Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ như hình vẽ bằng phương pháp grafcet với mạch động lực dùng động cơ xoay chiều roto dây quấn

trờng đại học bách khoa hà nộikhoa ĐIện bộ môn tự động hoá xncn thiết kế môn học điều khiển logic đồ án môn học Sinh viên : Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ nh hình vẽ bằn

trờng đại học bách khoa hà nội

khoa ĐIện

bộ môn tự động hoá xncn

thiết kế môn học

điều khiển logic

đồ án môn học

Sinh viên :

Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ nh hình vẽ bằng phơng pháp grafcet với mạch động lực dùng Động cơ xoay chiều roto dây quấn

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý

- Tính chọn thiết bị điều khiển với công suất truyền động P=7kw

- Thiết kế sơ đồ lắp ráp

- 1 quyển thuyết minh

- 2 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp

cán bộ hớng dẫn

Mở đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, 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 sản xuất và chất lợng sản phẩm làm ra Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu

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 sự tự động hoá các quá trình sản xuất đã có b ớc 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 nhng ở đây ta sử dụng phơng pháp GRAPCET 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.

Sinh viên

Công nghệ : Khoan một lỗ hai giai đoạn

Máy khoan đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí Bên cạnh các máy móc cơ khí khác nh các máy tiện, máy doa, máy bào giờng, bào xọc dần dần đợc tự động hóa theo một dây chuyền ngày càng hiện đại Các máy khoan cũng đợc tự động hoá theo dây chuyền nhằm nâng cao năng suất và giảm sự nặng nhọc cho ngời công nhân

Trong đó công nghệ khoan một lỗ hai giai đoạn cũng đợc sử dụng trong các nhà máy cơ khí, nhà máy sửa chữa và chế tạo máy

Trong môi trờng làm việc nặng nhọc công nghệ yêu cầu :

- Khoan làm việc ổn định, chắc chắn

- Tần số làm việc lớn

Theo phơng pHáp Grapcet

1 Grapcet - công cụ để mô tả mạch trình tự trong công nghiệp

Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp, các thiết bị máy móc thờng hoạt

động theo một trình tự lôgic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lợng sản phẩm, an toàn cho ngời và thiết bị Cấu trúc làm việc trình tự của dây chuyền đã đa ra yêu cầu cho điều khiển là điều khiển sự hoạt động chặt chẽ thống nhất của dây chuyền đồng thời cũng gợi ý cho ta sự phân nhóm lôgic của automat trình tự bởi các tập hợp con của máy móc và các thuật toán Ta có sơ đồ khối :

Cấu trúc

điều khiển

Tín hiệu

Quá trình công nghệ có thể bao gồm :

- Hoàn toàn tự động

- Bán tự động

- Hoàn toàn bằng tay

Khi thiết kế hệ thống phải tính toán đến các phơng thức làm việc khác nhau để đảm bảo an toàn và xử lí kịp thời các h hỏng trong hệ thống Phải luôn

có phơng án can thiệp trực tiếp của ngời vân hành đến việc dừng máy khẩn cấp Grapcep là công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của công nghệ tự động hoá các quá trình công nghệ kể trên

2.Phơng pháp Grapcet

Yêu cầu công nghệ :

 a, b, c, d là các công tắc hành trình cảm nhận vị trí của lỡi khoan

 Hoạt động :

Khoan đi xuống với vận tốc V1 gặp ‘B’ (gặp vật liệu) giảm tốc độ khoan với vận tốc V2 Xuống gặp ‘C’ lỡi khoan nhấc lên tháo phoi chuẩn bị cho giai đoạn khoan thứ hai

Đi lên với vận tốc V1 gặp ‘A’ khoan đảo chiều đi xuống với vận tốc V1 bắt đầu giai đoạn hai Đi xuống gặp ‘C’ (gặp phôi) bắt đầu khoan xuống với vận tốc V2 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 3.Xây dựng grafcet1:

