Bài Giảng Cơ Sở Lý Thuyết Về Khí Nén

 Đọc và phân tích được các hệ thống điều khiển bằng khí nén, thủy lực, điện thủy lực trong thực tế.. hướng dòng chảy của khí nén theo các mạch để điều khiển cơ cấu chấp hành.. ỨNG DỤN

TR ƯỜNG TRUNG CẤP NGHỀ GIA LAI NG TRUNG C P NGH GIA LAI ẤP NGHỀ GIA LAI Ề GIA LAI

Mục đích của môn học

 Hiểu chức năng, nguyên lý làm việc của các phần tử khí nén,

điện -khí nén, thủy lực, điện thủy lực.

 Có kiện thức để thiết kế mạch điều khiển khí nén, điện khí nén,

thủy lực, điện thủy lực.

 Đọc và phân tích được các hệ thống điều khiển bằng khí nén,

thủy lực, điện thủy lực trong thực tế.

 Phát hiện lỗi cúa các phần tử và hệ thống, sữa chữa và bảo

dưỡng hệ thống.

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo dục, 1999.

[2] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, NXB Giáo dục, 2000

[1] Andrew A Parr, Hydraulics and Pneumatics, Elsevier Science & Technology Books

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ NÉN

1.1 Tổng quan

1.1.1 Lịch sử

1.1.2 Ứng dụng

1.1.3 Ưu và nhược điểm

1.3 Cấu trúc cơ bản của HT điều khiển tự động khí nén

1.4 Các phương pháp điều khiển tự động trong HT khí nén

TỔNG QUAN

 Khí nén là một phần của lưu chất với không khí

hoặc các loại khí khác được nén lại

Pneumatics: xuất phát từ tiếng Hy Lạp là Pneuma có nghĩa là khí, gió hoặc hơi thở

hướng dòng chảy của khí nén theo các mạch để

điều khiển cơ cấu chấp hành

điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển

động tịnh tiến hay quay.

LỊCH SỬ

lực đi ra từ các lỗ trên các thùng chứa nước và các đường dẫn Blaise Pascal đưa ra các định luật nền tảng của khoa học thủy lực

rộng rãi và phát triển khá mạnh, được ứng dụng rộng rãi trong các

máy móc sản xuất.

một tiêu chuẩn cho các thiết bị khí nén và thủy lực.

Hoa Kỳ (United States America Standards Institute) Khi chúng ta sử dụng các ký hiệu này, người bảo trì dễ dàng thay thế và sửa chữa các thiết bị trong hệ thống, dễ dàng phán đoán các lỗi hư hỏng của hệ

thống bằng cách tham khảo các catalogue của nhà sản xuất

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

cấp phôi, gá đặt… sản xuất dược phẩm, hoá chất, nước giải khát,….

nghiệt, lĩnh vực nguy hiểm

 Sản xuất, lắp ráp các thiết bị điện tử & chế biến thực phẩm vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và độ an toàn cao.

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

Máy cắt giấy và hệ thống cấp dung dịch vào chai

bằng hệ thống khí nén

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

Xy lanh A

Xy lanh B

S1 S2

S3 S4 B1

Quy trình đẩy chi tiết với hai xy lanh

Giới hạn (pin)

Tốt với rò rỉ ít Động cơ Ac và DC

Điều khiển động cơ

Dc dễ Động cơ AC rẻ Khoảng hành trình ngắn sử dụng

solenoid hoặc thông qua chuyển đổi cơ khí

Có thể điều khiển với động cơ DC và

solenoid Tuy nhiên cần giải nhiệt

Nguy hiểm khi giật điện

Động cơ điện hoặc động cơ diesel

Giới hạn (bộ tích áp)

Giới hạn do thiết bị Trung bình

Tốc độ di chuyển chậm Dễ điều khiển

Có thể dừng Xylanh Lực lớn Lức có thể điều khiển

Rò rỉ gây nguy hiểm,

có thể gây cháy nổ

Động cơ điện hoặc động cơ diesel

Tốt có thể phân phối khắp nhà máy

Cao nhất Khoảng thay đổi tốc

độ lớn Khó điều khiển chính xác tốc độ

Xylanh, lực trung bình Lức có thể thay đồi được

Tiếng ồn

ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu chấp hành)

PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu tác động - Output)

PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU

- Đđộng cơ khí nén

- Van đảo chiều

- Phần tử chuyển đổi

- Van chân không

- Van đảo chiều

- Van chắn (OR, AND, xả

khí nhanh)

- Van tiết lưu,

- Van thời gian, bộ đếm

- F-F khí nén, CPU khí

nén

Nút nhấn, công tắc, công

tắc hành trình, cảm biến,

lưu chương trình

NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

NGUỒN NĂNG

LƯỢNG KHÍ NÉN

- Động cơ điện

- Solenoid

- Động cơ tịnh tiến

- Công tắc tơ công suất

- Transistor công suất

- Thyristor công suất

- Công tắc tơ

ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM

 ƯU ĐIỂM

cháy nổ và có thể làm việc trong môi trường

thể làm việc từ xa

ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM

• Kích thước lớn hơn so với hệ thống thủy lực có

cùng công suất.

