Hình 2. 23 Sơ đồ truyền động điều khiển theo vị trí
+ hàm điều khiển F(i) của bƣớc công nghệ (i) trong chu trình công nghệ hoạt động của một hệ truyền động- tự động khí nén là một biểu thức logic ghi lại toàn bộ các
37
phép tính logic cần thực hiện để điều khiển hệ truyền động hoạt động đúng theo biểu đồ trạng thái cho tại bƣớc công nghệ đó.
Nhƣ vậy, biểu thức của hàm điều khiển hoạt động của hệ truyền động cho ở trên tại từng bƣớc công nghệ có thể ghi nhƣ sau:
Khi F(0) =1- hệ truyền động sẽ thực hiện bƣớc công nghệ (0), nghĩa là đứng yên và không có chuyển động của pít tông mặc dù khi đó có tín hiệu tác động) điều khiển của công tắc hành trình (1.6) do bị đầu cần pít tông đè; khi F(1) = 1- hệ truyền động sẽ thực hiện bƣớc công nghệ (1), có chuyển động đi ra của pít tông cho đến hết hành trình thì đầu cần pít tông đè lên công tắc hành trình (1.3), van phân phối đảo chiều và khi đó F(2) = 1- hệ truyền động thực hiện bƣớc công nghệ (2), có chuyển động đi vào của pít tông cho đến hết hành trình thì dừng lại. Nếu tiếp tục nhấn các công tắc (1.2) hoặc (1.4) tại vị trí cuối này thì chu trình hoạt động nhƣ trên của hệ truyền động sẽ đƣợc lặp lại.
38
Rõ ràng, ứng với mỗi bƣớc công nghệ cụ thể chỉ có một (và chỉ một mà thôi) hàm điều khiển xác định tƣơng ứng cho bƣớc đó; nếu giá trị của hàm điều khiển thay đổi thì điều đó đồng nghĩa với việc hệ truyền động chuyển sang một bƣớc công nghệ mới tƣơng ứng.
Để hiểu rõ hơn tính chất này cũng có thể sử dụng khái niệm về hàm trạng thái (hay hàm trọng trạng thái) của hệ truyền động-tự động.
+ Hàm trạng thái của hệ truyền động-tự động khí nén G(j) tại bƣớc công nghệ (j) trong chu ttrình công nghệ hoạt động của nó là một biểu thức ghi lại dãy các giá trị nhị phân thực có của tất cả các tín hiệu điều khiển tại bƣớc công nghệ đó; còn giá trị số thu đƣợc khi chuyển dãy giá trị nhị phân đó sang giá trị thập phân đƣợc gọi là trọng số của hàm trạng thái của hệ truyền động-tự động.
Nhƣ vậy, biểu thức của hàm trạng thái và các giá trị trọng số tƣơng ứng cho từng bƣớc công nghệ hoạt động của hệ truyền động-tự động khí nén cho có thể viết nhƣ sau:
G(0)=1000=8
G(1)=1010 =10
G(2)=0100 = 4
Để ý ta thấy, trọng số của các bƣớc công nghệ khác nhau luôn có giá trị khác nhau và không bao giờ trùng lặp, đây chính là điều kiện cần và đủ để cho một hệ truyền động-tự động có chuyển động tƣờng minh của các cơ cấu chấp hành và điều kiện này có thể đƣợc viết dƣới dạng biểu thức sau:
G(i) ≠ G(j)
(cho các bƣớc công nghệ i , j bất kỳ trong chu trình công nghệ hoạt động của hệ truyền động-tự động).
Trong trƣờng hợp xuất hiện các bƣớc có giá trị trọng số trùng lặp, phải tìm cách đƣa thêm các phần tử phụ hoặc phản hồi vào để sao cho bƣớc có trọng số trùng lặp có thể phân đƣợc thành các bƣớc khác nhau và khi tính lại các giá trị trọng số không còn bị trùng lặp ở các bƣớc mới nữa.
39
Từ những phân tích ở trên, có thể thấy, biểu đồ trạng thái là một công cụ đủ mạnh (cùng với sơ đồ nguyên lý) dùng để phân tích hoạt động của các hệ truyền động-tự động khí nén nói riêng và các hệ truyền động nói chung.
