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 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 tr

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 1

1.1 Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 1

1.1.1 Hệ thống điều khiển thủy lực 1

1.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển 2

1.1.3 Điều khiển vòng hở 2

1.1.4 Điều khiển vòng kín (hồi tiếp) 2

1.2 Hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành thủy lực 3

1.3 Ưu, nhược điểm của hệ thống điều khiển thủy lực 3

1.4 Phạm vi ứng dụng 4

1.5 Phương án thiết kế hệ thống điều khiển bám vị trí của xi-lanh thủy lực 5

1.6 Kết luận chương I 7

CHƯƠNG II THIẾT KẾ PHẦN ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ 8

2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 8

2.2 Các phần tử thủy lực trong hệ thống 9

2.3 Giới thiệu các loại xi-lanh thủy lực 11

2.3.1 Cấu tạo chung 11

2.3.2 Các thông số làm việc của xi-lanh 11

2.3.3 Phân loại xi-lanh thủy lực 12

2.4 Van phân phối tỉ lệ 13

2.4.1 Giới thiệu van phân phối 13

2.4.3 Van phân phối tỉ lệ 15

2.5 Tính chọn thiết bị trong hệ thống thủy lực 17

2.5.1 Tính chọn xi-lanh thủy lực 17

2.5.2 Tính chọn đường ống 19

2.5.3 Tính chọn bơm nguồn 21

2.5.4 Tính toán kích thước bể dầu 23

2.6 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực 27

2.7 Kết luận chương II 28

CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý các mạch điện hệ thống 29

3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển xi-lanh thủy lực bám vị trí 30

3.3 PLC S7-200 và Module mở rộng vào/ra tương tự 31

3.3.1 Tính toán lựa chọn PLC và Module mở rộng vào/ra tương tự 31

3.3.2 Cấu trúc phần cứng của CPU 224 AC/DC/RELAY 32

3.3.3 Module mở rộng EM235 39

3.4 Xử lý tín hiệu analog từ Module mở rộng EM235 42

3.5 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát và cấu hình truyền thông 44

3.5.1 Thiết kế giao diện và cấu hình truyền thông cho HMI Beijer 44

3.5.2 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát trên máy tính 48

3.5.3 Cấu hình truyền thông cho PLC S7-200 48

3.6 Giới thiệu bộ điều khiển PID 49

3.6.1 Khái niệm bộ điều khiển PID và mô hình toán học 49

3.6.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 51

3.7 Lưu đồ thuật toán 52

3.7.1 Đặt vấn đề 52

3.7.2 Lưu đồ thuật toán 53

3.8 Kết luận chương III 55

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ 56

4.1 Xây dựng hàm số truyền hệ thống xi-lanh thủy lực, van tỉ lệ 56

4.2 Mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink 60

4.3 Kết quả thực nghiệm 62

4.4 Kết luận chương IV 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển thủy lực 1Hình 1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở điều khiển tốc độ động cơ thủy lực 2Hình 1.3 Minh họa hệ thống điều khiển vòng kín vị trí xi-lanh thủy lực 3Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển bám vị trí xi-lanh thủy lực 7Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực điều khiển bám vị trí 8

Hình 2.10 Van phân phối Sơ đồ (a) – Kí hiệu (b) 14

Hình 2.12 Đặc tính tín hiệu mở van của van on/off và van tỉ lệ 16

Hình 2.14 Hình dáng và kích thước lắp ghép của bơm 22

Hình 3.1 Mạch điều khiển hệ thống thủy lực bám vị trí 29Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ thống 30Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển xi-lanh thủy lực bám vị trí 31Hình 3.4 PLC Siemens S7-200 CPU 224 AC/DC/RELAY 32Hình 3.5 Sơ đồ đấu dây cho module mở rộng EM235 41Hình 3.6 Đồ thị biểu thị quan hệ giữa chiều dài cán xi-lanh với giá trị PLC đọc

Hình 3.7 Cấu hình HMI truyền thông Modbus RTU Master 45

Hình 3.9 Tạo các Tag địa chỉ tương ứng 46

Hình 3.11 Kết quả thu được trên giao diện màn hình HMI 47Hình 3.12 Giao diện phần mềm điều khiển giám sát hệ thống trên máy tính 48Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng bộ điều khiển PID 49Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống van và xi-lanh thủy lực 57Hình 4.1 Đặc tính cơ cấu chấp hành xi-lanh thủy lực 61Hình 4.2 Đặc tính của xi-lanh khi sử dụng bộ điều khiển PID 61

