Chương 9 - Hệ thống truyền động và điều khiển khí nén, điện - khí nén

Chương 9 - Hệ thống truyền động và điều khiển khí nén, điện - khí nén (Phần 9 - Truyền động thủy lực và khí nén) - thư viện tri thức - kho tài liệu - tài liệu đại học - cao đẳng

Chương 9 - Hệ thống truyền động và điều khiển khí nén, điện - khí nén

9.1 Hệ thống điều khiển khí nén

9.1.1 Biểu đồ trạng thái

Một hệ thống điều khiển sẽ có nhiều mạch điều khiển, trong đó có nhiều phần tử điều khiển và phần tử chấp hành, để thể hiện sự phối hợp logic các phần tử của hệ thống điều khiển ta biểu diễn chức năng của các quá trình đó bằng biểu đồ trạng thái

- Biểu đồ trạng thái dùng để biểu diễn trạng thái làm việc của các phần tử trong mạch điều khiển, mối liên hệ và trình tự chuyển mạch của các phần tử

- Trục thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,…), trục nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian của quá trình Hành trình làm việc được chia thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên

- Xilanh tịnh tiến ký hiệu dấu (+) và lùi về ký hiệu (-)

- Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc “a”, “b”)

- Hình 9.1 là một số ký hiệu biểu diễn trong mạch điều khiển

9.1.2 Các phương pháp điều khiển

Bao gồm các phương pháp sau:

- Điều khiển bằng tay: Điều khiển bằng một nút ấn và điều khiển bằng hai nút ấn

- Điều khiển theo thời gian

- Điều khiển theo hành trình

- Điều khiển theo tầng

- Điều khiển theo nhịp

a) Điều khiển bằng tay

- Điều khiển trực tiếp bằng một nút ấn (hình 9.2 và hình 9.3)

- Điều khiển bằng hai nút ấn (hình 9.4).

b) Điều khiển theo thời gian (hình 9.5)

c) Điều khiển theo hành trình (hình 9.7)

Ví dụ 9.1: Mạch điều khiển theo hành trình (hình 9.8 và hình 9.9)

d) Điều khiển theo tầng

Điều khiển theo tầng thực chất là phân chia chu trình điều khiển gồm nhiều bước thành các tầng riêng rẽ, làm minh bạch hệ thống điều khiển, khắc phục hiện tượng trùng tín hiệu trong điều khiển Không cần thiết phải sử dụng công tắc hành trình một chiều Chia tầng là bước quantrọng nhất, nó quyết định cấu trúc của mạch hệ thống thiết kế Từ đó, ta có hai phương pháp chia tầng sau:

Chia tầng trực tiếp trên biểu đồ trạng thái:

Nguyên tắc là chọn một hay một số bước liên tiếp của biểu đồ trạng thái lập thành một nhóm

(gọi là tầng) mà trong tầng mỗi phần tử chấp hành chỉ thực hiện một hành trình (0→1 hoặc ngược lại 1→0).

Ví dụ: Hình 9.10 là biểu đồ trạng thái của một hệ thống gồm 2 xilanh Theo nguyên tắc trên, ta chia thành 2 tầng: Tầng I gồm 3 bước (1-2-3); tầng II gồm 3 bước (3-4-5) Ở mỗi tầng, mỗi xilanh chỉ thực hiện một hành trình

Chia tầng theo chu trình kín:

Cơ sở của phương pháp chia này là coi một chu trình điều khiển là một chu trình kín Biểu đồ trạng thái chính là hình khai triển theo mặt cắt qua bước thứ nhất Bây giờ ta biểu diễn chu trình kín bằng một vòng tròn và các bước thực hiện chia tầng thể hiện ở hình 9.11

Chi vòng tròn đó thành n phần bằng nhau, với n là số các hành trình của tất cả các cơ cấu chấp hành (n là số chẵn – mỗi cơ cấu chấp hành có hai hành trình)

Theo một chiều tùy chọn, đặt liên tiếp các hành trình theo luật điều khiển tuần tự mà bài toán điều khiển yêu cầu (từ công nghệ hoặc biểu đồ trạng thái)

Chọn điểm khởi đầu để chia tầng sao cho số tầng là ít nhất Chẳng hạn, nếu chọn điểm khởi đầu

từ bước 2 (A− ¿¿) theo chiều kim đồng hồ, ta có 2 tầng Tuy nhiên nếu chọn từ bước 1 ( A+ ¿¿), ta

có 3 tầng và số tầng nhiều hơn sẽ khiến mạch điều khiển phức tạp hơn

Trong hệ thống điều khiển theo tầng, mỗi tầng đã được phân chia như trên được xem như là một nguồn tín hiệu điều khiển Như vậy, ở mỗi thời điểm chỉ có một tầng duy nhất hoạt động, nói cách khác chỉ có một nguồn khí nén điều khiển duy nhất cho mỗi thời điểm.

