Giáo trình Điều khiển điện khí nén (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

(NB) Giáo trình Điều khiển điện khí nén (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) cung cấp cho người học những kiến thức như: Cơ sở lý thuyết về khí nén; Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển điện khí nén; Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén. Mời các bạn cùng tham khảo!

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN

KHÁI NIỆM CHUNG

Hệ thống khí nén (Pneumatic Systems) được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp như lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở các lĩnh vực đòi hỏi vệ sinh, chống cháy nổ hoặc môi trường độc hại Ví dụ, trong lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, phân loại và đóng gói sản phẩm tự động, cũng như trong công nghiệp gia công cơ khí và khai thác khoáng sản Các dạng chuyển động của hệ thống khí nén bao gồm chuyển động thẳng và chuyển động quay, giúp tăng hiệu quả sản xuất và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn môi trường.

Hệ thống khí nén sở hữu ưu điểm vượt trội nhờ vào truyền động thẳng nhờ kết cấu đơn giản và linh hoạt của cơ cấu chấp hành Chính vì vậy, hệ thống này thường được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị gá kẹp chi tiết gia công, thiết bị đột dập, cũng như trong quá trình phân loại và đóng gói sản phẩm.

Truyền động quay thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền động rất cao với công suất nhỏ, giúp gọn nhẹ và tiện lợi hơn so với các hệ thống sử dụng năng lượng khác Ví dụ, các công cụ vặn ốc, máy khoan hay mài công suất dưới 3kW thường cần tốc độ lên tới hàng chục nghìn vòng/phút Tuy nhiên, khi áp dụng cho hệ thống có công suất lớn, chi phí cho truyền động quay sẽ rất cao so với truyền động điện, khiến nó trở thành giải pháp không kinh tế trong các ứng dụng công suất lớn.

1.2 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN a Ưu điểm:

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

- Do khả năng chịu nén lớn của không khí vì vậy khả năng tích chứa áp suất khí nén một cách thuận lợi

- Khí nén có thể thải ra dễ dàng ngoài không khí nên đường dẫn khí thải ra không cần thiết

- Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén

- Hệ thống khí nén sạch sẽ, cho dù có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn cũng không tồn tại mối đe dọa nhiễm bẩn

- Dễ điều khiển với độ chính xác cao b Nhược điểm:

Bài 1: Tổng quan hệ thống thủy lực khí nén Trang 3

- Lực truyền tải trọng thấp

- Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi

- Khả năng đàn hồi của khí nén lớn do đó không thể thực hiện những chuyển động thẳng hay quay đều

- Khi thoát ra gây tiếng ồn

1.3 ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN:

1.3.1 Áp suất a Định nghĩa: Áp suất (P) là một đại lượng vật lý, được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt của vật thể Trong hệ SI, đơn vị của áp suất bằng Newton trên mét vuông (N/m2), được gọi là Pascal (Pa) mang tên nhà toán học và vật lý người Pháp Blaise Pascal Áp suất 1 Pa là rất nhỏ

Hình 1.1: Biểu diễn áp suất b Các đơn vị áp suất thông dụng:

Bảng 1.1: Bảng qui đổi các đơn vị áp suất c Phân loại áp suất:

Áp suất tương đối đề cập đến áp suất so với áp suất khí quyển, vốn có giá trị tiêu chuẩn bằng 1 atm Đây là loại áp suất thường được ký hiệu bằng chữ "g" phía sau đơn vị đo lường hoặc không ghi ký hiệu Trong thực tế, áp suất tương đối giúp xác định chính xác khí nén hoặc khí quyển tác động lên vật thể so với môi trường xung quanh, góp phần quan trọng trong các lĩnh vực kỹ thuật và khoa học khí quyển.

Ví dụ 1psig hay 1psi

Pa bar KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi

KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi

Áp suất tuyệt đối là áp suất đo so với chân không tuyết đối, nơi môi trường không tồn tại không khí hoặc bị hút hết không khí Ký hiệu của áp suất tuyệt đối thường là chữ "a" phía sau đơn vị đo, ví dụ như 1 psia Việc hiểu rõ về áp suất tuyệt đối giúp đánh giá chính xác các thông số kỹ thuật trong nhiều ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong vận hành hệ thống.

- Áp suất chênh áp: Chênh lệch giữa 2 nguồn áp suất (Hiệu áp suất), có phân biệt dấu ±

Hình 1.2: Dải áp suất thường được sử dụng trong công nghiệp

1.3.2 Lực Áp lực là lực tác động lên diện tích bề mặt của một vật Lực ép vuông góc với diện tích bề mặt chịu lực Áp lực là đại lượng véc-tơ, tuy nhiên vì đã xác định được phương (vuông góc với bề mặt chịu lực) và chiều (hướng vào mặt chịu lực) nên khi nói về áp lực, người ta có thể chỉ nói về độ lớn (cường độ) Đơn vị đo của áp lực là Newton (N),

Khi một lực không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó dịch chuyển một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc, công thực hiện bởi lực này được tính bằng công thức cụ thể Công thức này giúp xác định chính xác lượng công mà lực đó truyền đạt khi gây ra sự dịch chuyển cho vật Hiểu rõ về công thức tính công của lực không đổi đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các quá trình cơ học và ứng dụng trong kỹ thuật, giúp tối ưu hóa các hoạt động liên quan đến lực và chuyển động.

AF s  (1.2) Đơn vị của công là Joule (J), 1 Joule là công sinh ra dưới tác dụng 1 Newton để vật thể dịch chuyển quãng đường 1m

Khoả ng á p suấ t coõ ng nghieọ p mở rộ ng Á p suấ t thấ p

Khoả ng á p suấ t thườ ng sử dụng

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Á p suấ t khí quy ể n Châ n khô ng tuyệ t đố i Á p suấ t dư Á p suấ t tuyệ t đố i

Công suất là đại lượng được đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian P A

 t , đơn vị của công là Joule/giây (J/s) hoặc Woat (W)

1.3.5 Độ nhớt động Độ nhớt động có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị của độ nhớt động là m 2 /s, là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động lực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m 3 v 

Với v là độ nhớt động (m 2 /s),  là độ nhợt động lực (Pa s) và ρ là khối lượng riêng (kg/m 3 )

1.4 CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHÍ NÉN

1.4.1 Thành phần hóa học của khí nén

Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị khí nén dựa trên quá trình không khí trong khí quyển được hút vào và nén trong máy nén khí Sau đó, không khí đã nén được đưa vào hệ thống khí nén để phục vụ các ứng dụng công nghiệp Không khí trong hệ thống này là khí hỗn hợp gồm nhiều thành phần khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động tự động hóa và vận hành máy móc hiệu quả.

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của khí nén

N2 N2 Ar CO2 H2 Ne He Kr X

Trong không khí, ngoài những thành phần như [%], [23.01], [1.286], [0.04], [0.001], [1.2], [0.07], [0.3], và [40], còn có hơi nước và bụi mịn Chính những thành phần này gây ra hiện tượng ăn mòn và gỉ sét cho các thiết bị khí nén Do đó, cần phải áp dụng các biện pháp hoặc sử dụng các thiết bị phù hợp để loại bỏ hoặc hạn chế tối đa các thành phần gây hại này trong hệ thống khí nén, từ đó kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hoạt động hiệu quả của thiết bị.

1.4.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:

Với Pabs là áp suất tuyệt đối (bar), V là thể tích (m 3 ), m là khối lượng (kg), R là hằng số nhiệt (J/kg.K), và T là nhiệt độ tuyệt đối (ᵒK)

Từ phương trình trên ta có phương trình trạng thái khi cả 3 áp suất, nhiệt độ, thể tích thay đổi như sau:

 TÓM TẮT NỘI DUNG BÀI 1:

ĐƠN VỊ ĐO TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.3.1 Áp suất a Định nghĩa: Áp suất (P) là một đại lượng vật lý, được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng theo chiều vuông góc với bề mặt của vật thể Trong hệ SI, đơn vị của áp suất bằng Newton trên mét vuông (N/m2), được gọi là Pascal (Pa) mang tên nhà toán học và vật lý người Pháp Blaise Pascal Áp suất 1 Pa là rất nhỏ

Hình 1.1: Biểu diễn áp suất b Các đơn vị áp suất thông dụng:

Bảng 1.1: Bảng qui đổi các đơn vị áp suất c Phân loại áp suất:

Áp suất tương đối là áp suất so với áp suất khí quyển chuẩn, với giá trị bằng 1 atm Thường ký hiệu bằng chữ "g" sau đơn vị đo hoặc không ghi ký hiệu nào Việc xác định áp suất tương đối giúp đánh giá chính xác áp lực trong các hệ thống khí quyển và các ứng dụng liên quan Đây là một trong những khái niệm cơ bản quan trọng trong đo lường khí nén và vật lý khí quyển.

