Ứng dụng biểu đồ Karnaugh thiết kế mạch điều khiển khí nén

Giao diện chính của phần mềm Fluidsim Giao diện thiết kế mạch: Trên nền thiết kế chính cho phép người dùng thiết kế mạch bằng cách tìm trong thư viện các ký hiệu các phần tử kéo và thả

Ứng dụng biểu đồ Karnaugh thiết kế mạch điều khiển khí nén

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống khí nén có vai trò quan trọng trong các nghành công nghiệp Theo thống kê chưa đầy đủ, khoảng 80% các nhà máy sản xuất hoạt động cần đến sự hoạt động của hệ thống khí nén Đi cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, các nghành công nghiệp ngày càng mở rộng sản xuất đòi hỏi nhu cầu ngày càng cao hơn

về hệ thống khí nén cả về chất lượng lẫn số lượng

Ứng dụng biểu đồ Karnaugh sẽ giúp cho chúng ta có tư duy logic khi thiết kế mạch điều khiển khí nén

2 GIỚI THIỆU CHUNGVỀ CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN

2.1 Máy nén khí

Nhiệm vụ: Máy nén khí cung cấp khí nén cho toàn bộ hệ thống mạch điều khiển khí nén

Hình 2.1 Máy nén khí volcano 2.2 Xy lanh tác động 2 chiều (xy lanh tác động kép)

- Xylanh tác động 2 chiều không có giảm chấn

Hình 2.2 Xylanh tác động 2 chiều không có giảm chấn

- Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn: Nhiệm vụ của cơ cấu giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của pittong vào thành của xylanh ở vị trí cuối hành trình Người ta dùng van tiết lưu một chiều để thực hiện giảm chấn

Hình 2.3 Xylanh tác động 2 chiều có giảm chấn điều chỉnh

Hình 2.4 Xylanh khí nén thực tế 2.3 Van đảo chiều

- Một số loại van điều khiển khí nén

Sử dụng các van đảo chiều 4 cửa 2 vị trí điều khiển trực tiếp bằng khí nén

Hình 2.5 Van đảo chiều 4 cửa 2 vị trí điều khiển trực tiếp bằng khí nén

Trong đó:

1.Piston

2.Lò xo

3.Vỏ van

4.Cuộn solenoid

5.Lõi

Với A ,B là các cửa làm việc

P là cửa nguồn

T là cửa xả

Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng nút ấn có lò xo hồi vị ( nút bắt đầu khởi động hệ thống khí nén)

Hình 2.6 Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng nút ấn có lò xo hồi vị

Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng tay gạt

Hình 2.7 Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng tay gạt

3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM FESTO FLUIDSIM

Hình 3.1 Giao diện chính của phần mềm Fluidsim Giao diện thiết kế mạch: Trên nền thiết kế chính cho phép người dùng thiết kế

mạch bằng cách tìm trong thư viện các ký hiệu các phần tử kéo và thả ra nền thiết kế, lắp ráp các phần tử với nhau thành mạch tổng thành và cho phép nối kết các thiết bị điều khiển với mạch đang thiết kế

Hình 3.2 Giao diện thiết kế mạch Giao diện thư viện: Trình duyệt thư viện là một trong những tính năng quan trọng

dùng để thiết kế trong phần mềm Fluidsim 3.6, thư viện có giao diện được thiết kế đơn

giản và rất dễ sử dụng Trong thư viện bao gồm hàng nghìn ký hiệu khác nhau về thủy lực, khí nén, điện điều khiển, điện kỹ thuật số, PLC Thư viện thiết kế có nhiều tính năng nâng cao như thư viện máy ảo cho phép mô phỏng hoạt động của máy tương ứng với hoạt động của sơ đồ thiết kế và kết nối máy ảo với thiết bị điều khiển

Hình 3.3 Giao diện thư viện Giao diện tra cứu ý nghĩa,thông số định mức các ký hiệu trong thư viện

Trong mục Help của phần mềm giúp người thiết kế tra cứu các ký hiệu các phần

tử được sử dụng trong phần mềm này Có hàng trăm các ký hiệu thủy lực khác nhau đã được tiêu chuẩn hóa, có thể giúp cho người mới thiết kế tiếp cận với phần mềm một cách dễ dàng

Giao diện điều chỉnh thông số các phần tử

Các phần tử trên thư viện đều có dải các giá trị có thể điều chỉnh được,điều này giúp cho việc lựa chọn được tối ưu các thông số cho các phần tử,đặt biệt giúp người dùng có thể rút ngắn thời gian thiết kế mạch do có nhiều sự chọn lựa cho các phần tử

