Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển plc cho các hệ thống thủy lực khí nén phục vụ chương trình đào tạo đại học

Nội dung của đề tài gồm: + Tìm hiểu về PLC và ứng dụng trong điều khiển + Tìm hiểu hệ thống điều khiển thuỷ lực – khí nén + Thiết kế hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén + Xây dựng các

Trang 1

-

luận văn thạc sĩ khoa học

NGHIEÂN CệÙU THIEÁT KEÁ HEÄ THOÁNG ẹIEÀU KHIEÅN PLC

CHO CAÙC HEÄ THOÁNG THUÛY LệẽC – KHÍ NEÙN

PHUẽC VUẽ CHệễNG TRèNH ẹAỉO TAẽO ẹAẽI HOẽC

ngành: công nghệ chế tạo máy

04.3898Nguyễn chung

Người hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn trọng doanh

Hà Nội 2009

Trang 2

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC

CHO CÁC HỆ THỐNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC

Trang 3

Học viên: Nguyễn Chung 1

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH VẼ 4

BẢNG CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 5

LỜI NĨI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN 7

1.1 Lịch sử phát triển 7

1.2 Cấu trúc và hoạt động của PLC 8

1.2.1 Cấu trúc 8

1.2.2 Hoạt động của một PLC 8

1.3 Phân loại PLC 10

1.4 So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác, lợi ích của việc sử dụng PLC 13

1.4.1 Việc sử dụng PLC với hệ thống điều khiển khác 13

1.4.1.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle 13

1.4.1.2 PLC với máy tính 13

1.4.1.3 PLC với máy tính cá nhân (PC: Personal Computers) 14

1.4.2 Lợi ích của việc sử dụng PLC 9

1.5 Một số lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 15

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC – KHÍ NÉN 16

2.1 Sơ lược về hệ thống điểu khiển thủy lực – khí nén 16

2.1.1 Hệ thống điều khiển 16

2.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển 17

2.1.3 Điều khiển vòng hở 17

2.1.4 Điều khiển vòng kín (hồi tiếp) 18

2.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén 18

2.2.1 Khí nén 18

2.2.1.1 Ưu điểm 18

2.2.1.2 Nhược điểm 19

2.2.2 Thủy lực 19

2.2.2.1 Ưu điểm 19

2.2.2.2 Nhược điểm 19

2.3 Phạm vi ứng dụng của điều khiển thủy lực – khí nén 20

2.3.1 Phạm vi ứng dụng của điều khiển khí nén 20

2.3.2 Phạm vi ứng dụng của điều khiển thủy lực 20

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN 22

3.1 Phân loại phương pháp điều khiển 22

3.1.1 Điều khiển tùy chọn 22

3.1.2 Điều khiển theo hành trình 23

Trang 4

3.1.3 Điều khiển theo thời gian 23

3.1.4 Điều khiển phối hợp 25

3.1.5 Điều khiển theo chương trình cứng 25

3.1.6 Điều khiển tuần tự 26

3.2 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển 28

3.2.1 Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển 28

3.2.1.1 Biểu đồ trạng thái 28

3.2.1.2 Sơ đồ chức năng 29

3.2.1.3 Lưu đồ tiến trình 30

3.2.2 Vẽ sơ đồ mạch điều khiển 35

3.3 Điều khiển bằng lập trình 37

3.3.1 Một số lệnh cơ bản viết chương trình 37

3.3.2 Viết chương trình cho mạch điều khiển 39

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CÁC SƠ ĐỒ THỦY LỰC – KHÍ NÉN PHỤC VỤ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC 42

4.1 Điều khiển xi lanh tác động kép bằng phím bắt đầu và kết thúc 42

4.1.1 Sơ đồ mạch điều khiển 42

4.1.2 Điều khiển bằêng điện 42

4.1.3 Sơ đồ điều khiển bằng PLC 43

4.2 Điều khiển xi lanh tác động kép với hai nút điều khiển EOC 44

4.2.2 Điều khiển bằng điện 44

4.2.3 Điều khiển bằng PLC 45

4.3 Hành trình xi lanh với hệ cảm biến thời gian 46

4.4 Điều khiển bằng 2 nút ấn xi lanh tác động kép 51

4.5 Chu trình liên tục tuần tự vào ra (A+/A-) dừng hành trình đi (A+) khẩn cấp và xi lanh quay trở lại 54

Trang 5

4.6 Chu kỳ liên tục tuần tự vào ra (A+/A-) với nút dừng khẩn cấp và thực hiện theo bước 60

4.7 Chu trình liên tục với hành trình tuần tự vào ra (A+/A-B+/A+/A-B-) điều khiển đồng thời hai xy lanh 63

4.8 Chu trình liên tục tuần tự vào ra (A+/B+/B-/ A-) với tín hiệu tự giữ 66

4.9 Chu kỳ liên tục tuần tự vào ra của chuỗi A+/B+/C+/D+/A-/B-/C-/D- 70

4.10 Chu trình liên tục tuần tự vào ra (A+/A-/B+/B-/C+/D+/D-/C-) 75

4.11 Chu kỳ tự động đơn tuần tự vào ra của chuỗi A+/A-/B+/B-/C+/D+/D-/C- 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Trang 6

PHỤ LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình 8

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của CPU 8

Hình 1.3 Một vòng quét của PLC 9

Hình 1.4 Cách dùng các loại PLC 11

Hình 2.1 Hệ thống điều khiển khí nén - thủy lực 16

Hình 2.2a Hình 2.2b 17

Hình 2.3 Hệ thống điều khiển hở tốc độ động cơ thủy lực 17

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển kín vi trí pít tông thủy lực 18

