Bài Giảng Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Khí Nén

Slide 1 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN  Caùc phöông phaùp thieát keá maïch ñieàu khieån baèng khí neùn coù theå giaûi quyeát haàu heát caùc vaán ñeà trong ñieàu khieån heä thoáng khí ne[.]

Trang 2

 Các phương pháp thiết kế mạch khí

nén đều áp dụng các phương pháp

thiết kế số Tuy nhiên không có một phương pháp nào tối ưu nhất, vì mỗi

phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng.

 Phương pháp thiết kế theo tầng

 Phương pháp thiết kế theo nhịp

(tuần tự)

Trang 3

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

dụng rợng rãi nhất trong việc thiết kế khí nén trong cả 2 phương pháp điều khiển bằng khí nén và điện- khí nén vì có thể dễ dàng thực hiện và hiểu hoạt

đợng của mạch.

1 Nguyên tắc thiết kế mạch theo tầng

2 Cách chia tầng và xác định tín hiệu đầu tầng

3 Khái quát mạch đảo tầng

4 Các bước giải mợt bài toán điều khiển theo tầng

Trang 4

Thiết kế mạch điều khiển theo tầng là phương pháp

thiết kế thành từng tầng riêng Ở mỡi tầng hoàn

thành mợt hoặc mợt sớ bước của chu kỳ điều khiển

Trong thiết kế mạch điều khiển theo tầng cần thoả mãn hai nguyên tắc:

 Tín hiệu vào ở các bước trong

cùng một tầng không được

hiệu vào giống nhau ta phải xét đến việc chia tầng.

nhất một tầng điều khiển hoạt động.

NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MẠCH THEO TẦNG

Trang 5

CÁCH CHIA TẦNG VÀ

XÁC ĐỊNH TÍN HIỆU ĐẦU TẦNG

 Chia chu kỳ hoạt động của các cơ cấu chấp hành thành các tầng với điều kiện:

Không có xy lanh nào vừa đi ra vừa đi về trong một tầng hoặc

cơ cấu quay vừa chuyển động thuận chiều và ngược chiều

trong cùng một tầng.

A+ : xy lanh A đi ra A- : xy lanh A đi về

thì điều kiện trong việc chia tầng là không có ký hiệu của một

xy lanh nào lặp lại trong cùng một tầng

Ví dụ: có 3 xy lanh A, B, C hoạt động tuần tự như sau:

Start, A+, B+ / B-, A-, C+ /

C-Tầng: I / II / III

Trang 6

S3 S4

B+

B-R

B A

P S

Xy lanh B

A+

A-R

B A

P S

Trang 7

A-CÁCH CHIA TẦNG VÀ

 Áp dụng các nguyên tắc chia tầng như đã nêu ở trên: chuỗi hoạt động của hai xy lanh được chia làm 2 tầng:

Trang 8

CÁCH CHIA TẦNG

Xy lanh A S2

S1 Nhịp thực hiện

Trang 9

CÁCH CHIA TẦNG

C+

Trang 10

C-Xy lanh A S2

Trang 11

A-CÁCH CHIA TẦNG VÀ

Việc xác định tín hiệu đầu tầng rất quan trọng, các tín

hiệu này chính là các điều kiện để chuyển tầng vì tại

một thời điểm chỉ được phép một tầng có khí.

Các tín hiệu đầu tầng thường là các công tắc hành trình (van con lăn đối với hệ thống điều khiển bằng khí nén).

 Tín hiệu đầu tầng n chính là tín hiệu cuối cùng

được tác động của tầng thứ n-1

 Tín hiệu đầu tầng 1 chính là tín hiệu cuối cùng

của tầng n kết hợp với nút nhấn Start

Trang 12

CÁCH CHIA TẦNG VÀ

 Tín hiệu đầu tầng I = tín hiệu cuối cùng được tác động của tầng 2 kết hợp với nút nhấn Start

Xy lanh B S4

S3

Start

Trang 13

KHÁI QUÁT MẠCH ĐẢO TẦNG

Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo tầng:

 Ban đầu, mạch đảo tầng sẽ cấp khí cho tầng thứ n

 Sau khi nhấn nút Start, mạch đảo tầng sẽ cấp khí cho tầng thứ I, ở tầng này, nguồn khí sẽ cung cấp cho các chuyển động trong tầng I để điều khiển cơ cấu chấp hành (có thể điều khiển trực tiếp hoặc thông qua các công tắc hành trình)

 Tín hiệu đầu tầng II sẽ được tác động khi tầng I kết thúc, tầng II có khí và nguồn khí này cũng cung cấp cho các chuyển động trong tầng II Tín hiệu đầu tầng III sẽ được tác động khi tầng II kết thúc, tầng III có khí … Và cứ tiếp tục như thế cho đến tầng thứ n, và chu trình lại quay trở lại tầng I

Mạch đảo tầng: bao gồm các van đảo tầng (thực chất là các van đảo chiều 4/2 hoặc 5/2 có duy trì)

Trang 14

MẠCH CHUẨN 2 TẦNG CƠ BẢN

Số lượng van đảo chiều luôn bằng số tầng trừ đi 1

 Mạch 2 tầng (n=2), như vậy sẽ có 1 (n-1 = 1) phần tử nhớ

 E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II

 Ban đầu, khí từ nguồn sẽ cung cấp cho tầng 2, sau khi có tín hiệu E1 tác động, van 5/2 đổi vị trí làm cho khí được dẫn lên cung cấp cho tầng I, khí ở tầng II thoát ra ngoài

Taàng I Taàng II

E2 E1

Mạch chuẩn 2 tầng cơ bản

Trang 15

Mạch chuẩn 2 tầng với cách nối dây

cho các tín hiệu đầu tầng

Taàng I

Taàng II

E2 E1

1

2

3

Start

Trang 16

 Mạch 3 tầng (n=3), như vậy sẽ có 2 (n-1 = 2) phần tử nhớ

 E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II, E3 là tín hiệu đầu tầng III

Taàng I Taàng II Taàng III

E2

E3 E1

Trang 17

Mạch chuẩn 3 tầng với cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng

1

2

3

Start

Trang 18

Trang 19

1

2

3

Start

Trang 20

CÁC BƯỚC GIẢI MỘT BÀI TOÁN

ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

 Bước 1: Từ yêu cầu của hệ thống điều khiển, ta xác định các biến

cần thiết đó là các công tắc hành trình và vị trí lắp đặt, các cảm biến cần thiết sử dụng, các nút nhấn hay cần gạt lựa chọn (Start – nút

khởi động, Stop – nút dừng, điều khiển tự động – Auto hay bằng tay – Man)….

 Bước 2: Từ quy trình công nghệ, xây dựng biểu đồ trạng thái (biểu diễn các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử Cụ thể xác định có bao nhiêu cơ cấu chấp hành và trình tự hoạt động)

 Bước 3: Tiến hành việc chia tầng, có thể ghép các tầng lại với nhau nhằm mục đích tối ưu hoạt động của hệ thống nhưng phải đảm bảo đúng nguyên tắc của việc chia tầng Xác định chuỗi hoạt động có bao nhiêu tầng và các tín hiệu đầu tầng tương ứng

 Bước 4: Lập quy trình thực hiện cho các tầng và các bước trong

tầng Xác định các điều kiện để các cơ cấu chấp hành hoạt động ứng

với quy trình thực hiện ở trên.

 Bước 5: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các mạch

đảo tầng chuẩn như đã trình bày ở trên.

Trang 21

BÀI TẬP ÁP DỤNG

 Hệ thống điều khiển máy dập chi tiết với yêu cầu công nghệ như sau: Xy lanh A thực hiện công việc dập chi tiết và xy lanh

B có nhiệm vụ đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn (lõi sản phẩm) Chu kỳ hoạt động của máy dập như sau:

 Người công nhân đưa phôi cần dập vào khuôn, sau đó nhấn công tắc hoạt động START.

 Xy lanh A duỗi ra và thực hiện chuyển động đi xuống để dập chi tiết.

 Sau khi dập xong chi tiết thì xy lanh A co lại trở về vị trí ban đầu.

 Khi xy lanh A đã về vị trí ban đầu thì xy lanh B đi lên để đẩy chi tiết vừa dập ra khỏi khuôn.

