Ứng dụng biểu đồ Karnaugh thiết kế mạch điều khiển khí nén

Ứng dụng biểu đồ Karnaugh thiết kế mạch điều khiển khí nén ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống khí nén có vai trò quan trọng nghành cơng nghiệp Theo thống kê chưa đầy đủ, khoảng 80% nhà máy sản xuất hoạt động cần đến hoạt động hệ thống khí nén Đi với phát triển kinh tế đất nước, nghành công nghiệp ngày mở rộng sản xuất đòi hỏi nhu cầu ngày cao hệ thống khí nén chất lượng lẫn số lượng Ứng dụng biểu đồ Karnaugh giúp cho có tư logic thiết kế mạch điều khiển khí nén GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC PHẦN TỬ KHÍ NÉN 2.1 Máy nén khí Nhiệm vụ: Máy nén khí cung cấp khí nén cho tồn hệ thống mạch điều khiển khí nén Hình 2.1 Máy nén khí volcano 2.2 Xy lanh tác động chiều (xy lanh tác động kép) - Xylanh tác động chiều khơng có giảm chấn Hình 2.2 Xylanh tác động chiều khơng có giảm chấn - Xylanh tác động chiều có giảm chấn: Nhiệm vụ cấu giảm chấn ngăn chặn va đập pittong vào thành xylanh vị trí cuối hành trình Người ta dùng van tiết lưu chiều để thực giảm chấn Hình 2.3 Xylanh tác động chiều có giảm chấn điều chỉnh Hình 2.4 Xylanh khí nén thực tế 2.3 Van đảo chiều - Một số loại van điều khiển khí nén Sử dụng van đảo chiều cửa vị trí điều khiển trực tiếp khí nén Hình 2.5 Van đảo chiều cửa vị trí điều khiển trực tiếp khí nén Trong đó: 1.Piston 2.Lò xo 3.Vỏ van 4.Cuộn solenoid 5.Lõi Với A ,B cửa làm việc P cửa nguồn T cửa xả Van đảo chiều 3/2 điều khiển nút ấn có lò xo hồi vị ( nút bắt đầu khởi động hệ thống khí nén) Hình 2.6 Van đảo chiều 3/2 điều khiển nút ấn có lò xo hồi vị Van đảo chiều 3/2 điều khiển tay gạt Hình 2.7 Van đảo chiều 3/2 điều khiển tay gạt GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM FESTO FLUIDSIM Hình 3.1 Giao diện phần mềm Fluidsim Giao diện thiết kế mạch: Trên thiết kế cho phép người dùng thiết kế mạch cách tìm thư viện ký hiệu phần tử kéo thả thiết kế, lắp ráp phần tử với thành mạch tổng thành cho phép nối kết thiết bị điều khiển với mạch thiết kế Hình 3.2 Giao diện thiết kế mạch Giao diện thư viện: Trình duyệt thư viện tính quan trọng dùng để thiết kế phần mềm Fluidsim 3.6, thư viện có giao diện thiết kế đơn giản dễ sử dụng Trong thư viện bao gồm hàng nghìn ký hiệu khác thủy lực, khí nén, điện điều khiển, điện kỹ thuật số, PLC Thư viện thiết kế có nhiều tính nâng cao thư viện máy ảo cho phép mô hoạt động máy tương ứng với hoạt động sơ đồ thiết kế kết nối máy ảo với thiết bị điều khiển Hình 3.3 Giao diện thư viện Giao diện tra cứu ý nghĩa,thông số định mức ký hiệu thư viện Trong mục Help phần mềm giúp người thiết kế tra cứu ký hiệu phần tử sử dụng phần mềm Có hàng trăm ký hiệu thủy lực khác tiêu chuẩn hóa, giúp cho người thiết cận với phần mềm cách dễ dàng Giao diện điều chỉnh thông số phần tử Các phần tử thư viện có dải giá trị điều chỉnh được,điều giúp cho việc lựa chọn tối ưu thông số cho phần tử,đặt biệt giúp người dùng rút ngắn thời gian thiết kế mạch có nhiều chọn lựa cho phần tử Hình 3.4 Giao diện điều chỉnh thông số phần tử Thanh cơng cụ mơ chương trình: Sau tính tốn thiết kế sơ đồ chính, tiến hành kiểm tra kết nối phần tử trước cho mô hoạt động sơ đồ vừa thiết kế Hình 3.5 Thanh cơng cụ mơ chương trình A - Tắt hồn tồn mơ B - Chạy mơ C - Tạm dừng mô D - Khởi động lại q trình mơ E - Chạy mơ bước F - Tiếp tục chạy mô G - Khởi động lại q trình mơ theo hướng ngược lại Hướng dẫn sử dụng phần mềm + Để tạo mạch ta dùng ba cách sau: - Ấn Ctrl+N - Vào File, chọn New Hình 3.6 Giao diện menu mở file - Chọn biểu tượng công cụ + Để lưu mạch vẽ ta dung hai cách sau: - Ấn Ctrl+S - Vào File, chọn Save Hình 3.7 Giao diện menu lưu file - Chọn biểu tượng công cụ + Để mở file chọn ba cách sau: - Ấn Ctrl+O, chọn file lưu - Chọn biểu tượng cơng cụ - Vào File, chọn Open Hình 3.8: Giao diện menu mở file lưu + Cách lấy phần tử thư viện Ta lấy từ menu insert, phần tử xếp theo nhóm Hình 3.9 Giao diện phần mềm Ta lấy phần tử thủy lực trực tiếp từ cửa sổ thư viện cách chọn phần tử kéo thả vào vùng thiết kế Hình 3.10 Giao diện cửa sổ thiết kế mạch + Cách nối phần tử lại với Các phần tử thủy lực có đầu kết nối với đường ống để nối với phần tử thủy lực khác Hình 3.11 Đầu nối phần tử Để nối phần tử thủy lực với nhau, ta việc kích chuột phải vào đầu nối, giữ chuột kích vào đầu nối lại Hình 3.12 Quá trình nối phần tử thủy lực + Xoay phần tử Trong trình thiết kế mạch, để phần tử nằm vị trí thuận lợi cho q trình thiết kế, ta xoay phần tử cách chọn Right click → Rotate → Chọn góc xoay + Cách điều chỉnh thơng số làm việc cho phần tử thủy lực Click đúp vào phần tử cần điều chỉnh Kích chuột phải vào phần tử → chọn Properties Vào menu Edit →chọn Properties Hình 3.13 Giao diện điều chỉnh thơng số + Kiểm tra lỗi: Sau thiết kế xong mạch, tiến hành kiểm tra lỗi cách: Nhấn F6 Vào menu Excute/Check Superficially Nếu phát lỗi chương trình cho biết đoạn mạch bị lỗi sau : Hình 3.14 Giao diện kiểm tra lỗi + Thực mô phỏng: Sau thiết kế mạch, kiểm tra lỗi, ta cho mơ mạch cách sau: - Dùng menu Excute dung cơng cụ: Hình 3.15 Giao diện thực q trình mơ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Yêu cầu công nghệ - Thiết kế mạch khí nén điều khiển cho máy khoan theo quy trình: Khi đưa chi tiết vào pittong A để kẹp chi tiết Sau pittong B xuống để khoan chi tiết Sau khoan xong, pittong B lùi Khi pittong B lùi pittong A lùi - Xác định biến: + Cơng tắc cuối hành trình xylanh A ký hiệu A0 A1 + Cơng tắc cuối hành trình xylanh B ký hiệu B0 B1 Các cơng tắc hành trình tác động cho pittong lùi +) +A –A: Ký hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ A +) +B –B: Ký hiệu tín hiệu điều khiển cho phần tử nhớ B Pittong A Pittong B A0 A1 -A +A B1 B0 -B +B Hình 4.1 Xác định biến - Thiết lập biểu đồ trạng thái: +A +B -B -A A0 A1 A1 A1 B0 B0 B1 B0 A1 A0 B1 B0 Hình 4.2 Biểu đồ trạng thái 5=1 4.2 Thiết lập phương trình logic điều kiện thực Từ biểu đồ trạng thái bước thực ta có phương trình logic sau: a) + A = A0.B0 b) + B = A1.B0 c) - B = A1.B1 d) - A = A1.B0 So sánh ta thấy phương trình b) d) ta thấy điều kiện để thực +B - A giống Như vậy, phương diện điều khiển thực Để phân biệt bước thực +B –A có điều kiện ta phải thêm vào phương trình điều kiện phụ Trong điều khiển người ta gọi phần tử nhớ trung gian Ta ký hiệu X1 X0 tín hiệu phần tử nhớ trung gian Các phương trình logic viết lại sau: a) + A = A0.B0 b) + B = A1.B0 X0 c) - B = A1.B1 d) - A = A1.B0.X1 Để tín hiệu X0 phần tử nhớ trung gian thực bước b) tín hiệu phải thực trước tức bước a) Tương tự vậy, để tín hiệu X1 thực bước d) tín hiệu phải chuẩn bị bước thực trước tức bước c) Từ ta viết lại phương trình logic sau: a) + A = A0.B0.X0 b) + B = A1.B0 X0 c) - B = A1.B1.X1 d) - A = A1.B0.X1 Phương trình a) c) phương trình b) d) có thêm dạng biến tín hiệu X0 Như phương trình logic quy trình điều khiển viết sau: a) + A = A0.B0.X0 b) + B = A1.B0 X0 c) - B = A1.B1.X1 d) - A = A1.B0.X1 e) + X = A1.B1.X0 F)- X = A0.B0.X1 Tồn quy trình có thêm biến X điều khiển theo trình tự sau: +A, +B, +X, -X, -A, -X 4.3 Thiết lập biểu đồ Karnaugh Ta có biến: - A1 phủ định A0 - B1 phủ định B0 - X1 phủ định X0 Biểu diễn biểu đồ Karnaugh với biến: X0 B0 B1 A0 X1 +A A1 +B A1 +X -X -A -B A0 Hình 4.3 Biểu diễn biểu đồ Karnaugh với biến Ngun tắc: Các cơng tắc hành trình biểu diễn qua trục đối xứng nằm ngang Biến phần tử nhớ trung gian biểu diễn qua trục đối xứng thẳng đứng Trong điều khiển giả thiết rằng, cơng tắc hành trình, ví dụ a0 bị tác động cơng tắc hành trình a1 khơng bị tác động Không xảy trường hợp công tắc hành trình bị tác động đồng thời hay khơng bị tác động đồng thời 4.4 Đơn giản hành trình xylanh A biểu đồ Karnaugh Ta có biểu đồ trạng thái cho xy lanh A: A1 A0 +A +B +B -A +A Hình 4.4 Biểu đồ trạng thái cho xy lanh A Bước thực thứ Pittong A (+A) dừng lại bước thực thứ Sang bước thực thứ Pittong A lùi (-A) Như khối 1,2,3 ký hiệu +A, khối 5,6 ký hiệu la –A X0 B0 A0 B1 X1 +A A1 +A A1 +A -A -A +A A0 Hình 4.5 Biểu đồ Karnaugh cho xylanh A Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là: +A = X0.Khởi động -A = B0.X1 4.5 Đơn giản hành trình xylanh B biểu đồ Karnaugh Ta có biểu đồ trạng thái cho xy lanh B: B1 B0 +A +B -B +A -A Hình 4.6 Biểu đồ trạng thái cho xy lanh B Biểu đồ Kaurnaugh cho xylanh B: X0 B0 B1 A0 -B A1 +B A1 +B A0 X1 -B -B -B Hình 4.7 Biểu đồ Karnaugh cho xylanh B Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là: +B = A1.X0 -B = X1 3.5 Đơn giản phần tử nhớ trung gian biểu đồ Karnaugh Từ biểu đồ Karnaugh với biến ta thấy phần tử nhớ trung gian X vị trí Set khối giữ vị trí khối 7, Từ khối bắt đầu Reset giữ vị trí khối Ta có biểu đồ Kaurnaugh cho phần tử nhớ trung gian: x0 B0 B1 A0 x1 -X A1 -X A1 +X A0 -X +X +X Hình 4.7 Biểu đồ Karnaugh cho phần tử nhớ trung gian X Tối giản hóa ta có phương trình logic rút gọn là: +X = B1 -X = A0 3.6 Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển khí nén Ta có phương trình logic cho quy trình tối giản hóa sau: +A = x0.Khởi động -A = b0.x1 +B = a1.x0 -B = x +X = b1 -X = a0 Từ phương trình logic ta thiết mạch điều khiển khí nén đáp ứng yêu cầu cơng nghệ: Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén KẾT LUẬN Biểu đồ Kaurnaugh sử dụng rộng rãi để đơn giản hóa tốn điều khiển phức tạp cách đơn giản hóa trạng thái mối quan hệ tín hiệu điều khiển Ưu điểm lớn biểu đồ chỗ chúng có khả chuyển biến dạng tốn logic yes/no vào bảng gồm nhiều ô đánh dấu có mặt hay khơng có mặt biến Áp dụng biểu đồ Karnaugh giúp sinh viên có tư thiết kế mạch logic Từ sinh viên ứng dụng thiết kế nhiều mạch tự động hóa khí nén thực tế