nghiên cứu khái quát về máy cắt gas - ôxy. thiết kế điều khiển

Cắt kim loại dùng máy cắt Gas Oxy là một quá trình đốt cháy kim loại bằng dòng khí oxy ở nhiệt độ cao, tạo thành các oxide sắt FeO, Fe2O3, Fe3O4.. Ngọn lửa hànCác thiết bị chính của trạm

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Đồ án môn học: Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung

Tên đề tài: “ Nghiên cứu khái quát về máy cắt Gas - Ôxy Thiết kế điều khiển.”

Chương 1 Khái quát về công nghệ máy cắt gas - ôxy

1.1 Giới thiệu về máy cắt gas - oxi

1.2 Phân loại và yêu cầu công nghệ

Chương 2 Thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị cắt gas - ôxy

2.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas - ôxy

2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống cắt kim loại bằng khí ôxy

Chương 3 Mô phỏng chương trình điều khiển trên PLC S7 200

3.1 Đầu vào, ra của hệ thống

3.2 Kết quả mô phỏng và nhận xét

Hải Phòng, ngày tháng năm 2014

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ MÁY CẮT GAS – ÔXY

1.1 Giới thiệu về các loại máy cắt kim loại

Mỗi công nghệ ra đời đều nhằm đáp ứng một số các nhu cầu nhất định Theo thời gian các công nghệ cắt ngày càng hoàn thiện hơn Tuy nhiên, mỗi công nghệ đều có những ưu và nhược điểm riêng Vì vậy, tùy theo từng nhu cầu

cụ thể mà chọn các công nghệ cắt khác nhau Sau đây tìm hiểu về lịch sử và ưu nhược điểm của 03 công nghệ cắt là cắt Gas Oxy, cắt Plasma và cắt Laser

Cắt kim loại dùng máy cắt Gas Oxy là một quá trình đốt cháy kim loại bằng dòng khí oxy ở nhiệt độ cao, tạo thành các oxide sắt (FeO, Fe2O3, Fe3O4) Nhiệt độ cần thiết được duy trì bằng ngọn lửa thu được từ quá trình đốt cháy của Gas và oxy Sơ đồ quá trình cắt kim loại bằng khí được trình bày hình 1.1

Khi bắt đầu cắt, kim loại ở mép cắt được nung nóng đến nhiệt độ cháy nhờ nhiệt của ngọn lửa nung, sau đó cho dòng oxy thổi qua, kim loại bị oxy hóa mãnh liệt (bị đốt cháy) tạo thành oxit Sản phẩm cháy bị nung chảy và bị dòng oxi thỏi khỏi mép cắt Tiếp theo, do phản ứng cháy của kim loại tỏa nhiệt mạnh, lớp kim loại tiếp theo bị nóng nhanh và tiếp tục bị đốt cháy tạo thành rãnh cắt.

Công nghệ cắt Plasma được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm, trong thời kỳ đỉnh cao của thế chiến thứ 2 Trong một nổ lực để cải thiện các mối nối của máy bay chiến đấu, một phương pháp hàn đã được phát triển mà dùng một hàng rào khí trơ để bảo vệ chung quanh tia hồ quang điện để bảo vệ mối hàn khỏi quá trình oxy hóa

Hình 1.3 Hình ảnh máy cắt plasma thực tế

Một vài thập kỷ sau, người ta phát hiện rằng việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là plasma, và nó tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 - 15.000 °C Cùng lúc đó độ mở nhỏ hơn làm tăng tốc độ của dòng khí thoát ra, nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại, nhưng với

quy mô rất lớn vì khi đó chi phí cắt cũng rất cao Càng ngày với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị cắt plasma ngày càng có chi phí thấp hơn và được thương mại hóa cách đây khoảng hơn 10 năm Tuy nhiên, do tia plasma phát ra

có hình dạng như giọt nước nên đường cắt hơi bị nghiêng khoảng từ 3 - 10 ° tùy theo chất lượng của nguồn cắt plasma

Cắt Laser: Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông mô tả lý thuyết phát xạ kích thích Đến năm 1940 một số kỹ sư đã

áp dụng lý thuyết này trong nghành khai thác năng lượng Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề." Đó là trong thời gian ngắn, và với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt

đã được tìm thấy có nhiều ứng dụng Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng rất lớn có thể được dùng để cắt kimloại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như nhựa, gỗ, kính

Hình 1.4 Hình ảnh thực tế của máy cắt laser.

Dưới đây là bảng so sánh 03 công nghệ cắt trên:

Bảng 1: So sánh 3 công nghệ cắt kim loại bằng gas – oxi, plasma, laser

1.2 Đặc điểm và yêu cầu công nghệ cắt gas – oxi

1.2.1 Cấu tạo của máy cắt gas - oxi

Đây là phương pháp cắt gọt được sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục đích là cắt nhỏ thép phế

để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí

Hàn và cắt kim loại bằng khí là phương pháp sử dụng nhiệt của ngọn lửa sinh ra khi đốt cháy các chất khí cháy ( C2H2, CH4, C6H6 v.v…) hoặc H2 với oxy

để nung chảy kim loại Thông dụng nhất là hàn và cắt bằng khí Oxy – axetylen

vì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy của 2 khí này lớn và tập trung, tạo thành ngọn lửa có nhiệt độ cao ( vùng cao nhất đạt tới 32000C ); còn ngọn lửa giữa O2 và các chất khí cháy khác chỉ cho nhiệt độ từ 2000 ÷ 22000C

