Nghiên cứu tự động hóa máy phân tích áp suất hơi bão hòa (reid vapor pressure) cho sản phẩm condensate

TỔNG QUAN

Sơ lược về áp suất hơi bảo hòa

Áp suất hơi là yếu tố quan trọng đối với xăng hàng không và xăng động cơ, ảnh hưởng đến quá trình khởi động và làm nóng máy Nó có khả năng tạo ra nút hơi ở nhiệt độ cao hoặc độ cao lớn Ở một số khu vực, giới hạn áp suất hơi tối đa của xăng được quy định pháp lý nhằm kiểm soát ô nhiễm không khí.

Chất lượng sản phẩm Condensate trước khi thương mại hóa được xác định bởi giá trị áp suất hơi bảo hòa Reid Vapor Pressure Theo Tiêu chuẩn cơ sở TCCS 03:2012/PVGAS, để sản phẩm Condensate có giá trị thương mại, áp suất hơi bảo hòa phải nhỏ hơn 12.1 Psig; nếu vượt quá 12.1 Psig, sản phẩm sẽ bị coi là lỗi.

Nhà máy xử lý khí Cà Mau sở hữu một máy đo áp suất hơi bảo hòa duy nhất trong dây chuyền công nghệ, có giá trị lên tới 63.000 Bảng Anh Nếu máy này hư hỏng, vận hành viên sẽ không thể kiểm soát chất lượng của Condensate trước khi đưa vào Terminal Do đó, việc áp dụng tiêu chuẩn ASTM D 323 để phân tích mẫu Condensate và chuyển đổi quy trình này thành máy phân tích online và tự động hoàn toàn là một phương án khả thi.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện tại, nhà máy xử lý khí Cà Mau chỉ sử dụng hệ thống phân tích tự động do công ty ICON (UK) sản xuất, với chi phí đầu tư rất cao.

Hình 1.1 Máy phân tích RVP tại nhà máy GPP Cà Mau

Hiện tại trong nước chưa tìm thấy công ty nào đã từng thiết kế hệ thống tự động hóa cho sản phẩm này

PHƯƠNG ÁN CỦA CÔNG TY ICON – THIẾT BỊ ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG TẠI NHÀ MÁY SỬ LÝ KHÍ CÀ MAU

Công ty ICON cung cấp thiết bị này, theo dự án thiết kế ban đầu của nhà máy xử lý Khí Cà Mau, đưa vào hoạt động vào năm 2016:

- Hệ thống điện – điều khiển: toàn bộ hệ thống điều khiển được tập trung vào hộp chứa bên trên, để điều khiển toàn bộ quát trình

- Hệ thống phân tích: thực hiện tuần tự theo quá trình, lấy mẫu phân tích và đưa ra kết quả

Hệ thống điện của thiết bị

Hình 1.2 Mô hình hệ thống điện – điều khiển

Hình 1.3 Mô hình hệ thống hiển thị

Hệ thống phân tích của thiết bị

Hệ thống phân tích bắt đầu bằng việc đưa condensate vào buồng phân tích, nơi được duy trì ở nhiệt độ cố định 37,8 oC.

Trong bước 2, piston trong hệ thống nén chất lỏng qua 3 chu kỳ và giữ nguyên hành trình sau khi hoàn thành Vị trí của piston được xác định bằng cảm biến laser.

Bước 3: Cảm biến áp suất sẽ xác định áp suất cân bằng của Piston nén chất lỏng

Giá trị đó là áp suất hơi bảo hòa của Condensate cần tìm

PHƯƠNG ÁN CỦA CÔNG TY HUAKE (TRUNG QUỐC)

Hình 1.5 Máy phân tích HK-8017A Bước 1: Truyền mẫu

Lấy bình mẫu ra khỏi bể làm lạnh và lắp ống truyền mẫu đã được làm lạnh vào Đặt khoang lỏng ở vị trí lộn ngược trên đầu ống truyền mẫu và nhanh chóng lật ngược toàn bộ hệ thống, đảm bảo khoang lỏng thẳng đứng với đầu ống truyền cách đáy khoang lỏng khoảng 6 mm Nạp mẫu đầy tràn vào khoang lỏng, chú ý đến các biện pháp thu hồi và thải bỏ mẫu tràn để tránh nguy cơ cháy Cuối cùng, rút ống truyền mẫu ra khỏi khoang lỏng trong khi vẫn tiếp tục để mẫu tràn cho đến khi ống được rút ra hoàn toàn.

Lấy khoang hơi ra khỏi bể ổn nhiệt và tháo ống xoắn một cách nhanh chóng Kết nối khoang lỏng với khoang hơi càng nhanh càng tốt để tránh tràn hoặc dịch chuyển, điều này có thể dẫn đến sự trao đổi giữa không khí ở nhiệt độ phòng và không khí ở nhiệt độ 37,8 °C.

(100 oF) trong khoang hơi Thời gian tính từ khi lấy khoang hơi ra khỏi bể ổn nhiệt và hoàn tất việc nối hai khoang không được quá 10 s

Bước 3: Đặt thiết bị vào bể ổn nhiệt

Giữ thiết bị ở vị trí thẳng đứng và kết nối với ống xoắn ngay lập tức Nghiêng thiết bị xuống dưới một góc từ 20 độ C đến 30 độ C trong khoảng 4 đến 5 giây để cho mẫu chảy vào khoang hơi.

Ngâm thiết bị trong bể ổn nhiệt ở 37,8 oC ± 0,1 oC (100 oF ± 0,2 oF) để đảm bảo đáy khoang lỏng kết nối với khớp quay và đầu trên tựa vào gối đỡ Khi đã lắp ráp xong các khoang hơi - lỏng, bật máy quay và theo dõi sự rò rỉ trong suốt quá trình thử nghiệm Nếu phát hiện rò rỉ, cần phải hủy bỏ phép thử ngay lập tức.

Bước 4: Đo áp suất hơi

Sau khi ngâm thiết bị trong bể ổn nhiệt ít nhất 5 phút, gõ nhẹ áp kế đo và ghi lại số đọc Lặp lại thao tác sau ít nhất 2 phút cho đến khi số đọc hai lần thử liên tiếp bằng nhau, ghi lại số đọc cuối cùng chính xác đến 0,25 kPa (0,05 pSi) Giá trị này là áp suất hơi chưa hiệu chỉnh của mẫu Tiếp theo, tháo áp kế ra và nối với dụng cụ đo áp suất, kiểm tra số đọc khi cả hai cùng chịu áp lực ổn định khoảng 1,0 kPa (0,2 pSi) Nếu có sự khác biệt giữa hai số đọc, cộng hoặc trừ giá trị chênh lệch vào áp suất hơi chưa hiệu chỉnh để có được áp suất hơi Reid chính xác của mẫu.

Hình 1.6 Mô hình hệ thống phân tích theo phương pháp bình ngang

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Công ty SGS, có trụ sở tại Geneva, Thụy Sĩ, là một tập đoàn đa quốc gia chuyên cung cấp dịch vụ kiểm định, xác minh, kiểm tra và chứng nhận Hiện nay, công ty áp dụng quy trình ASTM D 323 để phân tích condensate thương phẩm.

Hình 1.7 Thiết bị chứa dung dịch mẫu và đồng hồ cơ đo áp suất

Hình 1.8 Thiết bị gia nhiệt cho hệ thống phân tích

Nạp đầy mẫu đã được làm lạnh vào khoang lỏng của thiết bị xác định áp suất hơi và kết nối với khoang hơi được gia nhiệt đến 37,8 oC (100 oF) trong bể ổn nhiệt Ngâm thiết bị trong bể ổn nhiệt ở nhiệt độ 37,8 oC (100 oF) cho đến khi áp suất ổn định Giá trị áp suất đã hiệu chỉnh tương ứng chính là áp suất hơi Reid.

