Bài giảng Điều khiển thủy khí và lập trình PLC - ĐH Phạm Văn Đồng

ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ VÀ LẬP TRÌNH PLC.. Ths.[r]

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ VÀ

LẬP TRÌNH PLC Ths Phạm Văn Anh (Chủ biên)

Ths Đào Minh Đức

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước ta hiện nay, công nghiệp hóa – hiện đại hóa đang bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cơ khí – tự động hóa có nhiều bước phát triển vượt bậc, góp phần củng cố và xây dựng cơ sở vật chất hạ tầng cho nền kinh tế

Góp phần vào những nỗ lực này, các cán bộ, giảng viên và toàn thể các sinh viên của đại học Phạm Văn Đồng cũng đang từng bước đổi mới, nâng cao trình độ chuyên môn, nhằm tạo ra những bước chuyển lớn trong đào tạo và nâng cao chất lượng tạo

Từ những yêu cầu trên, nhóm biên soạn đã tập hợp từ nhiều tài liệu để biên tập thành bài giảng này Tài liệu này được sử dụng cho sinh viên các lớp đại học tín chỉ với thời lượng 30 tiết Chúng tôi hy vọng đây sẽ là tài liệu thiết thực cho các bạn sinh viên chuyên nghành Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí tại trường đại học Phạm Văn Đồng

Trong quá trình biên soạn, chắc chắn tài liệu không tránh khỏi có những sai sót Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ - Trường Đai học Phạm Văn Đồng Chúng tôi xin chân thành cảm ơn

Chương 1 ĐIỀU KHIỂN LOGIC

Mục tiêu

Chương này trang bị cho các sinh viên kiến thức về đại số Boole, ứng dụng của lý thuyết điều khiển logic như: Tối giản các phương trình logic bằng biến đối toán học hoặc bảng Karnaugh và nắm vững các phần tử điều khiển logic trong hệ thống thủy lực khí nén

1.1 Khái niệm cơ bản

Khái niệm “điều khiển” theo tiêu chuẩn DIN 19 226 (Cộng hòa liên bang Đức): là quá trình của một hệ thống, trong đó dưới tác động của một hay nhiều đại lượng vào, những đại lượng được thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ thống đó

Đặc trưng cho quá trình điều khiển là mạch tác động hở (hệ thống điều khiển hở) Cấu trúc của hệ thống điều khiển hở được biểu diễn như hình dưới:

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển hở

Hệ thống có các tín hiệu vào xe và tín hiệu ra xa Ví dụ như mạch điều khiển đơn giản của một xilanh khí nén:

Hình 1.2 Mạch điều khiển xilanh

Một hệ thống điều khiển bao gồm: thiết bị điều khiển và đổi tượng điều khiển

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển

+ Đối tượng điều khiển là các loại thiết bị, máy móc

+ Thiết bị điều khiển bao gồm: phần tử đưa tín hiệu, phần tử xử lý và điều khiển, cơ cấu chấp hành

+ Tín hiệu điều khiển là đại lượng ra xa của thiết bị điều khiển và đại lượng vào xe của đối tượng điều khiển

+ Tín hiệu nhiễu z là đại lượng được tác động từ bên ngoài vào hệ thống và gây ảnh hưởng xấu lên hệ thống

Hình 1.4 Các phần tử của mạch điều khiển

Hình 1.5 Phân loại tín hiệu

- Khi tín hiệu thay đổi liên tục tương ứng với các giá trị thông tin biến đổi, được gọi là tín hiệu tương tự

- Khi tín hiệu mà biên độ thay đổi gián đoạn, được gọi là tín hiệu rời rạc

- Khi giá trị của tín hiệu thay đổi được định nghĩa dưới dạng mã nhị phân, gọi

là tín hiệu số

- Tín hiệu nhị phân là tín hiệu số chỉ có hai giá trị (0 và 1) và tín hiệu bộ ba là tín hiệu có ba giá trị

