Tài liệu Đồ án " Điều khiển Logic" docx

Từ phân tích ở trên, ta đã xác định nguyên tắc điều khiển chuyển động thuận – nghịch của bàn máy là nguyên tắc hành trình.. Vì vậy, các tín hiệu điều khiển a, b, c ,d xác nhận vị trí của

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Khoa Điện - Bộ môn Tự Động Hoá

ĐỒ ÁN

ĐIỀU KHIỂN LOGIC

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN DŨNG

SV: Trần Bình Dương

Lớp: TĐH3- K43

Năm 2001-2002

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo NGUYỄN VĂN DŨNG, người đã trực tiếp, tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy PHAN CUNG đã giúp em nhiều ý kiến quý báu

Đồ án này mặc dù đã rất cố gắng hoàn thiện, nhưng chắc chắn không tránh khỏi một số hạn chế Mong các thầy đóng góp những ý kiến quý báu để được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn thầy!

Sinh viên thực hiện đồ án

Trần Bình Dương

CHƯƠNG I

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN

I Mô tả và phân tích công nghệ

Mục đích của đồ án là xây dựng cấu trúc điều khiển chuyển động thuận nghịch của máy bào giường

Theo công nghệ yêu cầu: Sau khi ấn nút mở máy động cơ sẽ kéo bàn máy chuyển động thuận với vận tốc V

T, V1 T, V2 T, V1

N, V3

N, V1

V1 < V2 < V3

1 ( vận tốc nhỏ), hành trình này kéo dài từ A → B Khi bàn máy đến B, cần phải gia tốc để bàn máy chuyển động với vận tốc V2 > V1, nhằm thực hiện chuyển động

ăn dao (cắt gọt vật liệu, chi tiết) Đến C, sau khi đã làm xong công việc, cần phải giảm tốc độ xuống V1 để phục vụ cho quá trình đảo chiều quay của động cơ, kéo bàn máy chuyển động theo hành trình ngược Để tăng năng suất, yêu cầu trong hành trình ngược từ D → B , điều khiển bàn máy chạy với vận tốc V > V > V3 2 1 nhằm đưa nhanh bàn máy về đầu hành trình thuận Gặp B của hành trình ngược, sẽ giảm vận tốc của bàn máy từ V xuống V3 1 nhằm phục

vụ cho trạng thái bắt đầu hành trình thuận tiếp theo

Quá trình đảo chiều quay ở cuối hành trình thuận được thực hiện tự động Bàn máy sẽ

tự động dừng lại ở đầu hành trình thuận sau khi thực hiện xong một hành trình Muốn thực hiện các hành trình tiếp theo phải ấn nút mở máy Muốn dừng hoàn toàn trạng thái làm việc của hệ thống thì ấn nút dừng, dừng ở vị trí A; tức là đầu hành trình thuận

Từ việc mô tả yêu cầu công nghệ ở trên ta thấy rằng việc thực hiện có thể sử dụng điều khiển theo nguyên tắc hành trình Bằng việc đặt tại các vị trí A, B, C, D các cảm biến vị trí, thực tế là sử dụng các côngtăctơ hành trình, ta sẽ thực hiện được trình tự đóng cắt mạch điều khiển một cách hợp lý, đáp ứng được yêu cầu công nghệ

Ngoài việc cơ bản dùng nguyên tắc hành trình để điều khiển ta có thể sử dụng thêm các nguyên tắc điều khiển khác, như : nguyên tắc thời gian, nguyên tắc dòng điện … để có thể hoàn thiện cấu trúc điều khiển

Chi tiết việc thiết kế cấu trúc mạch điều khiển và cấu trúc mạch lực sẽ được trình bày dưới đây

II Trình tự các bước xây dựng cấu trúc điều khiển

Theo yêu cầu của đề tài, dưới đây xin trình bày việc tổng hợp mạch điều khiển bằng phương pháp phân tầng

1 Xác định các tín hiệu điều khiển & các tín hiệu chấp hành

Từ phân tích ở trên, ta đã xác định nguyên tắc điều khiển chuyển động thuận – nghịch của bàn máy là nguyên tắc hành trình Vì vậy, các tín hiệu điều khiển a, b, c ,d xác nhận vị trí của bàn máy tại A, B, C, D trong mỗi chu kỳ chuyển động thuận nghịch

