Thiết kế hệ thống điều khiển cho công nghệ vẽ ở hình dưới đây

* Quy ớc các trạng thái của các tín hiệu điều khiển nh sau: + a =1: Nếu mũi khoan qua A & ra lệnh điều khiển mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 nếu mũi khoan đang đứng yên tại A; Còn ra l

SS

Thiết kế môn học : điều khiển lôgic

I.Nhiệm vụ :

Thiết kế hệ thống điều khiển cho công nghệ vẽ ở hình dới đây:

Trong đó :

Đờng nét liền với tốc độ V1

Đờng nét đứt với tốc độ V2

II.Nội dung

1.Thiết kế sơ đồ nguyên lí

2.Tính chọn thiết bị điều khiển

III.Thuyết minh và bản vẽ

1 Một quyển thuyết minh

2.Một bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý

IV.Yêu cầu thiết kế

Phơng pháp thiết kế : Ma trận trạng thái

Thiết bị chấp hành: Động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn

Lời mở đầu

Trong thời kỳ kinh tế hội nhập, có thể nói một 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 đó là năng suất và chất lợng sản phẩm làm ra Song song

là sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cở sở và hỗ trợ cho sự phát triển tơng xứng của lĩnh vực tự động hoá

A

B

C

D

m A

B

C

D X

L

ở nớc ta mặc dầu 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 tự động hoá các quá trình sản xuất đã có bớc phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lợng chất xám cao 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 từng ngõ nghách, vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm Một trong nhữnh

ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển công nghệ khoan Tự động hoá

điều khiển công nghệ khoan là quá trình tạo ra một lỗ thủng trên bề mặt vật thể có kích thớc chiều sâu định trớc Trong công việc thiết kế, tự động hoá điều khiển đợc thể hiện qua hai quá trình sau:

- Tự động hoá điều khiển công việc đa vật thể vào vị trí định trớc (xác định vị trí lỗ khoan)

- Tự động hoá đa mũi khoan vào khoan vật thể sau đó quay về vị trí cũ đễ đảm bảo cho quy trình tiếp theo

Chất lợng mũi khoan và năng suất làm việc phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ

điều khiển Quá trình làm việc đợc thực hiện theo một trật tự logic, theo trình 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,

một trong những phơng pháp đơn giản và dễ điều chỉnh là phơng pháp ma trận trạng thái.

MụC LụC

Lời nói đầu 4

Chơng 1: Giới thiệu công nghệ 4

1 mô tả và phân tích công nghệ Chơng 2: Xây dựng sơ đồ nguyên lý 6

1 Xác định các tín hiệu điều khiển và tín hiệu chấp hành 2 lập lu đồ trạng thái 8

3 lựa chọn các phần tử 11

4 hiệu chỉnh sơ đồ 12

5 bảo vệ hệ thống 14

6 thuyết minh hoạt động của sơ đồ 15

Chơng 3: Tính chọn các thiết bị 19

1 Động cơ

2

2 Thiết bị chấp hành

3 Thiết bị điều khiển 20

4 Thiết bị bảp vệ 21

Tài liệu tham khảo 23

Chơng I

giới thiệu công nghệ

Công nghệ khoan một lỗ hai giai đoạn đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí cùng với các máy cơ khí khác nh máy tiện , máy bào , máy doa …

m A

B

C

D X

L

1 Mô tả và phân tích công nghệ

Với yêu cầu xây dựng cấu trúc điều khiển công nghệ khoan hai giai đoạn chuyển động lên xuống với các vận tốc khác nhau

Theo công nghệ yêu cầu: Sau khi ấn nút mở máy động cơ sẽ đa mũi khoan đi xuống với vận tốc V1, hành trình này kéo dài từ A  B Khi mũi khoan đến B (gặp vật liệu) cần giảm tốc độ khoan xuống vận tốc V2 để khoan tiếp vật liệu Khi gặp