 Và sau khi đẩy xong chi tiết thì xy lanh B quay trở về lại vị trí ban đầu.

 Chu kỳ hoạt động kết thúc và một chu kỳ kế tiếp hoạt động

Hoạt động của máy dập

Trang 22

 Bước 1: Với yêu cầu đề ra là điều khiển 2 xy lanh A và B theo

chu trình điều khiển tự đợng Để các chu trình này thực hiện tự đợng được chúng ta gắn trên mỡi xy lanh 2 cơng tắc hành

trình, cơng tắc hành trình S1, S3 gắn ở đầu hành trình, S2 và S4 gắn ở cuới hành trình của 2 xy lanh A và B

Tầ ng

Xy lanh A S2

S1 Nhịp thực hiệ n

Trang 23

 Bước 3 : Tiến hành việc chia tầng

Có 3 tầng hoạt động, tầng I thực hiện chuyển động cho xy lanh

A đi ra (A+), tầng II thực hiện 2 chuyển động là xy lanh A đi về và xy lanh B đi ra (A-, B+) và tầng cuối cùng là xy lanh B

đi về (B-)

A+

B+

A- Start + S3

B-S2

S1 S4

E1

E2 E3

Trang 24

 Bước 4 : Lập qui trình thực hiện cho các tầng và các bước

trong tầng

Để tiếp tục thiết kế chúng ta phải biết các tín hiệu điều khiển tác động lên các van đảo chiều Ở đây ta có 2 xy lanh tác động kép, để điều khiển được các chuyển động khác nhau như A+, A-, B+, B-  sơ đồ tác động khí nén lên các xy lanh trong

mạch điều khiển khí nén như sau:

B+

B-R

B A

P S

Xy lanh B

A+

A-R

B A

P S

Xy lanh A

Trang 25

 Điều khiển bước = L (tầng chứa bước) +

Tín hiệu đầu bước

Lưu ý: Nếu công tắc đầu bước trùng với tín hiệu đầu tầng thì không lấy tín hiệu đầu bước vì ưu tiên lấy tín hiệu đầu tầng.

Như vậy để:

A+ = L1 (không lấy tín hiệu Start + S3 vì là tín hiệu đầu tầng I)

A- = L2 (không lấy tín hiệu S2 vì là tín hiệu đầu tầng II)

B- = L3 (không lấy tín hiệu S4 vì là tín hiệu đầu tầng III)

Trang 26

S3 S4

B+

B-R

B A

P S

Xy lanh B S1 S2

A+

A-R

B A

P S

Trang 27

S3 S4

B+

B-R

B A

P S

Xy lanh B S1 S2

A+

A-R

B A

P S

Trang 28

HỆ THỐNG ĐẨY PHÔI VỚI HAI XY LANH

 Hai xy lanh A và B được dùng để đẩy phôi từ ngăn chứa thẳng đứng xuống thùng chứa như hình biễu diễn sau: xy lanh A duỗi ra đẩy phôi sau đó xy lanh B duỗi ra đẩy phôi rơi xuống thùng chứa rồi xy lanh B

co lại, tiếp đó là xy lanh A

co lại

Xy lanh B

Xy lanh A

S2 S1

S4

S3

Trang 29

HỆ THỚNG ĐẨY PHƠI VỚI HAI XY LANH

 Từ qui trình cơng nghệ ta lập được biểu đờ trạng thái như sau:

Xy lanh A S2

E1 = S1^Start: tín hiệu đầu tầng I.

E2 = S4: tín hiệu đầu tầng II.

Trang 30

 Điều khiển bước = L (tầng chứa bước) +

Tín hiệu đầu bước

Lưu ý: Nếu công tắc đầu bước trùng với tín hiệu đầu tầng thì không lấy tín hiệu đầu bước vì ưu tiên lấy tín hiệu đầu tầng.

