1. Nhiệm vụ thiết kế Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ như hình vẽ bằng phương pháp Ma trận trạng thái với mạch động lực dùng thiết bị khí nén và mạch điều khiển dùng thiết bị khí nén. 2. Nội dung Thiết kế sơ đồ nguyên lý. Tính chọn thiết bị điều khiển. Thiết kế sơ đồ lắp ráp. 3. Thuyết minh và bản vẽ 1 Quyển thuyết minh. 2 Bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp.
Trang 12. Nội dung
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý
- Tính chọn thiết bị điều khiển
- Thiết kế sơ đồ lắp ráp
3. Thuyết minh và bản vẽ
- 1 Quyển thuyết minh
- 2 Bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp
Cán bộ hướng dẫn
Lưu Dức Dũng
Trang 2Chương II: Tổng hợp hàm điều khiển
I Tổng hợp hàm điều khiển bằng phương pháp hàm ma trận trạng thái 07
Trang 3TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng
Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000
2 Trịnh Đình Đề, Võ Trí An - Điều khiển tự động truyền động điện
Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986
3 Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng - Sử dụng và sửa chữa khí cụ điện hạ áp
4 Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998
5 Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị khí nén và điện của các hãng
OMRON, FESTO, MITSUBISHI.
6 Bản dịch: Cẩm nang Kỹ thuật điện Tự động hoá và Tin học Công nghiệp
Người dịch: PGS - TS Lê Văn Doanh
Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1999
7 Lewin, D - Logical design of switching circuits
Nhà xuất bản MacMillan, 1986
Trang 4MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, có thể nói một trongnhững tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tựđộng hoá trong các quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất sản xuất vàchất lượng sản phẩm làm ra Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện
tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đãlàm cở sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnh vực tự động hoá
Ở nước ta mặc dù là một nước chậm phát triển, nhưng những năm gầnđây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tếthế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự độnghoá các quá trình sản xuất đã có bước phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàmlượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức
Ngày nay tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vàotừng ngõ nghách, vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm Một
trong nhữnh ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển công nghệ khoan.
Tự động hoá điều khiển công nghệ khoan là quá trình tạo ra một lỗ thủng trên bềmặt vật thể có kích thước chiều sâu định trước Trong công việc thiết kế, tựđộng hoá điều khiển được thể hiện qua hai quá trình sau:
- Tự động hoá điều khiển công việc đưa vật thể vào vị trí định trước (xácđịnh vị trí lỗ khoan)
- Tự động hoá đưa mũi khoan vào khoan vật thể sau đó quay về vị trí cũ
đễ đảm bảo cho quy trình tiếp theo
Chất lượng mũi khoan và năng suất làm việc phụ thuộc rất nhiều vào côngnghệ điều khiển Quá trình làm việc được thực hiện theo một trật tự logic, theotrình tự thời gian xác định do đó để điều khiển được công nghệ ta phải tổng hợpđược hàm điều khiển cho hệ thống Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hàm
điều khiển nhưng ở đây ta sử dụng phương pháp Ma trận trạng thái So với các phương pháp khác thì phương pháp Ma trận trạng thái có ưu điểm đơn giản và
đảm bảo sự chính xác về tuần tự thực hiện quá trình
Qua một thời gian thực hiện cùng với sự nỗ lực của bản thân cũng như sựchỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Tuynhiên với một lĩnh vực tương đối khó và đòi hỏi độ chính xác cao mà chỉ tiếpxúc trong thời gian ngắn chắc chắn báo cáo này còn nhiều điều thiếu sót, em xincảm ơn các thầy thầy giáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này
Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2003 Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Hữu Thực
Trang 5CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ
II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Từ công nghệ đã cho, ta tổng hợp được sơ đồ điều khiển như sau:
Trang 6CHƯƠNG II:TỔNG HỢP HÀM ĐIỀU KHIỂN
Khi tiến hành tổng hợp một hệ điều khiển theo quy trình công nghệ đãcho(có thể bằng lời nói, chử viết, đồ thị công nghệ ) người ta biểu diễn sự hoạtđộng của công nghệ theo đúng tuần tự thời gian tác động của các biến vào vàảnh hưởng của nó tới các biến ra để từ đó đưa ra một quy luật điều khiển cho hệthống
Để tổng hợp mạch điều khiển cho hệ thống ta có các phương pháp sau:
Tổng hợp mạch điều khiển bằng phương pháp ma trận trạng thái
Tổng hợp mạch điều khiển bằng phương pháp hàm tác động
Tổng hợp mạch điều khiển bằng phương pháp phân tầng
Tổng hợp mạch điều khiển bằng phương pháp Grafcet
Một mạch điều khiển được tổng hợp phải đáp ứng các chỉ tiêu sau:
+Thực hiện đúng quy trình và tiến trình công nghệ đã được đặt ra
+Có độ tin cậy điều khiển cao
+Đảm bảo gọn nhẹ, đơn giản và thuận tiện cho việc vận hành
+Có tính kinh tế và đáp ứng về mặt mỹ thuật
Theo nhiệm vụ thiết kế, để tổng hợp mạch điều khiển ở đây ta sử dụngphương pháp Ma trận trạng thái
Nội dung cơ bản của phương pháp này là:
Biểu diễn những ảnh hưởng của các tác động(các biến vào) đối với từngtrạng thái của hệ(các biến ra) theo một trình tự thời gian của quá trình côngnghệ
Phân ra chu kỳ làm việc của các biến ra sau đó xác định hàm điều khiểncho các biến ra và trong qúa trình thực hiện phải kiểm tra tính đúng đắn củahàm Hàm điều khiển bao gồm:
+Hàm của các biến đầu ra
+Hàm của các bến trung gian nếu cần phảI thêm vào các biến tung gian
I>TỔNG HỢP MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MA TRẬN TRẠNG THÁI.
