thiết kế hệ thống điều khiển lôgic cho công nghệ khoan qua hai giai đoạn

P 2 mạch lực, mạch ĐK'lời nói đầu Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc có thể nói trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự đ

đồ án môn học điều khiển lôgic

III Thuyết minh và bản vẽ :

1 Một quyển thuyết minh

2 Hai bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp giáp

P 2 mạch lực, mạch ĐK'

lời nói đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc có thể nói trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hoá trong các quá trình sản xuất, mà trớc hết phải nói đến đó là năng suất sản xuất và chất lợng sản phẩm làm ra dới những thành công của việc áp dụng các công nghệ có mức độ tự động hoá cao Sự phát triển nhanh chóng của máy tính

điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết điểu khiển tự

động đã làm cơ sở vững chắc và hỗ trợ kịp thời cho sự phát triển tơng xứng của các ngành công nghiệp với lĩnh vực tự động hoá trong mỗi quốc gia

ở nớc ta mặc dù là một nớc chậm phát triển nhng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng nh sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học, kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hoá các quá trình sản xuất đã có bớc phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lợng chất xám cao, thúc đẩy quá trình tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức

Ngày nay tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào trong mọi lĩnh vực, vào trong tất cả các khâu của công nghệ trong quá trình tạo ra sản phẩm Một trong những trong những ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển tự động công nghệ khoan qua hai giai đoạn Tự động hoá điều khiển công nghệ khoan là quá trình thực hiện gia công tạo ra một lỗ thủng trên bề mặt chi tiết có kích thớc và chiều sâu đợc định trớc Quá trình khoan gồm hai giai

Chất lợng lỗ khoan và năng suất làm việc của máy phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ điều khiển, quá trình làm việc đợc thực hiện theo một trật tự lô gíc, theo trật tự thời gian xác định Do đó để điều khiển đợc công nghệ ta phải tổng hợp đợc hàm điều khiển cho hệ thống Có rất nhiều phơng pháp để tổng hợp hàm điều khiển, trong khuôn khổ đồ án này em sử dụng phơng pháp hàm tác

động So với các phơng pháp khác thì phơng pháp hàm tác động có u điểm đơn giản và đảm bảo sự chính xác về tuần tự thực hiện quá trình

Qua một thời gian thực hiện cùng với sự lỗ lực của bản thân cũng nh sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo Lu Đức Dũng Em đã hoàn thành bản đồ án đúng thời hạn, tuy nhiên với một lĩnh vực thiết kế tơng đối khó và đòi hỏi độ chính xác cao mà chỉ tiếp xúc trong khoảng thời gian ngắn, chắc chắn bản đồ ná này còn nhiều điều thiếu sót Em mong rằng tiếp tục nhận đợc ý kiến đóng góp của thầy, cô giáo cùng bạn bè để đồ án của em đợc hoàn thiện hơn

Qua đây cho phép em đợc gửi lời cảm ơn trân thành nhất tới tất cả các thầy, cô giáo trong bộ môn tự động hoá và đặc biệt là thầy giáo Lu Đức Dũng, ngời đã tận tình hớng dẫn em trong suốt quá trình hoàn thành bản đồ án này

c

II Xây dựng cấu trúc điều khiển Trang 7

1 Các phơng pháp tổng hợp hàm điều khiển

2 Cấu trúc hàm điều khiển

III Tổng hợp mạch điều khiển bằng phơng pháp hàm tác động Trang 8

1 Xác định các biến điều khiển

2 Tổng hợp mạch điều khiển

IV Xây dựng sơ đồ nguyên lý Trang 13

1 Nhận xét chung về tốc độ máy khoan

2 Yêu cầu của mạch điều khiển

3 Lựa chọn phơng án

4 Chọn các phần tử điều khiển

5 Thuyết minh hoạt động của sơ đồ nguyên lý

V Chọn lựa phần tử bảo vệ cho hệ thống Trang 16

1 Bảo vệ ngắn mạch

2 Bảo vệ quá tải lâu dài

3 Bảo vệ mất từ trờng

4 Bảo vệ tốc độ tăng U&I cho mạch chỉnh lu

4 C«ng t¾c t¬ dãng c¾t m¹ch lùc

II ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn Trang 18

1 C«ng t¾c t¬ ®iÒu khiÓn thuËn - ngîc

chơng I : thiết kế sơ đồ nguyên lý

I Khảo sát công nghệ :