Bảng 2.1 Bảng kí hiệu các phần tử thủy lực trong hệ thống 9

Bảng 2.2 Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống 19

Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật S7-200 CPU 224 32

Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật module mở rộng EM235 39

Bảng 3.3 Thiết lập switch chọn mức điện áp vào ra module mở rộng 42

Bảng 3.4 Các giá trị tương tự tương ứng độ dài xi-lanh 43

Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật màn hình HMI T7E 44

Bảng 4.1 Bảng giá trị thông số xi-lanh thủy lực dùng trong hệ thống 60

Bảng 4.2 Kết quả điều khiển vị trí với bộ tham số PID 1 62

Bảng 4.3 Kết quả điều khiển vị trí với bộ tham số PID 2 63

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 thốngthủy lực-điện được ứng dụng cả trong quân sự cũng như dân sự nhờ những ưuđiểm của nó so với hệ thống điện tử, cơ khí hay thủy lực đơn thuần Hệ thốngthủy lực-điện có thể truyền động được công suất cao, sinh lực lớn, cơ cấu đơngiản với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng Đặc biệt, trongnhững 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 lựcđiều 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 sắctới thầy giáo Thượng úy Nguyễn Mạnh Hùng và các thầy cô trong bộ môn Tựđộng 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 thầntrong thời gian thực hiện đồ án này

Với khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án không tránh khỏi nhữngsai sót trong quá trình thực hiện Em mong nhận được sự đóng góp ý kiến nhiệttình 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

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 sửdụng rộng rãi trong đời sống, trong cả quân sự và dân sự Các hệ thống thủy lựcđóng một vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp, trong sự phát triển tựđộng 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 cấuchấp 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.

Năng lượng điều khiển

Tín hiệu

vào

Xử lý thông tin, điều khiển

Cơ cấu chấp hành (biến năng lượng thành cơ năng)Phản hồi

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 yêucầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp, van đảo chiều, vantiết 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 racủa mạch điều khiển: xi-lanh thủy lực, động cơ thủy lực…

- Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất

+ 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 độngnhanh 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)

thủy lực

- Thay đổi tải trọng

- Thay đổi lưu lượng bơm

- Thay đổi áp suất hệ

- Thay đổi nhiệt độ dầu Lưu lượng Lưu lượng Tốc độ

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 phảnhồi để so sánh với tín hiệu đầu vào Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào/ra đượcgửi tới thiết bị điều khiển, thiết bị này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đốitượng 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

K p Van điều

khiển tỉ lệ

Xi-lanh thủy lực

Đo lường vị trí

Vị trí Lưu lượng

Khuếch đại tỉ lệ

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 theoyêu 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 màcán 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-lanhthủy lực Hệ thống điều khiển bám vị trí cho xi-lanh thủy lực là một trong nhữngứng 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 thốngđiều 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

- Kết cấu nhỏ gọn, ghép nối giữa các thiết bị dễ dàng bằng việc đổi chỗ các mốinối ống dẫn.

- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơcấu 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 vậntốc 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

- 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 thayđổi 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 côngnghiệp, 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 đượcứng dụng cả ở quân sự và dân sự, ví dụ như dàn khoan, máy ép nhựa, cần cẩuhoặc 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 khiểnthủy lực bám vị trí:

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 thốngthủy lực nói chung, tính cấp thiết và yêu cầu cần điều khiển chính xác của hệthống 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 thủylực phân phối dầu thủy lực tới xi-lanh thủy lực tạo chuyển động tiến, lùi cho cánxi-lanh Một cảm biến vị trí được gắn dọc trục xi-lanh đưa tín hiệu phản hồi tớiPLC 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

- Van tỉ lệ.

Nếu so sánh với các van đóng mở thông thường (on/off) ta có thể nhậnthấy sự khác nhau cơ bản giữa các van tỉ lệ và van đóng mở thông thường là quátrình 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, quãngđường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng

Trong thực tế, các hệ thống thủy lực tỉ lệ là một phần quan trọng đượcứng dụng nhiều trong kĩ thuật hiện đại Van tỉ lệ là một thành phần trong các hệthống thủy lực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp Một lợi thếnổi 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 khiểnchính xác vị trí cho xi-lanh thủy lực, do vậy, với tín hiệu điều khiển tuyến tínhcủa van tỉ lệ, ta có thể điều khiển mềm mại hơn, chính xác hơn khi có sai lệchgiữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế so với van on/off Tín hiệu điều khiểncho 2 cuộn dây điện từ van tỉ lệ là tín hiệu tương tự ±10V, do đó hoàn toàn phùhợp 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 thủylực sử dụng thuật toán PID

Với phương án chọn van tỉ lệ, sơ đồ cấu trúc của hệ thống được thiết kếnhư sau:

