nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để điều khiển hệ thống pistong –xylanh khí nén trên mô hình

Mở đầuNgày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử, tự động hoá, việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hoá vào điều khiểntrong công nghiệp và hệ thống k

Mở đầu 1

CHơNG 1: TổNG QUAN Về KHí NéN Và CáC THIếT Bị KHí NéN 3

1 Hệ thống khí nén 3

1.1 Với các u điểm 3

1.2 Nhợc điểm 3

2 Máy nén khí 3

2.1 Theo áp suất 4

2.2 Theo nguyên lý hoạt động 4

3 Thiết bị xử lí khí nén 5

3.1 Yêu cầu về khí nén 5

3.2 Quá trình xử lí khí nén 5

4 Hệ thống thiết bị phân phối khí nén 6

4.1 Bình trích chứa khí nén 8

4.2 Mạng đờng ống dẫn khí nén 9

5 Các phần tử trong hệ thống điều khiển 9

5.1 Khái niệm 9

5.2 Van tiết lu và van áp suất 15

5.3 Van Chắn 13

5.4 Van đảo chiều 14

6 Cơ cấu chấp hành 18

6.1 Yêu cầu 18

6.2 Xylanh 19

6.2.1 Xylanh tác dụng đơn (xylanh tác dụng một chiều) 19

6.2.2 Xylanh tác dụng hai chiều (xylanh tác dụng kép) 20

7 Cơ lí thuyết điều khiển bằng khí nén 27

7.1 Khái niệm cơ bản 27

7.1.1 Khái niệm về điều khiển 27

7.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển 29

7.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển 31

7.2 Điều khiển logic 33

7.2.1 Khái niệm về logic hai trạng thái 33

7.2.2 Lý thuyết đại số Boole 33

7.2.3 Phần tử mạch logic 34

7.3 Biểu diễn phần tử logic của khí nén 41

7.3.3 Phần tử AND và NAND 42

7.3.4 Phần tử EXC – OR 42

Chơng 2: Động cơ một chiều và các thiết bị điện 46

1 Động cơ điện một chiều 46

1.1 Cấu tạo 46

1.2 Nguyên lý hoạt động 49

1.3 Điều chỉnh vận tốc trong động cơ một chiều 52

2 Bảng điều khiển 55

2.1 Nút ấn 56

2.2 Công tắc 57

2.3 Bộ đếm xung (Encoder) 58

2.4 Rơle điện từ 58

Chơng 3 : Bộ điều khiển logic khả trình PLC 61

1 Giới hiệu về PLC 61

2 u điểm của PLC 62

3 Cấu trúc cơ bản của PLC 63

3.1 Khối xử lý trung tâm CPU 63

3.2 Bus hệ thống 64

3.3 Khối ghép nối vào/ra 64

3.4 Bộ nhớ trong 66

3.5 Khối nguồn cung cấp 67

4 Hoạt động cơ bản của một hệ thống PLC 67

4.1.Nguyên lý 67

4.2 Thiết bị điều khiển logic khả trình Fx2N-64MR của Mitsubishi 67

4.2.1 Tổng quan về thiết bị 67

4.2.2 Mã sản phẩm 68

4.2.3 Cấu trúc ngoài của PLC FX2N 69

4.2.4 Bộ nhớ 70

4.2.5 Khái niệm về một chơng trình FX2N-64MR 73

4.2.6 Khái niệm về ngôn ngữ lập trình 73

4.2.7 Các thành phần cơ bản cho cấu trúc của một chơng trình 76

Chơng 4 : ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống 77

1 Hệ thống điều khiển theo trình tự và hệ thống điều khiển tổ hợp 77

3.1 Các phần tử hệ thống điều khiển thực nghiệm 79

3.1.1 Sơ đồ tổng quan 79

3.1.2 Cơ cấu chấp hành 79

3.1.3 Các phần tử xử lí 80

3.1.4 Bộ điều khiển 80

3.1.5 Bộ phận tạo năng lợng 80

3.1.6 Các thiết bị phụ khác 80

3.1.7 Tính toán vận tốc piston 80

4 Mô hình điều khiển 82

4.1 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 1 xylanh khí 82

4.2 Các thành phần ghép nối vào ra và mô tả hoạt động của hệ thống 83 4.3 Lu đồ thuật toán 84

4.4 Quá trình hoạt động của hệ thống 85

4.5 Viết chơng trình điều khiển bằng PLC 86

4.6 Kết luận chơng 4 91

Chơng 5 : kết quả và bàn luận 92

Kết luận & Kiến nghị 92

Tài liệu tham khảo 94

TT Chữ viết tắt GiảI nghĩa

7 PLC (Programmable Logic Controller) Thiết bị điều khiển logic lập trình đợc

8 CPU (Pentral Procesing Unit) Khối sử lý trung tâm

13 V DC (Voltage-Direct current) Điện áp một chiều

Mở đầu

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử,

tự động hoá, việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hoá vào điều khiểntrong công nghiệp và hệ thống khí nén trong các dây truyền sản xuất là rất quantrọng Nó đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của các ngành côngnghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất lợng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao

động cho con ngời, năng xuất lao động nhờ thế mà đợc nâng cao, thúc đẩy sựphát triển của nền kinh tế nói chung Việc áp dụng tự động hoá vào quá trình

điều chỉnh hệ thống khí nén nhờ các chơng trình phần mềm đợc cài đặt sẵn theoyêu cầu của công nghệ sản xuất Để điều khiển hoạt động của các hệ thống đó,ngời ta sử dụng kết hợp những bộ điều khiển dùng các vi mạch điện tử, các bộ vi

xử lý, bộ điều khiển PLC và máy tính điều khiển

Trong những năm gần đây, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đợc sử dụngngày càng rộng rãi trong công nghiệp nh là một giải pháp lý tởng cho việc tự

động hóa quá trình sản xuất Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ

điều khiển logic khả trình đã đạt đợc những u thế cơ bản trong những ứng dụng

điều khiển công nghiệp, đó là dễ dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóngthay đổi chơng trình điều khiển, độ tin cậy cao trong môi trờng công nghiệp, cấutạo nhỏ gọn và giá thành thấp so với hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơle.Vì vậy việc học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển

là một nhu cầu rất cần thiết

Mục đích là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để

điều khiển hệ thống Pistong –Xylanh khí nén trên mô hình

Nội dung đồ án gồm các chơng:

Chơng 1: Tổng quan về Khí nén và thiết bị khí nén.

Trong chơng này sẽ tìm hiểu về Lịch sử hình thành và phát triển, các u

nh-ợc điểm, các ứng dụng và các loại máy nén khí thông dụng đang đnh-ợc sử dụngrộng rãi, các phần tử trong hệ thống khí nén nh là các loại van, các cơ cấu chấphành nh: Pistong-Xylanh

Chơng 2: Tổng quan về Động cơ một chiều.

Chơng này giới thiệu về u, nhợc điểm của động cơ 1 chiều so với động cơxoay chiều Nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần tĩnh, phần động của động cơ 1chiều, một số động cơ một chiều thông dụng trên thị trờng

Chơng 3: Bộ điều khiển logic khả trình PLC

Chơng này nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động, u điểm ứng dụng của bộ điềukhiển logic khả trình Trong chơng này cũng giới thiệu về bộ điều khiển logickhả trình PLC nói chung và bộ PLC: Fx2N-64MR của Mitsubishi đợc sử dụngtrong đồ án, phơng thức hoạt động và phơng pháp lập trình

Chơng 4: ứng dụng PLC để điều khiển và thiết kế cụm xylanh khí nén.

Chơng này đã nghiên cứu và xây dựng đợc sơ đồ mạch điện ghép nối vào ravới thiết bị logic khả trình PLC, mà cụ thể là sử dụng bộ CPU của hãngMitsubishi làm bộ xử lý trung tâm Từ sơ đồ mạch điện này ta xây dựng đợc các

lu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống Pistong - Xylanh khí nén trên mô hìnhthực tế

Chơng 5: Kết quả và bàn luận

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, GS.TS

Nguyễn Doãn ý – Bộ môn Máy và Dụng cụ Công nghiệp - Trờng Đại học BáchKhoa - Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án

Hà nội, ngày 10 tháng 09 năm 2008

nh dây truyền hàn, dây chuyền đóng hộp, và trong các ngành khai thác than, dầu

1.1 Với các u điểm

- Không gây ô nhiễm môi trờng

- Có khả năng chuyền tải đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đờng truyền thấp

- Khả năng kẹp dữ vật và nâng vật có khối lợng lớn tốt

- Trọng lợng trên một đơn vị công suất nhỏ

- Khí thải ra môi trờng không gây ô nhiễm

1.2 Nhợc điểm

- Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn

- Khi tải trọng thay đổi, vận tốc chuyền cũng thay đổi

- Giá thành còn đắt do công nghệ chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao

- Máy nén khí áp suất thấp p ≤ 15 bar

- Máy nén khí áp suất cao p ≥ 15 bar

- Máy nén khí áp suất rất cao p ≥ 300 bar

2.2 Theo nguyên lý hoạt động

Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu trục vít Máy nén khí kiểu tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục

Máy nén khí kiểu Pisston Máy nén khí kiểu cánh gạt Máy nén khí kiểu root

Hình 2.1a Các loại máy nén khí.

Hình 2.1b máy nén khí kiểu trục vít.

+Máy nén khí tuabin: máy nén khí li tâm (Hình 2.2a) và máy nén khí theo chiều trục (Hình 2.2b).

