CHƯƠNG 7 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN, THỦY LỰC
7.6. Các phương pháp thiết kế mạch điều khiển
7.6.1. Phương pháp thiết kế trực giác.
- Phương pháp này sử dụng để thiết kế cho những mạch chức năng đơn giản, ít thiết bị, quy trình ít bước thực hiện.
- Người thiết kế sử dụng kinh nghiệm của mình thực hiện thiết kế trực tiếp mạch điều khiển trên bàn thử hoặc chương trình mơ phỏng.
7.6.2. Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc điều khiển tầng. a) Các bước trình tự thiết kế :
+ Tìm hiểu và phân tích u cầu cơng nghệ.
Đây là bước đầu tiên trong tất cả các phương pháp thiết kế nói chung và phương pháp thiết kế theo nguyên tắc điều khiển tầng nói riêng. Trong bước này yêu cầu phải xác định được một cách rõ ràng trình tự các bước làm việc trong quy trình cơng nghệ, và phải thể hiện được bằng cách biểu diễn trên biểu đồ quy trình.
+ Xác định số tầng cần thiết và lập biểu đồ chia tầng.
Trong bước này yêu cầu phải xác định chính xác số tầng tối thiểu cần dùng, các vị trí chuyển đổi tầng và xây dựng được biểu đồ chia tầng, trên đó mơ tả thứ tự điều khiển, các tín hiệu làm việc, các tín hiệu chuyển tầng.
Nguyên tắc chia tầng đảm bảo :
- Các bước thực hiện có cùng chức năng được chia thành từng tầng riêng. Trong một tầng thì một cơ cấu chấp hành không được thực hiện cả 2 dạng chuyển động (hành trình duỗi ra và hành trình lùi về).
- Các cơng tắc hành trình mà sự tác động của nó khơng làm thay đổi tầng sẽ được biểu diễn nằm phía trên đường biểu diễn các tầng, và sẽ điều khiển trực tiếp vị trí của các van đảo chiều trong bước thực hiện.
- Các cơng tắc hành trình mà sự tác động của nó có chức năng làm thay đổi tầng thì sẽ được biểu diễn nằm phía dưới đường biểu diễn tầng và sẽ điều khiển trực tiếp sự thay đổi của các tầng.
+ Thành lập các mạch tầng chức năng. Nguyên tắc thành lập tầng:
- Trong một thời điểm chỉ có một tầng có khí nén, khơng tồn tại đồng thời hai hay nhiều tầng có khí nén.
- Các tầng có khí nén lần lượt từ tầng một đến tầng cuối cùng khi kết thúc các bước thực hiện trong chu trình.
+ Xác định các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng
Đây là bước thiết kế quan trọng nhất trong phương pháp, nó quyết định tính đúng đắn trong mạch thiết kế.
Thông thường điều khiển tầng mang tính chu trình, tức là trình tự điều khiển sẽ là lần lượt theo từng tầng một từ thấp lên cao, đến khi kết thuc tầng cuối cùng lại quay lại từ tầng một. Do vậy việc xác định các tín hiệu tác động cũng phải tuân thủ theo nguyên tắc:
- Tín hiệu tác động trong tầng phải lấy nguồn cung cấp từ tầng đó. - Tín hiệu chuyển tầng phải lấy nguồn cung cấp từ tầng trước nó.
- Các tín hiệu điều khiển chức năng tại vị trí chuyển tầng thì lấy trực tiếp tín hiệu điều khiển từ tầng mà khơng cần phải lấy tín hiệu qua cơng tắc hành trình tại vị trí đó nữa, cơng tắc hành trình sẽ được dùng cho hàm chức năng chuyển tầng.
+ Hồn thiện phương trình lơgic cho các chức năng điều khiển.
Đây là bước hoàn chỉnh lại các điều kiện cho các chức năng điều khiển, nó sẽ quyết định sự tối ưu của mạch điều khiển.
