Đề tài Xây dựng một số mô hình mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

lêi giíi thiÖu

Trong thêi ®¹i c«ng nghiÖp ho¸, hiÖn ®¹i ho¸ ngµy nay, c¸c hÖ thèng

tù ®éng ho¸ ph¸t triÓn m¹nh mÏ c¶ vÒ bÒ réng vµ chiÒu s©u. C¸c hÖ thèng tù

®éng ho¸ øng dông trong thùc tÕ s¶n xuÊt rÊt ®a d¹ng vµ phong phó víi

nhiÒu møc ®é kh¸c nhau. Trong ®ã c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng khÝ nÐn ®-îc

sö dông trong nhiÒu lÜnh vùc c«ng nghÖ vµ kü thuËt v× nã c¸c -u ®iÓm nh-

®¬n gi¶n trong kÕt cÊu, trong sö dông vµ c¶ trong ®iÒu khiÓn, ®é tin cËy lµm

viÖc cao cã ®é an toµn cao ®èi víi c¸c m«i tr-êng lµm viÖc ch¸y næ vµ cã

thÒ lµm viÖc ë c¸c m«i tr-êng kh¾c nhiÖt (phãng x¹, ho¸ chÊt...)

Tuy nhiªn trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn khÝ nÐn cã c¸c nh-îc ®iÓm nh-

®é t¸c ®éng nhanh thÊp, kÝch th-íc hÖ thèng lín, g©y tiÕng ån...

Mét gi¶i ph¸p ®Ó h¹n chÕ c¸c nh-îc ®iÓm ®ã mµ hiÖn nay th-êng sö dông

lµ kÕt hîp c¸c thiÕt bÞ khÝ nÐn víi c¸c thiÕt bÞ ®iÖn vµ sö dông bé ®iÒu khiÓn

b»ng ch-¬ng tr×nh ( PLC ) ®Ó ®iÒu khiÓn sù ho¹t ®éng cña hÖ thèng.

Víi ®Ò tµi tèt nghiÖp ®-îc giao lµ "X©y dùng mét sè m« h×nh

mÉu sö dông PLC cho hÖ thèng ®iÒu khiÓn khÝ nÐn "

§Ó thùc hiÖn ®Ò tµi nµy em ®· cè g¾ng sö dông nh÷ng kiÕn thøc ®·

häc vµ sö dông c¸c tµi liÖu tham kh¶o do thÇy NguyÔn Danh Huy cung cÊp.

§Æc biÖt ®-îc sù h-íng dÉn, chØ b¶o tËn t×nh cña thÇy NguyÔn Danh Huy

®èi víi chóng em ®· gióp ®å ¸n cña em thùc hiÖn dÔ dµng h¬n.

Tuy nhiªn do kiÕn thøc vµ thêi gian cã h¹n nªn ®å ¸n cña em kh«ng tr¸nh

khái nh÷ng thiÕu sãt nhÊt ®Þnh. Em mong c¸c thÇy c« xem xÐt, chØ b¶o cho

em ®Ó ®å ¸n cña em hoµn thiÖn h¬n. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n.

Sinh viªn thùc hiÖn

§å ¸n tèt nghiÖp

3

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Ch-¬ng I

tæng quan vÒ kü thuËt ®iÒu khiÓn khÝ nÐn

§1. Khái niệm chung

Hệ thống điều khiển các hệ thống truyền động khí nén phải đảm bảo

việc đóng mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việccho.

Các phương pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp

hiện thực chúng rất đa dạng.Khi thiết kế các máy tự động với các khâu

cứng, điều kiện làm việc thường được cho dưới dạng các chu trình (biểu

đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị quy ước biểu diễn sự phụ. thuộc vào

thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành.