Khí nén đợc tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn

có thể ở những mức khác nhau Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm không khí đợc hútvào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí Hơnnữa trong quá trình nén, nhiệt độ không khí tăng lên, có thể gây nên quá trình oxyhóa một số phần tử đợc kể trên Nh vậy khí nén bao gồm chất bẩn đó đợc tải đitrong ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống và trong các phần tử của hệthống điều khiển Nh vậy khí nén đợc sử dụng trong kĩ thuật phải xử lí Mức độ xử

lí khí nén còn tùy thuộc vào phơng pháp xử lí, từ đó xác định chất lợng của khínén tơng ứng cho từng trờng hợp vận dụng cụ thể

3.2 Quá trình xử lí khí nén.

Khí nén đợc tải từ máy nén khí bao gồm những chất bẩn thô: những hạtbụi , chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chấtbẩn này đợc xử lí trong thiết bị, gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau khi khí nén

đợc đẩy ra từ máy khí nén Sau đó khí nén đợc dẫn vào bình làm hơi nớc ngng tụ,

ở đó độ ẩm của khí nén (lợng hơi nớc) phần lớn sẽ đợc ngng tụ tại đây Giai đoạn

b a

xử lí này gọi là giai đoạn xử lí thô Nếu thiết bị để xử lí khí nén ở giai đoạn nàytốt, hiện đại thì khí nén có thể đợc sử dụng, ví dụ những dụng cụ khí nén cầmtay, những thiết bị, đồ gá đơn giản dùng khí nén…

Tuy nhiên sử dụng khí nén trong hệ thông điều khiển và một số thiết bịkhác đòi hỏi chất lợng khí nén cao hơn Để đánh giá chất lợng của khí nén Hội

đông các xí nghiệp châu Âu PNEUROP – 6611 phân ra thành 5 loại trong đó

có tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hoá sơng, lợng dầu trong khí nén

đ-ợc xác định Cách phân loại này nhằm định hớng cho những nhà máy, xí nghiệpchọn đúng chất lợng khí nén với thiết bị sử dụng

Hình 3.1 Các phơng pháp sử lý khí nén

Hệ thống xử lí khí nén đợc phân loại thành 3 giai đoạn, đợc mô tả ở hình 3.1:

- lọc thô : làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩnbụi Sau đó khí nén đợc đa vào bình ngng tụ, để tách hơi nớc

Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lí khí nén

- phơng pháp sấy khô: giai đoạn này xử lí tuỳ theo chất lợng yêu cầu củakhí nén

- lọc tinh : xử lí khí nén trong giai đoạn này, trợc khi đa vào sử dụng Giai

đoạn này rất cần thiết cho hệ thống diều khiển

Hấp thụ khô bằng chất làm lạnh

Bộ lọc

Điều chỉnh áp suất

Bộ tra dầu

dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khínén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển bằng khôngkhí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển ).

Truyền tải không khí nén đợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, cầnphân biệt ở đây mạng đờng ống đợc lắp ráp cố định (nh trong nhà máy) và mạng

đờng ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy (hình 4.1).

Bình trích chứa trung gian

Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lí máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ

thống ống dẫn (ví dụ: đờng kính ống dẫn, vật liệu ống dẫn) cách lắp đặt hệ thống

ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đóng vai trò quantrọng về phơng diện kinh tế cũng nh về yêu cầu kĩ thuật cho hệ thống điều khiểnbằng khí nén Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với hệ thống thiết bị phân phối khínén (từ bình tích áp chính cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc)

không vợt quá 1,0 bar, cụ thể nh sau:

- Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính 0,1 bar

- Tổn thất áp suất trong thiết bị xử lí

4.1 Bình trích chứa khí nén

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và đợc sử lý thì cần có một bộ phậnlữu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí từmáy nén khí chuyển đến trích chứa, ngng tụ và tách nớc.

Kích thớc bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí vàcông suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thớc này còn phụ thuộcvào phơng pháp sử dụng (sử dụng liên tục hay gián đoạn)

Các thiết bị lu trữ, lọc sạch phải đủ dung tích và có chất lợng cao để đảmbảo lợng không khí nén đầy đủ và đợc lọc sạch, cũng nh là đủ lợng dầu bôi trơn

để tăng tuổi thọ làm việc cho các cơ cấu dẫn động và các van của hệ thống

Đồng hồ đo áp suất (áp kế)

c Loại bình trích áp nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí

Bình tích áp có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau (hình 4.2) Đờng ống

nối khí nén ra thờng nằm ở vị trí cao nhất của bình tích áp

4.2 Mạng đờng ống dẫn khí nén

Là thiết bị chuyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đếncác phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành Đờng ống sẽ nốinhững thiết bị hệ thống khác nhau, cung cấp đờng dẫn công suất cho không khínén ở trạng thái chuyển động hoặc trạng thái tĩnh Đờng ống dẫn khí nén đợctrang bị cho phép tháo lắp dễ dàng và nhanh chóng Nối hệ thống đến các thiết bị

bằng cách đơn giản là đẩy vào cổng vào hoặc cổng ra Tháo ống ra bằng cáchmột tay đè vào vành tỳ, tay kia kéo ống ra.