Hình 1.5 Sơ đồ một trạm hàn và cắt bằng khí

1 Bình chứa oxy; 2 Bình chứa axetylen; 3 Van giảm áp; 4 Đồng hồ đo áp

5 Khóa bảo hiểm; 6 Dây dẫn khí; 7 Mỏ hàn hoặc mỏ cắt; 8 Ngọn lửa hànCác thiết bị chính của trạm hàn hoặc cắt bằng khí gồm các bộ phận chính sau: Bình chứa oxy, bình chứa hoặc thùng điều chế axetylen, khóa bảo hiểm, van giảm áp, dây dẫn khí, mỏ hàn

Bình chứa khí dùng để chứa khí oxy và khí axetylen, được chế tạo từ thép tấm dày 4 ÷ 8 mm bằng phương pháp dập hoặc hàn Bình có đường kính ngoài

219 mm, cao 1.390mm, dung tích 40 lít, trọng lượng 67 kg Bình chứa oxy chứa được một lượng khí có áp suất khoảng 150 atm tương ứng với 6 m3 khí ( ở 200C

và 1 atm) bên ngoài được sơn màu xanh hoặc xanh da trời Bình chứa axetylen chứa được áp suất khí nạp tới dưới 19atm, được sơn màu vàng Trong bình chứa bọt xốp ( thường là than hoạt tính) và tẩm axetôn ( khoảng 290 ÷ 320 gram than hoạt tính tẩm 225 ÷ 230 gram axeton/một lít thể tích bình chứa)

Bình điều chế khí dùng để điều chế axetylen từ đất đèn Trong thực tế, người ta dùng nhiều loại bình điều chế khí khác nhau, được phân loại theo các đặc trưng cơ bản:

- Theo năng suất: có các loại nhỏ (dưới 3,2 m3/h) và loại lớn ( trên 5 m3/h)

- Theo áp lực khí: thấp (0,01 ÷ 0,1 atm), trung bình ( 0,1 ÷ 1,5 atm) cao (1,5 ÷ 1,75 atm)

- Theo nguyên tắc tác dụng giữa đất đèn và nước : đá rơi vào nước (a), nước rơi vào đá (b) và đá tiếp xúc với nước (c) như hình dưới đây – giới thiệu sơ đồ nguyên lý của một số bình điều chế khí điển hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý bình điều chế khí axetylen

1 Nước; 2 Đất đèn (đá); 3 Nón cấp đất đèn; 4 Phễu cấp nước; 5 Van điều

chỉnh lượng nước; 6 Ống dẫn khí ra; 7 Ghi đỡ đất đèn

Khóa bảo hiểm để tránh hiện tượng ngọn lửa cháy ngược theo ống dẫn khí trở về bình điều chế khí gây nổ bình Trong quá trình cắt ( hàn), do một nguyên nhân nào đó lưu lượng khí phun ra ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm mạnh hoặc tốc

độ cháy của hỗn hợp tăng, dẫn đến tốc độ cháy của hỗn hợp lan truyền nhanh hơn tốc độ đi ra của khí sẽ gây ra hiện tượng ngọn lửa quặt

Sự giảm lưu lượng khí xảy ra khi tiết diện lỗ dẫn khí ở mỏ hàn hoặc mỏ cắt giảm, ống dẫn bị tắc… Sự tăng tốc độ cháy xảy ra khi nhiệt độ khí và nhiệt

độ môi trường tăng, lượng oxy tăng…

Khóa bảo hiểm được phân loại theo các đặc trưng sau:

-Theo kết cấu: loại hở (a), loại kín (b)

-Theo lượng tiêu thụ khí: loại nhỏ, loại lớn.

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý khóa bảo hiểm

1.Ống dẫn khí vào; 2 Ống dẫn khí ra; 3 Van điều chỉnh mức nước;

4 Ống thoát khí; 5 Van; 6 Van an toàn

Van giảm áp là dụng cụ dùng để giảm áp suất khi trong bình chứa xuống

áp xuất làm việc cần thiệt và tự động duy trì áp suất đó ở mức ổn định Đối với khí oxy áp suất khí trong bình đạt tới 150 atm, áp suất khí làm việc vào khoảng

3 ÷ 4 atm, còn khí axetylen áp suất trong bình tới 15 ÷ 16 atm, áp suất làm việc 0,1 ÷ 1,5 atm

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý van giảm áp

a.Van kiểu thuận; b Van kiểu nghịch1.Đường dẫn khí cao áp; 2 Lò xo phụ; 3 Van ; 4 Van an toàn; 5 Đường dẫn

khí ra ; 6 Buồng thấp áp; 7 Lò xo chính; 8 Vít điều chỉnh;

9 Màng đàn hồi; 10 Thanh truyền

Nguyên lý làm việc: khí được dẫn vào van theo ống (1) và qua ống (5) đi

tới mỏ hàn hoặc mỏ cắt Áp lực khí trong buồng hạ áp( 6) phụ thuộc vào độ mở

của van (3) Khi lò xo chính (7) chưa bị nén, van (3) chịu tác dụng cảu lò xo phụ (2) và áp lực của khí, đóng kín cửa van không cho khí vào buồng hạ áp (6) Khi vặn vít điều chỉnh (8), làm cho lò xo chính (7) bị nén, van (3) được nâng lên, cửa van mở và khí đi sang buồng hạ áp Tùy thuộc vào độ nén của lò xo chính (7), độ nén của lò xo phụ (2), độ chênh áp trước và sau van, cửa van (3) được

mở nhiều hay ít, ta nhận được áp suất cần thiết trong buồng hạ áp Nhờ có màng đàn hồi (9), van có thể tự động điều chỉnh áp suất ra của khí Nếu do một nguyên nhân nào đó, áp suất khí ra (p2) tăng, áp lực tác dụng lên mặt trên của màng đàn hồi (9) tăng, đẩy màng đàn hồi dịch xuống và thông qua con đội van (3) bị kéo xuống, làm cửa van đóng bớt lại, lượng khí đi vào buồng hạ áp giảm, làm áp suất khí ra giảm Ngược lại, nếu p2 giảm, cửa van (3) mở lớn hơn, lượng khí vào buồng hạ áp tăng, làm p2 tăng trở lại

