nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để điều khiển hệ thống pistong –xylanh khí nén trên mô hình

Môc lôc 5.1. Kh¸i niÖm 7.3. BiÓu diÔn phÇn tö logic cña khÝ nÐn 37 Danh mục các chữ viết tắt TT Chữ viết tắt GiảI nghĩa 1 OR Hoặc 2 And Và 3 Not Phủ định 4 Nand (Not and) Phủ định của Và 5 NOR (Not or) Phủ định của hoặc 6 XOR (EXCLUSIVE-OR) Loại trừ-hoặc 7 PLC (Programmable Logic Controller) Thiết bị điều khiển logic lập trình đợc 8 CPU (Pentral Procesing Unit) Khối sử lý trung tâm 9 X Tín hiệu vào PLC 10 Y Tín hiệu điều khiển 11 M Vùng nhớ phụ 12 STL (Step Ladder) Sơ đồ hình thang 13 V DC (Voltage-Direct current) Điện áp một chiều 14 C (Counter) Bộ đếm 15 K Giá trị bộ đếm 16 RST (Reset) Thiết lập lại 17 Đ/C Động cơ 18 CTHT1,2,3,4 Công tắc hành trình 1,2,3,4. Mở đầu Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, điện tử, tự động hoá, việc ứng dụng các công nghệ điện tử, tự động hoá vào điều khiển trong công nghiệp và hệ thống khí nén trong các dây truyền sản xuất là rất quan trọng. Nó đóng một vai trò tích cực trong sự phát triển của các ngành công nghiệp, tạo ra các sản phẩm có chất lợng cao, giá thành hạ, giảm bớt sức lao động cho con ngời, năng xuất lao động nhờ thế mà đợc nâng cao, thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nói chung. Việc áp dụng tự động hoá vào quá trình điều chỉnh hệ thống khí nén nhờ các chơng trình phần mềm đợc cài đặt sẵn theo yêu cầu của công nghệ sản xuất. Để điều khiển hoạt động của các hệ thống đó, ngời ta sử dụng kết hợp những bộ điều khiển dùng các vi mạch điện tử, các bộ vi xử lý, bộ điều khiển PLC và máy tính điều khiển. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đợc sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp nh là một giải pháp lý tởng cho việc tự động hóa quá trình sản xuất. Cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, bộ điều khiển logic khả trình đã đạt đợc những u thế cơ bản trong những ứng dụng điều khiển công nghiệp, đó là dễ dàng lập trình và lập trình lại, nhanh chóng thay đổi chơng trình điều khiển, độ tin cậy cao trong môi trờng công nghiệp, cấu tạo nhỏ gọn và giá thành thấp so với hệ thống điều khiển truyền thống dùng rơle. Vì vậy việc học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển là một nhu cầu rất cần thiết. Mục đích là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để điều khiển hệ thống Pistong Xylanh khí nén trên mô hình. Nội dung đồ án gồm các chơng: Chơng 1: Tổng quan về Khí nén và thiết bị khí nén. Trong chơng này sẽ tìm hiểu về Lịch sử hình thành và phát triển, các u nh- ợc điểm, các ứng dụng và các loại máy nén khí thông dụng đang đợc sử dụng rộng rãi, các phần tử trong hệ thống khí nén nh là các loại van, các cơ cấu chấp hành nh: Pistong-Xylanh. Chơng 2: Tổng quan về Động cơ một chiều. Chơng này giới thiệu về u, nhợc điểm của động cơ 1 chiều so với động cơ xoay chiều. Nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần tĩnh, phần động của động cơ 1 chiều, một số động cơ một chiều thông dụng trên thị trờng. 