5 Các phần tử trong hệ thống điều khiển

R P

A

A

P 1.1 0.2 0.1

A 1.2

2 1

A

B R P

A 1.4 1.3

P P

R P R

Hình 5.1: Cấu trúc của mạch điều khiển và các phần tử

- Phần tử đa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lợng vật lí nh là đại lợng

vào, là những phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Ví dụ: van đảo chiều, rơ le

áp suất

- Phần tử xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác

định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ: van đảo chiều, van

tiết lu, van lôgic OR hoặc AND

- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lợng (lu lợng) theo yêu cầu,

thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành Ví dụ: van đảo chiều, li hợp

- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tợng điều khiển, là đại lợng

ra của mạch điều khiển Ví dụ: xylanh, động cơ.

5.2 Van tiết lu và van áp suất

Có chức năng điều khiển mức độ công suất đợc sản sinh ra trên các cơ cấu dẫn động và các motor khí nén Có các loại van nh là:

Tên thiết bị Ký hiệu Van tiết lu có tiết diện không đổi:

Khe hở van có tiết diện không đổi, do đó lu lợng

dòng chảy không thay đổi

Van tiết lu có tiết diện thay đổi:

Lu lợng dòng chảy qua van thay đổi đợc nhờ vào một

vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở

Ký hiệu chung:

Có mối ren nối:

Không có mối ren nối:

Van tiết lu một chiều điều chỉnh bằng tay:

Nguyên lý hoạt động tơng tự nh van tiết lu một chiều

điều chỉnh bằng tay, tuy nhiên dòng khí nén chỉ có

thể đi một chiều từ A qua B, chiều ngợc lại bị chặn

lại

Van tiết lu một chiều điều khiển bằng cữ chặn:

Dòng khí chỉ có thể đi một chiều từ A sang B, tuỳ

thuộc vào vị trí cữ chặn mà tiết diện của khe hở van

thay đổi, làm cho lu lợng dòng chảy thay đổi

Van an toàn:

Bình thờng khi áp suất nhỏ hơn hoặc bằng áp suấtcho phép, cửa R bị chặn, nhng khí áp suất lớn hơn ápsuất cho phép thì cửa R sẽ mở ra, khí nén từ cửa Ptheo cửa R thoát ra ngoài

Van tràn:

Nguyên tắc hoạt động tơng tự nh áp suất, nhng khi

áp suất bằng hoặc lớn hơn áp suất cho phép thì cửa Pnối với cửa A

Van áp suất điều khiển từ xa:

Nguyên lý hoạt động của van áp suất điều khiển từ xa: Khi có tín hiệu áp suất Z tác động gián tiếp qua van tràn, cửa P nối với cửa A

5.3 Van Chắn

Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều ngợc lại

bị chặn Van chắn gồm các loại sau:

Van một chiều:

Van một chiều có tác dụng chỉ cho dòng

khí nén đi qua một chiều từ A sang B,

chiều ngợc lại bị chặn

Van logic OR:

Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì cửa P2

bị chặn và của P1 nối với cửa A Ngợc lại

dòng khí nén đi vào cửa P2 thì cửa P1 bị

chặn lại, cửa P2 nối với cửa A

Van logic AND:

Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1 bị chặn

lại, ngợc lại khi có dòng khí nén và P2 thì

P2 bị chặn lại Chỉ khi nào cả hai cửa P1

và P2 đều có khí đi vào thì mới có khí nén

đi qua cửa A

Van xả khí nhanh:

Khi có dòng khí nén vào cửa P, chắn cửa

R, cửa P nối với cửa A Khi có dòng khí

nén đi vào cửa A, cửa P bị chặn lại, cửa A

nối với cửa R, khí đợc xả nhanh ra ngoài

5.4 Van đảo chiều

Có nhiệm vụ điều khiển hớng của dòng lu chất đến cơ cấu dẫn động bằng cách đóng, mở hay thay đổi vị trí cửa van để thay đổi hớng của dòng chất lỏng, hoặc xử lý các chức năng phát tín hiệu logic để thực hiện việc điều khiển theo trình tự của các cơ cấu dẫn động khí nén

Ký hiệu của cửa nối van theo các tiêu chuẩn ISO 5599 ISO 1219

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đờng mũi tên biểu diễn hớng chuyển động của dòng khí nén qua van Khi dòng bị chặn thì đợc biểu diễn bằng dấu gạch ngang Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2, trong đó 5 là chỉ số cửa 2 là chỉ số vị trí, có các loại van đảo chiều nh là:

Van đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2 Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: Tác động bằng tay Tên kiểu tác động Kí hiệu Nút bấm

Tay gạt

Cửa xả khí không có mối nối ống dẫn

5(S)

1(P)

3(R)

Nối với nguồn khí

Cửa xả khí có mối

nối ống dẫn

14(R )

