LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ BOOLE

61

5.1.2. Các luật của đại số Boole a. Luật hốn vị a. Luật hốn vị

b. Luật kết hợp

62

d. Luật hấp thụ

e. Luật bù

63

5.2. PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRONG KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC LỰC

5.2.1. Điều khiển tùy thuộc

Điều khiển tùy thuộc là điều khiển thƣờng các tác động đƣợc thực hiển bằng tay hoặc bằng chân. Trong điều khiển khí nến thủy lực tùy thuộc tín hiệu đầu vào là các van tác động bằng tay, chúng kích hoạt các pit tơng dịch chuyển về phía trƣớc hoặc trở về vị trí ban đầu theo mong muốn.

Hình 5.5 mơ tả mạch dập đơn giản điều khiển tùy chọn. Gồm một van 4/3 cĩ nhớ 2.6, một phần tử OR, và 03 van tác động tính hiệu bằng tay.

Tất cả nhƣng điều khiển tùy thuộc đồi hỏi vận hành của con ngƣời mới trở nên hiệu lực. Điều khiển tùy thuộc thích hợp ở bất cứnơi đâu mà ta khơng quan tâm đến chu trình làm việc tựđộng của hê thống. Nĩi một cách khác, đây là một loại điều khiển phù hợp với những hệ thống hoạt động đợn giản , ví dụ nhƣ kẹp chặt, nâng chuyển, định vị ,.... đồng thời nĩ cũng cấp nguồn của hê thống phức tạp nữa đĩ là chi tiết cần thiết cho sự khởi động hay dừng khẩn cấp tác động trong các máy tựđộng

Hình 5.5. Mạch điều khiển tùy thuộc

64 Trong một hệ thống điều khiển theo hành trình, hoạt động của các phần tử đƣa tín hiệu khởi động các cơ cấu chuyển hƣớng hay vận hành các vịng lặp điều khiển khác đƣợc thực hiện bởi chính các phần tử chấp hành. Các tín hiệu hành trình đƣợc kích trực tiếp từ cần pit tơng ở cuối nhicủa mỗi hành trình. Tuy nhiên để thực hiện mỗi nhiệm vụ hoặc những yêu cầu nào đĩ, ta cĩ bố trí các tín hiệu hành trình ở những vị trí bất kì ở trên hành trình của pit tơng. Hình 5.6 mơ tả một mạch làm việc đƣợc lặp đi lặp lại. Ngay khi nguồn khí đƣợc cung cấp bơi van 0.1. pit tơng đƣợc khởi động qua lại trong xilanh cho tới khi nguồn khí cung cấp đƣợc đĩng lại. Van tác động con lăn 1.1 và 1.2 đƣợc bố chí nhƣ các hành trình để đƣa tín hiệu tới van nhờ trạng thái 4/2 1.3 khi cần pit tơng chạm vào con lăn.

Hình 5.6. Mạch điều khiển theo hành trình

5.2.4.Điều khiển theo thời gian

Điều khiển theo thời gian là trạng thái điều khiển của hệ thống tác động chỉ phụ thuộc vào dầu ép hoặc điện.

Hình đại lƣợng thời gian cảu các phần tựđịnh thời. Các phần tựđịnh thời cĩ thể là khí nén, dầu ép hoặc điện.

Hình 5.7 mơ tả hệ thống ép ủi hơi két nĩn. Khi nhần núT ấn S1 van đảo chiều 1Y đổi vị trí pit tơng 1A đi lên để ép két nĩn, đồng thời dịng điện vào phần tửrelay thƣời gian T1. Sau thời gian T thì pit tơng sẽđi xuống trở về vịtrí ban đầu.

Hình 5.8 là cơ cấu điều khiển dịch chuyển pit tơng khí nén để đẩy các sản phẩm theo nguyên lí thời gian. Với các phần tử thời gain sử dụng nguồn năng lƣợng lƣu chất thì chỉ hoạt động ở hai vị tríc cuối của xilanh khí nén. Thời gian chì hỗn phụ thuộc vào độ hiểu chỉnh cảu van tiết lƣu.