Ví dụ 1psig hay 1psi

Pa bar KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi

KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi

Áp suất tuyệt đối là áp suất so với chân không tuyệt đối, môi trường không có không khí hoặc khí bị hút hết, được ký hiệu bằng chữ "a" phía sau đơn vị đo Ví dụ, 1 psia thể hiện áp suất tuyệt đối bằng đơn vị pound trên inch vuông Áp suất tuyệt đối là khái niệm quan trọng trong các lĩnh vực kỹ thuật và khí quyển, giúp xác định chính xác trạng thái của khí hoặc chất lỏng trong hệ thống Hiểu rõ về áp suất tuyệt đối giúp tối ưu hóa thiết bị, nâng cao hiệu quả và đảm bảo an toàn trong các hoạt động công nghiệp.

- Áp suất chênh áp: Chênh lệch giữa 2 nguồn áp suất (Hiệu áp suất), có phân biệt dấu ±

Hình 1.2: Dải áp suất thường được sử dụng trong công nghiệp

1.3.2 Lực Áp lực là lực tác động lên diện tích bề mặt của một vật Lực ép vuông góc với diện tích bề mặt chịu lực Áp lực là đại lượng véc-tơ, tuy nhiên vì đã xác định được phương (vuông góc với bề mặt chịu lực) và chiều (hướng vào mặt chịu lực) nên khi nói về áp lực, người ta có thể chỉ nói về độ lớn (cường độ) Đơn vị đo của áp lực là Newton (N),

Khi một lực không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực di chuyển theo hướng của lực, công thực hiện bởi lực đó được tính bằng công thức: (cung cấp công thức cụ thể nếu có) Điều này cho thấy rằng công năng của lực phụ thuộc vào độ dài quãng đường vật di chuyển theo hướng của lực, phản ánh rõ mối liên hệ giữa công, lực và chuyển dời trong quá trình thực hiện công tác.

AF s  (1.2) Đơn vị của công là Joule (J), 1 Joule là công sinh ra dưới tác dụng 1 Newton để vật thể dịch chuyển quãng đường 1m

Khoả ng á p suấ t coõ ng nghieọ p mở rộ ng Á p suấ t thấ p

Khoả ng á p suấ t thườ ng sử dụng

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Á p suấ t khí quy ể n Châ n khô ng tuyệ t đố i Á p suấ t dư Á p suấ t tuyệ t đố i

Công suất là đại lượng được đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian P A

 t , đơn vị của công là Joule/giây (J/s) hoặc Woat (W)

1.3.5 Độ nhớt động Độ nhớt động có vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển khí nén Đơn vị của độ nhớt động là m 2 /s, là độ nhớt động của một chất có độ nhớt động lực 1Pa.s và khối lượng riêng 1kg/m 3 v 

Với v là độ nhớt động (m 2 /s),  là độ nhợt động lực (Pa s) và ρ là khối lượng riêng (kg/m 3 ).

CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHÍ NÉN

1.4.1 Thành phần hóa học của khí nén

Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị khí nén dựa trên việc hút khí trong khí quyển vào hệ thống và nén khí đó bằng máy nén khí Sau khi được nén, khí được đưa vào hệ thống khí nén để phục vụ các hoạt động kỹ thuật Khí trong hệ thống khí nén là loại khí hỗn hợp, gồm nhiều thành phần khác nhau, tạo thành nguồn năng lượng linh hoạt và hiệu quả cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Bảng 1.2: Thành phần hóa học của khí nén

N2 N2 Ar CO2 H2 Ne He Kr X

Trong không khí, ngoài các thành phần chính như khí không khí, còn có hơi nước, bụi và các tạp chất khác Những thành phần này gây ra hiện tượng ăn mòn và gỉ sét cho các thiết bị khí nén Để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống, cần áp dụng các biện pháp hoặc thiết bị đặc biệt nhằm loại trừ hoặc hạn chế tối đa sự tác động của những thành phần gây hại này.

1.4.2 Phương trình trạng thái nhiệt động học

Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:

Với Pabs là áp suất tuyệt đối (bar), V là thể tích (m 3 ), m là khối lượng (kg), R là hằng số nhiệt (J/kg.K), và T là nhiệt độ tuyệt đối (ᵒK)

Từ phương trình trên ta có phương trình trạng thái khi cả 3 áp suất, nhiệt độ, thể tích thay đổi như sau:

1.2 Một số đặc điểm của hệ truyền động bằng khí nén,

1.3 Đơn vị đo trong hệ thống điều khiển, cơ sở tính toán khí nén

 CÂU HỎI CỦNG CỐ BÀI 1:

Câu 1: Ưu điểm nào là của hệ thống truyền động bằng Thủy lực?

A Truyền động công suất lớn, có thể khởi động với tải trọng nặng

B Hệ thống hoạt động sạch sẽ, rò rỉ cũng không tồn tại mối đe dọa nhiễm bẩn

C Lực truyền tải trọng thấp

D Khả năng chịu nén lớn

Câu 2: Nhược điểm nào là của hệ thống truyền động bằng thủy lực?

A Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi

B Lực truyền tải trọng thấp

C Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệusuất và hạn chế phạm vi sử dụng

Câu 3: Trong các đơn vị sau, đơn vị nào là đơn vị của áp suất?

Câu 4: Phát biểu nào sau đây về áp suất dư là đúng?

A Áp suất dư là áp suất so với áp suất chân không

B Áp suất dư là khối lượng khí quyển chịu tác dụng của lực hút trái đất tạo ra áp suất trên tất cả các bộ phận của trái đất

C Áp suất dư nhỏ hơn áp suất khí quyển, lớn hơn áp suất chân không

D Áp suất dư là áp suất so với áp suất khí quyển

Câu 5: Áp suất chân không tuyệt đối có giá trị bằng?

Câu 6: Cho vật có khối lượng 1 kg tác dụng lên diện tích 14,6 cm 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…

D Cả 3 đáp án còn lại đều sai

Câu 7: Cho lực 1N tác dụng lên diện tích 1 m 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…

Phương trình trạng thái nhiệt động học mô tả mối quan hệ giữa áp suất (P), nhiệt độ (T), và thể tích (V) của hệ chất trong các trạng thái khác nhau Khi cả áp suất, nhiệt độ và thể tích đều thay đổi, chúng ta cần xác định các điểm trạng thái ban đầu (P1, T1, V1) và trạng thái cuối cùng (P2, T2, V2) Hiểu rõ các biến này giúp phân tích chính xác quá trình nhiệt động học của hệ.

Câu 9: Áp suất dư là áp suất…

A Lớn hơn so với áp suất khí quyển

B Nhỏ hơn áp suất khí quyển

C Nhỏ hơn áp suất chân không tuyệt đối

Câu 10: Cho lực 1N tác dụng lên diện tích 1 m 2 Khi đó áp suất tác dụng sẽ bằng…

D Cả 3 đáp án còn lại đều sai.

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

PHẦN TỬ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

Trong công nghiệp tùy theo quy mô sản xuất, người ta thường xây dựng các trạm khí nén phục vụ sản xuất với các mục đích khác nhau

Yêu cầu tối thiểu, khí nén cũng phải đảm bảo các tiêu chuẩn:

Việc lựa chọn máy nén khí phù hợp dựa trên yêu cầu về áp suất làm việc của các cơ cấu chấp hành như xilanh, động cơ, giác hút, cũng như tiêu chuẩn công nghệ và các yếu tố khác như kích thước, trọng lượng, và mức độ tiếng ồn của máy nén khí Nguyên lý hoạt động của máy nén khí đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả hoạt động và phù hợp với nhu cầu sản xuất.