1 Giới thiệu chung về công nghệ :

c

- Khoan là phơng pháp gia công cơ khí tạo ra các lỗ trên bề mặt vật liệu, để thực hiện một công việc của một quá trình lắp giáp cơ khí nào đó Cũng nh các phơng pháp gia công cơ khí khác, gia công bằng phơng pháp khoan đợc thực hiện bằng cách bóc tách các phần thừa của chi tiết vứt bỏ đi tạo ra phoi Do vậy khi thực hiện quá trình khoan lỗ sâu tạo ra nhiều phoi thì ta phải có thêm công

đoạn thoát phoi bằng cách kéo mũi khoan ra khỏi lỗ khoan để phoi thoát đi, sau

đó lại tiếp tục đa mũi khoan xuống thực hiện khoan tiếp quá trình còn lại

sơ đồ công nghệ thực hiện một chu trình

Ký hiệu :

Đờng nét liền Chạy với vận tốc V1

Đờng nét đứt Chạy với vận tốc V2

Với : V1>V2

Mũi tên chỉ chiều chuyển động

1,2,3 10 : Các giai đoạn làm việc

a, b, c, d: Các vị trí đặt thiết bị điều khiển

3 Nguyên lý hoạt động :

- Quá trình gia công chi tiết đợc chia làm các giai đoạn sau :

+ Giai đoạn 1 - 2 : Mũi khoan đi xuống với tốc độ V1 ( Mũi khoan cha khoan vào chi tiết )

+ Giai đoạn 2 - 3 : Mũi khoan đi xuống với tốc độ V2 và thực hiện khoan vào chi tiết

+ Giai đoạn 3 - 4,5 : Mũi khoan chuyển động đi lên với tốc độ V1 ( thực hiện việc thoát phoi )

+ Giai đoạn 5 - 6 - 7 : Mũi khoan đi xuống với tốc độ V1 ( thực hiện gia công chi tiết sau khi đã thoát phoi )

+ Giai đoạn 7 - 8 : Mũi khoan chuyển động đi xuống với tốc độ V2 ( thực hiện quá trình gia công tiếp )

+ Giai đoạn 8 - 9 - 10 : Mũi khoan đi lên với tốc độ V1 kết thúc một chu trình

+ Giai đoạn 10 - 1 : Quá trình sảy ra tơng tự nh trên

4 Trang bị cơ, điện cho thiết bị :

* Trang bị mạch động lực :

c

Sử dụng hai động cơ ,

Đ1 thực hiện chuyển động quay mũi khoan

Đ2 làm nhiệm vụ chuyển động lên xuống và tạo vận tốc V1, V2 cho mũi khoan

* Trang bị mạch điều khiển :

- Sử dụng các công tắc hành trình đặt tại các vị trí A, B, C, D để cảm biến chính xác các vị trí hoạt động của mũi khoan

II Xây dựng cấu trúc điều khiển :

1 Các phơng pháp tổng hợp hàm điều khiển :

- Khi tiến hành tổng hợp một hệ thống điều khiển theo quy trình công nghệ đã cho ( có thể bằng lời nói, chữ viết hoặc đồ thị công nghệ ) Ngời ta biểu diễn

sự hoạt động của công nghệ theo đúng tuần tự thời gian tác động của các biến

đầu vào và ảnh hởng của nó tới các biến đầu ra để từ đó đa ra một quy luật điều khiển phù hợp cho hệ thống

- Để tổng hợp mạch điều khiển cho hệ thống ta có các phơng pháp tổng hợp

nh sau

+ Tổng mạch điều khiển bằng phơng pháp ma trận trạng thái

+ Tổng mạch điều khiển bằng phơng pháp hàm tác động

+ Tổng mạch điều khiển bằng phơng pháp phân tầng

+ Tổng mạch điều khiển bằng phơng pháp Grapcet

- Khi mạch điều khiển tổng hợp đợc phải đáp ứng các chỉ tiêu sau :