• Tính nén được của khí ảnh hưởng tới chất lượng

làm việc của hệ thống.

• Do khí xả ra qua các cửa tạo nên âm thanh khá ồn.

• Do vận tốc của các cơ cấu chấp hành khí nén lớn

nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình.

• Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và

dừng lại ở vị trí trung gian cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống khác.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ĐẶC TÍNH CỦA KHÍ

 Khí là một trong ba trạng thái cơ bản của vật

chất Khí cũng có đặc tính tương tự với chất lỏng là

không có hình dạng xác định mà có hình dạng phụ thuộc vào hình dạng của vật chứa và áp suất truyền theo mọi hướng

 Khí khác với chất lỏng là không có thể tích cố

định Khí có thể được nén ở áp suất cao còn chất lỏng thì chỉ nén được với một thể tích rất nhỏ (có thể được xem như không nén được).

TỶ TRỌNG

Các thí nghiệm ban đầu về các trạng thái khí và

không khí được thực hiện bởi các nhà khoa học như

chỉ ra đặc tính của khí theo các quy luật sau, quy

T  T  T = R = const (hằng số)

P: Áp suất tuyệt đối (bar).

V: Thể tích (m3 ).

T: nhiệt độ (0K).

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

ĐƠN VỊ SỬ DỤNG

Có 3 hệ thống đơn vị thường được sử dụng là:

• Hệ thống đơn vị Metric : mét, kilôgram và giây

• Hệ thống Imperial System: foot, pound, giây

• Hệ thống đơn vị SI: mét, newton, giây

Công suất

l t

T m

F P

L

m s

0 K (0 0 K = - 273 0 C)

m s

ÁP SUẤT

 Áp suất khí quyển: Đây là áp suất tạo ra trên bề mặt trái đất

bằng khối lượng không khí bao quanh trái đất là 14,7 psi

(Pound/inch) Áp suất khí quyển là áp suất không khí bao quanh chúng ta (1 bar)

 Áp suất dư (Áp suất tương đối): áp suất sẽ được đo với mức

chuẩn là áp suất khí quyển Áp suất dư bằng 0 chính là áp suất khí quyển

 Áp suất tuyệt đối:

Áp suất tuyệt đối = Áp suất dư + Áp suất khí quyển

Áp suất khí quyển có thể đo bằng chiều cao của cột dung dịch

trong chân không (1013 mbar = 1000 mbar)

ÁP SUẤT

Áp suất khí nén: áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích

F P

A

 (N/m2)

Chuyển đổi giữa các đơn vị đo áp suất

Khoảng áp suất công nghiệp mở rộng

Áp suất thấp

Khoảng áp suất thường sử dụng

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Áp suất chân không Chân không tuyệt đối

Áp suất dư Áp suất tuyệt đối

Pa bar KG/cm 2 atm mmH 2 0 mmHg psi

 Khí nén tạo thành lực với giá trị bằng áp suất tác dụng lên bề mặt nhân với diện tích tác dụng

 Dung dịch trong bình được cung cấp áp suất và chuyển thành lực.

.

Như vậy lực đẩy ra của piston sinh ra bởi áp

suất khí được tính bằng cách nhân diện tích

hiệu dụng với áp suất

LƯU LƯỢNG

 Lưu lượng được đo là một thể tích không khí tự do đi qua trong một

đơn vị thời gian Đơn vị thường sử dụng:

Lít hoặc dm3 trên giây : l/s hoặc dm3/s.

Thể tích trên phút : m3/ph.

Thể tích đo trên đơn vị feet trên 1 phút : scfm.

Lưu lượng thường được tính bằng

lít khí tự do trên một đơn vị thời gian

Mối tương quan giữa áp suất và thể tích khí

CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ

 Định luật khí lý tưởng: Biểu diễn mối liên hệ giữa áp

suất, thể tích và nhiệt độ Khi áp dụng các định luật này chúng ta chỉ sử dụng áp suất và nhiệt độ tuyệt đối.

Tích của áp suất tuyệt đối và thể tích của khối khí luôn là hằng số nếu nhiệt độ của khí không thay đổi.

Biểu đồ đẳng nhiệt

CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ

6 8

bar

10 12 14 16

P1 P2 T1(K) T2 = (K)= c

6 8

bar

10 12 14 16

P1 P2 T1(K) T2 = (K)= c

6 8

bar

10 12 14 16

P1 P2 T1(K) T2 = (K)= c

6 8

bar

10 12 14 16

P1 P2 T1(K) T2 = (K)= c

 Từ định luật Boyle và

Charles chúng ta có thể nhận thấy rằng nếu thể tích của một khối khí được giữ ở một giá trị không đổi thì áp suất sẽ tỷ lệ với

nhiệt độ tuyệt đối 0K

 Định luật Gay-Lussac: Áp

suất tuyệt đối của khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó (thể tích khí không đổi V = const).