Nguyên lý thay đổi thể tích hoạt động dựa trên việc không khí được dẫn vào buồng chứa, làm giảm thể tích của buồng chứa Khi thể tích giảm, áp suất bên trong buồng chứa sẽ tăng lên, giúp kiểm soát và điều chỉnh quá trình khí nén hiệu quả.

Nguyên lý động năng trong hệ thống khí nén cho phép không khí được dẫn vào buồng chứa, nơi áp suất được tạo ra nhờ động năng của bánh dẫn, giúp phát sinh lưu lượng và công suất rất lớn Theo cách phân loại dựa trên áp suất hoạt động, các hệ thống khí nén có thể được chia thành nhiều loại phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

- Máy nén khí áp suất thấp: P ≤ 15 bar

- Máy nén khí áp suất cao: P > 15 bar

- Máy nén khí siêu cao áp: P ≥ 300 bar c Phân loại theo nguyên lý hoạt động:

- Máy nén khí kiểu Pittông: Hoạt động theo nguyên lý thay đổi thể tích, bao gồm

2 chu kỳ hoạt động “chu kỳ hút và chu kỳ nén” dựa theo chuyển động tịnh tiến của pittông và các van 1 chiều:

Hình 2.1: Chu kỳ hoạt động máy nén khí Pittông

Máy nén khí kiểu cánh gạt hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích của buồng chứa khí, giúp nén khí hiệu quả Thiết bị sử dụng rotor lệch tâm cùng các cánh gạt có thể di chuyển theo các rãnh hướng tâm để thực hiện quá trình nén khí Khi cánh gạt di chuyển, thể tích của buồng chứa khí bị thu nhỏ, dẫn đến khí bị nén lại, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển khí nén Trang 10

Hình 2.2: Máy nén khí kiểu cánh gạt

Máy nén khí kiểu root hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích, trong đó khí được hút và nén nhờ vào chuyển động của các cánh cam, các cánh cam này chuyển động ngược chiều nhau mà không va chạm Khả năng hút khí của máy phụ thuộc vào khe hở giữa các cánh cam và khe hở giữa hai phần quay với thân máy, giúp đảm bảo hiệu quả nén khí ổn định và chính xác.

Hình 2.3: Máy nén khí kiểu Root

Máy nén khí kiểu trục vít hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi thể tích, trong đó khí được nén nhờ hoạt động của hai rãnh xoắn quay khít và ngược chiều nhau Công nghệ này giúp đảm bảo hiệu suất nén khí ổn định, nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống Máy nén trục vít phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp lớn, yêu cầu lưu lượng khí ổn định và liên tục.

Hình 2.4: Máy nén khí kiểu trục vít

Máy nén khí kiểu ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi động năng, trong đó khí được dẫn vào buồng chứa và gia tốc bởi bộ phận quay với tốc độ cao Nhờ sự chênh lệch vận tốc này, áp suất khí nén được tạo ra một cách hiệu quả, giúp cung cấp nguồn khí nén ổn định cho các ứng dụng công nghiệp.

Hình 2.5: Máy nén khí ly tâm

2.1.2 Hệ thống bể dầu, bơm thủy lực:

Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống thủy lực, bộ nguồn thủy lực đơn giản bao gồm (Hình 2.6):

Bơm thủy lực E được truyền động bằng động cơ điện M, chuyển đổi cơ năng thành năng lượng thủy lực Dầu thủy lực trong bể chứa được bơm hút và tải vào buồng nén, nơi tạo áp suất tích lũy năng lượng thủy lực Áp suất này sau đó được truyền tới các phần tử trong hệ thống, đóng vai trò tạo ra các chuyển động trong cơ cấu chấp hành.

- Bộ điều chỉnh áp suất (van an toàn) nhằm bảo vệ bơm khi quá áp suất

- Dụng cụ chỉ thỉ áp suất làm viêc A (đồng hồ áp suất)

- Cổng cung áp P và đường dầu hồi về T

Hình 2.6: Bồn dầu thủy lực

Một khối nguồn tiêu chuẩn còn tích hợp các phần tử quan trọng như bộ lọc dầu, bộ làm mát dầu, hệ thống kiểm tra dầu tràn và cảm biến đo nhiệt độ dầu để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống truyền động.

Dầu thủy lực gần như không chịu nén, khiến việc sử dụng bình tích chứa trở nên ít hiệu quả trong hệ thống thủy lực Do đó, khi vận hành hệ thống thủy lực, cần thiết phải sử dụng bơm thủy lực để duy trì áp lực và đảm bảo hoạt động liên tục của toàn bộ hệ thống Việc lựa chọn và vận hành đúng bơm thủy lực đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả vận hành của hệ thống thủy lực công nghiệp.

PHẦN TỬ TÍN HIỆU VÀO

Trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén, các phần tử đưa tín hiệu được chia làm hai nhóm:

- Nhóm phần tử giao tiếp người – hệ thống như: nút nhấn, công tắc, bàn đạp, núm xoay …

- Nhóm phần tử giao tiếp trong hệ thống như: công tắc hành trình, cảm biến …

Hình 2.7: Nút nhấn thường đóng

2.2.2 Cảm biến a Cảm biến tiệm cận điện cảm:

Khi vật thể kim loại xâm nhập vào vùng ảnh hưởng của cảm biến, dòng điện xoáy xuất hiện trong vật thể gây suy giảm năng lượng của bộ tạo dao động (Oscillator) Sự thay đổi này ảnh hưởng đến dòng điện tiêu thụ của cảm biến, từ đó dẫn đến các trạng thái khác nhau: suy giảm dòng điện hoặc không suy giảm dòng điện Các trạng thái này phản ánh chính xác sự có mặt hoặc vắng mặt của vật thể kim loại, giúp cảm biến phát hiện chính xác mục tiêu.

“không” bằng mức xung điện áp ra

- Đối tượng phát hiện: kim loại sắt từ

- Khoảng cách phát hiện: 0,8 ÷ 10mm

Hình 2.8: Cảm biến tiệm cận điện cảm b Cảm biến tiệm cận điện dung:

Khi vật thể đi vào vùng tác dụng của cảm biến, điện dung của tụ điện hình thành bởi vật thể và bản cực cảm biến thay đổi Điện dung này tham gia vào mạch cộng hưởng RC của cảm biến, gây ra sự thay đổi trong trạng thái cộng hưởng Sự biến đổi này dẫn đến thay đổi dòng điện tiêu thụ của cảm biến, phản ánh rõ ràng sự có mặt hoặc vắng mặt của vật thể trong vùng phát hiện.

- Phát hiện được các vật thể bất kỳ (chất liệu chế tạo khác nhau: kim loại, gỗ, đá,

Hình 2.9: Kí hiệu cảm biến tiệm cận điện dung c Cảm biến tiệm cận quang:

Bộ phận phát tia hồng ngoại sử dụng điốt phát quang để phát ra tia hồng ngoại, phản hồi khi gặp vật cản Tùy vào cách sắp xếp vị trí của bộ phát và bộ nhận, cảm biến quang được chia thành hai loại chính: cảm biến quang phản hồi và cảm biến quang một chiều Những cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện phản xạ tia hồng ngoại để xác định sự hiện diện của vật thể trong phạm vi cảm biến.

Hình 2.10: Cảm biến tiệm cận quang

Hình 2.11: Công tắc hành trình

Kí hiệu của các phần tử tín hiệu vào trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén như

Bảng 2.1: Kí hiệu phần tử tín hiệu vào thông dụng

Hệ thống điều khiển khí nén

Công tắc hành trình tác động 2 chiều

Công tắc hành trình tác động 1 chiều

Hệ thống điều khiển điện khí nén

Nút nhấn thường đóng Công tắc thường đóng

PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU: Error! Bookmark not defined 1 Van áp suất: Error! Bookmark not defined 2 Van Logic: Error! Bookmark not defined 2.4 PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

Van áp suất là thiết bị quan trọng giúp điều chỉnh, cố định, tăng hoặc giảm áp suất trong hệ thống thủy lực khí nén Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như van an toàn, van tràn và van giảm áp để duy trì áp suất ổn định, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống Việc lựa chọn van áp suất phù hợp giúp kiểm soát chính xác và tối ưu hiệu suất vận hành của hệ thống khí nén.