Bộ điều khiển PLC

Van thủy lực

tỉ lệ

Xi-lanh thủy lực

Cảm biến

vị trí

_ + Tín hiệu đặt

Hình 1.4 Sơ đồ cấu 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 xâydựng 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 2 chế độ là Auto (tự động) và Manual(bằng tay) Trong chế độ Auto thì vị trí đặt cho xi-lanh thủy lực được nhập từphần 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 lắpđặt 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

- Lắp đặt tủ điện điều khiển

- Xây dựng hàm truyền xi-lanh thủy lực và hiện mô phỏng cùng với bộđiều 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 nóichung, hệ thống điều khiển vị trí cơ cấp chấp hành thủy lực, ưu nhược điểm củacác hệ thống điều khiển thủy lực, từ đó đưa ra phương án thiết kế cho hệ thốngđiều 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 lựccũng như phần điều khiển ở các chương sau

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 kế xây dựng phần động lực cho hệ thống điều khiển 3 xi-lanh thủylực 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

Bảng 2.1 Bảng kí hiệu các phần tử thủy lực trong hệ thống

Chỉ tiêu quan trọng của một trạm nguồn là áp suất và lưu lượng phải đạtđược áp suất và lưu lượng hoạt động của hệ thống, việc thiếu áp cũng như quá

áp đều mang lại những kết quả không mong muốn cho hệ thống (không làm việchoặc làm việc không ổn định)

Để ổn định áp suất làm việc cho hệ, trạm nguồn còn sử dụng các van điều

áp, chúng có chức năng giữ cho áp suất làm việc của hệ thống luôn luôn ở trongtình trạng ổn định Nếu áp suất bơm cung cấp không lớn hơn một giá trị nhấtđịnh (được đặt trước nhờ lò xo) các van này sẽ không được mở ra, dầu sẽ bịchặn lại Chỉ khi nào áp suất mà bơm tạo ra lớn hơn giá trị mặc định van mới mở

ra và dầu (có áp suất nhất định) được đưa tới cơ cấu chấp hành Điều này đồngnghĩa với việc áp suất của chất lỏng làm việc luôn lớn hơn một giá trị địnhtrước, loại bỏ tình trạng hệ thống làm việc với áp suất thấp hơn áp suất tính toán

Hình 2.3 Van điều áp

- Đồng hồ đo áp suất: cho biết trị số áp suất của chất lỏng làm việc để có thểđiều chỉnh áp suất làm việc theo ý muốn hoặc theo dõi được tình trạng hoạtđộng của hệ thống (thiếu hay thừa áp) để từ đó đưa ra những quyết định mộtcách hợp lí nhất

Hình 2.4 Đồng hồ đo áp suất

- Bình tích năng:

Bình tích năng có nhiệm vụ san và bù áp cho hệ thống Bình tích nănglàm việc như một ắc quy hay tụ bù trong hệ thống điện gồm cả nhiệm vụ bù áp

và bù lưu lượng cho hệ thống Trong trường hợp đặc biệt, khi hệ thống đang làmviệc vì một lí do nào đó các bơm không cấp áp hay các sự cố khác (mất nguồnđiện), khi đó, hệ thống sẽ lấy năng lượng của bình tích năng để đưa các cơ cấuchấp hành về vị trí ban đầu.

2.3 Giới thiệu các loại xi-lanh thủy lực

2.3.1 Cấu tạo chung

Hình 2.5 Cấu tạo 1 loại xi-lanh thủy lực

- Barrel: Vỏ xi-lanh

- Piston: Quả Piston

- Cylinder rod: Cán xi-lanh

- Gland: Cổ xi-lanh

- Pin eye / Clevis: Tai ghép

- Port: Đường dầu cấp vào/ra xi-lanh

- Piston seal, Rod seal, Wear ring, O-ring, Wiper : Bộ gioăng phớt làm kín

2.3.2 Các thông số làm việc của xi-lanh

3 thông số quan trọng nhất của một xi-lanh thủy lực là:

- Đường kín lòng xi-lanh (Bore) – D;

- Đường kính cán (rod) – d ;

- Hành trình làm việc (stroke) tức là khoảng chạy của cán xi-lanh – S

D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/ kéo cho xi-lanh

S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xi-lanh

2.3.3 Phân loại xi-lanh thủy lực

Các xi-lanh thủy lực thường được phân làm 2 nhóm cơ bản:

- xi-lanh tác động đơn (một chiều)

- xi-lanh tác động kép (hai chiều)

- Xi-lanh tác động đơn:

