Xây dựng một số mô hình mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm

Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén theo biểu đồ trạng thái làm việc...11 Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ KHÍ NÉN CƠ BẢN...13 1.1... Các hệ thống

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Khóa Khoa…… Ngành

1 Tên đề tài:

2 Các số liệu ban đầu:

3 Nội dung các phần cần thuyết minh và tính toán:

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

5 Họ tên cán bộ hướng dẫn:

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

7 Ngày hoàn thành đồ án:

Ngày tháng năm …

Trưởng bộ môn

( Ký, ghi rõ họ, tên) ( Ký, ghi rõ họ, tên)Cán bộ hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày… tháng … năm 2015

Người duyệt

( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên

( Ký, ghi rõ họ, tên)

………

………

2 Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T.T.N trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản vẽ )

………

………

………

………

………

………

………

………

3 Cho điểm của cán bộ hướng dẫn:

(Điểm ghi bằng số và chữ)

Ngày tháng năm 2013 Cán bộ hướng dẫn chính

(Họ tên và chữ kí)

1 Đánh giá chất lượng của đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

2 Cho điểm cán bộ chấm phản biện

(Điểm ghi bằng số và chữ)

Ngày tháng năm 2013

Người chấm phản biện

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng một số mô hình mẫu sử

dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm do em tự

thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quang Các số liệu và kếtquả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danhmục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác.Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hải Phòng, ngày 30 tháng 11 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Phạm Bá Hùng

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thạc sĩ Vũ Văn Quang với cương

vị là nguời hướng dẫn đã giúp tận tình trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Em cũng xin được cảm ơn toàn thể các thầy cô trong bộ môn Điện nói riêng

và toàn thể các thầy cô trong trường Đại học Hải Phòng nói chung đã tận tình dạy

dỗ và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tác giả của các tài liệu tham khảo trong

đồ án này và sự góp ý của các thầy cô trong bộ môn cùng toàn thể các bạn sinhviên trong suốt quá trình thực hiện đồ án

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN 2

1.1 Khái niệm chung 2

1.2 Giới thiệu về các hệ điều khiển logic 5

1.3 Mô tả hoạt động của hệ truyền động khí nén bằng biểu đồ trạng thái làm việc.6 1.4 Cấu trúc của hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén làm việc theo chu trình 10

1.5 Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén theo biểu đồ trạng thái làm việc 11

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ KHÍ NÉN CƠ BẢN 13

1.1 Các phần từ chấp hành 13

1.1.1 Xi lanh một chiều 13

1.1.2 Xi lanh hai chiều 14

2.2 Các phần tử điều khiển 15

2.2.1 Van điều khiển trực tiếp bằng khí 15

2.2.2 Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén 18

2.2.3 Van điều khiển lưu lượng 20

2.2.4 Van một chiều 21

2.3 Các phần tử nguồn khí 22

2.3.1 Máy nén khí và bình tích khí 22

2.3.2 Bộ lọc và điều chỉnh áp lực 23

2.4 Xây dựng hệ thống điều khiển và chấp hành khí nén 24

2.5 Quy trình cơ bản để xây dựng một hệ thống điều khiển khí nén 26

2.6 Hệ thống điều khiển điện khí nén 27

Chương 3 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH PLC 28

3.1 Khái niệm và sự phát triển của PLC 28

3.2 Cấu trúc và nguyên lí làm việc của bộ PLC 29

3.2.1 Cấu trúc chung 42

3.2.2 Nguyên lý làm việc của PLC 32

3.3 Ưu nhược điểm của PLC trong công nghiệp 34

3.4 Một số ứng dụng của PLC trong công nghiệp 36

3.5 Các phương pháp lập trình PLC 38

3.5.1 Phương pháp LAD 38

3.5.2 Phương pháp liệt kê lệnh STL 39

3.6 Giới thiệu bộ PLC CQM1 của OMRON 39

3.6.1 Các thông số kỹ thuật chính của CQM1 39

3.6.2 Sơ đồ nguyên lý khối đầu vào 40

3.6.3 Sơ đồ nguyên lý khối đầu ra 41

3.6.4 Các lệnh và hàm thông dụng của CQM1 43

3.6.5 Phần mềm SYS WIN cho các PLC của OM RON 55

Chương 4 XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH MẪU SỬ DỤNG PLC CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 63