Van tràn và van an toàn là thiết bị essential trong hệ thống thủy lực nhằm kiểm soát áp lực chất lỏng, ngăn chặn vượt quá giới hạn cho phép Van tràn hoạt động liên tục để duy trì áp lực ổn định trong hệ thống, trong khi van an toàn chỉ hoạt động khi gặp quá tải hoặc áp lực vượt mức quy định Việc sử dụng đúng cả hai loại van giúp đảm bảo an toàn, tối ưu hiệu suất vận hành của hệ thống thủy lực.

Hình 2.12: Kí hiệu van tràn, van an toàn

Hình 2.13: Cấu tạo van an toàn, kiểu bi

Van giảm áp là thiết bị cần thiết trong hệ thống khi phải cung cấp năng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, bơm được vận hành với áp suất lớn nhất, sau đó van giảm áp đặt trước các cơ cấu chấp hành để điều chỉnh áp suất xuống mức phù hợp Việc sử dụng van giảm áp giúp duy trì áp suất ổn định, nâng cao hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống.

Hình 2.14: Kí hiệu van giảm áp

2.3.2 Van Logic a Van Logic AND:

Van Logic AND được sử dụng để thỏa mãn các điều kiện tác động đồng thời từ 2 ngõ vào (Hình 4.7)

- Tín hiệu được đưa vào của 1 và 1(3) để tạo ra tín hiệu ở cửa 2

- Chỉ khi có cả 2 tín hiệu tác động ở của 1 và 1(3) thì mới có tín hiệu ngõ ra ở của

Hình 2.15: Cấu tạo, kí hiệu van AND b Van Logic OR:

Van Logic OR được sử dụng để tạo tín hiệu ngõ ra khi một trong hai ngõ vào hoặc cả hai đều tác động, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả (Hình 4.8)

- Tín hiệu ngõ ra 2 tác động khi một trong 2 ngõ vào tác động

- Khi tín đồng thời ở cả hai ngõ vào thì tín hiệu ngõ ra 2 sẽ là tín hiệu có giá trị áp suất lớn hơn

Hình 2.16: Cấu tạo, kí hiệu van OR

2.4.1 Nguyên lý hoạt động của phần tử điều khiển:

Trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén, các van đảo chiều là phần tử điều khiển phổ biến nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi chiều dòng chảy áp suất khi nén hoặc thủy lực.

Quy ước các van đảo chiều được thể hiện rõ qua Hình 2.17, giúp định hướng và phân biệt các loại van Van đảo chiều được đặt tên dựa trên số lượng cổng vào/ra và số lượng vị trí làm việc, giúp dễ dàng nhận biết và lựa chọn cho hệ thống thủy lực hoặc khí nén Việc hiểu rõ các quy tắc này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống và đảm bảo hoạt động chính xác của các thiết bị.

Hình 2.17: Quy ước van đảo chiều

Cách gọi tên van đảo chiều 4/2 dựa trên số cổng vào/ra, với các cổng được ký hiệu từ 1 đến 4 Trong đó, hai vị trí làm việc chính được biểu thị bằng hai ô vuông, có đường đi dòng chảy khác nhau tùy thuộc vào từng vị trí Hệ thống này giúp dễ dàng nhận biết và phân biệt các trạng thái hoạt động của van theo tên gọi chuẩn, đảm bảo sự chính xác trong thiết kế và vận hành hệ thống thủy lực.

Van đảo chiều 4/2 có vị trí làm việc ban đầu phù hợp với dòng chảy từ các cổng vào/ra Khi tác động để thay đổi vị trí làm việc của van, dòng chảy sẽ chuyển đổi theo hướng mới, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của van đảo chiều giúp tối ưu hóa hiệu suất và duy trì lưu lượng dòng chảy hiệu quả trong các hệ thống xử lý chất lỏng.

Có 2 loại van đảo chiều chính: van đảo chiều duy trì và van đảo chiều không duy trì, tên gọi của các loại van này được gọi theo quy ước

Van đảo chiều không duy trì vị trí cố định, chỉ có một cổng điều khiển và lò xo giúp trả van về vị trí ban đầu Khi tác động lên cổng điều khiển, van sẽ thay đổi vị trí để điều chỉnh dòng chảy, và khi lực tác động kết thúc, lò xo sẽ tự động đưa van trở lại trạng thái ban đầu, đảm bảo lưu lượng chất lưu được kiểm soát chính xác.

Hình 2.6: Trạng thái ban đầu van đảo chiều không duy trì 3/2

Hình 2.7: Trạng thái khi cổng điều khiển tác động

Van đảo chiều duy trì hoạt động nhờ vào hai cổng điều khiển, trong đó mỗi cổng khi tác động sẽ thay đổi vị trí của van, còn khi không có tác động, van vẫn giữ nguyên vị trí Van chỉ trở về trạng thái ban đầu khi có tác động từ cổng điều khiển còn lại Các cổng điều khiển hoạt động luân phiên, đảm bảo vận hành chính xác; tuy nhiên, khi cùng lúc cả hai cổng đều tác động, van vẫn duy trì vị trí hiện tại, đảm bảo sự ổn định trong hệ thống điều khiển.

Hình 2.20: Trạng thái ban đầu van đảo chiều duy trì 3/2

Hình 2.21: Trạng thái khí 12 tác động, 14 không tác động

Hình 2.22: Trạng thái khi 14 tác động, 12 không tác động

2.4.2 Các phần tử điều khiển được sử dụng trong mạch điều khiển:

Thông qua phương thức điều khiển các van đảo chiều bằng khí nén hoặc điện khí nén, chúng ta sử dụng các thành phần điều khiển phổ biến, có ký hiệu theo bảng 2.2, giúp tối ưu hóa hệ thống tự động và nâng cao hiệu quả vận hành.

Bảng 2.2: Kí hiệu các phần tử điều khiển thông dụng

Hệ thống điều khiển khí nén

Van đảo chiều không duy trì 3/2

Van đảo chiều duy trì 3/2

Hệ thống điều khiển điện khí nén

Van điện từ không duy trì 3/2

Van điện từ duy trì 3/2

Cuộn dây solenoid (điện từ)

Ngoài ra chúng ta có thể phân biệt các dạng tác động khác nhau khi dùng van đảo chiều (Hình 4.15 đến Hình 4.18)

Hình 2.23: Tín hiệu tác động bằng tay

Hình 2.24: Tín hiệu tác động bằng cơ

Hình 2.25: Tín hiệu tác động bằng khí nén

Hình 2.26: Tín hiệu tác động bằng điện khí nén

PHẦN TỬ CHẤP HÀNH

Cơ cấu chấp hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén, thủy lực thành động năng, góp phần quan trọng trong hệ thống truyền động Các loại cơ cấu chấp hành bao gồm chuyển động thẳng, như xilanh tác động đơn và xilanh tác động kép, giúp tạo ra chuyển động tuyến tính chính xác và mạnh mẽ Ngoài ra, còn có chuyển động quay, như động cơ khí nén và xilanh quay, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chuyển động quay liên tục hoặc định kỳ.

- Xilanh tác động đơn: Khí nén chỉ được sử dụng để sinh công ở một phía của

Piston, Piston lùi về bằng lực của lò xo hay lực tác dụng từ bên ngoài:

Hình 2.27: Xilanh tác động đơn

- Xilanh tác động kép: Khí nén được sử dụng để sinh công ở hai phía của Piston, thường được điều khiển bằng các van đảo chiều:

Hình 2.28: Xilanh tác động kép

Xilanh màng hoạt động theo nguyên lý tác động đơn và có hành trình lớn nhất trong các loại xilanh Nhờ khả năng hành trình rộng, xilanh màng thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển yêu cầu chuyển động dài và chính xác Đặc biệt, xilanh màng chỉ sử dụng khí nén để điều chỉnh, giúp đảm bảo độ chính xác và độ bền cao trong quá trình vận hành.