Phương án của công ty ICON

- Ưu điểm: Hệ thống hoạt động tự động hoàn toàn, và truyền thông tốt về hệ thống DCS để giám sát

- Nhược điểm: Hệ thống phức tạp do thiết bị được sản xuất đặc biệt, và giá thành rất đắt ( như báo giá đính kèm)

Phương án của công ty SGS

- Ưu điểm: Hệ thống đơn giản, kích thước gọn, kết quả chính xác

- Nhược điểm: Hệ thống hoàn toàn thủ công, không thể áp dụng được trong công nghiệp

Phương án của công ty Huake

- Hệ thống hoạt động kết quả chính xác

- Hệ thống hoạt động bán tự động, vẫn phải có sự can thiệp của con người, không áp dụng được trong công nghiệp

Các thiết bị hiện tại trên thị trường, áp dụng tiêu chuẩn ASTM D323, chủ yếu là thủ công hoặc bán tự động, gây khó khăn trong ứng dụng công nghiệp Đề tài luận văn này tập trung vào tự động hóa quy trình lấy mẫu và đưa vào bể ổn nhiệt một cách tự động, đảm bảo đáp ứng các tiêu chí về thời gian và vị trí theo tiêu chuẩn Mục tiêu là phát triển thiết bị này cho phòng thí nghiệm lấy mẫu trong ngành dầu khí, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và tiết kiệm chi phí ban đầu cũng như chi phí bảo trì định kỳ.

Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn

1.3.1 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung thiết kế cánh tay máy robot 3 bậc tự do, để thực hiện thao tác thay thế nhân viên phòng thí nghiệm trong việc sử dụng máy phân tich bán tự động Điều này, dẫn đến sẽ biến máy phân tích này từ dạng bán tự động sang dạng tự động hóa hoàn toàn và không cần can thiệp của con người

- Tìm hiểu về các phương pháp kiểm tra áp suất của Condensate đã và đang được sử dụng

- Nghiên cứu ứng dụng tay máy trong tự động hóa ít nhất 1 bước trong các khâu kiểm tra

- Thực nghiệm kiểm chứng khả năng hoạt động của cánh tay robot trong trạng thái điều khiển mang vật nặng

- Điều khiển về vận tốc của ít nhất 1 khâu của hệ thống

Chế tạo mô hình tay máy với:

- Dựa trên máy phân tích HK-8017A của HUAKE

- Đảm bảo thời gian khi lấy khoang hơi ra khỏi bể ổn nhiệt và hoàn tất việc nối hai khoang không được quá 15 s

- Tầm với tối đa: 200 mm

Nội dung đề tài luận văn được chia làm 7 chương:

Chương 1: Tổng quan về các phương pháp kiểm tra áp suất, bao gồm việc phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Dựa trên những thông tin thu thập được, chúng tôi sẽ lựa chọn một nguyên lý phù hợp để tiến hành nghiên cứu và thiết kế.

Chương 2: Lựa chọn phương án Trong phần này, chúng tôi sẽ đề xuất các phương án liên quan đến vật liệu, cấu trúc cơ khí và phương pháp điều khiển, nhằm xác định phương án tối ưu nhất cho dự án.

- Chương 3: Thiết kế cơ khí Tính toán, thiết kế và lựa chọn các cơ cấu, chi tiết cơ khí đáp ứng được yêu cầu hoạt động của máy

Chương 4 trình bày giải thuật điều khiển cho máy kiểm tra hệ thống áp suất, từ đó xác định yêu cầu hoạt động và quy trình vận hành cần thiết.

Chương 5 tập trung vào thiết kế mạch điện, bao gồm việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các thiết bị điện cần thiết cho máy Nội dung cũng đề cập đến việc thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ đấu dây của module điện, nhằm đảm bảo hiệu suất và tính năng hoạt động tối ưu.

Chương 6 tập trung vào việc thiết kế bộ điều khiển, nhằm tìm hiểu mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra thông qua phương pháp nhận dạng hệ thống Đồng thời, chương cũng kiểm tra và phân tích kết quả thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của bộ điều khiển được thiết kế.

- Chương 7: Tổng kết Kết quả đạt được và hướng phát triển

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Tiêu chí thiết kế

Sau khi xác định các thông số đầu vào của cánh tay máy, cần tiến hành thiết kế sơ bộ để xác định bố trí các cụm thành phần của cánh tay máy một cách hợp lý.

Vì vậy chương 2 sẽ tiến hành đi vào phân tích và lựa chọn các phương án quan trọng sao cho thõa mãn các tiêu chí sau đây:

- Có độ an toàn cao

- Các cơ cấu phải dễ dàng tháo lắp để tiện cho việc thay thế và sửa chữa

- Các cơ cấu phải được bố trí một cách gọn gàng, không vướng víu, thuận tiện cho nhân viên thao tác trong suốt quá trình vận hành

- Các nguyên lý phải đảm bảo độ ổn định và thực hiện đúng chức năng.

Lựa chọn cơ cấu tay máy

Tay máy là loại robot được thiết kế để mô phỏng cấu trúc cơ bản của cánh tay con người, với các khâu liên kết qua các khớp động, tạo thành một chuỗi động hở.

Các thành phần cơ bản của một cánh tay máy bao gồm

- Dạng tọa độ tay máy

- Cơ cấu tác động cuối

Bậc tự do của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động

Để tăng cường độ linh hoạt cho các tay máy, số bậc chuyển động cần đạt tối đa là 6 Trong đó, sáu bậc này bao gồm 3 bậc chuyển động cơ bản (chuyển động định vị) và 3 bậc chuyển động bổ sung (chuyển động định hướng).

- Chuyển động cơ bản thường là chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, mỗi bậc chuyển động có nguồn dẫn động riêng

- Chuyển động bổ sung: thường là các chuyển động quay nhằm tăng khả năng linh hoạt

Cánh tay máy được thiết kế để gắp và vận chuyển khoang lỏng và khoang hơi, với khả năng mang hai khoang về vị trí lắp đặt Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng vững và tính dễ dàng trong việc lắp đặt cũng như tháo lắp, cơ cấu 3 bậc tự do RTT đã được lựa chọn.

Kết luận: Tay máy có số bậc tự do là 3

Hình 2.1 Mô tả bậc cánh tay máy

Cơ cấu tay máy có khớp quay dạng pitch, bao gồm tay máy tọa độ cầu và tay máy toàn khớp bản lề, yêu cầu cơ cấu chấp hành cho các khớp này phải chịu một momen xoắn lớn do khối lượng của các khâu tạo ra.

Cân bằng chủ động là phương pháp sử dụng trực tiếp cơ cấu tác động để cung cấp mô men xoắn, giúp duy trì tay máy ở trạng thái tĩnh tại các vị trí khác nhau Ưu điểm của phương pháp này là khả năng sử dụng ngay cơ cấu chấp hành mà không cần thông qua các cơ cấu phụ Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là không thể loại bỏ thành phần trọng lực khỏi phương trình động lực học của tay máy.

Cơ cấu cân bằng bị động là giải pháp thiết kế cần thiết để loại bỏ thành phần bị động khỏi phương trình động lực học của tay máy, từ đó giúp giảm kích thước và chi phí cho cơ cấu tác động Các cơ cấu cân bằng bị động phổ biến bao gồm đối trọng, lò xo, lò xo kết hợp với hệ thống dây cáp và ròng rọc, cũng như sự kết hợp với cơ cấu tay quay-con trượt.

Kết luận: Lựa chọn phương án cân bằng bị động

Tay máy tọa độ vuông góc:

• Không gian làm việc lớn

• HT điều khiển đơn giản

• Dành diện tích sàn lớn cho công việc khác

• Việc thay đổi không thích hợp về không gian

Tay máy tọa độ trụ:

• Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào các máy sản xuất

• Cấu trúc theo chiều dọc để lại nhiều khoảng trống cho sàn

• Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn

• Khả năng lặp lại tốt

• Giới hạn tiến phía trái và phía phải

Tay máy tọa độ cầu Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với

Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA

Tay máy toàn khớp bản lề có ba khớp quay, với trục thứ nhất vuông góc với hai trục còn lại, tương tự như tay người Khớp thứ hai được gọi là khớp vai, trong khi khớp thứ ba là khớp khuỷu, nối cẳng tay với khuỷu tay Mặc dù tay máy có khả năng làm việc khéo léo, nhưng độ chính xác định vị của nó phụ thuộc vào vị trí của phần công tác trong vùng làm việc, không tương ứng với số bậc tự do của các khâu.

Tay máy Scara, viết tắt của “selective compliance assembly robot arm”, được thiết kế đặc biệt cho công việc lắp ráp với cấu trúc gồm hai khớp quay và một khớp trượt, tất cả đều có trục song song Kết cấu này mang lại độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng, nhưng lại kém cứng vững theo phương ngang, phù hợp cho các tác vụ lắp ráp với tải trọng nhỏ Vùng làm việc của tay máy Scara hình thành một phần của hình trụ rỗng, tối ưu hóa khả năng hoạt động trong không gian hạn chế.