4.1 Một số phương pháp tổng hợp mạch lôgíc tuần tự 63

4.1.1 Phương pháp ma trận trạng thái 63

4.1.2 Phương pháp hàm tác động 63

4.1.3 Phương pháp Grafcet 64

4.1.3.1 Hoạt động của thiết bị công nghiệp theo logic trình tự 64

4.1.3.2 Định nghĩa Grafcet 65

4.1.3.3 Một số ký hiệu trong grafcet 65

4.2 Quy trình thiết kế một hệ điều khiển PLC 68

4.2.1 Xác định quy trình công nghệ: 68

4.2.2 Xác định đầu vào/ra 69

4.2.3 Viết chương trình 69

4.2.4 Nạp chương trình vào bộ nhớ 69

4.2.5 Chạy chương trình 69

4.3 Bài thí nghiệm 1 71

4.3.1 Các bài toán có thể thực hiện trên mô hình 71

4.3.2 Mô hình bài toán điều khiển tự động hệ thống 71

4.3.3 Mô tả công nghệ 72

4.3.4 Grafcet của công nghệ 73

4.3.5 Đồ thị thời gian công nghệ 74

4.3.6 Chọn các thiết bị điều khiển và phân công vào ra 75

4.3.7 Sơ đồ ghép nối công nghệ 76

4.3.8 Chương trình điều khiển 86

4.4 Bài thí nghiệm 2 88

4.4.1 Các bài toán có thể thực hiện trên mô hình 88

4.4.2 Mô hình bài toán điều khiển tự động hệ thống 88

4.4.3 Mô tả công nghệ 89

4.4.4 Grapcet cho công nghệ 90

4.4.5 Chọn các thiết bị điều khiển và phân công vào ra 91

4.4.6 Sơ đồ ghép nối công nghệ 92

4.4.7 Chương trình điều khiển 100

KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí 2

Hình 1.2 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian 3

Hình 1.3 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí 4

Hình 1.4 Sơ đồ tổng quát 5

Hình 1.5 Sơ đồ hệ điều khiển đơn bước 5

Hình 1.6 Sơ đồ hệ điều khiển đa bước 5

Hình 1.7 Biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động tự động khí nén 9

Hình 1.8 Sơ đồ khối tổng quát 10

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ điều khiển rút gọn 10

Hình 2.1 Ký hiệu xi lanh 1 chiều 13

Hình 2.2 Mặt cắt nguyên lý xi lanh 1 chiều 13

Hình 2.3 Kí hiệu xi lanh hai chiều 14

Hình 2.4 Mặt cắt nguyên lí xi lanh 2 chiều 14

Hình 2.5 Kí hiệu van kiểu 4/2 15

Hình 2.6 Mặt cắt nguyên lý 15

Hình 2.7 Kí hiệu van kiểu 5/2 16

Hình 2.8 Mặt cắt nguyên lý 17

Hình 2.9 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van 5/2 có một cuộn dây điều khiển 18

Hình 2.10 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van 5/2 có 2 cuộn dây điều khiển 19

Hình 2.11 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van điều khiển lưu lượng 20

Hình 2.12 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van một chiều 21

Hình 2.13 Máy nén khí và bình tích khí 22

Hình 2.14 Bộ lọc và điều chỉnh áp lực 23

Hình 2.15 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển khí nén 25

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống lập trình 29

Hình 3.2 Ứng dụng PLC trong công nghệ đóng gói sản phẩm 38

Hình 3.3 Ứng dụng PLC trong công nghệ cắt giấy 38

Hình 3.4 Sơ đồ hình khối 40

Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động 42

Hình 3.6 Giản đồ ví dụ 42

Hình 3.7 Chức năng mở đầu đường lệnh 43

Hình 3.8 Lệnh AND, AND NOT 44

Hình 3.9 Lệnh OR,OR NOT 45

Hình 3.10 Lệnh AND LD 45

Hình 3.11 Lệnh OR LD 46

Hình 3.12 Lệnh OUT PUT ,OUT PUT NOT 47

Hình 3.13 Kí hiệu Timer 47

Hình 3.14 Đồ thị thời gian biểu diễn nguyên lý hoạt động của timer 48

Hình 3.15 Thời gian trễ của timer 48

Hình 3.16 Kí hiệu Counter 49

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn nguyên lý hoạt động của counter 49