1 Chơng 3: Bộ điều khiển logic khả trình PLC Chơng này nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động, u điểm ứng dụng của bộ điều khiển logic khả trình. Trong chơng này cũng giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình PLC nói chung và bộ PLC: Fx2N-64MR của Mitsubishi đợc sử dụng trong đồ án, phơng thức hoạt động và phơng pháp lập trình. Chơng 4: ứng dụng PLC để điều khiển và thiết kế cụm xylanh khí nén. Chơng này đã nghiên cứu và xây dựng đợc sơ đồ mạch điện ghép nối vào ra với thiết bị logic khả trình PLC, mà cụ thể là sử dụng bộ CPU của hãng Mitsubishi làm bộ xử lý trung tâm. Từ sơ đồ mạch điện này ta xây dựng đợc các lu đồ thuật toán để điều khiển hệ thống Pistong - Xylanh khí nén trên mô hình thực tế. Chơng 5: Kết quả và bàn luận Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo, GS.TS. Nguyễn Doãn ý Bộ môn Máy và Dụng cụ Công nghiệp - Trờng Đại học Bách Khoa - Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Hà nội, ngày 10 tháng 09 năm 2008 Học viên thực hiện Ngô Anh Trờng Chơng 1 Tổng quan về khí nén và các thiết bị khí nén 1. Hệ thống khí nén Vào khoảng thế kỷ 17 các nhà khoa học Blaise Pascal, Denis Papin, Otto von Guerike đã xây dựng nền tảng cho việc ứng dụng khí nén. Trong thời kỳ cách mạng công nghiệp hiện nay, sự phát triển về điều khiển bằng khí nén không ngừng đợc áp dụng. Nó đợc sử dụng trong các hệ thống nh: giá kẹp chi tiết, các thiết bị nâng hạ trong các máy đúc, máy CNC, máy khoan, máy va đập dùng trong làm đờng, hệ thống phanh ôtô và đặc biệt là trong các dây truyền sản xuất nh dây truyền hàn, dây chuyền đóng hộp, và trong các ngành khai thác than, dầu 2 khí 1.1. Với các u điểm - Không gây ô nhiễm môi trờng - Có khả năng chuyền tải đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đờng truyền thấp. - Khả năng kẹp dữ vật và nâng vật có khối lợng lớn tốt. - Trọng lợng trên một đơn vị công suất nhỏ. - Khí thải ra môi trờng không gây ô nhiễm. 1.2. Nhợc điểm - Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. - Khi tải trọng thay đổi, vận tốc chuyền cũng thay đổi. - Giá thành còn đắt do công nghệ chế tạo phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao. 2. Máy nén khí Là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lợng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong đợc chuyển đổi thành năng lợng khí nén. Máy nén khí đ- ợc phân loại: 2.1. Theo áp suất - Máy nén khí áp suất thấp p 15 bar - Máy nén khí áp suất cao p 15 bar - Máy nén khí áp suất rất cao p 300 bar 2.2. Theo nguyên lý hoạt động Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí kiểu tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. Máy nén khí kiểu Pisston Máy nén khí kiểu cánh gạt Máy nén khí kiểu root Hình 2.1a Các loại máy nén khí. 3 Hình 2.1b máy nén khí kiểu trục vít. +Máy nén khí tuabin: máy nén khí li tâm (Hình 2.2a) và máy nén khí theo chiều trục (Hình 2.2b). Hình 2.2 Máy nén khí tuabin a. Máy nén khí li tâm b. Máy nén khí chiều trục 3. Thiết bị xử lí khí nén. 3.1. Yêu cầu về khí nén Khí nén đợc tạo ra từ những máy nén khí chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở những mức khác nhau. Chất bẩn bao gồm bụi, độ ẩm không khí đợc hút vào, những phần tử nhỏ chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa trong quá trình nén, nhiệt độ không khí tăng lên, có thể gây nên quá trình oxy hóa một số phần tử đợc kể trên. Nh vậy khí nén bao gồm chất bẩn đó đợc tải đi trong ống dẫn khí, sẽ gây nên sự ăn mòn, gỉ trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển. Nh vậy khí nén đợc sử dụng trong kĩ thuật phải xử lí. Mức độ xử lí khí nén còn tùy thuộc vào phơng pháp xử lí, từ đó xác định chất lợng của khí nén tơng ứng cho từng trờng hợp vận dụng cụ thể. 3.2. Quá trình xử lí khí