Kết luận: Lựa chọn phương án tọa trụ

Lựa chọn nguồn dẫn động

Nguồn dẫn động trên robot công nghiệp có thể sử dụng nhiều hệ thống khác nhau, bao gồm điện, dầu ép và khí nén Đặc điểm của nguồn dẫn động đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và khả năng hoạt động của robot.

Việc thay đổi nguồn dẫn động ảnh hưởng trực tiếp đến không gian làm việc của robot, cho phép nhanh chóng điều chỉnh kiểu dáng và hình thức của robot để đáp ứng các yêu cầu công việc đa dạng.

Dưới đây ta sẽ so sánh các nguồn dẫn động đặc trưng

Bảng 2.1 So sánh các nguồn dẫn động

Truyền động thủy lực Truyền động khí nén Truyền động điện cơ

Xy lanh thủy lực Xy lanh khí nén Động cơ bước, động cơ

Robot sở hữu lực nâng lớn và tốc độ vận hành êm ái, với dầu ép không bị nén, cho phép các khớp của robot được khóa cứng ở vị trí xác định Điều này đảm bảo tính phản hồi nhanh, khả năng tự bôi trơn và tự làm nguội hiệu quả.

Giá thành thấp, việc thiết kế và lắp đặt khá đơn giản, thân thiện với môi trường

Làmviệc trong nhiệt độ điều khiện khắc nghiệt

Cơ cấu tác động nhanh và chính xác, có khả năng áp dụng kỹ thuật điều khiển phức tạp cho các chuyển động, giá thành không cao

Hệ thống dẫn dầu có tốc độ chậm và yêu cầu lắp đặt ống dẫn cùng bể chứa dầu, nhưng thường gặp vấn đề rò rỉ, khiến nó không phù hợp cho môi trường sạch Ngoài ra, chi phí đầu tư cho hệ thống này cao hơn so với các phương pháp truyền động điện hoặc khí nén, đồng thời cần nhiều thiết bị phụ trợ để hoạt động hiệu quả.

Do đặc điểm của khí nén là nén được nên độ chính xác không cao ở giữa hành trình, khó điều khiển tốc độ, khí xả gây ồn

Khe hở trong bộ truyền bánh răng có thể làm giảm độ chính xác và gây ra hiện tượng quá nhiệt khi hệ thống ngừng hoạt động do quá tải Để khắc phục tình trạng này, cần thiết phải sử dụng thắng để cố định vị trí các khớp.

Kết luận: Việc lựa chọn nguồn dẫn động khí nén là sự lựa chọn thân thiện với môi trường, đặc biệt trong môi trường làm việc có nhiều hóa chất trong phòng thí nghiệm Hệ thống này không chỉ dễ bảo trì mà còn giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa.

Lựa chọn cơ cấu chấp hành

Xy lanh có nhiệm vụ điều chỉnh để kiểm soát lượng mở rộng hoạt hút lại của cần pit-tông khi hoạt động

Xy lanh tác dụng đơn : Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò xo tác động

Hình 2.2 Chiều tác động ngược lại do ngoại lực và do lo xo [8]

Xilanh tác động 2 chiều, hay còn gọi là xilanh tác động kép, là thiết bị mà khí nén được cấp vào cả hai phía của xilanh Tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển, xilanh sẽ di chuyển vào hoặc ra dựa trên việc cấp khí nén vào phía nào của xilanh.

Kết luận : Lựa chọn loại xy lanh tác động 2 chiều để dễ dàng điều khiển vị trí cho các khâu

Xylanh xoay là cơ cấu chấp hành có khả năng chuyển hóa năng lượng khí nén thành chuyển động quay với các góc 90 0 , 100 0 , 180 0 , 190 0 , 270 0 …

Xylanh quay mang lại chuyển động linh hoạt và hiệu quả cho các cơ cấu truyền động Với ưu điểm về độ an toàn, không độc hại và chi phí đầu tư hợp lý của khí nén, xylanh quay được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử và thực phẩm.

- Độ chính xác đạt tới +-2.5°

- Tùy chọn đa dạng về kích thước, góc quay

- Khả năng hiệu chỉnh góc quay và phản hồi vị trí bằng cảm biến Đặc điểm :

- Được làm bằng xi lanh hợp kim nhôm cao cấp, cứng cáp, chống ăn mòn và không dễ bị rỉ sét

- Với bộ điều chỉnh góc, có thể điều chỉnh góc ở 0-180 °

- Xoay vòng bi linh hoạt và định vị chính xác

Trên thị trường tự động hóa hiện nay, xy lanh xoay SMC từ Nhật Bản nổi bật với độ bền và độ chính xác cao trong quá trình vận hành.

Lựa chọn hệ thống điều khiển

Xi lanh thủy lực khí nén là một cơ cấu chấp hành tạo ra chuyển động tịnh tiến, với đặc điểm tiến lùi, phù hợp cho các loại cảm biến tiệm cận Việc trang bị cảm biến tiệm cận cho xi lanh này cho phép tín hiệu từ cảm biến khi piston di chuyển, giúp dễ dàng và tự động điều khiển xi lanh.

Hình 2.3 Cảm biến tiệm cận trên xi lanh [2]

Cảm biến tiệm cận kiểu cảm ứng, hay còn gọi là cảm biến điện từ, là thiết bị phát hiện vật thể thông qua việc tạo ra trường điện từ, chủ yếu nhận diện các vật kim loại Mặc dù chỉ phát hiện được kim loại, nhưng cảm biến này rất phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào chi phí hợp lý và khả năng chống nhiễu hiệu quả.

Cảm biến tiệm cận cảm ứng hoạt động dựa trên một cuộn dây quấn quanh lõi từ, tạo ra trường điện từ dao động khi sóng cao tần đi qua Trường điện từ này được kiểm soát bởi một mạch bên trong, giúp cảm biến nhận diện các vật thể xung quanh.

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

Hình 2.4 Từ trường được tạo ra trên cảm biến [2]

Van một chiều dùng để điều khiển dòng năng lượng đi theo một hướng, hướng còn lại của dòng năng lượng bị chặn lại

Van đảo chiều có chức năng điều khiển dòng năng lượng bằng cách mở, đóng hoặc thay đổi vị trí các cửa van, từ đó điều chỉnh hướng của dòng khí nén.

Van đảo chiều có hai trạng thái chính là ON và OFF, được minh họa trong hình 2.4 Cụ thể, trạng thái OFF xảy ra khi chưa có tín hiệu tác động, trong khi trạng thái ON xuất hiện khi có tín hiệu tác động.

Hình 2.6 Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều [8]

Kết luận: Với việc lựa chọn loại xy lanh có 2 đầu cấp khí nên ta lựa chọn loại van đảo chiểu thay vì van một chiều

Hình 2.7 Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều

2.5.3 Servo khí nén Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác cao, kiểm xoát tốc độ cánh tay máy tác giả sử dụng servo khí nén để có thể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van

Van điều khiển Servo, hay còn gọi là van tuyến tính hoạt động bằng điện, là loại van điều khiển tuyến tính sử dụng khí nén Van này hoạt động dựa trên nguyên lý cho phép người dùng điều chỉnh góc mở hoặc đóng của van thông qua bộ phận điều khiển.

Hình 2.8 Cấu tạo van servo khí nén

Hai nam châm vĩnh cửu được bố trí đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, với phần ứng có hai cuộn dây và cánh chặn đầu ngàm, tạo nên một cấu trúc cứng vững Phần ứng và cánh chặn đầu được định vị bằng một ống đàn hồi, giúp phục hồi chúng về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng Cánh chặn dầu được kết nối với càng đàn hồi, trực tiếp nối với con trượt Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau, phần ứng sẽ bị hút lệch và quay nhờ sự đối xứng của các cực nam châm.

Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu Sự thay đổi này làm cho áp suất ở hai phía của con trượt lệch nhau, từ đó khiến con trượt di chuyển.

Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0, phần ứng, cánh, càng và con trượt sẽ ở vị trí trung gian, tức là áp suất ở hai buồng con trượt cân bằng nhau.

Khi dòng điện i1 khác i2, phần ứng sẽ quay theo chiều của dòng điện lớn hơn, ví dụ nếu phần ứng quay ngược chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng sẽ quay theo, dẫn đến sự thay đổi tiết diện chảy của dầu.