Hình 3.18 Giá trị đếm Counter 50

Hình 3.19 Kí hiệu hàm END 50

Hình 3.20 Hàm END 50

Hình 3.21 Kí hiệu hàm DIFU, DIFD 51

Hình 3.22 Hàm DIFU, DIFD 51

Hình 3.23 Đồ thị thời gian thể hiện hoạt động của DIFU (13) và DIFD (14) 52

Hình 3.24 Kí hiệu hàm KEEP 52

Hình 3.25 Hàm KEEP 53

Hình 3.26 Kí hiệu hàm SHIFT 53

Hình 3.27 Hàm SHIFT 54

Hình 3.28 Khởi động chương trình 55

Hình 3.29 Tạo chương trình mới 55

Hình 3.30 Chọn loại PLC và CPU 56

Hình 3.31 Màn hình SYS WIN 56

Hình 3.32 Điền địa chỉ lệnh 58

Hình 3.33 Màn hình Network mới 58

Hình 3.34 Tạo lệnh OR 59

Hình 3.35 Giản đồ thang 59

Hình 3.36 Tạo lệnh END 60

Hình 3.37 Kết thúc chương trình nhập 60

Hình 3.38 Ghép nối với PLC 61

Hình 3.39 Nạp chương trình vào PLC 61

Hình 3.40 Khởi chạy PLC và theo dõi hoạt động 62

Hình 4.1 Các trạng thái trong grafcet 66

Hình 4.2 Điều kiện chuyển tiếp 66

Hình 4.3 Kí hiệu phân nhánh 67

Hình 4.4 Ký hiệu bước nhảy 68

Hình 4.5 Chạy chương trình 70

Hình 4.6 Mô hình bài thí nghiệm 1 71

Hình 4.7 Đồ thị thời gian công nghệ 74

Hình 4.8 Khai báo các phần tử vào ra 75

Hình 4.9 Mạch cấp nguồn 77

Hình 4.10 Mạch động lực 78

Hình 4.11 Mạch cấp nguồn PLC 79

Hình 4.12 Mạch cảm biến 80

Hình 4.13 Mạch đầu vào PLC 81

Hình 4.14 Mạch đầu ra PLC 82

Hình 4.15 Mạch điều khiển 84

Hình 4.16 Mạch đèn báo 85

Hình 4.17 Mô hình bài thí nghiệm 2 88

Hình 4.18 Phân công vào ra PLC 91

Hình 4.19 Mạch cấp nguồn 92

Hình 4.20 Mạch động lực 93

Hình 4.21 Mạch cấp nguồn PLC 94

Hình 4.22 Mạch cảm biến 95

Hình 4.23 Mạch vào, ra PLC 96

Hình 4.24 Mạch điều khiển 98

Hình 4.25 Mạch đèn báo 99

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay, các hệ thống tự độnghoá phát triển mạnh mẽ cả về bề rộng và chiều sâu Các hệ thống tự động hoá ứngdụng trong thực tế sản xuất rất đa dạng và phong phú với nhiều mức độ khác nhau.Trong đó các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng trong nhiều lĩnh vựccông nghệ và kỹ thuật vì nó các ưu điểm như đơn giản trong kết cấu, trong sử dụng

và cả trong điều khiển, độ tin cậy làm việc cao có độ an toàn cao đối với các môitrường làm việc cháy nổ và có thề làm việc ở các môi trường khắc nhiệt (phóng xạ,hoá chất )

Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển khí nén có các nhược điểm như độ tácđộng nhanh thấp, kích thước hệ thống lớn, gây tiếng ồn

Một giải pháp để hạn chế các nhược điểm đó mà hiện nay thường sử dụng làkết hợp các thiết bị khí nén với các thiết bị điện và sử dụng bộ điều khiển bằngchương trình ( PLC ) để điều khiển sự hoạt động của hệ thống

Với đề tài tốt nghiệp được giao là "Xây dựng một số mô hình mẫu sửdụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm" để giúpcho sinh viên hiểu biết thêm về vấn đề này Nội dung đề tài bao gồm :

Chương 1 Tổng quan về kĩ thuật điều khiển khí nén

Chương 2 Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị khí nén cơ bản

Chương 3 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC

Chương 4 Xây dựng một số mô hình mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện Cơ đã

tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốtnghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học

Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn Thạc sĩ Vũ Văn Quang đãtận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoànthành tốt đề tài này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

KHÍ NÉN

1.1 Khái niệm chung

Hệ thống điều khiển các hệ thống truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng

mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc Các phương pháp chođiều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp hiện thực chúng rất đa dạng Khithiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thường được cho dướidạng các chu trình (biểu đồ) làm việc Đó là một dạng đồ thị quy ước biểu diễn sự phụthuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành

Các hệ truyền động tự động khí nén làm việc theo chu trình được chia theokiểu điều khiển thành ba nhóm

1: Điều khiển theo vị trí

2: Điều khiển theo thời gian

3: Điều khiển theo áp suất

Trong nhóm 1 các vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành được kiểm trabằng các cảm biến vị trí a0, a1.

Hình 1.1 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí.

a0 a1

h

X X

Từ các cảm biến vị trí a0 và a1 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp hànhđược báo tới hệ điều khiển Trên cơ sở đó, tạo lập các lệnh điều khiển X và X.Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí thường là các van hành trình3/2 thường ngắt (ở vị trí đầu cửa ra của van này với đường xả ) hoặc thường mở (ở

vị trí đầu cửa ra của van nối với áp suất nguồn ) Hệ điều khiển có thể còn bao gồmcác công tắc khí nén, công tắc khởi động h, các thiết bị giữ chậm, các phần tửlogic…

Số các cơ cấu chấp hành được điều khiển trong hệ thống có thể là 1,2,3…hoặc hơn nữa Để điều khiển các hệ có số cơ cấu chấp hành lớn có thể sử dụng cácthiết bị điều khiển dạng bước hoặc số

Hệ điều khiển theo thời gian có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam

Hình 1.2 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian.

Thời gian thực hiện một chu trình và đường phân các chu kỳ riêng biệt của

nó ở đây được xác định bởi profin của cam (1) và vận tốc quay của nó () Thờigian của từng bước hoặc cả chu trình làm việc có thể điều khiển bằng các rơle thờigian

Hệ điều khiển theo áp suất có thể coi như các biến thể của hệ điều khiển theo

vị trí Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi cần pittông chuyển dịchnhững khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thước của chi tiết được gia công hoặc

do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần pittông vươndài Để điều khiển các van phân phối trong từng trường hợp này cần sử dụng cácvan nối liên tục (hình 1.3 )



1 h0

Hình 1.3 Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí

Nguyên lý làm việc của nó như sau :

Van 5 làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong cáckhoang xi lanh 1 Khi nó làm việc có 1 xung áp suất tới van 2, chuyển nó về vị tríban đầu và vị trí đầu được kiểm tra bằng công tắc hành trình 3 Để pittông dịchchuyển về phía trước ta khởi động 4

Nhược điểm của cách điều khiển theo thời gian và cách điều khiển theo ápsuất là khi thay đổi tải đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi chuyển động của

cơ cấu chấp hành có thể xảy ra trước Bởi vậy các hệ điều khiển theo vị trí trong đóchuyển động của cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xácđịnh của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ truyềnđộng - tự động khí nén

Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ để đưa tín hiệu tới đổi

vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạtcác thông tin về đối tượng được gia công, dụng cụ, các vấn đề về an toàn laođộng Ngoài ra hệ điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyểnđộng của các cơ cấu chấp hành, sự can thiệp của người điều khiển tại từng côngđoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác

1

32

5

4

1.2 Giới thiệu về các hệ điều khiển logic

Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế, trong đó kể cả hệ truyềnđộng tự động khí nén, thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng Hệ điềukhiển của các hệ thống này được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết điều khiểnlogic (hay rơle)

Hình 1.4 Sơ đồ tổng quát Hình 1.5 Sơ đồ hệ điều khiển đơn bước.