65

Hình 5.7. Mạch điều khiển theo thời gian

Hình 5.8. Mạch điều khiển theo thời gian bằng khí nén

5.2.5.Điều khiển phối hợp

Điều khiển phối hợp là các điều khiển phối các điều khiển trên

Hình 5.9 là mơ tả mạch mạch điều khiển của cơ cấu ép phối hợp ba thành phần điều khiển: tùy chọn (: 2.3), hành trình 2.2 và thời gian 2.5. bình thƣờng khi cấp nguồn năng lƣợng thì phần tử 2.5 xác lập thời gian và sau thƣời gian này cĩ dịng năng lƣợng tạo ra nhƣng nĩ đi qua cửa xả của 2.3 khơng đủáp đểksich van 2.4. ngƣợc lại nếu tác động 2.3 mà 2.5 chƣa xác lập thì dịng năng đƣợc tạo ra cũng khơng kích cho van 2.4 họat động. Tín hiệu kích van 2.4 dịch chuyển với điều kiện đồng thời nút nhấn 2.3 đƣợc tác động và sau thời gian xác lập của phần tử 2.5. khi pit tơng ép đi ra và chạm vào cơng tắc hành trình 1.2 thì van 2.4 bịkích ngƣợc lại và pit tơng lại trở về vịtrí ban đầu.

66

Hình 5.9. Mạch điều khiển ép phối hợp

5.2.6. Điều khiển theo chƣơng trình cứng

Các điều khiển máy mĩc hồn tồn tự động đƣợc phân theo í muốn và đƣợc chỉ định theo các điều khiển chƣơng hoặc các điều khiển liên tục. Cả hai hệ thống cĩ những lợi ích và bất lợi. Với điều khiểu chƣơng trình, các tác động đƣợc thi hành theo sự thỏa thuận với một chƣơng trình định nghĩa trƣớc. Thơng thƣờng bộ chƣơng trình bao gồm một cái trục đƣợc vận hành bằng điện lắp với một số cam ( chi tiết cam cơ khí ) điều khiển một số van tƣờng ứng chƣơng trình đƣợc biên dịch bới các cam đƣợc lắp đặt chính xác và tốc độ quay của trục cam. Hình khai triển 5.10 mơ ta một điều khiển theo cƣơng trình cúng điều khiển máy nong đầu cắt ống nhựa theo kích thƣớc. tốc độ của động cơ vận hành đồng thời đồng bộ thích ứng với khoảng thời gian của một chu kì à việc đầy đủ hồn tất trong một vịng quay. Mỗi xilanh tác động kép đƣợc điều khiển bởi van tác động con lăn 4/2 với lị xo trở về vị trí ban đầu

67

5.2.7.Điều khiển tuần tự

Cơ bản nhƣ phƣơng pháp điều khiển phụ thuộc hành trình, điều khiển tuần tự bao gồn phần tự chức năng định thời. Nguyên tắc của điều khiển tuần tự là hoạt động của phần tự trƣớc sẽ khởi tạo hoạt động phần tử kế tiệp. Nếu một hoạt động của phần tử nào mà bị lỗi dù bất cứ lí do nào gây lên các phần tự tiếp theo sau khơng đƣợc khởi tạo và tồn bộ hệ thống bị dừng

Điều khiển tuần tựđƣợc thiết kế cho các vận hành tựđộng hoặc bán tựđộng. Bán tựđộng khi tín hiệu khởi động phải đƣợc tác động bằng tay cho mỗi lần chạy

Hình 5.11 mơ tả mạch điều khiển tuần tự bán tự động Hình 5.12 mơ tả mạch điều khiển tuần tự hồn tồn tựđộng

68

Hình 5.12. Điều khiển tuần tự tựđộng

5.3.PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾMACH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