23 miệng phun thay đổi,khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở miẹng phun phía phải hẹp lại

Hệ thống vi điều khiển bao gồm một vi xử lý hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp, khác với các bộ xử lý đa năng trong máy tính, kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào ra, và các module chuyển đổi tín hiệu Một số loại vi điều khiển phổ biến hiện nay bao gồm PIC16F877A, Arduino Uno, và Arduino Mega Ưu điểm của hệ thống này là khả năng điều khiển hiệu quả các thiết bị điện tử với chi phí hợp lý.

- Khả năng xử lý và tính toán mạnh mẽ

- Độ phức tạp khi sử dụng cao

- Dễ bị nhiễu, không đáng tin cậy trong môi trường làm việc liên tục

- Không phù hợp trong môi trường công nghiệp

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình PLC hoạt động bằng cách quét trạng thái đầu vào và đầu ra, với khả năng thay đổi đầu ra theo sự thay đổi của đầu vào Ưu điểm nổi bật của PLC bao gồm độ tin cậy cao, hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp trong công nghiệp và khả năng lập trình dễ dàng với dung lượng bộ nhớ lớn Hai hãng sản xuất PLC phổ biến nhất hiện nay là Mitsubishi và Siemens.

Trong môi trường công nghiệp, việc lựa chọn PLC làm bộ điều khiển chính là rất quan trọng do yêu cầu về sự ổn định, độ tin cậy và độ chính xác cao trong thời gian dài.

Kết luận: Chọn PLC làm bộ điều khiển của máy.

Lựa chọn cơ cấu tác động cuối

Khâu tác động cuối, hay còn gọi là đầu công tác, được xác định dựa trên tác vụ mà tay máy thực hiện Đối với các tác vụ nâng chuyển vật liệu hoặc gắp-thả, khâu tác động cuối cần có tay gắp với hình dạng và kích thước phù hợp với đối tượng Trong khi đó, đối với những tác vụ công nghệ, khâu tác động có thể bao gồm đầu hàn, đầu phun sơn, máy khoan, hoặc máy mài.

Do khoang lỏng và khoang hơi có hình dạng khối trụ tròn, tay kẹp được thiết kế với hai má kẹp hình tròn ôm sát phôi, giúp định vị chính xác Lực kẹp được thực hiện bằng khí nén, tạo nên kết cấu tay kẹp đơn giản và dễ dàng điều khiển.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Thông số thiết kế

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý robot

Robot được thiết kế với các thông số góc quay và tịnh tiến giới hạn cho trong bảng sau:

Bảng 3.1 Thông số góc quay và tịnh tiến giới hạn

Khớp Thông số Giới hạn

Vùng làm việc của tay máy được xác định bởi hai thông số q1 và q2 Nếu coi tầm với mong muốn của tay máy là L cố định và tay máy lý tưởng, ta có công thức L = q2 + q3.

𝑞3tỷ số r có giá trị tối ưu nằm trong khoảng 0,5 ÷0,6 [1]

Từ yêu cầu đề bài q3 = 200 mm, ta chọn q2 = 125 mm (chọn theo tiêu chuẩn xy lanh)

Vị trí các cụm cơ khí cần được tính toán thiết kế trên cánh tay

Hình 3.2 Các cụm cơ khí cần được tính toán

Các chi tiết cụm cơ khí của máy

2 Xy lanh tịnh tiến khâu 2

3 Xy lanh tịnh tiến khâu 3

5 Cơ cấu kẹp khoang lỏng và khoang hơi

Phân tích lực trên các khâu

Hình 3.3 Phân tích lực trên cánh tay máy

3.3.1 Phân tích lực trên khâu 3

Khâu 3 bao gồm xy lanh thẳng và xy lanh gắp

Xy lanh thẳng có hướng di chuyển theo hương thẳng đứng Đối tượng sản phẩm mà xy lanh gắp cần mang là khoang lỏng và khoang hơi ( hình 1.7) có 𝑚 𝑠𝑝 = 2 (𝑘𝑔)

Khối lượng mà xy lanh thẳng cần nâng là 𝑚 3 = 𝑚 𝑠𝑝 + 𝑚 𝑥𝑦𝑙𝑎𝑛ℎ𝑔𝑎𝑝

Lực mà pittong cần nâng là 𝐹 3 = 𝑃 3 = (𝑚 𝑠𝑝 + 𝑚 𝑥𝑦𝑙𝑎𝑛ℎ𝑔𝑎𝑝 ).9,81

3.3.2 Phân tích lực trên khâu 2

Khâu 2 là khâu tịnh tiến và hướng di chuyển theo phương ngang

Lực mà pittong cần đẩy là

3.3.3 Phân tích lực trên khâu 1

Khâu 1 bao gồm xy lanh xoay, đối trọng và bộ khung

Tổng khối lượng tối đa mà xy lanh xoay cần phải mang là

Lựa chọn vật liệu

Vật liệu chính để sản xuất đồ giá là nhôm định hình và inox Nhôm định hình nổi bật với những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, không độc hại, khả năng chống mài mòn, và dễ dàng tháo lắp, sửa chữa Ngược lại, sắt lại dễ gia công thông qua các phương pháp truyền thống như tiện, phay và CNC.

Trong số các loại nhôm định hình thì nhôm 6063 được dùng phổ biến và rộng rãi trong ngàng cơ khí và tự động hóa

Tính chất của nhôm 6063 được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 3.2 Tính chất vật lý của nhôm 6063

Giới hạn bền 165 (MPa) Độ cứng 58 (HV)

Tính toán thiết kế hệ thống khí nén

- Tính toán các thông số xy lanh

Theo mục 3.3.1 ta tính được lực mà pittong cần nâng là

Chọn áp suất làm việc của xy lanh là P = 3 bar = 0,3 (MPa)

Hình 3.4 Sơ đồ phân tích lực trên xy lanh gắp

Tại vị trí gắp sản phẩm lực nâng xy lanh là :

Theo [5] chọn xy lanh khí nén TN16x200S có đường kính D = 25 mm, áp suất làm việc là P = 3 bar

Hình 3.5 Tay gắp MHC2-25D Bảng 3.3 Thông số MHC2-25D

Tác vụ Đường kính ngoài Momen gắp Khối lượng

- Tính vận tốc di chuyển

Ta chọn khoảng thời gian đi hết hành trình là t = 0.5s

Vận tốc di chuyển là:

𝑠 ) Lưu lượng cần cấp vào để xy lanh đi hết hành trình là:

- Tính toán đường kính ống dẫn khí nén

31 Đường kính ống dẫn khí được xác định theo công thức

𝑣 là vận tốc khí Theo mục (4.2.3)[7] ta chọn 𝑣 = 2 (m/s)

Tra bảng [7] ta chọng đường kính khí nén D = 10 mm, chiều dày t = 2 mm

3.5.2 Xy lanh thẳng tịnh tiến khâu 3

- Tính toán các thông số xy lanh

Theo mục 3.3.1 ta tính được lực mà pittong cần nâng là

Chọn áp suất làm việc của xy lanh là P = 3 bar = 0,3 (MPa)

Hình 3.6 Sơ đồ phân tích lực trên xy lanh tịnh tiến khâu 3

Tại vị trí gắp sản phẩm lực nâng xy lanh là :

Theo [5] chọn xy lanh khí nén TN16x200S AIRTAC có đường kính D = 20 mm và đường kính cần d = 8 mm, áp suất làm việc là P = 3 bar

Hình 3.7 Xi lanh TN16x200S Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật TN16x200S

Tác vụ Đường kính ngoài Đường kính trong Vật liệu Khối lượng

Tịnh tiến lên xuống 16 mm 8 mm Nhôm nguyên khối 900 g

- Tính vận tốc di chuyển

Ta chọn khoảng thời gian đi hết hành trình là t = 5s

Vận tốc di chuyển là:

𝑠 ) Lưu lượng cần cấp vào để xy lanh đi hết hành trình là:

- Tính toán đường kính ống dẫn khí nén

33 Đường kính ống dẫn khí được xác định theo công thức

𝑣 là vận tốc khí Theo mục (4.2.3)[7] ta chọn 𝑣 = 2 (m/s)