Dây dẫn khí dùng để dẫn khí từ bình chứa khí, bình chế khí đến mỏ hàn hoặc mỏ cắt Yêu cầu chung đối với ống dẫn khí: chịu được áp suất tới 10 atm đối với dây dẫn oxy, 3 atm với dây dẫn axetylen, đủ độ mềm cần thiết nhưng không bị gấp khúc Dây dẫn được chế tạo bằng vải lót cao su, có ba loại kích thước sau:

- Đường kính trong 5,5mm, đường kính ngoài không quy định

- Đường kính trong 9,5 mm, đường kính ngoài 17,5 mm

- Đường kính trong 13 mm, đường kính ngoài 22 mm

Mỏ cắt (hàn) là dụng cụ để pha trộn khí cháy và oxy, tạo thành hỗn hợp cháy có tỉ lệ thành phần thích hợp để nhận được ngọn lửa hàn hoặc cắt theo yêu cầu Sơ đồ cấu tạo chung của nó được thể hiện trên hình dưới đây

Khí axetylen được dẫn vào ống (1) đi qua van (3), còn oxy được dẫn vào ống (2) sau đó phân làm hai nhánh, một dòng đi qua van (4) và tới miệng phun hút khí axetylen và hòa trộn tạo ra hỗn hợp cháy để nhận được ngọn lửa nung nóng, một dòng đi qua van (5) tới đầu mỏ phun để tạo ra dòng oxy cắt

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý cấu tảo của mỏ cắt khí.

1.Dây dẫn khí C2H2; 2 Dây dẫn khí oxy; 3 Van điều chỉnh C2H2;

4 Van điều chỉnh dòng oxy nung; 5 Van điều chỉnh oxy cắt;

6 Ống dẫn hỗn hợp khí cháy; 7 Ống dẫn oxi cắt

1.2.2 Điều kiện cắt bằng khí

Để cắt bằng khí, kim loại cắt phải thỏa mãn một số yêu cầu sau:

- Nhiệt độ cháy của kim loại phỉa thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Đối với thép cacbon thấp C < 0,7 % nhiệt độ cháy vào khoảng 13500C còn nhiệt

độ chảy gần 15000C nên thỏa mãn điều kiện này Đối với các loại thép cacbon cao thì nhiệt độ cháy gần bằng nhiệt độ chảy nên trước khí cắt phải đốt nóng sơ

bộ đến 300 ÷ 650 0C

- Nhiệt độ nóng chảy của oxit kim loại phải thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Thép hợp kim crom hoặc crom – niken, do khi cháy Cr tác dụng với O2 để tạo thành oxit crom Cr2O3 có nhiệt độ nóng chảy tới 2050C vì vậy phải dùng thuốc cắt mới có thể cắt được Nhôm và hợp kim của nhôm, do nhiệt độ nóng chảy thấp, khi cháy tạo thành oxit nhôm Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy tới

20000C, mặt khác lại dẫn nhiệt nhanh nên cũng không thể cắt bằng khí, trừ khi dùng thuốc, cắt

- Nhiệt tỏa ra khi kim loại chảy phải đủ lớn để đảm bảo sự cắt được liên tục, quá trình cắt không bị gián đoạn Khi cắt các tấm mỏng bằng thép cacbon thấp nhiệt lượng sinh ra khi cháy đạt tới 70% chỉ cần nhiệt lượng của ngọn lửa 30% nữa là

đủ cắt liên tục

- Oxit kim loại nóng chảy phải có độ chảy loãng tốt, để dễ tác ta khỏi mép cắt Gang không thể cắt bắng khí vì nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt cháy và khi cháy tạo ra oxit silic SiO2 có độ sệt cao.

- Độ dẫn nhiệt của kim loại không quá cao, tránh sự tản nhiệt nhanh làm cho mép cắt bị nung nóng kém làm gián đoạn quá trình cắt

Đặc điểm cắt bằng khí cháy:

+Ưu điểm:

- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành

- Có thể cắt được kim loại có chiều dày lớn

- Năng suất khá cao

+Nhược điểm:

- Chỉ có thể cắt được kim loại thỏa mãn điều kiện cắt

- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết dễ bị cong vênh,biến dạng,đặc biệt khi cắt các tấm dài

1.2.3 Kỹ thuật cắt khí

a Bắt dầu cắt

Khi cắt phôi tấm theo đường cắt hở, bắt đầu cắt từ mép phôi Với phôi tấm dày dưới 50 mm, mỏ cắt đặt thẳng góc với mặt phẳng cắt (a) Nếu chiều dày phôi lớn hơn 50 mm, khi bắt đầu cắt nên nghiêng mỏ cắt một góc 5 ÷ 100 theo hướng cắt để nung nóng tốt mép cắt, sau đó đặt thẳng góc (b)

Khi cắt phôi tấm theo đường cắt kín, quá trình cắt bắt đầu ở giữa tấm, bởi vậy phải tạo lỗ trước bằng phương pháp khoan hoặc dùng mỏ cắt để tạo lỗ cắt ban đầu Khi dùng mỏ cắt để tạo lỗ, để tránh hiện tượng nổ, đối với tấm mỏng

dưới 20mm, đặt mỏ cắt tại vị trí cắt lỗ, mở khí nung nóng trước sau đó mới mở oxy cắt, với các tấm dày bắt đầu nung nóng ở vị trí (I) và di chuyển chậm mỏ cắt đến vị trí (II) mới bắt đầu mở oxy cắt (c).