Biểu đồ trạng thái cho phép liên hệ giữa phần điều khiển và phần truyền động công suất của hệ truyền động (điều mà trong sơ đồ nguyên lý không thể hiện đƣợc). Với việc sử dụng biểu đồ trạng thái, ta có thể giải đƣợc cả bài toán tổng hợp hệ truyền động-tự động khí nén hoạt động theo các điều kiện và yêu cầu cho trƣớc với nhiều phƣơng án lựa chọn khác nhau tùy thuộc vào ngƣời thiết kế. 2.3.4 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của các hệ truyền động-tự động khí nén
Sơ đồ logic điều khiển của hệ truyền động-tự động khí nén là một sơ đồ thể hiện dƣới dạng quy ƣớc cấu trúc phần tử (tức gồm các chủng loại, số lƣợng và cách lắp nối các phần tử) và các phép tính (hoặc biến đổi) logic cần thực hiện để điều khiển hệ truyền động hoạt động đúng theo biểu đồ trạng thái cho.
Trong lý thuyết Truyền động-Tự động khí nén cũng sử dụng các phần tử logic cơ bản nhƣ phủ định, khẳng định, nhân logic, cộng logic, các loại bộ trễ, bộ đếm… để xây dựng sơ đồ logic điều khiển cho hệ truyền động.
Quy ƣớc mỗi một tín hiệu điều khiển đƣợc hiện thực hóa bằng một phần tử logic cơ bản (khẳng định) và đƣợc biểu diễn bằng một ô vuông, trong đó ghi ngay tên của các tín hiệu điều khiển; tƣơng tự, các phần tử logic cơ bản thực hiện các phép tính phủ định, cộng logic, nhân logic… cũng đƣợc biểu diễn bằng các ô vuông, trong đó ghi ngay ký hiệu các phép tính logic tƣơng ứng mà nó thực hiện, ví dụ, với phần tử phủ định-ghi “-1’, với phần tử cộng logic-ghi “+”, với phần tử nhân logic-ghi “x”…
Sơ đồ logic điều khiển đƣợc sử dụng nhƣ một công cụ (cùng với sơ đồ nguyên lý và biểu đồ trạng thái) để giải các bài toán tổng hợp điều khiển các hệ truyền động nói chung và các hệ truyền động-tự động khí nén nói riêng và đƣợc coi là một công cụ đắc dụng cho những ngƣời làm nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế mới các hệ thống truyền động-tự động kỹ thuật (chi tiết hơn về phần này có thể tìm hiểu thêm trong tài liệu đã dẫn và các tài liệu tham khảo đƣợc liệt kê ở cuối sách).
40
Áp dụng các kết quả vừa đƣợc trình bày để xây dựng sơ đồ logic điều khiển của hệ truyền động-tự động khí nén đã xét ở trên, kết quả thu đƣợc trình bày trên Hình 2.25
.
Hình 2. 25 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động-tự động khí nén. 2.3.5 Hệ truyền động-tự động khí nén điều khiển bằng điện
Các hệ truyền động khí nén sử dụng các van phân phối khí nén điều khiển bằng điện để điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành khí nén đƣợc gọi chung là các hệ truyền động điện-khí nén. Trong thành phần của các hệ truyền động loại này, ngoài van phân phối điều khiển bằng điện, có thể còn sử dụng các công tắc hành trình điện, các công tắc áp suất, các bộ trễ và các phần tử chức năng điều khiển bằng điện khác...
Để phân tích hoạt động của một hệ truyền động điện-khí nén, xây dựng biểu đồ trạng thái và sơ đồ logic điều khiển của hệ truyền động, ngoài sơ đồ nguyên lý khí nén, bắt buộc phải có thêm sơ đồ nguyên lý (điều khiển) điện.
Các công việc sau đó đƣợc tiến hành bình thƣờng nhƣ đối với các hệ truyền động khí nén thông thƣờng nhƣ đã đƣợc trình bày. Ví dụ, hệ truyền động khí nén điều khiển bằng điện có sơ đồ nguyên lý khí nén và sơ đồ nguyên lý (điều khiển) điện
41
nhƣ trên Hình 2.26 (a,b). Biểu đồ trạng thái và sơ đồ logic điều khiển hoạt động của nó đƣợc xây dựng và trình bày tƣơng ứng trên hình 2.26 (c, d).
a) b)
c) d)
Hình 2. 26 Xây dựng biểu đồ trạng thái và sơ đồ logic điều khiển của hệ truyền động khí nén điều khiển bằng điện:
a-sơ đồ nguyên lý khí nén; b-sơ đồ nguyên lý (điều khiển) điện; c-biểu đồ trạng thái; d-sơ đồ logic điều khiển.
42
2.3.6 Ứng dụng phƣơng pháp biểu đồ trạng thái tổng hợp hệ thống truyền động – tự động
Cho sơ đồ truyền động khí nén nhƣ Hình 2.24 , ứng dụng phƣơng pháp biểu đồ trạng thái để xây dựng biểu đồ trạng thái và sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động.
Hình 2. 27 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động-tự động điều khiển bởi các bộ đếm khí nén xây dựng trên các van phân phối 5/2, điều khiển hai phía bằng khí nén.