Xi-lanh tác động đơn chỉ tạo ra lực đẩy 1 phía, thường là phía có cần lanh, nhờ cấp dầu thủy lực tạo ra áp suất phía đuôi xi-lanh Cán xi-lanh sẽ tự hồinhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực kéo của lò xo bên trong Điều dễ nhậnbiết nhất đối với xi-lanh tác động đơn là nó chỉ có duy nhất 1 cửa cấp dầu

xi-Hình 2.6 Xi-lanh thủy lực tác động đơn

- Xi-lanh tác động kép:

Xi-lanh tác động kép có thể tạo ra lực đẩy ở cả 2 phía

Hình 2.7 Xi-lanh thủy lực tác động kép

Các xi-lanh cũng có thể phân chia theo kiểu xếp cán xi-lanh:

Xi-lanh cán đơn 1 tầng hoặc xi-lanh nhiều tầng (telescopic)

- Xi-lanh cán đơn:

Xi-lanh cán đơn là có cán xi-lanh được gắn chặt, cùng chuyển động vớiquả piston Loại xi-lanh này chỉ có thể tạo ra một khoảng chuyển động nhỏ hơnchiều dài toàn thể của xi-lanh, tức là khoảng làm việc của nó bị giới hạn bởi

chiều dài của cán xi-lanh trừ đi chiều dày quả piston và các đoạn lắp ráp bêntrong xi-lanh.

Xi-lanh cán đơn là loại được sử dụng phổ biến và có các ứng dụng rộngrãi Phần lớn nó có kết cấu để cán xi-lanh thò ra ở 1 phía của xi-lanh Một số xi-lanh có kết cấu với cán xi-lanh ở 2 phía quả piston (được gọi là Double rod endcylinders) Khi 1 phía cán 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 kết cấu hàn

Đầu xi-lanh loại này được hàn với ống xi-lanh giúp xi-lanh có kết cấucứng vững thích hợp với các chế độ làm việc nặng trên các thiết bị thi công cơgiới hoặc công nghiệp nặng

Trong mô hình hệ thống, em lựa chọn sử dụng xi-lanh tác động kép, loại cán đơn

2.4 Van phân phối tỉ lệ

2.4.1 Giới thiệu van phân phối

Trong quá trình vận hành hệ truyền dẫn thủy lực xuất hiện nhu cầu thayđổi hướng chuyển động của cơ cấu chấp hành (xi-lanh thủy lực) Từ đó dẫn tới

yêu cầu thay đổi hướng di chuyển của dòng chất lỏng tới những phần khác nhautrong hệ thống Để làm được điều đó mà không cần ngừng hoạt động của nguồncấp (máy bơm), người ta sử dụng van phân phối Như vậy chức năng chính củavan phân phối là thay đổi hướng di chuyển của dòng chất lỏng qua đó thực hiệnmục tiêu điều khiển hệ truyền dẫn Kích thước và khối lượng của van phân phối

tỉ lệ thuận với lưu lượng chất lỏng đi qua nó

Hình 2.9 Van phân phối

a) Cấu tạo

Hình 2.10 Van phân phối Sơ đồ (a) – Kí hiệu (b)

Trong hình vẽ , phần tử điều khiển là một ống trụ trượt 1 có các vành gờ

Bề mặt tiếp xúc của các vành gờ này được gia công nhẵn và có thể trượt tươngđối với vỏ 2 Phụ thuộc vào số cửa trên vỏ 2 (cũng chính là số ống nối với van)

mà ống trượt có thể có 1, 2 hoặc nhiều vành gờ (Hình 2.10.a) Kí hiệu van phân

phối cần thể hiện được số ống nối tới van, số vị trí làm việc, phương pháp điềukhiển van, liên kết giữa các ống ở từng vị trí làm việc Mỗi vị trí làm việc đượcthể hiện bằng 1 hình vuông Như vậy số vị trí làm việc của van tương ứng với số

hình vuông kí hiệu van đó (Hình 2.10.b) Dựa vào số lượng ống nối, và vị trí

làm việc của van người ta đưa ra cách gọi tên các loại van phân phối.“Van phânphối x/y”

Trong đó: x – số lượng cửa (tương ứng là số lượng ống nối tới van)

y – số trạng thái (số vị trí làm việc) của van

b) Nguyên lý hoạt động

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động van phân phối Tại vị trí ban đầu của van (Hình 2.11a) tất cả các nhánh (ống) nối với van

van A, B, P, T đều bị khóa và xi-lanh đứng yên Khi con trượt dưới tác động của

tín hiệu điều khiển bị đẩy sang trái (Hình 2.11b) nhánh A và P, B và T được nối

với nhau Chất lỏng đi từ máy bơm qua cửa P, A đi vào xi-lanh sinh ra lực đẩy,chất lỏng ở khoang cán đi qua cửa B, T đi về thùng chứa, cán xi-lanh được đẩy

ra Khi con trượt dưới tác động của tín hiệu điều khiển bị kéo sang phải (Hình 2.11c) nhánh A và T, P và B thông nhau Chất lỏng đi từ máy bơm đổ vào

khoang cán xi-lanh, đẩy cán xi-lanh lùi vào trong Chất lỏng từ khoang pistontheo cửa A, P đổ về thùng chứa