Hình 1.10 Kỹ thuật cắt khí

b Tốc độ cắt

Tốc độ cắt là tốc độ dịch chuyển của mỏ cắt dọc theo đường cắt, cũng là một thống số ảnh hưởng lớn tới quá trình cắt Khi tốc độ cắt nhỏ hơn tốc độ oxy hóa kim loại theo chiều dày cắt thì mép cắt bị phá hỏng, đồng thời năng suất cắt giảm Ngược lại tốc độ cắt quá lớn dẫn tới cắt bị sót hoặc quá trình cắt bị gián đoạn do mép cắt không được nung nóng tốt Tùy theo kim loại cắt, chiều dày vật cắt, tốc độ cắt thường từ 75 ÷ 550 (mm/phút)

c Khoảng cách từ mỏ cắt đến kim loại cắt

Trong quá trình cắt khí cần phải khống chế khoảng cách từ mỏ cắt tới vật cắt thích hợp Khi cắt thép tấm, căn cứ vào chiều dài nhân ngọn lửa và chiều dày tấm cắt ta có thể chọn khoảng cách này như sau: h = L + 2 [mm], L – chiều dài nhân ngọn lửa Để giữ được khoảng cách này không đổi khi cắt ta gá thêm một cặp bánh xe

d Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt

- Khi cắt tấm theo đường thẳng, hợp lý nhất là mỏ cắt nên đặt nghiêng một góc

20 ÷ 300 về phía ngược hướng cắt (a)

- Khi cắt phôi tiết diện tròn(b), bắt đầu nung nóng ở mặt trên và dịch chuyển mỏ cắt một quảng ngắn, mở oxy cắt để tiến hành cắt

- Đối với phôi tiết diện vuông bắt đầu cắt từ góc, ban đầu mỏ cắt đặt nghiêng 2 ÷

30 theo chiều ngược hướng cắt, lúc đến gần cuối nghiêng theo chiều ngược lại (c)

- Đối với phôi thép góc, mỏ cắt thường đặt vuông góc với mặt cắt, bắt đầu cắt từ mép tới đỉnh đến mép tiếp theo (d).

Hình 1.11 Vị trí và sự di chuyển mỏ cắt

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO

THIẾT BỊ CẮT GAS – ÔXY

2.1 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển máy cắt gas – ôxy

2.1.1 Đặt vấn đề

Trước khi đưa ra cấu trúc của hệ thống điều khiển máy cắt, ta đi tìm hiểu

về nguyên lý hoạt động của nó và các yêu cầu công nghệ để thi công được một phôi cụ thể như đã chỉ ra trong chương 1

Cắt thép bằng khí gas và oxy là 1 phương pháp cắt gọt được sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí Trang thiết bị bao gồm : bình oxy, bình ga (hoặc bình sản xuất khí axetylen), đường ống, đồng hồ đo áp suất, van an toàn, mỏ cắt và một số chi tiết phụ Phương pháp này phát huy hiệu quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết bị, thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị trí của công việc Bên cạnh đó phương pháp cắt gọt này cũng gặp phải một vài nhược điểm: mạch cắt lớn và không bằng phẳng , có thể gây cháy nổ do thiết bị hoặc do vật bị cắt gây nổ, vấn

đề về môi trường

Phương pháp cắt gọt này vẫn đang được sử dụng phổ biến trong các nhà máy luyện thép và ở các phân xưởng nhỏ 1 bình khí gas qua van an toàn nối tới 1 mỏ cắt thông qua đường ống và có 1 bình khí oxy qua đồng hồ đo áp suất nối tới mỏ cắt cũng thông qua ống nối.Tai mỏ hàn có 3 con vít điêu chỉnh; vít điều chỉnh oxy, vít điều chỉnh khí gas,vít điều chỉnh hỗn hợp khí, trong quá trình cắt kim loại người công nhân phải sử dụng thật linh hoạt các con vít điều chỉnh này và việc điều chỉnh này dựa vào kinh nghiệm của người công nhân Trong các phân xưởng cắt gọt phôi tấm thì người ta sử dụng thiết bị là van giảm áp thay cho mỏ cắt nhờ vào sử dụng loại thiết bị này mà mạch cắt rất thẳng, đẹp và cho năng suất cao Cắt đươc những tấm phôi hình tròn cũng khá đẹp, người ta đã chế tạo thêm compa để gắn trên mỏ cắt hoặc thiết bị có chức năng tương tự muốn cắt

phôi dầy thì bạn phải sử dụng mỏ cắt lớn và khi cắt thì phải mở mạch ( tức là điều chỉnh các vít để mở khí ra nhiều hơn ) khi bạn cắt phôi thành hình tròn phải

sử dụng compa và nó sẽ được gắn lên mỏ hàn Muốn cắt phôi mỏng thì sử dụng

mỏ cắt nhỏ và điều chỉnh các vít ra của khí để làm sao ngọn lửa " nhòn " nhưng vẫn đủ nhiệt để cắt Ưu điểm của phương pháp cắt kim loại này đầu tư ban đầu

ít, tính linh hoạt cao, không đòi hỏi cao về tay nghề của thợ, thích hợp cho cắt phôi lớn và nó đặc biệt thích hợp cho phân xưởng nhỏ, thích hợp cho cắt sắt phế

để đưa vào lò Thực tế cho thấy thiết bị này hiện nay đang được sử dụng khá phổ biến và cho hiệu quả kinh tế cao

Hình 2.1 Máy cắt gas – oxi trong xưởng luyện thép

Hình 2.2 Bình nén khí oxy và axetylen

Hình 2.3 Máy cắt khí kiểu CNC điều khiển số.