Mạch điều khiển đƣợc xem nhƣ là một quả tim của một hệ thống làm việc khí nén và thủy lực. Do đĩ nhiệm vụ thiết kế hồn chỉnh một mạch điều khiển đảm bảo đƣợc sự đúng đắn về nguyên lý hoạt động, đơn giản, tin cậy, ổn định và linh hoạt là hết sức đƣợc quan tâm. Muốn vậy, cơ bản ta phải thực hiện trình tự những bƣớc sau:

- Biểu diễn sơ đồ chức năng của quá trình điều khiển

- Viết chƣơng trình điều khiển của các bƣớc làm việc trong quá trình - Xây dựng mạch điều khiển trên cơ sở của phƣơng trình điều khiển

5.3.1.Biểu diễn sơ đồ chức năng của quá trình điều khiển

Tùy thuộc vào tính năng làm việc của hệ thống mà trong một hệ thống điều khiển cĩ thể cĩ một hay nhiều mạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt. Mặt khác, hầu hết trong các hệ thống cơng nghệ tự động hiện đại cĩ sự kết hợp rất nhiều các cơ cấu chấp hành khác nhau rất đa dạng: cơ khí, khí nén, thủy lực, điện...do đĩ trong quá trình điều khiển, tất yếu là nhiều hệ thống điều khiển đƣợc kết hợp với nhau, ví dụ điều khiển khí nén kết hợp với điện, thủy lực, điều khiển theo chƣơng trình PLC, máy tính...Để đơn giản quá trình điều khiển cũng nhƣ tối ƣu và đơn giản thiết kế ta phải thực hiện nhiệm vụ biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển đầy đủ và hồn chỉnh nhất.

5.3.1.1.Biểu đồ trạng thái a. Kí hiệu

Các kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái của quá trình điều khiển đƣợc mơ tảnhƣ hình 5.13

69 Nút đĩng Nút đĩng và ngắt Nút ngắt Cơng tắc chuyển mạch Nút tựđộng Nút ấn Đèn báo hiệu Nút ấn tác động đồng thời Phần tử áp suất Phần tử thời gian Tín hiệu rã nhánh Liên kết OR Liên kết AND Tín hiệu tác động bằng cơ

70 Liên kết OR cĩ 1 nhánh phủ

Hình 5.13. Kí hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái

b.Thiết kế biểu đồ trạng thái

Biểu đồ trạng thái biểu diễn các trạng thái hoạt động của các phần tử trong hệ thống, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Do đĩ nĩ đƣợc xem nhƣ là cơ sở thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ thống.

Trục tung của biểu đồ trạng thái là biểu diễn trạng thái ( hành trình chuyển động, áp suất, gĩc quay...). Trục hồnh biểu diễn các bƣớc thực hiện hoặc là thời gian hảnh trình. Hành trình làm việc đƣợc chia thành nhiều bƣớc. Sự thay đổi trạng thái các bƣớc đƣợc biểu diễn bằng các đƣờng nét đậm. Sự liên kết các tín hiệu đƣợc thể hiện bằng các nét nhỏ và chiều tác động đƣợc biểu diễn bằng mũi tên.

Ví dụ: Thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau:

Xy lanh tác dụng kép 1A dẫn hƣớng các phơi cục trịn đến một khâu làm việc kế tiếp. Ởhai phía đầu và cuối hành trình cĩ gắn hai cữ hành trình 1S2 và 1S3. Pít tơng dịch chuyển đẩy phơi (hành trình đi) khi đồng thời 1S2 và nút nhấn 1S1 đƣợc tác động. Thời gian của hành trình đi là t1 = 0.6s, thời gian hành trình về t2 = 0.4s, thời gian pít tơng lƣu trú tại vị trí 1S3 là t3 = 1s