Quy ước các trạng thái của các tín hiệu điều khiển như sau:

+ a =1: Nếu bàn máy qua A & ra lệnh điều khiển bàn máy chạy thuận với vận tốc V1

(nếu bàn máy đang đứng yên tại A)

+ a =0: Khi bàn máy rời khỏi A

+ b =1: Xác nhận bàn máy ở tại B Ra lệnh bàn máy tiếp tục chuyển động thuận với V2

nếu trước đó bàn máy chuyển động thuận với V1; còn ra lệnh cho bàn máy giảm tốc từ V3

xuống V1, nếu trước đó bàn máy đang chuyển động ngược với vận tốc V3

+ b =0: Khi bàn máy rời khỏi vị trí B

+ c =1: Xác nhận bàn máy qua C Ra lệnh cho bàn máy giảm tốc từ V2 xuống V1 và tiếp tục chuyển động thuận, nếu trước đó bàn máy chuyển động thuận với V2; còn nếu trước đó đang chuyển động ngược với V3 thì tiếp tục duy trì trạng thái cũ

+ c =0: Khi bàn máy rời khỏi C

+ d=1: Xác nhận bàn máy ở tại D Ra lệnh cho bàn máy chạy ngược với V3

+ d =0: Khi bàn máy rời khỏi D

Như vậy, các tín hiệu a, b, c, d là các tín hiệu xung

Các tín hiệu chấp hành (tín hiệu ra) là: T, N, V1, V2, V3

Trong đó:

T _ là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để bàn máy chạy thuận

N _ là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để bàn máy chạy ngược

V1 _ là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để bàn máy chuyển động với vận tốc

V1

V2 _ là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để bàn máy chuyển động với vận tốc

V 2

V3 _ là tín hiệu chấp hành đóng tiếp điểm để bàn máy chuyển động với vận tốc

V 3

Các tín hiệu chấp hành sẽ xuất hiện khi một tổ hợp nhất định của các tín hiệu điều khiển tác động nhằm điều khiển bàn máy chạy đúng ý đồ thiết kế

2 Xác định các trạng thái có thể có của hệ thống

Từ công nghệ ta thấy các trạng thái có thể có của hệ thống trong một chu kỳ như sau:

S : là trạng thái bàn máy chạy thuận với vận tốc V từ A → B 1 1

: là trạng thái bàn máy chạy thuận với vận tốc V từ B → C

S : là trạng thái bàn máy chạy thuận với vận tốc V từ C → D 3 1

S : là trạng thái bàn máy chạy ngược với vận tốc V từ D → C 4 3

S : là trạng thái bàn máy chạy ngược với vận tốc V từ C → B 5 3

S : là trạng thái bàn máy chạy ngược với vận tốc V từ B → A 6 1

3 Lập lưu đồ chuyển trạng thái

3 2

1V V TNV

abcd

Ký hiệu:

Từ hoạt động của hệ thống ta mô tả trạng thái của hệ thống bằng lưu đồ chuyển trạng thái trong mỗi chu kỳ hoạt động như sau:

1

4

10100 1000

6

01100 0100

5

01001

0010

01001 0001

3

10100 0010

2

10010 0100

Từ lưu đồ chuyển trạng thái ta thấy rằng:

+ Trạng thái S và S2 6 là các trạng thái nước đôi Vì cùng một tổ hợp tín hiệu vào cho hai trạng thái khác nhau

và S cũng là các trạng thái nước đôi

+ Trạng thái S3 5

2

10010 0100

6

01100 0100

3

10100 0010

5

01001 0010

Để phân lập các trạng thái nước đôi này ta cần tối thiểu 2 biến trung gian p, q Ta tiến hành mã hoá các trạng thái nước đôi bằng hai biến trung gian như sau:

3

6

5 4

1

2

p p

q q

Như vậy, nhờ việc đưa thêm biến trung gian vào, ta đã phân lập được các trạng thái nước đôi:

2

10010

0100 q p

6

01100

0100 q p

3

10100

0010 pq

5

01001

0010 q p

4 Lập lưu đồ phân tầng

Từ quá trình mã hoá biến trung gian và theo quan điểm của phương pháp phân tầng để tổng hợp mạch kép, ta có sơ đồ phân tầng như sau:

3 d Q

-q

pq

q

p

q

p

q

p

2 c

5 Tìm hàm tác động

Từ sơ đồ phân tầng ta viết được hàm tác động của các biến ra như sau:

) (

)

( ) (

b q p c q b p c q P

f b

q

p

P

c

q

P

+ +

=

=

⇒

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

=

=

−

+

) (

)

( ) (

d q p a q pqd a q p Q f d

pq

Q

a

q

p

Q

+ +

=

=

⇒

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

=

=

−

+

q pq q pq b q q

T

f( )= + + = + =

q q p q p q c pq q

N

f( )= + + = + =

p q q p q q p pq q V

f( 1)= + + = + = +

b q V

f( 2)=

q p V

f( 3)=

Nhận xét:

+ Do b là tín hiệu xung, nên hàm điều khiển biến V là f(V2 2) ở trên sẽ bị thay đổi giá trị theo sự thay đổi của b Vì vậy, để hàm thoả mãn công nghệ thì cần thêm biến để duy trì trạng thái ra khi mất tín hiệu xung cho đến khi có tín hiệu làm cho hàm cắt tác động thì mới chuyển trạng thái

q

⇒ f(V ) = (b+v2 2)

+ Phân tích hàm đóng của biến trung gian p ta thấy rằng:

c q P P

f d( )= + =

do c là tín hiệu xung nên hàm đóng sẽ bị thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng Vì vậy, cần phải thêm biến phụ, có thể lấy luôn biến ra làm biến phụ → hàm đó hiệu chỉnh như sau:

) ).(

( ) ( ) ( ) ( )

(

'

b q p p c q P f p c q p c q p P

Tương tự:

) ).(

( )

(Q p a q p q d

Vậy:

) ).(

( )

(P q c p p q b

) ).(

( )

(Q p a q p q d

q T

f( )=

q N

f( )=

q p V

f( 1)= +

q v b V

f( 2)=( + 2)

q p V

f( 3)=

6 Xây dựng sơ đồ cấu trúc điều khiển

Từ việc tổng hợp để tìm hàm điều khiển mỗi biến ra của hệ thống ta có quy ước là: Chữ cái thường chỉ rõ nó là chi tử của ký hiệu chữ cái in hoa

VD: p là chi tử của P; nghĩa là nếu P là cuộn hút thì p là các tiếp điểm thường mở của P; còn p là tiếp điểm thường đóng của P

Từ quy ước trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc như sau:

P

q

b

p q

T q

Q

q

p

q

p

N q

p

1

V q

2

v

2

V

b

p

7 Kiểm tra và hiệu chỉnh sơ đồ cấu trúc

+ Giả thiết, ban đầu a=1 ⇒ có Q → q = 1; p = 0 ⇒ có T & có V 1

+ Đến B: b =1 Vẫn có Q (do có tín hiệu tự duy trì), chưa có P Vẫn còn T Lúc này, do (b=1, p=1, q=1) ⇒ có V , sau đó tự duy trì Muốn mất V cần chèn thêm biến 2 1 v2 nối tiếp với V1

=

p

+ Đến C: c = 1 Do trước đấy & q=1 nên sẽ có P ⇒ p=1 ⇒ mất V & lại có V2 1 Vẫn có Q → vẫn có T

0

=

p

+ Đến D: d = 1 ⇒ mất Q → q =0 → mất T, có N Do vẫn còn P → ⇒ mất V1, có

V 3

+ Đến C (trong hành trình ngược) ⇒ c = 1 Vẫn có P, vẫn mất Q ⇒ Vẫn còn N & V 3

0

=

b

+ Đến B (trong hành trình ngược) ⇒ b=1, → mất P và mất Q ⇒ Vẫn có N, nhưng mất V3 (do p=0) có V ( do 1 p=1)

Như vậy sơ đồ cấu trúc như trên thoả mãn công nghệ đặt ra

Qua việc phân tích trong quá trình kiểm tra, ta nhận thấy rằng:

+ Việc đóng hàm P, chỉ quyết định bởi biến c; việc cắt điện của P cũng chỉ quyết định bởi biến b Vậy ta co thể đơn giản hoá bằng cách viết lại hàm điều khiển của P như sau:

b p c P

f( )=( + )