Trạng thái ban đầu Đã ở Trạng thái ban đầu

Trạng thái xuống vận tốcV1

Đã ở trạng thái Đã ở trạng thái xuống với V 1 lần 1 xuống với V 1 lần 2

Trạng thái đi Trạng thái đi xuống với V 2 xuống với V 2

xuống với V 2 đi xuống với V 2

Trạng thái đi lên Trạng thái đi lên với V 1 lần 1 với V 1

Đã ở trang thái đi Đã ở trang thái đi lên với V 1 lần 1 lên với V 1 lần 2

1

2

3

4

5

0 0 0

4

5 3

4>Xây dựng G2:

g

0o00

0000

m,a

XV1 1

b c

XV2 XV2

2

c d

LV1 LV1

a

a

5> Xác định hàm điều khiển cho các trạng thái:

Từ G2 ta có:

S0+ =g+a.S5 S3+ = cS2

S1+=(m+a)So + bS3 S4+ = cS1

S1 - = S2 + S4 S4- = S5

S2+ = bS1 S5+ = dS4

0

S2- = S3 S5 -= S0 6/ Nhận xét về mạch điều khiển :

* Có thể dùng chính m làm tín hiệu xác lập So ( bỏ g đi )

* Sơ đồ còn thiếu bảo vệ mất điện và thiếu điều khiển dừng

* Nguyên tắc bảo vệ khi mất điện :

Động cơ sẽ tự động (cho mũi khoan) chạy ngợc trở lại (L1) trạng thái ban đầu So

Khi có điện trở lại và chờ ở đó cho đến khi có tín hiệu mở máy m

* Nguyên tắc dừng :

Khi ấn nút dừng, động cơ sẽ cho múi khoan chạy ngợc trở về (L1) trạng thái ban đầu So và chờ tín hiệu cho phép hoạt động trở lại (m)

Nh vậy ở mạch điều khiển, ta tổ chức thêm một trigơ trạng thái M để thực hiện công việc trên

M+ = m

M- = Dg

Dg là nút ấn dừng

Do khi ấn Dg thì hệ thống tự động trở về trạng thái ban đầu nên tín hiệu Reset

là không cần nữa

Sơ đồ mạch điều khiển hoàn chỉnh : xem trang sau

Việc thay đổi trên dẫn đến sự thay đổi tơng ứng ở mạch chấp hành :

Các khâu liên động các tiếp điểm thờng đóng : GX,GL,GV1,GV2 là để bảo vệ chống tác động nhầm

Khi mất điện, tiếp điểm M(5-7) đóng lại (khi bắt đầu làm việc, ấn nút mở máy -> M xác lập -> cuộn hút M có điện -> M(5-7) mở ra) Khi có điện trở lại -> cuộn hút GL và GV1 có điện -> động cơ cho mũi khoan chạy lên (do So(4-5)

đóng) Khi gặp A, So đợc xác lập, cuộn hút So có điện -> tiếp điểm So(4-5) mở

ra Hệ thống ở trong trạng thái sẵn sàng làm việc Chỉ khi ấn nút m thì tiếp

điểm M(4-6 )mới đóng lại, M(5-7) mở ra, hệ thống làm việc bình thờng

Khi hệ thống đang hoạt động, nếu ấn nhầm nút m thì cũng sẽ không có trục trặc gì vì khi đó M vẫn xác lập, tiếp điểm M(5-7) vẫn mở, tiếp điểm M(4-6) vẫn đóng,

Muốn dừng hệ thống, ấn nút dừng Dg-> trạng thái M bị xoá về 0, cuộn hút M mất điện -> tiếp điểm M(4-6) mở ra, tiếp điểm M(5-7) đóng lại Nếu hệ thống đang ở trạng thái So thì tiếp điểm So(4-5) mở ra và không có vấn đề gì Nếu là khác So thì tiếp điểm So(4-5) đóng -> cuộn hút GV1 và GL có điện ->