2.3.6.1 Chú thích các phần tử
+ A,B- các cơ cấu chấp hành kiểu xy lanh tác động hai phía;
+ VPP1, VPP2- các van phân phối 5/2, điều khiển hai phía bằng khí nén; + a0 , a1 , b0 , b1 – các công tắc hành trình là các van 3/2 thƣờng ngắt, điều khiển cơ dạng cam-con lăn;
43
+ GUARD- công tắc bảo vệ (an toàn) là van 3/2 thƣờng ngắt, điều khiển cơ dạng cam-con lăn;
+ p - van đặt áp suất làm việc cho hệ thống kiểu van 3/2 thƣờng ngắt;
+ START- công tắc khởi động là van 3/2 thƣờng ngắt, điều khiển cơ dạng nút nhấn, làm việc theo kiểu BY HAND;
+ VPP3, VPP4, VPP5, VPP6- các van phân phối 5/2 chỉ sử dụng một cửa ra, còn một của ra bị bịt, điều khiển hai phía bằng khí nén; các van này đƣợc đấu nối theo nguyên tắc hoạt động của các bộ đếm khí nén, khi hoạt động sẽ lần lƣợt đƣợc kích hoạt và cứ khi một van nào đó đƣợc kích hoạt thì sẽ lập tức ngắt hoạt động của van liền kề trƣớc nó đồng thời lại kích hoạt van liền kề tiếp ngay sau nó… cho đến tận cùng.
2.3.6.2 Xây dựng biểu đồ trạng thái hoạt động của hệ truyền động khí nén
Về nguyên tắc, khi có sự hiện diện của van p sẽ tạo ra một độ trễ nhất định phụ thuộc vào thời gian tăng áp trong hệ thống từ áp suất ban đầu cho tới áp suất đặt.
Trong trƣờng hợp của ta, nguồn điều khiển van p ngay từ đầu đã đƣợc nối với nguồn từ lƣới khí nén chung và có thể đƣợc coi là nguồn lớn vô cùng, tức là nguồn khí nén luôn đảm bảo có lƣu lƣợng cấp và áp suất nguồn là không đổi trong suốt quá trình hoạt động của hệ truyền động khí nén (pn , Qn = const).
Khi đó, với giá trị pn ngay từ đầu đã bằng hoặc lớn hơn giá trị áp suất đặt cho van p là 600 kPa, nghĩa là có thể coi là nó đã đƣợc nối ngay khi ta khởi động hệ
thống (tức p = 1).
Với các van của bộ đếm, để thuận tiện và tránh nhầm lẫn cho việc phân tích hoạt động của chúng, ta có thể đƣa thêm các tín hiệu điều khiển trung gian f31 , f32 , f41 , f42 , f51 , f52 , f61 , f62 và cả các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng của chúng là các tín hiệu (1), (2), (3), (4) vào trong biểu đồ trạng thái (về nguyên tắc, không nhất thiết phải đƣa vào).
44
Ngoài ra nhƣ ta thấy, việc điều khiển một hệ truyền động khí nén nói chung về thực chất là điều khiển các van phân phối chính nối tới các cơ cấu chấp hành khí nén của hệ truyền động để điều khiển hoạt động của chúng.
Vì vậy, trong biểu đồ trạng thái ta cũng liệt kê cả các tín hiệu điều khiển trực tiếp các van phân phối chính là A0, A1, B0, B1 để dễ phân tích hơn.
Biểu đồ trạng thái hoạt động của hệ truyền động khí nén cho xây dựng với các phân tích và lƣu ý ở trên trình bày trên Hình 2.25
45
Nhận xét ta thấy, nếu tính đến độ trễ do quá trình tăng áp ở van p khi khởi động thì độ trễ này cũng chỉ làm chậm thời điểm bắt đầu hành trình thuận của xy lanh A-tức là hệ thống sẽ khởi động chậm lại mà thôi chứ không ảnh hƣởng tới chu trình hoạt động của hệ truyền động.
Do sử dụng công tắc START là loại van 3/2 thƣờng ngắt, làm việc theo kiểu BY HAND, nên sau khi khởi động và làm việc hệ truyền động chỉ thực hiện một chu trình công nghệ rồi dừng lại, tức là mới chỉ làm việc theo chế độ bán tự động.
Để hệ truyền động có thể hoạt động theo chế độ tự động hoàn toàn, chỉ cần đấu thêm một công tắc khởi động nữa (dùng loại van 3/2 thƣờng ngắt, điều khiển cơ dạng tay gạt, làm việc theo kiểu ON-OFF) nối song song với công tắc START qua một phần tử cộng logic và sử dụng thêm một phần tử nhân logic để nhóm tín hiệu ở đầu ra của nó với tín hiệu từ sau van ptới để cấp tới f31 - điều khiển van phân phối VPP3.
