Tiểu luận mô phỏng điều khiển hệ thống khí nén

LỜI MỞ ĐẦUTự động hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiểncho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt,chuyển mạch tro

LỜI MỞ ĐẦU

Tự động hoặc điều khiển tự động, là việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiểncho các thiết bị hoạt động như máy móc, xử lý tại các nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt,chuyển mạch trong mạng điện thoại, chỉ đạo và ổn định của tàu, máy bay và các ứngdụng khác với con người can thiệp tối thiểu hoặc giảm Một số quy trình đã được hoàntoàn tự động Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là nó tiết kiệm lao động, tuy nhiên, nócũng được sử dụng để tiết kiệm năng lượng và nguyên vật liệu và nâng cao chất lượng,

độ chính xác và độ chính xác

Thời hạn tự động, lấy cảm hứng từ những lời trước đó tự động (đến từ các máy

tự động), không được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi General Motors thành lậpcác bộ phận tự động hóa Trong thời gian này ngành công nghiệp đã được áp dụngnhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm cơ khí,thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp Các hệ thống phức tạp,chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹthuật kết hợp

Cùng sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các thiết bịtruyền dẫn, điều khiển khí nén – thủy lực sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ởhầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển,máy y khoa, day chuyền chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linhhoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn vàlắp đặt dể dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điềukhiển bằng cơ khí hay điện

Nhằm trang bị cho bạn đọc nền kiến thức tốt nhất để tiếp cận nhanh chóng vớicác thiết bị của hệ thống điều khiển khí nén – thủy lực trong thực tế Bằng những kinhnghiệm được đúc kết qua nhiều năm làm việc thực tiễn trên máy móc, công nghệ điềukhiển số hiện đại góp phần vào đào tạo nguồn nhân lực dòi giàu

LỜI CẢM TẠ

Sau hơn một tháng tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài mô phỏng điều khiển hệ thống khínén (viết chương trình bằng phần mềm Automation Studio Chúng tôi đã nổ lực hoànthành báo cáo này với một kết quả trung thực và khoa học Các kết quả có được là do,

sự nổ lực tìm tòi và đúc kết từ các tài liệu tham khảo trên mạng Internet

Đầu tiên, xin cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Tây Đô đã giảng dạy và truyền đạtnhững kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho chúng tôi trong những học kỳ qua

Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Nhật Thanh, đã tận tình hướng dẫn

và truyền đạt những kiến thức và những kinh nghiệm quý báu để chúng tôi có thể hoànthành tốt báo cáo này

Kính chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe và thành công trong công việc Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

LỜI CẢM TẠ 2

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 4

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN 4

1.1.1 Những đặc điểm cơ bản 4

1.1.2 Cấu trúc của hệ thống khí nén 4

1.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM AUTOMATION STUDIO 6

CHƯƠNG 2 CHUYỂN ĐỘNG KHÍ NÉN 7

2.1 KHỐI NGUỒN KHÍ NÉN 7

2.1.1 MÁY NÉN KHÍ 8

2.1.2 THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ NÉN 9

2.2 CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH 13

2.2.1 Xilanh tác dụng đơn 14

2.2.2 Xilanh tác dụng kép 14

2.2.3 Xilanh quay 16

2.2.4 Động cơ khí nén 16

2.2.5 Giác hút 16

2.3 CÁC VAN ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU THÔNG DỤNG 17

2.3.1 Quy ước ký hiệu các van điều khiển đảo chiều 17

2.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các van đảo chiều 19

2.4 CÁC VAN ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 23

2.4.1 Van một chiều 23

2.4.2 Van xả nhanh 23

2.4.3 Van tiết lưu hai chiều và van tiết lưu một chiều 24

2.5 CÁC PHẦN TỬ XỮ LÝ TÍN HIỆU KHÍ NÉN 24

2.5.1 Van logic AND 24

2.5.2 Van logic OR 25

2.5.3 Van áp suất 25

KẾT LUẬN 27

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Những đặc điểm cơ bản

Hệ thống khí nén gồm nhiều thiết bị nhưng quan trọng nhất là máy nénkhí và bình tích áp, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến đặcbiệt ở những lĩnh vực cần đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độchại Ví dụ như lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, các khâu phân loại,đóng gói sản phẩm thuộc dây chuyền sản xuất tự động, trong công nghiệp gia công

cơ khí, trong công nghiệp khai khoáng,

- Truyền động thẳng là ưu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linhhoạt của cơ cấu chấp hành, chúng được sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹpcác chi tiết khi gia công các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm

- Truyền động quay : trong nhiều trường hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rấtcao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạngtruyền động sử dụng các năng lượng khác Ở những hệ truyền động quay côngsuất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện

- Ưu điểm:

+ Do không khí có khả năng chịu nén nên có thể nén và trích chứa trong bìnhchứa với áp suất cao thuận lợi, như là một kho chứa năng lượng Trong vậnhành, người ta thường xây dựng trạm khí nén dùng chung cho nhiều mụcđích khác nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc.+ Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ.+ Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hạicho môi trường

+ Tốc độ truyền động cao, linh hoạt

+ Dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác

+ Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả

- Nhược điểm:

+ Công suất chuyển động không lớn

+ Do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn nên khi tải trọng thay đổi thì vậntốc truyền động có xu hướng thay đổi Vì vậy khả năng duy trì chuyển độngthẳng đều hoặc quay đều thường là khó thực hiện

+ Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn

1.1.2 Cấu trúc của hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén thường bao gồm các khối thiết bị :

- Trạm nguồn : Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lýkhí nén ( lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô )

- Khối điều khiển : các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điềukhiển đảo chiều cơ cấu chấp hành

- Khối các thiết bị chấp hành : Xi lanh, động cơ khí nén, giác hút

Dựa vào năng lượng của tín hiệu điều khiển, người ta chia ra hai dạng hệ thốngkhí nén:

- Hệ thống điều khiển bằng khí nén trong đó tín hiệu điều khiển bằng khí nén và

do đó kéo theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển khí nén

- Hệ thống điều khiển điện - khí nén các phần tử điều khiển hoạt động bằng tínhiệu điện hoặc kết hợp tín hiệu điện - khí nén

Hình 1.2 Hệ thống điện – khí nén

1.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM AUTOMATION STUDIO

Automation Studio là 1 phần mềm công cụ để thiết kế, tính toán và mô phỏng Nóđược tạo ra dành cho lĩnh vực Tự động hóa trong Công nghiệp, đặc biệt dùng để thựcthi thiết kế và kiểm tra các điều kiện cần thiết Các nhà máy kết hợp với phần mềm này

đã tạo nên việc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp 1 cách chặt chẽ, về sự xác nhận củacác quá trình và chương trình tự động Ở trong môi trường của Automation Studio thìtất cả các công cụ thiết kế đều rất khả thi Bản thân chương trình bao gồm 3 phần hỗtrợ chính, đó là:

- Bộ soạn thảo biểu đồ (Diagram Editor)

- Tham khảo đề tài (Project Explorer)

- Thư viện tìm kiếm (Library Explorer)

Bộ soạn thảo biểu đồ cung cấp cho bạn cách tạo, mô phỏng biểu đồ và làm báo cáo.Trong khi đó thì Tham khảo đề tài lại giải quyết việc quản lý file, và phân loại tất cảcác tài liệu được liên kết với đề tài mô phỏng

Thư viện tìm kiếm cung cấp những thư viện dạng ký hiệu, cần thiết cho việc tạo biểu

đồ để làm nên 1 đề tài của bạn Cuối cùng, phần mền này cho phép bạn tìm được hồ sơ(Document) trong đề tài (Project) của bạn Bạn có thể in và xuất biểu đồ 1 cách dễdàng

CHƯƠNG 2 CHUYỂN ĐỘNG KHÍ NÉN2.1 KHỐI NGUỒN KHÍ NÉN

Trong công nghiệp, tùy theo quy mô sản xuất, người ta thường xây dựng một vài trạmkhí nén phục vụ sản xuất với các mục đích khác nhau Yêu cầu tối thiểu, khí nén cũngphải được xử lý sơ bộ đảm bao các tiêu chuẩn:

Để đạt được các yêu cầu trên, một trạm nguồn khí nén cần được trang bị một loạt cácphần tử nối tiếp nhau từ thiết bị lọc không khí đầu vào đến khí nén đủ tiêu chuẩncung cấp cho hộ tiêu thụ, thường bao gồm các thiết bị được mô tả bằng ký hiệu thểhiện trên sơ đồ:

Hình 2.1 Ký hiệu các phần tử cơ bản của một khối nguồn khí nén

2.1.1 MÁY NÉN KHÍ

Việc lựa chọn máy nén khí dự a theo yêu cầu v ề áp suất làm việc của các cơ cấu chấphành (Xilanh, động cơ, giác hút…và được lựa chọn theo yêu cầu công nghệ) và cácyêu cầu khác như kích thước, trọng lượng, mức độ gây tiếng ồn của máy nén khí

a Máy nén kiểu Piston

- Một cấp: áp suất xấp xỉ 600 kPa = 6 bar

- Hai cấp: áp suất xấp xỉ 1500 kPa = 15bar Có thể thiết kế đến 4 cấp, P = 250 barLưu lượng xấp xỉ 10m3/min Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích Piston đixuống sẽ hút không khí vào qua van hút Đến hành trình piston đi lên, van hút bị đónglại, van đẩy được mở để nén không khí vào bình tích áp Mỗi vòng quay sẽ gồm một

kỳ hút và một kỳ nén

Hình 2.2 Máy nén kiểu Piston

Lưu lượng của máy nén khí tính cho một cấp được áp dụng theo công thức:

- Một cấp: áp suất xấp xỉ 400 kPa = 4bar

- Hai cấp: áp suất xấp xỉ 800 kPa = 8bar Làm việc

theo nguyên lý thay đổi thể tích Lưu lượng thể tích Qv tỷ

Làm việc theo nguyên lý thay đổi thể tích áp suất lớn, xấp xỉ 10bar lưu lượng tỷ lệthuận với tốc độ quay, chiều dài trục vít.

Hình 2.4 Máy nén khí kiểu trục vít

d Máy nén khí kiểu ly tâm

(Máy nén kiểu hướng kính) làm việc theo nguyên lý động

năng áp suất khá lớn, xấp xỉ 1000 kPa = 10 bar lưu lượng tỷ lệvới tốc độ quay, số cánh và diện tích cánh

Hình 2.5 Máy nén khí kiểu ly tâm

e Máy nén khí kiểu hướng trục

Làm việc theo nguyên lý động năng áp suất xấp xỉ 600

kPa = 6 bar lưu lượng cũng tỷ lệ với tốc độ quay, đường

- Sấy khô: Ứng dụng quá trình vật lý hoặc quá trình hoá học

- Lọc tinh: Dùng bộ lọc và cụm bảo dưỡng

a Sấy khô bằng quá trình hóa học

Khí nén được đưa qua tầng chất làm khô (ví dụ muối NaCl), tại đây, hơi nước chứatrong không khí sẽ được trao đổi với chất làm khô và đọng lại thành chất lỏng chảyxuống buồng chứa nước ngưng và được tháo ra ngoài Phương pháp này có chi phí vậnhành cao, thường xuyên phải thay thế, bổ sung chất làm khô, tuy nhiên lắp đặt đơngiản, không yêu cầu nguồn năng lượng từ bên ngoài

Hình 2.7 Thiết bị sấy khô bằng quá trình hóa học

b Bộ lọc và sấy khô ứng dụng quá trình vật lý

Nguyên lý hoạt động: khí nén từ máy nén khí qua bộ phận trao đổi nhiệt Tại đây dòng khí nén vào đang nóng sẽ được làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với dòng khí đi ra đã được

sấy khô và làm lạnh Như vậy, tại

khâu này: khí nén vào được làm mát,

khí nén đi ra được sưởi ấm Một phần

hơi nước trong khí nén vào được

ngưng tụ rơi xuống bình ngưng Sau

khi được làm lạnh sơ bộ, dòng khí nén

tiếp tục đi vào bộ trao đổi nhiệt với

chất làm lạnh trong thiết bị làm lạnh

Tại đây, dòng khí nén được làm lạnh

đế n nhiệt độ hóa sương (khoảng

+20C), các giọt sương ngưng tụ tiếp

tục rơi xuống bình ngưng thứ hai

Thiết bị ứng dụng công nghệ này làm

việc chắc chắn, chi phí vận hành thấp

Hình 2.8 Thiết bị sấy khô bằng quá trình vật lý

c Bộ điều hoà phục vụ

Bộ điều hòa phục vụ được lắp đặt nối tiếp với nguồn khí

nén thông thường, nhằm cung cấp nguồn khí nén chất

lượng cao và bổ sung chức năng cung cấp dầu bôi trơn và

bảo quản các phần tử của hệ thống khí nén

+ Bộ lọc khí nén (Compressed air Filter)

Nguyên lý lọc: Khí nén tạo chuyển

động xoáy và qua được phần tử lọc

có kích thước lỗ từ 5μmm

cầu Hơi nước bị phần tử lọc ngăn

lại, rơi xuống cốc lọc và được xả ra

ngoài

Hình 2.10 Bộ lọc hơi nước

+ Van đều chỉnh áp suất có cửa xả tràn (Pressure regulating valve with relief port)Chức năng: duy trì áp suất làm việc ở đầu ra không đổi trong phạm vi rộng, khôngphụ thuộc vào sự dao động áp suất ở mạng cung cấp khí nén đầu vào và mức tiêuthụ khí nén ở đầu ra Điều kiện cần là áp suất lối vào P1 luôn phải cao hơn áp suất làmviệc P2 cần cho cơ cấu chấp hành

Nguyên lý làm việc: Khi áp suất vào P1 ổn định, áp suất ra P2 bằng với áp suất đặt, vanđiều chỉnh áp suất ở trạng thái cho khí nén đi qua van chính hướng từ P1 đến P2