Hình 3.1 Điều khiển tùy chọn 22

Hình 3.2 Điều khiển theo hành trình 23

Hình 3.3 Điều khiển theo thời gian 24

Hình 3.4 Điều khiển theo thời gian bằng lưu chất khí nén 24

Hình 3.5 Điều khiển ép phối hợp 25

Hình 3.6 Điều khiển theo chương trình cứng 26

Hình 3.7 Điều khiển tuần tự bán tự động 27

Hình 3.8 Mạch điều khiển tuần tự tự động 27

Hình 3.9 Ký hiệu biểu diển biểu đồ trạng thái 29

Hình 3.10 Ký hiệu các bước và lệnh thực hiện 30

Hình 3.11 Nguyên lý làm việc Hình 3.12 Sơ đồ mạch khí nén 30

Hình 3.13 Ký hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình 31

Hình 3.14 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển 31

Hình 3.15 Lưu đồ tiến trình điều khiển 32

Hình 3.16 hệ thống ép 33

Hình 3.17 Nguyên lý làm việc của hệ thống ép 34

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống ép 35

Hình 3.19 Sơ đồ mạch và nguyên lý làm việc 36

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điều khiển của cơ cấu hàn nhiệt điện 37

Hình 3.21 Sơ đồ mạch điều khiển thủy lực máy dập 40

Hình 3.22 Lập trình điều khiển bằng PLC 41

Trang 7

BẢNG CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

a0, b0, … Điểm giới hạn hành trình về của xi lanh Limit switch, stem in a1, b1, … Điểm giới hạn hành trình đi của xi lanh Limit switch, stem out A+, B+, … Hành trình đi ra của xi lanh Working stroke, stem out A-, B-, … Hành trình đi về của xi lanh Working stroke, stem in

B1, B2, … Cuộn dây cảm ứng Valve coil

D.A Xi lanh tác động kép Double Acting (cylinder) E.D Phân phối bằng điện Electro Distributor

EOC Nút ấn kết thúc chu kỳ End Of Cycle

E.V Van điều khiển bằng điện Electro Valve

NC Tiếp điểm thường đóng Normally Closed

NO Tiếp điểm thường mở Normally Open

PM Nút ấn bắt đầu Start pushbutton

RE Nút ấn thiết lập lại REset

REM Nút ấn thiết lập lại khẩn cấp EM Reset

S.A Xi lanh tác động đơn Single Acting (cylinder)

SOC Nút ấn bắt đầu chu kỳ Start Of Cycle

Trang 8

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị thủy lực – khí nén ngày càng được ứng dụng rộng rải và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội Hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén được sử dụng rộng rãi ở những lĩnh vực mà ở đó vấn đề nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ, như: các đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; trong ngành cơ khí như cấp phôi gia công; trong môi trường vệ sinh sạch như công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử Trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, như: rữa bao bì tự động, chiết nước vô chai…; trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại sản phẩm và trong công nghiệp hóa chất, y khoa và sinh học Trong lĩnh vực công nghiệp, như: máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy công cụ gia công kim loại, máy dập, máy xúc, tời kéo,…

Vấn đề tự động hóa trong công nghiệp để giảm bớt lao động chân tay và nâng cao năng suất lao động, là một trong những đề tài được ứng dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay Với mục đích khai thác thiết bị sẵn có của đơn vị làm việc

Được sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, tác giả đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển PLC cho các hệ thống thủy lực – khí nén phục vụ chương trình đào tạo đại học” nhằm xây dựng các bài thí nghiệm mô

phỏng quá trình điều khiển cho các hệ thống thủy lực – khí nén phục vụ trong lĩnh vực đào tạo đại học

Nội dung của đề tài gồm:

+ Tìm hiểu về PLC và ứng dụng trong điều khiển

+ Tìm hiểu hệ thống điều khiển thuỷ lực – khí nén

+ Thiết kế hệ thống điều khiển thủy lực – khí nén

+ Xây dựng các sơ đồ điều khiển thủy lực – khí nén phục vụ đào tạo đại học

Dù rất cố gắng khi thực hiện luận văn này, nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong đón nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, các đồng nghiệp và các bạn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Trọng Doanh đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài này Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp trong Khoa Công nghệ Cơ khí

Trường Đại học Điện lực đã tạo điều kiện tốt cho tác giả thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn!

Học viên Nguyễn Chung

Trang 9

CHƯƠNG1 TÌM HIỂU VỀ PLC VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN

Thiết bị điều khiển lập trình đầu tiên (programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968 (Công ty General Moto - Mỹ) Tuy nhiên, hệ thống này còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành hệ thống Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành, nhưng việc lập trình cho hệ thống còn khó khăn, do lúc này không có các thiết bị lập trình ngoại vi hổ trợ cho công việc lập trình

Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (programmable controller handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969 Điều này đã tạo ra một sự phát triển thật sự cho kỹ thuật điều khiển lập trình Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ điển Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, tiêu chuẩn đó là: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang (The diagroom format) Trong những năm đầu thập niên 1970, những hệ thống PLC còn có thêm khả năng vận hành với những thuật toán hổ trợ (arithmetic), “vận hành với các dữ liệu cập nhật” (data manipulation) Do sự phát triển của loại màn hình dùng cho máy tính (Cathode Ray Tube: CRT), nên việc giao tiếp giữa người điều khiển để lập trình cho hệ thống càng trở nên thuận tiện hơn

Sự phát triển của hệ thống phần cứng và phần mềm từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng: hệ thống ngõ vào/ra có thể tăng lên đến 8.000 cổng vào/ra, dung lượng bộ nhớ chương trình tăng lên hơn 128.000 từ bộ nhớ (word of memory) Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối với các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ

Tốc độ xử lý của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét (scan) nhanh hơn làm cho hệ thống PLC xử lý tốt với những chức năng phức tạp số lượng cổng ra/vào lớn

Trong tương lai hệ thống PLC không chỉ giao tiếp với các hệ thống khác thông qua CIM (Computer Intergrated Manufacturing) để điều khiển các hệ thống: Robot, Cad/Cam… ngoài ra các nhà thiết kế còn đang xây dựng các loại PLC với các chức năng điều khiển “thông minh” (intelligence) còn gọi là các

Trang 10

siêu PLC (super PLCs) cho tương lai

1.2.1 Cấu trúc

Một hệ thống điều khiển lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/0)

Hình 1.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm ba phần: bộ xử lý, hệ thống bộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp Hình 1.2 mô tả ba phần cấu thành một PLC

