Схемная реализация релейно-контактных комбинационных схем.

Порядок составления комбинационных схем управления определяется используемой элементной базой, которая состоит из двух сильно отличающихся друг от друга классов: релейно-контактной и электронной аппаратуры. Сложные логические функции управления реализуются преимущественно с помощью электронной аппаратуры, но силовые исполнительные устройства нередко комплектуются контакторами, электромагнитами и другой электромеханической аппаратурой, которая выполняет частично и логические операции.

Рассмотрим схемную реализацию комбинационных алгоритмов, полученных в виде набора логических (булевых) функций, с одной стороны, с помощью релейно-контактной аппараты, а с другой стороны – с помощью типовых логических элементов, являющихся электронными устройствами.

При рассмотрении релейно-контактных логических устройств будем полагать, что если цепь питания катушки реле разомкнута, то на входную цепь реле (цепь её катушки) подан нулевой сигнал, а если на катушку реле подано питающее напряжение, то это означает подачу единичного входного сигнала на вход данного реле. Выходными сигналами реле, рассматриваемого как управляющее устройство, являются сигналы, формируемые его контактами, переключаемыми при притяжении якоря реле к сердечнику и при отпускании якоря. Контакты реле изображают разомкнутыми, если они разомкнутыми при отключенном питании катушки данного реле (нормально разомкнутые, или замыкающие контакты). Если же контакты реле замкнуты при отключенном питании его катушки, то их изображают замкнутыми и называют нормально замкнутыми, или размыкающими.

При подаче единичного сигнала (напряжения питания) на вход реле (на его катушку) замыкающие контакты данного реле замыкаются и подключают к источнику питания нагрузку этого реле путём подачи на нагрузку (например, на катушку другого реле) единичного сигнала. В этом случае реализует функцию логического повторения:

Y = X,

где Y – выходной сигнал реле;

X – входной сигнал того же реле.

+

Рис.5.1. Реализация функции

ИЛИ на реле.

На рис.5.1 подача единичного сигнала на вход реле Y обеспечивается подачей такого же единичного сигнала на вход, т.е. на обмотку любого из входных реле X1, X2 или X3 порознь или вместе. Обмотка реле Y потеряет питание, т.е. на вход реле Y будет подан нулевой сигнал только тогда, когда потеряют питание все реле (X1, X2 и X3), что означает подачу на их входы (на обмотки) нулевых сигналов. Итак, достаточно появиться хотя бы одному единичному сигналу на входе реле Y, как на его выходе также появится единичный сигнал. Таким образом, работа реле X1, X2 и X3 (см. рис.5.1) соответствует закону логического сложения (см. вопрос П.4.3 приложение 4):

Y = X1 + X2 + X3,

согласно которому Y = 1 при любом единичном значении X1, X2 или X3 порознь или вместе. Тем самым доказано, что логическое сложение (дизъюнкция, функция ИЛИ) схемно реализуется параллельным соединением контактов реле.

Если в цепь нагрузки реле подключены его размыкающие контакты, то при наличии нулевого сигнала на его входе (обмотка отключена от источника питания) на нагрузку реле через размыкающий контакт будет подано напряжение питания, т.е. единичный сигнал. При подаче единичного сигнала на вход этого реле его размыкающие контакты на выходе разомкнутся и отключат нагрузку от источника питания, т.е. подадут на нагрузку нулевой сигнал. Таким образом, благодаря использованию размыкающих контактов подача на вход Х единичного сигнала приводит к появлению на выходе Y нулевого сигнала, и наоборот, подача на вход реле нулевого сигнала приводит к формированию единичного сигнала на его выходе. Это соответствует функции логической инверсии (см. вопрос П.4.3 приложения 4):

Y = X.

Отсюда следует правило: логическая инверсия (логическое отрицание, функция НЕ) реализуется размыкающим контактом реле.

Если контакты нескольких реле соединены последовательно и через них подаётся питающее напряжение на нагрузку, то питающее напряжение будет подано, если все контакты окажутся замкнутыми. Это случится, если на входы реле, которым принадлежат замыкающие контакты, будут поданы единичные символы, а на входы реле, которым принадлежат размыкающие контакты, включенные в ту же последовательную цепочку, будут поданы нулевые сигналы. Так, все контакты последовательного соединения, приведённого на рис.5.2, будут замкнуты, если будет реализовано следующее сочетание входных сигналов: X1 = 1, X2 = 0, X3 = 1.

