hỆ thỐng ĐiỀu khiỂn ĐiỆn - khÍ nÉn vÀ thỦy lỰc 1. c ph n

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

1. Tên học phần: Hệ thống điều khiển điện - khí nén và thủy lực.

2. Số tín chỉ: N(2, 27, 30x2)

Trong đó N: Số tín chỉ; a : Số tiết LT; b: Số tiết TH/TL;

a+b = 15xN

3. Trình độ đào tạo: Đại học

4. Tính chất học phần: Bắt buộc.

5. Khoa phụ trách: Khoa Điện.

6. Mô tả vắn tắt nội dung học phần:

Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về: Nguyên lý cấu tạo, hoạt động của

một số thiết bị khí nén, điện khí nén, thủy lực và các ứng dụng cơ bản của nó trong các hệ

thống truyền động điện tự động trong các máy sản xuất công nghiệp, dân dụng...

7. Mục tiêu của học phần:

- Kiến thức: Cung cấp cho sinh viên kiến thức cơ bản về hệ thống của kỹ thuật thuỷ

lực, khí nén và ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hoá các quá trình công nghệ

- Kỹ năng: Thành thạo cấu tạo, nguyên lý làm việc và ứng dụng hệ thống khí nén và

thủy lực.

- Thái độ: Nghiêm túc, trách nhiệm, chủ động, tích cực, chăm chỉ, cẩn thận.

8. Nội dung chi tiết học phần:

Tuần

thứ Nội dung

Số tiết

LT

Số tiết

TH

Tài liệu

học tập,

tham khảo

1

Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết về điều khiển điện - khí nén và thủy lực

1.1.Khái niệm về hệ thống điều khiển điện - khí nén và thủy lực

1.1.1. Hệ thống điều khiển

1.1.2. Các loại tín hiệu điều khiển

1.1.3. Điều khiển vòng hở

1.1.4. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)

1.2. Ưu nhược điểm của hệ thống điều khiển điện- khí nén và thủy lực

1.2.1. Hệ thống khí nén

1.2.2. Hệ thống thủy lực

1.3. Phạm vi ứng của khí nén và thủy lực trong công nghiệp

1.3.1. Ứng dụng của hệ thống khí nén

1.3.2. Ứng dụng của hệ thống thủy lực

1.4. Đơn vị đo của các đại lượng cơ bản trong hệ thống khí nén và thủy lực

3 1, 2, 3,4

2

Tuần

thứ Nội dung

Số tiết

LT

Số tiết

TH

Tài liệu

học tập,

tham khảo

1.4.1. Áp suất

1.4.2. Lực

1.4.3. Công

1.4.4. Công suất

1.4.5. Độ nhớt động

1.5. Cung cấp và xử lý nguồn năng lượng trong hệ thống khí nén và thủy lực

2

1.5. 1.Khí nén

1.5.1.1. Máy nén khí và sản xuất khí nén

1.5.1. 2. Phân phối khí nén

1.5.1. 3. Xử lý nguồn khí nén

1.5.2 Thủy lực (dầu ép)

1.5.2.1. Cung cấp năng lƣợng dầu

1.5.2.2. Các loại bơm dầu

1.5.2.3. Bể dầu

1.5.2.4. Xử lý nguồn dầu

Câu hỏi ôn tập và thảo luận chƣơng 1

3 1, 2, 3,4

3

Chƣơng 2: Phần tử đƣa tín hiệu và xử lý tín hiệu trong điều khiển khí nén và thủy lực

2.1. Các phần tử đưa tín hiệu

2.1.1. Phần tử không điện

2.1.2. Phần tử đƣa tín hiệu điện

2.2. Các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển

2.2.1. Phần tử YES

2.2.2. Phần tử NOT

2.2.3. Phần tử AND

2.2.4. Phần tử OR

2.2.5. Phần tử NAND

2.2.6. Phần tử NOR

2.2.7. Phần tử nhớ Flip-Flop

2.2.8. Phần tử thời gian


3 1, 2, 3,4

4

Chƣơng 3: Các phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực

3.1. Xi lanh

3.1.1. Xi lanh tác động đơn

3.1.2. Xi lanh tác động kép

3.1.3. Xi lanh bƣớc (nhiều vị trí)

3.1.4. Xi lanh va đập

3 1, 2, 3,4

3

Tuần

thứ Nội dung

Số tiết

LT

Số tiết

TH

Tài liệu

học tập,

tham khảo

3.1.5. Xi lanh quay

3.1.6. Xi lanh bang đai

3.1.7 Xi lanh từ

3.2. Động cơ

3.2.1. Động cơ bánh răng

3.2.2. Động cơ kiểu Piston

3.2.3. Động cơ kiểu cánh gạt

3.2.4. Động cơ turbine


5

Chƣơng 4: Các phần tử điều chỉnh và điều khiển trong hệ thống khí nén và thủy lực

4.1. Khái niệm cơ bản

4.2. Các phần tử điều chỉnh

4.2.1. Van an toàn

4.2.2. Van tràn

4.2.3. Van điều chỉnh áp suất

4.2.4. Rơ le áp suất

4.2.5. Van tiết lƣu

4.2.6. Van tiết lƣu một chiều điều chỉnh bằng tay

4.2.7. Van chân không

4.2.8 Van điều chỉnh thời gian

4.3. Các phần tử điều khiển

4.3.1. Van một chiều

4.3.2. Van đảo chiều

3

1, 2, 3, 4

6

7


Chƣơng 5: Phân tích và thiết kế mạch điều khiển khí nén và thủy lực

5.1. Lý thuyết đại số Boole

5.2. Phân loại phương pháp điều khiển trong khí nén và thủy lực

5.3. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén và thủy lực

5.3.1. Biểu diễn chức năng của quá trình điều khiển

5.3.1.1. Biểu đồ trạng thái

5.3.1.2. Sơ đồ chức năng

5.3.1.3. Lƣu đồ tiến trình

5.3.1.4. Viết phƣơng trình điều khiển

5.3.1.5. Vẽ sơ đồ mạch điều khiển

3

3

1, 2, 3,4

4

Tuần

thứ Nội dung

Số tiết

LT

Số tiết

TH

Tài liệu

học tập,

tham khảo

8

9

5.4. Thiết kế mạch điều khiển điện-khí nén và thủy lực

5.4.1. Nguyên tắc thiết kế

5.4.2. Thiết kế mạch điều khiển điện-khí nén với 1 xy lanh theo phƣơng pháp nhịp

5.4.3. Thiết kế mạch điều khiển điện-khí nén với 2 xy lanh theo phƣơng pháp nhịp

5.5. Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén và thủy lực bằng phương pháp Grafcet.

5.6. Điều khiển hệ thống khí nén và thủy lực bằng bộ điều khiển lập trình PLC

5.6.1. Cấu trúc bộ PLC

5.6.2. Các thành phần của hệ thống khí nén – thủy lực bằng PLC

5.6.3. Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén – thủy lực bằng PLC

Câu hỏi thảo luận và bài tập chƣơng 5

3

3

1, 2, 3,4

10 Chữa bài tập, thảo luận và kiểm tra 0 3 1, 2, 3, 4

9. Tài liệu phục vụ cho học phần

9.1. Tài liệu học tập:

9.2. Tài liệu tham khảo:

1. Điều khiển khí nén và thủy lực (2003) – Lê Tiến Dũng, NXB Giáo Dục.

2. Hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực (2003), Bùi Hải Triều, NXB Giáo Dục

3. Hệ thống điều khiển bằng khí nén (2003), Nguyễn Ngọc Phương, NXB Giáo Dục.

10. Phƣơng pháp đánh giá học phần:

- Theo qui chế đào tạo hiện hành của trƣờng ĐH KTKTCN trong đó có các điểm bộ

phận nhƣ sau:

+ Đánh giá mức độ chuyên cần của sinh viên: đi học đầy đủ, thái độ tự học tốt ...,

+ Đánh giá điểm thực hành, thảo luận: chuẩn bị bài đầy đủ, tích cực thảo luận ...,

+ Kiểm tra hệ số 1, hệ số 2: Hình thức tự luận,

+ Điểm thi kết thúc học phần: Hình thức thi tự luận/trắc nghiệm, trọng số 60%.

11. Hƣớng dẫn thực hiện

- Các Khoa, Bộ môn phổ biến đề cƣơng chi tiết cho toàn thể giáo viên thực hiện.

- Giáo viên thực hiện theo đúng đề cƣơng chi tiết đã đƣợc duyệt.

- .............................................................................................

5

......................Ngày.......tháng 11 năm 2018

Trƣởng Phòng Đào tạo

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trƣởng khoa


Trƣởng bộ môn


Ngƣời biên soạn


Phạm Văn Huy

6

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA: ĐIỆN

----------

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN - KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

(Tài liệu lưu hành nội bộ)

Hà nội, tháng 01 năm 2019

1

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực điều khiển tự động hóa, ngày nay

các thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén thủy lực sử dụng trong các máy móc trở nên rộng

rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp nhƣ máy công cụ CNC, phƣơng tiện vận chuyển, máy

dập, máy xây dựng, máy ép phun, máy y khoa, dây truyền chế biến thực phẩm...do những

thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ƣu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích

thƣớc nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền

động và điều khiển bằng cơ khí hay điện.

Nhằm trang bị kiến thức để tiếp cận nhanh với các thiết bị của hệ thống điều khiển

khí nén thủy lực trong thực tế.

Bài giảng “Hệ thống điều khiển điện - khí nén và thủy lực” bao gồm 5 chƣơng:

Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết về điều khiển điện - khí nén và thủy lực

Chƣơng 2: Phần tử đƣa tín hiệu và xử lý tín hiệu trong điều khiển khí nén và thủy lực.

Chƣơng 3: Các phần tử chấp hành trong hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực

Chƣơng 4: Các phần tử điều chỉnh và điều khiển trong hệ thống khí nén và thủy lực

Chƣơng 5: Phân tích và thiết kế mạch điều khiển khí nén và thủy lực

Do thời gian và trình độ có hạn nên bài giảng không tránh khỏi những thiếu sót nhất

định. Chúng tôi luôn mong nhận đƣợc sự góp ý của bạn đọc để bài giảng đƣợc tái bản hoàn

thiện hơn trong những lần tiếp theo.

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm biên soạn

Phạm Văn Huy (chủ biên)

Nguyễn Cao Cƣờng

Nguyễn Đức Dƣơng 89

2

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1

MỤC LỤC ........................................................................................................................... 2

CHƢƠNG 1 ......................................................................................................................... 6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ................. 6

MỤC TIÊU CỦA CHƢƠNG .............................................................................................. 6

1.1. KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC .... 6

1.1.1. Hệ thống điều khiển ............................................................................................... 6

1.1.1. Các loại tín hiệu điều khiển ................................................................................... 7

1.1.2. Điều khiển vòng hở ............................................................................................... 7

1.1.3. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)............................................................................... 7

1.2. ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ

THỦY LỰC ..................................................................................................................... 8

1.2.1. Hệ thống khí nén ................................................................................................... 8

1.2.2. Hệ thống thủy lực .................................................................................................. 8

1.3. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC TRONG CÔNG

NGHIỆP ........................................................................................................................... 9

1.3.1. Ứng dụng của hệ thống khí nén ............................................................................. 9

1.3.2. Ứng dụng của hệ thống thủy lực ......................................................................... 10

1.4. ĐƠN VỊ ĐO LƢỜNG CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG

KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ........................................................................................... 11

1.4.1Áp suất……………… ........................................................................................... 11

1.4.2.Lực………………. ............................................................................................... 11

1.4.3.Công………………. ............................................................................................ 11

1.4.4.Công suất ……………………………………………………………………...11

1.4.5.Độ nhớt động ........................................................................................................ 12

1.5.CUNG CẤP VÀ XỬ LÝ NGUỒN NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG KHÍ

NÉN VÀ THỦY LỰC ................................................................................................... 12

1.5.1.Khí nén……………. ............................................................................................ 12

1.5.2.Thủy lực..... ........................................................................................................... 15

NỘI DUNG CỐT LÕI ....................................................................................................... 20

CÂU HỎI ÔN TẬP, LIÊN HỆ THỰC TẾ ........................................................................ 20

CHƢƠNG 2. PHẦN TỬ ĐƢA TÍN HIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG ĐIỀU

KHIỂN KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ................................................................................. 21

3

2.1.CÁC PHẦN TỬ ĐƢA TÍN HIỆU .......................................................................... 21

2.1.1.Phần tử không điện ............................................................................................... 21

2.1.2.Phần tử đƣa tín hiệu .............................................................................................. 25

2.2.CÁC PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN ............................................... 26

2.2.1.Phần tử YES ......................................................................................................... 26

2.2.2.Phần tử NOT ......................................................................................................... 27

2.2.3.Phần tử OR ........................................................................................................... 28

2.2.4.Phần tử AND ........................................................................................................ 28

2.2.5.Phần tử NAND ..................................................................................................... 29

2.2.6.Phần tử NOR ........................................................................................................ 30

2.2.7.Phần tử Flip-Flop .................................................................................................. 31

2.2.8.Phần tử thời gian ................................................................................................... 32

CHƢƠNG 3. PHẦN TỬ ĐƢA TÍN HIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG ĐIỀU

KHIỂN KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ................................................................................. 34

3.1.XI LANH ................................................................................................................. 34

3.1.1.Xi lanh tác động đơn. ........................................................................................... 34

3.1.2.Xi lanh tác động kép. ............................................................................................ 35

3.1.3.Xi lanh bƣớc (nhiều vị trí). ................................................................................... 36

3.1.4.Xi lanh va đập ....................................................................................................... 37

3.1.5.Xi lanh quay.......................................................................................................... 37

3.1.6.Xi lanh băng đai. ................................................................................................... 38

3.1.7.Xi lanh từ. ……………………………………………………………………...38

3.2.ĐỘNG CƠ ............................................................................................................... 43

3.2.1.Động cơ kiểu bánh răng. ....................................................................................... 43

3.2.2.Động cơ kiểu Piston ............................................................................................. 44

3.2.3.Động cơ kiểu cánh gạt .......................................................................................... 44

3.2.4.Động cơ turbine .................................................................................................... 44

CHƢƠNG 4:CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG

KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ............................................................................................... 46

4.1.KHÁI NIỆM CƠ BẢN ............................................................................................ 46

4.2.CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU CHỈNH .............................................................................. 46

4.2.1.Van an toàn ........................................................................................................... 46

4.2.2.Van tràn......................... ....................................................................................... 47

4.2.3.Van điều chỉnh áp suất (van giảm áp) .................................................................. 47

4

4.2.4.Rơ le áp suất ......................................................................................................... 47

4.2.6.Van tiết lƣu một chiều điều chỉnh bằng tay .......................................................... 49

4.2.7.Van chân không .................................................................................................... 49

4.2.8.Van điều chỉnh thời gian (Delay) ......................................................................... 49

4.3.CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN .............................................................................. 51

4.3.1.Van một chiều ....................................................................................................... 51

4.3.2.Van đảo chiều ....................................................................................................... 51

CHƢƠNG 5PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂNKHÍ NÉN VÀ THỦY

LỰC ................................................................................................................................... 59

5.1. LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ BOOLE ............................................................................. 60

5.1.1. Các phép biến đổi hàm một biến ......................................................................... 60

5.1.2. Các luật của đại số Boole .................................................................................... 61

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

LỰC ............................................................................................................................... 63

5.2.1. Điều khiển tùy thuộc ........................................................................................... 63

5.2.3.Điều khiển theo hành trình ................................................................................... 63

5.2.4.Điều khiển theo thời gian ..................................................................................... 64

5.2.5.Điều khiển phối hợp ............................................................................................. 65

5.2.6.Điều khiển theo chƣơng trình cứng ...................................................................... 66

5.2.7.Điều khiển tuần tự ................................................................................................ 67

5.3.PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC 68

5.3.1.Biểu diễn sơ đồ chức năng của quá trình điều khiển ............................................ 68

5.3.1.1.Biểu đồ trạng thái .............................................................................................. 68

5.3.1.2.Sơ đồ chức năng ................................................................................................ 69

5.3.1.3.Lƣu đồ tiến trình ................................................................................................ 73

5.3.1.4.Viết phƣơng trình điều khiển ............................................................................. 73

5.3.1.5.Vẽ sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................. 75

5.4. THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN –KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC ............... 77

5.4.1.Nguyên tắc thiết kế ............................................................................................... 77

5.4.2.Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén với 1 xylanh theo phƣơng pháp nhịp .. 79

5.4.3.Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén với 2 xylanh theo phƣơng pháp nhịp .. 80

5.5.THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY ........................ 81

5.6. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN - KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC BẰNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN LẬP TRÌNH PLC ............................................................................................. 85

5

5.6.1.Cấu trúc của một PLC .......................................................................................... 86

5.6.2.Các thành phần của một hê thống khí nén điều khiển bằng PLC ......................... 87

5.6.3.Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén bằng PLC .................................................. 89

6

CHƢƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

MỤC TIÊU CỦA CHƢƠNG

- Hiểu rõ khái niệm hệ thống điều khiển điện – khí nén và thủy lực.