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của CPU

1.2.2 Hoạt động của một PLC

Về cơ bản hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất /nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, công tắc, tín hiệu từ động cơ…) Sau khi nhận được tín hiệu ở ngõ vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua Module xuất ra các thiết bị được điều khiển

Trong suốt quá trình hoạt động, CPU đọc hoặc quét (scan) dữ liệu hoặc trạng thái của thiết bị ngoại vi thông qua ngõ vào, sau đó thực hiện các chương trình trong bộ nhớ như sau: một bộ đếm chương trình sẽ nhặt lệnh từ bộ nhớ chương trình đưa ra thanh ghi lệnh để thi hành Chương trình ở dạng STL

Trang 11

(STatementList – Dạng lệnh liệt kê) sẽ được dịch ra ngôn ngữ máy cất trong bộ nhớ chương trình Sau khi thực hiện xong chương trình, CPU sẽ gởi hoặc cập nhật (Update) tín hiệu tới các thiết bị, được thực hiện thông qua module xuất Một chu kỳ gồm đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình và gởi cập nhật tín hiệu ở ngõ ra được gọi là một chu kỳ quét (Scanning)

Trên đây chỉ là mô tả hoạt động đơn giản của một PLC, với hoạt động này sẽ giúp cho người thiết kế nắm được nguyên tắc của một PLC Nhằm cụ thể hóa hoạt động của một PLC, sơ đồ hoạt động của một PLC là một vòng quét (Scan) như sau:

Hình 1.3 Một vòng quét của PLC

Thực tế khi PLC thực hiện chương trình (Program execution) PLC khi cập nhật tín hiệu ngõ vào (ON/OFF), các tín hiệu hiện nay không được truy xuất tức thời để đưa ra (Update) ở ngõ ra mà quá trình cập nhật tín hiệu ở ngõ ra (ON/OFF) phải theo hai bước: khi xử lý thực hiện chương trình, vi xử lý sẽ chuyển đổi các bước logic tương ứng ở ngõ ra trong “chương trình nội” (đã được lập trình), các bước logic này sẽ chuyển đổi ON/OFF Tuy nhiên lúc này các tín hiệu ở ngõ ra “that” (tức tín hiệu được đưa ra tại modul out) vẫn chưa được đưa

ra Khi kết thúc chương trình xử lý, việc chuyển đổi các mức logic (của các tiếp điểm) đã hoàn thành thì việc cập nhật các tín hiệu ở ngõ ra mới thực sự tác động lên ngõ ra để điều khiển các thiết bị ở ngõ ra

Thường việc thực thi một vòng quét xảy ra với một thời gian rất ngắn, một vòng quét đơn (single scan) có thời gian thực hiện một vòng quét từ 1ms tới 100ms Việc thực hiện một chu kỳ quét dài hay ngắn còn phụ thuộc vào độ dài của chương trình và cả mức độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi (màn hình hiển thị…) Vi xử lý có thể đọc được tín hiệu ở ngõ vào chỉ khi nào tín hiệu này tác động với khoảng thời gian lớn hơn một chu kỳ quét thì vi xử lý coi như không có tín hiệu này Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, thường các hệ thống chấp hành “là các hệ thống cơ khí nên có tốc độ quét như trên có thể đáp ứng được các chức năng của dây chuyền sản xuất Để khắc phục thời gian quét dài,

nhập dữ liệu vào máy

thực hiện chương trình

Trang 12

ảnh hưởng đến chu trình sản xuất các nhà thiết kế còn thiết kế hệ thống PLC cập nhật tức thời, các hệ thống này thường được áp dụng cho các PLC lớn có số lượng I/O nhiều, truy cập và xử lý lượng thông tin lớn

Đầu tiên là khả năng và giá trị cũng như nhu cầu về hệ thống sẽ giúp người sử dụng cần những loại PLC nào mà họ cần Nhu cầu về hệ thống được xem như là một nhu cầu ưu tiên nó giúp người sử dụng biết cần loại PLC nào và đặc trưng của từng loại để dể dàng lựa chọn Hình 1.4 cho ta các “bậc thang” phân loại các loại PLC và việc sử dụng PLC cho phù hợp với các hệ thống thực tế sản xuất Trong hình này ta có thể nhận thấy những vùng chồng lên nhau, ở những vùng này người sử dụng thường phải sử dụng các loại PLC đặc biệt như: số lượng cổng vào/ra (I/O) có thể sử dụng ở vùng có số I/O thấp nhưng lại có các tính năng đặc biệt của các PLC ở vùng có số lượng I/O cao (ví dụ: ngoài các cổng vào ra tương tự (Analog) Thường người sử dụng các loại PLC thuộc vùng chồng lấn nhằm tăng tính năng của PLC đồng thời lại giảm thiểu số lượng I/O không cần thiết

Các nhà thiết kế phân PLC ra thành các loại sau:

1.3.1 Loại 1: Micro PLC (PLC siêu nhỏ)

Micro PLC thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, các ứng dụng trực tiếp trong từng thiết bị đơn lẻ (ví dụ: điều khiển băng tải nhỏ Các PLC này thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay, một vài micro PLC còn có khả năng hoạt động với tín hiệu I/O tương tự (analog) (ví dụ: việc điều khiển nhiệt độ) Các tiêu chuẩu của một Micro PLC như sau:

- 32 ngõ vào/ra

- Sử dụng vi xử lý 8 bit

- Thường dùng thay thế rơle

- Bộ nhớ có dung lượng 1K

- Ngõ vào/ra là tín hiệu số

- Có timers và counters

- Thường được lập trình bằng các bộ lập trình cầm tay

1.3.2 Loại 2: PLC cỡ nhỏ (Small PLC)

Small PLC thường được dùng trong việc điều khiển các hệ thống nhỏ (ví dụ: Điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ), chức năng của các PLC này

Trang 13

thường được giới hạn trong việc thực hiện chuổi các mức logic, điều khiển thay thế rơle Các tiêu chuẩn của một small PLC như sau:

- Có 128 ngõ vào/ra (I/O)

- Dùng vi xử lý 8 bit

- Thường dùng để thay thế các role

- Dùng bộ nhớ 2K

- Lập trình bằng ngôn ngữ dạng hình thang (ladder) hoặc liệt kê

- Có timers/counters/thanh ghi dịch (shift registers)