Sau khi xem xét những vấn đề như trên, thì hệ thống cần điều khiển 2 bình nén khí oxi và gas Thực chất là điều khiển lưu lượng và áp suất khí ra khỏi bình nén

2.1.2 Trang bị điện cho hệ thống máy nén khí

a Giới thiệu chung

Tự động hóa hệ thống khí nén là trang bị cho hệ thống nén, các dụng cụ

mà nhờ những dụng cụ đó có thể vận hành toàn bộ hệ thống hoặc từng phần hệ thống một cách tự động, chắc chắn, an toàn và độ tin cậy cao mà không cần tham gia trực tiếp của công nhân vận hành (máy CNC)

Càng ngày các thiết bị tự động hoá càng được phát triển và hoàn thiện việc vận hành hệ thống bằng tay càng được thay thế bằng các hệ thống tự động hoá một phần hoặc toàn phần Các hệ thống khí nén lớn đều có trung tâm điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ

Bên cạnh việc duy trì tự động các thông số ( như áp suất, nhiệt độ …) trong giới hạn đã cho, cũng cần bảo vệ hệ thống thiết bị tránh khỏi chế độ làm việc nguy hiểm.Tuy nhiên việc trang bị thiết bị cho hệ thống tự động cũng chỉ hợp lí khi tính toán kinh tế là có lợi hoặc do nhu cầu tự động hoá vì không thể điều khiển bằng tay do tính chính xác của quá trình, lý do khác cũng có thể do

công nghệ đòi hỏi phải thực hiện trong môi trường độc hại hoặc dễ cháy nổ nguy hiểm.

b Một số thiết bị tự động thường dùng trong hệ truyền động máy nén khí

Bên cạnh một số khí cụ thường dùng trong hệ truyền động máy nén khí như công tắc, nút bấm, rơle thời gian, rơle nhiệt độ và rơle áp suất, cầu chì, aptomat, contactor, rơle hiệu áp dầu, rơle áp suất cao và thấp Ta xét những thiết

- Van điện từ 1 ngả dùng để đóng mở tự động dòng chất lỏng hoặc chất khí từ xa

- Van điện từ nhiều ngả ( van chuyển dòng ) dùng để thay đổi tự động dòng chảy chất lỏng hay khí

Theo vị trí lá van khi tác động còn có thể chia ra van thường đóng hay van thường mở Van thường đóng là loại van đóng khi cuộn dây điện từ không có điện và thường mở là loại van mở khi cuộn dây không có điện

Hình 2.4 Van điện từ ( Solenoid Valves )

1 – Thân van; 2 – Đế van; 3 – Clopê; 4 – Ống dẫn hướng đồng thời là ống ngăn cách khoang hút với bên ngoài; 5 – Lõi sắt; 6 – Lõi cố định; 7 – Vỏ; 8 – Cuộn

dây điện từ; 9 – Vít cố định vỏ; 10 – Vòng đoản mạch chống ồn;

11 – Dây tiếp điện; 12 – Mũ ốc nối vít; 13 – Lò xo

o Van thừa hành piot ( van chủ )

Van thừa hành piot gọi tắt là van chủ được sử dụng kết hợp với một van điều khiển khác để thực hiện nhiều chức năng trong việc tự động hoá hệ thống

Hình 2.5 Van thừa hành piot, van lõi với van chủ

1 – Thân van; 2 – Bộ lọc; 3 – Vít mở van bằng tay; 4 – Nắp trên; 5 –Lỗ cân bằng; 6 – Bích nối; 7 – Thanh đẩy; 8 – Ống lưới lọc; 9 – Ống dẫn hướng; 10 –

Lò xo; 11 – Nắp dưới; 12 – Tấm van; 13 – Xi lanh; 14 – Piston; 15 – Van piotKhi đóng, tấm van 12 sẽ ép lên đế van nhờ sức ép của lò xo 10 đồng thời

áp suất p1 của chất lỏng phía áp cao Khi mở, van piot trên ống dẫn 15, toàn bộ chất lỏng trên đầu piston đi qua lỗ S xuống khoang dưới do lực đẩy của lò xo 10 Van chính từ từ đóng lại, khoang trên piston lại có áp suất ra p2

 Cơ cấu thừa hành

o Các cơ cấu thừa hành có môtơ điện

Các cơ cấu thừa hành có môtơ điện là các thiết bị nhằm biến đổi tín hiệu điều chỉnh thành sự dịch chuyển cơ học của cơ quan điều chỉnh Theo dạng của

sự dịch chuyển cơ học có thể chia ra cơ cấu có chuyển động quay và cơ cấu có chuyển động tịnh tiến Theo sơ đồ mạch điện có thể dùng cho sự điều khiển có

tiếp điểm hay không tiếp điểm Các loại van đóng mở bằng môtơ điện ít được sử dụng trong các hệ thống khí nén.

o Các cơ cấu thừa hành điều khiển bằng khí nén

Các cơ cấu thừa hành điều khiển bằng khí nén biến tín hiệu khí nén thành

sự dịch chuyển cơ khí của cơ cấu điều khiển, thường chúng được chuyển thành

sự dịch chuyển tịnh tiến của các thành đẩy

Theo dạng phần tử cảm biến có thể phân ra các cơ cấu thừa hành dạng màng mỏng và dạng piston