2.4.3 Van phân phối tỉ lệ

Van phân phối tỉ lệ là một thành phần quan trọng trong các hệ thống thủylực, đem lại nhiều ứng dụng thực tế trong công nghiệp Van tỉ lệ có tín hiệu vàocuộn dây điện từ có thể thay đổi tuyến tính Do đó, lưu lượng dầu qua van cũngthay đổi tuyến tính Một lợi thế nổi bật của van tỉ lệ là mặc dù lưu lượng quavan có thể điều chỉnh tỉ lệ với điện áp điều khiển nhưng kĩ thuật sản xuất lạitương đối đơn giản

Tín hiệu đầu vào dạng điện áp (0 ÷  10V) được chuyển đổi thành tínhiệu dòng điện (0 ÷ 15A) nhờ bộ khuếch đại được thiết kế trên van.

Nhờ cuộn dây tỉ lệ tín hiệu dòng điện được chuyển đổi thành lực hoặcchuyển động Các tín hiệu này đóng vai trò đầu vào van thủy lực tỉ lệ với dònghoặc áp suất đầu ra Cuối cùng, dòng hoặc áp suất sẽ điều khiển cơ cấu chấphành (thường là xi-lanh) để điều khiển tốc độ hay momen các thiết bị ngoài.Thường van tỉ lệ được thiết kế dưới dạng khuếch đại hai cấp (một cấp điện thủylực hay một cấp thủy lực đơn thuần)

Hình 2.12 Đặc tính tín hiệu mở van của van on/off và van tỉ lệ

Van on/off thông thường có tín hiệu dòng điện điều khiển là xung hìnhthang Với van on/off thông thường thì có độ trễ giữa dòng điện áp vào, quãngđường dịch chuyển của con trượt và lưu lượng

Van tỉ lệ có tín hiệu điều khiển thay đổi tuyến tính và vô cấp Van tỉ lệdùng lực điện từ để thay đổi vị trí lõi van cấp 1 và 1 điều bất lợi khi sản xuất van

là lực hút lõi van phụ thuộc khá nhiều vào kích thước lõi van

Với van tỉ lệ trực tiếp thì các thông số quan trọng là độ chính xác, cácđường đặc tính cơ bản, các đường đặc tính thời gian Cuộn dây tỉ lệ trực tiếpđiều khiển đường dầu như các loại van thông thường khác.

Các thành phần cơ bản của van bao gồm thân van, một hoặc hai cuộn dây

tỉ lệ, bộ chuyển đổi vị trí cảm ứng, lõi van và lò xo

Lõi van được giữ ở vị trí trung gian nhờ các lò xo khi cuộn dây khôngđược kích hoạt Lõi van hoạt động trực tiếp theo cuộn dây tỉ lệ Khi cuộn dâybên phải có dòng điện chạy qua, sẽ đẩy lõi van sang trái và ngược lại Độ trượtcủa lõi phụ thuộc điện áp cấp cho cuộn dây

2.5 Tính chọn thiết bị trong hệ thống thủy lực

2.5.1 Tính chọn xi-lanh thủy lực

Trong phạm vi bài toán, các thông số thực tế của xi-lanh về khối lượng,

áp suất, hành trình, vận tốc được yêu cầu như sau:

Khối lượng xi-lanh M = 3 [kg] ;

Áp suất tại cửa dầu xi-lanh P = 150 [bar];

Hành trình làm việc của cán xi-lanh: S = 0.8 [m];

Vận tốc dầu qua cửa dầu xi-lanh: v = 0.366 [m/s]

Từ những yêu cầu trên ta tính chọn các thông số cho xi-lanh thủy lực

a) Chọn đường kính piston

Ta có:

M=f P với f là diện tích mặt piston [2.1]

Chọn Dpt theo tiêu chuẩn ta được Dpt= 40 [mm].

b) Áp suất làm việc của xi-lanh

2

4 4.1500.9,81

11715764 [ / ] 119,4 [ ] 3,14.0,04

c) Bề dày quả piston

Ta có bề dày của quả piston được tính theo công thức:

(0,5 0,8) pt (0,5 0,8).40 (20 32) [ ]