- Đồng hồ thời gian thực

- Thường được lập trình bằng bộ lập trình cầm tay

Chú ý vùng A trong sơ đồ hình 1.4 Ở đây dùng PLC nhỏ với các chức năng tăng cường của PLC cở lớn hơn như: Thực hiện được các thuật toán cơ bản, có thể nối mạng, cổng vào ra có thể sử dụng tín hiệu tương tự

Hình 1.4 Cách dùng các loại PLC

1.3.3 Loại 3: PLC cỡ trung bình (Medium PLC)

PLC trung bình có hơn 128 đường vào/ra, điều khiển được các tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liệu, ứng dụng dược những thuật toán, thay đổi được các đặc tính của PLC nhờ vào hoạt động của phần cứng và phần mềm (nhất là phần mềm) các thông số của PLC trung bình như sau:

- Có khoảng 1024 ngõ vào/ra (I/O)

- Dùng vi xử lý 8 bit

- Thay thế rơle và điều khiển được tín hiệu tương tự

- Bộ nhớ 4K, có thể nâng lên 8K

Trang 14

- Tín hiệu ngõ vào ra là tương tự hoặc số

- Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao

- Có timers/Counters/Shift Register

- Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…)

- Có các lệnh dạng khối và ngôn ngữ lập trình là ngôn ngữ cấp cao

- Có timers/counters/Shift Register

- Có khả năng xử lý chương trình con (qua lệnh JUMP…)

- Thực hiện các thuật toán (cộng, trừ, nhân, chia…)

- Giới hạn dữ liệu với bộ lập trình cầm tay

- Có đường tín hiệu đặc biệt ở module vào/ra

- Giao tiếp với các thiết bị khác qua cổng RS232

- Có khả năng hoạt động với mạng

- Lập trình qua CRT (Cathode Ray Tube) để dễ quan sát

Chú ý tới vùng B (hình 1.4) PLC ở vùng B thường trực được dùng do có nhiều bộ nhớ hơn, điều khiển mạng PID có khả năng thực hiện những chuỗi lệnh phần lớn về thuật toán hoặc quản lý dữ liệu

1.3.4 Loại 4: PLC cỡ lớn (Large PLC)

Large PLC được sử dụng rộng rãi hơn do có khả năng hoạt động hữu hiệu, có thể nhận dữ liệu, báo những dữ liệu đã nhận… Phần mềm cho thiết bị điều khiển cầm tay được phát triển mạnh hơn tạo thuận lợi cho người sử dụng Tiêu chuẩn PLC cỡ lớn: Ngoài các tiêu chuẩn như PLC cỡ trung, PLC cỡ lớn còn có thêm các tiêu chuẩn sau:

- Có 2048 cổng vào/ra (I/O)

- Dùng vi xử lý 8 bit hoặc 16 bit

- Bộ nhớ cơ bản có dung lượng 12K, mở rộng lên được 32K

- Local và remote I/O

- Điều khiển hệ thống role (MCR: Master Control Relay)

- Chuỗi lệnh, cho phép ngắt (Interrupts)

- PID hoặc làm việc với hệ thống phần mềm PID

- Hai hoặc nhiều hơn cổng giao tiếp RS 232

- Nối mạng

- Dữ liệu điều khiển mở rộng, so sánh, chuyển đổi dữ liệu, chức năng giải thuật toán mã điều khiển mở rộng (mã nhị phân, hexa …) Có khả năng giao tiếp giữa máy tính và các module

1.3.5 Loại 5: PLC rất lớn (Very large PLC)

Trang 15

Very large PLC được dùng trong các ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp và chính xát cao, đồng thời dung lượng chương trình lớn Ngoài ra PLC loại này còn có thể giao tiếp I/O với các chức năng đặc biệt, tiêu chuan PLC loại này ngoài các chức năng như PLC loại lớn còn có thêm các chức năng:

- Có 8192 cổng vào/ra (I/O)

- Dùng vi xử lý 16 bit hoặc 32 bít

- Bộ nhớ 64K, mở rộng lên được 1M

- Thuật toán: +, -, *, /, bình phương

- Dữ liệu điều khiển mở rộng: Bảng mã ASCII, LIFO, FIFO

việc sử dụng PLC

1.4.1 Việc sử dụng PLC với hệ thống điều khiển khác

1.4.1.1 PLC với hệ thống điều khiển bằng rơle

Việc phát triển hệ thống điều khiển bằng lập trình đã dần thay thế từng bước hệ thống điều khiển bằng rơle trong các quá trình sản suất khi thiết kế một hệ thống điều khiển hiện đại, người kỹ sư phải cân nhắc, lựa chọn giữa các hệ thống điều khiển lập trình thường được sử dụng thay cho hệ thống điều khiển bằng rơle do các nguyên nhân sau:

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách linh động

- Có độ tin cậy cao

- Khoảng không lắp đặc thiết bị nhỏ, không chiếm diện tích

- Có khả năng đưa tín hiệu điều khiển ở ngõ ra cao

- Sự chọn lựa dữ liệu một cách thuận lợi dễ dàng

- Thay đổi trình tự điều khiển một cách thường xuyên

- Dễ dàng thay đổi đối với cấu hình (hệ thống máy móc sản xuất) trong tương lai khi có nhu cầu mở rộng sản xuất

Đặc trưng cho hệ thống điều khiển chương trình là phù hợp với những nhu cầu đã nêu trên, đồng thời về mặt kinh tế và thời gian thì hệ thống điều khiển lập trình cũng vượt trội hơn hệ thống điều khiển cổ điển (rơle, contactor…) Hệ thống điều khiển này cũng phù hợp với sự mở rộng hệ thống trong tương lai do không phải đổi, bỏ hệ thống dây nối giữa hệ thống điều khiển và các thiết bị, mà chỉ đơn giản là thay với máy tính

1.4.1.2 PLC với máy tính

Máy tính và PLC đều dựa trên bộ xử lý (CPU) để xử lý dữ liệu Tuy

Trang 16

nhiên có một vài cấu trúc quan trọng cần phân biệt để thấy rõ sự khác biệc giữa một PLC và một máy tính

