Giáo trình Điều khiển khí nén (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Cao đẳng)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI GIÁO TRÌNH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Năm 2020 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng, giáo trình Điện khí nénlà giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình Nhà trường phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Trong q trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện BÀI 1: CỞ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỆN- KHÍ NÉN Khái niệm chung 1.1 Vài nét phát triển Ứng dụng khí nén có từ thời kỳ trước cơng ngun, nhiên phát triển khoa học kỹ thuật thời khơng đồng bộ, kết hợp kiến thức học, vật lý, vật liệu … cịn thiếu Cho nên phạm vi ứng dụng khí nén hạn chế Mãi đến kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Guerike, nhà toán học nhà triết học người Pháp Pascal, nhà vật lý người Pháp Papin xây dựng nên tảng ứng dụng khí nén Trong kỷ 19, máy móc thiết bị sử dụng lượng khí nén phát minh: thư vận chuyển ống khí nén (1835), Phanh khí nén(1880), búa tán đinh khí nén (1861) Trong lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes Thụy sĩ (1857) lần người ta sử dụng khí nén với cơng suất lớn Vào năm 70 kỷ thứ 19 xuất Pari trung tâm sử dụng lượng khí nén với cơng suất lớn 7350KW Khí nén vận chuyển tới nơi tiêu thụ đường ống với đường kính 500mm chiều dài km Tại nơi khí nén nung nóng lên tới nhiệt độ từ 500C đến 1500C để tăng công suất truyền động động cơ, thiết bị búa hơi… Với phát triển mạnh mẽ lượng điện, vai trò sử dụng lượng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng lượng khí nén đóng vai trị cốt yếu lĩnh vực mà sử dụng lương điện nguy hiểm, sử dụng lượng khí nén dụng cụ nhỏ, truyền động với vận tốc lớn, sử dụng lượng khí nén thiết bị búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… Và nhiều dụng cụ khác đò gá kẹp chi tiết Sau chiến tranh giới thứ 2, việc ứng dụng lượng khí nén kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ Với dụng cụ , thiết bị, phần tử khí nén sáng chế ứng dụng lĩnh vực khác nhau, kết hợp nguồn lượng khí nén với điện – điện tử nhân tố định cho phát triển kỹ thuật điều khiển tương lai Hãng FESTO (Đức) có chương trình phát triển hệ thống điều khiển khí nén đa dạng, khơng phục vụ cho cơng nghiệp mà cịn phục vụ cho phát triển phương tiện dạy học (Didactic) Những đặc trưng khí nén Về số lượng:có sẵn khắp nơi nên sử dụng với số lượng vơ hạn Về vận chuyển:khí nén vận chuyển dễ dàng đường ống, với khoảng cách định Các đường ống dẫn khơng cần thiết khí nén sau sử dụng cho ngồi mơi trường sau thực xong công tác Về lưu trữ:máy nén khí khơng thiết phải sử dụng liên tục.Khí nén lưu trữ bình chứa để cung cấp cần thiết Về nhiệt độ :khí nén thay đổi theo nhiệt độ Về phịng chống cháy nổ:không nguy gây cháy khí nén,nên khơng chi phí cho việc phịng cháy.Khơng khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng bar nên việc phịng nổ khơng q phức tạp Về tính vệ sinh:khí nén sử dụng thiết bị lọc bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường , không nguy phần vệ sinh.Tính chất quan trọng ngành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm ,vải sợi, lâm sản thuộc da Về cấu tạo thiết bị :đơn giản nên rẻ thiết bị tự động khác Về vận tốc: khí nén dịng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt tốc độ cao (vận tốc làm việc xy-lanh thường 1-2 m/s) Về tính điều chỉnh: vận tốc áp lực thiết bị cơng tác khí nén điều chỉnh cách vô cấp 2.1 Ưu, nhược điểm hệ thống truyền động khí nén 2.1.1 Ưu điểm: - Do khả chịu nén( đàn hồi ) lớn khơng khí, nên trích chứa khí nén cách thuận lợi - Có khả truyền tải lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường dẫn - Đường dẫn khí nén (thải ra) khơng cần thiết - Chi phí để thiết lập hệ thống truyền động khí nén thấp, nhà máy, xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén có sẵn - Hệ thống bảo vệ áp suất đảm bảo 2.1.2 Nhược điểm: - Lực truyền tải trọng thấp - Khi