CHƯƠNG 7 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN, THỦY LỰC
8.4. Thiết kế mạch điều khiển
Các cơ cấu chấp hành khí nén, thủy lực thơng dụng và phổ biến là các xylanh truyền động tịnh tiến. Với tính chất đặc trưng là chịu nén nên khó điều khiển tốc độ một cách chính xác, hơn nữa nó phụ thuộc nhiều vào áp suất nguồn cung cấp do vậy các cơ cấu chấp hành này thông thường không được sử dụng trong các hệ điều khiển tốc độ hay vị trí yêu cầu độ chính xác cao, chúng thông thường sử dụng cho các cơ cấu trình tự điều khiển tuỳ động theo hành trình. Với những đặc điểm ứng dụng đó mạch điều khiển điện - khí nén, thủy lực cũng thường là các mạch trình tự. Phổ biến có các phương pháp thiết kế: Phương pháp trực giác, phương pháp tổ hợp hàm logic trạng thái, phương pháp tùy động điều khiển theo tầng, phương pháp tùy động điều khiển theo nhịp,...
8.4.1. 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.
8.4.2. Phương pháp tổ hợp hàm logic trạng thái.
Đây là phương pháp thiết kế mạch logic kinh điển đã được sử dụng rất phổ biến và đã quen thuộc.
Với phương pháp này, việc xác định phương trình logic hoặc giá bảng chân trị là vơ cùng quan trọng. Nó sẽ quyết định đến tính đúng đắn của quy trình điều khiển. Khi đã xác định được các hàm logic chức năng thì việc tối giản để được hệ phương trình các chức năng điều khiển là một việc dễ dàng.
8.4.3. 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.
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).
+ Thành lập các mạch tầng chức năng. Nguyên tắc thành lập tầng:
- Trong một thời điểm chỉ có một tầng có điện, khơng tồn tại đồng thời hai hay nhiều tầng đồng thời có điện.
- Các tầng có điện lần lượt từ tầng một đến tầng cuối cùng khi kết thúc các bước thực hiện trong chu trình.
Ví dụ mạch chức năng 3 tầng, 4 tầng có thể được thành lập như hình vẽ:
Mạch chức năng tạo 3 tầng Mạch chức năng tạo 4 tầng
+ 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.
Thơng 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.
+ 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 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.
b) Ví dụ :
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-
. b1 và b0 được biểu diễn ở phía dưới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1 và a0 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 : (SV tự hoàn thiện sơ đồ mạch 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 e2 tác động kết thúc chu trình tầng II sẽ được cấp qua cơng tắc hành trình b0 và nút ấn tác động : e2 = b0.TII
. Tín hiệu kết thúc tầng 1 được cấp bởi tín hiệu từ cơng tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e1 = b1
+ Mạch điều khiển: Mạch khí nén:
Mạch điều khiển điện:
+ Start K2 K1 K1 K1 K1 K1 K2 K2 K2 A B b1 b0 a1 a0 -
8.4.4. Xây dựng mạch điều khiển điện theo nguyên tắc nhịp.
Đây là phương pháp thiết kế đặc trưng cho hệ trình tự truyền động bởi các cơ cấu chấp hành chuyển động tịnh tiến. Trình tự phương pháp có thể khái quát theo các bước chính như sau:
- B1: Khái qt quy trình cơng nghệ u cầu, xây dựng biểu đồ quy trình mơ tả trình tự cơng nghệ theo các bước tác động.
Trong bước này cần tìm hiểu kỹ quy trình cơng nghệ, trình tự làm việc các cơ cấu chấp hành, từ đó xác định rõ và phân chia thành các bước thực hiện.
- B2: Từ biểu đồ quy trình xây dựng ở trên xác định số nhịp tác động thực hiện các bước chức năng.Thông thường mỗi bước chức năng được thực hiện bởi một nhịp tác động. Với nguyên tắc:
+ Trình tự thực hiện các nhịp phải tuần tự từ nhịp đầu tiên đến nhịp cuối cùng, nhịp cuối cùng sẽ tác động cho quy trình trở về vị trí ban đầu.
+ Nhịp tác động có tác dụng xoá chức năng của nhịp phía trước đồng thời chuẩn bị cho nhịp sau tác động.
+ Mỗi nhịp đều có mạch tự duy trì
+ Tất cả các nhịp phải có tín hiệu định hướng để reset mạch điều khiển về trạng thái ban đầu khi gặp lỗi hay sự cố.