Tại vạch phân chia tầng phải có phần tử đưa tín hiệu cung cấp tín hiệu chuyển tầng (hay thiết lập tầng), ký hiệu là E1 thiết lập tầng I; E2 – tầng II; … Số tín hiệu chuyển tầng bằng số tầng.Van chuyển đổi khí nén cho các tầng gọi là van chuyển tầng, các van chuyển tầng phải là các van

có nhớ 4/2 hoặc 5/2, số lượng cần dùng n-1 van, với n=số tầng

Trình tự chuyển tầng phải tuân theo yêu cầu công nghệ, tức tuân theo biểu đồ trạng thái Để đảm bảo điều đó thì khí nén của một tầng đang tồn tại sẽ được dùng để điều khiển chuyển tầngcho tầng kế tiếp ngay sau đó thông qua các phần tử phát tín hiệu chuyển tầng

Hình 9.12, hình 9.13 và hình 9.14 là một số sơ đồ nguyên lý của mạch chuyển đổi tầng điều khiển bằng khí nén

Mạch điều khiển 2 tầng (hình 9.12)

E1, E2 là tín hiệu điều khiển vào; a1, a2 là tín hiệu điều khiển ra.

Khi tầng I có khí nén, thì tầng II sẽ không có khí nén và ngược lại

Mạch điều khiển 3 tầng (hình 9.13):

E1, E2, E3 là tín hiệu điều khiển vào; a1, a2, a3 là tín hiệu điều khiển ra.

Khi tầng I có khí thì tầng II và III không có khí, nghĩa là khi 1 tầng có khí thì 2 tầng còn lại không

có khí

Mạch điều khiển 4 tầng (hình 9.14):

Ví dụ 9.2: Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 2 tầng (hình 9.15).

Ví dụ 9.3: Sơ đồ mạch khí nén điều khiển 2 tầng có rơ le thời gian (hình 9.16).

Biểu đồ trạng thái:

Giả sử quy trình làm việc của một máy khoan như sau: chi tiết từ thùng chứa sẽ được xilanh 1 đẩy vào và kẹp lại ở vị trí gia công Sau khi kẹp xong, xilanh 2 sẽ đi xuống để khoan chi tiết Sau khi xilanh 2 lùi về, thì xilanh 1 lùi về (chi tiết được tháo ra) Sau đó xilanh 3 sẽ đẩy chi xuống thùng chứa.

e) Điều khiển theo nhịp

Các phương pháp điều khiển như đã trình bày có một đặc điểm là khi thay đổi quuy trình công nghê hay yêu cầu khác thì đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều khiển Như vậy sẽ mất nhiều thời gian và công sức Phương pháp điều khiển theo nhịp khắc phục được những nhược điểm trên

Nguyên lý của khối điều khiển theo nhịp (hình 9.18):

Khối của nhịp điều khiển bao gồm 3 phần tử, đó là: phần tử AND, van đảo chiều (phần từ nhỏ), phần tử OR

Khối của nhịp điều khiển bao gồm 3 phần tử, đó là: phần tử AND, van đảo chiều (phần tử nhớ), phần tử OR

Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là các bước thực hiện lệnh xảy ra tuần tự, nghĩa

là khi các lệnh trong 1 nhịp thực hiện xong thì sẽ thông báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời sẽ xóa lệnh thực hiện nhịp trước đó

Tín hiệu Y n tác động, tín hiệu A có giá trị L Đồng thời sẽ tác động vào nhịp trước đó Z n−1 để xóa

lệnh thực hiện trước và lúc đó nếu có tín hiệu X n thì sẽ cho tín hiệu Y n+1 điều khiển khối tiếp

theo Như vậy khối của nhịp điều khiển bao gồm các chức năng sau: chuẩn bị cho nhịp tiếp theo, xóa các lệnh của nhịp trước đó và thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển.

Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp 4 khối như hình 9.19 Nguyên lý và bố trí các khốinhư hình 9.20

Nhịp thứ nhất Z n sẽ được xóa bằng nhịp cuối cùng Z n+1.

Trong thực tế có 3 loại khối điều khiển theo nhịp, đó là: khối kiểu A, khối kiểu B và khối kiểu C:Khối kiểu A (hình 9.21):

Khi cổng Y n có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí:

- Tín hiệu ở cổng A có giá trị L;

- Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo bằng phần tử logic AND của tín hiệu X;

- Đèn tín hiệu sáng;

- Phần tử nhớ của nhịp trước trở về vị trí xóa (RESET)

Kiểu khối B (hình 9.22): kiểu này thường đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi điều khiển theo nhịp

Ngược lại với kiểu khối A, kiểu khối B phần tử logic OR nối với cổng Y n Khi cổng L có khí nén thì toàn bộ các khối của chuỗi điều khiển (loại trừ khối cuối cùng) sẽ trở về vị trí ban đầu

Như vậy, kiểu khối B có chức năng như là điều kiện để chuẩn bị khởi động của mạch điều khiển

Kiểu khối B cũng có chức năng tương tự như kiểu khối A Cụ thể là: khi cổng Y n có giá trị L, van đảo chiều (phần tử nhớ) đổi vị trí:

Kiểu khối C (hình 9.23): Kiểu khối C không có phần tử nhớ và phần tử logic OR Vì vậy, loại C có chức năng là trong nhịp điều khiển tiếp theo, khi tín hiệu ở cổng X của nhịp trước đó vẫn còn giátrị L, thì đèn tín hiệu vẫn còn sáng ở nhịp tiếp theo.

Ví dụ 9.5: Mô hình và biểu đồ trạng thái của 2 xilanh được biểu diễn như hình 9.24

Từ biểu đồ trạng thái ta lập quy trình thực hiện cho các nhịp:

Theo quy trình thực hiện các nhịp, ta thiết kế được mạch điều khiển như hình 9.25.

Ví dụ 9.6: Mạch điều khiển phối hợp hình 9.26.

Chọn chế độ làm việc

Trong khí nén, tín hiệu vào là áp suất, thông thường p=6 ,3¯¿ hoặc đối với áp suất chân không

p =0 ,15¯¿ Chọn chế độ làm việc khi đưa tín hiệu vào được biểu diễn (hình 9.27)

Chọn chế độ làm việc

Trong khí nén, tín hiệu vào là áp suất, thông thường p=6,3bar hoặc đối với áp suất chân không p=0,15bar Chọn chế độ làm việc khi đưa tín hiệu vào được biểu diễn (hình 9.27)

Các chế độ làm việc bao gồm:

Đóng, ngắt: bằng công tắc chính để đóng, mở hệ thống phân phối khí nén;

Khởi động: bằng nút khởi động STRART;

Chọn chế độ làm việc:bằng công tắc chọn chế độ làm việc (có thể bằng tay hoặc tự động);Chế độ tự động: một chu kỳ và nhiều chu kỳ;

Chế độ tự động một chu kỳ: sau khi khởi động, chương trình thực hiện một lần và dừng lại;Chế độ tự động nhiều chu kỳ: sau khi khởi động, chương trình thực hiện liên tục và lặp lại chu trình cho đến khi có tín hiệu dừng;

Chế độ dừng: bằng nút ấn dừng, chế độ tự động sẽ trở về vị trí ban đầu;

Chế độ định hướng: bằng nút ấn, thì ở một vị trí bất kỳ, chương trình quay về vị trí ban dầu;Điều kiện ban đầu: các công tắc hành trình, cơ cấu chấp hành,…

Công tắc ngắt khi xảy ra sự cố

Trong thực tế, người ta thường chế tạo thành khối để điều khiển, cách chọn chế độ làm việc và chức năng của khối được thể hiện như hình 9.28

Trong sơ đồ hình 9.28:

SP – nguồn khí nén ; ST – cổng vào cho nút khởi động;

DL – cổng vào cho chế độ tự động; SO – cổng vào cho chế độ dừng;

NS – cổng vào cho điều kiện ban đầu; A – cổng ra cho tín hiệu trung gian;