 00C = 2730K.

V1 V2 T1(K) T2 = (K)= c

Biểu đồ đẳng áp

khí ở áp suất không đổi thì thể tích sẽ tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối.

Như vậy theo định luật Charles: Thể tích của khí trong bình chứa sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (áp suất không thay đổi )

CÁC ĐỊNH LUẬT KHÍ

ĐỊNH LUẬT KHÍ TỔNG QUÁT

Định luật khí tổng quát là sự kết hợp giữa các định luật Boyle và Charles với áp suất, thể tích và nhiệt độ có thể thay đổi giữa các trạng thái khí và chúng có mối liên hệ với giá trị hằng số.

8 10 12 14 16

2 4 6 8 10 12 14 16 0

Biểu đồ biểu diễn

định luật khí tổng quát

CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN

Sơ đồ cấu tạo chức năng của hệ thống

ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu chấp hành)

PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN (Cơ cấu tác động - Output )

PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU

- Động cơ khí nén

- Van đảo chiều

- Phần tử chuyển đổi

- Van chân không

- Van đảo chiều

- Van chắn (OR , AND, xả

khí nhanh)

- Van tiết lưu ,

- Van thời gian, bộ đếm

- F- Fkhí nén, CPU khí

nén

Nút nhấn, công tắc, công

tắc hành trình, cảm biến,

lưu chương trình

NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

NGUỒN NĂNG

LƯỢNG KHÍ NÉN

- Động cơ điện

- Solenoid

- Động cơ tịnh tiến

- Công tắc tơ công suất

- Transistor công suất

- Thyristor công suất

- Công tắc tơ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

• Các thiết bị xử lý, điều khiển,

• Thông tin điều khiển,

• Cơ cấu chấp hành

u dựa trên thông tin của dòng

Đều dựa trên thông tin của dòng

khí nén để thực hiện các chuyển

động thích hợp theo yêu cầu.

Các loại mạch điều khiển hành trình:

• Mạch điều khiển tuần tự.

• Mạch điều khiển theo tầng.

• Mạch điều khiển theo nhịp.

A

0.1

R

B A

P S

Phần tử đưa tín hiệu

A

A

R P R

P

R P

0.2

1.3

1.4 1.5

Nguồn khí

Van khoá Bộ phận lọc

Phần tử xử lý tín hiệu Phần tử điều khiển

Cơ cấu chấp hành

Đại lượng ra (tạo ra sự dịch chuyển) Đối tượng điều khiển

Đại lượng vào (Đại lượng vật lý) Lưu lượng Áp suất

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN

Y1

R

B A

P S

Y2

R

B A

P S

S2 K2 S3 S4 K1 K2 +24V

0V

Các loại mạch điều khiển hành trình:

• Mạch điều khiển tuần tự.

• Mạch điều khiển theo tầng.

• Mạch điều khiển theo nhịp.

để điều khiển chuyển động của

các cơ cấu chấp hành bằng khí nén

• Cơ sở thiết kế mạch điều khiển

đưa tín hiệu vào

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

S1

+ 24 V

Tầng I Tầng II

K2 S4

Sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén

Cơ cấu chấp hành

S5 S6

Y6 Y5

R

B A

P S

Xy lanh nâng C S1 S2

Y2 Y1

R

B A

P S

P S

Tay kẹp D

Y8 Phần tử điều khiển

Nhận tín hiệu

& xử lý tín hiệu

van điện từ (solenoid)

phần tử đưa tín hiệu vào (công tắc, cảm biến )

Nguyên lý hệ điều khiển chương trình cĩ nhớ PLC: PLC kết hợp những phương thức điều khiển sau:

01

06 04 04 03 02

P S

Xy lanh A Xy lanh B S3 S4

Y2

R

B A

P S

ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

 Hệ thống bằng rơle được

thay thế bằng các IC số với kích thước nhỏ hơn và giá thành rẻ Các IC số là

những mạch tích hợp với các cổng logic để thực hiện các chức năng của hệ

thống điều khiển

ĐIỀU KHIỂN BẰNG IC SỐ

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

Nguyên lý hệ điều khiển chương trình cĩ nhớ PLC: PLC kết hợp những phương thức điều khiển sau:

01

06 04 04 03 02

P S

Xy lanh A Xy lanh B S3 S4

Y2

R

B A

P S

ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

 Hệ thống máy tính ghép nối với các hệ thống điều khiển cĩ độ

chính xác cao, thời gian điều khiển và đáp ứng ngắn và dễ dàng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu

lập trình nào đĩ với các dữ liệu và dữ kiện đề ra

ĐIỀU KHIỂN BẰNG MAY TÍNH

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

8 7 6 5 4 3 2 1 9

Rơle

5V

Giao tiếp qua RS 232 hoặc

cổng máy in của máy tính

8 7 6 5 4 3 2 1 9

Rơle

5V

Giao tiếp qua RS232 hoặc

cổng máy in của máy tính

ULN2803