thủy lực khí nén cơ bản Cuøng söï phaùt trieån khoâng ngöøng cuûa lónh vöïc töï ñoäng hoùa, ngaøy nay caùc thieát bò truyeàn daãn, ñieàu khieån khí neùn – thuûy löïc söû duïng trong maùy moùc trôû neân roäng raõi ôû haàu heát caùc lónh vöïc coâng nghieäp nhö maùy coâng cuï CNC, phöông tieän vaän chuyeån, maùy daäp, maùy xaây döïng, maùy eùp phun, maùy bay, taøu thuûy, maùy y khoa, daây chuyeàn cheá bieán thöïc phaåm,… do nhöõng thieát bò naøy laøm vieäc linh hoaït, ñieàu khieån toái öu, ñaûm baûo chính xaùc , coâng suaát lôùn vôùi kích thöôùc nhoû goïn vaø laép ñaët deã daøng ôû nhöõng khoâng gian chaät heïp so vôùi caùc thieát bò truyeàn ñoäng vaø ñieàu khieån baèng cô khí hay ñieän. Nhaèm trang bò cho baïn ñoïc neàn kieán thöùc toát nhaát ñeå tieáp caän nhanh choùng vôùi caùc thieát bò cuûa heä thoáng ñieàu khieån khí neùn – thuûy löïc trong thöïc teá. Baèng nhöõng kinh nghieäm taùc giaû ñuùc keát ñöôïc cuûa nhieàu naêm laøm vieäc thöïc tieãn treân caùc maùy, coâng ngheä ñieàu khieån soá hieän ñaïi goùp phaàn vaøo ñaøo taïo nguoàn nhaân löïc, taùc giaû ñaõ bieân soaïn ra cuoán saùch naøy. Cuoán saùch “Ñieàu khieån khí neùn thuûy löïc” ñöôïc taùc giaû toång hôïp töø nhöõng kieán thöùc cô baûn cuûa caùc lónh vöïc lieân quan. Hy voïng qua noäi dung cuûa cuoán saùch naøy baïn ñoïc coù theå tính toaùn, thieát keá, laép ñaët vaø ñieàu khieån ñöôïc moät heä thoáng truyeàn daãn khí neùn thuûy löïc theo caùc yeâu caàu khaùc nhau. Trong quaù trình bieân soaïn cuoán saùch naøy, khoâng theå traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt. Raát mong söï ñoùng goùp cuûa caùc ñoäc giaû gaàn xa.
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM [[[[[ \\\\\ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC TH.S LÊ VĂN TIẾN DŨNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Mục lục MỤC LỤC Lời mở đầu Mục lục PHẦN I : ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ lược hệ thống điều khiển khí nén thủy lực 1.2 Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển khí nén & thủy lực 1.2.1 Hệ thống khí nén 1.2.2 Hệ thống thủy lực 1.3 Phạm vi ứng dụng điều khiển khí nén & thủy lực công nghiệp 1.3.1 Ứng dụng hệ thống khí nén 1.3.2 Ứng dụng hệ thống thủy lực 1.4 Đơn vị đo đại lượng 1.4.1 Áp suất 1.4.2 Lực 1.4.3 Công 1.4.4 Công suất 1.4.5 Độ nhớt động 12 CHƯƠNG - CUNG CẤP VÀ XỬ LÝ NGUỒN NĂNG LƯNG 2.1 Khí nén 2.1.1 Sản xuất khí nén 2.1.2 Phân phối khí nén 2.1.3 Xử lý nguồn khí nén 2.2 Thủy lực (dầu ép) 2.2.1 Cung cấp lượng dầu 2.2.2 Xử lý nguồn dầu PHẦN II: CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 16 23 CHƯƠNG - PHẦN TỬ ĐƯA TÍN HIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 3.1 Các phần tử đưa tín hiệu 3.1.1 Tín hiệu không điện 3.1.2 Tín hiệu điện 3.2 Các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển 3.2.1 Phần tử YES 3.2.2 Phần tử NOT 3.2.3 Phần tử AND 3.2.4 Phần tử OR 3.2.5 Phần tử NAND 3.2.6 Phần tử NOR 3.2.7 Phần tử Nhớ Flip-Flop 4.1 Động (motor) 32 39 CHƯƠNG - CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH 46 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 4.1.1 Động bánh 4.1.2 Động trục vít 4.1.3 Động cánh gạt 4.1.4 Động pít tông hướng kính 4.1.5 Động pít tông hướng trục 4.2 Xy lanh (Cylinder) 4.2.1 Xy lanh tác động đơn 4.2.2 Xy lanh tác động kép 4.2.3 Xy lanh màng 4.2.4 Xy lanh quay Mục lục 49 