Như vậy để:

A+ = L1 (không lấy tín hiệu Start + S1 vì là tín hiệu đầu tầng I)

B- = L2 (không lấy tín hiệu S4 vì là tín hiệu đầu tầng II)

Trang 31

Trình tự thiết kế mạch điều khiển khí nén

A+

A-R

B A

P S

B+

B-R

B A

P S

Xy lanh B

Taàng I

Taàng II

E2 E1

Trang 32

S1 S2

A+

A-R

B A

P S

B+

B-R

B A

P S

Trang 33

Giải thích mạch:

Ban đầu:

 Hai pittông A và B ở vị trí co lại (đầu hành trình chuyển động).

 Hai công tắc hành trình S1 và S3 bị chạm, tác động làm van đảo chiều 3/2 đổi vị trí dẫn khí từ cửa số 1 lên cửa số 2.

 Tầng II có khí.

 Tín hiệu đầu tầng I: E1 = S1^ Start; tín hiệu đầu tầng II: E2 = S4.

Khi nhấn nút Start:

 Khi nút Start được nhấn, van 3/2 đổi vị trí dẫn khí từ nguồn qua công tắc hành trình S1 lên tác động làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, lúc này

tầng I có khí.

 Tầng I có khí, tín hiệu A+ làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, khí từ

nguồn P đi lên cửa A làm cho pittông A duỗi ra Đến cuối hành trình, S2 bị chạm, tín hiệu B+ làm cho pittông B duỗi ra, đến cuối hành trình, S4 bị chạm S4 là tín hiệu đầu tầng II làm cho tầng II có khí.

 Tầng II có khí, tín hiệu B- làm cho pittông B co lại, về đầu hành trình S3 bị chạm, lúc này có tín hiệu A- làm cho pittông A co lại.

Trang 34

Bài tập áp dụng 1

C+

Trang 36

C-Bài tập áp dụng 2

Xy lanh A S2

Trang 38

A-Bài tập áp dụng 3

Xy lanh A S2

Trang 39

A- A+ B+

Trang 40

B-A- A+ B+

Trang 41

B-Bài tập áp dụng 3-1

Xy lanh A S2

Trang 44

Xy lanh A S2

S1 Nhịp thực hiệ n

A- A+

A-IV

Trang 45

Tín hiệu đầu tầng

Trang 46

 2

Trang 47

Trang 48

Chuỗi hoạt động trên được chia làm 4 tầng và các tín hiệu đầu tầng tương ứng:

 E1 = S1 ^ S5 ^ Start

 E2 = S4 ^ L1

 E3 = S6

 E4 = S4 ^ L3

Trang 49

S1 S2

A+

A-R

B A

P S

B+

B-R

B A

P S

C+

C-R

B A

P S

Xy lanh C

S1

S3 S2

P R

A X

Trang 50

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP

Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp:

Các bước thực hiện lệnh xảy ra lần lượt từng nhịp Có

nghĩa là khi các lệnh trong một nhịp thưc̣ hiện xong sẽ

thông báo cho nhịp tiếp theo đồng thời sẽ xoá nhịp thực hiện trước đó.

Như vậy khối điều khiển theo nhịp có các chức năng sau:

 Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo.

 Xoá các lệnh của nhịp trước đó

 Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển.

Trang 51

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP

Cấu tạo của khối điều khiển theo nhịp gồm 3 phần tử: phần tử AND (van 3/2), phần tử nhớ (van 5/2) và phần tử OR

R S

A

Y n Y n+1

Z n Z n+1

L X

R S

L: tín hiệu định hướng.

X: tín hiệu phản hồi.

Kiểu A: Khi cổng Yn có giá trị L,

van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí:

Tín hiệu ở cổng A có giá trị L

Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử AND của tín hiệu X Phần tử nhớ của nhịp trước đó về vị trí Reset.