1>Xác định các biến điêu khiển
Từ công nghệ cấn thiết kế ta có:
Các biến đầu vào:a0,a1, b0, b1, c, d
Các biến đầu ra: X, L , P , T
Các trạng thái có thể có:
1+ Trạng thái ban đầu khi chưa bật công tắc khởi động
2+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại đầu hành trình vị trí I
3+ Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ vị trí I đến vị trí II
4+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải tại vị trí II5+ Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dưới tại vị trí II
6+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí II
Trang 77+ Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm II
8+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi lên tại vị trí II
9+ Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ điểm II sang điểm III
10+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải ở điểm III11+ Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dưới tại vị trí III
12+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí III13+Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm III
14+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi lên tại vị trí III
15+Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ điểm III sang điểm IV16+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải ở điểm IV17+Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dưới tại vị trí IV
18+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí IV19+Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm IV
20+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi lên tại vị trí IV
21+Trạng thái máy khoan chuyển động sang trái
3
1000
4 0000
BiÕn vµo
BiÕn ra
abcd XLPT
=
1000
0100 0010
0100 6
Trang 9
2.3 Nhập hàng.
Ta thấy các hàng (1,2,9,10), (3,4,5) và (6,7,8) có thể nhập lại với nhau vìchúng thoã mãn điều kiện nhập hàng là số trạng thái trong cột cùng tên và giốngnhau và ta có thể gán cho các ô bỏ trống các giá trị bất kỳ sao cho nó dễ dàngcho việc nhập hàng với nhau Sau khi nhập hàng ta thu được bảng chuyển dịchtrạng thái thứ hai như sau:
Bảng chuyển dịch trạng thái thứ hai:
Các trạng
thái d d d d c c
b a
2.4M· ho¸ biÕn trung gian.
Sè tr¹ng th¸i cña b¶ng chuyÓn dÞch thø hai lµ 3 hay N=3 nªn ta chän sè biÕntrung gian lµ s sao cho 2S>=N vËy s=2 ta chän hai biÕn trung gian lµ M vµ N.Quan hÖ gi÷a chóng víi nhau thÓ hiÖn trªn h×nh vÏ sau:
(1),(2),(9),(10)
(6),(7)(8)(3),(4)
(5)
2.5 Lập ma trận cacno cho biến trung gian:
M
N
Trang 14II THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN
1)Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống:
Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ nguyên lý hoạt động của mạchđiêu khiển:
2 )Thuyết minh sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Khi nhấn nút restart đầu vào H1 có điện nên đầu ra H3 có điện píttong Bthực hiện hành trình chuyển động sang phải bắt đầu quá trình khoan Khipíttong B chuyển động sang phải từ I đến II Đến điểm II đầu píttong chạm vàocảm biến vị trí c tín hiệu c xuất hiện
Tín hiệu c=1 xuất hiện làm tín hiệu đầu vào 2 của V1 bằng không do đólàm mất tín hiệu đầu ra của H3 và H4 vì vậy làm mất tín hiệu đầu ra TR1 và quátrình chuyển động sang phải ngừng Tín hiệu c xuất hiện và lúc này do a0 đangduy trì ở a0=1 và M=0 nên có tiến hiệu ở đầu ra V12, H9, V13 và do đó đầu raTR3 có tín hiệu và quá trình khoan tại vị trí I được thực hiện, pittông A làm việcchuyển động từ a0 đến a1 Vì lúc này M=0 nên f(P)=0 píttong B không thể thựchiện quá trình chuyển động sang phải
Khi kết thúc quá trình khoan ở vị trí II pittong A chuyển động xuống dưới
tì lên đầu cảm biến a1, tín hiện a1 xuất hiện Khi xuất hiện tín hiệu a1 thì f(X)=0nên quá trình đi xuống ngừng hoạt động và có a1 nên f(L)=1 và quá trình chuyểnđộng đi lên của mũi khoan làm việc Pittông A làm việc chuyển động ngược lại