CHƯƠNG - CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 5.1 Khái niệm 5.2 Các phần tử điều chỉnh 5.2.1 Van an toàn van tràn 5.2.2 Van cản 5.2.3 Van giảm áp 5.2.4 Van tiết lưu 5.2.5 Van chân không 5.2.6 Van điều chỉnh thời gian 5.3 Các phần tử điều khiển 5.3.1 Van chiều 5.3.2 Van đảo chiều 5.3.3 Các van tuyến tính 58 59 62 69 CHƯƠNG - TÍNH TOÁN TRUYỀN ĐỘNG HỆ THỐNG KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC 6.1 Tổn thất hệ thống điều khiển khí nén & thủy lực 6.1.1 Tổn thất hệ thống khí nén 6.1.2 Tổn thất hệ thống thủy lực 6.2 Cơ sở tính toán truyền động hệ thống 6.3 Tính toán số mạch điển hình PHẦN III: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CHƯƠNG - PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 7.1 Lý thuyết đại số boole 7.2 Phân loại phương pháp điều khiển 7.3 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển 7.3.1 Biểu diển chức trình điều khiển 7.3.1.1 Biểu đồ trạng thái 7.3.1.2 Sơ đồ chức 7.3.1.3 Lưu đồ tiến trình 7.3.2 Viết phương trình điều khiển 7.3.3 Vẽ sơ đồ mạch điều khiển 7.4 Điều khiển bằnh lập trình Tài liệu tham khảo 78 82 90 94 96 100 103 103 108 109 111 118 Lời nói đầu ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC LỜI NÓI ĐẦU Cùng phát triển không ngừng lónh vực tự động hóa, ngày thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén – thủy lực sử dụng máy móc trở nên rộng rãi hầu hết lónh vực công nghiệp máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy xây dựng, máy ép phun, máy bay, tàu thủy, máy y khoa, dây chuyền chế biến thực phẩm,… thiết bị làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo xác , công suất lớn với kích thước nhỏ gọn lắp đặt dễ dàng không gian chật hẹp so với thiết bị truyền động điều khiển khí hay điện Nhằm trang bị cho bạn đọc kiến thức tốt để tiếp cận nhanh chóng với thiết bị hệ thống điều khiển khí nén – thủy lực thực tế Bằng kinh nghiệm tác giả đúc kết nhiều năm làm việc thực tiễn máy, công nghệ điều khiển số đại góp phần vào đào tạo nguồn nhân lực, tác giả biên soạn sách Cuốn sách “Điều khiển khí nén & thủy lực” tác giả tổng hợp từ kiến thức lónh vực liên quan Hy vọng qua nội dung sách bạn đọc tính toán, thiết kế, lắp đặt điều khiển hệ thống truyền dẫn khí nén & thủy lực theo yêu cầu khác Trong trình biên soạn sách này, tránh khỏi thiếu sót Rất mong đóng góp độc giả gần xa Tp.HCM, ngày 17 tháng 10 năm 2004 Tác giả ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực PHẦN I ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sơ lược hệ thống điều khiển khí nén & thủy lực Hệ thống điều khiển Tín hiệu điều khiển Điều khiển vòng hở Điều khiển vòng kín Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển thủy lực & khí nén Phạm vi ứng dụng Công thức đơn vị đo Bài tập Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 1.1 SƠ LƯC VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC 1.1.1 Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển khí nén & thủy lực bao gồm phần tử điều khiển cấu chấp hành nối kết với thành hệ thống hoàn chỉnh để thực nhiệm vụ theo yêu cầu đặt Hệ thống mô tả hình 1-1 Năng lượng điều khiển Tín hiệu đầu vào Xử lý thông tin, điều khiển Cơ cấu chấp hành ( biến lượng -> năng) Phản hồi Hình 1.1 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 quy tắc logic xác định, làm thay đổi trạng thái phần tử điều khiển: van logic And, Or, Not, Yes, Flip-Flop, rơle… - Phần tử điều khiển: điều khiển dòng lượng ( lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu, ly hợp… - Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái đối tượng điều khiển, đại lượng mạch điều khiển: xy lanh khí-dầu, động khí nén-dầu - Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin công suất Phần thông tin: -điện tử - điện - khí - 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 - dễ ổn định, tốc độ thấp 1.