- Không như một máy tính, PLC được thiết kế đặc biệc để hoạt động trong môi trường công nghiệp Một PLC có thể được lắp đặc ở những nơi có độ nhiểu điện cao (Electrical noise), vùng có từ trường mạnh, có các chấn động cơ khí, nhiệt độ môi trường cao…

- Điều quan trọng thứ hai đó là: Một PLC được thiết kế với phần cứng và phần mềm sao cho dễ lắp đặc (đối với phần cứng), đồng thời về một chương trình cũng phải dễ dàng để người sử dụng (kỹ sư, kỹ thuật viên) thao tác lập trình một cách nhanh chóng, thuận lợi (ví dụ: lập trình bằng ngôn ngữ hình thang…)

1.4.1.3 PLC với máy tính cá nhân (PC: Personal Computers)

Đối với một máy tính cá nhân (PC), người lập trình dễ nhận thấy được sự khác biệt giữa PC với PLC, sự khác biệt có thể biết được như sau: Máy tính không có các cổng giao tiếp tropic tiếp với các thiết bị điều khiển, đồng thời máy tính cũng hoạt động không tốt trong môi trường công nghiệp

Ngôn ngữ lập trình trên máy tính không phải dạng hình thang, máy tính ngoài việc sử dụng các phần mềm chuyên biệt cho PLC, còn phải thông qua việc sử dụng các phần mềm khác làm “chậm” đi quá trình giao tiếp với các thiết

bị được điều khiển

Tuy nhiên qua máy tính, PLC có thể dể dàng kết nối với các hệ thống khác, cũng như PLC có thể sử dụng bộ nhớ (có dung lượng rất lớn) của máy tính làm bộ nhớ của PLC

1.4.2 Lợi ích của việc sử dụng PLC

Cùng với sự phát triển của phần cứng lẫn phần mềm, PLC ngày càng tăng được các tính năng cũng như lợi ích của PLC trong hoạt động công nghiệp Kích thước của PLC hiện nay được thu nhỏ lại để bộ nhớ và số lượng I/O càng nhiều hơn, các ứng dụng của PLC càng mạnh hơn giúp người sử dụng giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp trong điều khiển hệ thống

Lợi ích đầu tiên của PLC là hệ thống điều khiển chỉ cần lắp đặt một lần (đối với sơ đồ hệ thống, các đường nối dây, các tín hiệu ở ngõ vào/ra…), mà không phải thay đổi kết cấu của hệ thống sau này, giảm được sự tốn kém khi phải thay đổi lắp đặt khi đổi thứ tự điều khiển (đối với hệ thống điều khiển relay…) khả năng chuyển đổi hệ điều khiển cao hơn (như giao tiếp giữa các PLC để truyền dữ liệu điều khiển lẫn nhau), hệ thống được điều khiển linh hoạt hơn Không như các hệ thống củ PLC có thể dể dàng lắp đặc do chiếm một khoảng

Trang 17

không gian nhỏ hơn nhưng điều khiển nhanh, nhiều hơn các hệ thống khác Điều này càng tỏ ra thuận lợi hơn đối với các hệ thống điều khiển lớn, phức tạp, và quá trình lắp đặt hệ thống PLC ít tốn thời gian hơn các hệ thống khác

Cuối cùng là người sử dụng có thể nhận biết các trục trặc hệ thống của PLC nhờ giao diện qua màn hình máy tính (một số PLC thế hệ sau có khả năng nhận biết các hỏng hóc (trouble shoding) của hệ thống và báo cho người sử dụng), điều này làm cho việc sửa chữa thuận lợi hơn

Hiện nay PLC đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

- Hóa học và dầu khí: định áp suất (dầu), bơm dầu, điều khiển hệ thống ống dẫn, cân đong trong nghành hóa…

- Chế tạo máy và sản xuất: Tự động hoá trong chế tạo máy, cân đong, quá trình lắp đặc máy, điều khiển nhiệt độ lò kim loại…

- Bột giấy, giấy, xử lý giấy: Điều khiển máy băm, quá trình ủ, quá trình cán, gia nhiệt …

- Thủy tinh và phim ảnh: quá trình đóng gói, cân đong, các khâu hoàn tất sản phẩm, đo cắt

- Thực phẩm, rượu bia, thuốc lá: đếm sản phẩm, kiểm tra sản phẩm, kiểm soát quá trình sản xuất, bơm (bia, nước trái cây…) cân đong, đóng gói, hòa trộn…

- Kim loại: Điều khiển quá trình cán, cuốn (thép), qui trình sản xuất, kiểm tra chất lượng

- Năng lượng: Điều khiển nguyên liệu (cho quá trình đốt, xử lý trong các turbin…) các trạm cần hoạt động tuầu tự khai thác vật liệu một cách tự động (than, gỗ, dầu mỏ)

Trang 18

CHƯƠNG 2

2.1.1 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển khí nén - thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được nối kết với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ theo yêu cầu đặt ra Hệ thống được mô tả như hình 2.1

Hình 2.1 Hệ thống điều khiển khí nén - thủy lực

- Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc; công tắc hành trình; cảm biến

- Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển: van logic And, Or, Not, Yes, Flip-Flop, rơle…

- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu, ly hợp…

- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển: xy lanh khí-dầu, động cơ khí nén-dầu

- Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất

Phần thông tin:

- điện tử

- điện cơ

- khí

Trang 19

- dầu

- quang học

- sinh học

Phần công suất:

- Điện: công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, nhanh

- Khí: công suất vừa, quán tính, tốc độ cao

- Thủy: công suất lớn, quán tính ít - dễ ổn định, tốc độ thấp

2.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển

Trong điều khiển khí nén và thuỷ lực nói chúng ta sử dụng hai loại tín hiệu:

+ tương tự (hình 2.2a) + rời rạc (số) (hình 2.2b)

Hình 2.2a Hình 2.2b

2.1.3 Điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển vòng hở là không có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào, giá trị thực thu được và giá trị cần đạt không được điều chỉnh, xử lý Hình 2.3 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực

Hình 2.3 Hệ thống điều khiển hở tốc độ động cơ thủy lực

Trang 20

2.1.4 Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)

Hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào ra được thông báo cho thiết bị điều khiển, để thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được như mong muốn Hình 2.4 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của chuyển động cần pít tông xy lanh thủy lực

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển kín vi trí pít tông thủy lực

+ Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật

+ Tuổi thọ lớn

+ Tính đồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử chức năng báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trường dễ nổ, và bảo đảm môi trường sạch vệ sinh

+ Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít

+ Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nên truyền động có thể đạt được vận tốc rất cao

Trang 21

2.2.1.2 Nhược điểm

+ Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử

+ Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với điện tử, chỉ điều khiển theo chương trình có sẵn Khả năng điều khiển phức tạp kém

+ Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh

+ Lực truyền tải trọng thấp

+ Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn

+ Không điều khiển được quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng

- Kết cấu nhỏ gọn, nối kết giữa các thiết bị với nhau dễ dàng bằng việc đổi chỗ các mối nối ống

- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao

- Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có thể sử dụng vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay điện

- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, ngay cả những hệ mạch phức tạp

- Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn

- Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển

- Khả năng lập trình và tích hợp hệ thống kém nên khó khăn khi thay đổi chương trình làm việc

Trang 22

- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi

2.3.1 Phạm vi ứng dụng của điều khiển khí nén

Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng rộng rãi ở những lĩnh vực mà

ở đó vấn đề nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ, như: các đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc được sử dụng trong ngành cơ khí như cấp phôi gia công; hoặc trong môi trường vệ sinh sạch như công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, như: rữa bao bì tự động, chiết nước vô chai…; trong các thiết

bị vận chuyển và kiểm tra của các băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại sản phẩm và trong công nghiệp hóa chất,

y khoa và sinh học

2.3.2 Phạm vi ứng dụng của điều khiển thủy lực

Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, như: máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy công cụ gia công kim loại, máy dập, máy xúc, tời kéo,… Dưới đây là một số hình minh họa về ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực

Trang 23

Trang 24

CHƯƠNG 3

3.1.1 Điều khiển tùy chọn

Điều khiển tùy chọn là điều khiển thường các tác động được thực hiện bằng tay hay bằng chân Trong điều khiển khí nén – thủy lực tùy thuộc tín hiệu đầu vào là các van tác động bằng tay, chúng kích hoạt các pít tông dịch chuyển về phía trước hoặc trở về vị trí ban đầu theo mong muốn

Hình 3.1 Điều khiển tùy chọn

Hình 3.1 mô tả mạch dập đơn giản điều khiển tùy chọn Gồm một van 4/2

có nhớ 2.6, một phần tử OR và 3 van tác động tín hiệu bằng tay

Tất cả những điều khiển tùy thuộc đòi hỏi vận hành của con người mới trở nên hiệu lực Điều khiển tùy thuộc thích hợp ở bất cứ nơi đâu mà ta không quan tâm đến chu trình làm việc tự động của hệ thống Nói một cách khác, đây là một loại điều khiển phù hợp đối với những hệ thống hoạt động đơn giản, thí dụ như kẹp chặt, nâng chuyển, định vị… đồng thời nó cũng là cội nguồn của hệ

Trang 25

thống phức tạp nữa đó là chi tiết cần thiết cho sự khởi động hay ngừng khẩn cấp tác động trong các máy tự động

3.1.2 Điều khiển theo hành trình

Trong một hệ thống điều khiển theo hành trình, hoạt động của các phần tử đưa tín hiệu khởi động các cơ cấu chuyểu hướng hay vận hành các vòng lặp điều khiển khác được thực hiện bởi chính các phần tử chấp hành

Hình 3.2 Điều khiển theo hành trình

Các tín hiệu hành trình được kích trực tiếp từ cần pit tông ở cuối của mỗi hành trình Tuy nhiên để thực hiện những nhiệm vụ hoặc những yêu cầu nào đó,

ta có thể bố trí các tín hiệu hành trình ở những vị trí bất kỳ trên khoảng chạy của

pít tông Hình 3.2 mô tả một mạch làm việc được lặp đi lặp lại Ngay khi nguồn

khí cung cấp được mở bởi van 0.1, pít tông được khởi động qua lại trong xy lanh cho tới khi nguồn khí cung cấp được đóng lại Van tác động con lăn 1.1 và 1.2 được bố trí như các hành trình để đưa tín hiệu tới van nhớ trạng thái 4/2 1.3 khi cần pit tông chạm vào con lăn

3.1.3 Điều khiển theo thời gian

Điều khiển theo thời gian là trạng thái điều khiển của hệ thống tác động chỉ phụ thuộc vào đại lượng thời gian của các phần tử định thời Các phần tử định thời có thể là khí nén, dầu ép hoặc điện

Trang 26

Hình 3.3 Điều khiển theo thời gian

Hình 3.3 mô tả hệ thống ép ủi hơi két nón Khi nhấn nút ấn S1 van đảo

chiều 1Y đổi vị trí, pittông 1A đi lên để ép két nón, đồng thời dòng điện vào phần tử relay thời gian T1 Sau thời gian t thì pittông sẽ đi xuống trở về vị trí ban đầu

Hình 3.4 Điều khiển theo thời gian bằng lưu chất khí nén

Hình 3.4 là cơ cấu điều khiển dịch chuyển pittông khí nén để đẩy các sản

phẩm theo nguyên lý thời gian Với các phần tử thời gian sử dụng nguồn năng lượng lưu chất thì chỉ hoạt động ở hai vị trí cuối của xylanh khí nén Thời gian trì hoãn phụ thuộc vào độ hiệu chỉnh của van tiết lưu

