)

Случай 3: Постоянный «0». Тождественный ноль (См. Таб. 3.)
«Ѫ»=0 → «Y»=0
«Ѫ»=1 → «Y»=0

Таб. 3. Тождественный ноль

Выход всегда выключен, независимо от действий с кнопкой. Это может соответствовать разомкнутой цепи. На практике реализуется либо отсутствием цепи, либо использованием последовательно разомкнутого контакта и замкнутого контакта.

Рис. 9. Тождественный ноль

Случай 4: Постоянная «1». Тождественная единица. (См. Таб. 4.)
«Ѫ»=0 → «Y»=1
«Ѫ»=1 → «Y»=1

Таб. 4. Тождественная единица.

Выход всегда включен, независимо от состояния кнопки. Это соответствует постоянно замкнутой цепи. На практике реализуется либо перемычкой вместо кнопки, либо использованием параллельного замкнутого и разомкнутого контактов.

Рис. 10. Тождественная единица

То есть, с помощью различных контактов одной кнопки можно реализовать четыре базовые логические функции.

Таб. 5. Полная комбинация состояний для одной управляющей переменной (Ѫ)

Практическое применение таблицы истинности

Любую таблицу истинности можно разделить на две части:

• Таблица для значения выхода «Y» = 0. КНФ — это конъюнкция нескольких простых дизъюнкций (логическое произведение логических сумм).
• Таблица для значения выхода «Y» = 1. ДНФ — это дизъюнкция нескольких элементарных конъюнкций (логическая сумма логических произведений).

Ключевое правило проектирования: Для реализации нужной функции достаточно посмотреть на строку таблицы, где выход («Y») имеет желаемое состояние, и обеспечить соответствующее состояние контакта в этой строке.

Примеры:

1. Если нужно, чтобы при Ѫ=0 было Y=0 → в этом состоянии контакт должен быть разомкнут (0).
2. Если нужно, чтобы при Ѫ=1 было Y=1 → в этом состоянии контакт должен быть замкнут (1). Значит, до нажатия он был разомкнут (НО контакт).
3. Если нужно, чтобы при Ѫ=0 было Y=1 → в этом состоянии контакт должен быть замкнут (1).
4. Если нужно, чтобы при Ѫ=1 было Y=0 → в этом состоянии контакт должен быть разомкнут (0). Значит, до нажатия он был замкнут (НЗ контакт).

Важное наблюдение:
В случаях тождества и отрицания состояние выхода «Y» меняется при каждом изменении состояния кнопки «Ѫ». Для этого достаточно одного контакта (НО для тождества, НЗ для отрицания).
В случаях постоянного нуля или единицы состояние «Y» не меняется при изменении «Ѫ», что соответствует использованию двух взаимно противоположных контакта.