Cửa 1 nối với cửa 2 Cửa 1 nối với cửa

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với đờng

kính hai đầu van khác nhau

Cữ chặn con lăn tác động một chiều

Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

Van đảo chiều 5/2 của hãng Airtac, một đầu tác động bằng nam châm điện

và van phụ trợ, một đầu tác động bằng lò xo Van sử dụng cuộn hút một chiều

điện áp 24VDC Công suất tiêu thụ 3W kích thớc đờng ống đầu vào và đầu ra là 1/4 inch, đầu xả là 1/8 inch Vùng áp suất cho phép hoạt động là 1,5 ~ 8 Bar (Kgf/cm2) áp suất lớn nhất chịu đợc là 12 bar Nhiệt độ môi trờng cho phép hoạt động tốt nhất là -50C ~ 600C Sai số điện áp cho phép là -15% ~ 10% điện

áp định mức Thời gian đáp ứng tối thiểu 0,05s Trọng lợng 220g

Hình 5.2 Hình chụp thực tế van khí Hình vẽ ký hiệu chế độ hoạt động

Hình 5.3 Hình chụp cấu tạo van khí

ý nghĩa của các ký hiệu mã số của van khí

6 Cơ cấu chấp hành

6.1 Yêu cầu

Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biển đổi năng lợng khí nén thành năng lợng

cơ học Cơ cấu chấp hành có thể chuyển động thẳng (xylanh), hoặc chuyển động quay(động cơ khí nén).

Xylanh tác dụng một chiều

áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của

xylanh, phía còng lại là do ngoại lực hoặc lò

xo tác dụng

Chiều tác dụng ngợc lại do ngoại lực

Chiều tác dụng ngợc lại do lò xo

Xylanh tác dụng hai chiều

áp suất khí nén đợc dẫn vào hai phía của

xylanh, do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ

đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực khí nén

Xylanh trợt:

Là loại xylanh không cần pittông, có chiều

dài chỉ bằng nửa so với xylanh có cần

6.2.1 Xylanh tác dụng đơn (xylanh tác dụng một chiều)

áp lực tác động vào xylanh đơn chỉ một phía, phía còn lại do lò xo tác

động hay ngoại lực tác động (hình 6.1) Lực tác động lên pittông đợc tính

D

A  cm : Diện tích pittông

D(cm) : Đờng kính pittông.

Pe(bar) : áp suất khí nén trong xylanh

FR : Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lợng bề mặt giữa pittông và xylanh,vận tốc chuyển động của pittông, loại vòng đệm Trạng thái vận hành bình thờngtheo(15), lực ma sát FR  0,15.Ap

FZ : Lực lò xo

Xylanh tác dụng đơn đợc sử dụng cho thiết bị,đồ gá kẹp chi tiết

Trình bày ký hiệu xylanh tác dụng đơn

Hình 6.2 Kí hiệu xylanh tác dụng đơn

a Chiều tác động ngợc lại do ngoại lực tác động

b Chiều tác động ngợc lại do lò xo tác động

6.2.2 Xylanh tác dụng hai chiều (xylanh tác dụng kép)

Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng hai chiều là áp suất đợc dẫn từ

cả hai phía (hình 6.3).

Hình 6.3 Xylanh tác dụng hai chiều.

1 Cữa nối mặt đáy pittông 2 Cữa nối mặt trớc pittông

3 Mặt đáy pittông 4 Mặt trớc pittông 5 Bề mặt xylanh

6 Bề mặt pittông 7 Diện tích cần pittông 8 Đáy xylanh 9 Nắp xylanh

1 - Xylanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn

Xylanh tác dụng hai chiều không có bộ giảm chấn ở cuối khoảng chạy, (hình 6.4)

Hình 6.4 Xylanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn.

Các loại đồ gá lắp thêm với xylanh tác dụng hai chiều đợc trình bày ở (hình 6.5)

Hình 6.5 các loại kết cấu đồ gá lắp thêm với xylanh tác dụng 2 chiều.

2 - Xylanh tác dụng hai chiều có giảm chấn

Nhiệm vụ của các cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của pittông vào

thành xylanh ở vi trí cuối khoảng chạy Nguyên lý hoạt động của xylanh tác

dụng hai chiều có giảm chấn cuối khoảng chạy (hình 6.6) Ngời ta sử dụng van

tiết lu một chiều đã thực hiện nhiệm vụ giảm chấn

Van tiết luu một chiều Vòng đệm kín xilanh

Giảm chấn cuối khoảng chạy

Vòng đệm kín cần pitông

Vòng chắn

2(B) 4(A)

Hình 6.6 Xylanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn

điều chỉnh đợc ở cuối khoảng chạy.

Sự phụ thuộc thời gian hãm và vận tốc ở cuối vị trí khoảng chạy đợc biểu

diễn ở( hình 6.7) Nhờ van tiết lu một chiều có thể điều chỉnh đợc sự phụ thuộc

Hình 6.8 xylanh tác dụng 2 chiều có giảm chấn (hãng Bosch) a.xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn không điều chỉnh đợc.

b Xylanh tác dụng 2 chiều có cơ cấu giảm chấn điều chỉnh đợc.

a Tính toán xylanh tác dụng hai chiều.