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển Trong điều khiển khí nén thuỷ lực nói sử dụng hai loại tín hiệu: + tương tự (hình 1.2.a) Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC + rời rạc (số) (hình 1.2.b) S(signal) S(signal) Hình 1.2.a t (time) t (time) Hình 1.2.b 1.1.3 Điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng hở so sánh tín hiệu đầu với tín hiệu đầu vào, giá trị thực thu giá trị cần đạt không điều chỉnh, xử lý Hình 1.3 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động thủy lực Giá trị đặt Van điều khiển tỉ lệ Lưu lượng - Lưu lượng Động thủy lực Tốc độ Thay đổi tải trọng Thay đổi lưu lượng bơm Thay đổi áp suất hệ Thay đổi t0 dầu Hình 1.3 Hệ thống điều khiển hở tốc độ động thủy lực 1.1.4 Điều khiển vòng kín (hồi tiếp) Hệ thống mà tín hiệu đầu phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào Độ chênh lệch tín hiệu vào thông báo cho thiết bị điều khiển, để thiết bị tạo tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối tượng điều khiển cho giá trị thực đạt mong muốn Hình 1.4 minh họa hệ thống điều khiển vị trí chuyển động cần pít tông xy lanh thủy lực Bộ điều khiển tỉ lệ Giá trị đặt + Phần tử so sánh kp - Tín hiệu điều khiển (u) Van điều khiển tỉ lệ Lưu lượng Xy lanh thủy lực Vị trí Khuếch đại tỉ lệ Đo lường vi trí Hình 1.4 Hệ thống điều khiển kín vi trí pít tông thủy lực ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực 1.2 ƯU VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 1.2.1 Khí nén a) Ưu điểm − Tính đồng lượng phần I P ( điều khiển chấp hành) nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện − Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật nguồn lượng: – bar − Khả tải lớn động khí − Độ tin cậy cao trục trặc kỹ thuật − Tuổi thọ lớn − Tính đồng lượng cấu chấp hành phần tử chức báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc môi trường dễ nổ, bảo đảm môi trường vệ sinh − Có khả truyền tải lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường dẫn − Do trọng lượng phần tử hệ thống điều khiển khí nén nhỏ, nữakhả giãn nở áp suất khí lớn, truyền động đạt vận tốc cao b) Nhược điểm − Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử − Khả lập trình cồng kềnh so với điện tử , điều khiển theo chương trình có sẵn Khả điều khiển phức tạp − Khả tích hợp hệ điều khiển phức tạp cồng kềnh − Lực truyền tải trọng thấp − Dòng khí nén thoát đường dẫn gây tiếng ồn − Không điều khiển trình trung gian ngưỡng 1.2.2 Thủy lực a) Ưu điểm - Truyền động công suất cao lực lớn nhờ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi chăm sóc, bảo dưỡng - Điều chỉnh vận tốc làm việc tinh không cấp nhờ thiết bị điều khiển kỹ thuật số hóa, dễ thực tự động hóa theo điều kiện làm việc chương trình cho sẵn - Kết cấu nhỏ gọn, nối kết thiết với dễ dàng việc đổi chỗ mối nối ống - Dễ biến đổi chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến cấu chấp hành - Có khả giảm khối lượng kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao - Nhờ quán tính nhỏ bơm động thủy lực, nhờ tính chịu nén dầu nên sử dụng vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh trường hợp khí hay điện - Dễ theo dõi quan sát áp kế, hệ mạch phức tạp - Tự động hóa đơn giản dùng phần tử tiêu chuẩn hóa - Dễ đề phòng tải nhờ van an toàn ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực b) Nhược điểm - Mất mát đường ống dẫn rò rỉ bên phần tử, làm giảm hiệu suất phạm vi ứng dụng - Khó giữ vận tốc không đổi phụ tải thay đổi tính nén dầu tính đàn hồi đường ống dẫn - Nhiệt độ độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ xác điều khiển - Khả lập trình tích hợp hệ thống nên khó khăn thay đổi chương trình làm việc - Khi khởi động, nhiệt độ hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi độ nhớt chất lỏng thay đổi 1.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 1.3.1 Phạm vi ứng dụng điều khiển khí nén Hệ thống điều khiển khí nén sử dụng rộng rãi lónh vực mà vấn đề nguy hiểm, hay xảy cháy nổ, như: đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo; sử dụng ngành khí cấp phôi gia công; môi trường vệ sinh công nghệ sản xuất thiết bị điện tử Ngoài hệ thống điều khiển khí nén sử dụng dây chuyền sản xuất thực phẩm, như: rữa bao bì tự động, chiết nước vô chai…; thiết bị vận chuyển kiểm tra băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại sản phẩm công nghiệp hóa chất, y khoa sinh học 1.3.2 Phạm vi ứng dụng điều khiển thủy lực Hệ thống điều khiển thủy lực sử dụng lónh 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 số hình minh họa ứng dụng hệ thống điều khiển khí nén thủy lực Hệ thống nâng bảo dưỡng xe Táy máy gắp sản phẩm khí nén ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Đại cương điều khiển Khí nén & Thủy lực Máy cắt thủy lực Khuôn tạo dè xe máy Ghép cấu khuôn Máy ép thủy lực Máy cán thủy lực 10 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC giản trình điều khiển tối ưu đơn giãn thiết kế ta phải thực nhiệm vụ biểu diễn chức trình điều khiển đầy đủ hoàn chỉnh 7.3.1.1 Biểu đồ trạng thái 7.3.1.1.1 Kí hiệu Các kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái trình điều khiển mô tả hình 7.13 Công tắc ngắt lúc nguy hiểm p Phần tử áp suất t Phần tử thời gian Nút đóng Nút đóng ngắt Nút ngắt Tín hiệu rẽ nhánh Công tắc chuyển mạch Liên kết OR A Nút tự động T Nút ấn Liên kết AND Đèn báo hiệu Tín hiệu tác động T T Nút ấn tác động đồng thời s Liên kết OR có nhánh phủ Hình 7.13 – Kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái 7.3.1.1.2 Thiết kế biểu đồ trạng thái Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái hoạt động phần tử hệ thống, mối liên hệ phần tử trình tự chuyển mạch phần tử Do xem sở thể nguyên lý hoạt động hệ thống Trục tung biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái ( hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,…) Trục hoành biểu diễn bước thực thời gian hành trình Hành trình làm việc chia thành nhiều bước Sự thay đổi trạng thái bước biểu diễn đường nét đậm Sự liên kết tín hiệu thể nét nhỏ chiều tác động biểu diễn mũi tên Ví dụ: thiết kế biểu đồ trạng thái quy trình điều khiển sau: Xy lanh tác dụng kép 1A dẫn hướng phôi cục tròn đến khâu làm việc Ở hai phía đầu