Hình 3.4 Giao diện điều chỉnh thông số các phần tử

Thanh công cụ mô phỏng chương trình: Sau khi tính toán thiết kế sơ đồ trên nền

chính, tiến hành kiểm tra kết nối các phần tử trước khi cho mô phỏng sự hoạt động của

sơ đồ vừa thiết kế

Hình 3.5 Thanh công cụ mô phỏng chương trình

A - Tắt hoàn toàn mô phỏng

B - Chạy mô phỏng

C - Tạm dừng mô phỏng

D - Khởi động lại quá trình mô phỏng

E - Chạy mô phỏng từng bước

F - Tiếp tục chạy mô phỏng

G - Khởi động lại quá trình mô phỏng theo hướng ngược lại

Hướng dẫn sử dụng phần mềm

+ Để tạo một mạch mới ta dùng một trong ba cách sau:

- Ấn Ctrl+N

- Vào File, chọn New

Hình 3.6 Giao diện của menu mở file mới

- Chọn biểu tượng trên thanh công cụ

+ Để lưu một mạch đang vẽ ta dung một trong hai cách sau:

- Ấn Ctrl+S

- Vào File, chọn Save

Hình 3.7 Giao diện của menu lưu file mới

+ Để mở một file mới chọn một trong ba cách sau:

- Ấn Ctrl+O, chọn file đã lưu

- Vào File, chọn Open

Hình 3.8: Giao diện của menu mở file đã lưu

+ Cách lấy các phần tử trong thư viện

Ta có thể lấy từ menu insert, ở đây các phần tử đã được sắp xếp theo nhóm

Hình 3.9 Giao diện của phần mềm

Ta cũng có thể lấy các phần tử thủy lực trực tiếp từ cửa sổ thư viện bằng cách

chọn phần tử và kéo thả vào vùng thiết kế

Hình 3.10 Giao diện cửa sổ thiết kế mạch

+ Cách nối các phần tử lại với nhau

Các phần tử thủy lực đều có các đầu kết nối với đường ống để nối với các phần tử thủy lực khác

Hình 3.11 Đầu nối các phần tử

Để nối các phần tử thủy lực với nhau, ta chỉ việc kích chuột phải vào 1 đầu nối, giữ chuột và kích vào đầu nối còn lại

Hình 3.12 Quá trình nối các phần tử thủy lực

+ Xoay các phần tử

Trong quá trình thiết kế mạch, để các phần tử nằm ở các vị trí thuận lợi cho quá trình thiết kế, ta có thể xoay các phần tử bằng cách chọn Right click → Rotate → Chọn góc xoay

+ Cách điều chỉnh các thông số làm việc cho các phần tử thủy lực

Click đúp vào phần tử cần điều chỉnh

Kích chuột phải vào phần tử → chọn Properties

Vào menu Edit →chọn Properties

Hình 3.13 Giao diện điều chỉnh các thông số + Kiểm tra lỗi:

Sau khi thiết kế xong mạch, tiến hành kiểm tra lỗi bằng cách: Nhấn F6

Vào menu Excute/Check Superficially

Nếu phát hiện lỗi thì chương trình sẽ cho biết đoạn mạch bị lỗi như sau :

Hình 3.14 Giao diện kiểm tra lỗi

+ Thực hiện mô phỏng:

Sau khi thiết kế mạch, kiểm tra lỗi, ta có thể cho mô phỏng mạch bằng các cách sau:

- Dùng menu Excute hoặc dung thanh công cụ:

Hình 3.15 Giao diện thực hiện quá trình mô phỏng

4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1 Yêu cầu công nghệ

- Thiết kế mạch khí nén điều khiển cho máy khoan theo quy trình: Khi đưa chi tiết vào pittong A sẽ đi ra để kẹp chi tiết Sau đó pittong B đi xuống để khoan chi tiết Sau khi khoan xong, pittong B lùi về Khi pittong B đã lùi về thì pittong A mới lùi về

- Xác định các biến:

+ Công tắc cuối hành trình của xylanh A ký hiệu là A0 và A1

+ Công tắc cuối hành trình của xylanh B ký hiệu là B0 và B1 Các công tắc hành trình này sẽ tác động cho pittong đi ra lùi về

+) +A và –A: Ký hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ chính A

+) +B và –B: Ký hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ chính B

Hình 4.1 Xác định các biến

- Thiết lập biểu đồ trạng thái:

Hình 4.2 Biểu đồ trạng thái

Pittong A

1

Pittong B

A0

A1

+A

A0

B0

B0

B1

+B A1 B0

-B A1 B1

-A A1 B0

4.2 Thiết lập phương trình logic và các điều kiện thực hiện

Từ biểu đồ trạng thái và các bước thực hiện ta có phương trình logic sau:

a) + A = A0.B0 b) + B = A1.B0

c) - B = A1.B1

d) - A = A1.B0

So sánh ta thấy phương trình b) và d) ta thấy điều kiện để thực hiện +B và - A giống nhau Như vậy, về phương diện điều khiển là không thể thực hiện được

Để có thể phân biệt được các bước thực hiện +B và –A có cùng điều kiện ta phải thêm vào cả 2 phương trình điều kiện phụ Trong điều khiển người ta gọi là phần tử nhớ trung gian Ta ký hiệu X1 và X0 là tín hiệu ra của phần tử nhớ trung gian Các phương trình logic được viết lại như sau:

a) + A = A0.B0

b) + B = A1.B0 X0

c) - B = A1.B1

d) - A = A1.B0.X1

Để tín hiệu ra X0 của phần tử nhớ trung gian thực hiện được ở bước b) thì tín hiệu đó phải được thực hiện trước đó tức là bước a) Tương tự như vậy, để tín hiệu ra