Hình 2.6 Cơ cấu thừa hành dùng khí nén kiểu màng mỏng để điều chỉnh cửa

thoát của van

1 – Thân; 2 – Nắp dưới hộp màng; 3 – Nắp trên hộp màng; 4 – Màng cao su; 5 – Ống nối khí nén điều khiển; 6 – Tấm đỡ màng; 7 – Lò xo; 8 – Thanh truyền;

9 – Đầu nối; 10 – Vạch chia

 Các dụng cụ tự động điều chỉnh báo hiệu – bảo vệ áp suất và hiệu áp suất

o Các phần tử cảm biến đàn hồi

Các phần tử cảm biến đàn hồi biến sự thay đổi áp suất hay sự chênh lệch nhiệt của áp suất môi trường làm việc thành sự chuyển dịch cơ học Các phần tử cảm biến đàn hồi không những được sử dụng trong các dụng cụ điều chỉnh, báo

hiệu bảo vệ áp suất và cả trong các dụng cụ điều chỉnh, báo hiệu, bảo vệ nhiệt độ.

Các phần tử cảm biến đàn hồi cũng được chia làm hai loại theo cấu tạo là hộp xếp ( hay niphông ) và màng đàn hồi

Hình 2.7 Các phần tử cảm biến đàn hồi

a – Ống màng có vỏ hình song; b – Hộp xếp một đáy; c - Hộp xếp một đáy;

d – Màng phẳng đơn giản; e - Màng phẳng đơn giản+ Màng phẳng đơn giản sử dụng cho các loại dụng cụ nhỏ và thường được sử dụng khi sự dịch chuyển không đáng kể

+ Màng đàn hồi lượn sóng được sử dụng khi yêu cầu độ dãn nở lứn hơn, để làm giảm độ cứng người ta dập các nếp sóng hình tròn đồng tâm với màng

o Các dụng cụ điều chỉnh hai vị trí

Các rơle áp suất và rơle hiệu áp thuộc vào loại dụng cụ có đặc tính rơle hay dụng cụ điều chỉnh hai vị trí Rơle áp suất là dụng cụ chuyển đổi các tín hiệu

áp suất hoặc hiệu áp suất thành ra sự đóng ngắt (ON/OFF) của mạch điện …

* Rơle áp suất đơn

+ Rơle áp suất thấp :

Là dụng cụ hoạt động ở áp suất thấp và ngắt mạch điện của máy nén khi

áp suất giảm xuống quá mức cho phép để bảo vệ máy nén và đôi khi để điều chỉnh công suất nén

Hình 2.8 Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của rơle áp suất thấp

a- Nguyên tắc cấu tạob- Tiếp điểm ON – OFF (LP)c- Tiếp điểm ON – OFF (HP)

Hình 2.8 Cấu tạo của rơle áp suất thấp

1 – Vít đặt áp suất thấp LP; 2 – Vít đặt vi sai LP; 3 – Tay đòn chính; 5 – Vít đặt

áp suất cao HP; 7 – Lò xo chính; 8 – Lò xo vi sai; 9 – Hộp xếp dãn nở; 10 – Đầu nối áp suất thấp; 11 - Đầu nối áp suất cao; 12 – Tiếp điểm; 13 – Vít đấu dây điện; 14 –Vít nối đất; 15 – Nối luồn dây điện ;16 – Cơ cấu lật để đóng mở tiếp

điểm dứt khoát; 18 – Tấm khoá; 19 –Tay đòn

+ Rơle áp suất cao

Rơle áp suất cao hoạt động với áp suất cao, khi áp suất đầu đẩy máy nén tăng vượt quá trị số cho phép, rơle mở truyền động ngắt mạch điện cung cấp cho máy nén để bảo vệ

Hình 2.9 : Rơle áp suất cao kiểu KP7W của Danffoss

1 – Vít đặt sáp suất; 2 – Vít đặt vi sai áp suất; 3 – Tay đòn chính;

4 – Lối cáp vào; 5 – Tấm khoá; 6 – Tay đòn; 7 – Tay đòn reset trong;

8 – Tay đòn reset ngoàiTuy nhiên do yêu cầu về an toàn ngừơi ta chia rơle áp suất cao ra làm 3 loại :

- Rơle áp suất cao thường là loại sau khi áp suất tăng cao thì cắt mạch, khi áp suất giảm xuống rơle tự đóng mạch cho máy nén hoạt động trở lại

- Rơle áp suất cao có giới hạn áp suất, đặc biệt là có nút reset bằng tay trên vỏ máy Khi đã ngắt (OFF) rơle không tự đóng lại mà phải có tác động ấn nút reset của người vận hành máy

- Rơle áp suất cao có giới hạn an toàn, đặc điểm là có tay đòn reset nằm trong

vỏ máy, khi đã ngắt mạch điện máy nén (OFF) người vận hành máy nén phải kiểm tra nguyên nhân tăng áp suất, mở nắp rơle và dùng dụng cụ để đưa tay đóng reset về vi trí ban đầu

Do nhiệm vụ bảo vệ an toàn như vậy nên thường người ta bố trí đèn báo khi rơle tác động OFF.