Tra bảng [7] ta chọng đường kính khí nén D = 10 mm, chiều dày t = 2 mm

3.5.3 Xi lanh thẳng tịnh tiến khâu 2

- Tính toán các thông số xy lanh

Theo mục (3.3.2) ta tính được lực mà pittong cần nâng là

Chọn áp suất làm việc của xy lanh là P = 3 bar = 0,3 (MPa)

Hình 3.8 Sơ đồ phân tích lực trên xy lanh tịnh tiến khâu 2

Tại vị trí gắp sản phẩm lực nâng xy lanh là :

Theo [5] chọn xy lanh khí nén TN25x125S AIRTAC có đường kính D = 25 mm và đường kính cần d = 12 mm, áp suất làm việc là P = 3 bar

Hình 3.9 Xi lanh TN25x250S Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật TN25x125S

Tác vụ Đường kính ngoài Đường kính trong Vật liệu Khối lượng

Tịnh tiến lên xuống 25 mm 12 mm Nhôm nguyên khối 1200 g

- Tính vận tốc di chuyển

Ta chọn khoảng thời gian đi hết hành trình là t = 3s

Vận tốc di chuyển là:

𝑠 ) Lưu lượng cần cấp vào để xy lanh đi hết hành trình là:

- Tính toán đường kính ống dẫn khí nén Đường kính ống dẫn khí được xác định theo công thức

𝑣 là vận tốc khí Theo mục (4.2.3)[7] ta chọn 𝑣 = 2 (m/s)

Tra bảng [7] ta chọng đường kính khí nén D = 10 mm, chiều dày t = 2 mm

- Tính toán các thông số xy lanh

Theo mục (3.3.3) ta tính được xy lanh xoay khi hoạt động mang một khối lượng

Áp suất làm việc của xy lanh được chọn là P = 3 bar (0,3 MPa) Để xy lanh có khả năng xoay, moment do xy lanh tạo ra cần phải lớn hơn moment quán tính của tay máy, được xem như một đĩa trụ tròn đồng chất.

Với đĩa tròn đồng chất, bán kính r, khối lượng m, trục quay qua tâm và vuông góc với mặt phẳng chứa đĩa tròn:

36 với r là bán kính xoay của xy lanh

Moment quán tính sinh ra trong quá trình chuyển động

A là diện tích làm việc của cần pittong

𝑃 ≥3,8𝑟 0,3 = 12,6𝑟 (𝑚𝑚 2 ) Đường kính pittong của xilanh:

Dòng xi lanh xoay của SMC, cụ thể là loại MSQB, được thiết kế với chế độ giảm sốc bên trong, giúp mang lại hiệu suất làm việc mượt mà cho tay máy.

Bảng 3.6 Thông số làm việc của các loại xi lanh MSQB[6]

Loại 10A 20A 30A 50A Đường kính pittong 15mm 18 mm 21 mm 25 mm Đường kính xoay 32 mm 40 mm 48 mm 54 mm

Dựa trên bảng thông số ta bắt đầu lựa chọn loại xi lanh:

Với loại MSQB-10A có r = 32/2 = 16 mm thay vào (3)

Dòng MSQB-10A có đường đính pittong D = 15 mm do đó thỏa mãn yêu cầu

Hình 3.10 Xi lanh xoay MSQB-10A Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của MSQB-10A [6]

Tác vụ Đường kính ngoài Vật liệu Khối lượng

Xoay 15 mm Nhôm nguyên khối 530 g

- Tính vận tốc di chuyển

Ta chọn khoảng thời gian đi hết hành trình là t = 3s

Vận tốc di chuyển là:

Với L = 20 (mm) là khoảng cách pittong đi hết hành trình [6]

Lưu lượng cần cấp vào để xy lanh đi hết hành trình là:

- Tính toán đường kính ống dẫn khí nén Đường kính ống dẫn khí được xác định theo công thức

𝑣 là vận tốc dầu Theo mục (4.2.3)[7] ta chọn 𝑣 = 2 (m/s)

Tra bảng [7] ta chọng đường kính khí nén D = 10 mm, chiều dày t = 2 mm

Tính toán lựa chọn máy nén khí và các thành phần khí nén

3.6.1 Lựa chọn máy nén khí

Máy nén khí là thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học từ động cơ điện hoặc động cơ đốt trong thành áp suất khí, đồng thời tạo ra năng lượng khí nén và nhiệt năng.

Phân loại theo áp suất:

- Máy nén khí áp suất thấp p bar

- Máy nén khí áp suất rất cao p >00 bar

Phân tích ưu nhược điểm của một số loại máy nén khí

- Máy nén khí kiểu pittong:

Máy nén khí có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tỉ số nén cao từ 25 đến 100kb và hiệu suất làm việc lớn Đặc biệt, công suất của máy vẫn được duy trì ổn định dù môi trường vận hành có thay đổi Hơn nữa, máy còn hoạt động hiệu quả trong nhiều dải áp suất khác nhau.

+ Nhược điểm : dòng máy nén khí cỡ nhỏ, hoạt động nhờ tham gia của các piston

- Máy nén khí ly tâm

Máy móc có công suất hoạt động lớn, đạt tới hàng nghìn mã lực, cho phép hoạt động liên tục với hiệu suất cao Điều này giúp đáp ứng hầu hết các nhu cầu trong chế biến và sản xuất.

+ Nhược điểm : máy có cấu tạo và kích thước lớn, chỉ lắp đặt cố định và khó di chuyển

- Máy nén khí trục vít

Máy có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm độ hao mòn thấp và ma sát ít, giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm Với thiết kế không có van hút, vòng xéc măng và van xả, máy đảm bảo độ tin cậy cao trong quá trình hoạt động Cấu hình máy gọn nhẹ và vận hành êm ái, đồng thời chi phí bảo trì cũng rất thấp Đặc biệt, tỉ số nén của máy có thể đạt tới 25, mang lại hiệu suất vượt trội.

+ Nhược điểm: Giá thành đắt,cấu tạo phức tạo, gây khó khăn trong sửa chữa và bảo dưỡng

+ Ưu điểm: Có cấu tạo nhỏ gọn hơn so với các máy cùng công suất

+ Nhược điểm: Lắp đặt phức tạp, giá thành cao

Dựa vào phân tích ưu nhược điểm của các loại máy nén khí, ta chọn loại máy khí nén piston

Kết luận: Máy nén khí piston

3.6.2 Tính toán lưu lượng khí nén

Xác định lưu lượng lớn nhất cần cung cấp trong từng giai đoạn

Giai đoạn 1: Cánh tay di chuyển ra vị trí gắp vật: xy lanh xoay và xy lanh thẳng tịnh tiến khâu 2 hoạt động

Giai đoạn 2: Cánh tay gắp sản phẩm: xy lanh gắp, xy lanh xoay và xy tịnh tiến khâu 3 hoạt động

Giai đoạn 3: Cánh tay nhả sản phẩm: xy lanh xoay và xy lanh gắp hoạt động

Lưu lượng lớn nhất qua máy nén khí là Q = 1,77 (l/ph)

3.6.3 Tính toán áp suất tổn thất trong hệ thống

Tổn thất áp suất xảy ra khi áp suất giảm do lực cản trong quá trình di chuyển của khí từ máy nén đến cơ cấu chấp hành, như xy lanh khí nén.

Tổn thất phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Độ nhẵn thành ống chiều dài ống

- Độ lớn tiết diện, tốc độ chảy

- Sự thay đổi tiết diện, hướng chuyển động,

Có 2 dạng tổn thất chính: Tổn thất trên van và tổn thất trên ống dẫn

Tên van Giá trị tổn thất áp trên 1 van (MPa) Số lượng Tổng tổn thất

Vậy tổng tổn thất áp suất trên van là ∆𝑃 1 = 0,06 𝑀𝑃𝑎

+ Tổn thất trên đường ống

Theo 2.1.2.2[8] thực tế sai số cho phép lên đến 5% áp suất làm việc:

+ Tổng tổn thất áp suất

3.6.4 Tính toán lựa chọn máy nén Áp suất cần thiết của máy nén

Ta lựa chọn máy nén khí piston cho tay máy để đảm bảo áp suất và lưu lượng cần thiết và chống động cơ hoạt động quá công suất

Chọn máy nén khí JAGUAR ET-80 có thông số :

Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật máy nén khí JAGUAR ET-80

Loại máy Máy nén khí Piston 1 cấp

Công suất 5.5 / 7.5 (KW/HP) Áp suất khí làm việc 8 bar

Kích thước ( dài x rộng x cao) 1510 x 620 x 1090 mm

Tính toán và thiết kế cơ cấu kẹp ống dạng kẹp hai đầu

3.7.1 Phân tích lực kẹp trên tay gắp:

Hình 3.11 Phân tích lực kẹp tay gắp

- 𝜇 : hệ số ma sát giữa thành kẹp và vật

- m: khối lượng vật thể (kg)

- g: gia tốc trọng trường (= 9,8m/s 2 ) Điều kiện để vật thể không rớt trong quá trình di chuyển:

2𝜇 Với a là hệ số an toàn thì

𝐹 = 𝑚𝑔 2𝜇 𝑎 Theo nhà sản xuất SMC thì hệ số an toàn a = 4 [4], hệ số ma sát 𝜇 = 0,2 thì

- Kích thước khoang : ống trụ tròn ∅ = 53 𝑚𝑚 , chiều dài L = 255 mm

- Chọn vật liệu thép hợp kim có [𝜎 𝑐ℎ ] = 620 (MPa)

3.7.3 Tính toán thiết kế cơ cấu kẹp khoang

Thiết kế đồ gá và khung tay máy

Khung tay máy được chọn là khung nhôm định hình ATV8-6060-01 với chiều cao 400 mm, giúp giảm thiểu vướng víu trong quá trình di chuyển và đảm bảo độ ổn định tối ưu.

3.8.2 Đồ gá giữa xy lanh xoay và khung tay máy Đồ gá được minh họa trong Hình 3 bao gồm tấm đĩa tròn được khoan lỗ ∅ để định vị giữa xy lanh xoay và đồ gá Các lỗ ∅ để định vị khung máy với đồ giá thông qua các ke nhôm định hình Ống thép tròn có nhiệm vụ bảo vệ xy lanh bên trong và hai tấm thép được hàn vào hai bên có nhiệm vụ cố định hành trình xy lanh xoay bằng nam châm điện (giải thích vụ thể ở chương 4)

Hình 3.12 Đồ gá xy lanh xoay và khung máy

Hình 3.13 Bố trí đồ gá xy lanh xoay và khung máy

3.8.3 Đồ gá xy lanh TN25 và khung máy Đồ gá được minh họa như Hình 3 bao gồm tấm thép chữ U được lắp trên khung tay máy và có nhiệm vụ định vị đối trọng của tay máy là khối sắt hình chữ nhật trọng lượng

Hình 3.14 Đồ gá xy lanh TN25 và khung máy

Hình 3.15 Bố trí đồ gá xy lanh TN25 với khung máy

3.8.4 Đồ gá xy lanh TN25 với TN16 Đồ giá được minh họa như Hình 3 bao gồm tấm gá một mặt được lắp vào đầu hành trình của xy lanh TN25 và mặt còn lại lắp vào thân của xy lanh TN16

Hình 3.16 Đồ giá xy lanh TN25 với TN16

Hình 3.17 Bố trí đồ gá xy lanh TN25 với TN16

Thiết kế sơ bộ kết cấu các khâu

Hình 3.21 Mô hình robot hoàn thiện

Từ thiết kế sơ bộ của robot, các thông số của bảng D-H được xác định như bảng 3.4 sau:

Bảng 3.8 Các thông số của bảng D-H sau khi thiết kế các khâu Đơn vị (mm)

Thiết kế modul hổ trợ xoay vật thể

Trong quá trình kiểm tra khoang áp suất, việc hỗ trợ nhân viên phòng thí nghiệm lắp khoang lỏng vào khoang hơi là rất quan trọng, đặc biệt sau khi tay máy đã lấy khoang lỏng ra khỏi bồn.

Để đảm bảo không có tiếp xúc tay với hóa chất, tác giả đã thiết kế một bộ gá ống giúp xoay khoang hơi từ vị trí ngang sang thẳng đứng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nối khoang lỏng vào khoang hơi.

Hình 3.18 Cụm xoay khoang lỏng

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ KHÍ NÉN

Yêu cầu chung của mạch điện

Lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả kinh tế, đồng thời đảm bảo độ bền trong môi trường phòng thí nghiệm và tiếp xúc với hóa chất.

Mạch dùng PLC điều khiển

Dùng cảm biến tiệm cận để nhận biết vị trí hành trình xy lanh

Dùng van khí nén và servo khí nén để phân phối khí cấp cho các cơ cấu chấp hành.

Lựa chọn các thiết bị điện

4.2.1 Cảm biến tiệm cận cho các xy lanh khí nén

Trong quá trình chuyển động của xy lanh, việc lắp đặt cảm biến là cần thiết để xác định xem xy lanh đã đạt đến vị trí mong muốn hay chưa Cảm biến từ được sử dụng, cụ thể là cảm biến SMC D-A93 cho xy lanh xoay và cảm biến AIRTAC CS1-J cho xy lanh thẳng.

Hình 4.1 Cách lắp đặt cảm biến trên xy lanh [9]

Hình 4.2 Thông số kích thước và đấu nối SMC D-A93 [10] Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến SMC D-A93 [10]

Kiểu mắc nối tếp 2 dây

Tải sử dụng Relay hoặc PLC

Hình 4.3 Thông số kích thước cảm biến AIRTAC CS1-J [11]

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến AIRTAC CS1-J [11]

Kiểu mắc nối tếp 2 dây

Tải sử dụng Relay hoặc PLC

4.2.2 Van điện từ khí nén Để điều khiển các xy lanh đã chọn ở chương 3, van khí nén 5 ngõ 2 vị trí được lựa chọn, bởi vì xy lanh có tới 2 đầu cấp khí nén Chính vì vậy van khí nén 5/2 của hãng AIRTAC được lựa chọn với 2 đầu kích bằng cuộn solenoid Khi được tác động ở đầu van nào tức có dòng điện chạy qua thì dòng khí ở đầu van đó sẽ được thông làm cho xy lanh duỗi ra hay rút vào, tùy thuộc vào cách đấu nối dây khí nén

Cụ thể van khí nén được sử dụng là van điện từ solenoid AIRTAC V4A220-08

Hình 4.4 Thông số kích thước của van điện từ AIRTAC 4V220-08 [12]

Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến AIRTAC 4V220-08 [12]

Thông số Giá trị Áp suất vận hành 0,15 - 0,8 MPa

Tay máy khí nén sẽ có tổng cộng 4 xy lanh được chọn như ở mục (3.5) Đồng thời sẽ sử dụng 4 van khí nén 5/2 để điều khiển 4 xy lanh đó

Trong quá trình kiểm tra hệ thống áp suất, tay máy sẽ làm việc với 3 mức độ tải trọng khác nhau:

- Khi không mang tải trọng nào

Khi sử dụng cả khoang lỏng và khoang hơi, xy lanh xoay khâu 1 cần điều chỉnh ba mức độ áp suất khác nhau tương ứng với ba mức tải trọng Điều này đảm bảo rằng hành trình được thực hiện đầy đủ và moment quán tính trong quá trình xoay luôn ổn định, giúp tay máy kẹp chặt sản phẩm trong suốt quá trình hoạt động.

Chúng tôi sẽ sử dụng van servo khí nén Transducers 500FC để điều khiển áp suất đầu ra thông qua tín hiệu analog (I/P hay E/P), theo mục (2.5.3).

Hình 4.5 Servo khí nén Transducers 500FC Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật của Transducer 500FC [13]

Tín hiệu đầu vào 4 – 20 mA DC Áp suất đầu ra 3 – 27 psi

Cách calib van servo khí nén 500FC :

- Mở nắp bảo vệ để lộ vít điều chỉnh zero và span

- Kết nối nguồn khí nén được đề nghị với đầu vào của đầu dò và đồng hồ đo áp suất ở đầu ra

- Kết nối đầu vào điện và đặt tín hiệu đầu vào thành giá trị tối thiểu ( 4mA cho

- Quan sát áp suất đầu ra Nếu cần, điều chỉnh zero cho đến khi đạt đến áp suất cài đặt tối thiểu

• Xoay vít ngược chiều kim đồng hồ để tăng áp suất

• Xoay vít thuận chiều kim đồng hồ để giảm áp suất

Để giới hạn hành trình của xy lanh xoay, chúng ta sử dụng cử hành trình bằng nam điện, giúp đảm bảo tay máy di chuyển đến vị trí chính xác và cố định trong quá trình hoạt động, từ đó giảm thiểu rung lắc và nâng cao độ chính xác của tay máy.