Ta chọn bề dày của quả piston là t = 20 [mm]

d) Tính chọn xi-lanh

Xác định chiều dày của thành xi-lanh:

Chiều dày của thành xi-lanh được tính theo công thức sau:

P e K Y

P

D pt

2)./.20(

-  : chiều dày thành xi-lanh [mm];

- P: áp suất làm việc của xi-lanh [kg/cm2];

Theo tiêu chuẩn chọn  4[mm].

e) Xác định chiều dài thành xi-lanh

Với hành trình của xi-lanh là S = 800mm và chiều dày của quả piston làt=20mm nên chiều dài phần hoạt động của xi-lanh là:

800 20 820[ ]

Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống:

Bảng 2.2 Thông số xi-lanh sử dụng trong hệ thống

27,58 1,2 1,2 1,2.0,00046 [ / ].

Ta lấy đường kính của ống có áp là dp = 15 [mm].

c) Kiểm nghiệm độ dày đường ống

Chiều dày của thành ống được xác định theo công thức sau:

1).21.(

).21.(

Xác định hệ số tổn thất dọc đường:

Hệ số Reynol: 

d v.

Re 

Hệ số Reynol là một giá trị không thứ nguyên biểu thị độ lớn tương đối giữaảnh hưởng gây bởi lực quán tính và lực ma sát trong (tính nhớt) lên dòng chảy.Chiều dài đường ống từ bơm nguồn đến xi-lanh là l = 5 [m]

Đường kính đường ống dô = 20 [mm]

Và vận tốc dầu trong đường ống là v = 4 [m/s] nên ta có:

250010

.32

10.20

2500(

316,0Re

316

,

0

4 / 1 4

Theo phương trình Bernoulli ta xác định được tổn thất áp suất trongđường ống là:

g

v g

v d

l p

.2 10

2

2 2

.( 10 )2

Lưu lượng của bơm là: QB = QHT = 36.17 [l/ph]

Động cơ điện để dẫn động cho bơm nguồn có số vòng quay lớn nhất là:

nmax = 3500 [v/phút].

Lưu lượng riêng của bơm là:

3

3 36,17.10

10,33 [ / ] 3500

với công suất của động cơ là 10 [kW], thì

áp suất mà bơm cung cấp cho hệ thống là 115 [bar]

Hình 2.13 Đường cong đặc tính của bơm

Kích thước lắp ghép bơm được thể hiện ở hình dưới

Hình 2.14 Hình dáng và kích thước lắp ghép của bơm.

Với các kích thước: L = 138,5 [mm]; B = 68,5 [mm]; D = 31,75 [mm]

A1 = 58,8 [mm]; B1 = 30,2 [mm]

2.5.4 Tính toán kích thước bể dầu

Trong hệ thống thuỷ lực bể dầu đảm nhiệm các chức vụ sau:

- Cấp dầu đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường

- Nạp dầu mới, xả dầu cũ của hệ thống

- Bù rò rỉ cho hệ thống

- Loại bọt khí ra khỏi dầu

- Lắng đọng các cặn bẩn bị lẫn vào dầu

- Toả nhiệt, làm mát cho dầu

Bể dầu có kết cấu sao cho cặn bẩn trong dầu được lắng xuống đáy bể,muốn vậy phải hạn chế được sự xoáy của dầu trong bể đến mức thấp nhất Dầu

từ ống xả trở về bể không được xoáy và sủi bọt

Để đảm bảo cho sự lưu thông của dầu tạo điều kiện làm nguội tốt hơn,bên trong bể ngăn thành từng buồng có cửa lưu thông tương ứng ở phía dưới haivách ngăn ngang có cửa so le với nhau và có kích thước 90x120 [cm] Hai váchngăn có chiều cao bằng chiều cao nhất trong bể dầu Mức dầu cao nhất trong bểdầu bằng 0.7  0.8 chiều cao thành bể

Ống hút của bơm và ống xả cần đặt ở vị trí đối nhau và phải ngập trongdầu và cách đáy bể một khoảng từ 2D đến 3D (D là đường kính ngoài của ốngtương ứng) Đầu ống xả vát một góc 450 và quay vào mặt thành bể, ta có thểdùng lưới để khử xoáy của dầu khi hồi về bể

Đáy bể nên làm nghiêng một góc 3  8o để thay dầu qua các lỗ khi cầnthiết Bể dầu không nên sơn hoặc sơn màu sẫm để sự truyền nhiệt ra môi trườngbên ngoài tốt hơn.