C lỡi khoan nhấc lên tháo phoi chuẩn bị cho giai đoạn khoan thứ hai

Quá trình đi lên đợc bắt đầu với vận tốc V1, quá trình kéo dài từ C A Khi gặp A khoan đảo chiều đi xuống với vận tốc V1

bắt đầu giai đoạn hai Khi gặp C (gặp phôi) bắt đầu khoan xuống với vận tốc

V2 cho đến khi gặp D khoan hết một lỗ khoan đợc nhấc lên với vận tốc V1 Đi lên gặp A thì dừng lại kết thúc quá trình khoan

Sau khi kết thúc một chu kì mũi khoan sẽ tự động dừng lại ở đầu quá trình đi xuống của chu kì mới Muốn thực hiện các lần khoan tiếp theo phải ấn nút mở máy Muốn dừng hoàn toàn trạng thái làm việc của hệ thống thì ấn nút Reset

Từ việc mô tả yêu cầu công nghệ ở trên ta thấy rằng việc thực hiện có thể sử dụng điều khiển theo nguyên tắc hành trình Bằng việc đặt tại các vị trí A, B, C, D các công tăc hành trình , ta sẽ thực hiện đợc trình tự đóng cắt mạch điều khiển một cách hợp lý, đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ

Ngoài việc cơ bản dùng nguyên tắc hành trình để điều khiển ta có thể sử dụng thêm các nguyên tắc điều khiển khác nh : nguyên tắc thời gian, nguyên tắc dòng

điện  để có thể hoàn thiện cấu trúc điều khiển

4

Chơng II

Xây dựng sơ đồ nguyên lý

1) Xác định các tín hiệu điều khiển & các tín hiệu chấp hành.

Từ phân tích ở trên, ta đã xác định nguyên tắc điều khiển chuyển động lên xuống của khoan máy là nguyên tắc hành trình Vì vậy, các tín hiệu điều khiển a, b,

c, d xác nhận vị trí của mũi khoan tại A, B, C, D trong mỗi chu kỳ chuyển động lên xuống

* Quy ớc các trạng thái của các tín hiệu điều khiển nh sau:

+ a =1: Nếu mũi khoan qua A & ra lệnh điều khiển mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 (nếu mũi khoan đang đứng yên tại A); Còn ra lệnh cho mũi khoan đảo chiều xuống với vận tốc V1, nếu trớc đó mũi khoan đang chuyển động lên với vận tốc V1

+ a =0: Khi mũi khoan rời khỏi A

+ b =1: Xác nhận mũi khoan ở tại B Ra lệnh mũi khoan tiếp tục chuyển động xuống với V2 , nếu trớc đó mũi khoan chuyển động xuống với V1; Còn nếu mũi khoan đang chuyển động lên với vận tốc V1 thì tiếp tục duy trì trạng thái cũ; Còn ra lệnh cho mũi khoan đi xuống với vận tốc V1, nếu trớc đó mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 ở lần khoan thứ hai

+ b =0: Khi mũi khoan rời khỏi vị trí B

+ c =1: Xác nhận mũi khoan qua C Ra lệnh cho mũi khoan tăng tốc từ V2 lên

V1 và chuyển động đi lên, nếu trớc đó mũi khoan chuyển động xuống với V2; Còn nếu trớc đó đang chuyển động lên với V1 thì tiếp tục duy trì trạng thái cũ Ra lệnh cho mũi khoan chuyển động xuống với vận tốc V2 nếu trớc đó chuyển động xuống với vận tốc V1

+ c = 0: Khi mũi khoan rời khỏi C

+ d =1: Xác nhận mũi khoan ở tại D Ra lệnh cho mũi khoan chuyển động đi lên với V1

+ d = 0: Khi mũi khoan rời khỏi D

Nh vậy, các tín hiệu a, b, c, d là các tín hiệu xung

* Các tín hiệu chấp hành (tín hiệu ra) là: X, V.

Trong đó:

X =1: là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để mũi khoan chuyển động đi xuống

X = 0: là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để mũi khoan chuyển động đi lên

V = 1:là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để mũi khoan chuyển động với vận tốc V2

V = 0: là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để mũi khoan chuyển động với vận tốc V1

Các tín hiệu chấp hành sẽ xuất hiện khi một tổ hợp nhất định của các tín hiệu

điều khiển tác động nhằm điều khiển mũi khoan chạy đúng ý đồ thiết kế

* Xác định các trạng thái có thể có của hệ thống.

Từ công nghệ ta thấy các trạng thái có thể có của hệ thống trong một chu kỳ

nh sau:

Trạng thái 1 : là trạng thái mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 từ A  B Trạng thái 2 : là trạng thái mũi khoan đi xuống với vận tốc V2 từ B  C Trạng thái 3 : là trạng thái mũi khoan đi lên với vận tốc V1 từ C  B

Trạng thái 4 : là trạng thái mũi khoan đi lên với vận tốc V1 từ B  A

Trạng thái 5 : là trạng thái mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 từ A B

Trạng thái 6 : là trạng thái mũi khoan đi xuống với vận tốc V1 từ B C

Trạng thái 7 : là trạng thái mũi khoan đi xuống với vận tốc V2 từ C D

Trạng thái 8 : là trạng thái mũi khoan đi lên với vận tốc V1 từ DC

Trạng thái 9 : là trạng thái mũi khoan đi lên với vận tốc V1 từ C B

Trạng thái 10 : là trạng thái mũi khoan đi lên với vận tốc V1 từ BA

2) Lập lu đồ chuyển trạng thái.

Từ hoạt động của hệ thống ta có lu đồ chuyển trạng thái trong mỗi chu kỳ hoạt

động nh sau:

Để đơn giản trong tính toán các trạng thái dùng 3 rơle trung gian A, B, C để thay đổi tín hiệu xung thanh tin hiệu liên tục

Với A=(a+A)b

B=(b+B)a.c

C=(c+C)a.d

6

T r

a b

6

Với X = 1 Chuyển động xuống

0 Chuyển động lên(L)

V = 1 Chuyển động với vận tốc v2

0 Chuyển động với vận tốc v1

Ta có Graf trạng thái

Từ Graf trạng thái ta có ma trận trạng thái M1

TT

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

Sơ đồ sát nhập hàng

1 2 3

ABCD XV

A D

D D

D

C C

B

A D

D D

D

C C

B

P

K

P

K

A D

D D

D

C C

B

K

P

A D

D D

D

C C

B

K

P

Ma trËn chuyÓn dÞch M 2

(2)

10

(1)

00

(3)

00

8

11

(7)

10

(6)

10

(5)

00

(8)

00

(9)

00

Ma trËn cã 4 hµng nªn cÇn chän Ýt nhÊt 2 biÕn trung gian

Chän 2 biÕn trung gian lµ K vµ P

M· ho¸ biÕn trung gian

Ma trËn biÕn K

F( k ) = AK+ BK+ CP = (A+B)K + CP

Ma trËn biÕn P

F(k) = Ak+ Ap

Ma trËn biÕn ra

(1) (2) (3) (4) (8)(9)(10) (5) (6) (7)

8

K

P

K

P

K

A D

D D

D

C C

B

A D

D D

D

C C

B

Ma trận biến X

F( x ) = kp+kp

Ma trận biến V

F(V) = Bkp+ Ckp

3 Các phần tử:

Từ các phơng trình thu đợc ta quy ớc chọn các phần tử nh sau:

*Chọn các tín hiệu đầu vào a,b,c,d là các công tắc hành trình

-Tín hiệu a:Sử dụng công tắc hành trình a

-Tín hiệu b:Sử dụng công tắc hành trình b

-Tín hiệu c:Sử dụng công tắc hành trình c

-Tín hiệu d:Sử dụng công tắc hành trình d

Các tín hiệu ra ta sử dụng các công tắc tơ:

-Tín hiệu X, L :Sử dụng các công tắc tơ đờng dây điều kiển các hành trình lên & xuống (L, X)

-Tín hiệu V :Sử dụng công tắc tơ V đóng cắt tiếp điểm mạch rôto điểu khiển tốc độ làm việc của động cơ

Trạng thái

Các biến trung gian cũng dùng các rơle trung gian

-Biến trung gian k :Sử dụng Rơle trung gian K

-Biến trung gian p :Sử dụng Rơle trung gian P

Từ các phơng trình ta có sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nh sau:

4.Hiệu chỉnh sơ đồ

Với sơ đồ trên hệ thống sẽ không thể hoạt động ổn định và an toàn cụ thể: gặp

sự cố mất điện bất thờng khi hệ thống đang hoạt động ở một vị trí bất kỳ các rơle sẽ lập tức ngừng tác động để hoạt động trở lai sẽ khó khăn

Các rơ le trung gian K, P đợc duy trì lần lợt qua các tiếp điểm A, B, C việc chuyển đổi nối mạch giữa các tiếp điểm này rất dễ làm cho rơle K, P ngừng hoạt

động, hệ thống sẽ chuyển động không đúng theo quy trình công nghệ

Các tiếp điểm bố trí phức tạp độ tin cậy của hệ thống điều khiển không cao

Phấn tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ ta có bảng tóm tắt hoạt động của các phần tử nh sau:

Phần tử

10

X

C

b c

C

d

c B

b a

A

A

P K C B

P

L

X K K P P P

P

K

A

V L X

A

C B

A

Cc1 Cc1

o

19 17

L

7

Cc2

Cc1 At

P

2

43

41 39 37 35 33 31 29 27 25 23 21

45

15 13 11 9

7 5 1

X X X

Đ

V V

B C

Cc1

c b

M

Rs M

D a

K

d Rs

Rs

c K

a

X L

V

P

K

P

P P K

X L

P K V

K P

L L L

(2) 0 1 0 0 0 1 0 0 1

Ta thấy trong một chu kỳ hoạt động

Rơle K tác động liên tục từ đầu trạng thái 3 đến hết trạng thái 7 (khi công tăc hành trình d tác động)

Thay F(k)=(cP+K).d

Rơle P tác động liên tục từ đầu trạng thái 5 đến hết chu trình hoạt động

Thay F(p)=( K+a).p

Bổ xung một rơle trung gian (D) để điều khiển dừng hệ thống khi hết một chu

kỳ hoạt động với F(D)=P.a

Bổ xung một rơle mở máy (M) để điều khiển việc mở máy

Bổ xung một nút ấn Reset (Rs) để đa hệ thống trở lại vị trí ban đầu khi gặp sự

cố Rs bao gồm hai tiếp điểm thờng mở và một tiếp điểm thờng đóng Một tiếp điểm thờng mở nối song song với tiếp điểm nút ấn M, một tiếp điểm thờng mở nối song song với tiếp điểm P của cuộn P, tiếp điểm thờng đóng mắc nối tiếp với cuộn hút rơle K

để giảm bớt công suất tiêu thụ của mạch điều khiển đồng thời giảm các rơle trung gian A, B, C ta thay đổi

F(v)=(b.K.P+c.K.P+V).L

5 Bảo vệ hệ thống

Với một sơ đồ cấu trúc đơn giản nh trên, mạch chỉ đủ đảm bảo cho việc hệ thống có khả năng làm việc theo yêu cầu công nghệ đã đề ra nhng để đảm bảo an toàn và vận hành tốt mạch điều khiển chúng ta cần phải thiết kế thêm một số phần khác có chức năng đặc biệt

Theo yêu cầu của đầu bài là sử dụng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn nên ta cần phải có những biện pháp bảo vệ tránh động cơ gặp những sự cố khi làm việc

-Bảo vệ ngắn mạch:

Khi các dây pha bị sự cố gây ngắn mạch sẽ gây ra dòng điện lớn có thể đánh thủng các cách điện, cháy động cơ, hỏng các thiết bị điều khiển, gây nguy hiểm cho

hệ thống và ngời vận hành Ta cần dùng các thiết bị đóng cắt nhanh để nhanh chóng cắt hệ thống ra khỏi lới điện trớc khi dòng ngắn mạch kịp phá huỷ thiết bị điện Để thực hiện điều này ta dùng aptômát đóng cắt và bảo vệ dòng điện cực đại có nhiệm

vụ cắt dòng điện khi dòng lớn hơn dòng cho phép.Vì động cơ kéo mũi khoan chuyển động lên xuống hoạt động theo chế độ chu kỳ ( chế độ ngắn hạn lặp lại), ngoài ra bố trí thêm một cầu chì Cc1 để đảm bảo an toàn khi gặp sự cố ngắn mạch

-Bảo vệ quá dòng (Bảo vệ dòng điện cực đại ) :

Đó là sự quá tải tạm thời khi có sự cố(I > 2,5 Iđm) do đó có thể gây ra lực điện

động lớn làm hỏng các thiết bị truyền động và các tiếp điểm cơ khí và các bộ phận của máy nh các bối dây, cổ góp… vì thế rất cần đợc bảo vệ Để bảo vệ quá dòng ta

sử dụng aptômát cắt mạch nguồn Vì bảo vệ ngắn mạch ta cũng dùng atômát này cho nên việc sử dụng aptômát đã đồng thời có 2 chức năng bảo vệ và chức năng

đóng cắt mạch điện

-Bảo vệ cực tiểu và bảo vệ điểm không.

Khi điện áp lới giảm thấp dới trị số cho phép, động cơ sẽ hoạt động không ổn

định phải cắt mối liên hệ giữa nguồn và động cơ

Để thực hiện bảo vệ cực tiểu hoặc bảo vệ điểm không, ta sử dụng rơ-le điện áp thấp kiểu điện từ cho rơle M nh vậy rơle M vừa có nhiệm vụ điều khiển quá trình

mở máy vừa bảo vệ cực tiểu Khi mất điện các rơle sẽ lập tức ngừng tác động nên không phải thiết kế thêm rơle bảo vệ không

12

Để bảo vệ ngắn mạch mạch điều khiển ta dùng cầu chì tự chảy CC1

Sau khi hiệu chỉnh ta có sơ đồ:

5.Thuyết minh hoạt động của sơ đồ

Sơ đồ thực hiện điều khiển chuyển động lên xuống của máy khoan Hết một hành trình mũi khoan sẽ tự động dừng lại ở đầu hành trình xuống Muốn thực hiện một hành trình tiếp theo thì phải nhấn lại nút mở máy M

Hoạt động của sơ đồ nh sau:

Trớc hết, muốn thực hiện một hành trình, ta nhấn nút mở máy M để cấp điện cho cuộn hút của rơle M Tiếp điểm M(5-7) đóng lại duy trì điện áp cấp cho mạch

điều khiển chừng nào điện áp đạt trị số cho phép Do ban đầu bàn máy đã ở hành trình thuận, nên tiếp điểm c(7-9) và tiếp điểm Rs(7-17) cha đóng, hai rơle trung gian K và P cha tác động, các tiếp điểm thờng đóng K(7-27) và P(27-23) đóng mạch cung cấp điện cho cuộn hút X(25-2), công tắc tơ X tác động đóng các tiếp

điễm X trên mạch động lực động cơ đợc đóng điện đa mũi khoan chuyển động

Cc1 Cc1

o

19 17

L

7

Cc2

Cc1 At

P

2

43

41 39

37 35 33

31 29 27

25 23

21

45

15 13 11

9

7

5

3

1

X X X

Đ

V V

B C

Cc1

c b

M

Rs

M

D

a

K

d Rs

Rs

c K

a

X

L

V

P

K

P

P P K

X

L

P K V

K P

A

R f R f R f

L L L

xuống, đồng thời tiếp điểm b(7-31) hở mạch Cuộn hút V(37-2) cha đợc cung cấp

điện, rơ le V cha tác động, các tiếp điểm thờng đóng V trên mạch rôto vẫn đóng mạch, cắt Rf ra khỏi mạch rôto động cơ, mũi khoan chuyển động xuống với vận tốc

V1

Tiếp tục hành trình chuyển động xuống tới B, công tăc hành trình b đóng tiếp

điểm b(7-31), cuộn hút V(37-2) đợc cung cấp điện Rơle V tác động đóng tiếp

điểm V(7-35) để duy trì điện áp cho cuộn hút rơle V đồng thời mở các tiếp điểm th-ờng đóng V trên mạch động lực đa Rf vao mạch rôto của đông cơ, động cơ chuyển

động với vận tộc V2, trong khi đó công tắc tơ X vẫn đợc duy trì mũi khoan chuyển

động xuống với vận tốc V2.

Tới C, công tăc hành trình c đóng tiếp điểm c(7-9), khi đó rơle P cha tác động nên tiếp điểm thờng đóng P(9-11) đang đóng cuộn hút K(15-2) đợc cung cấp điện, rơle K tác động đóng tiếp điểm K(7-11) để duy trì điện áp cho cuộn hút K, mở tiếp

điểm thờng đóng K(7-27) làm công tắc tơ X ngừng tác động các tiếp điểm X trên mạch động lực mở ra quá trình chuyển động xuống của động cơ dừng lại, đồng thời tiếp điểm thờng đóng X(5-29) đóng lại cấp điện cho cuộn hút L(2-29), công tắc tơ

L tác động đóng các tiếp điểm L trên mạch động lực động cơ làm động cơ quay theo chiều ngợc lại kéo mũi khoan chuyển động lên đồng thời mở tiếp điểm thờng

đóng L(35-37) cuộn hút V(2-37) mất điện công tắc tơ V ngừng tác động làm các tiếp điểm thờng đóng V trên mạch động lực đóng lại loại Rf ta khỏi mạch rôto,

động cơ chuyển động với vận tốc V1. Mũi khoan chuyển động lên với vận tốc V1

Tiếp tục hanh trình tới B, công tăc hành trình b đóng tiếp điểm b(7-31), song

do tiếp điểm K(31-33) vẫn mở nên mũi khoan tiếp tục chuyển động lên với vận tốc

V1.

Chuyểnđộng lên tới A công tăc hành trình a đóng tiếp điểm a(7-19), cuộn hút P(2-15) đợc cập điện theo đờng (7-a-19-K-17-P-2), rơle P tác động đóng tiếp điểm P(7-17) để duy trì điện áp cho rơle P tiếp tục tác động, đóng tiếp điểm P(21-33)

đồng thời khi đó rơle K vẫn tác động, tiếp điểm K(7-21) vẫn đóng, cuộn hút X(2-25) đợc cấp điện công tắc tơ X tác động mở tiếp điểm X(7-29) cắt điện cuộn hút L(2-29) công tắc tơ L ngừng tác động các tiếp điểm L trện mạch động lực mở chuyển động lên dừng lại đồng thời đóng các tiếp điểm X trên mạch động lực, động cơ quay ngợc lại kéo mui khoan chuyển động xuống Rơ le V không tác động nên mũi khoan chuyển động xuống với vận tốc V1

Chuyển động xuống tới B, công tăc hành trình b đóng tiếp điểm b(5-31) nhng các rơle K, P vẫn tác động, công tắc tơ V khống tác động nên mũi khoan tiếp tục chuyển động xuống với vận tốc V1

14