cuối hành trình có gắn cữ hành trình 1S2 1S3 Pittông dịch chuyển đẩy phôi(hành trình đi) đồng thời 1S2 nút nhấn 1S1 tác động Thời 104 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC gian hành trình t1 = 0.6 s, thời gian hành trình t2 = 0.4 s, thời gian pittông lưu trú vị trí 1S3 t3 =1 s 7.3.1.2 Sơ đồ chức 7.3.1.2.1 Kí hiệu Sơ đồ chức bao gồm lệnh bước thực Các bước thực kí hiệu theo số thứ tự lệnh gồm tên loại, loại lệnh vị trí ngắt lệnh (hình 7.5) A B Bước thực Tên bước thực Tín hiệu vào thứ n-1 Tín hiệu vào thứ hai n n+1 Tên lệnh Loại lệnh Vị trí ngắt lệnh Hình 7.14 - Kí hiệu bước lệnh thực 7.3.1.2.2 Thiết kế sơ đồ chức Hình 7.15 mô tả nguyên lý làm việc máy khoan sau: Hình 7.16 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén 105 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 2.0 S4 S3 Đồ gá kẹp S2 S1 1.0 Piston 1.0 a Sơ đồ nguyên lý Bước thực Piston 2.0 b Biểu đồ trạng thái Hình 7.15 – Nguyên lý làm việc Hình 7.16 - Sơ đồ mạch khí nén 7.3.1.3 Lưu đồ tiến trình 7.3.1.3.1 Kí hiệu Lưu đồ tiến trình giải thuật (thuật toán) trình điều khiển Thể trình tự hoạt động, tín hiệu tác động ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển Các kí hiệu thứ tự vi trí mô tả hình 7.9 Lệnh thao tác Rẽ nhánh Chương trình Chiều tác dụng Hợp nhánh Rẽ nhánh Vị trí chuyển tiếp Lệnh thao tác tay Nhập, xuất liệu Bắt đầu & kết thúc trình Ghi Hình 7.17 - Kí hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình 106 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 7.3.1.3.2 Thiết kế lưu đồ tiến trình Nguyên tắc hoạt động mạch điều khiển hình 7.10 thực sau: 1S3 Hình 7.18 - Nguyên lí hoạt động mạch điều khiển - Bước thực thứ nhất: Khi pittông vị trí ban đầu (1S2 =1, 1S3=0) nút nhấn khởi động 1S1 tác động pittông (1A+) - Bước thực thứ hai: Khi pittông đến cuối hành trình chạm công tắc 1S2, pittông lùi (1A-) - Bước thực thứ ba: Tại vị trí ban đầu pittông chạm công tắc 1S2, trình điều khiển kết thúc Quá trình điều khiển viết sau: - Bước thực thứ nhất: 1S1∧1S2∧1S3= 1A+ → 1S3 - Bước thực thứ hai: 1S3=1A- → 1S2 - Bước thực thứ ba: 1S2 = kết thúc trình Khởi động 1S1 =1 có 1S2 =1 1A+ không 1S3 =1 không 1A- có 1S3 =1 có không 1S1 =1 Kết thúc Hình 7.19 - Lưu đồ tiến trình điều khiển 107 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 7.3.2 Viết phương trình điều khiển hoạt động hệ thống - Dựa vào biểu đồ trạng thái hoạt động theo thời gian trình làm việc hệ thống, dựa vào lý thuyết đại số Boole phần tử có chức nhớ trạng thái ta viết phương trình bước điều khiển trình - Ta tối ưu phương trình điều khiển tới mức chứa tham số biến vào để đơn giản mạch điều điều khiển giảm tốn sử dụng phần tử không cần thiết Ví dụ: S0 S1 S2 Quy trình điều khiển piston để nén chặt bã đậu thành khối bánh mô tả hình 7.20 Tại vị trí S0 v1 S1 v2 S2 S0, S1 S2 có công tắc hành trình tương ứng x0, x1 x2 Nút nhấn v3 thức hành trình ép Sp Đầu tiên piston chạy với tốc độ v1 đoạn hành trình không ép S0S1, chạy chậm với v2 hành trình ép S1S2 Gặp S2 piston giật lùi với vận tốc lớn v3 kết thúc chu kỳ ép S0 (chú ý: v3> v1 > v2) Với nguyên lý hoạt động quy trình ép ta xây dựng sơ đồ mạch động lực sau: Hình 7.20 – Hệ thống ép bã đậu Bước 0-1 Tại vị trí khởi đầu bước – 1, đồng thời S0 bị tác động nút Sp nhấn thực bước –1, tức A+ thực Và thực sau ta thả nút nhấn điều phải nhớ trạng thái A+ Phương trình viết sau: K = [( S p ∧ S ) ∨ K ] ∧ S1 Sp Piston 1A Bước 1-2 - Tại vị trí 1, tín hiệu S1 tác động kết thúc bước 0-1 thực bước 1-2, A+ vận tốc v1 Khi thực 1-2 S1 tác động, thực A+ tức phải nhớ trạng thái - Phương trình viết sau: 0 Bước thực S2 S1 S0 S0 Xy lanh Công tắc hành trình Nam châm điện = kết thúc A+ A+ S0 S1 1Y1 2Y1 AKT S2 S0 1Y2 2Y2 108 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC K = [( S1 ∨ K ) ∧ S ] ∧ K Bước 2-3 - Khi piston gặp S2 kết thúc bước 1-2 thực bước giật lùi 2-3 (A-) kết thúc S0 Khi thực bước 2-3 S2 tác động A- hoạt động, tức phải có nhớ trạng thái - Phương trình viết sau: K = (S ∨ K ) ∧ S 7.3.3 Vẽ sơ đồ mạch điều khiển - Mạch điều khiển tổ hợp tầng Tầng tổ hợp phần tử logic điện theo phương trình điều khiển viết - Mỗi phương trình điều khiển xem tầng Trong Kn hàm tầng gán cho đầu công suất van điều khiển Tầng Tầng Tầng 7.3.4 Ví dụ Một hàn nhiệt điện ép vào trống tròn xoay làm mát xy lanh khí nén tác động kép (1A) hàn plastic thành ống, hình 7.21 Hành trình duỗi kích nút nhấn 1S1 Hành trình duỗi với áp suất bar 1S4 tác động bắt đầu ép áp suất ép tăng đến bar piston giật Gặp 1S3 piston dừng lại, sau giây chu kỳ ép lại bắt Trong mạch sử dụng van 5/2/2 coil Xây dựng mạch điều khiển cấu hàn nhiệt điện Giải: • Biểu đồ trạng thái mô tả hình 7.22 109 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Xy lanh Công tắc hành trình Nam châm ñieän A+ 1S3 1Y1, 2Y1 A+ 1S4 1Y1 Ap 1Y2 A+ 1S3 t 1Y1, 2Y1 Viết phương trình điều khiển Vì hoạt động hệ thống thực liên tục, trạng thái nhấn 1S1 (1) trì suốt trình K = (1S1 ∨ K ) Bước 1-2 K = [1S1 ∧ 1S 3) ∨ K ] ∧ P K = K ∧ 1S 1Y1 = K1 2Y1 = K2 Bước 2-3 K = p ∨ K ) ∧ 1S 1Y2 = K3 Bước 3-1 Thực chu kỳ sau khoảng thời gian trì hoãn t K =1S ∧ t ∧ K K1 = ( K ∨ K1 ) Ta sử dụng luật kết hợp để ưu tầng bước 1-2 3-1 Xây dựng mạch điện điều khiển Căn vào số phương trình ta có số tầng tương ứng Mạch thể đây: 110 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC 7.4 ĐIỀU KHIỂN BẰNG LẬP TRÌNH - Trên đây, sử dụng lý thuyết đại số Boole, phần tử nhớ để tổ hợp thành phương trình điều khiển sử dụng luật logic để tối ưu chúng Bước tiến hành xây dựng mạch điều khiển tổ hợp tối ưu - Với phương thức gặp nhiều khó khăn hệ thống có trình hoạt động phức tạp, hệ thống đòi hỏi phải thay đổi thông số làm việc thường xuyên, khó khăn bảo trì, sửa chữa cải tiến, nâng cấp để phù hợp với nhu cầu Mặc khác phương thức tốn chi phí, không gian tính an toàn, ổn định làm việc thấp ảnh hưởng lớn đến hiệu sản xuất - Để giải hạn chế phương thức người ta sử dụng điều khiển có khả lập trình thay hoàn toàn cho mạch điều khiển tạo linh hoạt mềm dẻo từ ý tưởng đến hoàn thiện mạch - Sử dụng điều khiển lập trình, không cần quan tâm đến chất nối mạch điều giải chương trình - Chương trình viết dạng ngôn ngữ STL, LADDER, FBD Trong phần tác giả sử dụng ngôn ngữ đơn giản LADDER để mô tả lập trình hoạt động hệ thống 7.4.1 Một số lệnh viết chương trình STT Lệnh Tiếp điểm thường hở – thường đóng Tiếp điểm cạnh dương – cạnh âm Kí hiệu Toán hạng I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Loại liệu Bool I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Bool 111 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC STT Lệnh Nhớ bit – xóa bit Kí hiệu Toán hạng I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Loại liệu