- Xilanh quay: Cần Piston có thanh răng chuyển động tới bánh răng quay:

- Ngoài ra còn một số loại xilanh đặc biệt như: xilanh lồng (Hình 2.31), xilanh có hãm cuối khoảng chạy (Hình 2.32) và xilanh có vị trí pittong trung gian (Hình 2.33)

Hình 2.33: Xilanh có vị trí pittong trung gian

Chuyển đổi năng lượng của khí nén, thủy lực sang chuyển động quay thông qua cơ cấu chuyển động dạng bánh răng, cánh gạt hoặc pittông

Động cơ khí nén được ký hiệu thể hiện qua Hình 2.34, trong đó động cơ bánh răng đóng vai trò quan trọng và được chia thành ba loại chính: động cơ bánh răng thẳng, động cơ bánh răng nghiêng và động cơ bánh răng hình chữ V, như minh họa trong Hình 2.35.

Hình 2.35: Động cơ bánh răng hình chữ V b Động cơ cánh gạt:

Lưu chất được đưa vào cửa 1 rồi qua rãnh vòng 2 và lỗ lưu chất 3, nhờ tác dụng của áp suất tác động lên cánh gạt, roto quay để vận hành Cuối cùng, lưu chất được thải ra ngoài qua cửa số 8 (Hình 2.36), đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả của thiết bị.

Động cơ pittong có khả năng làm kín tốt hơn so với bơm cánh gạt và bánh răng, nhờ đó được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén hoạt động ở áp suất cao.

Phụ thuộc vào vị trí của pittong với roto, phân biệt thành động cơ pittong hướng kính và hướng trục (Hình 2.37)

Hình 2.8: Động cơ pittong hướng trục d Động cơ trục vít:

Trục quay của động cơ trục vít có bánh răng ăn khớp với nhau, trong đó số răng của trục lồi ít hơn số răng của trục vít lõm từ 1-2 răng Để đảm bảo hai trục vít quay ăn khớp chính xác, hai trục cần phải quay đồng bộ và liên tục Tối ưu hóa quá trình truyền động giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của hệ thống trục vít trong các ứng dụng cơ khí.

Hình 2.38: Động cơ trục vít

CÁC PHẦN TỬ KHÁC

Cấu tạo bao gồm van tiết lưu 1 chiều, bình tích chứa khí nén và van đảo chiều 3/2 không duy trì, (Hình 2.39)

Hình 2.39: Timer khí nén T-ON

Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu khi một tín hiệu khí nén áp suất không đổi được đặt vào cửa (12) tại thời điểm t=0 để khởi tạo bộ định thời Khí nén qua khe hẹp của tiết lưu một chiều nạp vào bình trích chứa, điều chỉnh mức lưu lượng giúp xác định thời gian trễ ∆t cần thiết Khi áp suất trong bình trích đạt tới mức yêu cầu để chuyển trạng thái của van 3/2, van sẽ mở và cung cấp tín hiệu ra tại cửa (2), kích hoạt quá trình tiếp theo Quá trình này sẽ bị xóa nhanh chóng khi xả tín hiệu qua cửa 12, khí nén trong bình trích xả nhanh qua cửa này mà không qua tiết lưu, làm áp suất giảm đột ngột và van 3/2 bị khóa lại do tác động của lò xo phục hồi.

- Van một chiều: Chỉ do dòng khí nén chạy qua theo 1 chiều (hướng) do lực khí nén lớn hơn lực của lò xo

- Van tiết lưu 1 chiều và 2 chiều: dùng điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành thông qua việc điều chỉnh lưu lượng dòng chảy khí nén

Hình 2.9: Van tiết lưu 1 chiều

- Van thoát (xả) nhanh: Khi có van xả nhanh, khí trong buồng xilanh không chạy qua van đảo chiều mà xả ra ngoài môi trường (tác động nhanh hơn)

Khai báo phần tử khí nén

Khai báo phần tử khí nén theo hướng dẫn thông qua hình ảnh minh họa bên dưới, như sau:

- Khai báo Công tắc hành trình 2 chiều Hình 2.43

- Khai báo Công tắc hành trình 1 chiều Hình 2.44

- Khai báo Van đảo chiều không duy trì Hình 2.45

- Khai báo Van đảo chiều duy trì Hình 2.46

- Khai báo Công tắc hành trình Hình 2.47

- Khai báo Công tắc áp suất Hình 2.48

- Khai báo Giác hút chân không Hình 2.49

Hình 2.43: Cách khai báo Công tắc hành trình 2 chiều

Hình 2.44: Cách khai báo Công tắc hành trình 1 chiều

Hình 2.45: Cách khai báo Van đảo chiều không duy trì

Hình 2.46: Cách khai báo Van đảo chiều duy trì

Hình 2.47: Cách khai báo Công tắc hành trình

Hình 2.48: Cách khai báo Công tắc áp suất

Hình 2.49: Cách khai báo Giác hút chân không

Hình 2.50: Cách khai báo Timer

Hình 2.51: Cách khai báo Counter

Khai báo phần tử điện khí nén

Khai báo phần tử điện khí nén theo hướng dẫn thông qua hình ảnh minh họa bên dưới, như sau:

- Khai báo Công tắc hành trình Hình 2.52

- Khai báo Van điện từ duy trì Hình 2.53

- Khai báo Van điện từ không duy trì Hình 2.54

- Khai báo Cuộn dây van điện từ Hình 2.55

- Khai báo Bộ đếm Hình 2.57

- Khai báo Cảm biến tiệm cận Hình 2.58

Hình 2.52: Cách khai báo công tắc hành trình

Hình 2.53: Cách khai báo van điện từ duy trì

Hình 2.54: Cách khai báo van điện từ không duy trì

Hình 2.55: Cách khai báo cuộn dây van điện từ

Hình 2.56: Cách khai báo Relay

Hình 2.57: Cách khai báo bộ đếm

Hình 2.58: Cách khai báo cảm biến tiệm cận

2.1 Phần tử cung cấp năng lượng

2.2 Phần tử tín hiệu vào

2.3 Phần tử xử lý tín hiệu

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khai báo các sơ đồ mạch điều khiển thủy lực, khí nén và điện khí nén, đồng thời phân tích nguyên lý hoạt động của từng loại mạch Các loại mạch bao gồm mạch điều khiển trực tiếp hai phần tử, mạch điều khiển xi lanh tác động hai chiều với phần tử nhớ, và mạch điều khiển tùy động theo thời gian Các sơ đồ này giúp hiểu rõ cách hoạt động của hệ thống điều khiển, tối ưu hóa quá trình vận hành và nâng cao hiệu quả trong ứng dụng công nghiệp.

Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển khí nén Trang 32 d Mạch điều khiển tùy động theo hành trình e Điều khiển vận tốc bằng van khí thoát nhanh f Điều khiển tùy động theo hành trình với một xilanh có phần tử thời gian giới hạn dừng pittong ở cuối hành trình

Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển khí nén Trang 33 g Mạch điều khiển 3 xilanh h Mạch điều khiển điện khí nén 1 xilanh tác động kép

Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển khí nén Trang 34 i Mạch sử dụng cảm biến tiệm cận

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN

PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

3.1.1 Điều khiển bằng tay Điều khiển bằng tay được ứng dụng phần lớn những mạch điều khiển bằng khí nén đơn giản, ví dụ như các đồ gá kẹp chi tiết a Điều khiển trực tiếp Điều khiển trực tiếp có đặc điểm là chức năng đưa tín hiệu và xử lý tín hiệu do một phần tử đảm nhận Ví dụ mạch điều khiển xilanh tác dụng 1 chiều như ở hình dưới

Bài 3: Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén Trang 38

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điều khiển xilanh tác dụng 1 chiều

Sau khi người dùng nhấn nút trên van 1,3, piston của xi lanh 1,2 sẽ tác động đơn giản và đẩy ra, duy trì trạng thái này miễn là nút vẫn còn được nhấn Áp lực khí nén tác động trực tiếp lên piston của xi lanh, và độ áp suất này được hiển thị rõ ràng trên áp kế 1,5 Quá trình này đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống khí nén, giúp kiểm soát hành trình của piston một cách hiệu quả.