Thông thường các van điều khiển (các cơng tắc hành trình) trong khí nén tín hiệu sẽ được cấp bằng đường ống dẫn khí, do vậy nó khơng linh hoạt và có khả năng đấu nối chồng chéo các đầu dây như trong mạch điện - điện tử. Với đặc điểm như vậy nên trong phương pháp mạch điều khiển tầng phải thận trọng khi một công tắc hành trình được sử dụng cho nhiều chức năng điều khiển trong nhiều tầng khác nhau, khi đó ngun tắc cấp tín hiệu khí theo thứ tự tầng sẽ không được đảm bảo. Giải pháp cho vấn đề đó chính là cấp nguồn độc lập cho các phần tử và sử dụng thêm các van logic (AND, OR,..) đảm bảo các chức năng điều khiển.
+ Hoàn thiện sơ đồ đấu nối từ sơ đồ logic.
Đây là bước cuối cùng hoàn tất toàn bộ thiết kế. Từ các phương trình logic chức năng xắp xếp các thiết bị điều khiển theo một trình tự thứ tự điều khiển sao cho việc đấu nối mạch khí là dễ dàng nhất, ít tốn kém đường ống nhất, bên cạnh đó việc bố trí xắp xếp các thiết bị cũng làm sao đảm bảo việc theo dõi, chẩn đoán, phát hiện lỗi, hỏng hóc và cơng tác sửa chữa là thuận tiện và dễ dàng nhất.
Ví dụ 1:
Thiết kế mạch điều khiển cho quy trình cơng nghệ điều khiển máy khoan tự động. Trình tự công nghệ như sau: Sau khi sản phẩm cần gia công được xylanh A đẩy ra khỏi giá chứa phôi và kẹp chặt lại, bầu khoan bắt đầu đi xuống thực hiện việc khoan chi tiết nhờ xylanh B. Sau khi khoan xong xylanh B mang bầu khoan quay trở về và xylanh A thơi kẹp chi tiết lùi trở về thì sản phẩm được tháo ra.
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
Có thể mơ tả quy trình cơng nghệ bằng biểu đồ quy trình như sau:
+ Xác định số tầng và lập biểu đồ chia tầng :
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng B-, A-
. b1 và a0 được biểu diễn ở phía dưới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1 và b0 được biểu diễn ở phía trên.
Cụ thể biểu đồ chia tầng như sau:
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
+ Xác định phương trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng. . Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ tầng I : A+ = TI
. Tín hiệu tác động A- từ b0 và được lấy nguồn từ TII : A- = b0.TII
. Tín hiệu B+ được cấp trực tiếp từ cơng tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- được cấp trực tiếp từ TII : B- = TII
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ được cấp qua cơng tắc hành trình a0 và nút ấn tác động : e1 = a0.Pb.TII
. Tín hiệu e2 được cấp bởi tín hiệu từ cơng tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phương trình logic đã xác định ở trên ta có được mạch logic điều khiển như sau :
+ Sơ đồ đấu nối .
Ví dụ 2:
Hai xilanh được sử dụng để vận chuyển phôi liệu từ thùng chứa đến một máng trượt. Khi nhấn nút khổi động thì xylanh A sẽ đẩy phơi ra khỏi thùng chứa và xylanh B tiếp tục đẩy phôi xuống máng trượt. Sau đó piston của xylanh B lùi về vị trí ban đầu, rồi xylanh A cũng lùi về vị trí ban đầu, và quy trình mới lại lặp lại như vậy.
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
Quy trình cơng nghệ có thể chia làm 4 bước và được mô tả bởi biểu đồ quy trình như sau:
+ Xác định số tầng và lập biểu đồ chia tầng :
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng A-, B-
. a1 và a0 được biểu diễn ở phía trên. cụ thể biểu đồ chia tầng như sau:
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
+ Xác định phương trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng. . Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ tầng I : A+ = TI
. Tín hiệu tác động A- được điều khiển trực tiếp từ tầng TII : A- = TII
. Tín hiệu B+ được cấp trực tiếp từ cơng tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- được cấp trực tiếp từ cơng tắc hành trình a0 qua nguồn cung cấp lấy từ TII : B- = a0.TII
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ được cấp qua cơng tắc hành trình b0 và nút ấn tác động : e1 = b0.Pb.TII
. Tín hiệu e2 được cấp bởi tín hiệu từ cơng tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phương trình logic đã xác định ở trên ta có được mạch logic điều khiển như sau :
+ Sơ đồ đấu nối.
Từ sơ đồ mạch logic ta có s
+ Mạch mơ phỏng trên ph
ồ mạch logic ta có sơ đồ đấu nối trong mạch điều khiển nh
ên phần mềm PneuMotion:
Ví dụ 3:
Thiết kế mạch điều khiển khí nén cho máy khoan. Máy khoan sử dụng 3 xylanh, xylanh A dùng để kẹp giữ phôi tại giá khoan, xylanh B sử dụng để dịch chuyển bầu khoan, còn xylanh C sử dụng để đẩy sản phẩm đã được khoan xuống giỏ chứa. Để khống chế hành trình các xylanh sử dụng 6 cơng tắc hành trình dạng cữ chặn con lăn: a0, a1 để khống chế hành trình của xylanh A; b0, b1 để khống chế chiều sâu khoan; và c0, c1 để khống chế hành trình của xylanh đẩy C. Các xylanh được bố trí như hình vẽ :
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ và C- . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng B-, A- và C+
. b1 và c1 được biểu diễn ở phía dưới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1, a0, b0 và c0 được biểu diễn ở phía trên.
cụ thể biểu đồ chia tầng như sau:
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
Theo nguyên tắc thành lập tầng ta có mạch điều khiển 2 tầng :
trong đó e1, e2 là các tín hiệu điều khiển chuyển tầng.
+ Xác định phương trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng. . Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ cơng tắc hành trình c0 lấy nguồn từ tầng I : A+ = c0.TI
. Tín hiệu tác động A- được điều khiển từ cơng tắc hành trình b0 lấy nguồn từ tầng TII : A- = b0.TII
. Tín hiệu B+ được cấp trực tiếp từ cơng tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- được điều khiển trực tiếp từ tầng TII : B- =TII
. Tín hiệu C+ được điều khiển từ cơng tắc hành trình a0 lấy nguồn từ tầng II : C+ = a0.TII
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ được cấp qua công tắc hành trình c1 lấy nguồn từ tầng II : e1 = c1.TII
. Tín hiệu e2 được cấp bởi tín hiệu từ cơng tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
Tổng hợp lại ta được hệ phương trình logic chức năng:
A+ = c0.TI.Pb C+ = a0.TII
A- = b0.TII C- = TI.
B+ = a1.TI e1 = c1.TII
B- =TII e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phương trình logic đã xác định ở trên ta có được mạch logic điều khiển như sau :
+ Sơ đồ đấu nối.
c) Đặc điểm của phương pháp.
- Với một quy trình trình tự của hệ các cơ cấu chấp hành tuyến tính thì phương pháp điều khiển tầng là rất phù hợp và hiệu quả.
- Trình tự thực hiện đơn giản, mạch thiết kế có mức độ phức tạp vừa phải; với phương pháp tầng có khả năng giải quyết bất cứ bài tốn trình tự nào. Độ phức tạp của mạch điều khiển không tỷ lệ với số lượng cơ cấu chấp hành.
d) Bài tập luyện tập:
Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc điều khiển tầng cho các quy trình sau: 1) Start, A+, A-, B+, B-.
2) Start , A+, B+/C+, B-, A-, C-. 3) Start, A+, B+, B-, A-, B+, B-. 4) Start, A+, B+, B-, A-, C+, C-. 5) Start, A+, A-, B+, C+, B-, C-.
7.6.3. Phương pháp thiết kế theo nguyên tắc điều khiển nhịp.
a) Trình tự thiết kế mạch điều khiển khí nén theo nguyên tắc điều khiển nhịp.
B1: Từ yêu cầu công nghệ phân tích, xác định quy trình, xây dựng biểu đồ trạng thái mơ tả quy trình:
Cũng giống như phương pháp điều khiển tầng, trong bước này yêu cầu phải xác định được một cách rõ ràng trình tự các bước làm việc trong quy trình cơng nghệ, và phải thể hiện được bằng cách biểu diễn trên biểu đồ quy trình.
B2: Từ biểu đồ quy trình xác định trình tự, chức năng và các tín hiệu cho các nhịp: Đây là một bước quan trọng trong phương pháp, việc lựa chọn số nhịp, chủng loại nhịp, cách thức đấu nối sẽ ảnh hưởng đến cách thức làm việc của mỗi nhịp và của cả chuỗi nhịp đã lựa chọn. Thông thường trong bước này chúng ta phải thực hiện 2 nhiệm vụ:
- Nhiệm vụ thứ nhất phải xác định chức năng cho từng nhịp; Xác định số nhịp cần thực hiện, chủng loại nhịp lựa chọn:
Thông thường cứ mỗi bước thực hiện sẽ được điều khiển bởi một nhịp chức năng, tuy nhiên tùy từng bài toán cụ thể, tùy các quy trình cụ thể để có thể xác định những chức năng điều khiển và lựa chọn số lượng nhịp cần thiết cho mạch điều khiển, nhất là đối với những mạch điều khiển các quy trình phức tạp, chồng chéo và yêu cầu những tín hiệu liên động chặt chẽ.
B3: Từ quy trình thực hiện các nhịp xây dựng mạch điều khiển cho hệ thống. Bước này thực hiện hoàn tất mạch đấu nối sơ đồ điều khiển.
b) Ví dụ : Ví dụ 1:
Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc điều khiển nhịp cho yêu cầu sau : Start, A+, A-, A+, A-.
+ Yêu cầu bài toán là cần thiết kế mạch điều khiển khí nén thực hiện điều khiển một xy lanh (ký hiệu là xylanh A). Có 2 cơng tắc hành trình xác định trạng thái của piston, ký hiệu là a0 và a1. Chu trình điều khiển yêu cầu: Ban đầu piston đang ở trạng thái là đã lùi về, cơng tắc hành trình a0 đang được tác động minh hoạ cho trạng thái này. Để bắt đầu chu trình ta nhấn nút ấn tác động Piston được điều khiển duỗi ra, khi đầu piston duỗi tới vị trí ctht a1, a1 bị tác động đưa tín hiệu tới mạch điều khiển, từ đò piston được điều khiển lùi về, khi đầu piston lùi về đến ctht a0 nó tiếp tục được điều
khiển để duỗi ra, đến khi đầu piston chạm ctht a1 nó lại được điều khiển lùi về, khi đầu piston lùi về tới vị trí a0 thì nó dừng lại và kết thúc chu trình hoạt động, muốn cho nó hoạt động tiếp ta phải nhấn nút ấn để kích hoạt nó làm việc trong chu trình mới.
Quy trình làm việc có thể được mơ tả theo biểu đồ quy trình như sau :
+ Từ biểu đồ trạng thái của xylanh ta thấy chu trình làm việc có 4 bước làm việc. Vậy ta cần 4 nhịp thực hiện chức năng điều khiển theo 4 bước này. Trong đó :
- Nhịp 1 :
.Tín hiệu tác động A1 dùng để điều khiển chức năng ở bước 1, tức là điều khiển xylanh cho piston duỗi ra .
. Tín hiệu hồn thành chức năng nhịp 1 là a1, vì vậy tín hiệu ra từ cơng tắc hành trình a1 được đưa vào cửa tín hiệu hồn thành chức năng điều khiển nhịp X1.