Ví dụ: tín hiệu điều khiển khí nén phần lớn sử dụng tín hiệu nhị phân: Đóng và

mở, có và không có khí nén…

1.2 Các phần tử logic

Các phần tử logic được ký hiệu theo tiêu chuẩn DIN 40 100 (cộng hòa liên bang Đức) được ký hiệu trong bảng sau:

Bảng 1.1 Phần tử cơ bản của mạch logic

1.2.1 Phần tử logic NOT (đảo)

Phần tử logic NOT được minh họa trong hình dưới đây Khi nhấn nút b1 rơle c

có điện, bóng đèn h mất điện và ngược lại khi nhả b1, bóng đèn h có điện

Hình 1.6 Phần tử logic NOT

1.2.2 Phần tử logic AND (và)

Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c có điện, bóng đèn h sáng

Hình 1.7 Phần tử logic AND

1.2.3 Phần tử logic NAND (và-đảo)

Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c mất điện, bóng đèn h tắt

Hình 1.8 Phần tử logic NAND

1.2.4 Phần tử logic AND-NAND

- Phần tử logic AND-NAND có 2 tín hiệu ra h1 và h2 Hai tín hiệu h1 và h2 là phủ định của nhau

Hình 1.9 Phần tử logic AND-NAND

1.2.5 Phần tử logic AND-NAND với 4 tín hiệu vào

Sơ đồ mạch được minh họa ở hình dưới đây:

Hình 1.10 Phần tử AND-NAND với 4 tín hiệu vào

1.2.6 Phần tử logic OR (hoặc)

Đèn h sáng, khi nhấn nút b1 hoặc b2 Ký hiệu, sơ đồ và bảng chân lý được thể hiện trong hình dưới:

Hình 1.11 Phần tử logic OR

1.2.7 Phần tử logic NOR (hoặc-đảo)

Khi tín hiệu trong 2 nút b1 hoặc b2 được thực hiện, thì đèn h tắt Đèn h sáng khi không có tín hiệu nào thực hiện cả

Hình 1.12 Phần tử logic NOR

1.2.8 Phần tử logic OR/NOR

Phần tử logic OR/NOR với 2 tín hiệu vào và 2 tín hiệu ra được thể hiện như hình dưới:

Hình 1.13 Phần tử logic OR/NOR

1.2.9 Phần tử logic XOR (EXC-OR)

Đèn h1 sáng, khi nút ấn b1 thực hiện hoặc b2 thực hiện Khi nhấn cả 2 nút đồng thời, đèn h1 mất điện

Hình 1.14 Phần tử logic XOR

1.3 Lý thuyết đại số BOOLE

Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị của các tín hiệu vào và ra được thể hiện dưới dạng biến số của đại số Boole

1.3.1 Các quy tắc cơ bản của đại số Boole

a) Quy tắc hoán vị

Các toán tử b1 và b2 có thể hoán vị cho nhau:

b1 ^ b2=b2 ^ b1; b1 v b2=b2 v b1

b) Quy tắc kết hợp

b1 ^ b2 ^ b3 = (b1 ^ b2) ^ b3 = b1 ^ (b2 ^ b3 )

b1 v b2 v b3 = (b1 v b2) v b3 = b1 v (b2 v b3 )

c) Quy tắc phân phối

Phép toán liên kết AND, OR, NOT được kết hơp với nhau:

( b1 ^ b2) v (b3 ^ b4) = (b1 v b3) ^ (b1 v b4) ^ (b2 v b3) ^ (b2 v b4) ( b1 v b2) ^ (b3 v b4) = (b1 ^ b3) v (b1 ^ b4) v (b2 ^ b3) v (b2 ^ b4)

b1 ^ (b2 v b3) = (b1 ^ b2) v (b1 ^ b3)

b1 v (b2 ^ b3) = (b1 v b2) ^ (b1 v b3)

d) Quy tắc nghịch đảo (Quy tắc Morgan)