Y n+1 – cổng vào cho vị trí ban đầu; Y n – cổng ra cho tín hiệu điều khiển

SH – cổng ra cho tín hiệu tự duy trì cho quá trình tự động nhiều chu kỳ;

Ví dụ 9.7: sơ đồ mạch chọn chế độ làm việc như hình 9.29

Vị trí chọn chế độ làm việc bằng tay, thực hiện được chế độ định hướng và những tín hiệu cho công việc phụ

Khi nhấn nút chuyển sang chế độ tự độn, cổng SP (nguồn khí nén) sẽ có khí Khi nút khởi động thực hiện, van đảo chiều 0.1 đổi vị trí Nếu vị trí ban đầu của thiết bị có giá trị L, van đảo chiều

0.3 đổi vị trí và như vậy cổng Y n có giá trị L

Nếu như chọn chế độ tự động một chu kỳ, cổng ra Y n có giá trị L chỉ trong thời gian ấn nút khởi động

Nếu như chọn chế độ tự động một chu kỳ, cổng ra Y n có giá trị L chỉ trong thời gian ấn nút khởi động

Nếu như chọn chế độ tự động nhiều chu kỳ, sau khi ấn nút khởi động, van 0.1 đổi vị trí và được duy trì qua van OR

Trong trường hợp điều kiện ban đầu không có, van đảo chiều 0.2 đổi vị trí và như vậy cổng Y n cógiá trị 0 Hệ thống điều khiển bị ngắt

Ví dụ 9.8 (hình 9.30): Ngoài những chức năng như ở ví dụ 1, khả năng mở rộng của cụm điều

khiển gồm: công tắc ngắt khi nguy hiểm và khi khí nén trong hệ thống bị mất đi, muốn hệ thống

tự động hoạt động trở lại thì nhất thiết phải ấn nút khởi động lại

Theo sơ đồ, tín hiệu cho nguồn SP được nối với công tắc ngắt khi nguy hiểm qua van chọn chế

độ làm việc

Khi tác động vào công tắc ngắt khi nguy hiểm, toàn bộ cụm điều khiển sẽ mất khí

Khi tác động vào nút khởi động, van đảo chiều 0.4 đổi vị trí và được duy trì qua van OR Đồng thời van 0.1 đổi vị trí và nếu vị trí ban đầu của thiết bị có giá trị L, van đảo chiều 0.3 đổi vị trí và như vậy cổng Y n có giá trị L

Trong trường hợp nguồn khí nén trong hệ thống bị mất đột ngột hoặc áp suất không đạt được giá trị cho phép, van đảo chiều 0.4 sẽ đổi vị trí và nguồn khí nén sẽ mất Trong lúc đó chu kỳ làm việc của hệ thống giữa nguyên vị trí Khi nguồn khí nén co lại, hệ thống điều khiển không tự động hoạt động lại Muốn hệ thống hoạt động trở lại thì ta phải ấn lại nút khởi động

Công tắc ngắt khi nguy hiểm đóng và điều kiện ban đầu không có thì hệ thống cũng bị ngắt

9.2 Hệ thống điều khiển điện – khí nén

9.2.1 Các phần tử điện

a) Công tắc: trong kỹ thuật điều khiển thì công tắc, nút ấn thuộc các phần tử đưa tín hiệu Hình 9.31 là công tắc đóng – mở

b) Nút ấn (hình 9.32)

c) Công tắc hành trình và cảm biến

- Công tắc hành trình điện – cơ: là công tắc thường đóng, công tắc thường mở và công tắc chuyển mạch Hình 9.33 là nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện điện – cơ chuyển mạch Khi con lăn chạm cữ hành trình thì tiếp điểm 1 nối với tiếp điểm 4

Ví dụ 9.10: Mạch điều khiển bằng điện – khí nén sử dụng hai công tắc hành trình S1 (công tắc thường mở) và S2 (công tắc thường đóng).

- Công tắc hành trình nam châm: là loại công tắc hành trình không tiếp xúc Nguyên lý và ký hiệuđược thể hiện trên hình 9.36

- Cảm biến tiệm cận (Proximity sesors): Hình 9.38 là ví dụ về vị trí làm việc, sơ đồ mạch điện của cảm biến tiệm cận.

Với cảm biến tiệm cận có các loại sau: Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận quang

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Inductive proximity sensor):

Hình 9.39 thể hiện nguyên lý hoạt động, sơ đồ nguyên lý và ký hiệu của cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

Nguyên lý hoạt động: bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao Khi có vật cản bằng kim loại nằm trong vùng đường sức từ của từ trường, trong kim loại đó sẽ hình thành dòng điện xoáy Như vậy năng lượng của dao động sẽ giảm, dòng điện xoáy sẽ tăng, khi vật cản càng gần cuộn cảm ứng Qua đó biên độ dao động của bộ dao động sẽ giảm, qua bộ so và tín hiệu ra được khuếch đại Nếu tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân thì bộ so (mạch Triggering stage) đóng nhiệm vụ chuyển thành tín hiệu có dạng xung

Đối với loại cảm biến này khoảng cách phát hiện (kim loại sắt từ) thường gặp là 0 ,8÷ 10 mm (loại có độ nhạy cao nhất khoảng 250mm) Điện áp cung cấp 10÷ 30VDC; dòng điện cung cấp ra tải 75÷ 400 mA.

Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive proximity sensor):

Hình 9.40 thể hiện sơ đồ nguyên lý và ký hiệu của cảm biến tiệm cận điện dung

Nguyên lý hoạt động: Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao Khi có vật cản bằng hoặc phi kim loại nằm trong vùng đường sức từ của điện trường, điện dung tụ điện thay đổi Như vậy tần số riêng của bộ dao động thay đổi Qua bộ so, bộ nắn dòng, tín hiệu ra được khuếch đại

Cảm biến tiệm cận quang (Optical proximity sensor):

Hình 9.41 thể hiện nguyên lý hoạt động, sơ đồ nguyên lý và ký hiệu của cảm biến tiệm cận quang

Nguyên lý hoạt động: cảm biến quang bao gồm hai bộ phận đó là bộ phận phát và bộ phận nhận(hình 9.41a) Bộ phận phát sẽ phát sẽ phát đi tia hồng hồng ngoại bằng điôt phát quang, khi gặpvật chắn, tia hồng ngoại sẽ được xử lý trong mạch và cho tín hiệu ra sau khi khuếch đại.

Tùy thuộc vào cách thiết lập vị trí của bộ phận phát và bộ phận nhận, người ta chia cảm biến quang thành hai loại, đó là: cảm biến quang phản hồi (hình 9.41b) và cảm biến quang một chiều(hình 9.41c)

- Bộ chuyển đổi tín hiệu áp suất – tín hiệu điện (hình 9.42):

Khi áp suất p khí nén vào cửa 12 vượt quá giá trị đặt, bộ tiếp điểm chuyển mạch chuyển trạng thái mạch điện Có thể sử dụng bộ chuyển đổi này làm rơ le áp suất

Ví dụ 9.11: Hình 9.43 là mạch khí nén và mạch điện điều khiển có sử dụng bộ chuyển đổi áp suấtkhí – tín hiệu điện (loại thường đóng)

d) Phần tử xử lý tín hiệu

Các phần tử xử lý tín hiệu được dùng trong hệ điều khiển điện – khí nén rất đa dạng (ví dụ như các mạch điện tử, máy tính số,…) Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp đơn giản chúng ta dùng role điện từ (Relay)

- Role điện từ (hình 9.44):

Nguyên lý hoạt động là khi có dòng điện vào cuộn dây cảm ứng, xuất hiện lực từ trường, lực này

sẽ hút lõi sắt (trên đó có lắp các tiếp điểm thường mở và các tiếp điểm thường đóng) để đóng các tiếp điểm thường mở và mở các tiếp điểm thường đóng

Biểu diễn trên hình 9.44 gồm các ký hiệu:

K – Role; A1 – cửa nối với cực dương (+); A2 – cửa nối với cực âm (-);

Tiếp điểm 1-4 là tiếp điểm thường mở; tiếp điểm 1-2 là tiếp điểm thường đóng

- Role thời gian: role thời gian còn gọi là bộ định thời gian có thể thực hiện bằng khí nén đã được trình bày ở chương 8 Trong cấu trúc hệ điều khiển bằng điện – khí nén, người ta có sử dụng các bộ định thời gian bằng điện tử, điện từ hay kết hợp các linh kiện điện tử với role điện

từ Dưới đây trình bày hai loại role, đó là: role thời gian đóng trễ (ON Delay Timer) và role thời gian ngắt trễ (OFF Delay timer)

+ Role thời gian đóng trễ (hình 9.45):