Bool Gán ngõ I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Bool Phủ định bit Bool Mở trễ theo thời gian I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Txxx: Constant IN: I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Tắt trễ theo thời gian Txxx: Constant IN: I, Q, M, SM, T, C, V, S, L Word Bool So saùnh = =, < >, =>, , < soá nguyên int Cộng trừ số nguyên IW, QW, MW, SW, SMW, T, C, VW, LW, AIW, AC, Constant, *VD, *LD,*AC IW, QW, MW, SW, SMW, T, C, VW, LW, AIW, AC, Constant, *VD, *LD,*AC 10 Nhân chia số nguyên IW, QW, MW, SW, SMW, T, C, VW, LW, AIW, AC, Constant, *VD, *LD,*AC Int 11 Đếm lên PV:VW, IW, QW, MW, SMW, LW, AIW, AC, T, C, Constant, *VD, *AC, *LD, SW CU,R: power flow Int Word Bool Int Bool 112 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC STT Lệnh 12 Đếm xuống Kí hiệu Toán hạng PV:VW, IW, QW, MW, SMW, LW, AIW, AC, T, C, Constant, *VD, *AC, *LD, SW CD,LD: power flow Loại liệu int Bool 7.4.2 Viết chương trình cho mạch điều khiển Ví dụ: Máy dập đầu phôi thép tự động dây chuyền sản xuất trụ điện bê tông tiền áp • Tác động tín hiệu khởi động ( nút nhấn PB start) pít tông kẹp chặt dịch chuyển từ vị trí A đến B thực kẹp chặt phôi, lúc LS2 tác động pít tông dập dịch chuyển từ vị trí C đến D để dập định hình phôi ( theo hình dạng khuôn) lúc LS4 tác động làm cho pít tông dập lùi C LS3 tác động LS3 tác động làm cho pít tông kẹp dịch chuyển từ B A LS1 tác động dừng trình dập (Hình 5) • Chú ý: PLC nhận tín hiệu từ PB Start đồng thời LS1 LS3 bị tác động LS3 (C) (A) LS1 PB start (B) LS2 LS4 (D) 113 ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC Chương – Thiết kế mạch điều khiển 114 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC BÀI TẬP CHƯƠNG Bài 1: Thiết kế mạch ép gia nhiệt tự động với yêu cầu kỹ thuật sau: Khi nút nhấn S1 tác động pittông ép xuống chạm vào công tắc hành trình S2 bắt đầu gia nhiệt với thời gian t Sau trở vị trí ban đầu chạm vào công tắc hành trình S3 trình tiếp tục lại từ đầu Trong trình thực nhấn nút S4 píttông quay vị trí ban đầu Bài 2: Thiết kế mạch thủy lực điều khiển máy dập khuôn kim loại (hình BT7.1), với yêu cầu kỹ thuật sau: Lúc đầu, đầu dập vị trí chờ (S1), đưa chi tiết cần dập vào ta ấn nút S3, đầu dập tịnh tiến xuống dập chi tiết, S2 bị tác động đầu dập quay Trong trình gia công xảy cố, ấn nút S4 đầu dập lại vị trí S1 S2 Bài 3: Thiết bị lắp ráp có độ dôi Thiết kế mạch điều khiển thủy lực cấu dùng để lắp ráp có độ Hình BT7.1 dôi, với yêu cầu kỹ thuật sau: Đưa chi tiết cần lắp vào vị trí lắp, ấn nút S1 cấu tịnh tiến xuống lắp ép chặt chi tiết đến đủ áp suất 20 bar, đèn H sáng, cấu tự quay Nếu trình gia công xảy cố ấn nút S2 cấu quay vị trí ban đầu Bài 4: Cơ cấu cấp phôi theo kiện Thiết kế mạch điều khiển thủy lực cấp phôi theo khối kiện nhiều sản phẩm, với yêu cầu kỹ thuật sau: Nhấn nút 1S cấu đẩy phôi hoạt động từ vị trí giới hạn S1 đến giới hạn S2 để đẩy sản phẩm Khi công tắc S2 tác động pittông đẩy trở vị trí ban đầu thực tiếp lần đẩy Đẩy 12 phôi ngừng vị trí ban đầu Trong trình đẩy phôi có vấn đề nhấn nút 2S trở vị trí ban đầu Bài 5: Hệ thống vận chuyển sản phẩm băng tải lăn mô tả hình BT7.2 Hai băng tải chuyển động vuông góc với theo trục X Y Nguyên lý làm việc mô tả biểu đồ trạng thái Hãy thiết kế mạch động lực thủy lực mạch điều khiển Trong đó: 1S1, 1S2, 2S1, 2S2 công tắc giới hành