NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ CỦA XI LANH THỦY LỰC THEO THUẬT TOÁN PID SỬ DỤNG PLC S7-200

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp nước ta, các hệ thống thủy lực-điện ngày càng được ứng dụng sâu rộng. Các hệ thống thủy lực-điện được ứng dụng cả trong quân sự cũng như dân sự nhờ những ưu điểm của nó so với hệ thống điện tử, cơ khí hay thủy lực đơn thuần. Hệ thống thủy lực-điện có thể truyền động được công suất cao, sinh lực lớn, cơ cấu đơn giản với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng. Đặc biệt, trong những bài toán yêu cầu điều khiển chính xác vị trí, thì sử dụng hệ thống thủy lực là ưu việt hơn so với hệ động cơ hay khí nén. Mục đích của đồ án “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200” là để tìm hiểu rõ hơn ưu điểm của hệ thống thủy lực trong công nghiệp, thiết kế hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực sử dụng bộ điều khiển là PLC S7-200. Để hoàn thành đồ án đúng với tiến độ, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Thượng úy Nguyễn Mạnh Hùng và các thầy cô trong bộ môn Tự động và kỹ thuật tính đã tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thiện đồ án. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em về mặt tinh thần trong thời gian thực hiện đồ án này. Với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện. Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến nhiệt tình từ các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô ! Hà Nội, ngày 17 tháng 04 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Vũ 5 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 1.1. Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực Ngày nay, các ứng dụng công nghiệp sử dụng hệ thống thủy lực được sử dụng rộng rãi trong đời sống, trong cả quân sự và dân sự. Các hệ thống thủy lực đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp, trong sự phát triển tự động hóa cũng như trong đời sống con người. 1.1.1. Hệ thống điều khiển thủy lực Hệ thống điều khiển thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ nhất định theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như Hình 1.1. Hình 1.1. Hệ thống điều khiển thủy lực - Tín hiệu vào: là các nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến. - Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Có thể là van logic And, Or, Not, Rơ le, hoặc PLC. - Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất) theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu, van tỉ lệ, van servo, van on/off… - Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển: xi-lanh thủy lực, động cơ thủy lực… - Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất. 6 + Phần thông tin: điện tử, điện cơ, dầu thủy lực, quang học… + Phần công suất: Điện-công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, tác động nhanh. Thủy lực-công suất lớn, quán tính ít, do đó dễ ổn định, tốc độ thấp. 1.1.2. Các loại tín hiệu điều khiển Trong điều khiển thủy lực nói chung, chúng ta sử dụng 2 loại tín hiệu. + Tín hiệu tương tự + Tín hiệu rời rạc (số) 1.1.3. Điều khiển vòng hở Hệ thống điều khiển vòng hở là hệ thống không có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệu đầu vào, giá trị thu được và giá trị cần đạt không được điều chỉnh, xử lý. Hình 1.2 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực. Hình 1.2. Hệ thống điều khiển vòng hở điều khiển tốc độ động cơ thủy lực 1.1.4. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp) Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào/ra được gửi tới thiết bị điều khiển, thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối tượng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt được chất lượng điều khiển mong muốn. Hình 1.3 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của cán xi-lanh thủy lực sử dụng điều khiển vòng kín. 7 Hình 1.3. Minh họa hệ thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh thủy lực 1.2. Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực Điều khiển vị trí là di chuyển cơ cấu chấp hành đến một vị trí nào đó theo yêu cầu. Nếu là xi-lanh thủy lực thì vị trí là hành trình dịch chuyển của cán xi- lanh, nếu là động cơ thủy lực thì vị trí là góc quay động cơ. Tùy theo yêu cầu mà cán xi-lanh hoặc động cơ thủy lực có thể truyền đến hệ truyền động cơ khí nào đó như vít me, bánh răng, thanh răng… Cơ cấu chấp hành trong các bài toán điều khiển vị trí thường là xi-lanh thủy lực. Hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực là một trong những ứng dụng quan trọng trong phạm vi các ứng dụng của các hệ thống thủy lực. Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực thường là hệ thống điều khiển vòng kín, có sử dụng cảm biến phải hồi vị trí tới phần xử lý thông tin. Hình 1.3 minh họa 1 hệ thống thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh thủy lực điển hình. Van phân phối thủy lực thường sử dụng loại van 3 vị trí. Ứng với 3 vị trí điều khiển của van thì xi-lanh chuyển động theo chiều thuận, đảo chiều hoặc dừng. 1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển thủy lực a) Ưu điểm - Truyền động được công suất cao và sinh lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng. - Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp nhờ các thiết bị điều khiển kỹ thuật số hóa, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hoặc chương trình đã cho sẵn. 8 - Kết cấu nhỏ gọn, ghép nối giữa các thiết bị dễ dàng bằng việc đổi chỗ các mối nối ống dẫn. - Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành. - Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất thủy lực cao. - Quán tính nhỏ, nhờ tính chịu nén của dầu thủy lực, do đó có thể sử dụng vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp cơ khí hay điện. - Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, ngay cả những hệ mạch phức tạp. - Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa. - Khả năng chịu quá tải cao. b) Nhược điểm - Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và phạm vi ứng dụng. - Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén của dầu và tính đàn hồi của đường ống dẫn. - Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển. - Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi. 1.4. Phạm vi ứng dụng Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, như máy ép áp lực, máy nâng chuyển, máy gia công kim loại, máy dập, máy xúc, tời kéo. Trong đó, hệ thống điều khiển bám vị trí xi-lanh thủy lực được ứng dụng cả ở quân sự và dân sự, ví dụ như dàn khoan, máy ép nhựa, cần cẩu hoặc ở một số xe cứu hỏa, trong những hệ thống cần điều khiển chính xác vị trí. Dưới đây là một số hình minh họa về ứng dụng của hệ thống điều khiển thủy lực bám vị trí: 9 Hệ thống cầu dẫn đưa khách lên máy bay Máy uốn ống Đóng gói sản phẩm Máy ép đế giày 1.5 Phương án thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực Xuất phát từ những ưu điểm và khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống thủy lực nói chung, tính cấp thiết và yêu cầu cần điều khiển chính xác của hệ thống thủy lực bám vị trí nói riêng, cùng với sự phổ biến của PLC trong công nghiệp em đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200”. Trong bài toán này, PLC đưa ra tín hiệu điều khiển van thủy lực, van thủy lực phân phối dầu thủy lực tới xi-lanh thủy lực tạo chuyển động tiến, lùi cho cán xi-lanh. Một cảm biến vị trí được gắn dọc trục xi-lanh đưa tín hiệu phản hồi tới PLC để đọc vị trí cán xi-lanh, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp. Van thủy lực sử dụng trong hệ thống có thể sử dụng 2 loại van: - Van on/off. 10 - Van tỉ lệ. Nếu so sánh với các van đóng mở thông thường (on/off) ta có thể nhận thấy sự khác nhau cơ bản giữa các van tỉ lệ và van đóng mở thông thường là quá trình làm việc của cơ cấu điện từ. Van tỉ lệ có tín hiệu vào cuộn dây điện từ có thể thay đổi tuyến tính. Do đó, lưu lượng dầu qua van cũng thay đổi tuyến tính. Van on/off thông thường có tín hiệu dòng điện điều khiển là xung hình thang. Với van on/off thông thường thì có độ trễ giữa dòng điện áp vào, quãng đường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng. Trong thực tế, các hệ thống thủy lực tỉ lệ là một phần quan trọng được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật hiện đại. Van tỉ lệ là một thành phần trong các hệ thống thủy lực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp. Một lợi thế nổi bật của van tỉ lệ là mặc dù lưu lượng qua van có thể điều chỉnh tỉ lệ với điện áp điều khiển nhưng kĩ thuật sản xuất lại tương đối đơn giản (so với van servo) do vậy giá thành không cao. Mục đích của đề tài là sử dụng thuật toán PID trên PLC để điều khiển chính xác vị trí cho xi-lanh thủy lực, do vậy, với tín hiệu điều khiển tuyến tính của van tỉ lệ, ta có thể điều khiển mềm mại hơn, chính xác hơn khi có sai lệch giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế so với van on/off. Tín hiệu điều khiển cho 2 cuộn dây điện từ van tỉ lệ là tín hiệu tương tự ±10V, do đó hoàn toàn phù hợp với bộ điều khiển PLC. Do vậy, trong đề tài đồ án tốt nghiệp của mình, em đã chọn van thủy lực tỉ lệ làm phần tử điều khiển trong hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực sử dụng thuật toán PID. Với phương án chọn van tỉ lệ, sơ đồ cấu trúc của hệ thống được thiết kế như sau: [...]