Trang 52

CÁC BƯỚC GIẢI MỘT BÀI TOÁN

ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP

 Bước 1: Từ yêu cầu của hệ thống điều khiển, ta xác định các

biến cần thiết đó là các công tắc hành trình và vị trí lắp đặt,

các cảm biến cần thiết sử dụng, các nút nhấn hay cần gạt lựa chọn (Start – nút khởi động, Stop – nút dừng, điều khiển tự

động – Auto hay bằng tay – Man)…

 Bước 2: Từ quy trình công nghệ, xây dựng biểu đồ trạng thái

(biểu diễn các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử Cụ thể xác định có bao nhiêu cơ cấu chấp hành và trình tự hoạt động)

 Bước 3: Lập quy trình thực hiện cho các nhịp Xác định các điều kiện để các cơ cấu chấp hành hoạt động ứng với quy trình thực hiện ở trên

 Bước 4: Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các khối điều khiển theo nhịp như đã trình bày ở trên

Trang 53

VÍ DỤ MINH HOẠ

 Ví dụ: Qui trình khoan 1

lỗ thực hiện như sau:

 Chi tiết được đặt vào vị trí khoan bằng tay

 Đầu tiên, xy lanh A đi ra kẹp chặt chi tiết, sau đó

xy lanh B mang đầu khoan đi xuống thực hiện việc khoan lỗ, sau khi

khoan xong, xy lanh B đi về, kế đến xy lanh A đi về để có thể lấy chi tiết ra

Trang 54

 Bước 1: Xác định biến

Sử dụng các cơng tắc hành trình S1, S2 để xác định vị trí

chuyển đợng của xy lanh A Tương tự, S3 và S4 được dùng để xác định vị trí chuyển đợng của xy lanh B Ta thiết lập được biểu đờ trạng thái như hình vẽ sau:

 Bước 2: Thiết lập biểu đờ trạng thái

S3

Start

Trang 55

 Bước 3: Lập qui trình thực hiện

Quan sát biểu đồ trạng thái nhận thấy qui trình khoan 1 lỗ có 4 nhịp Do đó cần sử dụng chuỗi điều khiển theo nhịp với 4 khối: 3 khối kiểu A và một khối kiểu B (đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển) Mỗi khối điều khiển tương ứng với một nhịp thực hiện.

Nhịp 1: A+ = Start ^ S1 ^ A4 (A4: tín hiệu điều khiển của

nhịp cuối cùng)

Nhịp 2: B+ = S2 ^ A1 (A1: tín hiệu điều khiển của nhịp đầu tiên)

Nhịp 3: B- = S4 ^ A2 (A2: tín hiệu điều khiển của nhịp thứ hai)

Nhịp 4 : A- = S3 ^ A3 (A3: tín hiệu điều khiển của nhịp thứ ba)

Trang 56

Sơ đồ logic mạch điều khiển theo nhịp

Trang 57

 Trước khi khởi động hệ thống cần nhấn nút Định hướng để Reset các khối

điều khiển kiểu A nhằm xác lập vị trí ban đầu cho các cơ cấu chấp hành và

Set khối kiểu B cuối cùng trong chuỗi điều khiển Tín hiệu điều khiển của

khối này đi vào một cửa của van AND.

 Khi nút Start được nhấn, khí từ nguồn được dẫn tới cửa còn lại của van AND, ngõ ra của van AND là tín hiệu Set khối điều khiển đầu tiên đồng thời Reset khối điều khiển cuối cùng Nhịp thứ nhất được thực hiện: xy lanh A đi ra kẹp chặt phôi, đến cuối hành trình chạm vào công tắc hành trình S2 Tín hiệu S2 kết hợp với tín hiệu khí của khối điều khiển thứ nhất qua van 3/2 tác động Set khối điều khiển thứ hai.

 Trong nhịp thứ hai: ngõ ra tác động làm xy lanh B mang mũi khoan đi

xuống đồng thời Reset khối điều khiển thứ nhất Đến cuối hành trình chạm vào S4 kết hợp với tín hiệu khí của nhịp thứ hai tác động Set khối điều

khiển thứ ba.

 Trong nhịp thứ ba: ngõ ra tác động làm xy lanh B đi về sau khi khoan xong đồng thời Reset khối điều khiển thứ hai Về đầu hành trình chạm vào S3 kết hợp với tín hiệu khí của nhịp thứ ba tác động Set khối điều khiển cuối cùng.

 Nhịp thứ tư (nhịp cuối): ngõ ra tác động làm xy lanh A đi về đồng thời

Reset khối điều khiển thứ ba.

Tiêu đề	Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển khí nén
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Hệ thống điều khiển khí nén
Thể loại	Bài Giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	143
Dung lượng	10,16 MB