2 1 2 1

2 1 2 1

b b b b

b b b b













3 2 1 3 2 1

3 2 1 3 2 1

3 2 1 3 2 1

b b b b b b

b b b b b b

b b b b b b































3 2 1 3 2 1

3 2 1 3 2 1

3 2 1 3 2 1

b b b b b b

b b b b b b

b b b b b b































e) Quy tắc đơn giản các liên kết

Quy tắc đơn giản các liên kết được thể hiện ở hình dưới đây:

Hình 1.15 Quy tắc đơn giản các phép toán

f) Ví dụ minh họa

Ví dụ 1.1: Từ phương trình logic sau đây:

H ) b b b b ( ) b b b b ( 1  2 3 4  1 2 3 4 

Hãy thiết kế sơ đồ mạch logic, sao cho số phần tử logic ít nhất và sử dụng số phần tử đơn giản với số cổng càng ít càng tốt

Theo phương trình logic, ta có được sơ đồ mạch logic được thiết kế như sau:

Hình 1.16 Sơ đồ mạch logic với 7 phần tử

Theo quy tắc Morgan, ta biến đổi như sau:

 3 4

2 1 4 3 2 1

4 3 2 1 4 3 2 1

b b b b b b b b

b b b b b b b b





























Ta có kết quả như sau:

b b  H b

b ( ) b b b b ( 1 2 3 4  1 2  3  4 

Sơ đồ logic sau khi biến đổi còn 5 phần tử logic: 1 NOT, 1NOR với 4 cổng vào, 1 OR với 2 cổng vào, 1 NOR với 2 cổng vào, 1 AND với 2 cổng vào

Hình 1.17 Sơ đồ mạch logic với 5 phần tử

Ví dụ 1.2: Hãy đơn giản mạch điều khiển có phương trình logic sau:

H ) b b ( ) b b ( 1  2  1  2 

Theo phương trình trên, cần 5 phần tử logic Sơ đồ mạch logic và bảng chân lý biểu diễn ở hình dưới:

Hình 1.18 Sơ đồ mạch logic với 5 phần tử

Theo quy tắc phân bố, ta biến đổi được như sau:

H ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b ( 1 2  2  1  1  1  2  2  2  1  2  2 

Theo quy tắc đơn giản liên kết, ta có:

1 ) (b1 b1  và (b2  b2)1 Như vậy phương trình trở thành:

H b b b

b  )(  ) 

Theo quy tắc Morgan:

( b 2 b 1 )b 2 b 1

Phương trình đơn giản được:

H ) b b ( ) b b ( 1 2  2  1 

Hình 1.19 Sơ đồ mạch logic với 3 phần tử

Ví dụ 1.3:

Thiết lập phương trình logic điều khiển thang máy Nguyên tắc hoạt động của thang máy như sau: thang máy sẽ chuyển động, khi có tác động vào nút nhấn b0 ở bên ngoài hoặc bên trong thang máy b1

Mạch điều khiển đóng, khi cửa thang máy b3 đóng Nếu thang máy có tín hiệu

b2 (có người vào), thì tác động vào nút nhấn bên ngoài không có hiệu lực

Ví dụ này giả thiết rằng, chúng ta chỉ để ý đến là với những điều kiện nào thì động cơ thang máy hoạt động Hướng chuyển động, đích đến (chọn tầng) ở bài toán này không đề cập đến

Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển thang máy

( b0 Nút ấn bên ngoài thang máy; b1 Nút ấn bên trong thang máy; b2 Tiếp điểm nằm dưới nền thang máy; b3 Tiếp điểm khi cửa thang máy đóng; H Động cơ điện hoạt

động)