Các hệ truyền động -tự động khí nén làm việc theo chu trình được

chia theo kiểu điều khiển thành ba nhóm

1 : Điều khiển theo vị trí

2 : Điều khiển theo thời gian

3 : Điều khiển theo áp suất

Trong nhóm 1 các vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành được

kiểm tra bằng các cảm biến vị trí a₀, a₁

a₀

a₁

h

X

H ình 1

§å ¸n tèt nghiÖp

4

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Từ các cảm biến vị trí a₀và a₁các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu

chấp hành được báo tới hệ điều khiển.Trên cơ sở đó , tạo lập các lệnh điều

khiển X và X.Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí thường

là các van hành trình 3/2 thường ngắt (ở vị trí đầu cửa ra của van nèi với

đường xả ) hoặc thường mở (ở vị trí đầu cửa ra của van nối với áp suất

nguồn).Hệ điều khiển có thể còn bao gồm các công tắc khí nén, công tắc

khởi động h , các thiết bị giữ chậm, các phần tử logic…

Số các cơ cấu chấp hành được điều khiển trong hệ thống có thể là

1,2,3…hoặc hơn nữa. Để điều khiển các hệ có số cơ cấu chấp hành lớn có

thể sử dụng các thiết bị điều khiển dạng bước hoặc số.

Hệ điều khiển theo thời gian có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam



1

h₀

hình 2

Thời gian thực hiện một chu trình và đường phân các chu kỳ riêng

biệt của nó ở đây được xác định bởi profin của cam (1) và vận tốc quay của

nó ().Thời gian của từng bước hoặc cả chu trình làm việc có thể điều

khiển bằng các rơle thời gian

Hệ điều khiển theo áp suất có thể coi như các biến thể của hệ diều

khiển theo vị trí.Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi cần pittông

chuyển dịch những khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thước của chi tiết

được gia công hoặc do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành

trình với cần pittông vươn dài. Để điều khiển các van phân phối trong từng

trường hợp này cần sử dụng các van nối liên tục (hình 3)

§å ¸n tèt nghiÖp

5

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

1

3

2

5

4

Hình 3

Nguyên lý làm việc của nó như sau :

Van 5 làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong

các khoang xi lanh1 .Khi nó làm việc có 1 xung áp suất tới van 2 , chuyển

nó về vị trí ban đầu và vị trí đầu được kiểm tra bằng công tắc hành trình 3.

Để pittông dịch chuyển về phía trước ta khởi động 4.

Nhược điểm của cách điều khiển theo thời gian và cách điều khiển

theo áp suất là khi thay đổi tải đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi

chuyển động của cơ cấu chấp hành cớ thể xảy ra trước.Bởi vậy các hệ điều

khiển theo vị trí trong đó chuyển động của cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt

đầu theo một trình tự vị trí xác định của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại

là phổ biến nhất trong các hệ truyền động -tự động khí nén.

Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ để đưa tín

hiệu tới đổi vị trí các van phân phối , ngoài vị trí của cơ cấu chấp hành , cần

tính đến một loạt các thông tin về đối tượng được gia công , dụng cụ, các

vấn đề về an toàn lao động….Ngoài ra hệ điều khiển cần tính đến khả năng

phải thay đổi trình tự chuyển động của các cơ cấu chấp hành , sự can thiệp

của người điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và

các yếu tố khác.

§å ¸n tèt nghiÖp

6

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

§2. Giới thiệu về các hệ điều khiển logic

Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế-trong đó kể cả hệ

truyền động tự động khí nén , thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt

quãng.Hệ điều khiển của các hệ thống này được xây dựng dựa trên các cơ

sở lý thuyết điều khiển logic(hay rơle)