Hình 1.6 Sơ đồ hệ điều khiển đa bước.

Trên hình 1.4 là sơ đồ khối tổng quát của hệ điều khiển logic Các tín hiệuđầu vào: X1, X2 Xm và các tín hiệu đầu ra Z1, Z2…Zn đều là các tín hiệu nhị phân

Mạch nhớ lôgic

( có hai giá trị 0 và 1 ) các phép tính thực hiện trên các tín hiệu này đều dựa trêncác quy tắc và tính chất của đại số logic Giá trị đầu vào và giá trị đầu ra của thiết

bị điều khiển logic là tổ hợp tương ứng của tất cả các tín hiệu vào {Xm} và tín hiệu

ra {Zn} tại cùng một thời điểm xét

Như vậy tại một thời điểm bất kỳ thiết bị điều khiển logic luôn luôn đượcđặc trưng bởi những giá trị xác định các tín hiệu vào và tín hiệu ra Nếu như takhảo sát làm việc của hệ điều khiển tại một dãy các thời điểm ta sẽ nhận thấytương ứng với một dãy các tín hiệu đầu vào {Xm} sẽ có một dãy các tín hiệu đầu

ra {Zn} xác định Mối quan hệ giữa {Zn} và {Xm} được thể hiện bằng lời vănhoặc bằng các công thức quy ước được gọi là các điều kiện làm việc của các hệđiều khiển logic ( hay rơle)

Hệ điều khiển logic được gọi là đơn bước ( khi quan hệ {Zn}-{Xm} là quan

hệ đơn trị ) và đa bước (nếu quan hệ {Zn} và {Xm} là đa trị tức ứng với một giá trị{Xm} có thể có nhiều giá trị của {Zn}

Sơ đồ khối của các hệ điều khiển đơn bước và đa bước tương ứng được trìnhbày trên hình 1.5 và 1.6 Như trên hình vẽ ta thấy trong hệ điều khiển đa bướcngoài khối logic có như trong hệ đơn bước còn có khối điều khiển nhớ (Ys) tạicùng một thời điểm sẽ xác định trạng thái bên trong của thiết bị điều khiển Cũngtại thời điểm xét tổ hợp toàn bộ các tín hiệu đầu vào {Xm} và trạng thái trong củathiết bị điều khiển logic (Ys) sẽ là trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển Nhưvậy tại từng thời điểm ra luôn có mối quan hệ đơn trị giữa các tín hiệu đầu ra {Zn}

và trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển: {Xm}; {Zn} Ở đây ta thấy hệ đơnbước chỉ là một trường hợp riêng của hệ đa bước Khi (Ys) không hiện diện trong

Hệ dẫn động cơ sở đặc trưng bởi các tín hiệu đầu vào (nhận từ hệ điều khiểntới ) và các tín hiệu đầu ra xác định vị trí các bộ phận công tác.

Các tín hiệu ở đầu vào và đầu ra chỉ có thể nhận một trong hai tín hiệu quyước là 0 và 1 (0 ở áp suất khí quyển Pa ); (1 ở áp suất nguồn Pn )

Một hệ cơ sở như vậy bao gồm:

Để mô tả hoạt động của từng hệ truyền động khí nén cơ sở và toàn bộ hệ dẫnđộng nói chung người ta sử dụng một dạng đồ thị quy ước được gọi là biểu đồtrạng thái làm việc

Biểu đồ trạng thái làm việc cho phép mô tả trình tự thay đổi trạng thái vàchuyển động của các cơ cấu chấp hành…trong suốt cả thời gian chu trình làm việccủa nó

Để thuận tiện cho việc mô tả này chu trình làm việc của hệ dẫn động khí nénđược chia thành nhiều khoảng được gọi là các bước trong đó diễn ra sự thay đổitrạng thái hệ thống hoặc chuyển động của các cơ cấu chấp hành khí nén Chuyểnđộng của các cơ cấu chấp hành khí nén trên biểu đồ được thể hiện bằng các đườngnghiêng, ví trí đứng yên (không chuyển động ) bằng các đường bằng (nằm ngang )

Trạng thái tín hiệu điều khiển của các phần tử điều khiển (cảm biến vị trí,phần tử phản hồi ) được thể hiện trong từng bước bằng hai mức:

1: có tín hiệu

0: không có tín hiệu

tương ứng với các đường bằng trên và đường bằng dưới Trên biểu đồ cònthể hiện trạng thái trong từng bước của từng tín hiệu điều khiển các van phân phối,trị số hàm trạng thái và hàm cấu trúc của hệ thống