từ a1 đến a0 Tín hiệu a1 xuất hiện làm cho M=1, và lúc này N vẫn duy trì ở mứcN=0
Trang 15Khi gặp a0 thì mất tín hiệu a1 quá trình đi lên được điều khiển bởi pittong
A ngừng hoạt động Khi có a0 thì lúc này M vẫn duy trì ở mức M=1 nên f(X)=0
và f(P)=1 nên quá chuyển động sang phải của píttong B làm việc pittong Bchuyển động sang phải từ vị trí II đến vị trí III
Khi pittong B chuyển động sang phải từ vị trí II đến vị trí III, Đến điểmIII gặp cảm biến vị trí d, d=1 0
d làm mất tín hiệu f(P) và f(P)=0 quá trìnhchuyển động sang phải bị ngừng và do N vẫn duy trì ở mức N=0 nên f(X)=1 cótín hệu đi xuống nên quá trình đi xuống được thực hiện píttong 2 chuyển động từ
a đến a thực hiện quá trình khoan tại vị trí III
Khi píttong 2 chuyển động từ a0 đến a1 gặp cảm biến a1, có a1 thì f(X) =0quá trình đi xuống bị ngừng làm việc và f(L)=1 nên quá trình rút mũi khoan lênđược thực hiện pitong 2 điều khiển quá trình này làm việc chuyển động từ a1 đến
a0 Khi có a1 thì N thay đổi mức trạng thái vì lúc này d vẫn duy trì ở mức d=1 và
do đó N=1 và M vẫn duy trì M=1
Khi pittong A điều khiển quá trình đi lên đến gặp cảm biến a0 do có a0 thìf(L)=0 quá trình đi lên ngừng hoạt động và lúc này do N=1, M=1 nên f(X)=0 vàf(P)=1 quá trình chuyển động sang phải từ vị trí III đến vị trí IV làm việc
Khi đến vị trí IV thì đầu của pỉtong 1 sẽ gặp cảm biến b1 có b và do lúcnày có M=1, N=1 nên f(P)=0, f(X)=1 quá trình khoan ở vị trí IV được thực hiện
và pittong A thực hiện quá trình này chuyển động từ cảm biến a0 đến cảm biến
a1 Và do vẫn có b1 nên N thay đổi mức trạng thái N=0
Khi kết thúc quá trình khoan tại vị trí IVP Pittong A chuyển động từ a0
đến a1 gặp cảm biến a1 có a1 thì f(X)=0 và f(L)=1 do M=1, N=0 nên quá trìnhchuyển động đi lên của mũi khoan được thực hiện và quá trình khoan xuống bịngừng pittong 2 điều khiển quá trình đi lên của mũi khoan chuyển động từ a1
đến a0
Khi gặp cảm biến a0 thì do có a0 và a1=0 và do vậy f(L)=0 quá trình đi lên
bị ngừng và do lúc này N đang giữ ở mức N=0 Nên 1
động sang trái của pittong B được thực hiện để lặp lại hành trình khoan tiếp theo
Khi quá trình chuyển động sang trái do pittong B được thực hiện đến gặpcảm biến b0 và lúc nay do
d
c, đang có nên f(P)=1 và quá trình chuyển độngsang phải được thực hiện để bắt đầu một hành trình mới
Trang 16X Y
Z
Chương III : TÍNH CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LẮP RÁP
I.CHỌN CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN:
Chọn phần tử trigơ có hai đầu vào, một đầu ra bằng khí nén:
Khi đầu vào X có tín hiệu thì cho tín hiệu ở đầu ra Z Khi đầu vào Y cótín hiệu thì tín hiệu đầu ra Z mất
Các phần tử logic bằng khí nén bao gồm: Phần tử AND, phần tử OR vàphần tử đảo
Trang 17Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C
Phần tử hoặc:
Trong sơ đồ điều khiển ta sử dụng 13 phần tử hoặc Ở đây ta dùng 4
mạch tích hợp loại OS-PK-3-6/3, mỗi mạch có 3 phần tử OR có hai đầu vào,
một đầu ra và một phần tử OR đơn loại OS-PK-3
+Với loại OS-PK-3-6/3 có các thông số kỹ thuật sau:
Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C
+Với loại OS-PK-3 có các thông số kỹ thuật sau:
Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C
Trang 18Với cảm biến áp suất ta chọn loại PENV-A-W-12-LCD-RB (có hình vẽ
dưới) của hãng Festo (Đức) Đầu vào của cảm biến áp suất là khí trong pittông,còn đầu ra là tín hiệu điện Mức tác động của cảm biến có thể hiệu chỉnh được.Các thông số cơ bản của cảm biến cho trong bảng dưới đây: Để có thể sử dụngđầu ra của cảm biến áp suất như một tín hiệu khí phải có sự biến đổi tín hiệuđiện thành khí
Chọn cảm biến vị trí:
Chọn cảm biến vị trí loại GG-1/4-3/8 của hãng Festo (Đức), có giao diện
và các thông số kỹ thuật sau:
Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất chophép
-100CNhiệt độ xung quanh lớn nhất cho 600C
Trang 193 Chọn van phân phối.