Các khí nén được cung cấp thông qua hệ thống gồm bộ lọc khí, van đảo chiều 3/2, bộ điều chỉnh áp suất, áp kế và bộ lọc nước, đảm bảo nguồn khí nén sạch và ổn định Hệ thống phân phối khí nén giúp điều phối khí hiệu quả đến các thiết bị trong quá trình vận hành.

Sơ đồ mạch được tạo ra hoặc mở rộng với các ký hiệu và thiết kế cổng theo tiêu chuẩn ISO 1219 và DIN ISO 11727

Bố trí các phần tử

Hình 3.5: Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển xilanh tác dụng 1 chiều

Danh mục các phần tử

Bảng 3.1: Bảng danh mục các phần tửmạch điều khiển xilanh tác dụng 1 chiều b Điều khiển gián tiếp

Pittong đi ra và lùi vào được điều khiển bằng phần tử nhớ Mạch điều khiển như trình bày ở hình dưới

Mô tả Mã số vật tư

1.0 1 Bộ lọc van điều khiển 3/2 từ 0.2 đến 10 bar

(On-off valve with filter regulator)

1.1 1 Bộ chia nguồn khí nén, 6 đầu chia

1.2 1 Xy lanh tác động đơn, d = 25mm, h 100mm (Single-acting cylinder)

1.3 1 Van điều khiển hướng 3/2 M5, nút ấn

(3/2-way valve with pushbutton, normally closed)

1.4 1 Áp kế từ 0-10 bar (Pressure gauge) 152865

Phụ kiện ống ,miếng, miếng niêm phong

Hình 3.6: Sơ đồ mạch điều khiển gián tiếp xilanh tác dụng 2 chiều

Một xi lanh phải được điều khiển gián tiếp

Khi nhấn nút trên van 1.3V hoặc 1.4V, pit-tông của xi lanh sẽ duỗi ra để thực hiện hành động cần thiết Khi thả nút nhấn, pit-tông của xi lanh sẽ tự động thu về, đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn cho hệ thống.

Bổ sung vào sơ đồ mạch phải được thực hiện

Tất cả các kết nối phải được ký hiệu bằng các ký hiệu kết nối theo DIN ISO 11727

Hình 3.7: Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển gián tiếp xilanh tác dụng 2 chiều

Bảng 3.2: Bảng danh mục các phần tửmạch điều khiển gián tiếp xilanh tác dụng 2 chiều

Mã Số lượng Mô tả Mã số vật tư

1.2 1 Xy lanh tác động kép, d = 25mm, h 100mm (Double-acting cylinder)

1.4 1 Van điều khiển hướng 5/2 G1 / 8, với loxo quay trở lại, vận hành bằng khí nén (5/2- way valve, pneumatically actuated at one end)

1.6 1 Áp kế từ 0-10 bar (Pressure gauge) 152865

Phụ kiện Ống, miếng, miếng niên phong

3.1.2 Điều khiển tùy động theo thời gian Điều khiển tùy động theo thời gian được minh họa như ở hình dưới

Hình 3.8: Sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian

Nhấn nút khởi động trên van 1.30, yêu cầu thu về ở vị trí cuối 1.5 và phải cóvỏ bọc được nối với hai van kép ở đó

Pit-tông của xy-lanh chỉ được đẩy xuống và kích hoạt công tắc hành trình 1.51ở vị trí cuối của nó nếu có cả ba tín hiệu tác dộng

Công tắc hành trình đưa tín hiệu đến cổng 1 của phần tử thời gian

Khi thời gian đã trôi qua, phần tử thời gian 1.6 cung cấp dòng điều khiển 12 của van điều khiển 5/2 điều khiển xung 1.4

Piston của xi lanh thu về

Hình 3.9: Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển tùy động theo thời gian

Bảng 3.3: Bảng danh mục các phần tửmạch điều khiển tùy động theo thời gian

Van điều khiển hướng 3/2 M5, nút ấn (3/2-way valve with pushbutton, normally closed)

1.40 1 Van điều khiển hướng 5/2 G1 / 8, xung, vận hành bằng khí nén (5/2-way double pilot valve, pneumatically actuated at both ends)

1 Van điều khiển hướng 3/2 M5, cảm biến con lăn (3/2-way roller lever valve, normally closed)

1.6 1 Van điều khiển 2/2, Rơ-le thời gian, từ 2-

2 Van áp suất kép M5, AND (Dual-pressure valve (AND)

539770 Phụ kiện Ống mềm, miếng, miếng niêm phong

3.1.3 Điều khiển tùy động theo hành trình

Cơ sở điều khiển tùy động theo hành trình là vị trí của các công tắc hành trình Khi một bước thực hiện trong mạch điều khiển

Hình 3.10: Sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo hành trình

Một xi lanh tác động kép được sử dụng trong thiết bị uốn tấm để tạo hình

Piston của xi lanh 1.2 đẩy ra đến vị trí đầu trước khi tiếp xúc một nút trên van 1,3 và hình dạng phôi

Pit-tông của xi lanh 1.2 di chuyển tự động vào vị trí cuối của nó

Hình 3.11: Thiết bị uốn tấm

Hình 3.12: Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển tùy động theo hành trình

Bảng 3.4: Bảng danh mục các phần tửmạch điều khiển tùy động theo hành trình

Mạch điều khiển tự động xi lanh quay trở về:

1 Van điều khiển hướng 3/2 M5, nút ấn

1.5 1 Van điều khiển hướng 3/2 M5, cảm biến con lăn (3/2-way roller lever valve, normally closed)

Phụ kiện Ống mềm, T, đầu bịt

Hình 3.13: Sơ đồ mạch điều khiểntự động xi lanh quay trở về

Khí nén đến dòng điều khiển 14 của van xung 1.4 (pit-tông đẩy ra) nếu van 1.3 "AND" cảm biến con lăn được kích hoạt trên van 1.5

Khí nén đến dòng điều khiển 12 của van xung 1.4 (piston thu về) nếu cảm biến con lăn được kích hoạt trên van 1.5

Tốc độ thu về được tăng lên nhờ van xả nhanh, vì khí nén được xả thông qua van đảo chiều

Tiếng ồn trong quá trình xả khí được giảm bằng một bộ giảm chấn âm Thanh

Hình 3.14: Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiểntự động xi lanh quay trở về

Bảng 3.5: Bảng danh mục các phần tửmạch điều khiển tự động xi lanh quay trở về

Mã Số lượng Mô tả Mã số vật tư

2 Van điều khiển hướng 3/2 M5, cảm biến con lăn (3/2-way roller lever valve, normally closed)

1.6 1 Van xả nhanh G1/4 (Quick exhaust valve) 539772

1.7 1 Van áp suất kép M5, AND (Dual-pressure valve (AND)

539770 Phụ kiện Ống mềm, T, đầu bịt

Hình 3.15: Sơ đồ điều khiển Logic

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN

3.2.1 Giới thiệu phương pháp thiết kế theo tầng

Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện có cùng chức năng thành từng tầng riêng biệt để tăng tính linh hoạt và dễ dàng bảo trì Phần tử cơ bản trong điều khiển theo tầng là các phần tử nhớ như van đảo chiều 4/2 hoặc 5/2, giúp duy trì trạng thái cần thiết của hệ thống Điều khiển theo tầng là bước hoàn thiện của phương pháp điều khiển tùy động theo hành trình, đảm bảo hoạt động chính xác theo từng giai đoạn của quá trình.

Trong một tầng, xinlanh không thể vừa mở ra vừa đóng vào cùng lúc, không thể thực hiện đồng thời hành trình tiến và lùi Tầng có thể được chia thành hai cách: một là chia trực tiếp trên sơ đồ hành trình bằng cách phân chia bước rõ ràng để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn.

Chọn một hoặc nhiều bước liên tiếp trên biểu đồ hành trình để tạo thành các tầng riêng biệt phù hợp với quy tắc chia tầng Đảm bảo phân chia các tầng một cách đơn giản nhất có thể để tối ưu hóa quá trình phân tích Ví dụ minh họa bên dưới giúp dễ dàng hình dung cách xác định và lập các tầng trong biểu đồ hành trình khách hàng một cách hợp lý và hiệu quả.

Trong sơ đồ HTB, nếu tầng đầu và tầng cuối không vi phạm quy tắc chia tầng, chúng ta có thể gộp chúng lại thành một tầng duy nhất Việc này giúp tối ưu hoá thiết kế hệ thống và giảm số lượng tầng, đồng thời đảm bảo tính hiệu quả và tuân thủ các quy tắc chia tầng trong hệ thống Chính vì vậy, việc gộp tầng cuối vào tầng đầu không ảnh hưởng đến tính toàn diện của sơ đồ HTB.

Hình 3.17: Ví dụ gộp tầng b Chia tầng theo chu trình kín:

Phương pháp này coi một chu trình điều khiển là một hệ thống kín, trong đó phân tích bắt đầu từ biểu đồ hành trình bước Biểu đồ này thể hiện một vòng tròn khép kín, giúp dễ dàng hình dung và phân tích quá trình điều khiển một cách trực quan và hiệu quả.

- Chia vòng tròn thành n phần bằng nhau, với n là số hành trình của toàn bộ cơ cấu chấp hành

- Theo một chiều tùy chọn, đặt liên tiếp các hành trình theo tuần tự mà bài toán điều khiển yêu cầu

- Chọn điểm khởi đầu để chia tầng sao cho số tầng là ít nhất (gộp tầng)

Hình 3.18: Chia tầng theo chu trình kín

3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển các cơ cấu/máy thực tế bằng phương pháp chia tầng

Mạch điều khiển theo tầng điện khí nén hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng các mạch điều khiển theo tầng chuẩn, trong đó sử dụng relay và các tiếp điểm thường đóng, thường mở của relay Số lượng relay cần thiết tương đương với số tầng của hệ thống trừ đi một, giúp đảm bảo hiệu quả vận hành đồng bộ và chính xác Hệ thống này tương tự như mạch điều khiển theo tầng khí nén, mang lại tính linh hoạt và dễ dàng mở rộng trong thiết kế tự động hóa.

Hình 3.19: Mạch điều khiển 2 tầng ĐKN

Ví dụ với sơ đồ hành trình bước như bên dưới, chúng ta có sơ đồ mạch điều khiển tương ứng

Hình 3.22: Ví dụ chia tầng ĐKN

Hình 3.23: Thiết kế phương trình chia tầng ĐKN

Hình 3.24: Sơ đồ mạch ĐK ĐKN

Quy trình khai báo dựa trên sơ đồ hành trình bước sau

Hình 3.25: Sơ đồ ví dụ ĐK theo tầng ĐKN

- Thiết kế mạch điều khiển theo tầng:

- Vẽ mạch điều khiển khí nén:

- Vẽ mạch điều khiển tầng:

- Kết nối và mô phỏng:

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP HỆ THỐNG ĐIỆN KHÍ NÉN

SƠ ĐỒ HÀNH TRÌNH BƯỚC:

Trong lĩnh vực thiết kế hệ thống thủy lực – khí nén, việc xác định rõ đối tượng điều khiển, nhiệm vụ điều khiển và các thông số cần điều khiển là bước quan trọng Để thể hiện các yếu tố này một cách trực quan và dễ hiểu, người ta thường sử dụng các dạng biểu đồ phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển Tùy thuộc vào mục tiêu và tính chất của hệ thống, có thể lựa chọn các dạng biểu đồ khác nhau để mô tả quá trình điều khiển một cách rõ ràng, chính xác và hiệu quả.

- Biểu đồ chuyển động: biểu đồ chỉ mang thông tin về hành trình bước của các xilanh

Hình 3.26: Chuyển đổi biểu đồ chuyển động

- Biểu đồ hành trình theo thời gian: Ngoài thông tin về hành trình còn biểu diễn thời gian thực hiện cho các bước

Hình 3.47: Biểu đồ hành trình thời gian

- Biểu đồ điều khiển: mô tả thêm trạng thái đóng mở của một số phần tử điều khiển: van đảo chiều, công tắc hành trình

Hình 3.28: Biểu đồ điều khiển

- Biểu đồ chức năng: Kết hợp biểu đồ chuyển động hoặc biểu đồ hành trình thời gian với biểu đồ điều khiển

Hình 3.29: Biểu đồ chức năng

Biểu đồ hành trình bước là công cụ đơn giản phù hợp với các bài toán điều khiển không quá phức tạp, giúp thể hiện trình tự hoạt động của các phần tử chấp hành trong hệ thống Nó mô tả mối quan hệ giữa các bước theo trình tự thông qua các tín hiệu điều khiển, đặc biệt là hành trình xilanh đi ra được gọi là hành trình cộng (+).

Bài 3: Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén Trang 56 o Hành trình xilanh đi vào được gọi là hành trình trừ (-)

Hình 3.30: Biểu đồ hành trình bước

Biểu đồ trạng thái thể hiện rõ các trạng thái của các phần tử trong mạch, cũng như mối liên hệ và trình tự chuyển mạch giữa chúng Trục tọa độ đứng biểu diễn các trạng thái như hành trình chuyển động, góc quay hoặc áp suất, trong khi trục tọa độ nằm ngang thể hiện các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình Quá trình làm việc được chia thành các bước cụ thể, trong đó sự thay đổi trạng thái trong từng bước được thể hiện bằng nét đậm, còn các liên kết giữa các tín hiệu và chiều tác động được biểu diễn bằng đường nét nhỏ và mũi tên.

Hình 3.31: Kí hiệu biểu đồ trạng thái

3.3.1 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp hệ thống thủy lực, khí nén

Mạch điều khiển theo nhịp khí nén chia sơ đồ hành trình thành từng bước (quá trình), mỗi bước tương ứng với một nhịp trong hệ thống Trong mỗi quá trình, chỉ có một nhịp hoạt động, và hoạt động của nhịp N sẽ xóa bỏ nhịp N-1 đồng thời tạo điều kiện cho nhịp N+1 diễn ra Hệ thống sử dụng các module nhịp để điều khiển chính xác quá trình khí nén, đảm bảo sự liên tục và trơn tru của sơ đồ hành trình.

Module nhịp: Để thực hiện điều khiển theo nhịp người ta chế tạo các Module điều khiển cứng, gồm

3 phần tử: AND (hoặc mạch theo hàm AND); Phần tử nhớ (thường là một van 3/2; 4/2 hoặc 5/2 xung); và một phần tử OR

Hình 3.32: Module điều khiển theo nhịp khí nén kiểu A

Trong hệ thống điều khiển tuần tự, người ta thường sử dụng một số kiểu Module nhịp đáp ứng các vai trò khác nhau: a Module kiểu A :

Module kiểu B được đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi các module liên tiếp, ngược với kiểu A, và có chức năng như một điều kiện chuẩn bị khởi động cho toàn bộ hệ thống Khi có tín hiệu đặt lại L, tất cả các module trong chuỗi điều khiển (trừ module cuối cùng kiểu B) sẽ trở về trạng thái ban đầu, giúp đảm bảo hệ thống sẵn sàng hoạt động trở lại Các module này thường sử dụng phần tử OR ghép tín hiệu thiết lập Yn và tín hiệu đặt lại L để thực hiện chức năng này.

Hình 3.33: Module điều khiển theo nhịp kiểu B c Module kiểu C:

Không có phần tử nhớ, không cần phải xóa hay đặt lại, có vai trò như phần tử truyền đạt tín hiệu

Hình 3.34: Module điều khiển theo nhịp kiểu C d Mạch Logic của chuỗi điều khiển theo nhịp:

Hình 3.35: Mạch Logic điều khiển theo nhịp

- Dạng biểu diễn đơn giản như sau:

Hình 3.36: Mạch Logic điều khiển theo nhịp

Các dạng mạch điều khiển theo nhịp:

Do yêu cầu thực tế đòi hỏi thiết kế các mạch điều khiển khác nhau dựa trên các module nhịp có sẵn, các dạng mạch gồm:

- Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện nhảy cóc

- Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện lặp lại

- Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện đồng thời

- Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện tuần tự

Hình 3.37: Quy trình thực hiện theo nhịp nhảy cóc

Hình 3.38: Quy trình thực hiện theo nhịp lặp lại

Quy trình khai báo dựa trên sơ đồ hành trình như (Hình 5.12) bên dưới, và được thực hiện tuần tự theo các bước:

Hình 3.39: Sơ đồ minh họa ĐK theo nhịp KN

- Phân tích biểu đồ hành trình bước, lập bảng quy trình thực hiện

- Kết nối các module nhịp (bao gồm 3 module nhịp)

- Kết nối các phần tử điều khiển đầu cuối

- Kết nối các điều kiện cần thiết

- Hoàn thành kết nối, chạy mô phỏng

3.3.2 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo nhịp hệ thống điện khí nén

Mạch điều khiển theo nhịp

Mạch điều khiển theo nhịp chia quá trình thành các bước nhỏ, giúp dễ dàng quản lý và điều chỉnh Mạch điều khiển theo nhịp khắc phục nhược điểm của mạch theo hành trình và theo tầng, đặc biệt khi cần thay đổi hoặc điều chỉnh trong hệ thống điều khiển Phương pháp này tối ưu hóa quá trình điều khiển bằng cách chia thành các nhịp, mang lại độ chính xác và linh hoạt cao hơn trong điều chỉnh hệ thống.

Mạch điều khiển theo nhịp: Trong mỗi quá trình chỉ có 1 nhịp hoạt động, khi nhịp N hoạt động sẽ xóa nhịp N-1 và làm điều kiện cho nhịp N+1

Mạch điều khiển theo nhịp điện khí nén sử dụng dạng mạch chuẩn điều khiển theo nhịp, giúp đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Hệ thống này gồm 5 nhịp điều khiển, sử dụng relay cùng các tiếp điểm thường đóng và thường hở của relay, tương ứng với số nhịp và số relay sử dụng Công nghệ này tối ưu hóa quá trình hoạt động của hệ thống khí nén, mang lại hiệu quả cao và dễ dàng điều chỉnh.

Hình 3.40: Mạch điều khiển theo nhịp ĐKN (5 nhịp)

Ví dụ: Thiết kế mạch điều khiển theo nhịp điện khí nén theo sơ đồ hành trình bước

Hình 6.5: Sơ đồ hành trình bước mạch ĐK ĐKN ví dụ

Quy trình bao gồm các bước cơ bản sau:

- Xác định số nhịp trên sơ đồ (bao gồm 6 nhịp)

- Thiết kế mạch điều khiển đầu cuối

- Thiết kế mạch điện điều khiển

- Chạy mô phỏng và nhận xét kết quả

3.1 Phân loại phương pháp điều khiển

3.2 Phương pháp điều khiển theo tầng hệ thống điện khí nén

3.3 Phương pháp điều khiển theo nhịp hệ thống điện khí nén

Bài tập 1: Cho hệ thống in nhãn chi tiết bán tự động như hình bên Piston của xy lanh A và B ban đầu ở phía trong Nhấn

START Piston của xy lanh A đẩy chi tiết đi ra, đến cuối hành trình Piston của xy lanh B đi xuống để in nhãn chi tiết sau đó

Piston của xy lanh A đã quay về vị trí ban đầu, phần chi tiết được lấy ra bằng tay Để điều khiển quá trình này, cần thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN phù hợp với yêu cầu kỹ thuật Việc sử dụng hệ thống điều khiển đúng cách giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả của xi lanh và nâng cao độ chính xác trong quá trình vận hành.

Bài tập 2: Cho hệ thống khoan lỗ chi tiết như hình bên

Ban đầu, Piston của các xy lanh 1A, 2A và 3A đều nằm trong vị trí bên trong Khi nhấn nút START, Piston của xy lanh 1A sẽ đẩy chi tiết vào vị trí gia công và đồng thời kẹp chặt chi tiết Tiếp theo, Piston của xy lanh 2A kết nối với đầu khoan để thực hiện chuyển động chạy dao Sau khi quá trình gia công kết thúc, Piston tự quay trở về vị trí ban đầu, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

1A quay về đến cuối hành trình thì Piston của xy lanh 3A đi ra để đẩy chi tiết vào thùng chứa sau khi thực hiện xong

Piston quay về Hoàn tất một chu trình Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN theo yêu cầu trên

Trong bài tập này, các kiện hàng chuyền trên băng tải đặt trên trục lăn được đưa lên bằng một xilanh khí nén, sau đó được đẩy sang một bảng tải khác nhờ vào xilanh thứ hai theo sơ đồ đã cho Sau mỗi quá trình, hai xilanh sẽ trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu trình tiếp theo Thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN phù hợp với yêu cầu này là yếu tố quan trọng nhằm đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn của hệ thống.

Trong bài tập 4, các vật hình chữ nhật được đóng dấu trên một máy đặc biệt, bắt đầu từ việc lấy chúng ra từ kho Các vật này sau đó được đẩy vào khu vực đóng dấu bằng xilanh A, tiếp tục được đóng dấu bằng xilanh B để hoàn thiện quá trình, và cuối cùng được đẩy ra bằng xilanh C Để hoạt động hiệu quả, cần thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN phù hợp với quy trình này, đảm bảo các xilanh hoạt động chính xác theo thứ tự mong muốn, tối ưu hóa quá trình đóng dấu các vật hình chữ nhật.

Trong bài tập 5, các tấm kim loại được uốn mép bằng dụng cụ khí nén, đảm bảo độ chính xác cao Quá trình uốn bắt đầu bằng việc kẹp chi tiết gia công bằng xi lanh A, sau đó thực hiện uốn cong sơ bộ bằng xi lanh B, và cuối cùng hoàn thiện quá trình uốn bằng xi lanh C để đạt được hình dạng mong muốn Phương pháp này giúp nâng cao hiệu quả gia công kim loại nhờ sử dụng hệ thống xi lanh khí nén chính xác và tiết kiệm thời gian.

Khởi động hệ thống làm việc bằng nút nhấn bằng tay Hãy thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN với yêu cầu trên

Trong bài tập 6, sắt thanh được cắt thành các đoạn dài bằng máy cố định Quá trình này đòi hỏi đưa năng lượng vào xilanh A, sau đó xilanh tác động vào xilanh B để truyền động lực Đây là kỹ thuật cắt sắt thanh hiệu quả, đảm bảo độ chính xác và năng suất trong quá trình gia công.

Khi vật liệu được đẩy sát vào vị trí và giữ cố định bằng xilanh C, quá trình cắt diễn ra nhờ xilanh D thao tác chính Sau khi cắt xong, các xilanh lần lượt trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu trình tiếp theo Quá trình này được điều khiển bằng nút nhấn bằng tay, đảm bảo vận hành chính xác và an toàn Hãy thiết kế mạch điều khiển theo cấu trúc Đăng ký cảm biến (ĐKN) phù hợp với yêu cầu trên để tối ưu hóa quá trình tự động hóa.

Trong bài tập 7, hệ thống điều khiển thiết bị phân phối tấm ván tại một trạm gia công cần đảm bảo quá trình tự động hóa hiệu quả, dựa trên chu trình hoạt động theo từng bước Các tấm ván được đẩy từ kho vào trạm gia công nhờ xylanh A, trong khi xylanh B cung cấp các tấm ván này Sau khi xylanh A đạt vị trí cuối hành trình, xylanh B sẽ quay trở lại vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu kỳ tiếp theo Khi kho hết tấm ván, chu trình sẽ dừng lại và gửi tín hiệu cảnh báo, đảm bảo vận hành an toàn và chính xác Thiết kế mạch điều khiển theo tầng ĐKN và sơ đồ hành trình bước là phần quan trọng để tự động hóa quá trình này, giúp tối ưu hóa hoạt động và giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

Tiêu đề	Giáo trình Điều khiển điện khí nén (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng)
Tác giả	ThS. Nguyễn Xuân Thịnh, ThS. Ngô Trí Tùng, ThS. Nguyễn Thái Bảo
Trường học	Trường Cao Đẳng Dầu Khí
Chuyên ngành	Điều khiển điện khí nén
Thể loại	Giáo trình điều khiển điện khí nén
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Bà Rịa - Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	4,16 MB