Hình 5.14. Biểu đồ trạng thái và mạch điều khiển xy lanh dẫn hướng phơi

5.3.1.2. Sơ đồ chức năng a. Kí hiệu

71 Sơ đồ chức năng bao gồm các lệnh và các bƣớc thực hiện. Các bƣớc thực hiện đƣợc kí hiệu theo số thứ tự và các lệnh gồm tên, loại lệnh và vị trí ngắt của lệnh (hình 5.15)

Hình 5.15. Kí hiệu các bước và lệnh thực hiện

b. Thiết kếsơ đồ chức năng

Ví dụ thiết kế mạch điều khiển khí nén theo sơ đồ chức năng sau:

Hình 5.16. Sơ đồ chức năng điều khiển hành trình 2 xy lanh (1A+ 2A+ 2A- 1A-)

Kí hiệu các lệnh thực hiện nhƣ sau:

S - Loại lệnh nhớ.

NS - Loại lệnh khơng nhớ.

SH - Loại lệnh nhớ, mặc dùng dịng năng lượng trong hệ thống mất đi.

T - Loại lệnh cĩ giới hạn thời gian. D - Loại lệnh bị chậm trễ.

72

SD - Loại lệnh nhớ và bị chậm trễ.

NSD - Loại lệnh khơng nhớ nhưng chậm trễ. ST - Loại lệnh nhớ và giới hạn thời gian.

Sơ đồ mạch điều khiển khí nén cho sơ đồ chức năng hình 5.16

Hình 5.17. Mạch điều khiển khí nén 2 xy lanh 1A và 2A

5.3.1.3. Lƣu đồ tiến trình a. Kí hiệu

Lƣu đồ tiến trình là giải thuật (thuật tốn) của một quá trình điều khiển. Thể hiện các trình tự hoạt động, những tín hiệu tác động ảnh hƣởng đến hệ thống điều khiển. Các kí hiệu và thứ tự vịtrí đƣợc mơ tảnhƣ hình 5.18

Hình 5.18. Kí hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình

b. Thiết kếlưu đồ tiến trình

Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển nhƣ hình 5.19 đƣợc thực hiện nhƣ sau

73

Hình 5.19. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

- Bƣớc thực hiện thứ nhất:

Khi pít tơng ở vị trí ban đầu (1S2=1, 1S3=0) nút nhấn khởi động 1S1 tác động pít tơng đi ra (1A+).

- Bƣớc thực hiện thứ hai:

Khi pít tơng đi đến cuối hành trình trạm cơng tắc 1S2, pít tơng sẽ lùi về (1A-). - Bƣớc thực hiện thứ ba:

Tại vị trí ban đầu pít tơng trạm cơng tắc 1S2, quá trình điều khiển kết thúc. Quá trình điều khiển đƣợc viết nhƣ sau:

- Bƣớc thực hiện thứ nhất: 1S1ᴧ1S2ᴧ1S3 = 1A+ →1S3 - Bƣớc thực hiện thứ hai: 1S3 = 1A1- →1S2 - Bƣớc thực hiện thứ ba: 1S2 = kết thúc quá trình

Hình 5.20. Lưu đồ tiến trình điều khiển

74 Dựa vào biểu đồ trạng thái hoạt động theo thời gian của quá trình làm việc hệ thống, dựa vào lý thuyết đại số Boole và các phần tử cĩ chức năng nhớ trạng thái ta cĩ thể viết ra đƣợc các phƣơng trình các bƣớc điều khiển quá trình.

Ta cĩ thể tối ƣu các phƣơng trình điều khiển đĩ chứa ít các tham số biến vào ra để đơn giản mạch điều khiển.