trình; S1 nút nhấn khởi động hệ thống 115 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC BT7.2b S1 1A 2A BT7.2a BT7.2c 1S2 1S1 2S2 1S2 Biểu đồ trạng thái Bài 6: Cơ cấu ép thủy lực mô tả hình BT7.3 biểu đồ trạng thái BT7.4 Trong trình chạy tác động S2 dừng cấu Nếu S1 tác động cấu lại hoạt động tiếp tục Hãy thiết kế mạch động lực thủy lực, viết phương trình điều khiển thiết kế mạch điện điều khiển Trong đó: 1S1, 1S2 công tắc giới hành trình; p công tắc áp suất; T công tắc thời gian p = 40 bar t=4s S1 1A BT7.3 – Cơ cấu thủy lực Kết thúc 1S2 1S1 1S1 BT7.4 - Biểu đồ trạng thái Bài 7: Hệ thống ép thủy lực dùng để lắp ráp chi tiết thành sản phẩm mô tả hình BT7.5 Khi nhấn nút khởi động S1 pittông ép thực lắp ráp chi tiết áp 116 Chương – Thiết kế mạch điều khiển ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC suất đạt đến 3Mpa pittông trở vị trí ban đầu gặp 1S1 dừng Trong trình ép trở nút Stop (S2) nhấn pit tông dừng lại Nếu S1 lại nhấn pit tông tiếp tục hành trình lại Hãy thiết kế mạch động lực, viết phương trình điều khiển vẽ sơ đồ mạch điện S1 p = Mpa 1A Kết thúc 1S1 1S1 b) Biểu đồ trạng thái a) Cơ cấu ép thủy lực BT7.5 117 Tài liệu tham khảo ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN & THỦY LỰC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Phạm Công Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động” Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1996 Trần Chấn Chỉnh – Lê Thị Minh Nghóa, “Cơ học chất lỏng kỹ thuật” Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1992 Nguyễn Ngọc Phương, “Hệ thống điều khiển khí nén” Nhà xuất giáo dục, 1999 Nguyễn Ngọc Phương – Huỳnh Nguyễn Hoàng, “Hệ thống điều khiển thủy lực” Nhà xuất giáo dục, 1999 Trần Doãn Đình – Hà Văn Vui –Đỗ Văn Chi, “Truyền dẫn thủy lực chế tạo máy” Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 1984 Nguyễn Ngọc Cẩn, “Truyền dẫn dầu ép máy cắt kim loại” Nhà xuất khoa học kỹ thuaät, 1978 Ron Tocci, “Digiatal System” Prentice-Hall Robert N.Bateson, “Introduction To Control System Technology” Maxwell Macmillan International Editions Sabrie Soloman, “Sensors and Control System in Manufacturing” McGraw-Hill,Inc [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] “Automation with Micro PLC SIMATIC S7-200” Siemens, Germany Werner Deppert – Kurt Stoll, “Pneumatic control” Vogel Buchverlag, 1985 Werner Deppert – Kurt Stoll, “Pneumatic Application” Vogel Buchverlag, 1983 Michael J.Pinches – John G.Ashby, “Power Hydraulics” Prentice-Hall “Hydraulics & Applications” Yuken Kogyo Co., LTD “Hydraulics Applications “ Lab-Volt, 2000 Lê Văn Tiến Dũng, “Điều khiển lập trình PLC mạng PLC” Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM, 2004 118 ... ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU KHI? ??N 5.1 Khái niệm 5.2 Các phần tử điều chỉnh 5.2.1 Van an toàn van tràn 5.2.2 Van cản 5.2.3 Van giảm áp 5.2.4 Van tiết lưu 5.2.5 Van chân không 5.2.6 Van điều chỉnh thời... điều khi? ??n Tín hiệu điều khi? ??n Điều khi? ??n vòng hở Điều khi? ??n vòng kín Ưu nhược điểm hệ thống điều khi? ??n thủy lực & khí nén Phạm vi ứng dụng Công thức đơn vị đo Bài tập Chương – Đại cương điều khi? ??n... điều khi? ??n: van logic And, Or, Not, Yes, Flip-Flop, rơle… - Phần tử điều khi? ??n: điều khi? ??n dòng lượng ( lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo