GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN

Giáo trình điều khiển điện – khí nén CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN * MỤC ĐÍCH U CẦU - Mục đích Trang bị cho người đọc phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén – khí nén Từ người đọc có khả ứng dụng thiết kế mạch khí nén theo yêu cầu - Yêu cầu: + Thiết kế mạch điều khiển trực tiếp xilanh + Thiết kế mạch điều khiển gián tiếp xilanh + Thiết kế mạch điều khiển theo thời gian + Thiết kế mạch điều khiển theo áp suất + Thiết kế mạch điều khiển theo nhịp + Thiết kế mạch điều khiển theo tầng Bài 1: Biểu diễn chức trình điều khiển: Trong hệ thống gồm nhiều mạch điều khiển Hơn trình điều khiển, nhiều hệ thống kết hợp với nhau, ví dụ: điều khiển khí nén kết hợp với điện, thủy lực… Để đơn giản trình điều khiển, phần trình bày cách biểu diễn chức q trình điều khiển, gồm có: Biểu đồ trạng thái, sơ đồ chức lưu đồ tiến trình I Biểu đồ trạng thái: Ký hiệu: Hình 5.1: Ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái Khoa Điện – Điện tử 58 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Thiết kế biểu đồ trạng thái: - Biểu đồ trạng trạng thái biểu diễn trạng thái phần tử mạch, mối liên hệ phần tử trình tự chuyển mạch phần tử - Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay…) Trục tọa độ nằm ngang biểu diễn bước thực thời gian hành trình Hành trình làm việc chia làm bước Sự thay đổi trạng thái bước biểu diễn đường đậm Sự liên kết tín hiệu biểu diễn đường nét mãnh chiều tác động biểu diễn mũi tên Trong cấu chấp hành, nét liền mảnh phía biểu thị cho vị trí cấu chấp hành phía ngồi (đi +), đường liền mảnh phía biểu thị cho cấu chấp hành phía (đi vào -) Ví dụ 1: Thiết kế biểu đồ trạng thái qui trình điều khiển sau: - Xy - lanh tác dụng hai chiều 1.0 ra, tác động vào nút ấn 1.2 1.4 - Muốn xy - lanh lùi về, phải tác động đồng thời nút ấn 1.6 1.8 Biểu đồ trạng thái xy - lanh 1.0 biểu diễn hình 4.2 Nút ấn 1.2 1.4 liên kết OR Nút ấn 1.6 1.8 liên kết AND Xy - lanh ký hiệu +, xy - lanh vào ký hiệu - Hình 5.2: Biểu đồ trạng thái xy - lanh 1.0 II PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN: - Điều khiển tay - Điều khiển tùy động theo thời gian Khoa Điện – Điện tử 59 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén - Điều khiển tùy động theo hành trình - Điều khiển theo chương trình cấu chuyển mạch - Điều khiển theo tầng - Điều khiển theo nhịp - Điều khiển chọn theo bước Điều khiển tay: Điều khiển tay ứng dụng phần lớn mạch điều khiển khí nén đơn giản, ví dụ đồ gá kẹp chi tiết a/ Điều khiển trực tiếp: Điều khiển trực tiếp có đặc điểm chức đưa tín hiệu xử lý tín hiệu phần tử đảm nhận Ví dụ mạch điều khiển xy - lanh tác dụng chiều Hình 5.3: Mạch điều khiển trực tiếp Hình biểu diễn mạch điều khiển tay gồm có phần tử đưa tín hiệu 1.1 phần tử xử lý tín hiệu 1.2 Khoa Điện – Điện tử 60 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.3: Mạch điều khiển gián tiếp với phần tử phát xử lý tín hiệu b/ Điều khiển gián tiếp: Pít - tơng lùi vào điều khiển phần tử nhớ 1.3 Mạch điều khiển biểu đồ trạng thái trình bày hình 4.18 Khoa Điện – Điện tử 61 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.4: Mạch điều khiển gián tiếp Mạch điều khiển gián tiếp xy - lanh tác dụng đơn có phần tử nhớ Khoa Điện – Điện tử 62 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.5: Mạch điều khiển gián tiếp \ Điều khiển tùy động theo thời gian: Điều khiển tùy động theo thời gian minh họa hình 4.20 Khi nhấn nút ấn 1.1 van đảo chiều 1.3 đổi vị trí, pít - tơng 1.0 ra, đồng thời khí nén qua cửa X để vào phần tử thời gian 1.2 Sau thời gian (t) van đảo chiều 1.3 đổi vị trí Hình biểu diễn sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian có chu kỳ tự động Hình 5.6: Sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo thời gian biểu đồ trạng thái Khoa Điện – Điện tử 63 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Điều khiển vận tốc: * Điều khiển vận tốc van tiết lưu chiều trình bày sau Khi ấn cơng tắc 1.1, vận tốc xy - lanh phụ thuộc vào độ mở van tiết