- Lực tác động lên cần pittông:

Khi tính toán lực cần chú ý đến chiều chuyển động của cán pittông.+ Lực tác động khi cần pittông đi ra: FA = A1.pe2. (5.2)

FA (daN) Lực tác động khi cán pittông đi ra

A1 (cm2) Diện tích mặt đáy pittông A1=

2

4

D



D (cm) Đờng kính mặt đáy pittông

pe (bar) áp suất khí nén trong xylanh

 Hiệu suất xylanh, thông thờng =0,8+ Lực tác động khi cán pittông đi vào FA = A2pe2. (5.3)

FA (daN) Lực tác động khi cán pittông đi vào

pe (bar) áp suất khí nén trong xylanh

- Hiệu suất xylanh, thông thờng =0,8

Lực tác động khi xylanh ở vị trí nằm nghiêng:

Hình 6.10 Biểu đồ áp suất ở đờng vào và đờng ra khi pittông chuyển động

a Biểu đồ áp suất- thời gian.

b Sơ đồ lắp với các điểm áp suất

0: chuyển đổi vị trí van đảo chiều từ b sang a

p2 : áp suất khí nén sau thiết bị lọc

p3 : áp suất trong xylanh ở đờng vào

p4: áp suất trong xylanh ở đờng ra

A1 : Diện tích mặt đáy pitôn

A1 : Diện tích mặt đáy pittông, xem phơng trình(5.2)

A2 : Diện tích vòng găng pittông, xem phơng trình (5.3)

Pe3 : áp suất của xylanh trong đờng vào

Pe4 : áp suất của xylanh trong đờng ra

FR1 : Lực ma sát của xylanh ở đờng vào

FR2 : Lực ma sát của xylanh ở đờng ra

 : Hiệu suất xylanh

Trong thực tế, vị trí của xylanh nh trong (hình 6.11) Có ý nghĩa để

kiểm tra tải trọng cho phép của cần pittông Ngời ta phân thành hai loại:

2

4

.

4

.

h

J E l

J E

F k  

- Trờng hợp l  2h (trờng hợp Ealer 2) (hình 6.11b)

2

2 2

2

4

.

.

h

J E l

J E

S : Hệ số an toàn (3  S  5)

7 Cơ lí thuyết điều khiển bằng khí nén

7.1 Khái niệm cơ bản

Khái niệm “ Điều khiển ” theo tiêu chuẩn DIN 19226 đợc định nghĩa:

Là quá trình của một hệ thống, trong đó dới tác động của một hay nhiều đại ợng vào, những đại lợng ra đợc thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ thống đó.

l-Trong những năm gần đây, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọngtrong việc phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong các lĩnhvực nh thiết bị công nghiệp ( Máy công cụ, Rôbôt công nghiệp, các dây chuyền

tự động ) kỹ thuật hàng không vũ trụ, giao thông vận tải, công nghệ thôngtin điểu khiển tự động đã đạt đợc trình độ cao Theo quan điểm điều khiển học,thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hàng ngày đều bị chi phối bởi một vài hìnhthức điều khiển và xung quanh chúng ta có rất nhiều hệ thống điều khiển Trongcác hệ thống đó đối tợng điều khiển có thể là các hệ thống vật lý, các trang bị kỹthuật, hệ thống quản lý kinh tế phạm vi nghiên cứu đối tợng là các trang bị kỹthuật, các hệ thống vật lý đợc gọi là điều kiển học kỹ thuật

Mỗi hệ thống đều có tác động vào và đáp ứng ra hay còn gọi là tín hiệu vào

và ra Trong mỗi hệ thống có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào và tín hiệu ra

Hình 7.1 : Sơ đồ chức năng hệ ĐKTD

Hệ thống điều khiển tự động là tập hợp các thành phần vật lý có mối liênquan và tác động lại lẫn nhau, để chỉ huy, hiệu chỉnh bản thân hoặc điều khiển

hệ thống khác

Ví dụ:

Hệ thống điều khiển lu lợng chảy của chất lỏng Thông qua bộ điều khiển

-động cơ điện - bánh răng - thanh răng mà van me dịch chuyển, điều khiển lu ợng cung cấp cho bình chứa nhằm giữ cho chiều cao cột chất lỏng Y không đổi.Van Vs dùng để điều chỉnh lu lợng ra Hệ thống phản hồi có tác dụng điều chỉnhgóc quay của động cơ điện, làm thay đổi lu lợng vào khi có sai lệch chiều cao

l-Hệ thống

cột chất lỏng nhằm hồi phục lại nh lúc đầu.

Hình 7.2: Hệ thống tự động làm đều mức chất lỏng.

Sơ đồ nguyên lý làm việc.