nén. Khí nén đợc tải từ máy nén khí bao gồm những chất bẩn thô: những hạt bụi , chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí, phần lớn những chất bẩn này đợc xử lí trong thiết bị, gọi là thiết bị làm lạnh tạm thời, sau khi khí nén đợc đẩy ra từ máy khí nén. Sau đó khí nén đợc dẫn vào bình làm hơi nớc ngng tụ, ở đó độ ẩm của khí nén (lợng hơi nớc) phần lớn sẽ đợc ngng tụ tại đây. Giai đoạn 4 b a xử lí này gọi là giai đoạn xử lí thô. Nếu thiết bị để xử lí khí nén ở giai đoạn này tốt, hiện đại thì khí nén có thể đợc sử dụng, ví dụ những dụng cụ khí nén cầm tay, những thiết bị, đồ gá đơn giản dùng khí nén Tuy nhiên sử dụng khí nén trong hệ thông điều khiển và một số thiết bị khác đòi hỏi chất lợng khí nén cao hơn. Để đánh giá chất lợng của khí nén Hội đông các xí nghiệp châu Âu PNEUROP 6611 phân ra thành 5 loại trong đó có tiêu chuẩn về độ lớn của chất bẩn, áp suất hoá sơng, lợng dầu trong khí nén đợc xác định. Cách phân loại này nhằm định hớng cho những nhà máy, xí nghiệp chọn đúng chất lợng khí nén với thiết bị sử dụng. Hình 3.1 Các phơng pháp sử lý khí nén Hệ thống xử lí khí nén đợc phân loại thành 3 giai đoạn, đợc mô tả ở hình 3.1: - lọc thô : làm mát tạm thời khí nén từ máy nén khí ra, để tách chất bẩn bụi. Sau đó khí nén đợc đa vào bình ngng tụ, để tách hơi nớc. Giai đoạn lọc thô là giai đoạn cần thiết nhất cho vấn đề xử lí khí nén. - phơng pháp sấy khô: giai đoạn này xử lí tuỳ theo chất lợng yêu cầu của khí nén - lọc tinh : xử lí khí nén trong giai đoạn này, trợc khi đa vào sử dụng. Giai đoạn này rất cần thiết cho hệ thống diều khiển. 4. Hệ thống thiết bị phân phối khí nén Hệ thống thiết bị phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ máy nén khí đến khâu cuối cùng để sử dụng, ví dụ nh động cơ khí nén, máy ép 5 Giai đoạn xử lí khí nén Lọc thô Sấy khô Lọc tinh Làm lạnh Tách n ớc Ng ng tụ Hấp thụ Bộ lọc Cụm bảo d ỡng Lọc chất bẩn Lọc bụi Sấy khô bằng chất làm lạnh Hấp thụ khô bằng chất làm lạnh Bộ lọc Điều chỉnh áp suất Bộ tra dầu dùng không khí nén, máy nâng dùng không khí nén, máy rung dùng không khí nén, dụng cụ cầm tay dùng không khí nén và hệ thống điều khiển bằng không khí nén (cơ cấu chấp hành, các phần tử điều khiển ). Truyền tải không khí nén đợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, cần phân biệt ở đây mạng đờng ống đợc lắp ráp cố định (nh trong nhà máy) và mạng đờng ống lắp ráp trong từng thiết bị, trong từng máy (hình 4.1). Bình trích chứa trung gian Máy nén khí Bình trích chứa chính Độ nghiêng đ ờng ống 1-2% Bình trích chứa cho thiết bị, máy Thiết bị lọc Van xả n ớc Bình ng ng tụ hơi n ớc Hình 4.1: Hệ thống thiết bị phân phối khí nén Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén là đảm bảo áp suất p, lu lợng Q và chất lợng của khí nén cho nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc. Ngoài tiêu chuẩn chọn hợp lí máy nén khí, tiêu chuẩn chọn đúng thông số của hệ thống ống dẫn (ví dụ: đờng kính ống dẫn, vật liệu ống dẫn) cách lắp đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống thiết bị phân phối khí nén cũng đóng vai trò quan trọng về phơng diện kinh tế cũng nh về yêu cầu kĩ thuật cho hệ thống điều khiển bằng khí nén. Yêu cầu về tổn thất áp suất đối với hệ thống thiết bị phân phối khí nén (từ bình tích áp chính cho đến nơi tiêu thụ, cụ thể là các thiết bị máy móc) không vợt quá 1,0 bar, cụ thể nh sau: - Tổn thất áp suất trong ống dẫn chính 0,1 bar - Tổn thất áp suất trong ống nối 0,1 bar - Tổn thất áp suất trong thiết bị xử lí khí nén (trong bình ngng tụ, tách nớc) 0,1 bar - Tổn thất áp suất trong thiết bị lọc tinh 0,1 bar 4.1. Bình trích chứa khí nén 6 Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và đợc sử lý thì cần có một bộ phận lữu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngng tụ và tách nớc. Kích thớc bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thớc này còn phụ thuộc vào phơng pháp sử dụng (sử dụng liên tục hay gián đoạn). Các thiết bị lu trữ, lọc sạch phải đủ dung tích và có chất lợng cao để đảm bảo lợng không khí nén đầy đủ và đợc lọc sạch, cũng nh là đủ lợng dầu bôi trơn để tăng tuổi thọ làm việc cho các cơ cấu dẫn động và các van của hệ thống. b. c. Đồng hồ đo áp suất (áp kế) Đ ờng khí nén vào Đ ờng khí nén ra a. Hình 4.2: Các loại bình trích áp khí nén a. Loại bình trích áp thẳng đứng b. Loại bình trích áp nằm ngang c. Loại bình trích áp nhỏ gắn trực tiếp vào ống dẫn khí Bình tích áp có thể lắp ráp theo những vị trí khác nhau (hình 4.2). Đờng ống nối khí nén ra thờng nằm ở vị trí cao nhất của bình tích áp. 4.2. Mạng đờng ống dẫn khí nén Là thiết bị chuyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành. Đờng ống sẽ nối những thiết bị hệ thống khác nhau, cung cấp đờng dẫn công suất cho không khí nén ở trạng thái chuyển động hoặc trạng thái tĩnh. Đờng ống dẫn khí nén đợc trang bị cho phép tháo lắp dễ dàng và nhanh chóng. Nối hệ thống đến các thiết bị 7 bằng cách đơn giản là đẩy vào cổng vào hoặc cổng ra. Tháo ống ra bằng cách một tay đè vào vành tỳ, tay kia kéo ống ra. 5. Các phần tử trong hệ thống điều khiển 5.1. Khái niệm Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển (open- loop control system). Mạch điều khiển theo DIN 19266 (Tiêu chuẩn của Cộng hoà Liên Bang Đức) gồm các phần tử đợc mô tả ở hình 5.1. 8 [...]... các hệ thống vật lý đợc gọi là điều kiển học kỹ thuật Mỗi hệ thống đều có tác động vào và đáp ứng ra hay còn gọi là tín hiệu vào và ra Trong mỗi hệ thống có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào và tín hiệu ra Các tác động vào Các đáp ứng của hệ U(s) Y(s) Tín hiệu vào Tín hiệu ra Hệ thống Hình 7.1 : Sơ đồ chức năng hệ ĐKTD Hệ thống điều khiển tự động là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và. .. ( 0 và 1) và tín hiệu bộ ba là tín hiệu số có ba giá trị ( hình 7.5) Điều khiển bằng khí nến phần lớn sở dụng tín hiệu nhị phân ; ví dụ: Đóng Mở Van đóng Van mở Có áp suất Không có áp suất 7.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển Ta phân loại hệ thống điều khiển thành 2 loại: a Hệ thống mạch hở: Là hệ thống mà các tín hiệu vào và ra có tính chất độc lập với nhau Sơ đồ: u G y Hình 7.6- hệ thống điều khiển. .. dụ - Xilanh - Động cơ khí nén - Bộ biến đổi áp lực Hình 7.4- các phần tử của mạch điều khiển Tín hiệu điều khiển: là đại lợng ra xa của thiết bị điều khiển và đại lợng vào xe của đối tợng điều khiển Tín hiệu nhiễu z : là đại lợng tác động từ bên ngoài vào hệ thống và gây ảnh hởng xấu lên hệ thống Thông tin ( tín hiệu vào xe và tín hiệu ra x a ) để cho mạch điều khiển bằng khí nén theo một quy luật định... vào khi có sai lệch chiều cao cột chất lỏng nhằm hồi phục lại nh lúc đầu Hình 7.2: Hệ thống tự động làm đều mức chất lỏng Sơ đồ nguyên lý làm việc 7.1.2 Các loại tín hiệu điều khiển Một hệ thống điều khiển bao gồm : Thiết bị điều khiển và đối tợng điều khiển, nh hình 7 3 Hình 7.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển Đối tợng điều khiển: là các loại thiết bị, máy móc trong kỹ thuật Thiết bị điều khiển (mạch điều. .. điều khiển phi tuyến - Hệ thống điều khiển liên tục: Các tín hiệu tác động trong hệ là các tín hiệu tơng tự, tức là các hàm liên tục theo thời gian - Hệ thống điều khiển số : tín hiệu điều khiển là tín hiệu rời rạc - Hệ thống tiền định: là hệ thống có tín hiệu ngẫu nhiên - Hệ thống ngẫu nhiên: là hệ có tín hiệu ngẫu nhiên tác động - Hệ thống điều khiển tối u : Hệ mà trong đó các thiết bị điều khiển. .. vận tải, công nghệ thông tin điểu khiển tự động đã đạt đợc trình độ cao Theo quan điểm điều khiển học, thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hàng ngày đều bị chi phối bởi một vài hình thức điều khiển và xung quanh chúng ta có rất nhiều hệ thống điều khiển Trong các hệ thống đó đối tợng điều khiển có thể là các hệ thống vật lý, các trang bị kỹ thuật, hệ thống quản lý kinh tế phạm vi nghiên cứu đối tợng là... logic OR: Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì cửa P2 bị chặn và của P1 nối với cửa A Ngợc lại dòng khí nén đi vào cửa P2 thì cửa P1 bị chặn lại, cửa P2 nối với cửa A Van logic AND: Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1 bị chặn lại, ngợc lại khi có dòng khí nén và P2 thì P2 bị chặn lại Chỉ khi nào cả hai cửa P1 và P2 đều có khí đi vào thì mới có khí nén đi qua cửa A Van xả khí nhanh: Khi có dòng khí nén vào... tác động lại lẫn nhau, để chỉ huy, hiệu chỉnh bản thân hoặc điều khiển hệ thống khác Ví dụ: Hệ thống điều khiển lu lợng chảy của chất lỏng Thông qua bộ điều khiển động cơ điện - bánh răng - thanh răng mà van me dịch chuyển, điều khiển lu lợng cung cấp cho bình chứa nhằm giữ cho chiều cao cột chất lỏng Y không đổi Van Vs dùng để điều chỉnh lu lợng ra Hệ thống phản hồi có tác dụng điều chỉnh 26 góc quay... thuyết điều khiển bằng khí nén 7.1 Khái niệm cơ bản 7.1.1 Khái niệm về điều khiển Khái niệm Điều khiển theo tiêu chuẩn DIN 19226 đợc định nghĩa: Là quá trình của một hệ thống, trong đó dới tác động của một hay nhiều đại lợng vào, những đại lợng ra đợc thay đổi theo một quy luật nhất định của hệ thống đó Trong những năm gần đây, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và tiến bộ. .. thiết bị Kí hiệu Xylanh tác dụng một chiều áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của xylanh, phía còng lại là do ngoại lực hoặc lò xo tác dụng Chiều tác dụng ngợc lại do ngoại lực Chiều tác dụng ngợc lại do lò xo 17 Xylanh tác dụng hai chiều áp suất khí nén đợc dẫn vào hai phía của xylanh, do yêu cầu điều khiển mà xylanh sẽ đi vào hay đi ra tùy thuộc vào áp lực khí nén vào phía nào nhiều hơn Xylanh . học tập, nghiên cứu và ứng dụng PLC trong các hệ thống điều khiển là một nhu cầu rất cần thiết. Mục đích là nghiên cứu về bộ điều khiển logic khả trình và ứng dụng để điều khiển hệ thống Pistong. 3: Bộ điều khiển logic khả trình PLC Chơng này nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động, u điểm ứng dụng của bộ điều khiển logic khả trình. Trong chơng này cũng giới thiệu về bộ điều khiển logic khả trình. sử dụng kết hợp những bộ điều khiển dùng các vi mạch điện tử, các bộ vi xử lý, bộ điều khiển PLC và máy tính điều khiển. Trong những năm gần đây, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đợc sử dụng ngày