Ta chọn van phân phối loại VL-5/2-D-02 (có hình vẽ dưới) của hãng Festo
(Đức) Đây là loại van 5/2 với đầu nối (1) là đầu vào khí nén, các đầu nối (2) và(4) là các đầu ra của khí nén còn các đầu nối (3) và (5) là các đầu xả khí Cácthông số của thiết bị được cho trong bảng dưới đây:
4 Chọn thiết bị chấp hành:
Trong cơ cấu truyền động, ta sẽ sử dụng 2 pittông hai chiều tác dụng
DNU-100-500PPV-A (có hình vẽ dưới) của tập đoàn Festo (Đức) Các thông số
cơ bản của thiết bị như sau:
Trang 20Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy nghịch 4221N
5.Chọn nút ấn
Trong sơ đồ nguyên lý điều khiển ta sử dụng hai nút ấn cho việc khởi
động và Reset lại hệ thống loại K/O-3-PK-3 của hãng Festo(Đức) có giao diện
và thông số kỹ thuật như sau
Giới hạn nhiệt độ môi trường
1 Lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị
Các thiết bị động lực để truyền động cơ cấu sản xuất cùng với các côngtắc hành trình, các nút ấn điều khiển phải được bố trí trực tiếp trên cơ cấu sảnxuất
Việc bố trí các thiết bị điều khiển trên tủ điện dựa vào các nguyên tắc sau:
Nguyên tắc nhiệt độ: Các thiết bị toả nhiệt lớn khi làm việc phải
để ở phía trên, các thiết bị có chịu ảnh hưởng lớn về nhiệt độ cần phải đặt xa cácnguồn sinh nhiệt
Nguyên tắc trọng lượng: Các thiết bị nặng phải đặt dưới thấp để
tăng cường độ vững chắc của bảng điện, giảm nhẹ các điều kiện để cố địnhchúng
Nguyên tắc nối dây tiện lợi: Đường nối dây ngắn nhất và ít
chồng chéo nhau
Dựa vào các nguyên tắc trên, kết hợp với những yêu cầu đặc biệt trongtừng trường hợp cụ thể, tiến hành bố trí thiết bị trên panel Khi bố trí thiết bị cần
Trang 21bố trí thành từng nhóm riêng biệt để tiện việc kiểm tra, sửa chữa Các phần tửtrong một nhóm phải bố trí gần nhau nhất sao cho dây nối giữa chúnglà ngắnnhất Giữa các nhóm khác nhau phải bố trí sao cho thuận tiện cho việc tiến hànhlắp đặt, sửa chữa, hiệu chỉnh Các thiết bị dễ hỏng, các thiết bị cần điều chỉnhphải để nơi dễ dàng thay thế, điều chỉnh, sửa chữa.
Bảng vẽ bố trí phải vẽ theo một tỷ lệ xích tiêu chuẩn trong đó phải ghi rõcác kích thước hình chiếu của thiết bị, các kích thước lỗ định vị trên tấm lắp, cáckích thước tương quan giữa chúng cũng như kích thước ngoài của tấm lắp
Các phần tử tiếp điểm rơle, côngtắctơ được vẽ trên sơ đồ lắp ráp thànhnhững hình chữ nhật với tỷ lệ xích đã chọn trên đó thể hiện các cuộn dây, cáctiếp điểm chính, tiếp điểm phụ kèm theo số các cực nối của chúng trùng với sốtrên sơ đồ nguyên lý
2.Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống.
Trên cơ sở đã lựa chọn cụ thể vị trí lắp đặt và chọn cụ thể các thiết bị điều khiển
và bảo vệ, ta có thể xây dựng bản vẽ bố trí thiết bị trên tấm lắp có khai triển đếncác cực nối dây như sơ đồ