động cơ cho mũi khoan chạy lên, trở về So So đợc xác lập thì tiếp điểm So(4-5) mở ra, hệ thống ngừng hoạt động

Muốn hệ thống hoạt động trở lại, ấn nút m -> tiếp điểm M(4-6) đóng, hệ thống làm việc bình thờng

7> Lựa chọn các phần tử cho mạch điều khiển :

Từ sơ đồ điều khiển hoàn chỉnh ( xem trang trớc ) -> ta cần có :

8 phần tử OR

7 phần tử AND

7 phần tử trigơ RS

6 rơ le trung gian

6 điôt và 6 tranzistor

Vậy ta chọn :

* 2 IC 74LS32 (4 OR) – họ TTL - áp nuôi : + 5V

* 2 IC 74LS08 (4 AND) – họ TTL - áp nguồn nuôi : + 5V

* 2 IC 74LS279 (4 trigơ RS) – họ TTL - áp nuôi : + 5V

* 6 rơle trung gian loại P 500, 3 tiếp điểm phụ, 4 tiếp điểm chính có :

Uhút = 12V ( DC )

I td = 10A Kích thớc 70x30x65 (mm)

* 6 Trazistor loại C338 có nguồn nuôi là 12V

Toàn bộ các phần tử, ngoại trừ các rơle trung gian, đợc bố trí trên một board mạch bakêlit

Bố trí sơ be các phần tử trên board nh sau :

1 Chân nguồn +5V

2A,2B -> 7A,7B : 12 chân cho điôt bảo vệ các rơle trung gian lần l ợt : M, So, V1, X, V2, L

8 chân nguồn +12V

9->14 : 6 chân nhận tín hiệu vào, lần lợt: m, Dg, A,B,C,D

15 Chân GND

Kích thớc của board cỡ 90 x 65 (mm) -> 100 x 70 (mm)

Ch ơng III - Thiết kế mạch lực

III.1 Yêu cầu chung :

Mạch lực là mạch chấp hành của mạch điều khiển Trên đó có thiết kế bảo vệ cho mạch

Các dạng bảo vệ cơ bản gồm :

+ Bảo vệ ngăn mạch

+ Bảo vệ quá tải xung kích và quá tải dài hạn

+ Bảo vệ áp thấp

+ Bảo vệ mất pha

+ Bảo vệ từ trờng …

Vì phơng án mạch lực ở đây là động cơ Rôto dây cuốn nên không phải bảo vệ mất từ trờng

Để bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá tải đỉnh nhọn và để đóng cắt -> dùng Aptômat

Bảo vệ quá tải dài hạn : dùng rơle nhiệt

Bảo vệ điện áp thấp : dùng một rơ le điện áp cực tiểu

Bảo vệ mất pha : Rơle nhiệt

III.2 Mạch lực :

Xem sơ đồ trang sau

Trong đó :

4 Công tắc tơ GL,GV1,GV2,GX điều khiển cho động cơ chạy thuận, chạy ngợc, và điều chỉnh tốc độ động cơ theo một cấp điện trở phụ

Tốc độ định mức của động cơ tơng ứng với V1, tiếp điểm V1 trên mạch động lực đóng Tốc độ V2 tơng ứng khi động cơ có thêm cấp điện trở phụ R, khi đó tiếp điểm GV1 trên mạch lực mở

Tiếp điểm M(4-6), M(5-7), So(4-5) có tác dụng trong quá trình mở máy, dừng máy, mất điện (xem phần thuyết minh)

Các khâu liên động GX(7-8), GV2(7-9), GV1(10-11), GL(12-13) để bảo

vệ tránh tác động nhầm

Các tiếp điểm L(6-7), V1(6-7), V2(6-10), X(6-12) là các tiếp điểm của các rơle trung gian, nhận tín hiệu từ mạch điều khiển, đóng cắt điện cho các công tắc tơ

III.3 Lựa chọn các phần tử :