Như vậy mỗi một bước trong biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền độngkhí nén được đặc trưng bởi những giá trị xác định của các tín hiệu ở đầu vào củatừng hệ truyền động cơ sở Sự thay đổi (giá trị ) của các tín hiệu này đồng nghĩavới sự chuyển trạng thái của hệ truyền động khí nén sang bước tiếp theo Ranh giớigiữa các bước trên biểu đồ trạng thái làm việc được đánh dấu bằng các đườngthẳng đứng – phân cách các bước với nhau được gọi là các biên của các bước.Vậybiên của các bước chính là thời điểm mà tại đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của hệdẫn động khí nén, ví dụ: bắt đầu chuyển động của cơ cấu chấp hành, chuyển vậntốc của chúng sang vận tốc khác, bắt đầu quá trình hãm…

Nếu như ở đây có nhiều hệ truyền động cơ sở đồng thời cùng làm việc thì taquy ước coi bắt đầu chuyển động của các cơ cấu chấp hành của chúng là đồng bộthuận lợi hơn cho việc xét hoạt động của toàn bộ hệ thống

Một đặc điểm cơ bản của biểu đồ trạng thái làm việc của hệ thống truyềnđộng khí nén là sự thực hiện tuần tự các bước của một cơ cấu chấp hành khí nénbất kỳ trong hệ truyền động: chúng chỉ có thể bắt đầu khi các chuyển dịch có thể cócủa toàn bộ hệ truyền động đã kết thúc tại bước trước đó Điều này trong các hệtruyền động khí nén được kiểm soát bởi các phần tử điều khiển kiểu công tắc hànhtrình Nếu như điều này không được kiểm soát trong hệ thống nhất thiết phải cóthêm các điều kiện phụ đảm bảo chắc chắn rằng các dịch chuyển đó đã kết thúc ởthời điểm bắt đầu một bước tiếp theo của hệ truyền động khí nén Đây là điều kiệncần thiết để đảm bảo loại trừ các sự cố kỹ thuật và tai nạn có thể xảy ra

Hình 1.7 Biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động tự động khí nén.

Trên hình 1.7 là ví dụ về biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động khínén của một máy tự động

Việc thực hiện hoá các biểu đồ trạng thái làm việc như trên gắn liền với việckiểm tra tại từng thời điểm xác định (các bước ) các điều kiện bổ sung ta ký hiệu là

Pi (i= 1,2,3 )

Nếu điều kiện được thực hiện => Pi =1, còn nếu điều kiện làm việc khôngđược thực hiện => Pi = 0

Phân biệt hai trường hợp:

1 Các điều kiện logic được kiểm tra tại thời điểm đầu mỗi bước – ta gọi làcác điều kiện logic cho phép làm việc Nếu điều kiện này được thực hiện bước tiếptheo sẽ diễn ra Nếu điều kiện này không được thực hiện hệ truyền động khí nén sẽgiữ nguyên trạng thái mà nó có trước đó

A1

B1

B0

A0

a1

a1

b0

b0

2 Các điều kiện logic được kiểm tra tại các thời điểm trong mỗi bước ta gọi

là các điều kiện khẳng định làm việc, nếu điều kiện này được thực hiện hệ truyềnđộng giữ nguyên trạng thái có với các chuyển động của các cơ cấu chấp hànhtương ứng với hướng được quy định trong bước đang xét trên biểu đồ trạng tháilàm việc, nếu điều kiện logic khẳng định không được thực hiện chuyển động tiếptục của cơ cấu chấp hành bị cấm nó hoặc là phải dừng lại tại chỗ hoặc là phải quaytrở lại vị trí có tại thời điểm bắt đầu của bước được xét hoặc sẽ diễn ra sự thay đổitrạng thái của toàn bộ hệ truyền động khí nén và hệ truyền động khí nén có thể bắtđầu làm việc theo biểu đồ trạng thái biến đổi mới khác với biểu đồ ban đầu

1.4 Cấu trúc của hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén làm việc theo chu trình

Hình 1.8 Sơ đồ khối tổng quát

.

Hình 1.9 Sơ đồ khối của hệ điều khiển rút gọn

Hệ thống bao gồm (hình 1.8 ): các hệ truyền động khí nén cơ sở phần chính của

hệ điều khiển là khối điều khiển logic đa bước với các đầu vào là: P1, P2,…Pk; X1,

X2…Xm và các đầu ra: Z1, Z2…Zn, các bộ thiết bị giữ chậm và phần tử như dạng

V s0 V s1

TR TR

Trigơ có các đầu vào riêng biệt: U10, U11…Us1 và các đầu ra: Y1, Y2…Ys - tổ hợp giátrị của các tín hiệu trong (chúng sẽ xác định trạng thái trong của khối điều khiển logic), X1, X2…Xm được đưa tới khối điều khiển logic từ các cảm biến vị trí, còn các tínhiệu P1, P2…Pk từ các sở đồ kiểm tra đặc biệt gọi là các khối kiểm tra điều kiệnlogic.Tại đầu của một bước bất kỳ trong chu trình làm việc, từng bộ phận công tác(gắn với các hệ truyền động cơ sở ) sẽ đè lên công tắc hành trình tương ứng Nói cáchkhác vị trí của chúng được định bởi các công tắc hành trình đó.