Nguyên lý hoạt động của nam châm điện CNZYEM là sử dụng nguồn điện 1 chiều 24V để tạo ra lực từ mạnh, có khả năng hút các vật thể bằng sắt và nâng vật lên có trọng lượng tối đa 100 N Với khối lượng tay máy khoảng 9 kg, nam châm điện 100N của hãng CNZYEM là lựa chọn phù hợp cho ứng dụng này.

Hình 4.6 Nam châm điện CNZYEM 100N [14]

Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật của nam châm điện CNZYEM 100N [14]

Trong phần này, số lượng I/O và đặc tính của các I/O của PLC cần được xác định để lựa chọn loại PLC phù hợp cho tay máy

Bảng 4.6 Số ngõ vào cần thiết cho bộ điều khiển PLC

Tên thiết bị Chức năng Số ngõ vào PLC

Cảm biến từ xy lanh Phát hiện vị trí hành trình xy lanh 9

Nút nhấn Điều khiển các trạng thái của máy 5

Để xác định số lượng ngõ vào cần thiết cho PLC, tổng số ngõ vào là 14 Trong thiết kế tay máy, có hai chuyển động chính là chuyển động của các xy lanh và cơ cấu gắp Mỗi xy lanh được trang bị hai cảm biến đầu cuối để đảm bảo hoạt động đúng hành trình, tuy nhiên, xy lanh thẳng ở khâu 3 cần thêm một cảm biến do yêu cầu độ cao khác nhau ở mỗi giai đoạn Đối với tín hiệu nút nhấn, ba nút Start, Stop và Reset được sử dụng để đảm bảo đầy đủ chức năng, cùng với hai nút nhấn bổ sung SW1 và SW2 cho ba giai đoạn vận hành của tay máy Tổng hợp lại, có 14 ngõ vào PLC như đã nêu trong Bảng 4.6.

Bảng 4.7 Số ngõ vào cần thiết cho bộ điều khiển PLC

Tên thiết bị Chức năng Số ngõ vào PLC

Van khí nén 5/2 Điều khiển xy lanh 8

Nam châm điện Cử hành trình xy lanh xoay 2 Đèn báo Báo hiệu trạng thái của máy 2

Tổng số ngõ đầu ra 12

Để xác định số ngõ ra cần thiết cho hệ thống, với 4 van khí nén 5/2 sử dụng 2 cuộn solenoid để kích hoạt, ta cần 4 tín hiệu ngõ ra để điều khiển 4 xy lanh khí nén thông qua PLC Mỗi van khí nén yêu cầu 1 tín hiệu ngõ ra để kích hoạt cuộn solenoid tương ứng.

Để điều khiển 4 van khí nén, cần sử dụng 8 ngõ ra PLC Mỗi nam châm điện yêu cầu 1 tín hiệu để cấp dòng tạo lực hút, do đó cần thêm 2 ngõ ra Cuối cùng, cần 2 đèn báo để hiển thị trạng thái hoạt động và ngưng hoạt động của tay máy Để tiết kiệm không gian, nút nhận loại cũng cần được xem xét.

24 VDC có đèn báo sẽ được sử dụng Tổng cộng cần 12 ngõ ra PLC như đã thể hiện ở Bảng 4.5

Tay máy khí nén yêu cầu 14 ngõ vào và 12 ngõ ra để hoạt động hiệu quả, cùng với 1 ngõ analog để xử lý tín hiệu servo khí nén Vì vậy, PLC BOARD FX3U 24MT – 6AD – 2DA đã được lựa chọn, với các thông số chi tiết được trình bày trong Bảng 4.8.

Bảng 4.8 Thông số cơ bản của PLC BOARD FX3U 24MT – 6AD – 2DA

Tên PLC FX3U 24MT – 6AD – 2DA

Số ngõ ra 12 ngõ ra (Sink)

Sỗ ngõ vào 16 ngõ vào (Sink)

Loại ngõ ra Transitor Đầu vào analog 6 đầu vào Đầu ra analog 2 đầu ra ( 0 – 10V)

Bộ nhớ chương trình 8000 steps

Giao tiếp RS232 DB9, RS485

Cụm nguồn cho các thiết bị điện

Bảng 4.9 Điện áp – dòng điện cấp vào các thiết bị điện

Thiết bị SL Dòng điện Điện áp Tổng

Van khí 4 100 mA 24 VDC 400 mA – 24 VDC

PLC FX3U 1 160 mA 24 VDC 160 mA – 24 VDC

Cảm biến từ 9 200 mA 24 VDC 1800 mA – 24 VDC

Nam châm điện 2 100 mA 24 VDC 200 mA – 24 VDC

Nguồn điện 2560 mA – 24 VDC là yếu tố quan trọng giúp các thiết bị hoạt động hiệu quả Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cần lựa chọn nguồn điện 1 chiều phù hợp Một trong những lựa chọn lý tưởng là nguồn tổ ong Model S-360-24 24 VDC – 15A.

Hình 4.7 Nguồn tổ ong 24 VDC – 15 A [15]

Sơ đồ đấu dây kết nối thiết bị

4.4.1 Kết nỗi giữa PLC và servo khí nén

Sơ đồ kết nối giữa PLC và servo khí nén được thể hiện trong Hình 4.8 Theo thông số tại Bảng 4.8, đầu ra tín hiệu analog DA của PLC là điện áp trong khoảng 0 – 10V Do đó, để điều khiển servo khí nén, cần sử dụng một bộ chuyển đổi tín hiệu từ điện áp thành dòng điện, cụ thể là thiết bị DC Signal Isolator.

Hình 4.8 Sơ đồ kết nối giữ PLC và Servo khí nén 500 FC

Bảng 4.10 Thông số kỹ thuật của DC Signal Isolator

Tín hiệu đầu vào 0 – 10 VDC

Tín hiệu đầu ra 4 – 20 mA

4.4.2 Kết nối giữa van khí nén và cụm đèn báo với PLC

Sơ đồ kết nối giữa PLC, cuộn solenoid của van khí nén và đèn báo được thể hiện trong Hình 4.10 Nguồn 24 VDC được cấp cho đầu dương của cuộn dây solenoid, trong khi đầu còn lại được kết nối với ngõ ra của PLC, do điện áp ngõ ra của PLC ở mức thấp (Sink) Cách kết nối này cũng áp dụng cho cụm đèn báo.

Hình 4.10 Sơ đồ kết nối giữa PLC với van khí nén và đèn báo

4.4.3 Kết nối giữa các thiết bị input với PLC

Hình 4.11 Sơ đồ kết nối các thiết bị input vào PLC

Cảm biến 2 dây cho phép kết nối trực tiếp với PLC mà không cần sử dụng relay trung gian Nút nhấn được kết nối với dây tín hiệu X ở một đầu và cổng COM ở đầu còn lại.

Tổng kết

Chương 4 đã trình bày cách kết nối các thiết bị cho tay máy khí nén, với sơ đồ kết nối các thiết bị đầu vào và đầu ra với PLC được thể hiện rõ ràng trong Bản vẽ điện Thông tin về các chân vào ra của PLC trong sơ đồ này sẽ hỗ trợ hiệu quả cho quá trình lập trình PLC.

Hình 4.12 Sơ đồ các thiết bị của tay máy

Sơ đồ khối các thiết bị trong tay máy khí nén được chia thành ba cụm chính: cụm nguồn, cụm điều khiển và cụm động lực Cụm nguồn có chức năng cung cấp năng lượng cho bộ điều khiển PLC và van khí nén.

Cụm điều khiển bao gồm nút nhấn, cảm biến từ và bộ điều khiển PLC, giúp xử lý tín hiệu đầu vào từ các thiết bị Bộ điều khiển PLC xuất tín hiệu đầu ra cho các thiết bị động lực như van khí nén, nam châm điện và servo khí nén.