Giả sử P2 tăng lên, ví dụ do tải trọng của xilanh, đệm của van xả bị đẩy cong khiến khínén qua van xả ra ngoài qua khe hẹp làm giảm P2, đồng thời lò xo đẩy đệm đóng vanchính không cho áp suất dội ngược

+ Bộ tra dầu bảo quản Khí nén đã được lọc sạch bụi bẩn và hơi nước, tuy nhiên

để cung cấp cho hệ thống điều khiển khí nén, dòng khí nén còn phải có chức năng vậnchuyển một lượng dầu có độ nhớt thấp để bảo quản, bôi trơn các bộ phận bằng kimloại, các chi tiết gây ma sát nhằm chống mài

mòn, chống rỉ, kẹt Để đạt được điều đó, người

ta thường dùng một thiết bị tra dầu làm việc theo

nguyên tắc cơ bản của mộ tống Venturi, nguyên

lý làm việc:

Mô tả nguyên lý cấu tạo của bộ tra dầu, khi

luồng khí nén có áp suất chảy qua khe hẹp, nơi

đặt miệng ống Venturi, áp suất trong ống tụt

xuống mức chân không khiến cho dầu từ cốc

được hút lên miệng ống và rơi xuống buồng dầu

rồi bị luồng khí nén có tốc độ cao phân chia

thành những hạt nhỏ như sương mù cuốn theo

dòng khí nén bôi trơn, bảo quản các phần tử của

hệ thống

Hình 2.12 Bộ tra dầu bảo quản

* Nguyên tắc hoạt động:

- Khí nén chỉ được sử dụng để sinh công

ở một phía của Piston (nhịp làm việc)

- Piston lùi về bằng lực bật lại của lò xo

hay của lực từ bên ngoài (nhịp lùi về)

- Xilanh có hai cửa cấp nguồn

- Điều khiển hoạt động của xilanh kép bằng van

4/2, 5/2 hoặc 5/3

Hình 2.16 Xilanh kép

* Nguyên lý cấu tạo:

Các dạng:

- Xilanh kép có cần Piston một phía: Do diện tích của hai mặt Piston khác nhaunên lực tác dụng trên cần Piston cũng khác nhau (lực đẩy lớn hơn lực kéo).Hai dạng xilanh kép có cần Piston một phía thường gặp:

+ Xilanh kép không có đệm giảm chấn

Hình 2.17 Xilanh kép không có đệm giảm chấn

+ Xilanh kép có đệm giảm chấn điều chỉnh được

Hình 2.18 Xilanh kép có đệm giảm chấn điều chỉnh được

- Xilanh kép có cần piston hai phía (gọi là xilanh đồng bộ), vì diện tích hai mặt pistonbằng nhau nên lự c tác dụng sinh ra cũng bằng nhau

Hình 2.19 Xilanh đồng bộ

2.2.3 Xilanh quay

Điều khiển bằng van 4/2; 5/2 hay 5/3

Cần Piston có thanh răng truyền động tới bánh răng quay, góc quay 0 – 360o , mômenkhoảng 0,5 Nm đến 20 Nm ở áp suất vận hành 6 bar, tuỳ thuộc đường kính của Piston.

Hình 2.20 Xilanh quay

Kiểu truyền động xoay: Điều khiển bằng van 4/2;

5/2 hay 5/3 Góc xoay 0 – 270o

Mômen: khoảng 0,5Nm đến 20Nm ở áp suất vận

hành 6bar và phụ thuộc vào kích thước của cánh gạt

Hình 2.21 Kiểu truyền động xoay

2.2.4 Động cơ khí nén

Đông cơ có thể quay tròn liên tục có thể đảo chiều quay,

điều khiển bằng van 4/2; 5/2 hay 5/3

2.3 CÁC VAN ĐIỀU KHIỂN ĐẢO CHIỀU THÔNG DỤNG

a Quy ước biểu diễn các cổng vào/ra, các vị trí chuyển trạng thái

Trong đó, ký hiệu các cổng vào/ra được biểu diễn bằng các con số, quy ước:

- Số 1 là cổng nguồn (P);

- Số 2 và số 4 là các cổng cấp khí nén đến cơ cấu chấp hành;

- Số 3 hoặc 3 và 5 là các cổng xả khí trự c tiếp ra ngoài môi trường (chú ý: khicần giảm tiếng ồn, người ta lắp vào các cổng xả các ống giảm thanh)

b Quy ước biểu diễn các dạng tác động điều khiển van

Hình 2.23 Các dạng tác động điều khiển van

c Một số ký hiệu đầy đủ của van đảo chiều