Рис.5.2. Реализация функции

Это соответствует реализации функции логического умножения в форме (см. вопрос П.4.2 приложения 4):

Y = X1 X2 X3,

поскольку функция Y равна единице только в случае равенства единице всех сомножителей заданного произведения. Отсюда следует правило: логическое произведение (конъюнкция, функция совпадения, функция И) схемно реализуется последовательным соединением контактов реле.

Сформулированные правила схемной реализации логических алгоритмов называются методом последовательно-параллельных соединений. Они естественным образом распространяются на более сложные сочетания контактов. Так, при схемной реализации функции Y1, заданной формулой (5.2), мы сначала вынесем за скобки X3:

Y1 = X1 X2 X4 + X3 (X2 + X4),

а затем составим релейную схему, реализующую функцию Y1, по сформулированным ранее правилам. Составленная схема показана на рис.5.3. Видно, что применение скобочной формы позволило уменьшить число контактов, необходимых для схемной реализации функции Y1.

Рис.5.3. Реализация функции

Y1 на реле.

Особенно существенного упрощения схемы удаётся добиться при сочетании скобочных форм с мостиковыми структурами для реализации логических формул типа формулы (5.1), отображающей функцию Y4. Непосредственное схемное воплощение формулы (5.1) методом последовательно-параллельных соединений приводит к релейной структуре из 32 пар контактов. Чтобы реализовать Y4 более экономно, предварительно представим формулу (5.1) в скобочной форме: (5.5)

Y4 = (X1 X3 + X1 X3) (X2 X4 + X2 X4) + (X1 X3 + X1 X3) (X2 X4 + X2 X4).

Непосредственная релейно-контактная реализация функции Y4, исходя из формулы (5.5) приводит, как нетрудно подсчитать, к схеме, построенной на 16 парах контактов. Эту схему можно дополнительно упростить, если сначала реализовать первую половину формулы (5.5), как показано на рис.5.4, в качестве сердцевины, к которой пристроить мостики из четырёх контактов: X3, X2, X3 и X2 (см. рис.5.4).

Рис.5.4. Мостиковая реализация функции Y4 и Y2.

Полученная мостиковая структура (рис.5.4) удобна ещё и тем, что её отдельные участки могут быть использованы для реализации других заданных функций. Так, если в формуле (5.3) вынести за скобки X4, то получим:

Y2 = X3 X4 + X4 (X1 X3 + X1 X3). (5.6)

Формула (5.6) содержит составляющую (X1 X3 + X1 X3), которая уже имеется в составе формулы (5.5), отображающей функцию Y4. Это даёт возможность использовать часть релейной структуры Y4, реализующей (X1 X3 + X1 X3) для реализации функции Y2 (см. рис.5.4). Остальная часть функции Y2 реализуется обычным способом.

В полученной совместной релейной структуре функций Y2 и Y4 дополнительные контакты X2, X4 и X4, добавленные для реализации функции Y2, не нужны для реализации функции Y4. Чтобы функция не была искажена дополнительными релейными цепочками, подобными цепочке X2 – X4 – X4, необходимо, чтобы в каждой подсоединённой цепочке были взаимоисключающие контакты или группы контактов. Это правило является общим законом объединения релейно-контактных структур.

В разбираемом примере взаимоисключающими контактами в составе релейной структуры Y2 являются контакты X4 и X4, благодаря которым в точку 1 соединения релейных структур Y2 и Y4 никогда не поступит единичный сигнал от клеммы «+» источника питания по цепочке X2 – X4 – X4. Действительно, если X4 = 1, то контакт X4 замкнут, но соединённый с ним последовательно контакт X4 обязательно разомкнут и препятствует поступлению потенциала «+» в точку 1 через контакт X2. Если же X4 = 0, то обязательно размокнут контакт X4 с теми же последствиями. Единичный сигнал может поступать от клеммы «+» в точку 1 только по последовательным цепочкам X1 – X3 и X1 – X3, так как во всех остальных цепочках контактов, подведённых к точке 1 со стороны релейной структуры Y4, имеются взаимоисключающие контакты.

Добавив к релейной схеме, представленной на рис.5.4, релейную схему, представленную на рис.5.5, и сформировав с помощью размыкающего контакта сигнал X4, необходимый для реализации функции Y3, мы завершим синтез задуманного нами ещё в вопросе 5.2 преобразователя кода. Однако схема такого преобразователя на электромагнитных реле не пригодна для практического применения ввиду ограниченного быстродействия и недостаточной надёжности.