tải trọng hệ thống thay đổi vận tốc truyền thay đổi khả đàn hồi khí nén lớn, khơng thể thực chuyển thẳng quay - Dịng khí nén thoát đường dẫn gây tiếng ồn Đơn vị đo hệ thống điều khiển 3.1) Áp suất Đơn vị áp suất theo hệ SI pascal (Pa) Pascal áp suất phân bố lên bề mặt có diện tích 1m2 với lực tác động vng góc lên bề mặt Newton ( N ) Pascal ( Pa ) = 1N/m2 Trong thực tế người ta dùng đơn vị bội Pascal Megapascal ( MPa ) MPa = 106 Pa Ngồi người ta cìn dùng đơn vị bar, bar = 105 Pa 3.2) Lực Đơn vị lực Newton ( N ) Newton ( N ) lực tác động lên đối trọng có khối lượng Kg với gia tốc 1m/s2 3.3) Công Đơn vị công Juole ( J ) Joule (J) công sinh tác dụng lực N để vật dịch chuyển quảng đường 1m 1J = Nm 3.4) Công suất Đơn vị công suất Watt Watt ( W ) công suất, thời gian giây sinh lượng Joule 1W = 1J/s = 1Nm/s 3.5) Độ nhớt động Đơn vị độ nhớt động m2/s m2/s độ nhớt động chất lỏng có độ nhớt động lực Pa.s khối lượng riêng 1Kg/m3 Trong đó: 𝑣= η 𝜌 η : Độ nhớt động ( Pa.s) ρ : Khối lượng riêng ( Kg/m3 ) v : độ nhớt động ( m/s2 ) Ngồi người ta cịn sử dụng đơn vị đo độ nhớt động stoke (St) centistoke (cSt) Hình 1: Sự phụ thuộc áp suất, nhiệt độ, độ nhớt động khơng khí Cơ sở tính tốn khí nén 4.1) Thành phần hóa học khí nén Nguyên tắc hoạt động thiết bị không khí khí quyển, hút vào nén máy nén khí Sau từ máy nén đưa vào hệ thống khí nén Khơng khí loại khí hổn hợp, bao gồm thành phần (bảng 1.1) Ngoài thành phần trên, khơng khí cịn có bụi, nước, …, thành phần gây cho thiết bị khí nén ăn mịn, gỉ Phải có biện pháp hay thiết bị để loại trừ giới hạn thấp thành phần hệ thống 4.2) Phương trình trạng thái nhiệt động học Giả thiết khí nén hệ thống gần lý tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát khí nén: pabs = m.R.T Trong đó: pabs : Áp suất tuyệt đối (bar) V: Thể tích khí nén (m3) m: Khối lượng (kg) R: Hằng số nhiệt (j/kg.K) T: Nhiệt độ Kelvin (K) a Đinh luật boyle-mariotte (1-1) Khi nhiệt độ thay đổi (T= số), theo phương trình nhiệt tổng qt (1-1), ta có: pabs.V = số Nếu gọi: V1(m3) thể tích khí nén thời điểm áp suất p1 V2(m3) thể tích khí nén thời điểm áp suất p2 p1abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén tích V1 p2abs (bar) áp suất tuyệt đối khí nén tích V2 Theo phương trình (1-2) ta có: Hình biểu diễn phụ thuộc áp suất thể tích nhiệt độ thay đôi đường cong parabol b Định luật Gay-Lussac Áp suất không thay đổi (p = số), phương trình (1-1) ta có: Trong đó: T1: Nhiệt độ thời điểm tích V1 (K) T2: Nhiệt độ thời điểm tích V2 (K) Năng lượng nén lượng giản nở khơng khí tính theo phương trình: W = p.(V2 – V1) c Định luật Gay - Lusac Thể tích V thay đổi, theo phương trình (1-1) ta có: cịn trì giá trị khoảng thời gian t2 không phụ thuộc vào thời gian ấn nút z0 Điều kiện để mạch trigơ trạng thái bền khí nén hoạt động tín hiệu z van phải giữ giá trị khỏang thời gian lớn t1 (khoảng 0,2s) 4.4 Mạch điều khiển điện khí nén với xilanh 4.4.1 Mạch điều khiển với tiếp điểm tự trì Cơ sở thiết kết mạch điện điều khiển điện – khí nén biểu đồ trạng thái Sơ đồ sơ đồ mạch điện điều khiển biểu diễn hình Khi tác động vào nút ấn S2, rơle K2 có điện, tiếp điểm tương ứng rơle K2 đóng, tiếp điểm K2 nhánh thứ ba K2 nhánh thứ năm Khi nhả nút ấn S2, nhờ tiếp điểm trì K2 nhánh thứ ba, rơle K2 có điện tiếp điểm K2 nhánh thứ năm - tiếp điểm đóng để dịng điện qua cuộn cảm ứng van đảo chiều, xylanh tới… Khi tác động vào nút ấn vào nút ấn S1 dòng điện nhánh hai mất, rơle K2 điện, tiếp điểm tương ứng mở xylanh lùi 4.4.2 Mạch điều khiển với rơ le thời gian tác động muộn Biểu đồ trạng thái, sơ đồ mạch khí nén trình bày hình Sơ đồ mạch điều khiển với phần tử tự trì rơle thời gian tác động muộn Sau thời gian t1 cơng tắc hành trình điện - S2 đóng (vị trí cuối hành trình), rơle thời gian tác động muộn K2 có điện 4.5 Mạch điều khiển khí nén với hai xilanh Mạch điều khiển theo nhịp: Quy trình mạch điều khiển theo nhịp với xy – lanh biểu diễn hình Khi tác động vào nút ấn S5, xy – lanh thực theo quy trình đề Mỗi nhịp có mạch tự trì Sau ấn nút khởi động S5 Lần