Kích thước bể dầu được tính toán dựa trên cơ sở đảm bảo về mặt tản nhiệt vàhạn chế đến mức tối đa về xoáy của dầu trong quá trình hoạt động của hệ thống.Lượng dầu trong hệ thống đường ống thuỷ lực trong hệ thống luôn được điền đầy

3,14.0,02 10

.32 0,10048 [ ] 100, 48 [ ]4

[2.23]

Để bù lượng rò rỉ, bay hơi và tổn hao trong quá trình hoạt động của hệ thống ta lấy:

Vmin = 100,48 [l] = 0.10048 [m3]

2.5.5 Tính sơ bộ các kích thước bể dầu

Bể dầu ta chọn có kích thước hình hộp chữ nhật như sau:

- chiều ngang bể dầu là: a ;

- chiều dài của bể là: b = k1.a ;

- chiều cao của bể dầu là: H = k2.a ;

- chiều cao của dầu trong bể: h

Với điều kiện h = (0,7  0,8).H = (0,7  0,8).k2.a ; Với k1, k2 là các hệ số tỷ số.Diện tích xung quanh của bể là:

F = 2.b.H + 2.a.H + 2.b.a = 2.k1.a.k2.a + 2.a.k2.a + 2.k1.a.a [2.24] = 2.a2(k1.k2 + k2 + k1)

Diện tích tiếp xúc với bể dầu (kể cả đáy bể) được xác định bởi:

F1 = a2.(k1 + 2.0,8.k2 + 2.0,8.k1.k2) = a2(k1 + 1,6.k2 + 1,6.k1.k2) [2.25]Diện tích bề mặt không tiếp xúc với dầu (kể cả nắp) được xác định theo côngthức sau:

F2 = F – F1 = a2(0,4.k1.k2 + 0,4.k2 + k1) [2.26]

Vì điều kiện truyền nhiệt của hai loại bề mặt tiếp xúc và không tiếp xúc giốngnhau, nên ta tính bề mặt truyền nhiệt Ftn của bể dầu tính theo công thức:

Ftn = F1 + F2/2 = a2(1,8k1.k2 + 1,8k2 + 1,5k1) [2.27]Mặt khác thể tích dầu trong bể là:

Vmin = a.b.h = 0.8.k1.k2.a3 [2.28]

min 3

Thông thường hệ số  được chọn trong khoảng 6  6.9 tương ứng với tỷ

số của các cạnh a:H:b được lấy từ 1:1:1 cho đến 1:2:3 tức là các hệ số:

chuyển động mà không kiểm soát được vị trí của cơ cấu chấp hành và đặc biệt takhông thể can thiệp vào tốc độ làm việc của cơ cấu chấp hành một cách trựctiếp Tốc độ làm việc của cơ cấu chấp hành không phụ thuộc vào trạng thái mởcủa van

Quyết định chọn van tỉ lệ sử dụng cho hệ thống mô phỏng chuyển động vìnhững lí do sau:

+ Van tỉ lệ có đặc tính phù hợp với yêu cầu điều khiển Có lưu lượng gầnnhư tuyến tính với đầu vào điện áp với thời gian trễ tương đối thấp (0-100%trong vòng 20 ms)

+ Hệ cần chất lượng điều khiển không cao (sai số vị trí ± 2 [mm])

Để chọn van tỷ lệ ta dựa vào Qht, Pht , độ chênh áp ở cửa van rồi dựa vào

đồ thị đường cong đặc tính của van trong catalogo của hãng REXROTH để tachọn loại van

Hình 2.15 Đồ thị đường cong đặc tính của van

Từ đồ thị đường cong đặc tính của van trên Hình 2.15 ta chọn được loại

van tỉ lệ 4WREE 6 E32-2X/G24K31/A1V

Van tỷ lệ 4WREE:

Hình 2.16 Sơ đồ cấu tạo van tỉ lệ 4WREE

1: Đế van

2: Con trượt phân phối

3,4: Lò xo phản hồi

5,6: Cuộn dây

7 Cuộn chuyển đổi tín hiệu

8 Hộp giao tiếp điều khiển

9 Vị trí điều chỉnh điểm 0 của lõi van

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 điềukhiển bởi 3 bộ bơm dầu thủy lực khác nhau, nên chỉ cần thuyết minh nguyên lýhoạt động của một xi-lanh tương ứng với một bơm nguồn và một van tỉ lệ cùng

hệ thống phụ trợ đi kèm

- Khi đóng điện, động cơ bắt đầu làm việc, trục động cơ điện và trục củabơm được gắn với nhau bởi khớp nối, nhờ khớp nối này mà chuyển động quaycủa trục động cơ được truyền sang trục của bơm Dầu thủy lực ra khỏi bơm làdầu cao áp: có áp suất và lưu lượng nhất định (tùy thuộc vào từng loại bơm vàtốc độ động cơ dẫn động) Từ bơm, dầu cao áp được đẩy đi khắp hệ thống và cóchức năng trung chuyển năng lượng từ động cơ dẫn động đến cơ cấu chấp hành