- B3: Xác định các tín hiệu tác động trên mỗi nhịp.
Tín hiệu tác động thông thường là các cơng tắc hành trình (cảm biến hành trình) đánh dấu điểm bắt đầu bước thực hiện mới.
- B4: Căn cứ theo các yêu cầu điều khiển, có thể phải thành lập thêm các mạch chọn chế độ: Mạch điều khiển chọn chế độ làm việc bằng tay, chế độ làm việc tự động. Từ đó bổ sung trên mạch điều khiển mỗi nhịp các tín hiệu trong chế độ bằng tay và chế độ tự động.
- B5: Hồn chỉnh sơ đồ mạch ngun lý điều khiển.
Ví dụ1: Điều khiển cơ cấu vận chuyển phôi liệu
Tại trạm phân phối, hai xylanh được sử dụng để vận chuyển phôi liệu từ thùng chứa đến một máng trượt. Khi nhấn nút khởi động thì xylanh A sẽ đẩy phôi liệu ra khỏi thùng chứa và xylanh B tiếp tục đẩy phôi xuống máng trượt. Để đảm bảo có thể nạp được phơi thì piston của xylanh A phải ở vị trí trong cùng thì hệ thống mới khởi
động được. Trong quá trình hoạt động, để tăng năng suất của dây chuyền người ta bố trí đồng thời cho xylanh A đi về và xylanh B đi ra.
Bài thiết kế tham khảo
+ Có thể mơ tả quy trình cơng nghệ theo biểu đồ quy trình như sau:
+ Từ biểu đồ quy trình ta thấy ngay trinh tự làm việc gồm 3 bước, do vậy ta cần 3 nhịp thực hiện.
- Nhịp 1 :
.Tín hiệu tác động K1 dùng để điều khiển chức năng ở bước 1, tức là điều khiển xylanh A cho piston duỗi ra .
. Tín hiệu kích hoạt nhịp 1 là nút start và điều kiện khởi tạo.
- Nhịp 2 :
.Tín hiệu tác động K2 dùng để điều khiển chức năng ở bước 2, tức là điều khiển xylanh A lùi về, đồng thời piston của xylanh B duỗi ra đẩy phôi xuống máng trượt .
. Tín hiệu kích hoạt chức năng nhịp 2 là a1.
.Tín hiệu tác động K3 dùng để điều khiển chức năng ở bước 3, tức là điều khiển xylanh B lùi về .
. Tín hiệu kích hoạt chức năng nhịp 3 là a0 và b1. . Tín hiệu reset nhịp 3 chính là b0
+ Với các chức năng, tín hiệu đã xác định ta đi xây dựng và hoàn thiện sơ đồ mạch điều khiển :
- Sơ đồ mạch khí nén:
- Sơ đồ mạch điện điều khiển 24VDC Pb1 K1 K2 A+ K1 B+ K2 a1 K2 K3 A- K2 K1 K1 K3 b1 K3 K2 K4 b0 B- K3 0 V
Ví dụ 2: Điều khiển máy khoan.
Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén điều khiển tự động 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 cảm biến tiệm cận dạng điện cảm: 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 :
Trình tự làm việc của hệ thống như sau: Khi nhấn nút Start, xylanh A được điều khiển duỗi ra để đẩy chi tiết gia cơng từ khay vào vị trí bệ khoan, đồng thời nó được giữ tại vị trí đó để kẹp giữ chi tiết trong q trình khoan, khi piston của xy lanh A dịch chuyển tới vị trí a1, lúc đó xác nhận chi tiết đã đến đúng vị trí và được kẹp chặt thì xylanh B được điều khiển, Piston B dịch chuyển bầu khoan thực hiện khoan chi tiết; Khi piston của xylanh B đến vị trí b1 báo hiệu đã khoan xong, thì nó được điều khiển lùi về vị trí ban đầu, khi piston B lùi về tới vị trí cảm biến b0 thì xylanh A cũng được điều khiển lùi về để nhả chi tiết đã gia công, khi piston của xylanh A lùi về tới vị trí cảm biến a0 thì xylanh C được điều khiển duỗi ra để đẩy chi tiết đã gia công xuống giỏ chứa, sau khi đẩy xong xy lanh C được điều khiển lùi về ngay vị trí ban đầu, kết thúc quy trình gia cơng một chi tiết. Quy trình tiếp tục lặp lại trình tự như vậy nếu nhấn Start.
Bài thiết kế tham khảo
+ Từ trình tự làm việc của hệ thống ta có thể khái quát lại bằng biểu đồ quy trình như sau: a0 a1 b0 b1 A+ B+ B- t 1 2 3 4 Xylanh A Xylanh B c 1 c0 5 6 7 Xylanh C A - C+ C-
Tồn bộ quy trình có thể được chia làm 6 bước thực hiện với 6 chức năng điều khiển theo trình tự : A+, B+, B-, A-, C+, C-.
+ Với 6 bước thực hiện như trên có thể chọn 6 nhịp thực hiện điều khiển trình tự các chức năng đó:
- Nhịp 1 (K1):
. Thực hiện chức năng A+
. Tín hiệu kích hoạt nhịp là a0, c0, và Start. . Tín hiệu xoá là nhịp 2.
. Thực hiện xoá chức năng nhịp 6. - Nhịp 2 (K2):
. Thực hiện chức năng B+ . Tín hiệu kích hoạt nhịp là a1. . Tín hiệu xố là nhịp 3.
. Thực hiện xoá chức năng nhịp 1. - Nhịp 3 (K3):
. Thực hiện chức năng B+ . Tín hiệu kích hoạt nhịp là b1. . Tín hiệu xố là nhịp 4.
. Thực hiện xoá chức năng nhịp 2. - Nhịp 4 (K4):
. Thực hiện chức năng A- . Tín hiệu kích hoạt nhịp là b0. . Tín hiệu xố là nhịp 5.
. Thực hiện xoá chức năng nhịp 3. - Nhịp 5 (K5):
. Thực hiện chức năng C+ . Tín hiệu kích hoạt nhịp là a0. . Tín hiệu xố là nhịp 6.
. Thực hiện xố chức năng nhịp 4. - Nhịp 6 (K6):
. Thực hiện chức năng C- . Tín hiệu kích hoạt nhịp là c1. . Tín hiệu xố là nhịp 1.
. Thực hiện xoá chức năng nhịp 5.
+ Với yêu cầu chỉ làm việc ở chế độ tự động, không cần thiết phải xây dựng mạch chọn chế độ.
+ Sơ đồ mạch lực khí nén:
Một số ví dụ ứng dụng thiết kế. 1) Start, A+, A-, B+, A+, A-, B-. 2) Start, A+, B+, A-, A+, B-, A- 3) Start, A+, B+,B-, B+,B-, A-
4) Start, A+, B+, B-, B+, A-, A+, B-, A- 5) Start, A+, B+,A-, B-, A+, B+, B-, A- 6) Start, A+, A-, A+, A-
7) Start, A+, A-/B+, A+/B-, A-. 8) Start, A +,A-, B+, B-, A+, A-. 9) Start, A+, B+, B-, B+, B-, A-. 10) Start, A+/B+, B-, B+, B-/ A-. 11) Start , A+, B+/C+, B-, A-, C-. 12) Start, A+, B+, B-, A-, B+, B-. 13) Start, A+, B+, B-, A-, C+, C-. 14) Start, A+, A-, B+, C+, B-, C-.
MỤC LỤC
CHƯƠNG I. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ KHÍ NÉN VÀ CƠNG NGHỆ
KHÍ NÉN ............................................................................................................. 1
1.1. Đặc điểm, tính chất của khơng khí nén ......................................................... 1
1.2. Khả năng ứng dụng của khí nén ..................................................................... 2
1.3. Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động khí nén ...................................... 3
1.4. Đặc điểm hệ thống điều khiển khí nén ........................................................... 3
CHƯƠNG II. MÁY NÉN, THIẾT BỊ XỬ LÝ VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH KHÍ NÉN ............................................................................................................. 4
2.1. Máy nén khí ...................................................................................................... 4
2.2. Thiết bị xử lý khí nén ..................................................................................... 14
2.3. Hệ thống phân phối khí nén .......................................................................... 21
CHƯƠNG III. CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN ....................................................................................................................29
3.1. Khái niệm chung ............................................................................................ 29
3.2. Van đảo chiều ................................................................................................. 30
3.3. Van chắn.......................................................................................................... 34
3.4. Van tiết lưu ..................................................................................................... 37
3.5. Van áp suất ..................................................................................................... 38
3.6. Van điều chỉnh thời gian................................................................................ 40
3.7. Cảm biến khí nén ........................................................................................... 41