+ Tương tự, cho biến Q ta có:

d q a Q

f( )=( + )

Vậy sơ đồ cấu trúc điều khiển được hiệu chỉnh lại như sau:

P

p

T q

Q

q

N q

p

1

V q

2

v

2

V

b

p

CHƯƠNG II

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Quá trình tổng hợp mạch điều khiển ở chương I đã đưa ra được một cấu trúc điều khiển

về cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu của công nghệ Tuy vậy, nếu đem ngay cấu trúc này vào lắp ráp thì thực tế là không đáp ứng được các yêu cầu về bảo vệ các sự cố ( ngắn mạch, quá tải ngắn hạn, dài hạn …) Để hoàn thiện mạch điều khiển ta sẽ bổ xung thêm vào cấu trúc điều khiển đã có một số mạch phụ trợ phục vụ mục đích bảo vệ và nâng cao độ tin cậy của sơ đồ

I Các mạch bảo vệ

1 Bảo vệ ngắn mạch

Ta đã biết dòng ngắn mạch lớn hơn nhiều lần dòng điện bình thường, gây các tác hại to lớn là làm hỏng dộng cơ, các thiết bị điều khiển

Yêu cầu của thiết bị bảo vệ là phải tác động cắt nhanh hệ thống ra khỏi lưới điện trước khi dòng ngắn mạch kịp phá huỷ thiết bị điện

Có thể thực hiện bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì hoặc rơ-le dòng cực đại tác động nhanh hoặc áptômát

Đối với trường hợp động cơ kéo tải là bàn máy chuyển động thuận nghịch hoạt động theo chế độ chu kỳ ( chế độ ngắn hạn lặp lại) ta có thể dùng rơ-le dòng cực đại vừa làm nhiệm

vụ bảo vệ ngắn mạch & vừa làm nhiệm vụ bảo vệ sự cố quá tải xung kích

2 Bảo vệ quá tải ngắn hạn xung kích

Hiện tượng quá tải xung kích tuy tồn tại trong thời gian ngắn, tác dụng phá huỷ về nhiệt

là thứ yếu, nhưng dòng xung kích lớn có thể gây nên lực điện động lớn, làm hư hỏng các bộ phận của máy như các bối dây, cổ góp, làm hongr cơ cấu cơ khí có liên quan khác

Để bảo vệ cắt trong trường hợp này ta dùng rơ-le dòng cực đại hay áptômát có cơ cấu tác động nhanh

Như đã đề cập ở trên, ta sẽ sử dụng rơ-le dòng cực đại để vừa bảo vệ ngắn mạch vừa bảo vệ quá tải xung kích

3 Bảo vệ quá tải dài hạn

Sự cố quá tải dài hạn sẽ gây phát nóng → làm hỏng cách điện hoặc làm giảm tuổi thọ của khí cụ điện Để bảo vệ máy điện ta có thể dùng loại áptômát chỉnh định có cơ cấu nhả hỗn hợp hoặc dùng rơ-le nhiệt

Do rơ-le nhiệt không nhạy với các quá tải ngẵn hạn & đặc tính nhiệt của động cơ làm việc ở chế độ chu kỳ ( như ở trường hợp động cơ sử dụng kéo bàn máy chuyển động thuận- nghịch trong đồ án đang đề cập) nên không phối hợp được với đặc tính phát nóng của rơ-le nhiệt ⇒ ta không cần thiết phải sử dụng rơ-le nhiệt trong trường hợp này

4 Bảo vệ cực tiểu và bảo vệ điểm không

Khi điện áp lưới bị mất hoặc giảm thấp dưới trị số cho phép, thì phải cắt mối liên hệ giữa nguồn và động cơ, phòng trường hợp khi có lại điện thì hệ thống không thể hoạt động không theo ý muốn của người vận hành

Để thực hiện bảo vệ cực tiểu hoặc bảo vệ điểm không, ta sử dụng rơ-le điện áp thấp kiểu điện từ Cuộn dây của rơ-le được mắc vào điện áp lưới, còn tiếp điểm của nó đóng nguồn cung cấp cho mạch điều khiển động cơ

5 Bảo vệ liên động

Trong trường hợp động cơ kéo tải là động cơ 3 pha, rô to dây quấn thì việc sử dụng khâu liên động (cơ & điện) tránh được ngắn mạch 3 pha trong mạch điều khiển đảo thứ tự pha