7.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển

Một hệ thống điều khiển bao gồm :

Thiết bị điều khiển và đối tợng điều khiển, nh hình 7 3

Hình 7.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển

Đối tợng điều khiển: là các loại thiết bị, máy móc trong kỹ thuật.

Thiết bị điều khiển (mạch điều khiển) bao gồm: phần tử đa tín hiệu, phần

tử điều khiển, cơ cấu chấp hành

Phần tử đu a tín hiệu Phần tử xử lí và điều khiển Cơ cấu chấp hành

- Van đảo chiều

- Van chắn ( Van 1 chiều, van logic OR , van logic AND)

- Van tiết luu

Hình 7.4 - các phần tử của mạch điều khiển

Tín hiệu điều khiển: là đại lợng ra xa của thiết bị điều khiển và đại lợngvào xe của đối tợng điều khiển

ảnh hởng xấu lên hệ thống

Thông tin ( tín hiệu vào x e và tín hiệu ra x a ) để cho mạch điều khiển bằng khí nén theo một quy luật định định sẵn có thể thực hiện đợc là tín hiệu áp suất.

Đại lợng đặc trng của tín hiệu, giá trị áp suất đợc gọi là thông số tín hiệu.

Khi tín hiệu áp suất đợc thay đổi liên tục; tơng ứng những giá trị áp suất,

nhận đợc những thông tin tơng ứng khác nhau, đợc gọi là tín hiệu tơng tự (hình

7 5)

Khi tín hiệu mà biên độ thay đổi gián đoạn, đợc gọi là tín hiệu rời rạc.

Tơng tự

Rời rạcTín hiệu số Tín hiệu nhị

hiệu bộ ba là tín hiệu số có ba giá trị ( hình 7.5).

Điều khiển bằng khí nến phần lớn sở dụng tín hiệu nhị phân ;

ví dụ:

7.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển

Ta phân loại hệ thống điều khiển thành 2 loại:

a Hệ thống mạch hở: Là hệ thống mà các tín hiệu vào và ra có tính chất

-Đáp ứng chậm khi tín hiệu vào thay đổi

Ưu điểm của hệ thống:

- Đơn giản

- Giá thành thấp

- Vấn đề mất ổn định không nghiêm trọng

b Hệ thống mạch kín: Hệ mà các tín hiệu vào và ra phụ thuộc vào nhau,

tín hiệu vào phụ thuộc vào tín hiệu ra thông qua bộ phận phản hồi Hệ thông kíncũng thờng đợc gọi là hệ điều khiển có phản hồi

- Giảm tính chất phi tuyến

- Giảm độ nhạy cảm của tỷ số đầu ra và đầu vào đối với sự thay đổi các tínhchất của hệ

- Tăng bề rộng dải tần Bề rộng của hệ là dãy tần số ( của đầu vào ) mà vớidãy đó hệ đáp ứng tốt

- Có khuynh hớng dao động hoặc là không ổn định

Nếu gọi E = u - F là tín hiệu của so sánh của phản hồi âm , thì E = u + F làtín hiệu của phản hồi dơng

* Ngoài hình thức nh trên ngời ta còn phân thành :

- Hệ thống điều khiển tuyến tính

- Hệ thống điều khiển phi tuyến

- Hệ thống điều khiển liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ là các tín hiệutơng tự, tức là các hàm liên tục theo thời gian

- Hệ thống điều khiển số : tín hiệu điều khiển là tín hiệu rời rạc

- Hệ thống tiền định: là hệ thống có tín hiệu ngẫu nhiên

- Hệ thống ngẫu nhiên: là hệ có tín hiệu ngẫu nhiên tác động

- Hệ thống điều khiển tối u : Hệ mà trong đó các thiết bị điều khiển có chứcnăng tổng hợp để đạt đợc độ chính xác điều khiển cao nhất hoặc đạt đợc thờigian truyền tín hiệu ngắn nhất

- Hệ thống điều khiển thích nghi: là hệ thống tự chỉnh, có khả năng thíchứng một cách tự động những biến đổi, tác động của bên ngoài

Tất cả những hình thức phân loại nh trên chỉ có tính chất tơng đối, nên tuỳtheo mục đích mà ta có cách phân loại khác nhau

7.2.Điều khiển logic

7.2.1 Khái niệm về logic hai trạng thái

Trong cuộc sống hàng ngày, các sự việc hiện tợng thờng biểu hiện ở hai

mặt đối lập thông qua hai trạng thái đối lập rõ rệt của nó và con ngời thờng nhậnthức sự việc, hiện tợng một cách nhanh chóng bằng cách phân biệt hai trạng thái

đó Khi nói về chất lợng hoặc giá cả hàng hóa ta thờng có khái niệm là đắt hay

dẻ, tốt hay xấu; khi nói về kết quả thi của một học sinh, ta thờng nói đỗ hay ợt

tr-Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong kỹ thuật và điều khiển, ta thờng có kháiniệm về hai trạng thái: đóng hoặc ngắt; ví dụ: đóng mạch điện ( để máy vào làmviệc) và tắt máy ( để máy nghỉ) Trong toán học để lợng hóa hai trạng thái đốilập của sự việc hay hiện tợng ngời ta dùng hai giá trị: 0 và 1, giá trị 0 là hàm ý