Ví dụ: Quy trình điều khiển pít tơng để nén chặt các bã đậu thành các khối bánh đƣợc mơ tảnhƣ hình 5.21. Tại các vị trí S0, S1, S2 cĩ các cơng tắc hành trình tƣơng ứng x0, x1 và x2. Nút nhấn thực hiện hành trình ép là Sp. Đầu tiên pít tơng chạy với tốc độ v1 trong đoạn hành trình khơng ép S0S1, và sẽ chạy chậm với v2 tronh hành trình S1S2. Gặp S2 pít tơng sẽ giật lùi về với tốc độ lớn nhất v3 và kết thúc chu kỳ ép tại S0

Ta xây dựng đƣợc sơ đồ mạch động lực nhƣ sau

Hình 5.21. Hệ thống ép bã đậu

Hình 5.22. Biểu đồ trạng thái và hành trình của hệ thống ép bã đậu

Bước 0 - 1

Tại vị trí khởi đầu của bƣớc 0-1, khi đồng thời S0 bị tác động và nút Sp đƣợc nhấn thì thực hiện bƣớc 0-1, tức là A+ thực hiện và nĩ vẫn thực hiện sau khi ta thả nút nhấn điều này phải nhớ trạng thái của A+

75 Phƣơng trình nhƣ sau:

K0 SpS0KS1

Bước 1 - 2

Tại vị trí 1 tín hiệu S1 tác động kết thúc bƣớc 0-1 và thực hiện bƣớc 1-2, cũng là A+ nhƣng vận tốc là v1. Khi thực hiện 1-2 thì S1 thơi tác động, vẫn thực hiện A+ tức là phải nhớ trạng thái này.

Phƣơng trình nhƣ sau:

K1S1K1S2K2

Bước 2 - 3

Khi pít tơng gặp S2 thì kết thúc bƣớc 1-2 và thực hiện bƣớc giật lùi 2-3 (A-) và kết thúc tại S0. Khi thực hiện bƣớc 2-3 thì S2 thơi tác động nhƣng A- vẫn hoạt động, tức phải cĩ nhớ trạng thái của nĩ.

Phƣơng trình nhƣ sau:

K2 S2K2S0

5.3.1.5.Vẽsơ đồ mạch điều khiển

Mạch điều khiển là tổ hợp các tầng. Tầng là tổ hợp các phần tửlogic điện theo các phƣơng trình điều khiển đã viết đƣợc ở trên.

Mỗi phƣơng trình điều khiển cĩ thể xem nhƣ là một tầng. Trong đĩ Kn Là hàm của các tầng và đƣợc gán choa các đầu ra cơng suất của các van điều khiển

Hình 5.23. Sơ đồ mạch điện điều khiển của hệ thống ép bã đậu

Ví dụ: Một thanh hàn nhiệt điện đƣợc ép vào trong một trống trịn xoay đƣợc làm mát bằng xy lanh khí nén tác động kép (1A) và hàn tấm plastic thành các ống hình 5.24

76

Hình 5.24. Thanh hàn nhiệt điện

Hành trình duỗi ra đƣợc kích bằng nút nhấn 1S1. Hành trình duỗi với áp suất là 4 bar và khi 1S4 đƣợc tác động thì bắt đầu ép cho tới áp suất 8 bar thì pít tơng giật về. Gặp 1S3 thì pít tơng dừng lại, sau 2s thì chu kỳ ép mới lặp lại. Trong mạch sử dụng van điện từ 5/2. Xây dựng mạch điều khiển cơ cấu hàn điện.

Lời giải:

* Biểu đồ trạng thái đƣợc mơ tảnhƣ hình 5.25

Hình 5.25. Biểu đồ trạng thái thanh hàn nhiệt điện

Viết phƣơng trình điều khiển: Vì hoạt động của hệ thống đƣợc hoạt động liên tục do vậy trạng thái nhấn của 1S1 tại (1) đƣợc duy trì trong suốt quá trình

K0 1S1K0 Bƣớc 1-2: Phƣơng trình nhƣ sau:   1 1 3 1 2 1 4 1 2 K 1S 1S K P K K 1S 1Y1 K 2Y1 K         Bƣớc 2-3: Phƣơng trình nhƣ sau: 3  3 3 3 K p K 1S 1Y2 K    

77 Bƣớc 3-1: Thực hiện chu kỳ tiếp theo sau khoảng thời gian trì hỗn 2s. Phƣơng