để thực hiện các chuyển động đã được định trước Sau đó được hồi về bể theomột đường nhất định

- Dầu cao áp được đưa qua bộ lọc và ở đây, nó được lọc sạch trước khiđược đẩy đến các phần tử khác trong hệ thống Điều này rất cần thiết vì nếu dầucao áp không được lọc sách khi hệ thống làm việc lâu ngày, các cặn bẩn bám lại

ở thành ống hoặc những khúc quanh sẽ gây hiện tượng tắc nghẽn, gây ảnh

hưởng đến chất lượng quá trình làm việc của hệ thống và nhất là các thiết bịthủy lực là các thiết bị được chế tạo với độ chính xác rất cao.

- Dầu cao áp trước khi tới van tỉ lệ để phân phối tới các phần tử khác, phải

đi qua van điều áp, qua bình tích năng và áp suất dầu thủy lực được báo trênđồng hồ đo áp suất dầu thủy lực

- Dầu cao áp có áp suất đảm bảo 1 giá trị cho trước sẽ theo đường ống tớivan phân phối Dầu không đủ áp suất định trước sẽ không đi qua được van điều

áp, sẽ bị hồi về qua bộ lọc dầu khác và hồi lại về bể dầu

- Van phân phối sẽ thay đổi chiều chuyển động cũng như tốc độ làm việccủa cơ cấu chấp hành bằng cách thay đổi độ mở cửa van Khi ở trạng thái tĩnh,chưa có tín hiệu điện tác động vào hai cuộn hút ở 2 đầu van phân phối, con trượtnằm ở vị trí trung gian, tất cả các cửa đều đóng Dầu cao áp không được đưa tới

cơ cấp chấp hành Lúc này cần piston nằm ở vị trí tận cùng phía dưới, đứng yên

Hệ thống chưa làm việc Dầu cao áp đi qua van điều hướng 4/2, qua bộ lọc dầu

và trở về lại bể dầu

- Khi có tín hiệu điện tác động vào cuộn hút bên phải của van phân phối,van phân phối chuyển sang làm việc ở vị trí bên trái, dầu cao áp từ bơm qua vanphân phối tới buồng dưới của xi-lanh Dưới tác dụng của áp suất dầu, cần piston

bị đẩy đến tận cùng phía trên của xi-lanh, dầu trong buồng trên của xi-lanh bịđẩy ra ngoài theo đường ống và hồi về lại bể dầu

Khi có tín hiệu điện tác động vào cuộn hút ở đầu kia của van phân phối,van phân phối chuyển sang làm việc ở vị trí ngược lại Dầu cao áp qua van phânphối tới khoang trên xi-lanh, dưới tác dụng của áp suất, cần piston bị đẩy ngượctrở lại, xi-lanh đổi chiều chuyển động Dầu trong khoang còn lại bị đẩy ra ngoài

và theo đường ống hồi về bể

Tùy thuộc vào độ mở cửa van mà tốc độ chuyển động của cần xi-lanh lànhanh hay chậm

- Độ mở cửa van hoàn toàn phụ thuộc vào tín hiệu điện được đưa tới van.Tín hiệu điện này được điều khiển bởi PLC

- Nhờ có cảm biến vị trí, ta xác định được vị trí (độ dài cần piston), tínhiệu từ cảm biến được đưa về PLC PLC đọc giá trị cảm biến, xác định vị trí cầnpiston và đưa ra tín hiệu điều khiển.

2.7 Kết luận chương II

Chương II đã trình bày sơ đồ nguyên lý thuyết kế cho hệ thống, trình bàynguyên lý hoạt động của hệ thống, trình bày việc tính chọn các phần tử trong hệthống thủy lực như bể dầu, xi-lanh, van tỉ lệ dựa trên yêu cầu thực tế và lý thuyết.Qua đó cũng thuyết minh nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực đã được thiết

kế Những đặc điểm và tham số của van tỉ lệ đã tính chọn là cơ sở cho việc thiết kếphần điều khiển đáp ứng được các yêu cầu đó, sẽ được trình bày ở chương III

CHƯƠNG III THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý các mạch điện hệ thống

START 1

R1 MOTOR STARTER 1

MOTOR STARTER 1

LIGHT MOTOR 1

STOP 2 RELAY 2THER START 2

R3 MOTOR STARTER 2

R6

LIGHT MOTOR 2

MOTOR STARTER 2

LIGHT MOTOR 3

MOTOR STARTER 3 R4