đặc trng cho đối lập của sự vật hoặc hiện tợng thì giá trị 1 hàm ý đặc trng chotrạng thái đối lập của sự vật, hiện tợng Ta gọi đó là giá trị 0 và 1 logíc

7.2.2 Lý thuyết đại số Boole

Một hàm y= f(x1,x2, ,xn)với các biến x1,x2, ,xn chỉ nhận các giá trị 0 hoặc

1 và hàm y cũng chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 thì đợc gọi là hàm logic

Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị của các tín hiệu ra đợc viết dới dạng biến

số đại số Boole

a) các phép biến đổi hàm một biến:

- Phép toán liên kết AND

- Phép toán liên kết OR

- Phép toán liên kết NOT

b) Luật cơ bản của đại số Boole:

Đầu vào Đầu ra Q

Tín hiệu điều khiển phần tử ANDPhơng trình Boole cho phần tử AND đợc viết : A.B = Q

AB

B

A

Miêu tả phần tử OR

Bảng chân lí phần tử OR Đầu vào Đầu ra Q

Đầu vào

Đầu raA+BA+B

Kí hiệu phần tử OR

3- Cổng NOT ( phủ định )

A Q

Tín hiệu điều khiển phần tử NOT Theo đó bảng chân lí phần tử NOT :

Đầu vào

A

Đầu ra A

1

Kí hiệu phần tử NOT

4- Phần tử NAND ( NOT + AND )

Phần tử NAND có thể coi nh là sự kết hợp phần tử AND theo sau bởiphần tử NOT Phần tử NAND đơn giản là bảng chân lí phần tử AND với đầu ra

bị đảo ngợc Một cách khác coi phần tử NAND nh là phần tử AND với phần tửNOT đợc áp dụng để đảo ngợc cả hai đầu vào trớc khi chúng tới phần tử AND

Bảng chân lí : Đầu vào Đầu ra Q

( a ) ( b )

Kí hiệu phần tử NANDPhơng trình Boole miêu tả phần tử NAND : A B  Q

AB

Q

Tín hiệu điều khiển phần tử NAND

5- Phần tử NOR( NOT + OR )

Phần tử NOR có thể coi nh sự kết hợp của phần tử OR đợc theo sau làphần tử NOT Do đó đầu vào A hoặc đầu vào B là 1 , ta có đầu ra 0 Nó đơn giản

là phần tử OR với đầu ra bị đảo ngợc Một cách khác coi phần tử NOR nh phần

tử OR với phần tử NOT đợc áp dụng để đảo ngợc cả hai đầu vào trớc khi tớiphần tử OR

Phơng trình Boole cho phần tử NOR : A  B  Q

A+B

A+B

Đầu vào

B A

> 1 A+B

Đầu vào

B A

Đầu ra

Đầu ra

A B

Đầu vào

A+B

= 1

A B

Đầu vào

A+B

Đầu ra 1

đóng, dòng điện đi qua rơle K1, tiếp điểm K1 đợc đóng lại Dòng điện trong mạchvẫn đợc duy trì, mặc dù nút ấn b2 nhả ra rồi Dòng điện trong mạch duy trì cho

đến khi nào ta ấn vào nút b1 Thời gian tự duy trì của dòng điện trong mạch làkhả năng nhớ của mạch điện Trong kỹ thuật điều khiển gọi là phần tử nhớFlipfop

Phần tử Flipfop có hai cổng vào, cổng thứ nhất ký hiệu là S (SET) và cổngthứ hai ký hiệu là R(RESET), nh vậy phần tử Flipfop cũng đợc gọi là phần tử RS-Flipfop

a Phần tử RS-Flipfop có RESET trội hơn:

nh 7.8 Phần tử Flipfop có RESET trội hơn

Nếu cổng SET(b2) có giá trị L, thì tín hiệu ra Q có giá trị L và đợc nhớ(mặc dù ngay đó tín hiệu ở cổng SET mất đi) cho đến khi cổng RESET(b1) cógiá trị L thì phần tử Flipfop sẽ quay trở lại vị trí ban đầu Khi cổng SET va cổngRESET cũng có giá trị L thì cổng ra Q có giá trị “0”

b phần tử RS-Flipfop có SET trội hơn:

Nếu cổng SET ( b2) có giá trị L, thì tín hiệu ra Q có giá trị L và đợc nhớ(mặc dù ngay sau đó tín hiệu ở cổng SET mất đi) cho đến khi cổng RESET (b1)

có giá trị L thì phần tử Flipfop sẽ quay trở lại vị trí ban đầu Khi cổng SET vàcổng RESET cùng có giá trị L thì cổng ra Q có giá trị “1”