Trong sơ đồ nguyên lý ở đây ta sử dụng liên động về điện bằng cách gửi các tiếp điểm phụ thường đóng của các côngtắctơ điều khiển chuyển động quay thuận và quay ngược chéo nhau

II Xây dựng sơ đồ nguyên lý

Từ sơ đồ cấu trúc ta có quy ước các ký hiệu như sau:

+ a _ thay thế bằng công tắc hành trình 1KH

+ b _ thay thế bằng công tắc hành trình 2KH

+ c _ thay thế bằng công tắc hành trình 3KH

+ d _ thay thế bằng công tắc hành trình 4KH

+ P & Q _ thay thế bằng các rơ-le trung gian 1RTr và 2RTr

+ V1, V2, V3 _ thay thế bằng các công tắc tơ gia tốc 1G, 2G, 3G điểu khiển tốc độ làm việc của động cơ

+ T, N _ thay thê bằng các công tắc tơ đường dây điều kiển các hành trình thuận & ngược (T, N)

Từ phân tích sự cần thiết của việc bảo vệ các sự cố ở trên, ta sẽ sử dụng thêm các khí

cụ phụ trợ gồm

+ Một rơ-le điện áp thấp RA hoặc một công tắc tơ đường dây Dg để làm nhiệm vụ bảo

vệ cực tiểu và điểm không

+ Rơ-le dòng cực đại 1RM, 2RM, 3RM để vừa làm nhiệm vụ bảo vệ ngắn mạch lại vừa làm nhiệm vụ bảo vệ quá tải xung kích

Ngoài ra, dùng thêm các nút ấn mở máy M, nút ấn dừng máy D & nút ấn xác lập trạng thái ban đầu G

1 Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch động lực & mạch điều khiển

Xem hình vẽ H1

2 Thuyết minh hoạt động của sơ đồ

Sơ đồ đã tổng hợp thực hiện điều khiển chuyển động thuận nghịch của một máy bào giường Hết một hành trình bàn máy sẽ tự động dừng lại ở đầu hành trình thuận Muốn làm tiếp một hành trình thì phải nhấn lại nút mở máy M

Hoạt động của sơ đồ như sau:

Trước hết, nhấn nút ấn G (3,5) để xác lập đóng điện cho mạch điều khiển Rơ-le điện áp

RA sẽ duy trì điện áp cấp cho mạch điều khiển chừng nào điện áp đạt trị số cho phép

Muốn thực hiện một hành trình, ta nhấn nút mở máy M Do ban đầu bàn máy đã ở hành trình thuận, nên tiếp điểm của công tắc hành trình 1KH (5,11) sẽ đóng điện cho 2RTr (10,2)

→ tiếp điểm 2RTr (13,15) đóng lại, 2RTr (2.17) mở ra, bảo đảm chắc chắn động cơ không thể quay ngược Khi nhấn M (5,23) → cuộn hút công tắc tơ T (12,2) có điện, đóng các tiếp điểm nối động cơ vào lưới → bàn máy sẽ chuyển động thuận với vận tốc V1

Đến B, 2KH (5,23) đóng điện cho 2G (18,2) → 2G (21,16) mở ra, cắt điện của 1G (16,2) Do vậy, bàn máy chuyển động thuận với V1

Đến C, 3KH (5,9) sẽ đóng điện cho 1RTr (8,2) làm cho 1RTr(23,25) mở ra, cắt điện của 2G (18,2), đồng thời đóng điện cho 1G (16,2) ⇒ bàn máy chuyển động thuận với V1

Đến D, 4KH (11,10) cắt điện của 2RTr (10,2) → 2RTr(13,15) mở ra, cắt điện của T (12,2); đồng thời 2RTr (5,17) đóng lại Do bố trí thêm tiếp điểm thường đóng đóng chậm của rơ-le thời gian 2RTh nên cuộn hút N (14,2) chưa được cấp điện ngay mà chờ thời gian đóng chậm của 2RTh(17,19) Động cơ lúc này tạm thời bị cắt khỏi lưới và thực hiện quá trình dừng

tự do Khi tốc độ rô to giảm đủ nhỏ phục vụ cho quá trình hãm ngược đảo chiều quay, thì tiếp