Thực hiện đúng quy trình, tiến trình công nghệ đã đặt ra

Độ tin cậy trong quá trình điều khiển cao và chính xác

Đảm bảo gọn nhẹ, đơn giản và thuận tiện cho việc vận hành

Có tính kinh tế và đáp ứng đợc về mặt mỹ thuật

- Theo nhiệm vụ của thiết kế của bản đồ án này, để tổng hợp mạch ở đây ta sử dụng phơng pháp hàm tác động

c

- Nội dung cơ bản, chủ yếu của phơng pháp này là biểu diễn những ảnh hởng của tác động đầu vào ( các biến đầu vào ) đối với từng trạng thái của hệ là ( các biến đầu ra ) theo một trình tự thời gian của quá trình công nghệ, sau đó xác

định hàm điều khiển cho các biến ra và trong quá trình thực hiện phải kiểm lại tra tính đúng đắn của hàm

2 Cấu trúc hàm điều khiển : ( phơng pháp hàm tác động )

- Hàm điều khiển bao gồm hàm đóng và hàm cắt

+ Hàm đóng [ Fđ () ] : - Là tổ hợp của các biến vào tác động cho một biến

đầu ra nào đó hoạt động (làm việc )

- Điều kiện là hàm đóng không đợc đổi trị trong suốt thời gian làm việc của biến ra đó

+ Hàm cắt [ Fc () ] : - Là tổ hợp của các biến vào tác động cho một biến

đầu ra nào đó ngừng hoạt động (nghỉ làm việc )

- Điều kiện là hàm cắt không đợc đổi trị trong suốt thời gian ngừng hoạt

III Tổng hợp mạch điều khiển bằng phơng pháp hàm tác động :

1 Xác định các biến điều khiển :

- Ta chọn các biến điều khiển cho hệ nh sau :

a Biến đầu vào :

- Từ hàm tác động ta thấy, trong một chu kỳ làm việc của công nghệ Mỗi chu

kỳ làm việc của một biến đầu vào thì biến đầu ra có nhiều chu kỳ, từ đây ta có một công thức tổng quát cho công nghệ là

F

c X F

l a X F

l a X F

c c d d

⇒ F( ) (X = a+x)⋅l⋅c⋅d

- Nhận xét hàm cắt của biến X ta thấy cũng không thoả mãn vì khi gặp tín hiệu

c là khoan phải đi lên với mạch nh thế này thì không thể thực hiện khoan tiếp ở hành trình thứ hai đợc Vì vậy ta phải đa thêm vào biến phụ p1

⇒ F( ) (X = a+x)⋅l⋅ (c+ p1) ⋅d

- Do biến phụ p1 không thể lấy ở biến đầu ra nào đợc Vì thế khi đa vào ta phải phân tích quá trình làm việc của biến phụ p1 Sau đó viết hàm tác động và xác định hàm điểu khiển của biến p1

- Ta nhận thấy p1 phải làm việc khi khoan đi xuống gặp C lần một và phải nghỉ việc khi đi xuống gặp D lần một của một chu kỳ làm việc

- Xác định hàm điều khiển của biến p1

( )

F

c p F

- Vì c là tín hiệu xung có rồi mất ngay ⇒ p1 mất theo, dùng biến phụ ⇒ Ta sử dụng ngay biến p1 làm biến phụ để duy trì cho biến c

a L F

x d L F

x c L F

c c d d

- kiểm tra hàm cắt Fc ( L ) ta thấy thoả mãn

Vậy hàm điều khiển đúng đắn của biến đi lên là

( ) (L c d l)x a

( ) ( ) ( )

4

2 1

3

2 1

2

2 1

1

v l V F

v x V F

v l V F

v x V F

d d d d

0

1 4

1 3

1 2

1 1

c V F

V F

b V F

d d c c

⇒ F( )V1 = (x⋅v2 +l⋅v2 +x⋅v2 +l⋅v2).(b+ 0 +c+ 0)

Hay : F( ) (V1 = x+l)v2⋅b⋅c

- Kiểm tra hàm đóng F(V1) thấy thoả mãn

c

- Nhận xét : Hàm cắt Fc2(V1) = 0, Fc4(V1) = 0 là vì tín hiệu cho phép cắt vận tốc V1 là a nhng nó cũng đồng thời là tín hiệu đóng cho biến vận tốc V1 ở hành trình đi xuống

- Kiểm tra hàm cắt F(V1) ta nhận thấy ở hành trình chuyển động đi lên của máy khoan khi mấu gạt tác động vào B, C thì máy khoan vẫn giữ nguyên vận tốc

V1 Do vậy hàm đóng của V1 không thoả mãn với yêu cầu của công nghệ ⇒ Vì thế ta phải hiệu chỉnh nh sau, sử dụng biến vận tốc chuyển động đi lên L làm biến trung gian để duy trì cho biến vận tốc V1 trong hành trình đi lên của máy

- Lúc này hàm điều khiển cho biến vận tốc V1 là

( )V1 (x (b p1 ) c l) v2

( ) ( ) ( ) ( )V l F

l V F

v c V F

v b V F

c c d d

2 1

1 2

2

1 2

- Kiểm tra hàm cắt của biến vận tốc V2 ta thấy thoả mãn

- Qua việc phân tích trên từ đây ta có thể tổng hợp toàn bộ hàm điều khiển của hệ nh sau :

c

v l c p b x V F

a x l d c L F

d l p c x a X F

⋅ +

=

⋅

⋅ + +

=

⋅ +

⋅ +

⋅

=

⋅

⋅ + +

=

⋅

⋅ +

⋅ +

=

1 1

1 2 2

2 1

1

1

) ) ( (

) (

- Vậy ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển của hệ nh sau :

IV Xây dựng sơ đồ nguyên lý :

1 Nhận xét chung về tốc độ công nghệ :

- Theo đề tài thiết kế công nghệ của máy khoan thì tốc độ V1 là tốc độ tịnh tiến của mũi khoan trong quá trình chuyển động lên, xuống ở chế độ không cắt gọt kim loại

- Tốc độ V2 là tốc độ tịnh tiến của mũi khoan ở chế độ cắt gọt kim loại, chỉ xuất hiện ở hành trình đi xuống và tốc độ này nhỏ hơn tốc độ V1

- Tốc độ V2 là tốc độ tịnh tiến của mũi khoan ở chế độ cắt gọt kim loại, chỉ xuất hiện ở hành trình đi xuống và tốc độ này nhỏ hơn tốc độ V

c

- Chuyển động đi xuống đợc thực hiện theo chiều quay thuận của động cơ, chuyển động đi lên thì động cơ đảo chiều và quay ngợc

- Trong hệ thống máy khoan ta sử dụng động cơ điện một chiều để làm dịch chuyển lên, xuống của máy khoan Điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp

đặt vào phần ứng của động cơ, Đảo chiều quay động cơ bằng cách đảo chiều cực tính dòng điện phần ứng động cơ

- Sử dụng phơng pháp này phù hợp với hệ thống động cơ công suất vừa và nhỏ, tần số đảo chiều không cao

- Để vận hành máy cần phải có một số chức năng sau :

• Các thiết bị bảo vệ phải đợc lắp đặt đầy đủ

• Khi dừng máy có hãm tái sinh

• Khi khoan đang làm việc mất điện thì động cơ dừng lại và không tự vận hành trở lại nếu không có ngời vận hành ấn nút khởi động trở lại

- Cùng với các chức năng trên ta còn phải đảm bảo các điều kiện sau :

• Khi có tín hiệu xuống (X) thì không thể có tín hiệu lên (L) và ngợc lại

• Khi có tín hiệu V1 thì tín hiệu V2 xẽ mất và ngợc lại khi có tín hiệu V2 xẽ không có tín hiệu V1

• Mạch lực : - Mạch lực bao gồm bộ biến đổi chỉnh lu một chiều có điều khiển sử dụng các van bán dẫn Tiristor Động cơ một chiều 15 (Kw)

3 Lựa chọn phơng án :

- Trong thực tế có thể chọn hai phơng án để lắp đặt mạch điều khiển lôgic cho

hệ thống :

• Sử dụng phần tử lôgic có tiếp điểm : Thờng đợc áp dụng cho các mạch

điều khiển đóng mở công suất lớn

• Sử dụng phần tử lôgic không tiếp điểm ( IC số )

- Trong khuôn khổ của đồ án này ta sử dụng phần tử điều khiển là phần tử có tiếp điểm

x l l x

2rm 3rm ra

42 38

44

111 112 113

32

101 102 103

vr t

V1, V2 – Thay thế bằng các công tắc tơ gia tốc 1G, 2G để điều khiển tốc

độ làm việc của máy khoan

L, X – Thay thế bằng các công tắc tơ đờng dây dùng để điều khiển các hành trình thuận và ngợc của máy khoan ( T, N )

- Để đảm bảo quá trình vận hành an toàn và sự cần thiết của việc bảo vệ các sự

cố xảy ra ta sẽ sử dụng thêm các khí cụ phụ trợ sau :

• Một rơle điện áp thấp RA để làm nhiệm vụ bảo vệ điện áp cực tiểu và bảo

vệ điểm không

• Các rơle dòng điện cực đại 1RM, 2RM, 3RM để vừa làm nhiệm vụ bảo vệ ngắn mạch lại vừa làm nhiệm vụ bảo vệ quá tải xung kích

• Rơle thời gian RTh

- Từ các phân tích trên ta có sơ đồ nguyên lý của hệ thống nh sau

c

Sơ đồ mạch động lực

c

x

l 4kh

2kh v 2

v 1

3kh

rtr x

l

3kh

2kh l

5 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý :

- Để hệ thống hoạt động ta đóng cầu dao CD, ấn nút mở máy M Công tắc tơ

RA có điện, tiếp điểm RA đóng lại duy trì điện cho toàn bộ mạch trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống Đồng thời công tắc tơ K trên mạch động lực có

điện đóng tiếp điểm K cho mạc lực cấp điện cho động cơ

- Tại A công tắc hành trình 1KH đóng ⇒ công tắc tơ X có điện, tiếp điểm T trên mạch động lực đóng, động cơ làm việc ở chế độ thuận ( mũi khoan dịch chuyển đi xuống ) Đồng thời công tắc tơ vận tốc V1 có điện, tiếp điểm V1 đóng

động cơ chạy thuận mũi khoan đi xuống với vận tốc V1

- Khi khoan đi xuống đến điểm B, công tắc hành trình 2KH tác động làm mất vận tốc V1 và có vận tốc V2⇒ Khoan vẫn đi xuống nhng với vận tốc là V2

- Tại C công tắc hành trình 3KH tác động, Làm mất điện công tắc tơ X và công tắc tơ vận tốc V2⇒ Khoan dừng chuyển động, đồng thời khi công tắc hành trình 3KH tác động làm cho công tắc tơ L có điện, tiếp điểm N trên mạch lực

đóng lại động cơ đảo chiều đi lên với vận tốc V1và Rơle trung gian RTr bắt đầu hoạt động Khi khoan chuyển động đi lên gặp B không làm thay đổi gì của hệ thống, khoan vẫn đi lên với vận tốc V1

- Đến khi gặp A công tắc hành trình 1KH tác động làm thay đổi hành trình hoạt động của khoan Công tắc tơ L mất điện, công tắc tơ X có điện ⇒ Động cơ

đi xuống với vận tốc V1

- Tại B công tắc hành trình 2KH tác động không làm ảnh hởng gì đến hành trình của khoan, do lúc này Rơle trung gian RTr vẫn đang hoạt động nên mạch vẫn đợc duy trì

- Tại C công tắc hành trình 3KH tác động ⇒ Làm thay đổi vận tốc của khoan, khoan vẫn tiếp tục đi xuống nhng với vận tốc là V2

- Tại D công tắc hành trình 4KH tác động ⇒ Làm cho công tắc tơ X & V2 mất

điện, khoan ngừng hoạt động tạm thời Đồng thời lúc này công tắc tơ L & V1 có

điện ngay, Rơle trung gian RTr mất điện ⇒ Khoan chuyển động đi lên với vận tốc là V1

- Khi khoan lần lợt đi qua các vị trí B, C hành trình không có gì thay đổi

Nh-ng khi gặp A thì côNh-ng tắc tơ L và côNh-ng tắc tơ vận tốc V1 mất điện, khoan dừng hoạt động chờ để khoan lỗ tiếp theo và chu trình đợc thực hiện tuần tự nh lúc

đầu Kết thúc một chu trình làm việc của công nghệ

- Ngoài ra trong sơ đồ ta còn sử dụng thêm một số phần tử phụ trợ sau :

c