X1 được thực hiện ở bước d) thì tín hiệu đó phải được chuẩn bị trong bước thực hiện trước đó tức là bước c) Từ đó ta viết lại phương trình logic như sau:

a) + A = A0.B0.X0

b) + B = A1.B0 X0

c) - B = A1.B1.X1

d) - A = A1.B0.X1

Phương trình a) và c) cũng như phương trình b) và d) có cùng thêm dạng biến tín hiệu ra là X0 và Như vậy phương trình logic của quy trình điều khiển được viết như sau:

a) + A = A0.B0.X0

b) + B = A1.B0 X0

c) - B = A1.B1.X1 d) - A = A1.B0.X1

e) + X = A1.B1.X0

F)- X = A0.B0.X1

Toàn bộ quy trình khi có thêm biến X được điều khiển theo trình tự sau: +A, +B, +X, -X, -A, -X

4.3 Thiết lập biểu đồ Karnaugh

Ta có 3 biến:

- A1 và phủ định A0

- B1 và phủ định B0

- X1 và phủ định X0

Biểu diễn biểu đồ Karnaugh với 3 biến:

A0

Hình 4.3 Biểu diễn biểu đồ Karnaugh với 3 biến

Nguyên tắc: Các công tắc hành trình sẽ biểu diễn qua trục đối xứng nằm ngang Biến của phần tử nhớ trung gian biểu diễn qua trục đối xứng thẳng đứng Trong điều khiển giả thiết rằng, khi công tắc hành trình, ví dụ a0 bị tác động thì công tắc hành trình a1 sẽ không bị tác động Không xảy ra trường hợp cả 2 công tắc hành trình bị tác động đồng thời hay không bị tác động đồng thời

4.4 Đơn giản hành trình của xylanh A bằng biểu đồ Karnaugh

Ta có biểu đồ trạng thái cho xy lanh A:

Hình 4.4 Biểu đồ trạng thái cho xy lanh A

Bước thực hiện thứ nhất Pittong A đi ra (+A) và dừng lại cho đến bước thực hiện thứ 3 Sang bước thực hiện thứ 4 Pittong A lùi về (-A) Như vậy các khối 1,2,3 và 7 ký hiệu là +A, khối 5,6 ký hiệu la –A

A1

A0

1

2

3

7

6

5

X0 X1

A0

Hình 4.5 Biểu đồ Karnaugh cho xylanh A

Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là:

+A = X0.Khởi động -A = B0.X1

4.5 Đơn giản hành trình của xylanh B bằng biểu đồ Karnaugh

Ta có biểu đồ trạng thái cho xy lanh B:

Hình 4.6 Biểu đồ trạng thái cho xy lanh B

Biểu đồ Kaurnaugh cho xylanh B:

A0

Hình 4.7 Biểu đồ Karnaugh cho xylanh B

1

2

3

7

6

5

B1

B0

1

2

3

7

5

6

Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là:

+B = A1.X0

-B = X1

3.5 Đơn giản phần tử nhớ trung gian bằng biểu đồ Karnaugh

Từ biểu đồ Karnaugh với 3 biến ta thấy rằng phần tử nhớ trung gian X ở vị trí Set bắt đầu từ khối 3 và giữ ở vị trí đó cho đến khối 7, 6 Từ khối 5 bắt đầu Reset và giữ vị trí đó cho đến khối 1 và 2

Ta có biểu đồ Kaurnaugh cho phần tử nhớ trung gian:

A0

Hình 4.7 Biểu đồ Karnaugh cho phần tử nhớ trung gian X

Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là:

+X = B1

-X = A0

3.6 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Ta có phương trình logic cho quy trình được tối giản hóa như sau:

+A = x0.Khởi động -A = b0.x1

+B = a1.x0

-B = x +X = b1

-X = a0

1

2

3

7

5

6

Từ các phương trình logic ta thiết được mạch điều khiển khí nén đáp ứng được yêu cầu công nghệ:

Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén

5 KẾT LUẬN

Biểu đồ Kaurnaugh được sử dụng rộng rãi để đơn giản hóa các bài toán điều khiển phức tạp bằng cách đơn giản hóa trạng thái và mối quan hệ giữa các tín hiệu điều khiển Ưu điểm lớn nhất của biểu đồ là ở chỗ chúng có khả năng chuyển các biến dưới dạng toán logic yes/no vào một bảng gồm nhiều ô và trong mỗi ô đánh dấu sự có mặt hay không có mặt của biến

Áp dụng biểu đồ Karnaugh sẽ giúp sinh viên có được tư duy thiết kế mạch logic

Từ đó sinh viên sẽ ứng dụng và thiết kế được nhiều mạch tự động hóa khí nén trong thực tế