Có 4 tín hiệu vào, như vậy ta có 24 khả năng mạch kết hợp có thể xảy ra, được

ký hiệu từ 0 đến 15 Theo yêu cầu đề ra, ta có 3 khả năng z=9.14 thỏa mãn để mạch động cơ điện đóng Dòng kết hợp z=10,11 không có ý nghĩa, bởi vì khi tác động lên nút ấn b1 bên trong thang máy, mà tiếp điểm b2 không đóng (không có nguời bên trong thang máy)

Hình 1.21 Bảng chân lí Hình 1.22 Mạch logic và sơ đồ mạch công tắc

Ký hiệu x có nghĩa là giá trị H được phép chọn bất kỳ Trước hết ta chọn ở dòng z=10.11, giá trị H=0 Dạng phép tuyển toàn phần được viết như sau:

H b b b b b b b b b b b

Sử dụng quy tắc phân bố và quy tắc đơn giản mạch:

1 b

b  

Ta có

     

b0 b1b2  b0 b1b2  b0b1b2 b3 H

Sử dụng quy tắc: bb1b1 bb1ta viết được:

       

b0 b1b2  b1b2  b0 b0 b3 H

Kết quả cuối cùng sau khi đơn giản:

   

b0 b1b2  b1b2 b3 H

Mạch logic và sơ đồ mạch công tác được biểu diển ở sơ đồ hình 1.22

Bây giờ ta chọn dòng z=10.11, giá trị H=1, dạng phép tuyển toàn phần được viết như sau:

H b b b b b b b b

b b b b b b b b b b b b









































) (

) (

) (

) (

) (

3 2 1 0 3 2 1 0

3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0

Sử dụng quy tắc đơn giản mạch với b b1 ta có:

H b b b b b b b b b

b    )(   )(   ) 

 

b b b b b

b0  1 2  3)( 1 3) 0  1 2  1  3  (

Vậy quy tắc đơn giản: (bb1)b1 bb1

Ta có dạng đơn giản của mạch logic:

 

b0 b2 b1b3 H

Mạch logic và sơ đồ mạch công tác được biểu diển ở sơ đồ hình 1.23

Hình 1.23 Sơ đồ mạch logic và mạch công tắc, khi chọn dòng z=10.11 với giá trị

H=1

1.3.2 Biểu đồ Karnaugh

a) Khái niệm cơ bản

Với những quy tắc của đại số Boole, người ta có thể kết hợp và đơn giản mạch logic hay mạch công tác như ví dụ phần trước đã minh họa Tuy nhiên ứng dụng những quy tắc đại số Boole khá phức tạp

Vào những năm 1953, nhà toán họa Karnaugh (người Anh) đã phát triển một phương pháp giải biểu diễn bằng đồ thị Gọi là biểu đồ Karnaugh Nhờ biểu đồ Karnaugh mà người ta có thể sử dụng ít quy tắc, để đơn giản những phương trình logic phức tạp với nhiều biến

Biểu đồ Karnaugh bao gồm nhiều khối và biểu diễn tất cả khả năng dạng phép hội toàn phần Dạng phép hội toàn phần là phép toán liên kết AND, bao gồm tất cả các biến và phủ định các biến

b) Biểu đồ Karnaugh với hàm 2 biến

Các khối của dòng thứ nhất (1 và 2) gồm phủ định của biến b1 Khối của dòng thứ 2 (3 và 4) biến b1 Tương tự khối của cột thứ nhất (1 và 3) bao gồm phủ định của biến b2 Khối của cột thứ 2 (2 và 4) bao gồm biến b2 (hình bên dưới)

Hình 1.24 Bảng chân lí và biểu đồ Karnaugh cho hàm 2 biến

Ví dụ 1.4: Cho phương trình logic: b1b2b1b2L

Điều kiện để phương trình trên có tín hiệu L ở cổng ra H là khối 2 và 4 Với hai biến ta có 22dạng phép hội toàn phần Khối 2 và 4 được gạch chéo Trong biểu