* Rơle áp suất kép

Rơle áp suất kép gồm rơle áp suất cao và rơle áp suất thấp được tổ hợp chung lại trong một vỏ thực hiện chức năng của hai rơle, ngắt điện cho máy nén khi áp suất cao vượt quá mức cho phép và khi áp suất thấp hạ xuống dưới mức cho phép Việc đóng điện lại cho máy nén khi áp suất giảm xuống và khi áp suất tăng lểntong phạm vi an toàn cũng được thực hiện bằng tay với nút ấn reset ngoài hoặc bằng tay đòn với tay đòn reset phía trong vỏ như đã nói ở trên

* Rơle hiệu áp dầu

Rơle hiệu áp dầu dùng trong hệ thống máy nén khí chủ yếu để bảo vệ sự bôi trơn hoàn hảo máy nén Do áp suất trong khoang cácte máy nén luôn thay đổi do đó một áp suất dầu không đổi nào đó không thể đảm bảo an toàn cho việc bôi trơn máy nén, vì vậy hiệu áp suất ( hiệu áp dầu trừ áp suất cácte hay áp suất P0 ) mới là đại lượng đánh giá chính xác chế độ bôi trơn yêu cầu của máy nén , thường ∆P ≥ 0,7 bar

Vì khi khởi động máy nén, hiệu áp dầu không bằng 0 nên lúc này có bộ phận nối tắt qua rơle, khoảng 45s sau khởi động, hiệu áp dầu được xác lập bộ phận nối tắt sẽ ngắt mạch Bộ nối tắt được điều khiển bằng rơle thời gian Khi làm việc, rơle hiệu áp dầu đóng mở chỉ phụ thuộc vào giá trị hiệu áp suất dầu từ bơm trừ áp suất hút hay áp suất cácte mà hoàn toàn không phụ thuộc vào áp suất cũng như áp suất cácte

Hoạt động của rơle biến áp dầu : Nếu không có áp suất dầu khi khởi động hoặc khi hiệu áp suất dầu giảm xuống dưới giá trị đặt khi vận hành thì máy nén

sẽ được ngắt dòng điện nguồn sau khi thời gian trễ trôi qua

 Các dụng cụ tự động điều chỉnh báo hiệu, bảo vệ nhiệt độ và hiệu chỉnh nhiệt độ

Các dụng cụ điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ nhiệt độ, giống như áp suất cũng được trang bị các bộ biến đổi nhiệt độ Nhờ các bộ biến đổi này mà sự thay đổi nhiệt độ do các phần tử cảm biến nhiệt thu được biến đổi

thành các tín hiệu tương ứng như độ dịch chuyển cơ khí ( độ giãn nở của hộp xếp thanh lưỡng kim hay màng đàn hồi ).

o Các bộ biến đổi nhiệt độ

+ Hệ thống biến đổi nhiệt áp

Hệ thống biến đổi nhiệt áp để biến đổi các tín hiệu nhiệt độ ra áp suất, sau

đó thành sự dịch chuyển cơ học của hộp xếp hoặc màng đàn hồi, có thể thực hiện từ xa hoặc tại chỗ

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống biến đổi nhiệt áp từ xa và tại chỗ

+ Các phần tử nhạy cảm nhiệt dãn nở nhiệt

Trong các dụng cụ tự động nhiệt, người ta sử dụng các phần tử nhạy cảm dẫn mở nhiệt để biến đổi sự dãn nở nhiệt độ ra sự dịch chuyển cơ học để đóng

mở tiếp điểm hoặc sự điều chỉnh liên tục

+ Nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở biến tín hiệu nhiệt độ trở thành điện trở, nhiệt điện trở gồm các kim loại và bán dẫn Nhiệt điện trở được chế tạo từ các dây dẫn lim loại mỏng, được quấn lên khung và đặt trongvỏ bọc bảo vệ, vật liệu chế tạo nhiệt điện trở là các kim loại có hệ số nhiệt điện trở cao và ổn định ( Niken, bạch kim, đồng …)

Điện trở của các dây dẫn bạch kim và Niken có thể viết dưới dạng

Rt = R ( 1 + α.t)Trong đó :

R - Điện trở của dây dẫn ở 00C ( Ω )

α - Hệ số tăng điện trở do nhiệt 1/k, đối với kim loại α > 0

t – Nhiệt độ, 0C

o Các dụng cụ điều chỉnh nhiệt độ hai vị trí

Công dụng của các dụng cụ máy là điều khiển, điều chỉnh, báo hiệu và bảo vệ nhiệt độ hoặc nhiệt độ qua cơ cấu thừa hành hai vị trí đóng ngắt ON – OFF

+ Rơle nhiệt độ kiểu dãn nở nhiệt

* Rơle nhiệt độ : Kiểu dãn nở nhiệt hai phần tử

Hình 2.11 : Cấu tạo của rơle nhiệt độ kiểu dãn nở nhiệta- Nguyên tắc cấu tạo; b, d - Nạp chất lắp phụ; c, e - Nạp hơi;

f - Sơ đồ cấu tạo với các vít tiếp điểm

1 – Van điều chỉnh nhiệt độ dầu OIL; 3 – Tay đòn chính; 5 – Vít điều chỉnh nhiệt độ cao; 7 – Lò xo chính; 9 – Hộp xếp; 10 – Ống mao dầu; 11 – Ống mao

hệ thống; 12 – Tiếp điểm; 13 – Các vít tiếp điểm; 14 – Vít tiếp điểm; 15 – Nối luồn dây điện; 16 – Cơ cấu lật; 17 – Bầu cảm nhiệt; 18 – Tấm khoá

* Rơle nhiệt độ điện trở

Rơle này bao gồm bộ biến đổi nhiệt độ, sơ đồ khuyếch đại và thiết bị ra, phần lớn các bộ khuyếch đại điện tử này của rơle được làm bằng bán dẫn ba chân

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý rơle điện trởTrong đó :RT - điện trở cảm biến; U - Điện thế xoay chiều; Rb1,Rb2 – các điện trở

cố định; R3,Rv – Làm nhiệm vụ đặt nhiệt độ ban đầu và vi sai; P-3,P-2,P-1 – Các tiếp điểm