1/ Động cơ : 7KW - Động cơ KDB rôto dây quấn -> Chọn động cơ MT 21-6 của Liên Xô, các số liệu kĩ thuật :

nđm = 1450 v/ph = Mmm : Mđm = 2,9

Uđm = 380/220v % = 88% Cos đm = 0,88

I1đm=P/3.U..cosđm=14.7(A)

2/ Lựa chọn công tắc tơ

Với động cơ rô to dây quấn , lấy hệ số mở máy là 2,5 Suy ra dòng mở máy (dòng qua tiếp điểm điểm chính công tắc tơ là : 2,5 14,7 = 36,75 A )

Suy ra chọn loại kT 521 , I đm = 50 A , có dập hồ quang trọng lợng 6 kG Có 3 tiếp điểm chính và 6 tiếp điểm phụ

 Kiểm tra tiếp điểm của các Rơ le trung gian

Vì I đm của công tắc tơ là 50 A ,suy ra công suất cuộn hút sẽ không quá

150 w , do vậy dòng qua tiếp điêm Rơ le trung gian sẽ nhỏ thua 150:

380  0,39 A

Trong khi đó tiếp điểm của rơ le trung gian chịu đợc dòng 10 A  đảm bảo Kích thớc của loại công tắc tơ này là 95* 120*140* mm

3/ Rơ le điện áp cực tiểu RU

Chọn loại  H 528 / 320 , kích thớc 55* 70* 100 mm

Điện áp định mức là 380 V ; trọng lợng 1,1 k G

4/ Chọn Aptomat 3 pha

Chọn loại EA53G - do Nhật chế tạo

Dòng định mức 50A , Uđm =380V , dòng Ngấn mạch 5kA

5/Chọn loại Rơle nhiệt bảo vệ quá tải

Chọn loại Rơle 2cực TPH-20 của Liên Xô

Khi Iqt=1.2*Iđmtác động sau 20 phút

Iqt=6*Iđm tác động sau 4-15s

Phần tử đốt nóng của Rơle có thể thay thế với dòng Iđm lớn nhất là 20A Rơle có nút ấn phục hồi , trọng lợng 0.25kg

Kích thớc đế là 94*128mm

III.4/ Thuyết minh sơ đồ nguyên lý:

1>Hoạt động bình thờng:

Khi đóng Aptomat, mạch lực và mạch điều khiển đều có điện và ở trạng thái sẵn sàng làm việc.Lúc này: tiếp điểm So (4-5)mở(do So xác lập ), tiếp điểm M(4-6 )vẫn mở, do đó các công tắc tơ cha đợc cấp điện

Khi ấn nút mở máy cuộn hút Rơ le trung gian Rtg có điệntiếp điểm M(4-6)

đóng lại ,M(5-7) mở ra Đồng thời do ấn m, dẫn đến cuộn hút Rtg X có điện (So xác lập và có tín hiệu từ công tắc hành trình A)tiếp điểm X(6-12) đóng lạicuộn hút công tắc tơ GX có điện động cơ cho mũi khoan đi xuống với vận tốc V1(do S1 trên mạch điều khiển xác lập nên Rtg V1 có điện tiếp

điểm V1 (6-7) đóng lạicông tắc tơ GV1 có điện: cắt cấp điện trở phụ khỏi Roto)

Khi hệ thống đi đợc hành trình ABcó tín hiệu B gửi về mạch điều khiển

trạng thái S2 xác lập , xoá trạng thái S1 ,các cuộn hút Rtg X và Rtg V2 có

điệntiếp điểm X(6-12) và tiếp điểm V2(6-10) đóng lại  côNg tắc tơ GX vàGV2 có điện, điều khiển động cơ quay với vận tốc V2 và cho mũi khoan tiếp tục đi xuống