lượt nhịp nhịp đóng mạch Nhịp cuối tác động cho quy trình trở vị trí ban đầu Nếu ta chọn van đảo chiều 4/2 xung, hai phía tác động nam châm điện, sơ đồ mạch điều khiển điện biểu diễn hình Mặc dầu nhịp có mạch tự trì, nhịp thực hiện, nhịp trước phải xóa 4.6 Bộ dịch chuyển theo nhịp Nguyên tắc thực điều khiển theo nhịp bước thực Nghĩa lệnh nhịp thực xong thơng báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời xóa lệnh nhịp trước Như khối nhịp điều khiển gồm chức sau: + Chuẩn bị cho nhịp + Xóa lệnh nhịp trước + Thực lệnh tín hiệu điều khiển Mạch tổng hợp điều khiển theo nhịp Phương pháp điều khiển theo nhịp 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 đồng thời - Mạch điều khiển theo nhịp với chu - Mạch điều khiển theo nhịp với chu nhảy cóc - Mạch điều khiển theo nhịp với chu lặp lại 5.1 Mạch điều khiển 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 + kết hợp lại phần tử AND, để qui trình N thực Như vậy, trước chuẩn bị thực đồng thời qui trình, tín hiệu phân nhánh Sau qui trình đồng thời thực xong, tín hiệu kết hợp lại Nguyên lý hoạt động điều khiển theo nhịp với chu đồng thời, biểu diễn 5.2 Mạch điều khiển với chu Sau qui trình M thực hiện, k = qui trình thứ thực hiện, k = 0, qui trình thứ hai thực Sau đó, qui trình N thực Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ Karnaugh Ví dụ quy trình làm việc máy khoan gồm hai xylanh: Khi đưa chi tiết vào xylanh A để kẹp chi tiết Sau pittong B xuống khoan chi tiết Sau khoan xong, pittong B lùi Khi xylanh B lùi về, xylanh A lùi Xác định biến Cơng tắc cuối hành trình xylanh A ký hiệu a0 a1 Công tắc cuối hành trình xylanh B b0 b1 Cơng tắc hành trình tác động cho pittơng lùi +A –A kí hiệu tín hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ A +B –B kí hiệu tín hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ B Thiết lập biểu đồ trạng thái Từ quy trình cơng nghệ ta thiết lập biểu đồ trạng thái biểu diễn hình Từ biểu đồ trạng thái, ta xác định điều kiện để xylanh thực sau: Bước 1: Xylanh A với tín hiệu điều khiển +A +A = a0 ^ b0 Bước 2: Xylanh B với tín hiệu điều khiển +B +B = a1 ^ b0 Bước 3: Xylanh B lùi với tín hiệu điều khiển –B -B = a1 ^ b1 Bước 4: Xylanh A lùi với tín hiệu điều khiển –A -A = a1 ^ b0 Thiết lập phương trình logic điều kiện thực hiện: Từ bước thực hiện, ta có phương trình logic sau: a) +A = a0 ^ b0 b) +B = a1 ^ b0 c) –A = a1 ^ b1 d) –B = a1 ^ b0 So sánh phương trình b d ta thấy điều kiện để thực +B –A giống Như điều khiển thực Các mạch ứng dụng Bài tập 1: Các kiện hàng chuyền băng tải đặt trục lăn đưa lên xylanh khí nén xilanh thứ đẩy xang bảng tải khác theo sơ đồ hình vẽ sau: Biểu đồ trạng thái xilanh Yêu cầu: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ trạng thái xy lanh thỏa mãn điều kiện sau: Một nút ấn cấp nguồn khí nén cho hệ thống Một nút ấn khởi động hệ thống Sau tín hiệu tác động vào nút ấn khởi động, hệ thống làm việc với chu trình lặp lại Bài làm: Sơ đồ mạch điều khiển có chu kỳ động Bài tập 2: Những vật hình chữ nhật đóng dấu máy đặc biệt Những phần lấy từ nhà kho dùng trọng lực, đẩy vào máy xát ngăn dùng xy lanh giữ chặt, đóng dấu xylanh thứ đẩy xylanh (Như hình vẽ) Biểu đồ trạng thái Yêu cầu: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ trạng thái xy lanh thỏa mãn điều kiện sau: Một nút ấn cấp nguồn khí nén cho hệ thống Một nút ấn khởi động hệ thống Sau tín hiệu tác động vào nút ấn khởi động, hệ thống làm việc với chu trình lặp lại ... nhiệt độ, độ nhớt động không khí Cơ sở tính tốn khí nén 4.1) Thành phần hóa học khí nén Ngun tắc hoạt động thiết bị khơng khí khí quyển, hút vào nén máy nén khí Sau từ máy nén đưa vào hệ thống khí. .. máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít + Máy nén khí theo nguyên lý động năng: máy nén khí ly tâm, máy nén theo trục - Ta phân loại máy nén khí theo hình 7: MÁY NÉN Máy nén động Máy nén. .. Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng, giáo trình Điện khí nénlà giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình Nhà trường phê