Bài giảng Điều khiển thủy khí và lập trình PLC - ĐH Phạm Văn Đồng

ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ VÀ LẬP TRÌNH PLC.. Ths.[r]

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

BÀI GIẢNG MƠN HỌC

ĐIỀU KHIỂN THỦY KHÍ VÀ LẬP TRÌNH PLC

Ths Phạm Văn Anh (Chủ biên)

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước ta nay, cơng nghiệp hóa – đại hóa bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ Trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt khí – tự động hóa có nhiều

bước phát triển vượt bậc, góp phần củng cố xây dựng sở vật chất hạ tầng cho kinh tế

Góp phần vào nỗ lực này, cán bộ, giảng viên toàn thể sinh viên đại học Phạm Văn Đồng bước đổi mới, nâng cao trình độ

chun mơn, nhằm tạo bước chuyển lớn đào tạo nâng cao chất

lượng tạo

Từ yêu cầu trên, nhóm biên soạn tập hợp từ nhiều tài liệu để biên tập thành giảng Tài liệu sử dụng cho sinh viên lớp đại học tín

với thời lượng 30 tiết Chúng hy vọng tài liệu thiết thực cho bạn sinh viên chuyên nghành Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí trường đại học Phạm

Văn Đồng

Chương 1 ĐIỀU KHIỂN LOGIC

Mục tiêu

Chương trang bị cho sinh viên kiến thức đại số Boole, ứng dụng lý thuyết điều khiển logic như: Tối giản phương trình logic biến đối tốn học bảng Karnaugh nắm vững phần tử điều khiển logic hệ

thống thủy lực khí nén

1.1 Khái niệm bản

Khái niệm “điều khiển” theo tiêu chuẩn DIN 19 226 (Cộng hòa liên bang

Đức): trình hệ thống, tác động hay nhiều đại

lượng vào, đại lượng thay đổi theo quy luật định hệ

thống

Đặc trưng cho q trình điều khiển mạch tác động hở (hệ thống điều khiển hở) Cấu trúc hệ thống điều khiển hở biểu diễn hình dưới:

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển hở

Hệ thống có tín hiệu vào xe tín hiệu xa Ví dụ mạch điều khiển

đơn giản xilanh khí nén:

Hình 1.2 Mạch điều khiển xilanh

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển

+ Đối tượng điều khiển loại thiết bị, máy móc

+ Thiết bị điều khiển bao gồm: phần tử đưa tín hiệu, phần tử xử lý điều khiển, cấu chấp hành

+ Tín hiệu điều khiển đại lượng xa thiết bị điều khiển đại lượng

vào xe đối tượng điều khiển

+ Tín hiệu nhiễu z đại lượng tác động từ bên vào hệ thống gây ảnh hưởng xấu lên hệ thống

Hình 1.4 Các phần tử của mạch điều khiển

- Khi tín hiệu thay đổi liên tục tương ứng với giá trị thơng tin biến đổi,

được gọi tín hiệu tương tự

- Khi tín hiệu mà biên độ thay đổi gián đoạn, gọi tín hiệu rời rạc - Khi giá trị tín hiệu thay đổi định nghĩa dạng mã nhị phân, gọi tín hiệu số

- Tín hiệu nhị phân tín hiệu số có hai giá trị (0 1) tín hiệu ba tín hiệu có ba giá trị

Ví dụ: tín hiệu điều khiển khí nén phần lớn sử dụng tín hiệu nhị phân: Đóng

mở, có khơng có khí nén…

1.2 Các phần tử logic

Các phần tử logic ký hiệu theo tiêu chuẩn DIN 40 100 (cộng hòa liên

bang Đức) ký hiệu bảng sau:

Bảng 1.1 Phần tử bản của mạch logic

1.2.1 Phần tử logic NOT (đảo)

Phần tử logic NOT minh họa hình Khi nhấn nút b1 rơle c

Hình 1.6 Phần tử logic NOT

1.2.2 Phần tử logic AND (và)

Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c có điện, bóng đèn h sáng

Hình 1.7 Phần tử logic AND

1.2.3 Phần tử logic NAND (và-đảo)

Khi nhấn nút b1 đồng thời với b2 rơle c điện, bóng đèn h tắt

1.2.4 Phần tử logic AND-NAND

- Phần tử logic AND-NAND có tín hiệu h1 h2

Hai tín hiệu h1 h2 phủ định

Hình 1.9 Phần tử logic AND-NAND

1.2.5 Phần tử logic AND-NAND với tín hiệu vào Sơ đồ mạch minh họa hình đây:

1.2.6 Phần tử logic OR (hoặc)

Đèn h sáng, nhấn nút b1 b2 Ký hiệu, sơ đồ bảng chân lý thể

hiện hình dưới:

Hình 1.11 Phần tử logic OR

1.2.7 Phần tử logic NOR (hoặc-đảo)

Khi tín hiệu nút b1 b2 thực hiện, đèn h tắt Đèn h sáng

khi khơng có tín hiệu thực

Hình 1.12 Phần tử logic NOR

1.2.8 Phần tử logic OR/NOR

Phần tử logic OR/NOR với tín hiệu vào tín hiệu thể

Hình 1.13 Phần tử logic OR/NOR

1.2.9 Phần tử logic XOR (EXC-OR)

Đèn h1 sáng, nút ấn b1 thực b2 thực Khi nhấn nút đồng

thời, đèn h1 điện

Hình 1.14 Phần tử logic XOR

1.3 Lý thuyết đại số BOOLE

Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị tín hiệu vào thể dạng biến số đại số Boole

1.3.1 Các quy tắc đại số Boole

a) Quy tắc hoán vị

Các tốn tử b1 b2 hốn vị cho nhau:

b) Quy tắc kết hợp

b1 ^ b2 ^ b3 = (b1 ^ b2) ^ b3 = b1 ^ (b2 ^ b3 )

b1 v b2 v b3 = (b1 v b2) v b3 = b1 v (b2 v b3 )

c) Quy tắc phân phối

Phép toán liên kết AND, OR, NOT kết hơp với nhau:

( b1 ^ b2) v (b3 ^ b4) = (b1 v b3) ^ (b1 v b4) ^ (b2 v b3) ^ (b2 v b4)

( b1 v b2) ^ (b3 v b4) = (b1 ^ b3) v (b1 ^ b4) v (b2 ^ b3) v (b2 ^ b4)

b1 ^ (b2 v b3) = (b1 ^ b2) v (b1 ^ b3)

b1 v (b2 ^ b3) = (b1 v b2) ^ (b1 v b3)

d) Quy tắc nghịch đảo (Quy tắc Morgan)

2 1 2 1 2 1 2 1 b b b b b b b b       3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 b b b b b b b b b b b b b b b b b b                3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 b b b b b b b b b b b b b b b b b b               

e) Quy tắc đơn giản liên kết

Quy tắc đơn giản liên kết thể hình đây:

Hình 1.15 Quy tắc đơn giản phép tốn

f) Ví dụ minh họa

H ) b b b b ( ) b b b b

( 1  2 3 4  1 2 3 4 

Hãy thiết kế sơ đồ mạch logic, cho số phần tử logic sử dụng số

phần tử đơn giản với số cổng tốt

Theo phương trình logic, ta có sơ đồ mạch logic thiết kế sau:

Hình 1.16 Sơ đồ mạch logic với phần tử

Theo quy tắc Morgan, ta biến đổi sau:

 3 4

2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1 b b b b b b b b b b b b b b b b              

Ta có kết sau:

b b  H b b ( ) b b b b

( 1 2 3 4  1 2  3  4 

Hình 1.17 Sơ đồ mạch logic với phần tử

Ví dụ 1.2: Hãy đơn giản mạch điều khiển có phương trình logic sau:

H ) b b ( ) b b

( 1  2  1  2 

Theo phương trình trên, cần phần tử logic Sơ đồ mạch logic bảng chân lý biểu diễn hình dưới:

Hình 1.18 Sơ đồ mạch logic với phần tử

Theo quy tắc phân bố, ta biến đổi sau:

H ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b ( ) b b

( 1 2  2  1  1  1  2  2  2  1  2  2 

Theo quy tắc đơn giản liên kết, ta có:

)

(b1b1  (b2 b2)1

H b b b

b  )(  ) 

( 1 2 2 1

Theo quy tắc Morgan:

(b2 b1)b2 b1

Phương trình đơn giản được:

H ) b b ( ) b b

( 1 2  2  1 

Hình 1.19 Sơ đồ mạch logic với phần tử Ví dụ 1.3:

Thiết lập phương trình logic điều khiển thang máy Nguyên tắc hoạt động

thang máy sau: thang máy chuyển động, có tác động vào nút nhấn b0

bên bên thang máy b1

Mạch điều khiển đóng, cửa thang máy b3 đóng Nếu thang máy có tín hiệu

b2 (có người vào), tác động vào nút nhấn bên ngồi khơng có hiệu lực

Ví dụ giả thiết rằng, để ý đến với điều kiện

động thang máy hoạt động Hướng chuyển động, đích đến (chọn tầng) tốn

Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển thang máy

( b0 Nút ấn bên thang máy; b1 Nút ấn bên thang máy; b2 Tiếp điểm nằm

dưới thang máy; b3 Tiếp điểm cửa thang máy đóng; H Động điện hoạt

động)

Có tín hiệu vào, ta có 24 khả mạch kết hợp xảy ra, ký hiệu từ đến 15 Theo yêu cầu đề ra, ta có khả z=9.14 thỏa mãn để mạch

động điện đóng Dịng kết hợp z=10,11 khơng có ý nghĩa, tác động lên nút ấn b1 bên thang máy, mà tiếp điểm b2 khơng đóng (khơng có nguời bên

trong thang máy)

Ký hiệu x có nghĩa giá trị H phép chọn Trước hết ta chọn

dòng z=10.11, giá trị H=0 Dạng phép tuyển toàn phần viết sau:

H b b b b b b b b b b b

b    )(    )(    )

( 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3

Sử dụng quy tắc phân bố quy tắc đơn giản mạch:

1 b b  

Ta có

     

b0 b1b2  b0 b1b2  b0b1b2 b3 H

Sử dụng quy tắc: bb1b1 bb1ta viết được:

     

b0 b1b2  b1b2  b0 b0 b3 H

Kết cuối sau đơn giản:

   

b0 b1b2  b1b2 b3 H

Mạch logic sơ đồ mạch công tác biểu diển sơ đồ hình 1.22

Bây ta chọn dịng z=10.11, giá trị H=1, dạng phép tuyển toàn phần viết sau:

H b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b                     ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 3 3

Sử dụng quy tắc đơn giản mạch với b b1 ta có:

H b b b b b b b b b

b    )(   )(   ) 

( 0 1 2 3 1 2 3 1 2 3

 

b b b b  b H

b b b b b

b0  1 2  3)( 1 3) 0  1 2  1  3 

(

Vậy quy tắc đơn giản: (bb1)b1 bb1

 

b0 b2 b1b3 H

Mạch logic sơ đồ mạch công tác biểu diển sơ đồ hình 1.23

Hình 1.23 Sơ đồ mạch logic mạch cơng tắc, chọn dòng z=10.11 với giá trị

H=1

1.3.2 Biểu đồ Karnaugh

a) Khái niệm

Với quy tắc đại số Boole, người ta kết hợp đơn giản mạch logic hay mạch cơng tác ví dụ phần trước minh họa Tuy nhiên ứng dụng quy tắc đại số Boole phức tạp

Vào năm 1953, nhà toán họa Karnaugh (người Anh) phát triển

phương pháp giải biểu diễn đồ thị Gọi biểu đồ Karnaugh Nhờ biểu đồ Karnaugh mà người ta sử dụng quy tắc, để đơn giản phương trình logic phức tạp với nhiều biến

Biểu đồ Karnaugh bao gồm nhiều khối biểu diễn tất khả dạng phép hội toàn phần Dạng phép hội toàn phần phép toán liên kết AND, bao gồm tất

các biến phủ định biến

b) Biểu đồ Karnaugh với hàm biến

Các khối dòng thứ (1 2) gồm phủ định biến b1 Khối dòng

thứ (3 4) biến b1 Tương tự khối cột thứ (1 3) bao gồm phủ định

Hình 1.24 Bảng chân lí biểu đồ Karnaugh cho hàm biến

Ví dụ 1.4: Cho phương trình logic: b1b2b1b2L

Điều kiện để phương trình có tín hiệu L cổng H khối Với hai biến ta có 22dạng phép hội toàn phần Khối gạch chéo Trong biểu

đồ Karnaugh phép hội toàn phần có phương trình nằm kế cận Hai dạng phép hội tồn phần kế cận có tính chất biến có giá trị thay

đổi, biến thứ khơng thay đổi Ví dụ trên, biến có giá trị thay đổi b1 Như

phương trình ta biến đổi sau:

b b L

b2  1 

b1 b1 L

L b L L

b2   2 

Như để thỏa mãn phương trình logic trên, cần tín hiệu b2

c) Biểu đồ Karnaugh với hàm biến

Với biến ta có 23=8 dạng phép hội tồn phần (kí hiệu từ đến 8), xem biểu

đồ hình 1.25

Dịng thứ 1: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 2: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 3: b1,b2,b3,b3; Dòng thứ 4: b1,b2,b3,b3;

Hình 1.25 Biều đồ Karnaugh với hàm biến, sơ đồ mạch lơgic bảng chân lý

Ví dụ 1.5: Phương trình logic sau:

b1 b2 b3  b1b2 b3  b1b2 b3b1b2b3L

Theo biểu đồ Karnaugh ta có khối gạch chéo, tương ứng với phương

trình logic Nếu tương ướng với phương trình logic cần phải có: + Một phần tử OR với cổng vào

+ Một phẩn tử AND với cổng vào + phần tử NOT

Sơ đồ mạch logic bảng chân lý hình 1.26

Bây sử dụng bảng Karnaugh để đơn giản sơ đồ logic Trong biểu đồ

có miền lân cận:

+ Miền thứ bao gồm: khối + Miền thứ bao gồm: khối

+ Miền thứ khối rút gọn ta được: b2 b3 L

+ Miền thứ khối 8: b2b3 L

Như đơn giản phương trình logic ta kết sau:

b2 b3b2 b3L d) Biểu đồ Karnaugh với hàm biến

Với hàm biến ta có 24=16 dạng phép hội tồn phần nằm 16 khối (kí hiệu từ đến 15) trình bày hình 1.27 Thiết lập phương trình biểu đồ Karnaugh với biến tương tự với biến Tuy nhiên số khối tăng lên gấp đơi

Ví dụ 1.6: Đơn giản phương trình logic sau biểu đồ Karnaugh:

       

b b b b  b b b b  b b b b  L

b b b b b b b b b b b b b b b b                             4 4 4

Theo phương trình logic trên, ta thiết kế phương trình logic (hình 1.28) bao gồm:

+ phần tử AND + phần tử NOT

+ Một phần tử OR với cổng vào -> Tổng 12 phần tử

Bây ta đơn giản sơ đồ mạch logic biểu đồ Karnagh Trước hết

theo phương trình logic ta đánh chéo khối tương ứng Như theo biểu đồ có khối đánh Ta chia thành miền

- Miền thứ gồm: khối 5, 6, 7, Kết quả: b1b2

- Miền thứ hai gồm: khối 6, 7, 10 11 Kết quả: b2 b4

- Miền thứ ba gồm: khối 11 12 Kết quả: b1b3 b4

- Phương trình logic sau đơn giản:

b1b2b2 b4  b1b3b4L