Thiết kế bộ Điều khiển

Mô tả hoạt động của máy

2 Tay máy mang khoang hơi vào bồn áp suất

1 Tay máy mang khoang hơi lên từ gá V

Hình 5.1 Giai đoạn 1 của chu trình hoạt động

1 Tay máy mang khoang hơi ra khỏi bồn áp suất

2 Đưa về gá V để lắp với khoang lỏng

Hình 5.2 Giai đoạn 2 của chu trình hoạt động

1 Tay máy mang 2 khoang được lắp với nhau lên từ gá V

2 Đưa 2 khoang vào bồn áp suất

Hình 5.3 Giai đoạn 3 của chu trình hoạt động

Quy trình hoạt động của khâu kiểm tra sản phẩm áp suất sẽ được chia làm các giai đoạn sau:

Trong giai đoạn 1, nhân viên cần đặt khoang hơi lên gá V và nhấn nút START để khởi động tay máy đưa các cụm khí nén về vị trí home Sau khi hoàn tất, nhấn SW1 để tay máy thực hiện quá trình đầu tiên Khi quá trình hoàn thành, tay máy sẽ quay trở về vị trí ban đầu.

Giai đoạn 2: Sau khi duy trì khoang hơi trong bồn áp suất trong một khoảng thời gian nhất định, nhân viên sẽ nhấn nút SW2 để tay máy bắt đầu thực hiện quy trình tiếp theo.

2 Tay máy sẽ đặt khang hơi lên gá V và dừng lại, nhân viên ngay lập tức lắp khoang lỏng vào khoang hơi

- Giai đoạn 3: Hai khoang đã được nối với nhau, nhân viên tiếp tục nhấn SW2 để tay máy mang cả 2 khoang vào bồn áp suất

Đặt vấn đề

Vì điều kiện thực tế, luận văn chỉ có thể điều khiển và mô phỏng được góc quay

Để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho việc di chuyển từ góc 0 độ đến 90 độ, cần thực hiện các nhiệm vụ quan trọng nhằm tối ưu hóa vận tốc di chuyển.

- Lấy mẫu thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống

- Sử dụng phương pháp ARMAX để tìm quan hệ giữa đầu vào và đầu ra

- Kiểm chứng phương pháp lấy mẫu bằng Matlab

- Thiết kế bộ điều khiển của hệ thống.

Thực hiện tìm mối quan hệ giữa input và output

Hình 5.4 Encoder để đo vận tốc khâu 1

Tín hiệu điều khiển Servo khí nén: 0V – 10V Áp suất đầu ra của Servo: 23psig – 33psig

Bộ DAQ có tần số lấy mẫu là 300KHz

- Xác định số mẫu cần lấy để thực hiện mô phỏng:

Theo tiêu chuẩn Nyquist, để mô phỏng chính xác thông tin tín hiệu của vật cần lấy mẫu, tần số lấy mẫu fs (tần số của controller hoặc DAQ) phải lớn hơn hoặc bằng 2 lần tần số cao nhất của nguồn tín hiệu (encoder), tức là fs ≥ 2fh Do đó, nếu fs đạt 100KHz, thì tần số cao nhất fh không được vượt quá 150KHz.

Ta có thể tính được, thời gian lấy mẫu nhỏ nhất mà DAQ có thể đọc được là

Chọn thời gian lấy mẫu là 0,025s, thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist

Dựa vào phương pháp lấy mẫu đã nêu, hệ thống sử dụng hàm đơn vị từ 0V đến 10V, cho ra đáp ứng đầu ra với đơn vị là số xung trên mỗi đơn vị thời gian lấy mẫu.

Bảng 5.1 Mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và ra

Output 1 Output 2 Output 3 Output 4 Output 5

961 ms 841 ms 711 ms 831 ms 691 ms

Input 1V Input 2V Input 6V Input 7V Input 9V

Hình 5.5 Cài đặt Input là 6V

Hình 5.6 Cài đặt Input là 9V

Mô hình hóa hệ thống

Sử dụng cơ sở dữ liệu hiện có, phương pháp ARMAX được áp dụng để mô hình hóa hệ thống Đầu tiên, ta xác định các biến thời gian, đầu vào và đầu ra từ dữ liệu Tiếp theo, biểu đồ được vẽ cho đầu ra và đầu vào theo thời gian Dữ liệu được chuẩn bị bằng cách sử dụng hàm iddata với khoảng thời gian 0.1 và loại bỏ xu hướng thông qua hàm dtrend Sau đó, dữ liệu được chia thành hai phần: phần đầu từ chỉ số 1 đến 9 và phần còn lại từ chỉ số 9 trở đi Cuối cùng, các tham số mô hình na, nb và nc được đặt bằng 1.

72 nk=1; m1=armax(datade,[na,nb,nc,nk])

Ta nhận được bộ số liệu như sau:

Dựa vào phương trình và phương pháp trên, ta thu được hàm truyền dưới dạng rời rạc như sau:

Kiểm tra kết quả mô phỏng

Với hàm truyền đã thu nhận, chúng ta tiến hành kiểm tra kết quả mô phỏng bằng Simulink trong khoảng thời gian từ 0s đến 0.3s, nhằm xác minh tính chính xác của hàm truyền.

Hình 5.7 Mô phỏng lại giá trị với hàm truyền, Input = 6V

Để kiểm tra tính chính xác của hàm truyền, chúng ta tiến hành tính giá trị trung bình của hai giá trị đầu ra: một là giá trị đầu ra đo được từ thực nghiệm và hai là giá trị đầu ra thu được từ mô phỏng trong khoảng thời gian từ t=0 đến t=0.3s.

Thỏa mãn điều kiện, độ chênh lệch giữa 2 kết quả nhỏ hơn 30%, hàm truyền có tính đúng đắn trong khoảng thời gian khảo sát

Với giá trị trung bình của thực nghiệm = 15,75, giá trị trung bình của mô phỏng 15,899118 Deviation = 5,32% Thỏa mãn điều kiện đề bài đặt ra

Bảng 5.2 Kiểm tra kết quả mô phỏng

Thiết kế bộ điều khiển của hệ thống

Tiêu chí của bộ điều khiển:

- Sai số sau ổn định: +/-10%

Mục tiêu của bộ điều khiển là duy trì cơ hệ quay với vận tốc đã được xác định trước, nhằm ngăn chặn hiện tượng va đập mạnh vào các thanh cố định vị trí với lực lớn.

Với đồ thị đã khảo sát như ở phần 5.2 Luận văn thực hiện sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PD and I

Dựa vào thực nghiệm, ta đặt ra bộ luật điều khiển như sau:

Hình 5.9 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống

Hình 5.10 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển

Max Output = 13.9011 => độ vọt lố = 𝑐 𝑚𝑎𝑥 −𝑐 𝑥á𝑐 𝑙ậ𝑝

Sai số sau ổn định = 0.07%

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Dựa trên các kết quả mô phỏng và mô hình hóa từ phương pháp nhận dạng hệ thống thực nghiệm, cùng với việc áp dụng thuật toán điều khiển thông minh Fuzzy PD và I, chúng tôi rút ra một số nhận xét quan trọng về hiệu quả và khả năng ứng dụng của các phương pháp này trong việc tối ưu hóa quy trình điều khiển.

Trong thời gian khảo sát từ 0s đến 0,3s, ta có được hàm truyền của hệ thống bằng phương pháp nhận dạng hệ thống ARMAX, có độ chính xác cao

Kết quả điều khiển cho thấy bộ điều khiển đáp ứng tốt các tiêu chí về độ vọt lố, thời gian xác lập và sai số sau ổn định của hệ thống Qua phương pháp thực nghiệm, cánh tay máy đã tác động lực vừa phải vào thành giá đỡ, duy trì thời gian và chuyển động đều của hệ thống Khâu 1, với moment tải nặng nhất, cần được điều khiển tốt để đảm bảo độ ổn định cho toàn bộ hệ thống Để tự động hóa hoàn toàn và thay thế nhân viên phòng thí nghiệm trong việc lấy mẫu mà không cần can thiệp của con người, cần lắp đặt thêm các sensor phản hồi (encoder) vào khâu 2 và khâu 3, nhằm điều khiển đồng bộ với khâu 1, giúp hệ thống hoạt động nhịp nhàng hơn.

Các bài toán điều khiển chuyển động của robot còn khá phức tạp, cần phát triển thêm ở những nghiên cứu sau, đặc biệt là hệ MISO

Kết quả nghiên cứu từ luận văn đã được trình bày và công bố trong kỷ yếu của Hội nghị Khoa học Đại học Bách Khoa TP.HCM lần thứ 16, diễn ra vào ngày 15 tháng.

A STUDY ON DESIGN AND CONTROL OF THE REID VAPOUR PRESSURE

Thuy Duy Truong, Tuong Quan Vo*

Department of Mechatronics, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of

Technology, VNU-HCM Email: vtquan@hcmut.edu.vn