đồ Karnaugh là 2 phép hội toàn phần có trong phương trình nằm kế cận nhau Hai dạng phép hội toàn phần kế cận nhau có tính chất là một trong 2 biến có giá trị thay đổi, thì biến thứ 2 không thay đổi Ví dụ trên, biến có giá trị thay đổi là b1 Như vậy phương trình trên ta biến đổi như sau:

b b L

b2  1 1 

b1 b1 L

L b L L

b2   2  Như vậy để thỏa mãn phương trình logic trên, chỉ cần tín hiệu b2

c) Biểu đồ Karnaugh với hàm 3 biến

Với 3 biến ta có 23=8 dạng phép hội toàn phần (kí hiệu từ 1 đến 8), xem biểu

đồ trên hình 1.25

Dòng thứ 1: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 2: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 3: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 4: b1,b2,b3,b3;

Cột thứ 1: b1,b1,b2,b2,b3; Cột thứ 2: b1,b1,b2,b2,b3

Hình 1.25 Biều đồ Karnaugh với hàm 3 biến, sơ đồ mạch lôgic và bảng chân lý

Ví dụ 1.5: Phương trình logic sau:

b1 b2 b3  b1b2 b3  b1b2 b3b1b2b3L

Theo biểu đồ Karnaugh ta có 4 khối được gạch chéo, tương ứng với phương trình logic trên Nếu tương ướng với phương trình logic trên cần phải có:

+ Một phần tử OR với 4 cổng vào

+ Một phẩn tử AND với 3 cổng vào

+ 3 phần tử NOT

Sơ đồ mạch logic và bảng chân lý ở hình 1.26

Hình 1.26 Sơ đồ mạch logic

Bây giờ sử dụng bảng Karnaugh để đơn giản sơ đồ logic trên Trong biểu đồ

có 2 miền lân cận:

+ Miền thứ 1 bao gồm: khối 3 và 5 + Miền thứ 2 bao gồm: khối 6 và 8 + Miền thứ 1 khối 3 và 5 rút gọn ta được: b2 b3 L

+ Miền thứ 2 khối 6 và 8: b2b3 L

Như vậy đơn giản phương trình logic trên ta được kết quả như sau:

b2 b3b2 b3L d) Biểu đồ Karnaugh với hàm 4 biến

Với hàm 4 biến ta có 24=16 dạng phép hội toàn phần nằm trong 16 khối (kí hiệu từ 1 đến 15) trình bày trên hình 1.27 Thiết lập phương trình biểu đồ Karnaugh với 4 biến cũng tương tự như với 3 biến Tuy nhiên số khối tăng lên gấp đôi

Ví dụ 1.6: Đơn giản phương trình logic sau bằng biểu đồ Karnaugh:

b b b b  b b b b  b b b b  L

b b b b b b b b b b b b b b b b

























































4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1

4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1

Hình 1.27 Biểu đồ Karnaugh với hàm 4 biến

Theo phương trình logic trên, ta thiết kế được phương trình logic (hình 1.28) bao gồm:

+ 7 phần tử AND + 4 phần tử NOT + Một phần tử OR với 7 cổng vào -> Tổng 12 phần tử

Bây giờ ta sẽ đơn giản sơ đồ mạch logic trên bằng biểu đồ Karnagh Trước hết theo phương trình logic ta đánh chéo các khối tương ứng Như vậy theo biểu đồ có

7 khối được đánh Ta chia ra thành các miền

- Miền thứ nhất gồm: khối 5, 6, 7, 8 Kết quả: b 1 b2

- Miền thứ hai gồm: khối 6, 7, 10 và 11 Kết quả: b 2 b4

- Miền thứ ba gồm: khối 11 và 12 Kết quả: b1b3 b4

- Phương trình logic sau khi đơn giản:

b1b2b2 b4  b1b3b4L

Hình 1.28 Sơ đồ mạch logic Hình 1.29 Sơ đồ mạch logic được đơn giản