... động lực của hệ thống 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển xi- lanh thủy lực bám vị trí Hệ thống điều khiển bám vị trí có thể chia thành các khối Khối điều khiển bao gồm bộ điều khiển PLC và van tỉ lệ Đối tượng điều khiển là xi- lanh thủy lực Đo lường phản hồi là cảm biến vị trí gắn dọc trục xi- lanh Khối điều khiển của hệ thống điều khiển bám vị trí sử dụng một vòng lặp kín điều khiển con trượt của. .. trúc của hệ thống điều khiển bám vị trí xi- lanh thủy lực Cơ cấu chấp hành là một xi- lanh thủy lực 1 chiều đi kèm với 1 cảm biến vị trí giới hạn, sử dụng bộ điều khiển là PLC và bộ van thủy lực tỉ lệ để xây dựng một hệ thống điều khiển bám vị trí, giám sát vị trí của cán xi- lanh thủy lực Phần cứng hệ thống bao gồm hệ thủy lực, hệ cơ khí vào các thiết bị điện-điện tử Tín hiệu đặt có thể đưa vào theo. .. khiển vị trí cơ cấp chấp hành thủy lực, ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển thủy lực, từ đó đưa ra phương án thiết kế cho hệ thống điều khiển bám vị trí của xi- lanh thủy lực Các kiến thức trình bày trong chương I là cơ sở để thiết kế phần động lực cũng như phần điều khiển ở các chương sau 12 CHƯƠNG II THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Thiết. .. tiếp điều khiển 3,4: Lò xo phản hồi 9 Vị trí điều chỉnh điểm 0 của lõi van 5,6: Cuộn dây 2.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực điều khiển xi- lanh thủy lực bám vị trí Xem Hình 2.1 Hệ thống có 3 cơ cấu chấp hành là 3 xi- lanh thủy lực được cấp áp điều khiển bởi 3 bộ bơm dầu thủy lực khác nhau, nên chỉ cần thuyết minh nguyên lý hoạt động của một xi- lanh. .. thì vị trí đặt cho xi- lanh thủy lực được nhập từ phần mềm SCADA điều khiển giám sát trên máy tính Trong chế độ Manual thì vị trí đặt cho xi- lanh thủy lực được thay đổi và đưa vào từ 1 chiết áp xoay lắp đặt trên tủ điện điều khiển Các bước thực hiện lắp đặt hệ thống thủy lực bám vị trí: - Lắp đặt khâu đo lường là cảm biến vị trí, lắp dọc thân xi- lanh thủy lực - Lắp đặt xi- lanh thủy lực lên khung hệ thống. .. KHIỂN BÁM VỊ TRÍ 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Thiết kế xây dựng phần động lực cho hệ thống điều khiển 3 xi- lanh thủy lực giống nhau, do đó chỉ cần trình bày thiết kế mô hình động lực cho 1 xi- lanh Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí 13 Bảng 2.1 Bảng kí hiệu các phần tử thủy lực trong hệ thống 2.2 Các phần tử thủy lực trong hệ thống - Trạm nguồn: gồm những thành phần sau: bơm,... tỉ lệ điều khiển điều hướng dựa trên tín hiệu phản hồi được đưa về từ cảm biến gắn trên thân dọc trục xi- lanh thủy lực 36 Van tỉ lệ thủy lực là van Van tỷ lệ 4WREE Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển xi- lanh thủy lực bám vị trí Thông qua việc thay đổi điện áp đưa tới cuộn hút của van tỉ lệ, ta sẽ thay đổi được lượng dầu thủy lực đi tới xi- lanh qua đó thay đổi được vị trí của cán xi- lanh. .. điện điều khiển - Xây dựng hàm truyền xi- lanh thủy lực và hiện mô phỏng cùng với bộ điều khiển trên Matlab/Simulink - Lập trình điều khiển cho PLC có sử dụng thuật toán PID - Viết phần mềm SCADA trên phần mềm Visual Studio, ngôn ngữ C# - Thiết kế giao diện điều khiển giám sát cho HMI Beijer 1.6 Kết luận chương I Trong chương I, em đã trình bày tổng quan về hệ thống thủy lực nói chung, hệ thống điều khiển. .. chiều) - Xi- lanh tác động đơn: Xi- lanh tác động đơn chỉ tạo ra lực đẩy 1 phía, thường là phía có cần xilanh, nhờ cấp dầu thủy lực tạo ra áp suất phía đuôi xi- lanh Cán xi- lanh sẽ tự hồi nhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực kéo của lò xo bên trong Điều dễ nhận biết nhất đối với xi- lanh tác động đơn là nó chỉ có duy nhất 1 cửa cấp dầu Hình 2.6 Xi- lanh thủy lực tác động đơn - Xi- lanh tác động kép: Xi- lanh. .. xi- lanh thò thì cán phía bên kia sẽ thụt vào vỏ xi- lanh Hình 2.8 Xi- lanh thủy lực cán đơn - Xi- lanh nhiều tầng: Xi- lanh nhiều tầng cũng có 2 loại kết cấu: Xi- lanh tác động đơn và xi- lanh tác động kép Ta cũng có thể phân loại xi- lanh thủy lực theo kết cấu với 2 loại là xi- lanh hàn và xi- lanh ghép bằng gu-rông (Tie Rod cylinder) - Xi- lanh ghép gu-rông: Loại xi- lanh này được lắp ghép và giữ cố định bởi 4 . trí của xi- lanh thủy lực theo thuật toán PID sử dụng PLC S7-200 là để tìm hiểu rõ hơn ưu điểm của hệ thống thủy lực trong công nghiệp, thiết kế hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí cho xi- lanh thủy. xác của hệ thống thủy lực bám vị trí nói riêng, cùng với sự phổ biến của PLC trong công nghiệp em đã chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi- lanh thủy lực theo thuật. hạn, sử dụng bộ điều khiển là PLC và bộ van thủy lực tỉ lệ để xây dựng một hệ thống điều khiển bám vị trí, giám sát vị trí của cán xi- lanh thủy lực. Phần cứng hệ thống bao gồm hệ thủy lực, hệ cơ