Khi đó, hệ truyền động cho sẽ trở thành một hệ truyền động-tự động khí nén thực sự với đúng nghĩa của nó (ngƣời đọc có thể tự thực hiện và kiểm nghiện điều này).
2.3.6.3 Xây dựng sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động
+ xác định số tín hiệu điều khiển chính, gồm: a0 , a1 , b0 , b1 , GUARD, START và p (07 tín hiêu điều khiển);
+ xác định số cơ cấu chấp hành, gồm các xy lanh A và B (02).
Nhận xét ta thấy, ở đây có hai bƣớc công nghệ 2 và 4 có có cùng trọng số (54) nhƣng do trạng thái trong của các bƣớc này khác nhau nhờ sử dụng các bộ đếm (1), (2), (3), (4). Nhƣ vậy, về thực chất ở hai bƣớc này hàm điều khiển và hàm trọng trạng thái tổng vẫn có các giá trị khác nhau và vì vậy chuyển động của các cơ cấu
46
chấp hành của hệ truyền động vẫn tƣờng minh (không bị trùng lặp) nhƣ đƣợc biểu diễn trên biểu đồ trạng thái đã đƣợc xây dựng.
Để thuận tiện cho việc xây dựng sơ đồ logic điều khiển, ta đƣa thêm các tín hiệu đầu ra của các bộ đếm vào và viết lại hàm điều khiển tổng dƣới dạng sau:
Nhƣ vậy, sau khi đƣa cả các tín hiệu điều khiển trong của hệ thống vào biểu đồ trạng thái,sẽ không còn các bƣớc trùng lặp nào cả do biểu thức của các hàm điều khiển và các giá trị trọng số của chúng đều khác nhau và chuyển động của các cơ cấu chấp hành khí nén của hệ truyền động tại tất cả các bƣớc đều tƣờng minh.
Với những phân tích và lý giải nhƣ vậy, ta có thể tiến hành việc xây dựng sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động cho một cách bình thƣờng.
Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động (dạng rút gọn và dạng đầy đủ) xây dựng theo các kết quả thu đƣợc ở trên trình bày trên các hình 2., 2..
Hình 2. 29 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động khí nén (dạng rút gọn).
47
Hình 2. 30 Sơ đồ logic điều khiển hệ truyền động-tự động khí nén điều khiển bằng các bộ đếm khí nén (dạng đầy đủ).
2.4 Lựa chọn phƣơng pháp cho các hệ truyền động thủy khí công nghiệp.
Qua phân tích các phƣơng pháp tổng hợp hệ thống ta thấy, mỗi phƣơng pháp có
ƣu và nhƣợc điểm riêng:
+ Phƣơng pháp ma trận trạng thái có thể sử dụng để tổng hợp các mạch điều khiển logic có hàm phức tạp, tuy nhiên phƣơng pháp này không trực quan. Nhìn vào ma trận trạng thái khó có thể xác định đƣợc quy trình hoạt động của máy. Do vậy phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để tổng hợp các mạch logic, các mạch giải mã trong lĩnh vực điện tử số.
+ Phƣơng pháp Grafcet là một phƣơng pháp mạnh đƣợc sử dụng nhiều để tổng hợp các hệ thống tự động. Phƣơng pháp này có thể tổng hợp đƣợc các hệ truyền
48
động phức tap, phân nhánh. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là không trực quan, không thể hiện rõ các cơ cấu hoạt động, phối hợp với nhau nhƣ thế nào.
+ Phƣơng pháp biểu đồ trạng thái tuy không mạnh bằng phƣơng pháp Grafcet, gặp nhiều khó khăn khi tổng hợp các hệ truyền động phức tạp, nhiều cơ cấu. Tuy nhiên đối với các hệ truyền động - tự động thủy khí, qui trình hoạt động thƣờng không quá phức tạp, là tập hợp các chu trình hoạt động đơn giản, phƣơng pháp này thể hiện một cách trực quan chu trình hoạt động của các cơ cấu chấp hành. Với những ƣu điểm này phƣơng pháp biểu đồ trạng thái đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thủy khí.
49
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG BIỂU ĐỒ TRẠNG THÁI TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG THỦY KHÍ CÔNG NGHIỆP BẰNG PLC
3.1 Bài toán phân tích hoạt động của hệ thống truyền động – tự động khí nén và xây dựng hệ thống điều khiển bằng PLC xây dựng hệ thống điều khiển bằng PLC
3.1.1 Phân tích hoạt động của hệ thống truyền động – tự động khí nén