Các tín hiệu vào tương ứng (X1, X2…Xm ) sẽ có những giá cụ thể xác định.Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác nào đó tới vị tríxác định mới sẽ có ít nhất một công tắc hành trình được giải phóng (không bị đè )tức là có giá trị không xác định Các tín hiệu chính ở đầu vào của bộ phận điều kiệnlogic do vậy cũng có giá trị không xác định tuy nhiên ở trạng thái này bộ phậncông tác của hệ truyền động cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ nguyên chuyển động theohướng đã có cho đến tận cuối bước Vì vậy khối điều khiển logic vẫn phải đảm bảocác tín hiệu đầu ra với các giá trị không đổi đã có trước đó, tương ứng với đầubước chuyển động tức là tương ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu chính ởđầu bước đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ điềukhiển logic

Sơ đồ của hệ điều khiển logic có tính chất đặc điểm vừa nêu của hệ truyềndẫn khí nén được trình bày trên hình 6b Trên sơ đồ ta thấy trước các kênh đầu ra(Z1, Z2…Zn ) có bố trí các mạch điều khiển (kiểu trigơ ) làm việc bởi các tín hiệu

từ khối điều khiển logic (U11, U10…Us1, Us0 )

Cách xây dựng hệ điều khiển như vậy cho phép giảm được số phần tử dùngtrong khối điều khiển logic chính, đơn giản hoá được các mô tả điều kiện làm việc

và tổng hợp hệ điều khiển chung

1.5 Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén theo biểu đồ trạng thái làm việc

- Đơn bước

- Đa bước

Các hệ đơn bước là các hệ mà trong đó tại bất cứ thời điểm nào tổ hợp giá trịcác tín hiệu đầu ra cũng được xác định đơn trị bằng tổ hợp các giá trị tín hiệu ở đầuvào và hoàn toàn không phụ thuộc vào tổ hợp giá trị các tín hiệu đầu vào ở bướctrước đó Tức là tín hiệu ra của các hệ đơn bước hoàn toàn được xác định bởi trạngthái của các tín hiệu vào ở thời điểm xét Đối với các hệ đa bước tổ hợp các tínhiệu ra được xác định không chỉ bằng trạng thái đầu vào tại thời điểm xét mà cònphụ thuộc vào cả tổ hợp giá trị các tín hiệu vào ở các bước trước đó

Để tổng hợp hệ điều khiển đơn bước ta chỉ cần sử dụng các phần tử tự độnglogic cơ bản, còn đối với các hệ đa bước ngoài ra chúng ta còn phải sử dụng cả cácloại phần tử nhớ phản hồi khác nhau nữa

Trong các hệ điều khiển theo vị trí được kiểm soát bằng công tắc hành trình,lệnh để thực hiện từng bước chuyển động chỉ được phát đi sau khi đã nhận được tínhiệu của các cảm biến vị trí báo đã kết thúc bước chuyển động trước đó

Hoạt động của các loại hệ vừa nêu có thể tả bằng biểu đồ trạng thái làm việc

và trên cơ sở đó có thể tiến hành tổng hợp sơ đồ nguyên lý điều khiển khí nén chotoàn bộ hệ thống truyền động

Việc tổng hợp các hệ điều khiển phụ thuộc vào loại phần tử tự động khí nénđược chọn vào kiểu van phân phối khí nén được dùng để điều khiển các hệ truyềnđộng Trong trường hợp sử dụng các van phân phối điều khiển bằng khí nén mộtphía cần phải tính đến rằng khi không có tín hiệu điều khiển van phân phối ở vị trílàm việc ban đầu của mình Bởi thế cùng một bài toán tổng hợp hệ điều khiển chomột hệ truyền động với những yêu cầu và điều kiện làm việc cho trước ta thu đượcmột sơ đồ điều khiển logic nhưng lại có thể có nhiều sơ đồ nguyên lý khí nén khácnhau cùng đáp ứng được các yêu cầu và điều kiện làm việc đã cho của hệ truyềnđộng - tự động khí nén

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ

Xi lanh chỉ có tác động điều khiển một chiều nhất định Chiều chuyển độngngược lại của pittông được thực hiện do lực đàn hồi của lò xo bên trong xi lanhhoặc do một lực bên ngoài tác động

Lực đàn hồi của lò xo tác động làm pittông trở lại vị trí ban đầu với một tốc

độ tương đối cao mà không cần một điều kiện nào

Bình thường khi không có khí nén tác động (cổng nối với nguồn khí nén bịkhoá ) thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông về một đầu của hành trình và pittông

sẽ giữ nguyên ở đầu hành trình đó

Khi có khí nén tác động (cổng nối với nguồn khí nén thông ) thì do áp lựccủa nguồn khí nén tác động lên bề mặt pittông sẽ thắng lực đàn hồi của lò xo làmcho pittông bị đẩy ngược lại với hành trình ban đầu Đến cuối hành trình pittông bịgiữ ở vị trí đó cho đến khi ta cắt nguồn khí (lúc đó chỉ còn lại lực đàn hồi của lò xođang bị nén ) lò xo sẽ đẩy pittông trở lại vị trí ban đầu Hành trình sẽ lặp đi lặp lạinếu ta liên tục đóng ngắt nguồn khí Tuy nhiên hành trình của xi lanh 1 chiều bịgiới hạn bởi chiều dài tự nhiên của lò xo Vì thế các xi lanh khí nén 1 chiều chỉ cótác dụng trong chiều dài hành trình của nó tối đa là 80mm

1.1.2 Xi lanh hai chiều

điều khiển thay đổi chức năng cho nhau một cách dễ dàng, linh hoạt tức là ta có thểđiều khiển cả hai chiều chuyển động của pittông một cách dễ dàng Đó chính là ưuđiểm của nó so với xi lanh một chiều.