Z₁

Z₂

Z₁

Z₂

X₁

X₂

X₁

X₂

HÖ ®iÒu

khiÓn

l«gic

ThiÕt bÞ

®iÒu khiÓn

r¬ le

Z_n

X_m

a

b

X₁

X₂

Z₁

Z₂

X_M

y₁

y₂

HÖ ®iÒu

khiÓn l«gic

Z_n

u₁

u₂

y_s

u_q

M¹ch nhí

l«gic

c

H×nh 4: S¬ ®å khèi cña hÖ ®iÒu khiÓn l«gic

a. S¬ ®å tæng qu¸t

b. S¬ ®å hÖ ®iÒu khiÓn ®¬n b-íc

c. S¬ ®å hÖ ®iÒu khiÓn ®a b-íc

§å ¸n tèt nghiÖp

7

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Trên hình 4a là sơ đồ khối tổng quát của hệ điều khiển logic.Các tín

hiệu đầu vào : X1 , X2 , ….Xm và các tín hiệu đầu ra Z1 , Z2,…Zn đều là

các tín hiệu nhị phân ( có hai giá trị 0 và 1 ) các phép tính thực hiện trên

các tín hiệu này đều dựa trên các quy tắc và tính chất của đại số logic.Giá

trị đầu vào và giá trị đầu ra của thiết bị điều khiển logic là tổ hợp tương ứng

của tất cả các tín hiệu vào {Xm} và tín hiệu ra {Zn} tại cùng một thời điểm

xét.

Như vậy tại một thời điểm bất kỳ thiết bị điều khiển logic luôn luôn

được đặc trưng bởi những giá trị xác định các tín hiệu vào và tín hiệu

ra.Nếu như ta khảo sát làm việc của hệ điều khiển tại một dãy các thời điểm

ta sẽ nhận thấy tương ứng với một dãy các tín hiệu đầu vào {Xm} sẽ có

một dãy các tín hiệu đầu ra {Zn} xác định.Mối quan hệ giữa {Zn} và {Xm}

được thể hiện bằng lời văn hoặc bằng các công thức quy ước được gọi là

các điều kiện làm việc của các hệ điều khiển logic ( hay rơle).

Hệ điều khiển logic được gọi là đơn bước ( khi quan hệ {Zn}-{Xm}

là quan hệ đơn trị ) và đa bước (nếu quan hệ {Zn} và {Xm} là đa trị -tức

ứng với một giá trị {Xm} có thê có nhiều giá trị của {Zn}

Sơ đồ khối của các hệ điều khiển đơn bước và đa bước tương ứng

được trình bày trên hình 4b và 4c.Như trên hình vẽ ta thấy trong hệ điều

khiên đa bước ngoài khối logic có như trong hệ đơn bước còn có khối điều

khiển nhớ (Ys) tại cùng một thời điểm sẽ xác định trạng thái bên trong của

thiết bị điều khiển.Cũng tại thời điểm xét tổ hợp toàn bộ các tín hiệu đầu

vào {Xm} và trạng thái trong của thiết bị điều khiển logic (Ys) sẽ là trạng

thái đầy đủ của hệ thống điều khiển.Như vậy tại từng thời điểm ra luôn có

mối quan hệ đơn trị giữa các tín hiệu đầu ra {Zn} và trạng thái đầy đủ của

hệ thống điều khiển : {Xm} ; {Zn} . Ở đây ta thấy hệ đơn bước chỉ là một

trường hợp riêng của hệ đa bước.Khi (Ys) không hiện diện trong hệ thống

điều khiển.

§å ¸n tèt nghiÖp

8

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

§3. Mô tả hoạt động của hệ truyền động khí nén bằng biểu đồ trạng

thái làm việc

Hệ truyền dẫn của máy và dây truyền tự động là một tập hợp của các

hệ dẫn động cơ sở mà từng hệ đó tương ứng với một bộ phận công tác xác

định.

Hệ dẫn động cơ sở đặc trưng bởi các tín hiệu đầu vào ( nhận từ hệ

điều khiển tới ) và các tín hiệu đầu ra xác định vị trí các bộ phận công tác.

