BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH CƠ KHÍ ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN SERVO KHÍ NÉN TRÊN CÁC THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TH
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH CƠ KHÍ
ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN SERVO KHÍ
NÉN TRÊN CÁC THIẾT BỊ CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THÙY DƯƠNG Người hướng dẫn Luận văn: PHẠM VĂN HÙNG
Hà Nội, 2010
Trang 2Luận văn thạc sỹ khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nghiên cứu và kết quả đạt được trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo trích dẫn
Học viên Nguyễn Thùy Dương
Trang 3Luận văn thạc sỹ khoa học
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 4
DANH SÁCH HÌNH VẼ 5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU 7
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN KHÍ NÉN 10
1.1 Sự phát triển của khí nén 10
1.2 Đặc trưng của khí nén 10
1.3 Hệ truyền động khí nén 11
1.3.1 Ưu nhược điểm của hệ thống 11
1.3.2 Cấu trúc của hệ truyền động khí nén 12
1.3.3 Động học và nhiệt động học các hệ truyền động khí nén 18
1.3.4 Tổn thất trong hệ thống khí nén 29
1.3.5 Ứng dụng của hệ truyền động khí nén 34
CHƯƠNG II: HỆ THỐNG SERVO KHÍ NÉN 36
2.1 Giới thiệu hệ thống servo 36
2.1.2 Hệ thống servo điện 38
2.1.3 Hệ thống servo thủy lực 40
2.1.4 Hệ thống servo khí nén 43
2.2 Xây dựng mô hình hệ thống khoan servo khí nén ứng dụng trong khai thác mỏ ở Viêt nam 54
2.2.1 Phân tích và lựa chọn 54
2.2 Xây dựng mô hình hệ thống khoan servo khí nén 59
2.2.3 Các phần tử điều khiển 62
2.2.4 Phần tử xử lý tín hiệu 64
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN SERVO KHOAN KHÍ NÉN TRONG KHAI THÁC MỎ 66
3.1 Điều khiển PLC 66
3.1.1 PLC 66
Trang 4Luận văn thạc sỹ khoa học
3.1.2 Cấu trúc cơ bản của PLC 66
3.2 Bộ điều khiển PLC S7 – 200 70
3.2.1 Cấu trúc chung 71
3.2.3 Cấu trúc bộ nhớ S7-200 72
3.3 Điều khiển hệ thống 74
3.3.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống 75
3.3.2 Sơ đồ thuật toán 75
3.3.3 Bảng tín hiệu I/O 79
KẾT LUẬN 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
PHỤ LỤC 84
Trang 5
Luận văn thạc sỹ khoa học
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng đã tận tình hướng
dẫn trong quá trình nghiên cứu và làm luận văn PGS đã dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường ĐHBK – Hà nội cùng bạn bè và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn cũng như toàn bộ khóa học
Học viên Nguyễn Thùy Dương
Trang 6Luận văn thạc sỹ khoa học
DANH SÁCH HÌNH VẼ CHƯƠNG I
Hình1.1 Cấu trúc mạch điều khiển và các phần tử
Hình 1.8 Sơ đồ để tính lập phương trình vận tốc lan truyền sóng khí nén
Hình 1.9 Sơ đồ lập phương trình chuyển động
Hình 1.10 Đồ thị quan hệ ξ- n
Hình 1.11 Tiết diện thay đổi
Hình 1.12 Tiết diện gẫy khúc
Hình 1.13 Tiết diện uốn cong
Hình 1.14 Một số ứng dụng khí nén trong công nghiệp
CHƯƠNG II
Hình 2.1 Hệ thống servo đơn giản
Hình 2.2 Cơ chế bù sai số vị trí của hệ thống servo
Hình 2.3 Các hệ thống điều khiển vị trí
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống servo
Hình 2.5 Cấu tạo và nguyên lý bộ mã hóa góc quay hệ thống servo điện
Hình 2.6 Mạch điều khiển hệ thống servo
Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống servo thủy lực
Hình 2.8 Mặt cắt ngang van servo kiểu Nozzle-flapper
Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển servo thủy lực
Hình 2.10 Hệ thống servo khí nén
Hình 2.11 Van tỷ lệ
Hình 2.12 Sự vận hành của van tỷ lệ
Trang 7Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 2.13 Xy lanh
Hình 2.14 Thuật toán của hệ thống servo khí nén
Hình 2.15 Graph tín hiệu của hệ thống servo vị trí khí nén
Hình 2.16 Một số ứng dụng hệ thống servo khí nén trong công nghiệp
Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của van phân phối điện từ 5/3
Hình 2.18 Mặt cắt của van tiết lưu
Hình 2.19 Van tiết lưu chính xác
Hình 2.20 Quan hệ lưu lượng trung bình và góc quay của trục tiết lưu
Hình 2.21 Sơ đồ tương đương của 2 loại van
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 2.23 Quan hệ giữa năng lượng danh nghĩa tương đối với góc quay của
van tiết lưu
Hình 2.24 Quan hệ giữa lưu lượng danh nghĩa tương đối với điện áp đầu vào
Hình 2.30 Van tiết lưu
Hình 2.31 Thước kính đo dịch chuyển dài và bộ mã hóa
Trang 8Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 3.6 Bộ điều khiển lập trình PLC- 214
Hình 3.7 Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống servo khí nén
Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán
Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ vận tốc theo thời gian
Hình 3.11 Sơ đồ mạch điều khiển PLC của hệ thống
Bảng 3.1 Tín hiệu điều khiển đầu vào PLC
Bảng 3.2 Tín hiệu điều khiển đầu ra PLC
Bảng 3.3 Bảng trạng thái của hệ thống
Trang 9Luận văn thạc sỹ khoa học
LỜI NÓI ĐẦU
I Lý do chọn đề tài:
Hệ thống truyền động khí nén ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính ưu việt của nó như: sạch, truyền dẫn vô cấp về tốc độ, khả năng quá tải rất cao, làm việc tốt trong môi trường khắc nghiệt, không gây nguy cơ cháy nổ…Tuy nhiên hệ thống truyền động khí nén có hạn chế là khó điều khiển chính xác vị trí và tốc độ dịch chuyển Để khắc phục nhược điểm này các nhà khoa học đã nghiên cứu ứng dụng điều khiển servo vào trong hệ thống khí nén Tuy nhiên, ở Việt Nam, nghiên cứu điều khiển servo khí nén vẫn còn khá mới mẻ
Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài: ”Ứng dụng PLC trong điều khiển servo khí nén
trên các thiết bị công nghiệp” nhằm nghiên cứu điều khiển servo khí nén trên các
thiết bị công nghiệp trên cơ sở một mô hình hệ thống servo khí nén cụ thể điều khiển bằng PLC
II Tính cấp thiết của đề tài
Điều khiển servo khí nén được đề cập tới từ những năm đầu của thế kỷ XXI với nhiều công trình nghiên cứu của nhóm tác giả các nước trên thế giới
Tại Việt Nam việc ứng dụng các hệ thống khí nén là rất phổ biến Với yêu cầu ngày càng cao về tính chính xác và ổn định tốc độ trong quá trình hoạt động của hệ thống, vấn đề điều khiển servo các hệ thống khí nén trở nên cấp thiết Vì vậy đề tài này mong đóng góp những nghiên cứu bước đầu trong việc nghiên cứu điều khiển servo các hệ thống khí nén trong công nghiệp cũng như trong giảng dạy
III Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài
Mục đích: Xây dựng mô hình hệ thống servo khí nén điều khiển bằng PLC trong công nghiệp
Trang 10Luận văn thạc sỹ khoa học
IV Ý nghĩa
Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công hệ thống điều khiển servo khí nén sẽ góp phần tiếp cận được công nghệ thiết kế và chế tạo các hệ thống servo trong công nghiệp ngày nay Hệ thống servo này có thể ứng dụng vào trong công nghiệp hoặc làm thiết bị dạy học trong các trường Đại học công nghệ với giá thành chấp nhận
được
Trang 11Luận văn thạc sỹ khoa học
CHƯƠNG I TỔNG QUAN KHÍ NÉN 1.1 Sự phát triển của khí nén
Ứng dụng khí nén đã có từ trước công nguyên Nhà triết học người Hi lạp Ktesibios và học trò của ông Heron đã chế tạo ra thiết bị bắn tên Sau đó còn phát minh ra thiết bị đóng mở cửa bằng khí nén, bơm, súng phun lửa… Tuy nhiên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời đó không đồng bộ, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu… còn thiếu cho nên phạm vi ứng dụng khí nén còn rất hạn chế
Thế kỷ 17, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike, triết học người pháp Blaise pascal, nhà vật lý Pháp Denis Papin đã xây dựng nền tảng cơ bản của ứng dụng khí nén
Thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh như: Phanh khí nén, búa tán đinh, thư vận chuyển trong ống bằng khí nén… Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng khí nén giảm dần Tuy nhiên, việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng điện sẽ không an toàn Khí nén được sử dụng ở những dụng cụ nhỏ nhưng truyền động với vận tốc lớn như: búa hơi, dụng cụ dập, tán đinh… nhất là các dụng cụ đồ gá kẹp chặt trong các máy
Ngày nay, khí nén càng có vai trò quan trọng hơn trong các hệ thống khí nén điều khiển tự động Sự phát triển trong công nghệ vật liệu, thiết kế và sản xuất đã cho ra đời những phần tử khí nén ngày càng đa dạng và có chất lượng, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau Sự kết hợp giữa khí nén với điện- điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai
1.2 Đặc trưng của khí nén
- Về số lượng: Có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô hạn
- Về vận chuyển: Khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống, với một khoảng cách nhất định Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường khi thực hiện xong công tác
Trang 12Luận văn thạc sỹ khoa học
- Về lưu trữ: Máy nén khí không nhất thiết phải hoạt động liên tục Khí nén có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết
- Về nhiệt độ: Khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ
- Về vận tốc: Khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được tốc độ cao(vận tốc làm việc trong các xy lanh thường 1-2 m/s)
- Về cấu tạo thiết bi: Đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác
- Về phòng chống cháy nổ: Không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên không mất chi phí cho việc phòng cháy Không khí nén thường hoạt động với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp
- Về tính vệ sinh: Khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch, không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh Tính chất này rất quan trọng trong các nghành công nghiệp đặc biệt như: thực phẩm, vải sợi, lâm sản và thuộc da
- Về tính điều chỉnh: Vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí nén được điều chỉnh một cách vô cấp
-Về sự quá tải: Các công cụ và các thiết bị được khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xảy ra quá tải
1.3 Hệ truyền động khí nén
Hệ truyền động khí nén: Là tập hợp toàn bộ các phần tử của thiết bị khí nén được
liên hệ và tác động qua lại với nhau theo một sơ đồ nhất định, nhằm đảm bảo một quy luật truyền động định trước của bộ phận công tác
1.3.1 Ưu nhược điểm của hệ thống
Trang 13Luận văn thạc sỹ khoa học
- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, độ an toàn làm việc trong môi trường dễ cháy nổ Truyền dẫn khí nén thực hiện trong các đường ống Æ
có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt như: nước, hóa chất, phóng xạ…
- Các phần tử trong hệ thống ( cơ cấu chấp hành, điều chỉnh…) có cấu tạo, điều khiển đơn giản và hầu hết được tiêu chuẩn hóa rất thuận lợi cho việc sử dụng và thay thế
b/ Nhược điểm
- Lực truyền tải thấp và có sự dò khí trên đường truyền gây ra tiếng ồn
- Do truyền dẫn chất khí có đàn hồi nên khó ổn định tốc độ khi tải trọng thay đổi và
có hiện tượng giật cục khi chuyển động với tốc độ quá chậm
- Hệ truyền động khí nén thường có kích thước lơn hơn so với các hệ thủy lực cùng công suất
Mặc dù còn nhiều hạn chế, các hệ thống truyền động khí nén vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Hiện nay khuynh hướng sử dụng kết hợp các hệ thống điện- điện tử và khí nén…cho phép mở rộng lĩnh vực ứng dụng các hệ truyền động khí nén, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất và công nghệ khác nhau
1.3.2 Cấu trúc của hệ truyền động khí nén
Một hệ truyền động khí nén gồm các thiết bị chính sau:
Không khí được nén bởi máy nén khí sau đó được vận chuyển đi khắp nhà máy
thông qua hệ thống phân phối khí nén
Trang 14Luận văn thạc sỹ khoa học
Các phần tử khí nén được thiết kế và chế tạo có thể làm việc được với áp suất từ
8÷10 bar tuy nhiên trong thực tế những phần tử này chỉ được cho hoạt động trong khoảng 5÷6 bar Do tổn thất áp suất trên đường truyền nên để cung cấp được khoảng áp suất này cho thiết bị, máy nén khí cần cung cấp khí nén ở áp suất 8÷10 bar
Khí nén có thể được điền đầy vào bình tích giúp hoạt động độc lập so với hệ thống khí nén của nhà máy
Đường ống dẫn khí nén có đường kính đường tính toán sao cho đảm bảo tổn thất
áp suất không vượt quá 0,1 bar Đường kính ống dẫn phụ thuộc:
Trang 15Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 1.2: Hệ thống cung cấp khí nén
• Van phân phối
- Van phân phối điều khiển đầu vào
- Van phân phối xử lý tín hiệu
- Van phân phối điều khiển
• Van 1 chiều
• Van tiết lưu
• Van điều áp
• Van khóa
Bảng 1.1 Giới thiệu về các loại van
cơ cấu cơ khí Van 3/2 tác động bằng cơ cấu đòn
bẩy con lăn
Trang 16Luận văn thạc sỹ khoa học
Van tiết lưu
Van tiết lưu có tác dụng tăng hoặc giảm lưu lượng dòng khí
Về lý thuyết có thể điều khiển
độ mở của van tiết lưu từ 0 - 100%
Van an toàn
Van giới hạn áp suất: đảm bảo
áp suất cung cấp không vượt quá giới hạn
Van an toàn: Cung cấp một áp suất không đổi cho hệ thống
Van điều áp
Trang 17Luận văn thạc sỹ khoa học
c) Phần tử chấp hành ( Xy lanh):
Nhiệm vụ: Biến đổi năng lượng khí nén thành các chuyển động cơ học Nó có thể
thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay
Phân loại: xy lanh lực và xy lanh quay
FZ: Lực tác động lên pittông
Trang 18Luận văn thạc sỹ khoa học
2 4
D
A= π : Diện tích pittông
D: Đường kính pittông
Pe: Áp suất khí nén trong xy lanh
FR: Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt giữa pittông và xy lanh, vận tốc chuyển động của pittông, loại vòng đệm Trạng thái vận hành bình thường, lực ma sát FR ≈ 0,15.Ap
Trang 19Luận văn thạc sỹ khoa học
hoặc một cơ cấu khác chuyển động dọc theo hành trình xy lanh được gắn kết với pittong trong xy lanh bằng nam châm, ghép nối cơ khí đặc biệt
Hình 1.7: Xy lanh không trục
1.3.3 Động học và nhiệt động học các hệ truyền động khí nén
1.3.3.1.Phương trình trạng thái nhiệt động học
Giả thiết là khí nén trong hệ thống gần như là lí tưởng Phương trình trạng thái nhiệt tổng quát của khí nén:
Trong đó
pabs : Áp suất tuyệt đối (bar)
V : Thể tích khí nén(m3) M: Khối lượng (kg) R: Hằng số khí(J/kg.K) T: Nhiệt độ Kelvin
a Định luật Boyle – Mariote
Khi nhiệt độ không thay đổi (T = const), theo phương trình (1-1) ta có:
Nếu gọi:
V1 là thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p1
V2là thể tích khí nén tại thời điểm áp suất p2
P1abs là áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1
P2abs là áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2
Trang 20Luận văn thạc sỹ khoa học
Theo phương trình 1-2 ta có thể viết như sau:
abs
abs
P
P V
V
1
2 2
1
T
T
T1(K) nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V1
T2(K) nhiệt độ tại thời điểm có thể tích V2
T
2
1 2
m T
T
V P T
1 2 2 1
:
ρρ Như vậy sự phụ thuộc khối lượng riêng ρ và áp suất p khi nhiệt độ T không thay đổi được viết như sau:
Trang 21Luận văn thạc sỹ khoa học
abs
abs p
p
1
2 1
T
T
ρ
Sự phụ thuộc khôi lượng riêng ρ vào cả ba đại lượng thay đổi áp suất p, nhiệt độ
T và thể tích V theo phương trình 1-10 ta viết được như sau:
abs
abs
p T
p T
1 2
2 1 1
2 ρ
1.3.3.2 Động học của dòng khí nén trong các hệ truyền động khí nén
Để đưa nguồn khí tới các cơ cấu chấp hành phải sử dụng các đường ống dẫn khí Phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các bộ phận biến đổi năng lượng người ta phân biệt 2 chế độ dòng chảy trong đường ống dẫn: chế độ chảy tĩnh và chế độ chảy động
Chế độ chảy tĩnh: Là chế độ chảy trong đó vận tốc trung bình của dòng khí và áp
suất tại mỗi mặt cắt là những đại lượng bất biến theo thời gian Chế độ chảy tĩnh của dòng khí có thể gặp khi sấy hoặc làm lạnh khí, trong các thiết bị đo khí nén, trong vận chuyển các vật liệu rời bằng đường ống…
Chế độ chảy động: Là chế độ chảy mà cả vận tốc trung bình, cả áp suất tại 1 mặt
cắt bất kì là những đại lượng biến thiên theo thời gian
Chế độ chảy động khá đặc trưng cho đa số các hệ thống thiết bị khí nén thực hiện các quá trình công nghệ phức tạp khác nhau, trong đó khí nén chỉ được đưa tới các
bộ biến đổi năng lượng trong những khoảng thời gian nhất định, thậm chi rất ngắn
a/ Đặc điểm của chế độ động
Do ảnh hưởng của trọng lực, lực quán tính, lực đàn hồi nên quá trình nhiệt động học trong đường ống xảy ra phức tạp
Trang 22Luận văn thạc sỹ khoa học
Trong nhiều bài toán kĩ thuật có thể bỏ qua ảnh hưởng của trọng lực, lực quán tính bởi khối lượng riêng của không khí nhỏ Những lực này thể hiện rất rõ trong những thời điểm đóng, mở và đảo chiều dòng chảy Chúng là nguyên nhân gây ra độ trễ ban đầu trong quá trình làm việc của các bộ biến đổi năng lượng (các cơ cấu chấp hành khí nén)
Tác động của lực đàn hồi thể hiện trực tiếp ngay sau khi đóng, mở thiết bị phân phối khí (van phân phối) và gây ra dao động trạng thái dừng (chuyển động hoặc đứng yên)
Giả sử, tại mặt cắt I - I ta đặt 1 van phân phối Khi dịch chuyển van phân phối tại mặt cắt I – I, áp suất tại mặt cắt II – II cách mặt cắt I – I một khoảng là L sẽ không thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nhất định đủ để cho sóng kích động – sóng không khí, đi từ mặt cắt I – I đến mặt cắt II – II Vận tốc lan truyền sóng không khí này phụ thuộc vào áp suất và khối lượng riêng của không khí
Để xác định vận tốc sóng không khí, ta sử dụng phương trình đã được biết đến trong vật lý:
Trang 23Luận văn thạc sỹ khoa học
Từ giả thiết dòng chảy của khí diễn ra theo quá trình đa biến với p n
1.3.3.2 Khảo sát động học của dòng khí nén
a) Phương trình chuyển động
Tách 1 phần tử tia khí như trên hình 1.9 và xét các lực tác dụng lên nó theo hướng chuyển động, ta có phương trình sau:
Trang 24Luận văn thạc sỹ khoa học
G=ρ ω f và phương trình bảo toàn năng lượng cho dòng khí chuyển động trong đường ống:
Trang 25Luận văn thạc sỹ khoa học
= , ta có thể thu được công thức tính
Trang 26Luận văn thạc sỹ khoa học
k n k
ξ ξ
+
=
Phân tích phương trình (1.23) ta thấy, khi ξ → 0thì giá trị củan→kcòn khi
ξ → ∞thì n→ 1 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa hệ số tổng tổn thất ξvà hệ số đa biến n được biểu diễn trên hình 1.10 Đồ thị này được dùng để đánh giá đặc điểm của quá trình nhiệt động xảy ra trong đường ống dẫn khí
Hình 1.10: Đồ thị quan hệ ξ - n b) Phương trình vận tốc
Bỏ qua sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh có thể sử dụng biểu thức (1.23) cho dh ms và viết lại phương trình (1.18) dưới dạng:
Trang 27Luận văn thạc sỹ khoa học
Tích phân phương trình (1.25) từ mặt cắt có các thông số ω0, ,p0 ρ0đến toàn bộ mặt cắt với các thông số ω, ,p ρ ta sẽ có:
n
p p
ρ = ⎢ ⎥⎡ ⎤ ρ
0 0
k
R T k
ε =Với ω0= 0(trường hợp xả khí từ khoang có thể tích lớn), ta có:
0
2
11
n n
k RT k
c) Phương trình lưu lượng
Sử dụng phương trình liên tục và thay giá trị
1 0 0
Phương trình (1.28) cho phép xác định được lưu lượng có tính đến các tổn thất do
ma sát gây ra Phân tích phương trình ta thấy khi n→ 1, lưu lượng khí sẽ giảm đi bởi quá trình đẳng nhiệt đồng thời với việc tăng nhiệt độ của khí do tổn thất ma sát
bị tăng lên (bỏ qua trao đổi nhiệt với môi trường ngoài)
Trang 28Luận văn thạc sỹ khoa học
Trong thực tế, việc sử dụng số mũ đa biến “n” để tính tổn thất do ma sát rất bất tiện bởi việc xác định rất khó khăn Vì vậy khi tính lưu lượng theo công thức (1.28) thường coi n = k, còn tổn thất do ma sát được tính đến khi xác định hệ số lưu lượng
µ
Hệ số lưu lượng µ là tích số của hệ số vận tốc (có tính đến tổn hao do ma sát) và hệ
số nén dòng tia khí Khi xác định giá trị của hệ số µ bằng thực nghiệm thường phải xét đến các yếu tố khác như sự trao đổi nhiệt, vận tốc trước cửa các kênh dẫn… Phương trình lưu lượng lúc đó sẽ có dạng:
0
2
k k th
k B
Trang 29Luận văn thạc sỹ khoa học
th th
1
ε µ
Trang 30Luận văn thạc sỹ khoa học
Đối với các phần tử, thiết bị khí nén tiêu chuẩn (van, bộ lọc…) có thể xác định
f f f
Tính toán tổn thất trong hệ thống khí nén là vấn đề rất quan trọng và phức tạp
Do trong hệ thống sử dụng lưu chất là khí nên ở đây ta chỉ quan tâm các tổn thất
sau:
Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (∆pR)
Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi (∆pE)
Tổn thất áp suất trong các loại van (∆pv)
Trang 31Luận văn thạc sỹ khoa học
pR
2
2
ρ λ
=
∆ [N/m2] (1.37) Trong đó:
L [m]: Chiều dài ống dẫn
293 , 1
p
p
ρ
ρ = [kg/m3]: Khối lượng riêng của không khí
Pn= 1,013 [bar]: Áp suất ở trạng thái tiêu chuẩn
Vn: Độ nhớt động học ở trạng thái tiêu chuẩn
1.3.4.2 Tổn thất áp suất trong tiết diện thay đổi
Trong hệ thống ống dẫn, ngoài ống dẫn thẳng còn có ống dẫn có tiết diện thay đổi, dòng khí phân nhánh hoặc hợp thành, hướng dòng thay đổi…Tổn thất áp suất trong những tiết diện đó được tính như sau:
ζ : Hệ số cản – Phụ thuộc vào tiết diện ống dẫn, số Re
- Khi tiết diện thay đổi đột ngột Æ Tổn thất áp suất là
2 1
2 1 2
Trang 32Luận văn thạc sỹ khoa học
21
2 2 2
- Khi ống dẫn gẫy khúc: Tổn thất áp suất
∆p E =0,5.ζρw2 [N/m2] (1.40) Trong đó:
Trang 33Luận văn thạc sỹ khoa học
- Khi đường ống dẫn bị cong Tổn thất áp suất là:
ζg = u +
u
ζ : Hệ số cản do độ cong- Phụ thuộc vào gốc uốn cong ϕ, tỉ số R/d và chất
lượng bề mặt trong của ống
Re
ζ : Hệ số cản do ảnh hưởng của Reynold
Hinh 1.13: Tiết diện uốn cong
Trang 34Luận văn thạc sỹ khoa học
Tổn thất áp suất trong các loại van tính theo
Hệ số kv được xác định bằng T = 278-303 (K)áp suất ban đầu là 6 bar, tổn thất áp suất ∆p0 = 0,981[bar]
Trong đó:
qv : [m3/h] Lưu lượng khí nén
ρ [kh/m3] Khối lượng riêng không khí
∆p [bar] Tổn thất áp suất qua van
g
2
18.10 2
2 6 2
3600
10 18.10 2
k w
A q g
Trang 35Luận văn thạc sỹ khoa học
Thay vào phương trình trên
= ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞
v v
k
d2
3,626
a/ Trong lĩnh vực điều khiển
Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa quá trình sản xuất phát triển mạnh mẽ Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Chỉ riêng cộng hòa liên bang Đức đã có 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử điều khiển bằng khí nén
Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó hay xảy ra những vụ nổ nguy hiểm như các thiết bị hun sơn, các loại đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc trong lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh môi trường rất tốt và an toàn cao
Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được sử dụng trong các dây chuyền rửa tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong công nghiệp hóa chất
b/ Trong các hệ thống truyền động
- Các dụng cụ, thiết bị máy va đập:
+ Thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác như: Khai thác đá, than
+ Các công trình xây dựng: Xây dựng hầm mỏ đường hầm
- Truyền động quay:
Truyền động động cơ quay với công suất lớn bằng năng lượng khí nén giá thành cao Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng lượng khí nén và một động cơ điện có cùng công suất, thì giá thành tiêu thụ điện của động cơ quay bằng năng lượng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ điên Nhưng ngược lại thể tích và trọng lượng nhỏ hơn 30% so với động cơ điện có cùng công suất
Trang 36Luận văn thạc sỹ khoa học
Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, công suất khoảng 3,5KW, máy mài công suất 2,5KW cũng như máy mài với công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao khoảng 100000v/ph thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp
- Truyền động thẳng:
Vận dụng truyền động bằng áp suất khí nén cho truyền động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công
gỗ, trong các thiết bị làm lạnh cũng như trong hệ thống phanh ô tô
- Trong các hệ thống đo và kiểm tra:
Một số hình ảnh ứng dụng của khí nén trong công nghiệp
Trang 37Luận văn thạc sỹ khoa học
CHƯƠNG II
HỆ THỐNG SERVO KHÍ NÉN 2.1 Giới thiệu hệ thống servo
2.1.1 Khái niệm
Hệ thống servo là một hệ thống điều khiển vòng lặp kín được sử dụng để điều khiển chính xác vị trí, vận tốc, hoặc gia tốc của các thiết bi cơ khí với độ ổn định và độ tin cậy cao
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển servo
Hệ thống servo là một hệ thống điều khiển vòng kín Thông thường một hệ thống servo có 3 phần:
• Bộ phận chấp hành: Động cơ servo, thủy lực, thiết bị khí nén
• Mạch điều khiển: So sánh tính hiệu phản hồi với yêu cầu vị trí, tốc độ và điều chỉnh
• Bộ phận phản hồi: Là bộ mã hóa vòng quay xác định tốc độ và vị trí với động
cơ Servo hoặc bộ mã hóa thẳng xác định vị trí và tốc độ chuyển động thẳng
Do quán tính nên hầu hết các hệ thống cơ khí khi dừng hoặc đổi chiều chuyển động đều chuyển động thêm một khoảng nào đó do quán tính Hệ thống servo có khả năng bù sai số do quán tính này bằng các hiệu chỉnh theo tín hiệu phản hồi so với các đại lượng đặt trước
system
Output
Position
Speed Wage-Information
Trang 38Luận văn thạc sỹ khoa học
Hình 2.2: Cơ chế bù sai số vị trí của hệ thống servo
Các hệ thống điều khiển vị trí & tốc độ hiện tại đang được sử dụng:
Hình 2.3: Các hệ thống điều khiển vị trí
Trang 39Luận văn thạc sỹ khoa học
2.1.2 Hệ thống servo điện
Hệ thống servo điện cũng là một hệ thống điều khiển vị trí hoặc tốc độ có hồi tiếp
mà bộ phận truyền động chính là một động cơ servo Về cơ bản động cơ Servo được thiết kế tương đối giống như những động cơ một chiều khác Tuy nhiên những động
cơ này được chế tạo với tiêu chuẩn cao hơn đảm
bảo độ chính xác cao về tốc độ và vị trí
Phân loại động cơ servo:
• Động cơ servo một chiều
• Động cơ servo xoay chiều
Tốc độ cao, momen lớn
Tốc độ cao Hiệu suất hoạt động
Không cần bảo dưỡng
Ưu
điểm
Hạn chế cho chỉnh lưu
Hiệu suất hoạt động thấp
Trang 40Luận văn thạc sỹ khoa học
Phần tử phản hồi trong hệ thống Servo điện chính là bộ mã hóa góc quay
Nguyên lý hoạt động đĩa xung tương tự như trong hệ thống servo khí nén chế tạo sẽ được đề cập đến trong các phần sau
Bảng 2.2 Thuộc tính của động cơ
Tốc độ của động cơ phụ thuộc tuyến tính vào hiệu điện thế
Mô men xoắn phụ thuộc tuyến tính vào cường độ dòng điện
Công suất
P< = > N.T < = > V.I
Hình 2.5: Cấu tạo và nguyên lý bộ mã hóa góc quay hệ thống servo điện