Khi cổng khí phải được nối với nguồn khí, còn cổng khí trái thông với van

xả thì pittông sẽ chuyển dịch sang phía trái

Muốn pittông chuyển dịch theo hướng ngược lại (tức là từ trái sang phải ) tachỉ việc đảo chức năng hai cổng khí cho nhau tức là ta điều khiển cho cổng khí tráiđược thông với nguồn khí nén còn cổng khí phải thông với van xả

Trong trường hợp cả hai cổng khí đều được thông với nguồn khí nén hoặc cảhai cổng khí đều thông với van xả thì pittông đều không chuyển động được vì lựctác dụng lên nó cân bằng nhau

Nếu pittông dừng ở bên phải thì cổng khí 4 thông với cổng khí nguồn 1 vàcổng khí 2 thông với cổng khí xả 3.

Trên hình mặt cắt nguyên lý là trường hợp pittông dừng bên trái Dễ thấycổng khí 2 thông với cổng khí nguồn 1 cổng khí 4 thông với cổng khí xả 3

Muốn đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 cho nhau ta tác độngvào các cổng khí điều khiển như sau: ta cắt nguồn khí ở cổng 12 và đóng nguồn khícho cổng 14 Khi đó áp lực của khí nén tác động lên bề mặt của pittông (thắng lực

ma sát ) sẽ đẩy pittông chạy sang bên phải Khi pittông dừng ở bên phải thì cổngkhí 4 lúc này sẽ thông với cổng khí nguồn 1 và cổng 2 sẽ thông với cổng xả 3

Sau đó nếu ta cắt nguồn khí ở cổng 14 và đóng nguồn khí ở cổng 12 thìpittông sẽ quay về vị trí ban đầu (bên trái ) và trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2

sẽ phục hồi (cổng 4 thông với cổng 3, cổng 2 thông với cổng 1 )

Chú ý: nếu ta cắt hoặc đóng nguồn cho các cổng khí 14 và 12 cùng một lúcthì trạng thái các cổng khí 4, 2 không đổi

b, Van kiểu 5/2

- Ký hiệu

Hình 2.7 Kí hiệu van kiểu 5/2

Cổng khí 1 đóng vai trò cổng khí nguồn còn cổng 3 và 5 là các cổng khí xả.Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 được điều khiển bằng các cổng khí 12

và 14

Vị trí của pittông bên trong van sẽ quyết định trạng thái của các cổng khí ra

4 và 2 Nếu pittông dừng bên trái như mặt cắt nguyên lý ta thấy cổng khí 4 thôngvới cổng xả 5, cổng 2 thông với cổng khí nguồn 1 Nếu pittông dừng bên phải thìkhi đó cổng khí 4 thông với nguồn 1 và cổng khí 2 thông với cổng xả 3

Muốn van chuyển từ trạng thái pittông ở bên trái sang trạng thái pittông ởbên phải thì ta tác động vào các cổng khí điều khiển bằng cách cắt nguồn khí ở

cổng 12 và cấp nguồn khí cho cổng 14 Ngược lại muốn van chuyển từ trạng thái ởpittông ở bên phải sang trạng thái mặt cắt 1 thì ta cắt nguồn ở cổng 14 và cấpnguồn khí cho cổng 12.

Như vậy bằng tác động vào các cổng khí điều khiển ta dễ dàng thay đổitrạng thái các cổng khí ra theo như mong muốn và van 5/2 thường được dùng đểđiều khiển hoạt động của các xi lanh khí nén

2.2.2 Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén

a, Van 5/2 có một cuộn dây điều khiển (van tự phục hồi)

Hình 2.9 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van 5/2 có một cuộn dây điều khiển.

- Nguyên lý hoạt động:

Van có các cổng khí ra 4 và 2 , cổng khí nguồn 1 và các cổng khí xả 5, 3.Trong các cổng khí ra 4, 2 thì luôn có một cổng khí nối với nguồn và mộtcổng khí thông với nguồn xả Cuộn dây bên trái van có tác dụng để điều khiển sựđảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2

Ta có thể mô tả hoạt động của van như sau:

- Ở vị trí ban đầu pittông của van dừng bên trái (như trên mặt cắt 1 ) ta thấycổng khí 4 thông với cổng xả 5, cổng 2 thông với nguồn 1

- Nếu cuộn dây được cấp điện thì pittông sẽ chuyển dịch sang phải và dừng

ở bên phải, ở vị trí này cổng khí 2 sẽ thông với cổng khí xả 3 còn cổng khí 4 thôngvới cổng khí nguồn 1 (mặt cắt 2 )

- Nếu cuộn dây bị cắt điện thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông quay trởlại vị trí ban đầu (như mặt cắt 1 )

- Cổng 84 là cổng thông khí trong quá trình pittông chuyển động thay đổitrạng thái

b, Van 5/2 có 2 cuộn dây điều khiển

Hoạt động của van có thể tóm tắt như sau:

- Nếu pittông của van dừng ở phía bên trái như trên mặt cắt 1 thì cổng khí 4thông với cổng xả 5 còn cổng khí 2 thông với cổng khí nguồn

- Nếu cuộn dây phía bên trái được cấp điện thì pittông sẽ chuyển dịch sangbên phải như trên mặt cắt 2 Lúc đó cổng khí 2 sẽ thông với cổng xả 3 còn cổng khí

4 thông với nguồn khí 1

- Muốn van đang ở trạng thái như mặt cắt 2 trở về trạng thái ban đầu (mặt cắt 1 )thì ta phải cắt điện ở cuộn dây bên trái đồng thời cấp điện cho cuộn dây bên phải.