Các tín hiệu ở đầu vào và đầu ra chỉ có thể nhận một trong hai tín

hiệu quy ước là 0 và 1 (0 ở áp suất khí quyển Pa );( 1 ở áp suất nguồn Pn)

Một hệ cơ sở như vậy bao gồm :

-

1 cơ cấu chấp hành khí nén

1 van phân phôi khí nén

Các phần tử điều khiển

Các máy và dây chuyền tự động thường cho phép thực hiện các chế

độ hoạt động như sau :

Chế độ tự động

-

Chế độ bán tự động

Chế độ hiệu chỉnh

Trong chế độ tự động sau khi khởi động chu trình làm việc của máy

(được định sẵn ) sẽ được thực hiện một cách tuần tự , nhắc lại liên tục.Máy

chỉ dừng lại khi có tín hiệu báo dừng.

Để mô tả hoạt động của từng hệ truyền động khí nén cơ sở và toàn

bộ hệ dẫn động nói chung người ta sử dụng một dạng đồ thị quy ước được

gọi là biểu đồ trạng thái làm việc.

Biểu đồ trạng thái làm việc cho phép mô tả trình tự thay đổi trạng

thái và chuyển động của các cơ cấu chấp hành … trong suốt cả thời gian

chu trình làm việc của nó.

Để thuận tiện cho việc mô tả này chu trình làm việc của hệ dẫn động

khí nén được chia thành nhiều khoảng được gọi là các bước trong đó diễn

ra sự thay đổi trạng thái hệ thống hoặc chuyển động của các cơ cấu chấp

hành khí nén.Chuyển động của các cơ cấu chấp hành khí nén trên biểu đồ

§å ¸n tèt nghiÖp

9

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

được thể hiện bằng các đường nghiêng, ví trí đứng yêu (không chuyển

động) bằng các đường bằng (nằm ngang)

Trạng thái tín hiệu điều khiển của các phần tử điều khiển ( cảm biến

vị trí , phần tử phản hồi ) được thể hiện trong từng bước bằng hai mức :

1 : có tín hiệu

0 : không có tín hiệu

tương ứng với các đường bằng trên và đường bằng dưới.Trên biểu đồ

còn thể hiện trạng thái trong từng bước của từng tín hiệu điều khiển các van

phân phối , trị số hàm trạng thái và hàm cấu trúc của hệ thống.

Như vậy mỗi một bước trong biểu đồ trạng thái làm việc của hệ

truyền động khí nén được đặc trưng bởi những giá trị xác định của các tín

hiệu ở đầu vào của từng hệ truyền động cơ sở.Sự thay đổi ( giá trị ) của các

tín hiệu này đồng nghĩa với sự chuyển trạng thái của hệ truyền động khí

nén sang bước tiếp theo.Ranh giới giữa các bước trên biểu đồ trạng thái

làm việc được đánh dấu bằng các đường thẳng đứng – phân cách các bước

với nhau được gọi là các biên của các bước.Vậy biên của các bước chính là

thời điểm mà tại đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của hệ dẫn động khí nén,

ví dụ : bắt đầu chuyển động của cơ cấu chấp hành , chuyển vận tốc của

chúng sang vận tốc khác , bắt đầu quá trình hãm …

Nếu như ở đây có nhiều hệ truyền động cơ sở đồng thời cùng làm

việc thì ta quy ước coi bắt đầu chuyển động của các cơ cấu chấp hành của

chúng là đồng bộ thuận lợi hơn cho việc xét hoạt động của toàn bộ hệ

thống.

Một đặc điểm cơ bản của biểu đồ trạng thái làm việc của hệ thống

truyền động khí nén là sự thực hiện tuần tự các bước của một cơ cấu chấp

hành khí nén bất kỳ trong hệ truyền động : chúng chỉ có thể bắt đầu khi các

chuyển dịch có thể có của toàn bộ hệ truyền động đã kết thúc tại bước trước

đó. Điều này trong các hệ truyền động khí nén được kiểm soát bởi các phần

tử điều khiển kiểu công tắc hành trình.Nếu như điều này không được kiểm

soát trong hệ thống nhất thiết phải có thêm các điều kiện phụ đảm bảo chắc

chắn rằng các dịch chuyển đó đã kết thúc ở thời điểm bắt đầu một bước tiếp

§å ¸n tèt nghiÖp

10

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

theo của hệ truyền động khí nén. Đây là điều kiện cần thiết để đảm bảo loại

trừ các sự cố kỹ thuật và tai nạn có thể xảy ra.

1

2

3

4

a₁

A

B

a₀

b₁

b₀

A₁

a₀

B₁

B₀

a₁

A₀

a₁

st

b₀

b₁

Hình 5: biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động tự động khí

Trên hình 5 là ví dụ về biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền

nén

động khí nén của một máy tự động.

Việc thực hiện hoá các biểu đồ trạng thái làm việc như trên gắn liền

với việc kiểm tra tại từng thời điểm xác định ( các bước ) các điều kiện bổ

xung ta ký hiệu là Pi (i= 1,2,3 ..)

Nếu điều kiện được thực hiện => Pi =1 , còn nếu điều kiện làm việc

không được thực hiện => Pi = 0.

Phân biệt hai trường hợp :

1.Các điều kiện logic được kiểm tra tại thời điểm đầu mỗi bước – ta

gọi là các điều kiện logic cho phép làm việc.Nếu điều kiện này được thực

hiện -bước tiếp theo sẽ diễn ra .Nếu điều kiện này không được thực hiện -

hệ truyền động khí nén sẽ giữ nguyên trạng thái mà nó có trước đó

2. Các điều kiện logic được kiểm tra tại các thời điểm trong mỗi

bước – ta gọi là các điều kiện khẳng định làm việc , nếu điều kiện này được

§å ¸n tèt nghiÖp

11

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

thực hiện -hệ truyền động giữ nguyên trạng thái có với các chuyển động

của các cơ cấu chấp hành tương ứng với hưóng được quy định trong bước

đang xét trên biểu đồ trạng thái làm việc, nếu điều kiện logic khẳng định

không được thực hiện - chuyển động tiếp tục của cơ cấu chấp hành bị cấm-

nó hoặc là phải dừng lại tại chỗ hoặc là phải quay trở lại vị trí có tại thời

điểm bắt đầu của bước được xét hoặc sẽ diễn ra sự thay đổi trạng thái của

toàn bộ hệ truyền động khí nén và hệ truyền động khí nén có thể bắt đầu

làm việc theo biểu đồ trạng thái biến đổi mới khác với biểu đồ ban đầu.

§4. Cấu trúc của hệ điều khiển các hệ truyền động-tự động khí nén làm

việc theo chu trình

A

Tõ c¶m biÕn

K§L K§L

_Pnx1

xm

P1

TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic

Zn

Z1

V10 V11

Vs0 Vs1

a

x1

xm

y1

P1

Pn

ys

TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic

V10 V11

Vs0 Vs1

U11

U10 Un1 Un0

TR

Z1

Zn

b

Hình 6: Sơ đồ khối tổng quát của hệ truyền dần điều khiển khí nén

của máy và dây chuyền tự động làm việc theo chu trình.

Hình 6a: Sơ đồ khối tổng quát.

Hình 6b: Sơ đồ khối hệ điều khiển rút gọn.

§å ¸n tèt nghiÖp

12

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Hệ thống bao gồm (hình 6a) : các hệ truyền động khí nén cơ sở phần