- Nắm đƣợc ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng của điện - khí nén và thủy lực.

- Phân phối nguồn khí nén và thủy lực, các loại bơm dầu trong thủy lực.

- Về thái độ: Học sinh, Sinh viên hiểu rõ khái niệm hệ thống điều khiển điện – khí nén

và thủy lực, ƣu nhƣợc điểm và ứng dụng điện – khí nén và thủy lực, phân phối

nguồn khí nén và thủy lực, các loại bơm dầu trong thủy lực.

1.1. KHÁI NIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

1.1.1. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu

chấp hành đƣợc kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ

theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống đƣợc mô tả nhƣ hình 1.1

Năng lượng điều khiển

Tín hiệu

đầu vào

Xử lý thông tin

điều khiển

Cơ cấu chấp hành (biến

năng lượng cơ năng)

Phản hồi

Hình 1.1. Hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực

- Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình, cảm biến...

- Phần tử xử lý thông tin: Xử lý tín hiệu đầu vào theo một quy tắc logic xác định, làm

thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển: van logic AND, OR, NOT, YES, FLIP - FLOP...

- Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lƣợng ( lƣu lƣợng, áp suất ) theo yêu cầu,

thay đổi trạng thái cơ cấu chấp hành: van đảo chiều, van tiết lƣu, van chỉnh áp...

- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tƣợng điều khiển là đại lƣợng ra của

mạch điều khiển: xy lanh khí nén, xy lanh dầu, động cơ khí nén, động cơ dầu...

- Năng lƣợng điều khiển: gồm phần thông tin và công suất

+ Phần thông tin: điện tử, điện cơ, khí, dầu...

+ Phần công suất:

- Điện: công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, nhanh.

7

- Khí nén: Công suất vừa, quán tính, tốc độ cao.

- Thủy lực: Công suất lớn, quán tính ít dễ ổn định, tốc độ thấp.

1.1.1. Các loại tín hiệu điều khiển

Trong điều khiển khí nén và thủy lực nói chung ta dùng hai loại tín hiệu:

- Tín hiệu tƣơng tự ( hình 1.2 )

Hình 1.2. Tín hiệu tương tự

- Tín hiệu rời rạc số ( hình 1.3 )

Hình 1.3. Tín hiệu rời rạc ( Số )

1.1.2. Điều khiển vòng hở

Hệ thống điều khiển vòng hở là không có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra với tín hiệu

đầu vào, giá trị thực thu đƣợc và giá trị cần đạt đƣợc không đƣợc điều chỉnh, xử lý. Hình 1.4

mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ thủy lực

Van điều

khiển tỷ lệ

Động cơ

thủy lực

- Thay đổi tải trọng

- Thay đổi lưu lượng bơm

- Thay đổi áp suất hệ

- Thay đổi nhiệt độ dầu

Lưu lượngLưu lượngGiá trị đặtTốc độ

Hình 1.4. Hệ thống điều khiển vòng hở tốc độ động cơ thủy lực

1.1.3. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)

Hệ thống mà tín hiệu đầu ra đƣợc phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu vào. Độ chệnh

lệch của 2 tín hiệu vào ra đƣợc thông báo cho thiết bị điều khiển, để thiết bị này tạo ra tín

hiệu điều khiển tác dụng lên đối tƣợng điều khiển sao cho giá trị thực luôn đạt đƣợc nhƣ

8

mong muốn. Hình 1.5 minh họa hệ thống điều khiển vị trí của chuyển động cần pít tông xy

lanh thủy lực.

KpVan điều

khiển tỉ lệ

Đo lường vị trí

Lưu lượngGiá trị đặt Vị tríXy lanh

thủy lực

Tín hiệu

điều khiển

(u)

Phần tử

so sánh

Bộ điều khiển tỉ lệ

Hình 1.5. Hệ thống điều khiển vòng kín vị trí pít tông thủy lực

1.2. ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ

THỦY LỰC

1.2.1. Hệ thống khí nén

a. Ƣu điểm

- Tính đồng nhất năng lƣợng giữa phần tử điều khiển và chấp hành nên sửa chữa, bảo

dƣỡng, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện.

- Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật nguồn năng lƣợng: 3-8 bar

- Khả năng quá tải lớn của động cơ khí nén.

- Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật.

- Tuổi thọ lớn.

- Tính đồng nhất năng lƣợng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử chức năng báo

hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trƣờng dễ nổ, và đảm bảo môi trƣờng vệ

sinh sạch sẽ.

- Có khả năng truyền tải năng lƣợng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ và tổn

thất áp suất trên đƣờng dẫn ít.

- Trọng lƣợng các phần tử trong hệ thống khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của

áp suất khí lớn, nên truyền động có thể đạt đƣợc vận tốc rất lớn.

b. Nhƣợc điểm

- Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử.

- Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với điện tử, chỉ điều khiển theo chƣơng trình

có sẵn. Khả năng điều khiển phức tạp kém.

- Lực truyền tải trọng thấp.

- Dòng khí nén thoát ra ở đƣờng dẫn gây tiếng ồn.

- Không điều khiển đƣợc quá trình trung gian giữa 2 ngƣỡng.

1.2.2. Hệ thống thủy lực

9

a. Ƣu điểm:

- Truyền động đƣợc công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tƣơng đối đơn giản, hoạt

động với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về bảo dƣỡng, sửa chữa.

- Điều chỉnh đƣợc vận tốc làm việc tinh và không cấp nhờ các thiết bị điều khiển kỹ

thuật số hóa, dễ thực hiện tự động hóa theo điều kiện làm việc hoặc chƣơng trình đã cho sẵn.

- Kết cấu nhỏ gọn, nối kết các thiết bị với nhau dễ dàng bằng việc đổi chỗ các mối nối

ống.

- Dễ biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cơ cấu

chấp hành.

- Có khả năng giảm khối lƣợng và kích thƣớc nhờ chọn áp suất thủy lực cao.

- Nhờ quán tính nhỏ của bơm và động cơ thủy lực, nhờ tính chịu nén của dầu nên có

thể sử dụng vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh nhƣ trong trƣờng hợp cơ khí hay điện.

- Dễ theo dõi và quan sát bằng áp kế, ngay cả những hệ mạch phức tạp.

- Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tiêu chuẩn hóa.

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn.

b. Nhƣợc điểm

- Mất mát trong đƣờng ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và

phạm vi ứng dụng.

- Khó giữ đƣợc vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén đƣợc của dầu và tính

đàn hồi của đƣờng ống.

- Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hƣởng đến độ chính xác điều khiển.

- Khả năng lập trình và tích hợp hệ thống kém nên khó khăn khi thay đổi chƣơng trình

làn việc.

- Khi khởi động, nhiệt độ của hệ thống chƣa ổn định vận tốc làm việc thay đổi do độ

nhớt của chất lỏng thay đổi.

1.3. PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC TRONG CÔNG

NGHIỆP

1.3.1. Ứng dụng của hệ thống khí nén

Hệ thống điều khiển khí nén đƣợc sử dụng rộng rãi ở những lĩnh vực mà ở đó vấn đề

nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ, nhƣ: các đồ gá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc đƣợc sử

dụng trong ngành cơ khí nhƣ cấp phôi gia công, hoặc trong môi trƣờng vệ sinh sạch nhƣ

trong công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén

đƣợc sử dụng trong các dây truyền sản xuất thực phẩm nhƣ: rửa bao bì tự động, chiết nƣớc

đóng chai...trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các băng tải, thang máy công

nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại sản phẩm và trong công nghiệp hóa

chất, y khoa và sinh học.

10

1.3.2. Ứng dụng của hệ thống thủy lực

Hệ thống điều khiển thủy lực đƣợc sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp nhƣ: máy

nâng chuyển, máy đúc áp lực, máy công cụ gia công kim loại, máy dập, máy xúc, tời kéo...

Một số hình ảnh minh họa ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực

Hình 1.6. Hệ thống nâng bảo dưỡng xe Hình 1.7. Tay máy gắp sản phẩm khí nén

Hình 1.8. Máy cắt thủy lực Hình 1.9. Khuôn tạo dè xe máy

Hình 1.9. Ghép các cơ cấu khuôn Hình 1.10. Máy ép thủy lực

11

2 2 2 21 1 / 1 / / 1 /pascal N m kgm s m kg ms

5 21 10 1 / c 1bar Pa kg m at

21 1 . / sN kg m

Hình 1.11. Máy đóng gói sản phẩm Hình 1.12. Máy phân loại sản phẩm

1.4. ĐƠN VỊ ĐO LƢỜNG CỦA CÁC ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN TRONG HỆ THỐNG

KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

1.4.1. Áp suất

Đơn vị áp suất: Pascal – là áp suất phân bố đều lên bề mặt có diện tích có bề mặt

1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton (N)

(1.1)

(1.2)

1.4.2. Lực

Đơn vị của lực là Newton. 1N là lực tác động lên đối trọng có khối lƣợng 1 kg với

gia tốc 1m/s2

(1.3)

1.4.3. Công

Đơn vị của công là Joule (J). 1J là công sinh ra dƣới tác động của lực 1N để vật dịch

chuyển đƣợc quãng đƣờng 1m

(1.4)

Công thức tính công

(1.5)

F: Lực tác dụng vào vật

L: Quãng đƣờng vật di chuyển

1.4.4. Công suất

Đơn vị của công suất là Watt. 1 watt là công suất trong thời gian 1 giây sinh ra năng

lƣợng 1 Joule

2 2

1 1

1 1 /

J Nm

J m kg s

W .k F L

12

(1.6)

Công thức tính công suất

(1.7)

1.4.5. Độ nhớt động

Độ nhớt động của một chất là độ nhớt động lực 1 Pa.s và khối lƣợng riêng 1 kg/cm3

(1.8)

η: độ nhớt động lực [Pa.s]

ρ: khối lƣợng riêng [kg/m3]

v: độ nhớt động [m2/s]

1.5. CUNG CẤP VÀ XỬ LÝ NGUỒN NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG

KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

1.5.1. Khí nén

1.5.1.1. Máy nén khí và sản xuất khí nén

Hệ thống điều khiển khí nén hoạt động dựa vào nguồn cung cấp khí nén, nguồn khí

này phải đƣợc sản xuất thƣờng xuyên với lƣợng thể tích đầy đủ với một áp suất nhất định

thích hợp cho năng lƣợng hệ thống.

Máy nén khí là máy có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất

nhất định và tạo ra nguồn lƣu chất có áp suất cao hơn. Các loại máy nén khí thƣờng sử dụng:

máy nén khí kiểu pít tông, máy nén khí kiểu cánh gạt...

Máy nén khí kiểu pít tông nhƣ hình 1.13 là máy dùng phổ biến nhất và có thể cung

cấp năng suất đến 500m3/phút. Máy nén khí 1 pít tông có thể nén khí khoảng 6 bar đến 10

bar, máy nén khí kiểu pít tông hai cấp có thể nén đến 15 bar, 3 đến 4 cấp có thể nén đến 250

bar.

Hình 1.13. Máy nén khí kiểu pít tông

2 3

1W=1Nm/s

1W=1m /kg s

(1/min)*P(bar)

600 H= (k )

QW

v

13

Máy nén khí kiểu cánh gạt nhƣ hình 1.14 không khí sẽ vào buồng hút. Nhờ Rotor

và Stator đặt lệch tâm, nên khi Rotor quay chiều sang phải thì không khí vào buồng nén

sau đó khí nén sẽ đi ra buồng đẩy.

Hình 1.14. Máy nén khí kiểu cánh gạt

1.5.1.2. Phân phối khí nén

Hệ thống phân phối khí nén có nhiệm vụ chuyển không khí nén từ nới sản xuất đến

nơi tiêu thụ đảm bảo áp suất, lƣu lƣợng và chất lƣợng khí nén cho các thiết bị làm việc ví dụ

nhƣ: xy lanh khí nén, van khí nén, động cơ khí nén...

Truyền tải khí nén đƣợc thực hiện bằng hệ thống ống dẫn khí nén, đối với hệ thống

ống dẫn có thể là mạng đƣờng ống đƣợc lắp ráp cố định (trong toàn nhà máy) và mang

đƣờng ống lắp ráp trong từng thiết bị, từng máy nhƣ hình 1.15

Đối với hệ thống phân phối khí nén ngoài tiêu chuẩn chọn máy nén khí hợp lí, tiêu

chuẩn chọn đúng các thông số của hệ thống ống dẫn (đƣờng kính ống, vật liệu ống), cách lắp

đặt hệ thống ống dẫn, bảo hành hệ thống phân phối cũng có vai trò quan trọng về phƣơng

diện kinh tế cũng nhƣ yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống điều khiển khí nén.

Hình 1.15. Hệ thống phân phối khí nén

1.5.1.3. Xử lý nguồn khí nén

Khí nén đƣợc tạo ra từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở các mức

độ khác nhau. Chất bẩn có thể là bụi, độ ẩm của không khí hút vào, những cặn bã của dầu

14

bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa trong quá trình nén nhiệt độ của khí nén tăng lên, có

thể gây ra ô xy hóa một số phần tử hệ thống. Do đó việc xử lý khí nén cần phải thực hiện bắt

buộc. Khí nén không đƣợc xử lý thích hợp sẽ gây hƣ hỏng hoặc gây trở ngại tính làm việc

của các phần tử khí nén. Đặc biệt sử dụng khí nén trong hệ thống điều khiển đòi hỏi chất

lƣợng khí nén rất cao. Mức độ xử lý khí nén tùy thuộc vào từng phƣơng pháp xử lý. Trong

thực tế ngƣời ta thƣờng dùng bộ lọc để xử lý nhƣ hình 1.16

Hình 1.16.Cấu tạo và kí hiệu bộ lọc khí

Bộ lọc khí có 3 phần tử: van lọc, van điều chỉnh áp suất và van tra dầu

Van lọc khí (hình 1.17) là làm sạch các chất bẩn và ngƣng tụ hơi nƣớc trong nó

Hình 1.17.Cấu tạo và kí hiệu van lọc khí nén

Van điều chỉnh áp suất: nhiệm vụ của van áp suất là ổn định áp suất điều chỉnh, mặc

dù có sự thay đổi bất thƣờng của áp suất làm việc ở đƣờng ra hoặc sự dao động của áp suất ở

đƣờng vào. Áp suất ở đầu vào luôn lớn hơn áp suất ở đầu ra (hình 1.18)

15

Hình 1.18. Van điều chỉnh áp suất

Van tra dầu: đƣợc sử dụng đảm bảo cung cấp bôi trơn cho các thiết bị trong hệ thống

điều khiển khí nén nhằm giảm ma sát, sự ăn mòn và sự gỉ (hình 1.19)

Hình 1.19. Cấu tạo và kí hiệu van tra dầu

1.5.2. Thủy lực

1.5.2.1. Cung cấp năng lượng dầu

Trong hệ thống điều khiển thủy lực nguồn năng lƣợng đƣợc dùng để hệ thống hoạt

động là dầu ép. Để cung cấp năng lƣợng cho hệ thống điều khiển thƣờng sử dụng thiết bị

bơm dầu.

Bơm dầu là một phần tử quan trọng nhất của hệ thống điều khiển thủy lực, dùng để

biến cơ năng thành năng lƣợng của dầu. Những thông số cơ bản của bơm là lƣu lƣợng và áp

suất.

Lƣu lƣợng của bơm về lý thuyết không phụ thuộc vào áp suất (trừ bơm ly tâm), mà

chỉ phụ thuộc vào kích thƣớc hình học và vận tốc quay của nó. Nhƣng trong thực tế do sự rò

16

rỉ qua khe hở giữa khoang hút và khoang đẩy, giữa khoang đẩy với bên ngoài nên lƣu lƣợng

thực tế của bơm nhỏ hơn lƣu lƣợng lý thuyết và giảm dần khi áp suất tăng.

1.5.2.2. Các loại bơm dầu

a. Bơm bánh răng

Hình 1.20. Nguyên lý làm việc và kí hiệu bơm bánh răng

Hình 1.20 bơm bánh răng, nguyên lý làm việc của bơm bánh răng là sự thay đổi thể

tích: khi thể tích của buồng hút A tăng, bơm dầu hút, thực hiện chu kỳ hút; và khi thể tích

giảm, bơm đẩy dầu ra buồng B thực hiện chu kỳ nén. Nếu trên đƣờng đi của dầu ta đặt một

vật cản thì dầu sẽ bị chặn lại tạo nên một áp suất nhất định phụ thuộc vào độ lớn của sức cản

và kết cấu của bơm.

b. Bơm cánh gạt

Hình 1.21. Bơm cánh gạt tác động đơn

Bơm cánh gạt đƣợc rùng rộng rãi hơn bơm bánh răng do ổn định về lƣu lƣợng, hiệu

suất thể tích cao hơn.

Lƣu lƣợng của bơm có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ lệch tâm của bơm.

c. Bơm pít tông

Bơm pít tông có khả năng làm kín tốt hơn so với bơm cánh gạt và bánh răng, do vậy

bơm pít tông đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống thủy lực làm việc ở áp suất cao. Phụ

thuộc vào vị trí của pít tông đối với Rotor, có thể phân biệt chúng thành bơm hƣớng kính và

hƣớng trục.

- Bơm hƣớng kính (hình 1.22)

17

Hình 1.22. Bơm pít tông hướng kính

Bơm dầu pít tông hƣớng kính có các pít tông chuyển động hƣớng tâm với trục quay

của Rotor. Tùy thuộc vào số pít tông ta có lƣu lƣợng khác nhau.

- Bơm hƣớng trục (hình 1.23)

Hình 1.23. Bơm pít tông hướng trục

Bơm pít tông hƣớng trục là loại bơm có các pít tông đặt song song với trục roto đƣợc

truyền bằng khớp nối với trục quay của động cơ điện (hình 1.23). Bơm pít tông hƣớng trục

có ƣu điểm là kích thức nhỏ gọn và hầu hết đều chỉnh lƣu đƣợc nhờ điều chỉnh góc nghiêng

của kết cấu đĩa nghiêng ở trong bơm.

1.5.2.3. Bể dầu

a. Nhiệm vụ

- Cung cấp dầu cho hệ thống làm việc theo chu trình kín (cấp và nhận dầu hồi về).

- Giải tỏa nhiệt sinh ra trong quá trình bơm dầu làm việc.

- Lắng đọng các chất cặn bã, dơ bẩn trong quá trình làm việc.

- Tách nƣớc.

b. Chọn kích thƣớc bể dầu

- Đối với bể dầu di động, thể tích đƣợc chọn nhƣ sau:

V = 1,5.qv

- Đối với bể dầu cố định, thể tích bể dầu đƣợc chọn nhƣ sau:

V = (3,0 – 5,0).qv

Trong đó: V(lít); qv(lít/phút)

18

c. Kết cấu bể dầu

Hình 1.24 kết cấu bể dầu gồm: động cơ điện (1) có điện bơm dầu làm việc, dầu đƣợc

hút lên qua ống hút (15) cấp cho hệ thống điều khiển qua cửa áp (5), dầu xả đƣợc đƣa về lại

thùng (11) qua cửa (8) và bộ lọc (16).

Dầu thƣờng đƣợc đổ vào thùng (11) qua cửa (10) bố trí trên nắp bể lọc và có thể

kiểm tra mức dầu đạt yêu cầu nhờ mắt dầu (9).

Quan sát áp suất của bộ nguồn dầu bằng đồng hồ áp suất (7). Giá trị áp suất của

nguồn đƣợc điều chỉnh bằng van an toàn áp suất (6).

Hình 1.24. Kết cấu bộ nguồn dầu

1.5.2.4. Xử lý nguồn dầu

Trong hệ thống điều khiển thủy lực, việc xử lý dầu thƣờng dùng đến bộ lọc dầu.

Hình 1.25 các bộ lọc với các kích thƣớc và chủng loại khác nhau. Trong quá trình làm việc

không tránh khỏi dầu bị bẩn đƣợc tạo ra từ bên ngoài hay bản thân của nó. Những chất bẩn

này đã gây ra hiện tƣợng kẹt các khe hở, các tiết diện dòng chảy làm ảnh hƣởng rất lớn đến

sự ổn định hoạt động của hệ thống và hƣ hỏng. Do đó trong hệ thống dầu ép ta thƣờng gắn

các bộ lọc dầu để ngăn ngừa chất bẩn thâm nhập vào bên trong các cơ cấu, phần tử dầu ép.

Bộ lọc dầu thƣờng đặt ở ống hút của bơm dầu. Trƣờng hợp cần dầu sạch hơn ta thêm

một bộ nữa ở cửa ra của bơm và một ở ống xả của hệ thống dầu ép.

Hình 1.25. Bộ lọc dầu

19

Một số cách lắp đặt bộ lọc dầu trong hệ thống (hình 1.26a, b,c)

Hình 1.26a. Bộ lọc dầu lắp ở đường hút

Hình 1.26b. Bộ lọc dầu lắp ở đường nén

Hình 1.26c. Bộ lọc dầu lắp ở đường xả

20

NỘI DUNG THẢO LUẬN

1. Nội dung phần thảo luận 1: Khái niệm về hệ thống điều khiển điện – khí nén và

thủy lực.

2. Nội dung phần thảo luận 2: Ƣu. Nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ thống khí nén và

thủy lực

3. Nội dung thảo luận 3: Hệ thống phân phối nguồn khí nén và thủy lực, các loại

bơm dầu trong hệ thống thủy lực

NỘI DUNG CỐT LÕI

- Hiểu khái niệm hệ thống điều khiển điện – khí nén và thủy lực

- Ƣu, nhƣợc điểm và ứng dụng của hệ thống khí nén và thủy lực

- Phân phối nguồn khí nén và thủy lực, các loại bơm dầu trong hệ thống thủy lực

CÂU HỎI ÔN TẬP, LIÊN HỆ THỰC TẾ

1. Câu hỏi ôn tập chương 1:

Câu 1. Trình bày sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực?

Câu 2. Trình bày ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống khí nén?

Câu 3. Trình bày ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thủy lực?

Câu 4. Phạm vi ứng dụng của khí nén, thủy lực trong công nghiệp?

Câu 5. Trình bày hệ thống phân phối nguồn khí nén?

Câu 6. Trình bày các loại bơm dầu trong hệ thống thủy lực?

2. Liên hệ thực tế: Tìm hiểu thiết bị khí nén và thủy lực trong hệ thống sản xuất: mía

đƣờng, sữa, dƣợc...

HƢỚNG DẪN TỰ HỌC Ở NHÀ

Tìm hiểu hệ thống cung cấp và phối khí nén thủy lực trong nhà máy công nghiệp

21

CHƢƠNG 2

PHẦN TỬ ĐƢA TÍN HIỆU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG ĐIỀU KHIỂN KHÍ

NÉN VÀ THỦY LỰC


Hiểu và nắm rõ về các phần tử đƣa tín hiệu và các phần tử xử lý tín hiệu trong hệ

thống khí nén và thủy lực

2.1. CÁC PHẦN TỬ ĐƢA TÍN HIỆU

Tín hiệu tác động và đƣa vào xử lý có thể là điện, khí nén, thủy lực. Các phần tử

đƣa tín hiệu: nút nhấn, giới hạn hành trình, công tắc, rơ le, bộ đếm, các cảm biến.

2.1.1. Phần tử không điện

2.1.1.1.Cảm biến từ trường

a) Chƣa cảm ứng b) Đã cảm ứng

1: Nam châm vĩnh cửu

Hình 2.1. cảm ứng từ trường trên piston

2.1.1.1. Cảm biến bằng tia

Cảm biến bằng tia là loại cảm biến không tiếp xúc. Nguyên tắc làm việc chỉ đối

với tín hiệu vào là dòng tia khí nén. Cảm biến bằng tia đƣợc ứng dụng ở các lĩnh vực mà

cảm biến không tiếp xúc bằng điện không đảm nhận đƣợc trong điều kiện môi trƣờng làm

việc khắt khe: nóng, có ăn mòn hóa học, ẩm ƣớt, ảnh hƣởng điện trƣờng, an toàn

cao…Với cảm biến bằng tia khí nén thì tín hiệu ra 9 sau khi cảm nhận đƣợc vật thể ) có

áp suất rất nhỏ. Do đó ta phải khuếch đại tín hiệu trƣớc khi đƣa vào xử lý điều khiển,

thƣờng ta dùng bộ khuếch đại bằng khí nén để khuếch đại. Chú ý cảm biến này chỉ dùng

với khí nén, không dùng trong thủy lực.

a. Cảm biến bằng tia rẽ nhánh

Khi không có vật cản thì dòng khí nén đƣợc phát ra từ nguồn P sẽ đi thẳng, nếu có

vật cản thì dòng khí sẽ bị rẽ nhánh qua cửa X ( hình 2.1). Áp suát của cửa tín hiệu ra X

phụ thuộc vào khoảng cách s giữa bề mặt đầu cảm biến với mặt vật cản, s càng nhỏ thì áp

suất càng lớn.

22

Hình 2.2. Cảm biến tia rẽ nhánh

b. .Cảm biến bằng tia phản hồi

Khi dòng khí nén P đi qua không có vật cản thì đầu ra tín hiệu phản hồi X = 0;có

vật cản tín hiệu X = 1. Đặc biệt cảm biến này cho tín hiệu X =1 cho cả vật dịch chuyển

theo hƣớng dọc trục của cảm biến – khoảng cách a và cả hƣớng vuông góc với trục –

khoảng cách s ( hình 2.3 )

Hình 2.3. Cảm biến tia phản hồi

2.1.1.2. Cảm biến cảm ứng từ

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cảm ứng từ đƣợc mô tả hình 2.4. Bộ tạo dao

động phát sóng tần số cao. Khi có vật cản kim loại nằm trong vùng đƣờng sức của từ

trƣờng, trong kim loại đó sẽ hình thành điện trƣờng xoáy. Vật cản càng gần cuộn cảm

ứng từ thì dòng điện xoáy trpng vật cản càng tăng, năng lƣợng bộ dao động giảm dẫn đến

biên độ của bộ dao động sẽ giảm. Qua bộ so sánh tín hiệu ra đƣợc khuếch đại. Trong

trƣờng hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận nhiệm vụ

này.

Hình 2.4. Sơ đồ mạch cảm biến từ

23

Hình 2.5 Kí hiệu cảm biến cảm ứng từ

Chức năng các khối trong cảm biến cảm ứng từ:

1. Bộ dao động

2. Bộ chỉnh tín hiệu

3. Bộ so sánh Schmitt trigơ

4. Bộ hiển thị trạng thái

5. Bộ khuếch đại

6. Điện áp ngoài

7. Ổn nguồn bên trong

8. Cuộn cảm ứng

9. Tín hiệu ra

2.1.1.3. Cảm biến điện dung

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung đƣợc mô tả hình 2.6. Bộ tạo dao

động phát tần số cao. Khi có vật cản kim loại hoặc phi kim nằm trong vùng đƣờng sức

của điện trƣờng , điện dung của tụ điện thay đổi. Nhƣ vậy tần số riêng của bộ dao động

thay đổi. qua bộ so sánh và chỉnh tín hiệu, tín hiệu ra đƣợc khuếch đại. Trƣờng hợp tín

hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận công việc này.

Hình 2.6. Sơ đồ mạch cảm biến điện dung Hình 2.7 Kí hiệu cảm biến điện dung

Chức năng các khối trong cảm biến điện dung:

1. Bộ dao động

2. Bộ chỉnh tín hiệu

3. Bộ so sánh Schmitt trigơ

24

4. Bộ hiển thị trạng thái

5. Bộ khuếch đại



8. Điện cực tụ điện

9. Tín hiệu ra

2.1.1.4. Cảm biến quang học

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang đƣợc mô tả hình 2.8, gồm 2 bộ phận:

- Bộ phận phát tia hồng ngoại

- Bộ phận thu tia hồng ngoại

Bộ phận phát sẽ phát ra tia hồng ngoại bằng điốt phát quang và khi gặp vật cản thì

tia hồng ngoại đƣợc phản xạ lại đầu thu. Ở tại bộ phận đầu thu, tia hồng ngoại đƣợc phản

hồi sẽ đƣợc xử lý, khuếch đại trƣớc khi cho tín hiệu ra.

Hình 2.8. Sơ đồ mạch cảm biến quang Hình 2.9 Kí hiệu cảm biến quang

Chức năng các khối trong cảm biến quang:

1. Bộ dao động

2. Bộ phận phát

3. Bộ phận thu

4. Khuếch đại sơ bộ

5. Xử lý logic

6. Chuyển đổi xung

7. Hiển thị trạng thái

8. Bảo vệ ngõ ra



11. Khoảng cách phát hiện

12. Tín hiệu ra

25

2.1.2. Phần tử đƣa tín hiệu

2.1.2.1. Nút nhấn:

Hình 2.10 Tín hiệu khí nén – thủy lực (NC)

Hình 2.11 Tín hiệu khí nén – thủy lực (NO)

Hình 2.12 Tín hiệu điện (NO và NC)

2.1.2.2. Công tắc

Hình 2.13 Công tắc khí nén – thủy lực

2.1.2.3. Giới hạn hành trình

Hình 2.13 Giới hạn hành trình khí nén – thủy lực

26

Hình 2.14 Giới hạn hành trình điện

2.2. CÁC PHẦN TỬ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN

2.2.1. Phần tử YES

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử YES đƣợc trình bày hình 2.15

a) Kí hiệu điện b) Kí hiệu Logic

c) Kí hiệu kết cấu thủy lực-khí nén d) Bảng chân lý

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

e) Sơ đồ trạng thái

Hình 2.15 Phần tử logic YES

27

2.2.2. Phần tử NOT

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử NOT đƣợc trình bày hình 2.16

a) Kí hiệu điện b) Kí hiệu logic

c)Kí hiệu thủy lực – khí nén d) Kí hiệu kết cấu thủy lực – khí nén

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

e) Sơ đồ trạng thái

f) Bảng chân lý

Hình 2.16 Phần tử logic NOT

28

2.2.3. Phần tử OR

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử OR đƣợc trình bày hình 2.17

Kí hiệu điện

Kí hiệu logic

Kí hiệu kết cấu phần tử OR

Kí hiệu thủy lực – khí nén

Sơ đồ trạng thái tín hiệu vào, ra của phần

tử OR

Bảng chân lý phần tử OR

Hình 2.17 Phần tử logic OR

2.2.4. Phần tử AND

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử AND đƣợc trình bày hình 2.18

29

Kí hiệu điện phần tử AND

Kí hiệu logic

Kết cấu thủy lực – khí nén

Kí hiệu thủy lực – khí nén

Sơ đồ trạng thái tín hiệu vào, ra của phần

tử AND

Bảng chân lý phần tử AND

Hình 2.18 Phần tử logic AND

2.2.5. Phần tử NAND

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử AND đƣợc trình bày hình 2.19

a) Kí hiệu điện

b) Kí hiệu logic

30

a) Kí hiệu thủy lực – khí nén

b) Sơ đồ trạng thái tín hiệu vào, ra của

phần tử NAND

c) Bảng chân lý

Hình 2.19 Phần tử logic NAND

2.2.6. Phần tử NOR

Sơ đồ mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử NOR đƣợc trình bày hình 2.20

a) Kí hiệu điên

b) Kí hiệu logic

c) Kí hiệu khí nén – thủy lực

d)Sơ đồ trạng thái tín hiệu vào, ra của

31

phần tử NOR

Bảng chân lý phần tử NOR

Hình 2.20 Phần tử logic NOR

2.2.7. Phần tử nhớ Flip-Flop

Hình 2.21 phần tử nhứ Fip – Flop, nguyên lý khi tín hiệu vào dƣới dạng xung bị

mất thì tín hiệu ra cũng mất luôn. Phần tử này có nhiệm vụ nhớ, có nghĩa là tín

hiệu ra vẫn đƣợc duy trì cho dù tín hiệu không còn nữa. Hình 2.21 trình bày sơ đồ

mạch, bảng chân lý, kí hiệu của phần tử nhớ 2 cổng vào và một cổng ra.

a) Kí hiệu điện

b)Kí hiệu logic

c) Kí hiệu thủy lực – khí nén

d) Sơ đồ trạng thái tín hiệu vào, ra của

phần tử nhớ Flip-Flop

e) Bảng chân lý phần tử nhớ Flip-

Hình 2.21 Phần tử nhớ Flip-Flop

32

Flop

2.2.8. Phần tử thời gian

- Phần tử thời gian mở trễ theo chiều dƣơng: biểu đồ thời gian và kí hiệu mô tả nhƣ

hình 2.22


b)Biểu đồ thời gian

Hình 2.22 Phần tử thời gian mở trễ theo chiều dương

- Phần tử thời gian ngắt trễ theo chiều dƣơng: biểu đồ thời gian và kí hiệu mô tả nhƣ

hình 2.23


b) Biểu đồ thời gian

Hình 2.23 Phần tử thời gian ngắt trễ theo chiều dương

- Phần tử thời gian ngắt trễ theo chiều âm: biểu đồ thời gian và kí hiệu mô tả nhƣ

hình 2.23


b)Biểu đồ thời gian

Hình 2.23 Phần tử thời gian ngắt trễ theo chiều âm

33


1.Nội dung thảo luận 1 : Các phần tử đƣa tín hiệu trong hệ thống điều khiển điện

khí nén và thủy lực.

2.Nội dung thảo luận 2 : Các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển trong hệ thống khí

nén và thủy lực.

TÓM TẮT NỘI DUNG CỐT LÕI

Hiểu rõ các phần tử đƣa tín hiệu và các phần tử xử lý tín hiệu trong hệ thống điều

khiển khí nén và thủy lực

CÂU HỎI ÔN TẬP, ỨNG DỤNG THỰC TẾ

1.Câu hỏi ôn tập chương 2

Câu 1. Trình bày phần tử đƣa tín hiệu không điện trong khí nén và thủy lực ?

Câu 2. Trình bày phần tử đƣa tín hiệu điện trong khí nén và thủy lực ?

Câu 3. Trình bày phần tử logic AND trong khí nén và thủy lực ?

Câu 4. Trình bày phần tử logic OR trong khí nén và thủy lực ?

Câu 5. Trình bày phần tử logic NAND trong khí nén và thủy lực ?

Câu 6. Trình bày phần tử logic NOR trong khí nén và thủy lực ?

2.Câu hỏi liên hệ thực tế : Tìm hiểu các phần tử xử lý tín hiệu trong hệ thống máy đúc

khuôn.


Tìm hiểu các bộ điều khiển logic khí nén thủy lực trong hệ thống máy cán tôn tự

động

34

CHƢƠNG 3

CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN VÀ

THỦY LỰC


Hiểu và nắm rõ xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh quay, xi lanh từ

và động cơ bánh răng, động cơ piston, động cơ cánh gạt trong hệ thống khí nén và thủy

lực.

3.1. XI LANH

3.1.1. Xi lanh tác động đơn.

Xi lanh tác động đơn chỉ đƣợc cung cấp khí nén từ một phía do đó chỉ tạo ra hành

trình làm việc theo một chiều. Hành trình ngƣợc lại của Piston đƣợc thực hiện bởi lò xo.

Việc xác định kích cỡ lò xo tùy thuộc kiểu có thể đƣa Piston đi (hay về) vị trí khởi động một

cách nhanh chóng.

Hình 3.1. Xi lanh tác động đơn (loại piston).

- Trong xi lanh có lò xo hồi vị, hành trình của Piston là một hàm theo chiều dài của lò

xo. Thông thƣờng hành trình này không quá 100 mm.

- Loại này đƣợc sử dụng cho các công việc đơn giản: đẩy vào, đẩy ra, nâng lên, đƣa chi

tiết vào, cung cấp chuyển động ...

- Độ kín khít đƣợc bảo đảm bởi vật liệu nhựa dẻo hoặc vật liệu mềm đƣợc lắp vào

trong một Piston kim loại. Chuyển động ở mép Piston là chuyển động trƣợt kín trong

bề mặt trụ của xi lanh.

- Thứ hai là loại xi lanh mà lò xo thực hiện hành trình làm việc, còn khí nén thực hiện

hành trình ngƣợc lại. Thƣờng trong trƣờng hợp này ngƣời ta sử dụng khí nén để

dừng, hãm (xe tải, xe con, toa xe) để bảo đảm sự chắc chắn phanh hãm.

Xi lanh kiểu màng

Màng có thể là cao su, nhựa dẻo hay cũng có thể bằng kim loại, đảm nhận vai trò của

Piston. Cần Piston đƣợc cố định ở trung tâm của màng, không có đệm kín. Hành trình về

đƣợc thực hiện bởi tính đàn hồi của vật liệu màng

35

Hình 3.2. Xi lanh tác động đơn (loại màng).

3.1.2. Xi lanh tác động kép.

Hành trình đi và về của Piston đều có tác động bởi khí nén. Sử dụng trong trƣờng hợp

đòi hỏi phải có chuyển động hai chiều có điều khiển. Độ kín giữa xi lanh và Piston đƣợc bảo

đảm nhờ có các đệm ở mép Piston hoặc của màng.

Hình 3.3. Xi lanh tác động kép (loại không có giảm chấn).

a. Xi lanh có giảm chấn ở cuối hành trình.

Thực chất của việc giảm chấn cho Piston ở cuối hành trình là sự bố trí đƣờng thoát

bằng van một chiều có tiết lƣu.

Ở đây khối dẫn hƣớng đóng vai trò quan trọng. Để tránh va đập có thể dẫn tới hƣ

hỏng, ngƣời ta lắp một bộ phận giảm chấn điều chỉnh đƣợc ở cuối hành trình của xi lanh.

Cần có bộ phận này bởi vì Piston phải đƣợc giảm chấn một cách đáng kể khi nó đến cuối

hành trình. Bộ phận giảm chấn có một đƣờng thoát khí nhỏ có thể điều chỉnh đƣợc, tạo ra

hiệu ứng giảm chấn.

Hình 3.4. Xi lanh tác động kép có giảm chấn hai đầu.

36

Khí đƣợc tích chứa trong phần cuối buồng chứa của xi lanh sau mỗi lần nén. Lúc bấy

giờ áp suất dƣ phát sinh sẽ thoát qua van tiết lƣu và hiệu ứng giảm chấn bắt đầu xảy ra (do

phải đi qua tiết diện hẹp). Sự nén này của khí qua đƣờng tiết lƣu bổ sung thêm cho việc hấp

thụ một phần năng lƣợng, Piston hãm chuyển động và đi tới chậm dần cho tới cuối hành

trình. ở hành trình ngƣợc lại tiếp theo sau thì vì tiết lƣu là một chiều nên Piston chuyển động

không bị hãm.

Ngoài ra còn có các kiểu giảm chấn khác:

+ Giảm chấn không điều chỉnh đƣợc, ở hai phía

+ Giảm chấn không điều chỉnh đƣợc, ở một phía

+ Giảm chấn điều chỉnh đƣợc, ở một phía của Piston.

b. Xi lanh kép nối nhau.

Hình 3.5. Xi lanh kép nối nhau (tandem).

Với xi lanh này có lực tác động lên cán Piston là lực tổng của cả 2 xi lanh.

c. Xi lanh kép hai đầu đòn.

Hình 3.6. Xi lanh kép hai đầu đòn, có giảm chấn hai đầu, điều chỉnh được.

3.1.3. Xi lanh bƣớc (nhiều vị trí).

Xi lanh bƣớc này tạo ra đƣợc nhiều vị trí dịch chuyển. Cấu tạo bao gồm 2 xi lanh kép

nối với nhau. Bằng cách cấp khí vào các cửa mà ta co các vị trí khác nhau của Piston.

37

Hình 3.7. Xi lanh bước.

3.1.4. Xi lanh va đập

Hình 3.8 xi lanh va đập, nguyên lý lực tác dụng của xi lanh khí nén bị hạn chế. Vì vậy

ngƣời ta sử dụng một loại xi lanh có thể sinh ra lực lớn, đó là xi lanh va đập. Loại này tăng

vận tốc của Piston lên cao khoảng 7,5 m/s đến 10,5 m/s.

Hình 3.8. Xi lanh va đập

Khi khí nén đƣợc cấp vào khoang A nó sẽ tác dụng lên diện tích Piston C làm cho

Piston dịch chuyển theo chiều Z. Khi Piston dịch chuyển van C mở ra và khí nén tác dụng

vào toàn bộ đỉnh Piston sinh ra lực lớn.

3.1.5. Xi lanh quay.

Nguyên lý tạo chuyển động quay nhờ bánh răng thanh răng, góc quay có thể là: 900;

1800; 360

0. Thông thƣờng nó đƣợc dùng để dẫn động các đĩa hút chân không kẹp giữ chi tiết

hoặc hút chi tiết.

38

Hình 3.9. Xi lanh quay.

3.1.6. Xi lanh băng đai.

Loại này sử dụng băng đai và bàn trƣợt, thông qua chuyển động của Piston sẽ kéo

băng đai làm cho bàn trƣợt chuyển động qua lại. Một số xi lanh loại này có thể phanh tại

một vị trí nhất định nào đó nhờ cơ cấu phanh.

Hình 3.10. Xi lanh băng đai.

3.1.7. Xi lanh từ.

Với loại xi lanh này bàn trƣợt gắn ở phía ngoài và liên động với Piston bên trong nhờ

lực từ của nam châm.

Hình 3.11. Xi lanh từ (dùng ly hợp nam châm).

* Tính toán xi lanh.

- Tính lực đẩy của xi lanh.

Lực đẩy phát sinh khi xi lanh hoạt động phụ thuộc vào nguồn áp suất, đƣờng kính

xilanh và lực ma sát của các đệm.

* Lực đẩy lý thuyết được xác định theo công thức sau:

pAFlt

. ( 3.1)

Trong đó:

Flt - Lực đẩy lý thuyết (N)

A - Diện tích bề mặt làm việc của Piston (m2) A = .D

2/4

39

p - Áp suất cung cấp (Pa)

Thực tế, lực đẩy lý thuyết có sai số so với lực đẩy thật. Để xác định lực đẩy thật, cần

tính đến các sai số do sức cản, ma sát. Trong các điều kiện làm việc bình thƣờng (phạm vi áp

suất 400 – 800 kPa, 4 – 8 bar), có thể giả định lực ma sát bằng 10% lực lý thuyết.

* Lực đẩy thực tế nhƣ sau:

+ Xi lanh tác động đơn:

)().(lxmstt

FFpAF (3.2)

+ Xi lanh tác động kép:

- Hành trình thuận: msR

FpAF ).(

- Hành trình ngƣợc: msV

FpAF )'.(

Trong đó:

A‟ - Bề mặt làm việc của Piston, phía cán (m2): A = .(D

2 – d

2)/4

Fms - Lực ma sát, bằng 10% Flt (N)

Flx - Lực phản hồi của lò xo (lực lò xo) (N)

D - Đƣờng kính xi lanh (m)

d - Đƣờng kính cán Piston (m).

- Ví dụ tính toán:

Các số liệu ban đầu: D = 50 mm; d = 12 mm; Fms 10%; P = 6 bar.

Tính toán:

- Tiết diện làm việc của Piston:

A = 3,1416.52/4 = 19,625 (cm

2)

- Tiết diện bề mặt làm việc của Piston phía có cần:

A‟ = 3,1416.(52 – 1,2

2)/4 = 18,5 cm

2

- Lực đẩy lý thuyết hành trình tới:

Flt = 19,625.104 (m

2). 6.10

5 (N/m

2) = 1177,5 N

Lực ma sát: Fms = 117,75 N

- Lực đẩy thực tế của hành trình tới (thuận):

Ftt = 1177,5 – 117,75 = 1060 (N)

- Lực đẩy lý thuyết của hành trình về (ngƣợc):

Fth = A‟.P = 18,5.104(m

2).6.10

5 (N/m

2) = 1110 N

Lực ma sát: Fms = 111 N

- Lực đẩy thực tế của hành trình về (nghịch):

Ftt = A.P.FR = 18,5.104.6.10

5 – 111 = 999 N.

40

Thông thƣờng ngƣời ta có thể xác định lực đẩy của Piston thông qua biểu đồ quan hệ

sau:

Hình 4.12. Biểu đồ xác định lực đầy của Piston.

- Độ dài của hành trình:

Độ dài hành trình của một xi lanh khí nén thƣờng không quá 2m. Khi hành trình quá

dài, đƣờng kính xi lanh quá lớn thì việc ứng dụng khí nén sẽ không kinh tế. Khi hành trình

vƣợt quá một giới hạn nhất định, độ mỏi cơ học của trục Piston và của bạc sẽ giảm quá độ.

Để tránh mọi nguy cơ xảy ra uốn dọc, ngƣời ta tăng đƣờng kính của cần Piston lên khi hành

trình dài, vả lại hành trình dài làm tăng khoảng cách giữa các cửa nhờ đó cải thiện tính dẫn

hƣớng của cần.

Hình 3.13. Biểu đồ quan hệ giữa các thông số của cán Piston và lực đẩy.

- Vận tốc của Piston xilanh khí nén.

41

Tốc độ của một Piston xi lanh khí nén là một hàm của sức cản, áp suất khí, chiều dài

mạng phân phối, tiết diện trong của các cơ cấu phân phối điều khiển và các thiết bị làm việc,

lƣu lƣợng của các bộ phân phối điều khiển. Ngoài ra, tốc độ còn bị ảnh hƣởng bởi giảm chấn

ở cuối hành trình.

Vận tốc trung bình của Piston thay đổi trong phạm vi từ 0,1 đến 1,5 m/s. Với các

xilanh đặc biệt có thể đạt tới 10 m/s.

Có thể điều chỉnh đƣợc vận tốc của Piston nhờ có các loại van đặc biệt nhƣ van một

chiều có tiết lƣu hay van thoát khí nhanh (van xả nhanh).

- Lượng tiêu thụ không khí nén.

Việc chuẩn bị một lƣợng không khí cần thiết hay thống kê sự tổn hao năng lƣợng khí

nén đúng với lƣợng không khí đã chuẩn bị là một việc quan trọng.

Với một áp suất cung cấp xác định, đƣờng kính Piston và hành trình cho trƣớc, sự tiêu

thụ không khí có thể đƣợc tính nhƣ sau:

Lƣợng khí nén tiêu thụ = Tỷ số nén Tiết diện bề mặt làm việc Piston

Hành trình số hành trình trên phút

0

0

p

pp.n.S.AQ

d += (l/ph) (3.3)

Trong đó tỷ số nén đƣợc tính theo công thức sau:

3,101

)(3,101)(0

0

0kPap

p

kPappd

Trong đó:

Q : Lƣợng khí tiêu thụ trên phút (l/ph , 1 lít = 1000 cm3).

Pd: Áp suất dƣ của không khí (trạng thái chuẩn vật lý T = 273,15K

= 00C, p =101,325 Pa = 101325 N/m

2 = 1,01325 bar).

S: Hành trình của Piston (cm)

n: Số hành trình dịch chuyển trên phút (lần /ph).

- Ví dụ: Một xi lanh đơn, có đƣờng kính D = 50 mm và hành trình là 120mm đƣợc

hoạt động với áp suất là 6 bar trong 100 hành trình. Hãy xác định lƣợng khí tiêu thụ

của xi lanh.

Giải: D = 50mm = 5 cm.

S = 120 mm = 12 cm.

Pd = 6 bar.

n = 100 lần

Áp dụng công thức ta có:

42

bar

barbarcm

cmQ

1

16.100.12.

4

)(5.14,3 2

phlphcm /165/6,164933 3

Thông thƣờng trong tính toán nếu không cần độ chính xác cao lắm ngƣời ta dùng

phƣơng pháp xác định bằng biểu đồ.

Với xi lanh đơn: q.n.SQ=

Với xi lanh kép: q.n.S.Q 2=

Trong đó:

q - Lượng tiêu thụ riêng trên một cm hành trình (l/cm), nó được tra

bảng hoặc đồ thị.

Hình 3.14. Biểu đồ xác định lượng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q.

Bảng 2: Lƣợng tiêu thụ khí riêng của xi lanh q.

Đƣờng kính xilanh

Áp suất dƣ (bar)

4 6 8

Lƣợng tiêu thụ khí riêng q (l/cm)

12 0,006 0,008 0,01

25 0,024 0,033 0,043

35 0,047 0,066 0,084

50 0,096 0,14 0,18

70 0,19 0,26 0,34

100 0,39 0,54 0,69

43

3.2. ĐỘNG CƠ

Động cơ khí nén chuyển đổi năng lƣợng khí nén thành chuyển động quay cơ học, có

thể thực hiện một chuyển động quay không hạn chế góc quay và đƣợc sử dụng nhƣ một thiết

bị khí nén.

Đặc điểm của động cơ khí nén:

- Có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ quay

- Kích thƣớc choán chỗ nhỏ

- Không bị ảnh hƣởng bởi bụi, hơi nƣớc, nóng lạnh ...

- Chống cháy nổ tốt

- Dải tốc độ rộng

- Không đòi hỏi bảo quản chu đáo

- Quay đƣợc hai chiều thuận nghịch.

Theo cấu tạo ngƣời ta phân thành các thiết bị sau:

- Động cơ kiểu bánh răng

- Động cơ kiểu Piston

- Động cơ kiểu cánh gạt

- Động cơ kiểu turbin

3.2.1. Động cơ kiểu bánh răng.

Có tốc độ quay lớn nhất khoảng 5000 v/ph. Đối với kiểu động cơ này, cặp ngẫu lực

quay phát sinh khi áp suất của khí nén tác động trên bề mặt của hai bánh răng ăn khớp nhau.

Bánh răng dẫn đƣợc bắt chặt với trục động cơ. Động cơ bánh răng cho phép đạt công suất

khá cao, tới 44 kW (60 hp).

Hình 3.15. Động cơ khí nén kiểu bánh răng.

Động cơ bánh răng răng thẳng: Mô men quay đƣợc tạo ra bởi áp suất khí nén lên

mặt bên răng, ống thải khí đƣợc thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng ồn.

Động cơ bánh răng răng nghiêng: Nguyên lí hoạt động nhƣ động cơ bánh răng

thẳng, điểm chú ý là ổ lăn phải chọn để khử đƣợc lực hƣớng trục và lực dọc trục.

Động cơ bánh răng chữ V: Có ƣu điểm là giảm đƣợc tiếng ồn.

44

3.2.2. Động cơ kiểu Piston

Khí nén dẫn động các cơ cấu trung gian của những Piston nhờ chuyển động qua lại

của Piston. Cơ cấu trung gian là một thanh truyền và trục khuỷu. Cần có nhiều xi lanh để

đảm bảo một hành trình không thay đổi. Công suất của động cơ phụ thuộc vào áp suất cung

cấp từ bên ngoài, phụ thuộc vào các bề mặt làm việc, các khoảng chạy và vận tốc của các

Piston thông thƣờng 1,5 đến 19kW (2 đến 25 hp).

Hình 3.16. Động cơ khí nén kiểu Piston.

3.2.3. Động cơ kiểu cánh gạt

Do cấu trúc và trọng lƣợng nhỏ gọn nên động cơ

kiểu cánh gạt đƣợc dùng nhiều trong các thiết bị cầm tay

(hand tools).

Không khí nén đƣợc dẫn vào động cơ qua đƣờng

vào, dƣới tác động của áp suất sẽ tác động lên các cánh

làm cho roto quay. Khí nén sau khi sinh công đƣợc thải

tại đƣờng ra.

Để động cơ có thể khởi động đƣợc, cánh gạt phải

ép sát vào thành roto nên một số động cơ có thiết kế

thêm lò xo đẩy để cánh gạt tiếp xúc tốt với vách.

Tốc độ roto khoảng từ 3000 đến 8500 v/ph và công suất từ 0,1 đến 17 kW (0,14 đến

24 hp).

3.2.4. Động cơ turbine

Động cơ turbine hoạt động theo nguyên lý

chuyển đổi động năng của dòng khí nén qua vòi phun

thành năng lƣợng cơ học. Tốc độ của loại động cơ này

rất cao, nhiều khi lên đến 500000 v/ph.

Tùy theo hƣớng của dòng khí đi vào động cơ mà

đó đƣợc phân thành các loại: Động cơ hướng trục, dọc

trục, tiếp tuyến ...

Hình 3.17. Động cơ cánh

gạt gat

Hình 3.18. Động cơ turbine

tuabine.

45


1.Nội dung thảo luận 1 : Cấu tạo, kí hiệu và nguyên lý xi lanh tác động đơn, xi

lanh tác động kép, xy lanh quay và xi lanh từ.

2.Nội dung thảo luận 2 : Cấu tạo, nguyên lý các động cơ kiểu piston, cánh gạt,

bánh răng trong hệ thống khí nén và thủy lực


Hiểu và nắm rõ các xi lanh tác động đơn, tác động kép, xi lanh quay, xi lanh kẹp

và các động cơ piston, động cơ cánh gạt, động cơ bánh răng trong hệ thống khí nén và

thủy lực


1.Câu hỏi ôn tập chương 3

Câu 1. Trình bày cấu tạo, kí hiệu và nguyên lý xi lanh tác động đơn ?

Câu 2. Trình bày cấu tạo, kí hiệu và nguyên lý xi lanh tác động kép?

Câu 3. Trình bày cấu tạo, kí hiệu và nguyên lý xi lanh quay?

Câu 4. Trình bày cấu tạo, kí hiệu và nguyên lý xi lanh từ?

Câu 5. Trình bày cấu tạo và nguyên lý động cơ kiểu piston trong khí nén và thủy lực?

Câu 6. Trình bày cấu tạo và nguyên lý động cơ kiểu cánh gạt trong khí nén và thủy lực?

2.Câu hỏi liên hệ thực tế : Tìm hiểu xi lanh tác động hai chiều và bơm dầu kiểu piston

trong hệ thống máy đúc áp lực.


Tìm hiểu thêm về các loại xi lanh quay, xi lanh kẹp và ứng dụng các loại xi lanh này

trong hệ thống máy khí nén thủy lực

46

CHƢƠNG 4

CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU CHỈNH VÀ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG KHÍ NÉN

VÀ THỦY LỰC


- Hiểu rõ các phần tử điều chỉnh trong hệ thống khí nén và thủy lực: van an

toàn, van tràn, van điều chỉnh áp suất, rơ le áp suất...

- Hiểu và nắm rõ các phần tử điều khiển trong hệ thống khí nén và thủy lực:

van một chiều, van đảo chiều.

4.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Trong hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực, ngoài cơ cấu biến đổi năng lƣợng,

phần tử đƣa tín hiệu và xử lý tín hiệu ra, còn có nhiều cơ cấu điều khiển và điều chỉnh

làm các nhiệm vụ khác nhau. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của hệ thống mà các cơ cấu này

chia ra làm 3 loại chủ yếu:

- Cơ cấu chỉnh áp.

- Cơ cấu chỉnh lƣu lƣợng.

- Cơ cấu chỉnh hƣớng.

4.2. CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU CHỈNH

Cơ cấu chỉnh áp dùng để điều chỉnh áp suất, có thể cố định hoặc tăng giảm trị số

áp suất trong hệ thống truyền động khí nén và thủy lực. Cơ cấu chỉnh áp có các loại phần

tử sau:

4.2.1. Van an toàn

Hình 4.1 kí hiệu an toàn, van an toàn có nhiệm vụ giữ áp suất lớn nhất mà hệ

thống có thể tải. Khi áp suất lớn hơn áp suất cho phép của hệ thống thì dòng áp suất lƣu

chất sẽ thắng lực lò xo, và lƣu chất sẽ theo cửa T ra ngoài không khí nếu là khí nén, còn

là dầu thì sẽ chảy về lại thùng chứa dầu (hình 2.1)

a)Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.1. Cấu tạo và kí hiệu van an toàn

47

4.2.2. Van tràn

Nguyên tắc hoạt động của van tràn tƣơng tự nhƣ van an toàn. Chỉ khác ở chỗ khi

áp suất cửa P đạt đến giá trị xác định, thì cửa P nối cửa A, nối với hệ thống điều khiển

(hình 2.2)

Hình 4.2. Kí hiệu van tràn

4.2.3. Van điều chỉnh áp suất (van giảm áp)

Trong một hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực một bơm tạo năng lƣợng phải

cung cấp năng lƣợng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau. Trong trƣờng hợp

này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt trƣớc cơ cấu

chấp hành để giảm áp suất đến một trị số cần thiết.

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.3. Cấu tạo và kí hiệu van điều chỉnh áp suất

4.2.4. Rơ le áp suất

Rơ le áp suất thƣờng dùng trong hệ thống kí nén thủy lực của các máy tự động và

bán tự động. Phần tử này đƣợc dùng nhƣ một cơ cấu phòng quá tải, tức là có nhiệm vụ

đóng hoặc mở các công tắc điện, khi áp suất trong hệ thống vƣợt quá giới hạn nhất định

và đo đó làm ngƣng hoạt động của hệ thống. Vì đặc điểm đó nên phạm vi sử dụng của rơ

le áp suất đƣợc dùng rất rộng rãi, nhất là trong phạm vi điều khiển.

Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và kí hiệu của rơ le áp suất nhƣ hình 4.4

Trong điều khiển điện – khí nén rơ le áp suất có thể coi là phần tử chuyển đổi tín

hiệu khí nén – điện. Trong thủy lực nó là phần tử chuyển đổi tín hiệu dầu – điện.

48

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.4. Cấu tạo và kí hiệu rơ le áp suất

4.2.5. Van tiết lƣu

Cơ cấu chỉnh lƣu lƣợng để xác định lƣợng lƣu chất chảy qua nó trong một đơn vị

thời gian và nhƣ vậy sẽ làm thay đổi vận tốc dịch chuyển của cơ cấu chấp hành trong hệ

thống lƣu chất làm việc với bơm tạo năng lƣợng với lƣu lƣợng cố định.

Van tiết lƣu điều chỉnh lƣu lƣợng lƣu chất. Van tiết lƣu thƣờng đặt ở đƣờng ống

vào hoặc đƣờng ống ra của cơ cấu chấp hành.

a. Van tiết lƣu có tiết diện không thay đổi

Lƣu lƣợng dòng chảy qua khe hở của van có tiết diện không thay đổi nhƣ hình 4.5

Hình 4.5. Kí hiệu van tiết lưu có tiết diện không thay đổi

b. Van tiết lƣu có tiết diện thay đổi

Van tiết lƣu có tiết diện thay đổi điều chỉnh dòng lƣu lƣợng qua van hình 4.6.

Nguyên lý hoạt động của van tiết lƣu đƣợc cả hai chiều, dòng lƣu chất đi từ A

qua B và ngƣợc lại.

a) Cấu tạo

b)Kí hiệu

Hình 4.6. Cấu tạo và kí hiệu van tiết lưu có tiết diện thay đổi (tiết lưu 2 chiều)

49

4.2.6. Van tiết lƣu một chiều điều chỉnh bằng tay

Hình 4.7 nguyên lý và kí hiệu van tiết lƣu một chiều điều chỉnh bằng tay. Dòng

lƣu chất sẽ đi từ A qua B còn chiều ngƣợc lại thì van một chiều bị mở ra dƣới tác dụng

của áp suất dòng lƣu chất, do đó chiều này không đảm bảo đƣợc tiết lƣu.

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.7.Cấu tạo và kí hiệu van tiết lưu 1 chiều

4.2.7. Van chân không

Van chân không có nhiệm vụ tạo ra chân không cung cấp cho đĩa hút chân không

để hút và giữa chi tiết.

Van chân không thƣờng dùng là loại tạo chân không bằng họng khuếch tán (theo

nguyên lý dùng ống Ventury). Khi không khí đi qua tiết diện hẹp thì tại đó vận tốc của

dòng khí tăng lên, tại tiết diện hẹp đó sẽ tạo ra độ chân không.

a) Hình ảnh thực tế van chân không

b) Kí hiệu

Hình 4.8.Hình ảnh và kí hiệu van chân không

4.2.8. Van điều chỉnh thời gian (Delay)

Đây là tổ hợp của van điều khiển 3/2 bằng khí nén, van tiết lƣu một chiều và một

bình chứa khí nhỏ. Thời gian có tác dụng thông thƣờng trong khoảng từ 0 đến 30 giây.

a. Van thời gian thƣờng đóng hình 4.9

50

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.9.Cấu tạo và kí hiệu van thời gian thường đóng

Nguyên lý hoạt động:

Nguồn khí nén cung cấp cho van qua cửa 1 (P). Dòng khí điều khiển qua cửa vào 12

(Z) đi qua van tiết lƣu một chiều, tùy theo sự điều chỉnh của vít tiết lƣu mà sẽ làm tăng

thêm hay giảm bớt một lƣợng khí vào trong bình chứa nhỏ. Khi áp suất điều khiển trong

bình chứa đạt đủ độ lớn cần thiết nó sẽ tác động đẩy con trƣợt đi xuống làm đóng kín sự

liên thông từ 2 (A) đến 3 (R). Lúc này bề mặt tựa của van đƣợc mở ra và khí nén có thể

đi từ 1 (P) sang 1 (A). Khoảng thời gian cần để thiết lập áp suất trong bình chứa có tác

dụng làm chậm trễ sự điều khiển của van phân phối 3/2. Bộ làm trễ bắt đầu lại ở vị trí ban

đầu khi cửa điều khiển 12 (Z) trở thành cửa thoát khí, khí nén sẽ đƣợc thoát từ bình chứa

một cách tự do qua van tiết lƣu một chiều và đƣờng thoát của van 3/2 lại có tín hiệu. Lực

lò xo sẽ đẩy con trƣợt đi lên đóng kín cửa 1 (P), nối 2 (A) với 3 (R).

a. Van thời gian thƣờng mở hình 4.10

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.9.Cấu tạo và kí hiệu van thời gian thường mở

Nguyên lý hoạt động:

Giống nhƣ trên, khí nén điều khiển đi vào cửa 1 vào bình chứa. Khi áp suất trong

bình đạt đủ mức cần thiết, van 3/2 đƣợc chỉnh lƣu, đóng kín đƣờng 1 sang 2 và nối

51

đƣờng làm việc 2 đƣợc thông sang 3. Sự trễ tƣơng ứng với thời gian thiết lập đủ áp suất

trong bình. Khi cắt nguồn khí điều khiển tác động vào cửa 12, bộ làm trễ bắt đầu lại ở

vị trí ban đầu.

Ví dụ mạch điều khiển trễ theo thời gian hình 4.11

Hình 4.11. Mạch điều khiển trễ theo thời gian

4.3. CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN

Cơ cấu điều khiển là loại cơ cấu dùng để đóng, mở, nối liền hoặc ngăn cách các

đƣờng dẫn dầu, khí về những bộ phận tƣơng ứng của hệ thống khí nén thủy lực. Cơ cấu

điều khiển thƣờng dùng các loại sau:

4.3.1. Van một chiều

Van một chiều (hình 4.12) dùng để điều khiển dòng năng lƣợng đi theo một

hƣớng, hƣớng còn lại dòng năng lƣợng bị chặn lại. Trong hệ thống điều khiển khí nén

thủy lực van một chiều thƣờng đặt ở nhiều vị trí khác nhau tùy thuộc vào những mục đích

khác nhau.

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.12. Cấu tạo và kí hiệu van một chiều

4.3.2. Van đảo chiều

Van đảo chiều là cơ cấu chỉnh hƣớng có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lƣợng đi

qua van chủ yếu bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hƣớng của dòng

năng lƣợng. Các thành phần van đảo chiều đƣợc mô tả nhƣ hình 4.13

52

Van chỉnh

hướng

Tín hiệu

tác động

Cửa năng lượng vào cơ

cấu chấp hành

Cửa xả Nguồn năng

lượng

Hình 4.13. Các thành phần van đảo chiều

a. Tín hiệu tác động van đảo chiều

Nếu kí hiệu lò xo nằm ngay phía bên phải của kí hiệu van đảo chiều, thì van đảo

chiều đó có vị trí “không”, vị trí đó là ô vuông nằm bên phải của kí hiệu van đảo chiều và

đƣợc kí hiệu là “0”. Điều đó có nghĩa là chừng nào chƣa có lực tác động vào pít tông

trƣợt trong lòng van, thì lò xo tác động vẫn giữ ở vị trí đó. Tác động vào làm thay đổi

trực tiếp hay gián tiếp pít tông trƣợt là các tín hiệu sau (hình 4.14)

Tác động bằng tay

Nút nhấn

Nút nhấn tổng quát

Tay gạt

Bàn đạp

Tác động bằng cơ

Đầu dò

Cữ chặn bằng con lăn tác động 2 chiều

Cữ chặn bằng con lăn tác động 1 chiều

Lò xo

53

Tác động bằng khí và dầu

Trực tiếp bằng dòng khí – dầu vào

Trực tiếp bằng dòng khí – dầu ra

Gián tiếp bằng dòng khí – dầu vào qua van

phụ

Gián tiếp bằng dòng khí – dầu ra qua van

phụ

Tác động bằng điện

Trực tiếp

Bằng nam châm điện và van phụ trợ

Hình 4.14. Tín hiệu tác động

b. Kí hiệu van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiều dạng khác nhau, nhƣng dựa vào đặc điểm chung là số

cửa, số vị trí và số tín hiệu tác động để phân biệt chúng với nhau (hình 4.15)

- Số vị trí: là số chỗ định vị con trƣợt của van. Thông thƣờng van đảo chiều có 2

hoặc 3 vị trí, ở những trƣờng hợp đặc biệt thì có nhiều hơn.

Thƣờng kí hiệu: bằng các chữ cái o, a, b... hoặc các con số 0, 1, 2...

- Số cửa (đƣờng): Là số lỗ để dẫn khí hoặc dầu vào hay ra. Số cửa van đảo chiều

thƣờng dùng là 2, 3,4,5...đôi khi có thể nhiều hơn

Thƣờng kí hiệu: Cửa nối với nguồn: P hoặc 1

Cửa nối làm việc: A, B, C hoặc 2, 4

Cửa xả lƣu chất: R, S, T hoặc 3, 5

- Số tín hiệu: Là tín hiệu kích thích con trƣợt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác có

thể là 1 hoặc 2

Thƣờng kí hiệu: X, Y hoặc 12, 14

Hình 4.15. Kí hiệu van đảo chiều

54

Một số van đảo chiều thông dụng

Van có tác động bằng cơ – lò xo lên nòng van và kí hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên

phải của kí hiệu van ta gọi đó là vị trí “không”. Tác động tín hiệu lên phía đối diện nòng

van (ô vuông phía bên trái kí hiệu van) có thể là tín hiệu bằng cơ, khí nén, dầu hay điện.

Khi chƣa có tín hiệu tác động lên phía bên trái nòng van thì lúc này tất cả các cửa nối của

van đang ở vị trí ô vuoobg nằm bên phải, trƣờng hợp có giá trị đối với van đảo chiều hai

vị trí. Đối với van 3 vị trí thì vị trí “không” nằm ở ô giữa.

- Van đảo chiều 2/2: Hình 4.16 là van 2/2 có 2 cửa nối P và A, 2 vị trí 0 và 1. Vị trí

0 cửa P và cửa A bị chặn. Nếu có tín hiệu tác động vào, thì vị trí 0 sẽ chuyển sang

vị trí 1, nhƣ vậy cửa P và cửa A nối thông với nhau. Nếu tín hiệu không còn tác

động nữa, thì van sẽ chuyển từ vị trí 1 về vị trí 0 ban đầu, vị tí “không” bằng lực

nén lò xo.

a) Cấu tạo

b) Kí hiệu

Hình 4.16.Cấu tạo và kí hiệu van 2/2

- Van đảo chiều 3/2: Hình 4.17 van 3/2 có 3 cửa và 2 vị trí. Cửa P nối với nguồn

năng lƣợng, cửa A nối với buồng xi lanh cơ cấu chấp hành, cửa T là cửa xả. Khi

con trƣợt di chuyển sang trái cửa P thông với của A. Khi con trƣợt di chuyển sang

phải thì cửa A thông với cửa xả T xả dầu về thùng hoặc xả khí ra môi trƣờng. Van

này thƣờng dùng để làm rơ le dầu ép hoặc khí nén.

a) Cấu tạo

b)Kí hiệu


- Van đảo chiều 4/2: Hình 4.18 van 4/2 có 4 cửa và 2 vị trí. Cửa P nối với nguồn

năng lƣợng, cửa A và B lắp vào buồng trái và phải của xi lanh cơ cấu chấp hành,

cửa T lắp ở cửa ra đƣa năng lƣợng về thùng đối với dầu, và thải khí ra môi trƣờng

xung quanh với khí nén.

55

Khi con trƣợt của van di chuyển qua phải cửa P thông với cửa A năng lƣợng vào

xi lanh cơ cấu chấp hành, năng lƣợng ở buồng ra xi lanh qua cửa b nối thông với cửa T ra

ngoài. Ngƣợc lại khi con trƣợt của van di chuyển qua trái, cửa P thông với cửa B và cửa

A thông với cửa xả T.

a) Cấu tạo

b)Kí hiệu


- Van đảo chiều 5/2: Hình 1.19 van 5/2 có 5 cửa 2 vị trí. Cửa P là cung cấp nguồn

năng lƣợng, cửa A lắp với buồng bên trái xi lanh cơ cấu chấp hành, cửa B lắp với

buồng bên phải xi lanh cơ cấu chấp hành, cửa T và cửa R là cửa xả năng lƣợng.

Khi con trƣợt van di chuyển qua phải, cửa P thông với cửa A, cửa B thông với cửa

T. Khi con trƣợt của van di chuyển qua trái, cửa P thông với cửa B, cửa A thông

với cửa R.

a) Cấu tạo

b)Kí hiệu


56


1.Nội dung thảo luận 1 : Các phần tử điều chỉnh : van an toàn, van áp suất, rơ le

áp suất, van tiết lƣu, van điều chỉnh thời gian trong hệ thống khí nén và thủy lực.

2.Nội dung thảo luận 2 : Cấu phần tử điều khiển : van một chiều, van đảo chiều

trong hệ thống khí nén và thủy lực.


Hiểu và nắm rõ các phần tử điều chỉnh và điều khiển : van an toàn, van áp suất,

rơ le áp suất, van tiết lƣu, van điều chỉnh thời gian và van một chiều, van đảo chiều, vanh

tuyến tính trong hệ thống khí nén và thủy lực.


1.Câu hỏi và bài tập ôn tập chương 4

Câu 1. Trình bày cấu tạo, nguyên lý van an toàn trong khí nén và thủy lực?

Câu 2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý van áp suất trong khí nén và thủy lực?

Câu 3. Trình bày cấu tạo, nguyên lý rơ le áp suất trong khí nén và thủy lực?

Câu 4. Trình bày cấu tạo, nguyên lý van điều chỉnh thời gian trong khí nén và thủy lực?

Câu 5. Trình bày nguyên lý của van đảo chiều trong khí nén và thủy lực?

Câu 6. Trình bày kí hiệu trong van đảo chiều trong khí nén và thủy lực?

Câu 7. Trình bày các tín hiệu tác động của van đảo chiều trong khí nén và thủy lực?

Câu 8. Phân biệt van đảo chiều 3/2 có vị trí „0‟ và van đảo chiều 3/2 không có vị trí „0‟?

Câu 9. Trình bày van đảo chiều 4/2, 5/2 ?

Bài 1. Cho mạch điều khiển khí nén nhƣ hình vẽ sau :

57

Yêu cầu :

Trình bày chức năng, nhiệm vụ van 3/2V1, 3/2V3 và van 5/2V5 và nguyên lý làm

việc mạch điều khiển khí nén hình 4.20 ?

Bài 2. Cho mạch điều khiển khí nén nhƣ hình vẽ sau :

Yêu cầu :

Trình bày chức năng, nhiệm vụ van 3/2V1, van hành trình A1, A2 và van 5/2V3

và nguyên lý làm việc mạch điều khiển khí nén hình 4.21 ?

Bài 3. Cho mạch điều khiển điện khí nén nhƣ hình vẽ sau :

58

Yêu cầu :

Trình bày chức năng, nhiệm vụ van PS, van 5/2V1, công tắc hành trình A0, A1

và rơ le trung gian RL1 và nguyên lý làm việc mạch điều khiển điện khí nén hình 4.22 ?

2.Câu hỏi liên hệ thực tế : Tìm hiểu van an toàn, van điều chỉnh áp suất và van đảo chiều

5/2 tác động điện trong hệ thống máy đúc áp lực


Phân tích mạch điều khiển khí nén và điện khí thủy lực cho một xi lanh, 2 xi

lanh ?

59

CHƢƠNG 5

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - KHÍ NÉN VÀ THỦY

LỰC


- Hiểu rõ đại số Boole và các phƣơng pháp điều khiển trong hệ thống điều khiển khí

nén và thủy lực.

- Nắm rõ các phƣơng pháp điều khiển trong hệ thống điều khiển khí nén thủy lực.

- Hiểu và nắm rõ phƣơng pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén và thủy lực

- Hiểu và nắm rõ phƣơng pháp thiết kế mạch điện - khí nén và thủy lực

- Hiểu và nắm rõ phƣơng pháp thiết kế mạch điện - khí nén và thủy lực bằng

phƣơng pháp Grafcet.

- Hiểu và nắm rõ điều khiển khí nén và thủy lực bằng bộ điều khiển lập trình PLC

Trong kỹ thuật điều khiển, các hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống điều khiển

tự động đều xuất phát từ các phƣơng trình chuyển động đƣợc xây dựng trên nguyên lý

làm việc của hệ thống. Các phƣơng trình này là hàm tích hợp những giá trị của tín hiệu

vào và tín hiệu ra và đƣợc viết dƣới dạng các biến số của đại số Bool.

Quá trình định nghĩa tín hiệu vào ra đầy đủ tuân thủ nguyên lý hoạt động của hệ

thống để xây dựng các hàm tối ƣu, tức giảm thiểu đƣợc tối đa các phần tử logic trong

thiết kế là nhiệm vụ quan trọng trong kỹ thuật điều khiển.

Tùy theo mức độ đơn giản hay phức tạp của hệ thống ta có thể có ít hay nhiều

phƣơng trình điều khiển.

Ví dụ: cơ cấu một đầu khoan tự động thủy lực nhƣ hình 5.1, với yêu cầu kỹ thuật

nhƣ sau:

Đƣa chi tiết đầu khoan vào vị trí cần khoan, khi đó ta ấn nút Start PB đầu khoan

tinh tiến đến và khoan chi tiết, đạt đến chiều sâu cần thiết (S2) đầu khoan tự động quay

về. Trong quá trình khoan nếu xảy ra sự cố ta ấn nút Stop PB đầu khoan tự động lùi về.

60

Hình 5.1 Cơ cấu khoan Hình 5.2 Máy thủy lực cơ cấu khoan

- Qua phân tích nguyên lý làm việc của cơ cấu khoan ta thiết kế đƣợc mạch động

lực nhƣ hình 5.2

- Phƣơng trình điều khiển đƣợc viết nhƣ sau: K StartPB S1 K S2 StopPB

- Phƣơng trình tải: 1Y = K

Trong đó: K là cuộn dây của rơ le mạch điện

1Y là cuộn dây của van điện từ thủy lực

- Dựa vào phƣơng trình điều khiển và phƣơng trình tải mạch điện điều khiển đƣợc

thiết kế nhƣ hình 5.3 và hình 5.4:

Hình 5.3 Mạch điều khiển thủy lực cơ cấu khoan

Hình 5.4 Mạch điện thủy lực cơ

cấu khoan

5.1. LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ BOOLE

5.1.1. Các phép biến đổi hàm một biến

61

5.1.2. Các luật của đại số Boole

a. Luật hoán vị

b. Luật kết hợp

c. Luật phân phối

62

d. Luật hấp thụ

e. Luật bù

f. Luật De Morgan

63

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

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 tông dịch chuyển về phía trƣớc hoặc trở về vị

trí ban đầu theo mong muốn.

Hình 5.5 mô tả mạch dập đơn giản điều khiển tùy chọn. Gồm một van 4/3 có 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 cứ nơi đâu mà ta không quan tâm đến chu

trình làm việc tự động của hê thống. Nói 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 nó cũng cấp nguồn của hê thống phức tạp nữa đó là chi tiết cần thiết cho sự

khởi động hay dừng khẩn cấp tác động trong các máy tự động

Hình 5.5. Mạch điều khiển tùy thuộc

5.2.3.Điều khiển theo hành trình

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 vòng 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 tông ở cuối nhicủa mỗi hành trình. Tuy nhiên để thực hiện mỗi nhiệm vụ hoặc những yêu

cầu nào đó, ta có bố trí các tín hiệu hành trình ở những vị trí bất kì ở trên hành trình của pit

tông. Hình 5.6 mô tả một mạch làm việc đƣợc lặp đi lặp lại. Ngay khi nguồn khí đƣợc cung

cấp bơi van 0.1. pit tông đƣợc khởi động qua lại trong xilanh cho tới khi nguồn khí cung cấp

đƣợc đóng 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 tông 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 tự định thời. Các phần tự định thời có thể là

khí nén, dầu ép hoặc điện.

Hình 5.7 mô tả hệ thống ép ủi hơi két nón. Khi nhần núT ấn S1 van đảo chiều 1Y

đổi vị trí pit tông 1A đi lên để ép két nón, đồng thời dòng điện vào phần tử relay thƣời

gian T1. Sau thời gian T thì pit tông sẽ đi xuống trở về vị trí ban đầu.

Hình 5.8 là cơ cấu điều khiển dịch chuyển pit tông 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 hoãn 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 mô 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 có dòng năng lƣợng tạo ra

nhƣng nó đi qua cửa xả của 2.3 không đủ áp để ksich van 2.4. ngƣợc lại nếu tác động 2.3

mà 2.5 chƣa xác lập thì dòng năng đƣợc tạo ra cũng không 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 tông ép đi ra và chạm vào công tắc hành

trình 1.2 thì van 2.4 bị kích ngƣợc lại và pit tông lại trở về vị trí 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 móc hoàn toàn 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 có 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. Thông 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 mô 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

hoàn tất trong một vòng quay. Mỗi xilanh tác động kép đƣợc điều khiển bởi van tác động

con lăn 4/2 với lò xo trở về vị trí ban đầu

Hình 5.10. Điều khiển theo chương trình cứng

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 không đƣợc khởi tạo và

toàn bộ hệ thống bị dừng

Điều khiển tuần tự đƣợc thiết kế cho các vận hành tự động hoặc bán tự động. Bán

tự động khi tín hiệu khởi động phải đƣợc tác động bằng tay cho mỗi lần chạy

Hình 5.11 mô tả mạch điều khiển tuần tự bán tự động

Hình 5.12 mô tả mạch điều khiển tuần tự hoàn toàn tự động

Hình 5.11. Điều khiển tuần tự bán tự động

68

Hình 5.12. Điều khiển tuần tự tự động

5.3.PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ MACH 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 đó nhiệm vụ thiết kế hoàn 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

có thể có một hay nhiều mạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt. Mặt khác,

hầu hết trong các hệ thống công nghệ tự động hiện đại có sự kết hợp rất nhiều các cơ cấu

chấp hành khác nhau rất đa dạng: cơ khí, khí nén, thủy lực, điện...do đó 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 hoàn 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 mô tả nhƣ

hình 5.13

Công tắc ngắt lúc nguy hiểm

69

Nút đóng

Nút đóng và ngắt

Nút ngắt

Công tắc chuyển mạch

Nút tự động

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 có 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 đó nó

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, góc quay...). Trục hoành 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 phôi cục tròn đến một khâu làm việc kế

tiếp. Ở hai phía đầu và cuối hành trình có gắn hai cữ hành trình 1S2 và 1S3. Pít tông dịch

chuyển đẩy phôi (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 tông lƣu

trú tại vị trí 1S3 là t3 = 1s

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

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 kế sơ 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 không nhớ.

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

T - Loại lệnh có giới hạn thời gian.

D - Loại lệnh bị chậm trễ.

72

SD - Loại lệnh nhớ và bị chậm trễ.

NSD - Loại lệnh không 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 toán) 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 vị trí đƣợc mô tả nhƣ hình 5.18

Hình 5.18. Kí hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình

b. Thiết kế lưu 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 tông ở vị trí ban đầu (1S2=1, 1S3=0) nút nhấn khởi động 1S1 tác động pít

tông đi ra (1A+).

- Bƣớc thực hiện thứ hai:

Khi pít tông đi đến cuối hành trình trạm công tắc 1S2, pít tông sẽ lùi về (1A-).

- Bƣớc thực hiện thứ ba:

Tại vị trí ban đầu pít tông trạm công 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

5.3.1.4.Viết phƣơng 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 có chức năng nhớ trạng thái ta có

thể viết ra đƣợc các phƣơng trình các bƣớc điều khiển quá trình.

Ta có thể tối ƣu các phƣơng trình điều khiển đó chứa ít các tham số biến vào ra để

đơn giản mạch điều khiển.

Ví dụ: Quy trình điều khiển pít tông để nén chặt các bã đậu thành các khối bánh

đƣợc mô tả nhƣ hình 5.21. Tại các vị trí S0, S1, S2 có các công tắc hành trình tƣơng ứng

x0, x1 và x2. Nút nhấn thực hiện hành trình ép là Sp. Đầu tiên pít tông chạy với tốc độ v1

trong đoạn hành trình không ép S0S1, và sẽ chạy chậm với v2 tronh hành trình S1S2. Gặp

S2 pít tông 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 nó vẫn thực hiện sau khi ta thả nút

nhấn điều này phải nhớ trạng thái của A+

75

Phƣơng trình nhƣ sau:

0 p 0 1K S S K S

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 thôi tác động, vẫn thực hiện A+ tức là

phải nhớ trạng thái này.


1 1 1 2 2K S K S K

Bước 2 - 3

Khi pít tông 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 thôi tác động nhƣng A- vẫn hoạt động, tức

phải có nhớ trạng thái của nó.


2 2 2 0K S K S

5.3.1.5.Vẽ sơ đồ mạch điều khiển

Mạch điều khiển là tổ hợp các tầng. Tầng là tổ hợp các phần tử logic điện theo các

phƣơng trình điều khiển đã viết đƣợc ở trên.

Mỗi phƣơng trình điều khiển có thể xem nhƣ là một tầng. Trong đó Kn Là hàm của

các tầng và đƣợc gán choa các đầu ra công 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 tròn 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 tông giật về. Gặp

1S3 thì pít tông 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 mô tả nhƣ 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

0 1 0K 1S K

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 hoãn 2s. Phƣơng

trình nhƣ sau:

4 3 0

1 4 1

K 1S t K

K K K

Xây dựng mạch điều khiển: Dựa vào các phƣơng trình trên ta có mạch điều khiển

nhƣ hình 5.26

Hình 5.26. Sơ đồ mạch điện điều khiển thanh hàn nhiệt điện

5.4. THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN –KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC

5.4.1.Nguyên tắc thiết kế

Sơ đồ mạch điện – khí nán gồm 2 phần

- Sơ đồ mạch điều khiển

- Sơ đồ mạch điện – khí nén

Các phần tử trong sơ đồ

a. Tiếp điểm:

Thƣờng mở

Thƣờng đóng

Chuyển mạch

Đóng chậm

Mở chậm

78

Nhả chậm

b. Nút nhấn:

Thƣờng mở

Thƣờng đóng

Chuyển mạch

Chuyển mạch 4 đầu dây

c. Rơ le:

Kí hiệu chung

Tác động chậm

Cuộn dây nhả chậm

Cuộn dây và tiếp điểm

d. Công tắc hành trình:

Công tắc hành trình loại cơ điện

( Loại tiếp xúc )

79

Công tắc hành trình nam châm

( Loại không tiếp xúc )

5.4.2.Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén với 1 xylanh theo phƣơng pháp nhịp

Hình 5.27. Biểu đồ trạng thái và sơ đồ mạch khí nén

Sơ đồ mạch điện điều khiển đƣợc biểu diễn ở trong hình 5.28, rơ le K2 sẽ đóng, đó

là tiếp điểm K2 ở nhánh thứ ba và K2 ở nhánh thứ năm. Khi nhả nút ấn S2, nhờ tiếp điểm

duy trì K2 ở nhánh thứ ba, rơ le K2 vẫn có điện và tiếp điểm K2 ở nhánh thứ năm – tiếp

điểm đóng để dòng điện qua cuộc cảm ứng của van đảo chiều, xi lanh đi tới. Khi tác động

vào nút nhấn S1 dòng điện trong nhánh hai mất, rơ le K2 mất điện, các tiếp điểm tƣơng

ứng mở ra và xilanh sẽ lùi về

Hình 5.28. Mạch điều khiển với tiếp điểm tự duy trì

Mạch điều khiển với rơ le thời gian tác động muộn

Biểu đồ trạng thái, sơ đồ mạch khí nén đƣợc trình bày ở hình 5.29. Sơ đồ mạch

điều khiển với phần tử tự duy trì và rơ le thời gian tác động muộn. Sau thời gian t1 công

tắc hành trình điện – cơ S2 đóng (vị trí cuối hành trình), thì rơ le thời gian tác động muộn

K2 mới có điện

80

Hình 5.29 Biểu đồ trạng thái và mạch khí nén

Hình 5.30 Mạch điều khiển tự duy trì với rơ le thời gian đóng chậm

5.4.3.Thiết kế mạch điều khiển điện – khí nén với 2 xylanh theo phƣơng pháp nhịp

* Mạch điều khiển theo nhịp

Quy trình mạch điều khiển theo nhịp với 2 xi lanh biểu diễn trên hình 5.31. Khi

tác động vào nút nhất S5, các xi lanh sẽ thực hiện theo quy trình đề ra

Hình 5.31 Quy trình điều khiển hai xy lanh máy khoan

Mỗi nhịp đều có mạch tự duy trì. Sauu khi ấn nút khởi động S5. Lần lƣợt nhịp 1

cho đến các nhịp tiếp theo sẽ đóng mạch. Nhịp cuối cùng tác động cho quy trình trở về vị

trí ban đầu

81

Hình 5.32 Mạch điều khiển hai xy lanh máy khoan

Neáu ta choïn van ñaûo chieàu 4/2 xung, caû hai phía taùc ñoäng baèng nam chaâm ñieän,

sô ñoà maïch ñieàu khieån ñieän bieåu dieãn ôû treân hình 5.27. Maëc daàu moãi nhòp coù maïch töï

duy trì, nhöng neáu nhòp tieáp theo ñöôïc thöïc hieän, khi nhòp tröôùc ñoù phaûi ñöôïc xoùa.

Hình 5.33 Mạch điều khiển hai xy lanh máy khoan với van đảo chiều xung 4/2

5.5.THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY

Hình 5.33 Mạch điều khiển hai xi lanh máy khoan với van đảo chiều 4/2

5.5. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC BẰNG

PHƢƠNG PHÁP GRAFCET

a. Các bước thực hiện khi thiết kế mạch bằng phương pháp Grafcet

Bƣớc 1: Phân tích tín hiệu vào/ra

Bƣớc 2: Lập Grafcet 1 (G1) là một đồ hình trạng thái mà trên các trang thái ngƣời

ta ghi bằng chữ chi tiết các hàng vi hoạt động công nghệ theo đúng yêu cầu.

82

Bƣớc 3: Lập Grafcet 2 (G2): Chọn thiết bị trong đó các thiết bị điều khiển là các

tín hiệu vào, các thiết bị chấp hành là các tín hiệu ra. Sau đó thay việc mô tả công nghệ

bằng chữ viết bằng ký hiệu các thiết bị vào và ra.

Bƣớc 4: Thiết lập các phƣơng trình logic của các phần tử.

Bƣớc 5: Thiết lập mạch lực và mạch điều khiển

Ví dụ áp dụng

Cho công nghệ điều khiển nhƣ hình 5.34, thiết kế mạch điều khiển theo phƣơng

phap Grafcet.

Hình 5.34

Công nghệ trên nếu sử dụng cơ cấu chấp hành là các động cơ thì nguyên lý mạch

lực tƣơng tự nhƣ các mạch đã thiết kế. Với ví dụ này, giả sử cơ cấu chấp hành của công

nghệ là các xilanh khí nén, vậy nên mạch lực và mạch điều khiển sẽ đƣợc xây dựng trên

các thiết bị điện khí nén.

Các bƣớc tiến hành.

Bƣớc 1: Phân tích tín hiệu vào/ra (bảng 5.1)

Bảng 5.1. Tín hiệu vào ra cho công nghệ hình 5.34

Tín hiệu vào Tín hiệu ra

m: Tín hiệu khởi động.

a0: là tín hiệu báo trạng thái chuyển động đi xuống.

b0: là tín hiệu báo trạng thái chuyển động sang phải.

a1: là tín hiệu báo trạng thái chuyển động đi lên.

b1: là tín hiệu báo trạng thái chuyển động sang trái.

A+: Trạng thái xuống.

A- : Trạng thái lên

B+: Trạng thái sang trái

B-: Trạng thái sang phải

Bƣớc 2: Thiết lập Grafcet 1 (hình 5.35)

83

0

1

Trạng thái ban đầu

Đã ở trạng thái ban đầu

Và tín hiệu khởi động

Xác lập trạng thái ban đầu

Đi xuống

Hết hành trình đi xuống

2 Đi lên

Hết hành trình đi lên

3 Sang phải

Hết hành trình sang phải

4 Sang trái

Hết hành trình sang trái

Hình 5.35 Grafcet 1 cho công nghệ hình 5.34

Bƣớc 3: Thiết lập Grafcet 2 (hình 5.35)

0

1

Nếu a0=0: A-

Nếu b0=0: B-

a0,b0, m

g

A+

a1

2 A-

a0

3 B+

b1

4 B-

b0

Hình 5.36. Grafcet 1 cho công nghệ hình 5.34

84

Bƣớc 4: Xác định hàm điều khiển

0 0 4 0 1

1

1 0 0 0 1 2

3

2 1 1 2 3

0 0 2

3 0 2 3 4

0 0 4

4 1 3 4 0

( . )

( . . )

( . )

( . )

( . )

M g b M m MA M

M m a b M m MB M

M a M m MA M a M

M a M m MB M b M

M b M m M

Bƣớc 5: Thiết lập sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển

Nguyên tắc thiết lập tƣơng tự nhƣ các bài tập đã thiết kế.

Với cơ cấu chấp hành là các động cơ ta sử dụng phần mềm CADe SIMU để mô

phỏng mạch điều khiển. Khi cơ cấu chấp hành là các xilanh khí nén hoặc thủy lực thì ta

sử dụng phần mềm Festo Fluidsim 3.6 để mô phỏng mạch điều khiển . Phần mềm

Fluidsim 3.6 cũng khá dễ sử dụng, chỉ với thao tác kéo thả và nối dây. Mạch điều khiển

điện – khí nén đƣợc xây dựng trên phân mềm Fluidsim 3.6 cho công nghệ trên nhƣ hình

3.28.

Sau khi thiết lập xong mạch trên phần mềm, nhấn biểu tƣợng trên thanh thực

đơn để vận hành mạch điều khiển và nhấn biểu tƣợng để dừng mô phỏng.

85

Hình 5.37. Mạch điều khiển cho công nghệ hình 5.34 theo phương pháp Grafcet

5.6. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN - KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC BẰNG BỘ

ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC

Bộ điều khiển Logic có thể lập trình hay khả trình PLC (Programmable Logic

Control) là loại thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các máy móc và hệ thống sản xuất

thông qua một ngôn ngữ lập trình (phần mềm) thay vì phải thông qua các mạch số để

điều khiển (cứng). Với sự phát triển nhanh trong lĩnh vực điện – điện tử, PLC ngày càng

nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi

trƣờng xung quanh. Vì PLC là một máy tính công nghiệp, nên về cơ bản cấu trúc của

PLC sẽ giống với cấu trúc của một máy vi tính bao gồm: một bộ xử lý trung tâm (CPU),

hệ điều hành, bộ nhớ để lƣu chƣơng trình điều khiển, dữ liệu và dĩ nhiên phải có các cổng

vao ra để giao tiếp với các đối tƣợng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trƣờng

xung quanh, ngoài ra PLC còn đƣợc trang bị thêm những khối chức năng đặc biệt nhƣ bộ

định thời gian (Timer), bộ đếm (Counter), và những khối hàm chuyên dụng.

Mục 5.6 không đi sâu về PLC mà chỉ giới thiệu khái quát về PLC với những cấu

tạo cơ bản, kết nối hệ thống khí nén với PLC và điều khiển thiết bị khí nén với PLC.

86

Hình 5.38 Hình dáng bên ngoài của bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 CPU 222

5.6.1.Cấu trúc của một PLC

Các bộ điều khiển PLC đƣợc sản xuất theo dòng sản phẩm. Khi mới xuất xƣởng,

chúng chƣa có một chƣơng trình cho một ứng dụng nào cả. Tất cả các cổng logic cơ bản,

chức năng nhớ, timer, counter .v.v... đƣợc nhà chế tạo tích hợp trong chúng và đƣợc kết

nối với nhau bằng chƣơng trình đƣợc viết bởi ngƣời dùng cho một nhiệm vụ điều khiển

cụ thể nào đó. Bộ điều khiển PLC có nhiều loại khác nhau và đƣợc phân biệt với nhau

qua các thành phần sau:

- Các ngõ vào và ra

- Dung lƣợng nhớ

- Bộ đếm (counter)

- Bộ định thời (timer)

- Bit nhớ

- Các chức năng đặc biệt

- Tốc độ xử lý

- Loại xử lý chƣơng trình

- Khả năng truyền thông

Các bộ điều khiển lớn thì các thành phần trên đƣợc lắp thành các modul riêng. Đối

với các bộ điều khiển nhỏ, chúng đƣợc tích hợp trong bộ điều khiển. Các bộ điều khiển

nhỏ này có số lƣợng ngõ vào/ra cho trƣớc cố định.

Bộ điều khiển đƣợc cung cấp tín hiệu bởi các tín hiệu từ các cảm biến ở ngõ vào

của nó. Tín hiệu này đƣợc xử lý tiếp tục thông qua chƣơng trình điều khiển đặt trong bộ

nhớ chƣơng trình. Kết quả xử lý đƣợc đƣa ra ngõ ra để đến đối tƣợng điều khiển hay

khâu điều khiển ở dạng tín hiệu.

Cấu trúc của một PLC có thể đƣợc mô tả nhƣ hình vẽ sau:

Cổng giao tiếp chƣơng trình (PPI)

Các ngõ ra

Các ngõ vào

87

Hình 5.39 Cấu trúc chung của bộ điều khiển lập trình PLC

Các khối khác nhau của một PLC đƣợc cho nhƣ hình 5.38.

Hình 5.40 Các khối trong một PLC

5.6.2.Các thành phần của một hê thống khí nén điều khiển bằng PLC

Các thành phần của một hệ thống khí nén điều khiển PLC có thể đƣợc biểu diễn

nhƣu sau:

88

Hình 5.41 Sơ đồ điều khiển hệ thống khí nén điều khiển bằng PLC

Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều loại điều khiển khả trình PLC, trong phần

này sẽ giới thiệu một PLC đơn giản, đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi; đó là bộ điều khiển

PLC S7-200 (hình 5.41).

Sơ đồ kết nối của phần tử đƣa tín hiệu vào và các phần tử nhận tín hiệu ra với PLC

S7-200 (CPU 224 DC/DC/DC):

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra điều khiển hƣớng

Tín hiệu khí nén động lực

Nút nhấn, công tắc, cảm

biến, công tắc hành

trình…

Bộ điều khiển lập trình PLC

Van điều hƣớng: các van

điện 3/2, 4/2, 5/2, 4/3,

5/3,…

Cơ cấu chấp hành:

Xilanh khí nén, động cơ

khí nén…

89

Hình 5.42 Sơ đồ kết nối các phần tử đưa tín hiệu vào và các phần tử nhận tín hiệu

ra từ PLC S7-200.

5.6.3.Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén bằng PLC

5.6.3.1. Các bước tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

Để lập trình điều khiển cho hệ thống dùng PLC ta tiến hành các bƣớc nhƣ sau:

Bước 1: Xác định quy trình công nghệ:

Nhƣ đã biết, mục đích cuối cùng của lập trình điều khiển một dây chuyền hay hệ

thống nào đó trong công nghiệp hoạt động theo yêu cầu ta cần phải xác định thiết bị hay

hệ thống nào muốn điều khiển. Hệ thống hoạt động ra sao. Chỉ khi nắm vững quy trình

công nghệ ta mới cho ra thiết kế hoàn chỉnh với các tham số chính xác nhƣ Timer,

Counter, nhiệt độ đặt…Sự vận hành của một hệ thống đƣợc điều khiển và kiểm tra bởi

các tín hiệu đầu vào. Nó nhận tín hiệu và gửi đến CPU để xử lý sau đó gửi đến thiết bị

xuất (đầu ra) điều khiển sự hoạt động hệ thống.

Bước 2: Xác định các ngõ vào, ngõ ra:

Tất cả các thiết bị xuất, nhập từ bên ngoài đều đƣợc kết nối với bộ điều khiển lập

trình qua các ngõ vào/ra. Thiết bị nhập thƣờng là những nút nhấn, cảm biến, công tắc

hành trình…và thiết bị xuất là những cuộn dây, van điện từ, contactor…Một khi đã xác

định đƣợc thiết bị vào/ ra cần thiết, tiếp theo là định vị các thiết bị vào/ra tƣơng ứng cho

các ngõ vào/ra trên PLC trƣớc khi viết chƣơng trình.

Bước 3: Viết chương trình:

Sau khi xác định đƣợc phần cứng, tiến hành viết chƣơng trình. Để viết chƣơng

trình dễ dàng, chính xác và thuận tiện cho việc sửa chữa, trƣớc khi lập trình ngƣời lập

trình cần xây dựng lƣu đồ, giải thuật cho chƣơng trình. Để đảm bảo chƣơng trình hoạt

Van điều hƣớng:

các van điện 3/2,

4/2, 5/2, 4/3,

5/3,…

Nút nhấn, công

tắc, cảm biến,

công tắc hành

trình…

90

động theo yêu cầu, ngƣời lập trình cần mô phỏng chƣơng trình trƣớc khi đƣa vào sử

dụng.

Bước 4: Nạp chương trình vào bộ nhớ:

Cung cấp nguồn cho trạm PLC, sau đó nạp chƣơng trình từ máy tính vào CPU

thông qua cổng giao tiếp (xóa bộ nhớ cũ trƣớc khi nạp chƣơng trình mới).

Bước 5: Chạy chương trình:

Trƣớc khi chạy chƣơng trình, cần chắc chắn rằng các dây dẫn nối vào các ngõ

vào/ra đến các thiết bị nhập/xuất đúng theo chỉ định. Lúc đó PLC mới bắt đầu cho hoạt

động. Trong quá trình chạy chƣơng trình, nếu bị lỗi thì máy tính hoặc bộ điều khiển sẽ

báo lỗi, khi đó cần phải sửa chữa lại hệ thống hoặc chƣơng trình để hệ thống hoạt động

theo đúng yêu cầu cần điều khiển.

Lƣu đồ các bƣớc thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC:

91

Xác định yêu cầu của

hệ thống điều khiển

Lập lƣu đồ chung của

hệ thống điều khiển

Liệt kê tất cả các ngõ

vào/ra kết nối với cổng

I/O của PLC

Lập lƣu đồ hay giải

thuật lập trình

Viết chƣơng trình, chạy

mô phỏng

Chƣơng trình

hoạt động tốt ?

Lập sơ đồ nguyên lý, đấu nối.

Kết nối toàn bộ thiết bị vào/ra

với PLC

Sai

Đúng

Kiểm tra kết

nối?

Nạp chƣơng trình vào

PLC

Đúng

Chạy thử chƣơng trình

Hoạt động

đúng?

Lƣu hồ sơ hệ thống cho

tất cả các bản vẽ

Kết thúc

Đúng

Sai

Sai

Hình 5.43 Lưu đồ các bước thiết kế một hệ thống điều khiển dùng PLC

92

5.6.3.2 Điều khiển hệ thống khí nén bằng PLC

Để minh họa cho việc sử dụng PLC điều khiển hệ thống khí nén, ta xét một số bài

toán ứng dụng dƣới đây.

a. Điều khiển hệ thống khí nén bằng PLC

Các bƣớc thiết kế hệ thống điều khiển khí nén dùng PLC đã trình bày cụ thể lƣu

đồ trên hình 5.43. Việc mô tả các bƣớc này sẽ rõ hơn khi ta kết hợp việc giải quyết bài

toán đơn giản hình 5.44

Cho công nghệ sau:

Sử dụng PLC S7-200 điều khiển hệ thống công nghệ trên?

Bước 1: Xác định quy trình công nghệ:

Ban đầu xi lanh 1A ở vị trí a0, xi lanh 2A ở vị trí b0. Hệ thống bắt đầu hoạt động

khi nhấn nút Start, xi lanh 1A đi ra và tác động hành trình a1 (xi lanh 1A ở vị trí a1) thì xi

lanh 2A đi ra. Khi xi lanh 2A đi ra, tác động hành trình b1 (xi lanh 2A ở vị trí b1) thì xi

lanh 2A đi vào tới khi tác động hành trình b0 thì xi lanh 1A đi về. Hệ thống ở trạng thái

ban đầu.

Quá trình đi ra và đi vào của xinh lanh 1A, 2A đƣợc điều khiển bởi 2 van điện 5/2:

a)Thiết bị khoan chi tiết b)Biểu đồ trạng thái

ao

a1

bo

b1

Hình 5.44

Start

93

Hình 5.45 Mạch khí nén điều khiển 2 xi lanh 1A và 2A

Bước 2: Xác định các ngõ vào, ngõ ra:

Từ sơ đồ công nghệ hình 5.44 và mạch khí nén hình 5.45, ta có bảng xác định tín

hiệu ngõ vào, ngõ ra của hệ thống và phân phối địa chỉ PLC:

Ký hiệu Địa chỉ Chú thích

Tín hiệu vào

S1 I0.0 Nút nhấn Start khởi động hệ thống (NO)

A0 I0.1 Công tắc hành trình A0, giới hạn quá trình đi vào xi lanh 1A

A1 I0.2 Công tắc hành trình A1, giới hạn quá trình đi ra xi lanh 1A

B0 I0.3 Công tắc hành trình B0, giới hạn quá trình đi vào xi lanh 2A

B1 I0.4 Công tắc hành trình B1, giới hạn quá trình đi ra xi lanh 2A

Tín hiệu ra

Y1 Q0.0 Cuộn dây Y1 điều khiển van 5/2 (1.1), điều khiển xi lanh 1A đi ra

Y2 Q0.1 Cuộn dây Y2 điều khiển van 5/2 (1.1), điều khiển xi lanh 1A đi vào

Y3 Q0.2 Cuộn dây Y3 điều khiển van 5/2 (2.1), điều khiển xi lanh 2A đi ra

Y4 Q0.3 Cuộn dây Y4 điều khiển van 5/2 (2.1), điều khiển xi lanh 2A đi vào

Bước 3: Viết chương trình:

Lƣu đồ chƣơng trình:

94

Bắt đầu

Xi lanh 1A

đi ra

S1 = 1 ?

A1 = 1 ?

Xi lanh 2A

đi ra

B1 = 1 ?

Xi lanh 2A

đi vào

B0 = 1 ?

Xi lanh 1A

đi vào

Kết thúc

Đúng

Đúng

Đúng

Sai

Sai

A0 = 1 ?

Đúng

Sai

Sai

Sai

Đúng

Chƣơng trình PLC

Bước 4: Nạp chương trình vào bộ nhớ:

Cung cấp nguồn cho trạm PLC, sau đó nạp chƣơng trình từ máy tính vào CPU

thông qua cổng giao tiếp (xóa bộ nhớ cũ trƣớc khi nạp chƣơng trình mới).

Bước 5: Chạy chương trình:

Trƣớc khi chạy chƣơng trình, cần chắc chắn rằng các dây dẫn nối vào các ngõ

vào/ra

Trong chƣơng 8 đã trình bày các phƣơng pháp thiết kế mạch điện điều khiển theo

chuỗi bƣớc có xóa, thiết kế mạch điện theo tầng lồng ghép, thiết kế mạch điện theo

Huffman…Bằng cách thực hiện các cách thiết kế trên, kết hợp với thủ tục lập trình PLC

và chuyển các mạch điện điều khiển này sang ngôn ngữ bậc thang LAD, chúng ta có thể

xây dựng đƣợc các chƣơng trình điều khiển PLC tƣơng ứng.

a. Chuyển điều khiển hệ thống kết nối cứng sang điều khiển bằng PLC

Trong kỹ thuật điều khiển bằng khí nén, ngƣời ta phân biệt các phần tử điều

khiển sau:

- Khâu tín hiệu: Phát ra tín hiệu khi phần tử điều khiển đạt đến một giá trị xác định

đối với các đại lƣợng vật lý.

95

- Khâu điều khiển: Phản ứng lại theo các tín hiệu đơn và có ảnh hƣởng đến trạng

thái của khâu điều chỉnh.

- Khâu điều chỉnh: Điều khiển dòng năng lƣợng sinh công và thay đổi trạng thái của

các phần tử làm việc.

Nếu thực hiện thay thế mạch điều khiển khí nén bằng chƣơng trình điều khiển

PLC, thì khâu điều chỉnh điều khiển cho các phần tử làm việc bây giờ điện từ. Dù các van

xung điện từ hay van điện từ sử dụng lò xo đƣợc sử dụng, thì nó còn phụ thuộc vào yêu

cầu công nghệ và an toàn. Khi chuyển đổi thành chƣơng trình PLC thì các khâu này cần

giữ lại.

Van xung trong kỹ thuật điều khiển khí nén có hai ngõ vào điều khiển và có đặc

tính nhớ. Theo cách thức hoạt động có thể so sánh nó với khâu nhớ RS. Việc chuyển đổi

thật sự đơn giản nếu ta thay tất cả van xung bằng khâu nhớ RS. Ngõ vào điều khiển của

khâu điều chỉnh SET của van tƣơng ứng với điều kiện cho set, và ngõ vào còn lại tƣơng

ứng với reset của khâu RS.

Van xung sử dụng 2 cuộn dây từ. Để điều khiển, một cuộn dây sẽ sử dụng ngõ ra

không đảo của khâu nhớ RS. Còn cuộn dây thứ hai ta sử dụng ngõ ra đảo của khâu nhớ

RS.

Tùy theo yêu cầu công nghệ mà mạch điều khiển khí nén đảm nhận, mà ta có thể

sử dụng hƣớng điều khiển cho các van tƣơng ứng. Sau khi tất cả đã đƣợc xác định, mạch

điều khiển khí nén có thể đƣợc chuyển đổi trực tiếp thành chƣơng trình ở LAD.

Một số qui tắc cần chú ý:

- Khâu điều chỉnh của xylanh làm việc đƣợc thay thế bằng van điện từ.

- Tất cả các van xung đƣợc thay thế bằng khâu nhớ RS.

- Xác định đƣợc tính logic của mạch.

- Chuyển đổi mạch thành chƣơng trình PLC.

Ví dụ 1. Điều khiển Máy uốn thanh kim loại sử dụng khí nén PLC

Các thanh kim loại cần đƣợc uốn một đầu theo theo một khuôn cho trƣớc (sơ đồ

công nghệ). Qui trình hoạt động của máy nhƣ sau:

- Thanh kim loại cần uốn đƣợc đặt lên khuôn uốn

- Ấn nút khởi động S0 thì xy lanh Cyl.1 hạ xuống để giữ lấy thanh kim loại.

- Khi thanh kim loại đƣợc giữ chặt (nhận biết bởi công tắc hành trình S2) thì xy

lanh Cyl.2 hạ xuống để uốn thanh kim loại vuông góc trƣớc. Sau khi uốn xong thì

tự động nâng lên nhờ công tắc hành trình S4.

- Khi xy lanh Cyl.2 trở về vị trí cơ bản (nhận biết bởi S3) thì xy lanh Cyl.3 đƣợc

đẩy để uốn thanh kim loại ở giai đọan uốn cuối theo định hình của khuôn uốn. Khi

xy lanh Cyl.3 đến vị trí S6 thì tự động rút ngƣợc về.

96

- Khi xy lanh Cyl.3 rút về đến vị trí cơ bản (nhận biết bởi S5) thì xy lanh Cyl.1 cũng

rút về vị trí cơ bản của nó (nhận biết bởi S1). Lúc này thanh kim loại đƣợc tự do.

Ngƣời sử dụng có thể lấy ra và đặt một thanh kim loại mới vào. Và một chu kỳ

mới lại có thể bắt đầu.

Sơ đồ công nghệ:

Hình 5.46 Sơ đồ công nghệ máy uốn thanh kim loại

Sơ đồ mạch điều khiển bằng khí nén:

Hình 5.47 Sơ đồ mạch điều khiển bằng khí nén.

Phân tích:

Từ sơ đồ điều khiển bằng khí nén ta nhận thấy các van xung chính trong mạch là

1.1, 2.1 và 3.1. Khi chuyển sang điều khiển bằng chƣơng trình nhất thiết ta phải thay các

van này bằng các van xung điện từ có đặc tính nhớ. Mỗi van xung điện từ có 2 cuộn dây.

97

Vì vậy cần phải có 2 ngõ ra số để điều khiển mỗi van. Tổng cộng ta cần có 6 ngõ ra để

điều khiển 3 van này. Để thực hiện điều khiển bằng chƣơng trình PLC, các van xung

đƣợc thay thế bởi các khâu RS, các ngõ ra của các khâu nhớ có thể đƣợc sử dụng để điều

khiển trực tiếp các van xung điện từ thay thế Y1, Y3, và Y5 cũng nhƣ Y2, Y4 và Y6 (sơ

đồ công nghệ).

Hai van xung 0.1 và 0.2 là hai van hỗ trợ trong mạch điều khiển bằng khí. Hai van

này không phải là các van chính. Vì vậy khi chuyển thành chƣơng trình nó sẽ đƣợc thay

thế bằng các ô nhớ. Van 0.1 là M0.0, và van 0.2 là M0.1.

Theo sơ đồ mạch điều khiển, ta có:

Mỗi vị trí của các xy lanh đều đƣợc xác định bởi các công tắc hành trình (CTHT).

Xy lanh Cyl.1 nhận biết bởi S1 và S2, xy lanh Cyl.2 nhận biết bởi S3 và S4, xy lanh

Cyl.3 nhận biết bởi S5 và S6. Các công tắc hành trình này không thể thiếu trong điều

khiển. Ngoài ra để khởi động còn có nút nhấn S0. Nhƣ vậy cần đến 7 ngõ vào số.

Bảng ký hiệu

98

Kết nối dây với PLC:

Chƣơng trình PLC ở LAD:

99

Ví dụ 2. Điều khiển Máy doa miệng ống kim loại sử dụng Khí nén PLC

Ống kim loại cần đƣợc doa miệng theo một khuôn cho trƣớc (sơ đồ công nghệ).

Máy hoạt động nhƣ sau:

Ngƣời vận hành đặt ống kim loại cần doa miệng vào vị trí sao cho miệng ống phải

chạm vào cử chặn miệng ống. Sau đó ấn nút nhấn S0, xy lanh Cyl.1 sẽ kẹp ống lại. khi

ống đã đƣợc kẹp thì cử chặn miệng ống tự động rút về. Xy lanh Cyl.2 sẽ hạ xuống doa

miệng ống theo khuôn A. thời gian doa khỏang 3s. Sau đó xy lanh Cyl.2 rút về và khuôn

B đƣợc xylanh Cyl.4 đƣa vào. Sau khi khuôn B đƣợc đƣa vào thì xy lanh Cyl.2 hạ xuống

để doa miệng ống theo khuôn B. Tƣơng tự nhƣ khuôn A việc doa khoảng 3s. Sau đó xy

lanh Cyl.2 trở về vị trí cơ bản của nó và xy lanh Cyl.4 cũng rút khuôn B về và đặt khuôn

A về vị trí sẵn sàng cho ống kim loại kế tiếp. Sau khi miệng ống đã đƣợc doa theo khuôn

B xong thì xy lanh kẹp ống Cyl.1 co về thả ống kim loại khỏi hàm kẹp. Xy lanh Cyl.2

đƣợc đẩy trở về vị trí chặn miệng ống. Một chu kỳ mới lại có thể bắt đầu.


Hình 5.48 Sơ đồ công nghệ máy doa miệg ống kim loại.

Sơ đồ mạch điều khiển khí nén:

100

Hình 5.49 Mạch điều khiển bằng khí nén máy doa miệng ống kim loại.

Phân tích:

Từ sơ đồ điều khiển bằng khí nén ta nhận thấy các van xung chính trong mạch là

1.1, 3.1 và 4.1 sẽ đƣợc thay thế bằng các van xung điện từ, và trong chƣơng trình PLC sẽ

sử dụng các khau RS. Để điều khiển các van này ta cần 2 ngõ ra

Van 2.1 trong sơ đồ đƣợc thay thế bằng van điện từ có lò xo hồi phục vị trí. Để

điều khiển van này ta dùng một ngõ ra.

Ba van xung 0.1, 0.2 và 0.3 là các van hỗ trợ trong mạch điều khiển bằng khí. Nó

đƣợc thay thế bằng các ô nhớ. Van 0.1 là M0.0, van 0.2 là M0.1, và van 0.3 là M0.2.

Theo sơ đồ điều khiển thì:

Khâu điều chỉnh trễ 3.5 đƣợc thay thế bằng một timer.

101

Theo sơ đồ công nghệ ta cần đến 6 CTHT và một nút nhấn khởi động từ S0 đến

S6 . Nhƣ vậy cần đến 7 ngõ vào số.

Bảng ký hiệu

Kết nối dây với PLC:

Hình 5.50 Sơ đồ nối dây ngoại vi với ngõ vào ra của PLC

Chƣơng trình viết ở LAD:

104


1.Nội dung thảo luận 1 : Đại số Boole và các phƣơng pháp điều khiển trong khí

nén và thủy lực

2.Nội dung thảo luận 2 : Phƣơng pháp thiết kế mạch điều khiển khí nén và thủy

lực

3.Nội dung thảo luận 3 : Phƣơng pháp thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén và

thủy lực.

4.Nội dung thảo luận 4 : Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén và thủy lực bằng

phƣơng pháp Grafcet.

5. Nội dung thảo luận 5 : Điều khiển hệ thống khí nén và thủy lực bằng bộ điều

khiển lập trình PLC


Hiểu và nắm rõ đại số Boole, phƣơng pháp điều khiển và thiết kế mạch khí nén,

điện khí nén cho hệ thống khí nén và thủy lực.

Điều khiển hệ thống khí nén thủy lực bằng bộ điều khiển lập trình.


1.Câu hỏi và bài tập ôn tập chương 5

Bài 1. Cho biểu đồ trạng thái:

Yêu cầu: 1 - Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phƣơng pháp nhịp?

2- Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phƣơng pháp Grafcet?


105


2- Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phƣơng pháp Grafcet?



2 - Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo phƣơng pháp Grafcet?

3 - Viết chƣơng trình lập trình trên PLC cho biểu đồ trạng thái 2 xy lanh

trên?


Yêu cầu: 1 - Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phƣơng pháp nhịp?

2- Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phƣơng pháp Grafcet?

106


trên?.


Yêu cầu: 1 - Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phƣơng pháp nhịp?

2- Thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén theo phƣơng pháp Grafcet?


trên?

Bài 6. Cho sơ đồ công nghệ máy khoan

Một mẫu gỗ cần đƣợc khoan một lỗ ở giữa. Sơ đồ công nghệ để khoan mẫu gỗ

đƣợc cho nhƣ hình vẽ.


107

Sơ đồ điều khiển bằng khí nén:

Sử dụng PLC khí nén điều khiển công nghệ trên theo yêu cầu:

1. Thiết lập bảng ký hiệu.

2. Vẽ sơ đồ kết nối dây với PLC

3. Viết chƣơng trình điều khiển theo hai cách:

a. Sơ đồ kết nối dây cứng

b. Theo yêu cầu công nghệ

Bài 7. Sử dụng PLC khí nén điều khiển máy dập phôi thép tự động trong dây truyền sản xuất

trụ điện bê tông theo yêu cầu:

Khi tác động tín hiệu khởi động ( nút nhấn PB ) pít tông kẹp chặt dịch chuyển từ vị

trí A đến vị trí B thực hiện kẹp chặt phôi, lúc này LS2 đƣợc tác động và pít tông dập dịch

chuyển từ vị trí C đến D để dập định hình phôi ( theo hình dạng khuôn ) lúc này LS4 tác

động làm cho pít tông dập lùi về C và LS3 tác động. LS3 tác động làm cho pít tông kẹp dịch

chuyển từ B về A và LS1 tác động dừng quá trình dập (hình 5.58)

108

Chú ý: PLC nhận tín hiệu từ PB khi LS1 và LS3 cùng tác động

2.Câu hỏi liên hệ thực tế : Thiết mạch điều khiển và lập trình PLC cho công nghệ máy

cán tôn gồm 3 xi lanh.


Thiết kế mạch điều khiển cho công nghệ 3 xi lanh bằng phƣơng pháp Grafcet và lập

trình điều khiển bằng PLC

109

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Điều khiển khí nén và thủy lực (2003) – Lê Tiến Dũng, NXB Giáo Dục.

2. Hệ thống điều khiển khí nén và thủy lực (2003), Bùi Hải Triều, NXB Giáo Dục

3. Hệ thống điều khiển bằng khí nén (2003), Nguyễn Ngọc Phƣơng, NXB Giáo Dục.

hỆ thỐng ĐiỀu khiỂn ĐiỆn - khÍ nÉn vÀ thỦy lỰc 1. c ph n

Documents