lưu, ngắt công tắc 1.1, vận tốc vào xy - lanh tăng lên nhờ khí nén qua hai đường van tiết lưu van chiều Hình 5.7: Điều khiển vận tốc van tiết lưu chiều * Điều khiển vận tốc van khí nhanh trình bày hình 4.23 Khi ấn cơng tắc 1.1, vận tốc xy - lanh chậm, ngắt công tắc 1.1, vận tốc vào xy - lanh tăng lên nhờ khí nén qua van khí nhanh Hình 5.8: Điều khiển vận tốc van nhanh Điều khiển tùy động theo hành trình Khoa Điện – Điện tử 64 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Cơ sở điều khiển tùy động theo hành trình vị trí cơng tắc hành trình Khi bước thực mạch điều khiển có lỗi, mạch điều khiển đứng yên Điều khiển tùy động theo hành trình xy - lanh trình bày hình sau: (a) Z Hình 5.9:Điều khiển tùy động theo hành trình với xy - lanh - Điều khiển tùy động theo hành trình với xy - lanh có chu kỳ tự động trình bày hình 4.25 Mạch điều khiển thực tự động nhờ sử dụng nút ấn có rãnh định vị 1.1, chừng nút ấn 1.1 vị trí b mạch ngừng hoạt Khoa Điện – Điện tử 65 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén động Sơ đồ biểu đồ trạng thái mạch điều khiển tùy động theo hành trình với xy - lanh có chu kỳ tự động trình bày hình Hình 5.10: Điều khiển tùy động theo hành trình xy - lanh có chu kỳ tự động biểu đồ trạng thái - Điều khiển tùy động theo hành trình với xy – lanh có phần tử thời gian giới hạn thời gian dừng pít - tơng cuối hành trình biểu diễn hình Khoa Điện – Điện tử 66 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.11: Sơ đồ biểu đồ trạng thái mạch điều khiển tùy động theo hành trình với xy - lanh có phần tử thời gian Điều khiển theo chương trình cấu chuyển mạch Điều khiển theo chương trình cấu chuyển mạch có đặc điểm chương trình thực bời loại cam lắp trục phân phối Khi trục phân phối quay, cam quay theo Vị trí (độ nâng cam) tác động lên Khoa Điện – Điện tử 67 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén nịng van, để thay đồi vị trí van đảo chiều Chiều dài trục phân phối theo lý thuyết dài bất kỳ, số vòng quay trục phân phối từ 0,5 – 75 v/phút Bước thực lên đến 20 bước Bài 2: Điều khiển theo tầng Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng chia bước thực có chức thành tầng riêng biệt Phần tử điều khiển theo tầng phần tử nhớ - van đảo chiều 4/2 5/2 Điều khiển theo tầng bước hoàn thiện điều khiển tùy động theo hành trình I Mạch điều khiển cho hai tầng: Nguyên tắc hoạt động tầng thứ có khí nén, tầng thứ hai khơng có khí nén Có nghĩa a1 = L, a2 = Khơng tồn hai tầng có khí nén lúc Hình 5.12 Mạch điều khiển tầng Hình 5.13: Mạch điều khiển tầng Khoa Điện – Điện tử 68 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén II Mạch điều khiển tầng n tầng: Nguyên lý hoạt động tương tự trình bày mạch Nếu số tầng thực 4, số van đảo chiều cần thiết Tương tự vậy, số tầng thực n số van đảo chiều (n-1) Hình 5.14: Mạch điều khiển tầng Khoa Điện – Điện tử 69 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Bài 3: Điều khiển theo nhịp Các phương pháp điều khiển trình bày phần trước có đặc điểm thay đổi qui trình cơng nghệ hay u cầu đề ra, đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều khiển, nhiều thời gian công sức Phương pháp điều khiển theo nhịp khắc phục nhược điểm I Cấu tạo khối nhịp điều khiển: Cấu tạo khối nhịp điều khiển gồm có phần tử là: phần tử AND, phần tử nhớ phần tử OR Hình 5.15: Cấu tạo khối nhịp điều khiển Nguyên tắc thực điều khiển theo nhịp là: bước thực lệnh xảy Có nghĩa lệnh nhịp thực xong, Khoa Điện – Điện tử 70 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén thơng báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời xóa lệnh nhịp thực trước Tín hiệu vào Yn tác động (ví dụ: tín hiệu khởi động), tín hiệu điều khiển A1 có giá trị L Đồng thời tác động vào nhịp trước Zn-1 để xóa lệnh thực trước Đồng thời chuẩn bị cho nhịp với tín hiệu vào X1 (hình 4.38) vậy, khối nhịp điều khiển gồm chức năng: - Chuẩn bị cho nhịp - Xoá lệnh nhịp trước - Thực lệnh tín hiệu điều khiển Hình 5.16: Mạch LOGIC chuỗi điều khiển theo nhịp Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp trình