- Nếu hai cuộn dây đều không được cấp điện thì lực ma sát sẽ giữ pittôngđứng yên và trạng thái của van không thay đổi Còn nếu hai cuộn dây được cấpđiện đồng thời thì van cũng không thay đổi trạng thái vì các lực tác dụng lênpittông cân bằng nhau

2.2.3 Van điều khiển lưu lượng

a, Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý

Hình 2.11 Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý van điều khiển lưu lượng.

là ta có thể điều khiển lưu lượng khí phóng qua van từ giá trị max giảm dần đếntrạng thái khoá hoặc ngược lại.

Van tiết lưu thường được dùng để điều khiển tốc độ chuyển động của các xilanh khí nén

Khi có dòng khí phóng qua van theo chiều thuận áp lực khí nén đẩy pittông

về phía trước (lực khí nén lớn hơn lực đàn hồi của lò xo ) Kết quả làm cho van mởthông và khí phóng qua dễ dàng (xem mặt cắt nguyên lý ) Nếu dòng khí nén

phóng qua theo chiều ngược lại thì van càng bịt kín và khí nén không phóng quavan được.

2.3 Các phần tử nguồn khí

2.3.1 Máy nén khí và bình tích khí

Hình 2.13 Máy nén khí và bình tích khí.

Máy nén khí có nhiều loại: loại pittông, loại màng ngăn…

Tuỳ theo áp suất ra mà người ta chọn máy nén khí cho phù hợp

Máy nén khí có nhiệm vụ biến khí thiên nhiên thành khí có áp suất cao đảmbảo đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật cho các thiết bị khí nén hoạt động được Công suấtcủa máy nén khí phụ thuộc vào công suất của các thiết bị khí nén trong hệ thống

Khí nén từ máy nén khí được đưa vào bình tích khí

Bình tích khí là kho chứa khí áp suất cao để tích trữ khí nén và ổn áp khí nén

Còn bộ phận điều chỉnh áp lực dùng để điều chỉnh áp suất khí nén cung cấpcho hệ thống sao cho phù hợp với yêu cầu.

Bộ phận lọc qua màng

Bộ phận lọc qua dầu

2.4 Xây dựng hệ thống điều khiển và chấp hành khí nén

* Một hệ thống có sử dụng thiết bị khí nén thường gồm các phần:

- Các cơ cấu chấp hành

- Các cảm biến và các thiết bị vào

- Các thiết bị chuyển đổi hoặc xử lý tín hiệu

- Các phụ kiện

- Các thiết bị điều khiển

Các hệ thống khí thiết kế bằng khí nén có ưu điểm sau:

- Dễ hiện thực hoá

- Dễ bảo dưỡng

- Giá thành của các thiết bị thay thế và sửa chữa rẻ

- Hiệu quả kinh tế cao

* Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điều khiển khí nén.

Một hệ thống điều khiển khí nén thường gồm một số nhóm các thiết bị đượcghép nối với nhau bao gồm:

- Các thiết bị vào (tức là các phần tử tạo tín hiệu như nút bấm, công tắc hànhtrình )

- Xử lý tín hiệu là các phần tử điều khiển

- Tạo tín hiệu ra là các phần tử điều chỉnh

- Thực hiện thao tác là các phần tử công suất

Các phần tử điều khiển sẽ điều khiển các phần tử chấp hàh theo công nghệ

có liên quan đến các tín hiệu nhận vào Quan hệ giữa các lớp phần tử trong một hệthống điều khiển khí nén như sau:

C¸c ph©n tö ®iÒu khiÓnC¸c van ®iÒu khiÓn

trùc tiÕp

Sö lýtÝn hiÖu

chÊp hµnh

- Van ®iÒu khiÓn ¸p suÊt

- Van ®iÒu khiÓn trùc tiÕp C¸c ph©n tö xö lý tÝn hiÖu

- C¸c bé phËn t¹o trÔ

- C¸c phÇn tö tr×nh tù

- C¸c chuyÓn m¹ch tiÕp cËn

Thµnh phÇn ®Çu vµo

- Van kiÓu nót Ên

- Van kiÓu trô xoay

- Van ®iÒu chØnh ¸p suÊt

nguån khÝ

Hình 2.15 Cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển khí nén.

2.5 Quy trình cơ bản để xây dựng một hệ thống điều khiển khí nén

Trình tự để xây dựng một hệ thống điều khiển khí nén gồm các bước:

- Xây dựng sơ đồ chức năng

+ Liệt kê danh sách thiết bị

Bước 3: Hiện thực hóa hệ thống gồm có:

1 Bước đầu tiên hiện thực hoá hệ thống để thử chức năng của các thiết bịtrước khi được lắp ráp là tốt Sau đó từ sơ đồ mạch đã có tiến hành lắp ráp các phần

tử theo lịch trình đó lập ra

2 Bước tiếp theo là kiểm nghiệm sau khi hoàn thành lắp ráp thiết bị cần tiếnhành kiểm nghiệm từng phần và toàn bộ hệ thống bằng cách cho chạy thử để đảmbảo các thiết bị sau khi lắp ráp vào hệ thống vẫn thực hiện tốt chức năng của nó và

hệ thống hoạt động đúng như yêu cầu bài toán ban đầu