Cầu cân bằng khi :RT (t1).R3’ = Rb1.Rb2.Điện trở của cảm biến RT(t1) =

o Dụng cụ điều chỉnh và bảo vệ mức lỏng

Dụng cụ điều chỉnh và bảo vệ mức lỏng được trang bị cơ cấu để đảm bảo được chức năng điều chỉnh tự động mức lỏng, bảo vệ cho đối tượng được trang bị

* Rơle mức lỏng kiểu phao điện từ

Rơle mức lỏng kiểu phao điện từ trang bị cho thiết bị nén khi dùng để bảo

vệ mức lỏng quá cao hoặc quá thấp trong các thiết bị

Hình 2.13 Cấu tạo của rơle mức lỏng kiểu phao điện từ của Danfoss

1 – Vỏ bộ khuyếch đại chịu được nước; 2 – Rơle; 3 – Bộ khuyếch đại; 4 – Biến áp chỉnh; 5 – Nối đất; 6 – Các vít nối dây; 7 – Nối luồn dây điện; 8 – Cuộn dây điện từ piot; 9 – Bầu phao; 10 – Phao và cán phao; 11 – Bích nối; 12 – Mức lỏng danh nghĩa

* Rơle bảo vệ, báo động, điều chỉnh

Hình 2.14 : Rơle mức lỏng bảo vệ , báo động và điều chỉnh RT của

Danfoss

1 - Đầu nối áp suất; 3 - Đệm kín; 4 – Hộp xếp; 5 - Đĩa điều chỉnh; 9 – Thanh chia; 10 – Vít nối mạch; 11 – Vít luồn dây điện vào; 12 – Lò xo; 14 – Vít nối dây; 15 – Trục ren; 16 – Tiếp điểm; 17 – Vòng lẫy trên; 18 – Cần lật tiếp điểm; 20 – Vòng kĩ thuật; 38 – Vít nối đất

2.1.3 Sơ đồ truyền động và tự động khí nén

Thành phần cơ bản của các hệ thống khí nén là thiết bị sử dụng năng lượng khí nén Tính chất vật lý của khí nén được thể hiện ở đây dưới dạng áp suất khí tác động lên bề mặt của các phần tử cơ học động ( piston, con trượt, màng …), hoặc dưới dạng hiệu ứng khí động học ( trong các phần tử tự động tia khí nén )

Như vậy, trong kết cấu của mình các thiết bị khí nén có các phần động – dịch chuyển trong quá trình làm việc nhưng cũng có thể hoàn toàn không các phần động Tập hợp toàn bộ các thiết bị khí nén được liên hệ và tác động qua lại với nhau theo một sơ đồ nhất định nhằm đảm bảo một qui luật chuyển động định trước của bộ phận công tác được gọi là một hệ truyền động khí nén

Các thiết bị khí nén được phân loại theo chức năng thành ba nhóm chính sau :

+ Cơ cấu chấp hành khí nén, sử dụng để biến đổi trực tiếp năng lượng của khí nén thành động năng chuyển động cơ học của bộ phận công tác thực hiện một công nghệ cho trước

+ Thiết bị phân phối khí nén, được dùng để thay đổi hướng đi của dòng khí từ nguồn cung cấp tới các khoang làm việc của cơ cấu chấp hành và xả khí

từ đó ra ngoài khí quyển

+ Thiết bị điều khiển, để tạo lập và đảm bảo trình tự làm việc của các bộ phận công tác tương ứng với quy luật chuyển động cần thiết của chúng

Hình 2.15 : Sơ đồ truyền động và tự động khí nénTrong đó :

1,2,3…n : Các cơ cấu chấp hành khí nén ( xilanh khí nén )V1,V2,V3…Vn : Các thiết bị ( van ) phân phối khí nénK1,K2,K3…Kn : Các thiết bị điều khiển ( các công tắc hành trình )HĐK : Hệ điều khiển ( có thể bằng điện hoặc khí nén )

f1,f2,f3…fn : Các tín hiệu điều khiển Ngoài các thành phần chính trên, để cho các hệ truyền động khí nén làm việc được cần có một loạt các thiết bị khí nén phụ trợ khác :

- Thiết bị nguồn ( hệ thống máy nén khí )

+Thiết bị phân phối khí

+ Thiết bị điều khiển

+ Thiết bị nguồn và các thiết bị đường ống

2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống cắt kim loại bằng khí ôxy

2.2.1 Thiết kế sơ bộ hệ thống khí nén

Việc tự động hoá hệ thống máy nén khí được chia thành các nhóm, tuỳ theo nhiệm vụ và chức năng của các thiết bị như sau :

1 Tự động kiểm tra, báo hiệu khi hệ thống gặp sự cố

2 Tự động điều chỉnh, duy trì mức khí nén cần thiết

3 Tự động bảo vệ hệ thống

4 Tự động điều khiển các chức năng liên quan

Dựa trên các tiêu chí trên ta xây dựng một hệ thống máy nén khí gồm 2máy nén với yêu cầu duy trì mức khí nén đủ cung cấp cho các hộ tiêu thụ khi nhu cầu sử dụng có sự thay đổi liên tục hoặc không liên tục

Hình 3.1 : Sơ đồ mạch động lực hệ thống 2 máy nén khí

2.1.2 Các lưu đồ thuật toán xây dựng hệ thống

Hình 3.2 : Lưu đồ thuật toán 1 xây dựng trạm nén

Hình 3.3 : Lưu đồ thuật toán 2 xây dựng trạm nén

bị sự cố máy nén

có thứ trự ở quá trình trrước

Cấp điện cho rơle khởi động

Khởi động động cơ chạy Y

Động

cơ chạy Y

công