Khi gặp C: tín hiệu gửi từ côNg tắc hành trình vềxác lập trạng thái S3 ,xoá trạng thái S2 (vì X,V2 mở ra)cuộn hút các Rơle trung gian Rtg V1và Rtg L

có điện các tiếp điểm L(6-7) và V1(6-7) đóng công tắc tơ GV1 và GL có

điện đảo truyền động mũi khoan đi lên với vận tốc V1

Quá trình diễn ra tiếp tục và tơng tự nh trên

Khi gặp A lần 2 : So xác lậpS1 xác lập Vì vậy Rtg X và Rtg V1 có điện tiếp điểm X , V1 đóng lại công tắc tơ GX ,GV1 có điện động cơ điều chỉnh mũi khoan chuyển động xuống với vận tốcV1

Khi gặp C lần 2: S4 xác lập , xoá trạng thái S1 , đồng thời : Rơle trung gian Rtg X, Rtg V2 có điện động cơ điều chỉnh mũi khoan xuống với vận tốcV2 Khi gặp D: S5 xác lập , quay về xoá S4 , và Rtg L, RtgV1 có điện động cơ

điều chỉnh mũi khoan đi lên với vận tốcV1

Gặp A lặp lại chu trình

2>Các vấn đề xảy ra:

*ấn nút dừng Dg :  cuộn hút RTg M mất điện  TĐ M(5-7) đóng,

M(4,6 )mở ra  các CTT GV1 & GL có điện Hệ thống tự động trở về trạng

thái ban đầu Khi đó S0 xác lập  TĐ S0 mở  các CTT mất điện hoàn toàn hệ thống chỉ hoạt động trở lại khi ấn m ( nh trờng hợp mở máy bình thờng )

* Mất điện : Tơng tự trờng hợp ấn Dg, cuộn hút RTg M mất điện Chỉ khác

ở chỗ , hệ thống chỉ trở về trạng thái ban đầu một cách tự động khi có điện trở lại

* Sự cố quá tải: Rơ le nhiệt sẽ tác động ( trờng hợp mất pha cũng vậy )  tiếp điểm RN(1-2) mở ra  rơle điện áp thấp mất điện  tiếp điểm RU(1-4)

mở ra  các công tắc tơ mất điện hoàn toàn Khi muốn hồi phục lại ta phải ấn nút phục hồi cho tiếp điểm RN(1-2),  Rơle RU có điện  TĐ RU(1-4) đóng lại , tình huống xảy ra nh trờng hợp mất điện rồi có điện trở lại

* Điện áp quá yếu rơle cực tiểu RU sẽ nhả tiếp điểm RU(1-4) ra  cắt

điện Khi đủ áp nó lại đóng tiếp điểm RU(1-4 )lại , hệ thống phúc hồi hoạt

động bình thờng

* Khi quá tải xung kích hoặc ngắn mạch thì Aptomat sẽ nhảy Sau khi sửa chữa sự cố ta phải đóng Aptomat trở lại khi muốn hệ thống hoạt động

* Trong quá trình hoạt động nếu có ấn nhầm nút mở máy m thì cũng không

có vấn đề gì vì khi đó RTg M vẫn có điện , Hệ thống làm việc bình thờng

* Với bộ nguồn:

Nhận điện áp dây 380V qua hai cổng In1 & In2

Cho ra hai mức điện áp 12V & 5V DC qua hai cổng ra Out1 (5V) và Out2 (12V)

* Ngoài bảng điện ta có:

- Nút ấn dừng Dg

- Nút ấn mở máy m

- 4 công tắc hành trình gửi đến 4 điểm nối:

A CTHT , B CTHT , C CTHT và D CTHT

- Động cơ gửi đến 6 đầu nối: 3 của Stato và 3 của Rôto:

A Đc , B Đc , C Đc để cấp điện vào stato

A’ DC , B’ Đc , C’ Đcđể đa ( hoặc cắt ) cấp điện trở phụ vào Rôto qua vành trợt

- Nguồn điện ; 3 đầu nối A Ng , B Ng , C Ng

 Trên bảng điện , có 4 lỗ ở 4 góc để bắt vít