bày hình Nhịp thứ Zn xóa nhịp cuối Zn+1 Hình 5.17: Biểu diễn đơn giản chuỗi điểu khiển theo nhịp Các loại khối điều khiển Trong thực tế có loại khối điều khiển theo nhịp: - Loại ký hiệu TAA: cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều đổi vị trí: * Tín hiệu cổng A có giá trị L * Chuẩn bị cho nhịp phần tử AND tín hiệu X * Đèn tín hiệu sáng Khoa Điện – Điện tử 71 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén * Phần tử nhớ nhịp trước trở vị trí RESET Hình 5.18: Khối kiểu TAA - Loại ký hiệu TAB: Loại thường bố trí vị trí cuối chuỗi điều khiển theo nhịp Ngược lại với kiểu TAA, kiểu TAB có phần tử OR nối với cổng Yn (hình 4.41) Khi cổng L có khí nén, tồn khối chuỗi điều khiển (trừ khối cuối cùng) trở vị trí ban đầu Như vậy, khối kiểu TAB có chức điều kiện để chuẩn bị khởi động mạch điều khiển Khối kiểu TAB có chức tương tự khối kiểu TAA Đó là: cổng Yn có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí: * Tín hiệu cổng a có giá trị L * Chuẩn bị cho nhịp phần tử AND tín hiệu cổng X * Đèn tín hiệu sáng * Phần tử nhớ nhịp trước trở vị trí RESET Khoa Điện – Điện tử 72 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.19: Khối kiểu TAB - Loại ký hiệu TAC: Loại tín hiệu khơng có phần tử nhớ phần tử OR Như vậy, loại TAC có chức nhịp điều khiển tiếp theo, tín hiệu nhịp trước cịn giá trị L đèn tín hiệu cịn sáng nhịp Hình 5.20: Khối kiểu TAB Chuỗi điều khiển với nhịp khối: khối kiểu TAA khối kiểu TAB biểu diễn hình 4.43 Khoa Điện – Điện tử 73 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.21: Chuỗi điều khiển theo nhịp gồm: khối kiểu TAA khối kiểu TAB II THIẾT KẾ MẠCH TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN THEO NHỊP: Phương pháp điều khiển theo nhịp đươc ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển khí nén Trong thực tế yêu cầu công nghệ khác nhau, mà mạch thiết kế khác Điển hình mạch sau: - Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc - Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại - Mạch điều khiển theo nhịp với chu đồng thời - Mạch điều khiển theo nhịp với chu Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc: Biểu đồ thực nhịp biểu diễn hình 4.58 Khi k = 1, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên trái, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Khi k = 0, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên phải, bước thực từ bước thứ nhất, bước thứ hai nhảy qua đến bước thứ bảy Khoa Điện – Điện tử 74 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.22: Biểu đồ thực chu kỳ nhảy cóc Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc: Hình 5.24: Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc Như vậy, mạch tổng hợp gồm có chương trình Khi k = 1, ta có biểu đồ trạng thái chương trình thứ Khoa Điện – Điện tử 75 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Hình 5.25: Biểu đồ trạng thái chương trình thứ nhất: (khi k = 1) Khi k = 0, ta có biểu đồ trạng thái chương trình thứ hai Hình 5.27; Biểu đồ trạng thái chương trình thứ hai: (khi k = 0) Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại: a/ Nguyên lý hoạt động: Biểu đồ thực nhịp biểu diễn hình 4.62 Khi k = 1, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên trái, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Khi k = 0, tức vị trí van đảo chiều có định vị vị trí bên phải, bước thực từ bước thứ đến bước thứ bảy Sau lặp lại từ bước thứ ba đến bước thứ sáu Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại biểu diễn hình 4.63 Khoa Điện – Điện tử 76 Trường Cao đẳng nghề Nam Định Giáo trình điều khiển điện – khí nén Biểu đồ thực chu kỳ lặp lại b/ Ví dụ ứng dụng: Qui trình cơng nghệ biểu diễn biểu đồ trạng thái (hình 4.59) Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại Mạch điều khiển theo nhịp với chu đồng thời Nguyên lý hoạt động: Sau qui trình M thực xong, qui trình 1, qui trình 2, qui trình thực đồng thời Sau qui trình thực đồng thời hồn thành, tín hiệu cổng Yn+1 kết hợp lại phần tử AND, để qui Khoa Điện – Điện tử 77 Trường Cao đẳng nghề Nam Định