Trang 27

3.1.4 Điều khiển phối hợp

Điều khiển phối hợp là điều khiển kết hợp các điều khiển trên Hình 3.5

là mô tả mạch điều khiển của cơ cấu ép phối hợp 3 thành phần điều khiển: tùy chọn (2.3), hành trình (2.2) và thời gian (2.5) Bình thường khi cấp nguồn năng lượng thì phần tử 2.5 xác lập thời gian và sau thời gian này thì có dòng năng lượng tạo ra nhưng nó đi qua cửa xả của 2.3 không đủ áp để kích van 2.4 Ngược lại nếu tác động 2.3 mà 2.5 chưa xác lập thì dòng năng lượng được tạo ra cũng không kích cho van 2.4 hoạt động Tín hiệu kích van 2.4 dịch chuyển với điều kiện đồng thời nút nhấn 2.3 được tác động và sau thời gian xác lập của phần tử 2.5 Khi pittông ép đi ra và chạm vào công tắc hành trình 1.2 thì van 2.4 bị kích ngược lại và pittông lại trở về vị trí ban đầu

Hình 3.5 Điều khiển ép phối hợp

3.1.5 Điều khiển theo chương trình cứng

Các điều khiển máy móc hoàn toàn tự động được phân theo ý muốn và được chỉ định theo các điều khiển chương trình hoặc các điều khiển liên tục Cả hai hệ thống có những ích lợi và những bất lợi Với điều khiển chương trình, các tác động được thi hành theo sự thỏa thuận với một chương trình định nghĩa trước Thông thường bộ chương trình bao gồm một cái trục được vận hành bằng điện lắp với một số cam (chi tiết cam cơ khí)

Trang 28

Hình 3.6 Điều khiển theo chương trình cứng

Điều khiển một số van tương ứng Chương trình được biên dịch bởi các

cam được lắp đặt chính xác và tốc độ quay của trục cam Hình khai triển 3.6 mô

tả một điều khiển theo chương trình cứng điều khiển máy nong đầu cắt ống nhựa theo kích thước Tốc độ của động cơ vận hành đồng bộ thích ứng với khoảng thời gian của một chu kỳ làm việc đầy đủ hoàn tất trong một vòng quay Mỗi xy lanh tác động kép được điều khiển bởi van tác động con lăn 4/2 với lò xo trả về

vị trí ban đầu

3.1.6 Điều khiển tuần tự

Cơ bản như phương pháp điều khiển phụ thuộc hành trình, điều khiển tuần tự bao gồm các phần tử chức năng định thời Nguyên tắc của điều khiển tuần tự là hoạt động của phần tử trước sẽ khởi tạo hoạt động phần tử kế tiếp Nếu một hoạt động của một phần tử nào đó bị lỗi dù bất kỳ lý do gì gây nên các phần tử tiếp theo sau không được khởi tạo và toàn bộ hệ thống sẽ bị dừng

Điều khiển tuần tự được thiết kế cho các vận hành tự động hoặc bán tự động Bán tự động khi tín hiệu khởi động phải được tác động bằng tay cho mỗi lần chạy

Hình 3.7 mô tả mạch điều khiển tuần tự bán tự động

Hình 3.8 mô tả mạch điều khiển tuần tự hoàn toàn tự động

Trang 29

Hình 3.7 Điều khiển tuần tự bán tự động

Hình 3.8 Mạch điều khiển tuần tự tự động

Trang 30

Mạch điều khiển được xem như là một quả tim của một hệ thống làm việc khí nén và thủy lực Do đó nhiệm vụ thiết kế hoàn chỉnh một mạch điều khiển đảm bảo được sự đúng đắn về nguyên lý hoạt động, đơn giản, tin cậy, ổn định và linh hoạt là hết sức được quan tâm Muốn như vậy, cơ bản ta phải thực hiện trình tự những bước sau:

• - Biễu diễn sơ đồ chức năng của quá trính điều khiển

• - Viết chương trình điều khiển của các bước làm việc trong quá trình

• - Xây dựng mạch điều khiển trên cơ sở của phương trình điều khiển

3.2.1 Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển

Tùy thuộc vào tính năng làm việc của hệ thống mà trong một hệ thống điều khiển có thể có một hay nhiều mạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt Mặt khác, hầu hết trong các hệ thống, công nghệ tự động hiện đại có sự kết hợp rất nhiều các cơ cấu chấp hành khác nhau rất đa dạng: Cơ khí, khí nén, thủy lực, Điện… do đó trong quá trình điều khiển, tất yếu là nhiều hệ thống điều khiển được kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển khí nén kết hợp với điện, thủy lực, điều khiển theo chương trình PLC, máy tính… Để đơn giản quá trình điều khiển cũng như tối ưu và đơn giãn thiết kế ta phải thực hiện nhiệm vụ biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển đầy đủ và hoàn chỉnh nhất

3.2.1.1 Biểu đồ trạng thái

a Kí hiệu

Các kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái của quá trình điều khiển được mô tả hình 3.9

Trang 31

Hình 3.9 Ký hiệu biểu diển biểu đồ trạng thái

b Thiết kế biểu đồ trạng thái

Biểu đồ trạng thái biểu diễn các trạng thái hoạt động của các phần tử trong hệ thống, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử Do đó nó được xem như là cơ sở thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ thống

Trục tung của biểu đồ trạng thái là biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,…) Trục hoành biểu diễn các bước thực hiện hoặc là thời gian hành trình Hành trình làm việc được chia thành nhiều bước Sự thay đổi trạng thái các bước được biểu diễn bằng các đường nét đậm Sự liên kết các tín hiệu được thể hiện bằng các nét nhỏ và chiều tác động được biểu diễn bằng mũi tên

Trang 32

Hình 3.10 Ký hiệu các bước và lệnh thực hiện

b Thiết kế sơ đồ chức năng

Hình 3.11 Mô tả nguyên lý làm việc của máy khoan

Hình 3.12 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Hình 3.11 Nguyên lý làm việc Hình 3.12 Sơ đồ mạch khí nén

3.2.1.3 Lưu đồ tiến trình

a Kí hiệu

Lưu đồ tiến trình là giải thuật (thuật toán) của một quá trình điều khiển Thể hiện các trình tự hoạt động, những tín hiệu tác động ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển

Các kí hiệu và thứ tự vi trí được mô tả ở hình 3.13

Trang 33

Hình 3.13 Ký hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình

b Thiết kế lưu đồ tiến trình

Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển ở hình 3.14 được thực hiện

như sau:

Hình 3.14 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

Trang 34

Hình 3.15 Lưu đồ tiến trình điều khiển

- Bước thực hiện thứ nhất:

Khi pittông ở vị trí ban đầu (1S2 =1, 1S3=0) nút nhấn khởi động 1S1 tác động pittông đi ra (1A+)

- Bước thực hiện thứ hai:

Khi pittông đi đến cuối hành trình chạm công tắc 1S2, pittông sẽ lùi về (1A-)

- Bước thực hiện thứ ba:

Tại vị trí ban đầu pittông chạm công tắc 1S2, quá trình điều khiển kết thúc

Quá trình điều khiển được viết như sau:

- Bước thực hiện thứ nhất:

1S1^1S2^1S3= 1A+ # 1S3

- Bước thực hiện thứ hai:

1S3=1A- # 1S2

- Bước thực hiện thứ ba:

1S2 = kết thúc quá trình

Trang 35

c Viết phương trình điều khiển của hoạt động hệ thống

Dựa vào biểu đồ trạng thái hoạt động theo thời gian của quá trình làm việc hệ thống, dựa vào lý thuyết đại số Boole và các phần tử có chức năng nhớ trạng thái ta có thể viết ra được các phương trình các bước điều khiển của quá trình

Ta có thể tối ưu các phương trình điều khiển đó tới mức chứa ít tham số biến vào ra càng ít để đơn giản mạch điều điều khiển và giảm tốn kém về sử dụng các phần tử không cần thiết

Hình 3.16 hệ thống ép

Ví dụ 1:

Quy trình điều khiển piston để nén chặt các bã đậu thành các khối bánh

được mô tả ở hình 3.16 Tại các vị trí S0, S1 và S2 có các công tắc hành trình tương ứng x0, x1 và x2 Nút nhấn thức hiện hành trình ép là Sp Đầu tiên piston chạy với tốc độ v1 trong đoạn hành trình không ép S0S1, và sẽ chạy chậm với v2 trong hành trình ép S1S2 Gặp S2 piston sẽ giật lùi về với vận tốc lớn nhất v3 và kết thúc chu kỳ ép tại S0 (chú ý: v3> v1 > v2) Với nguyên lý hoạt động của quy trình ép ta xây dựng được sơ đồ mạch động lực như sau:

Trang 36

Hình 3.17 Nguyên lý làm việc của hệ thống ép

Bước 0-1

Tại vị trí khởi đầu của bước 0 – 1, khi đồng thời S0 bị tác động và nút Sp được nhấn thì thực hiện bước 0 –1, tức là A+ thực hiện Và nó vẫn thực hiện sau khi ta thả nút nhấn điều này phải nhớ trạng thái của A+

Phương trình viết như sau:

Phương trình viết như sau:

- Phương trình được viết như sau:

Trang 37

3.2.2 Vẽ sơ đồ mạch điều khiển

- Mạch điều khiển là tổ hợp các tầng Tầng là tổ hợp của các phần tử logic điện theo các phương trình điều khiển đã viết được ở trên

- Mỗi phương trình điều khiển có thể xem như là một tầng Trong đó Kn là hàm của các tầng và được gán cho các đầu ra công suất của các van điều khiển

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều khiển của hệ thống ép

Ví dụ 2:

Một thanh hàn nhiệt điện được ép vào một trống tròn xoay được làm mát bằng xy lanh khí nén tác động kép (1A) và hàn tấm plastic thành các ống Hành trình duỗi ra được kích bằng một nút nhấn 1S1 Hành trình duỗi với áp suất là 4 bar và khi 1S4 được tác động thì bắt đầu ép cho tới áp suất ép tăng đến 8 bar thì piston giật về Gặp 1S3 thì piston dừng lại, sau 2 giây thì chu kỳ ép mới lại bắt đều Trong mạch sử dụng van 5/2/2 coil Xây dựng mạch điều khiển của cơ cấu hàn nhiệt điện

Giải:

•

Trang 38

Hình 3.19 Sơ đồ mạch và nguyên lý làm việc

* Viết phương trình điều khiển

Vì hoạt động của hệ thống được thực hiện liên tục, do vậy trạng thái nhấn của 1S1 tại (1) được duy trì trong suốt quá trình

1 2

1 1

12

11

41

3111

K Y

S K K

P K S S K

21

31

K Y

S K P K

Ta có thể sử dụng luật kết hợp để tôi ưu các tầng ở bước 1-2 và 3-1

* Xây dựng mạch điện điều khiển

Căn cứ vào số phương trình ở trên ta có số tầng tương ứng Mạch được thể hiện dưới đây:

Trang 39

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điều khiển của cơ cấu hàn nhiệt điện

Trên đây, chúng ta đã sử dụng lý thuyết đại số Boole, các phần tử nhớ để tổ hợp thành các phương trình điều khiển và sử dụng các luật logic để tối ưu chúng Bước kế tiếp mới tiến hành xây dựng mạch điều khiển trên tổ hợp đã tối

ưu được

Với phương thức này sẽ gặp nhiều khó khăn đối với những hệ thống có quá trình hoạt động phức tạp, hệ thống đòi hỏi phải thay đổi các thông số làm việc thường xuyên, khó khăn khi bảo trì, sửa chữa hoặc cải tiến, nâng cấp để phù hợp với nhu cầu Mặc khác phương thức này tốn kém chi phí, không gian và tính an toàn, ổn định làm việc rất thấp ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả sản xuất Để giải quyết những hạn chế của phương thức này người ta đã sử dụng các bộ điều khiển có khả năng lập trình thay thế hoàn toàn cho các mạch điều khiển trên tạo ra một sự linh hoạt mềm dẻo từ ý tưởng đến hoàn thiện mạch

Sử dụng bộ điều khiển lập trình, chúng ta không cần quan tâm đến bản chất của sự nối mạch do điều này được giải quyết bằng chương trình

Chương trình có thể viết dưới dạng ngôn ngữ STL, LADDER, FBD Trong phần này tác giả sử dụng ngôn ngữ đơn giản LADDER để mô tả và lập trình các hoạt động của hệ thống

3.3.1 Một số lệnh cơ bản viết chương trình

Trang 40

Định dạng
Số trang	91
Dung lượng	1,87 MB