chính của hệ điều khiển là khối điều khiển logic đa bước với các đầu vào là

: P1 , P2 , …Pk ; X1, X2…Xm và các đầu ra : Z1, Z2,…Zn ; các bộ thiết bị

giữ chậm và phần tử như dạng Trigơ có các đầu vào riêng biệt : U10,

U11…Us1 và các đầu ra : Y1, Y2…Ys - tổ hợp giá trị của các tín hiệu trong (

chúng sẽ xác định trạng thái trong của khối điều khiển logic ) ; X1, X2

…Xm được đưa tới khối điều khiển logic từ các cảm biến vị trí, còn các tín

hiệu P1, P2…Pk từ các sở đồ kiểm tra đặc biệt - gọi là các khối kiểm tra

điều kiện logic.Tại đầu của một bước bất kỳ trong chu trình làm việc, từng

bộ phận công tác ( gắn với các hệ truyền động cơ sở ) sẽ đè lên công tắc

hành trình tương ứng.Nói cách khác vị trí của chúng được định bởi các

công tắc hành trình đó.

Các tín hiệu vào tương ứng (X1, X2…Xm ) sẽ có những giá cụ thê

xác định.Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác

nào đó tới vị trí xác định mới sẽ có ít nhất một công tắc hành trình được

giải phóng ( không bị đè ) tức là có giá trị không xác định.Các tín hiệu

chính ở đầu vào của bộ phận điều kiện logic do vậy cũng có giá trị không

xác định tuy nhiên ở trạng thái này - bộ phận công tác của hệ truyền động

cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ nguyên chuyển động theo hưóng đã có cho đến

tận cuối bước.Vì vậy khối điều khiển logic vẫn phải đảm bảo các tín hiệu

đầu ra với các giá trị không đổi đã có trước đó, tương ứng với đầu bước

chuyển động tức là tưong ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu chính

ở đầu bước đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ

điều khiển logic.

Sơ đồ của hệ điều khiển logic có tính chất đặc điểm vừa nêu của hệ

truyền dẫn khí nén được trình bày trên hình 6b.Trên sơ đồ ta thấy trước các

kênh đầu ra (: Z1, Z2,…Zn ) có bố trí các mạch điều khiển ( kiểu trigơ ) làm

việc bởi các tín hiệu từ khối điều khiển logic ( U11 , U10…Us1, Us0 )

Cách xây dựng hệ điều khiển như vậy cho phép giảm được số phần

tử dùng trong khối điều khiển logic chính, đơn giản hoá được các mô tả

điều kiện làm việc và tổng hợp hệ điều khiển chung.

§å ¸n tèt nghiÖp

13

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

§5.Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động- tự động khí nén theo

biểu đồ trạng thái làm việc

Theo điều kiện làm việc, các hệ điều khiển thường được chia làm hai

nhóm:

-Đơn bước

-Đa bước

Các hệ đơn ước là các hệ mà trong đó tại bất cứ thời điểm nào tổ hợp

giá trị các tín hiệu đầu ra cũng được xác định đơn trị bằng tổ hợp các giá trị

tín hiệu ở đầu vào và hoàn toàn không phụ thuộc vào tổ hợp giá trị các tín

hiệu đầu vào ở bước trước đó.Tức là tín hiệu ra của các hệ đơn bước hoàn

toàn được xác định bởi trạng thái của các tín hiệu vào ở thời điểm xét. Đối

với các hệ đa bước tổ hợp các tín hiệu ra được xác định không chỉ bằng

trạng thái đầu vào tại thời điểm xét mà còn phụ thuộc vào cả tổ hợp giá trị

các tín hiệu vào ở các bước trước đó.

Để tổng hợp hệ điều khiển đơn bước ta chỉ cần sử dụng các phần tử

tự động logic cơ bản, còn đối với các hệ đa bước ngoài ra chúng ta còn phải

sử dụng cả các loại phần tử nhớ phản hồi khác nhau nữa.

Trong các hệ điều khiển theo vị trí được kiểm soát bằng công tắc

hành trình, lệnh để thực hiện từng bước chuyển động chỉ được phát đi sau

khi đã nhận được tín hiệu của các cảm biến vị trí báo đã kết thúc bước

chuyển động trước đó.

Hoạt động của các loại hệ vừa nêu có thể tả bằng biểu đồ trạng thái

làm việc và trên cơ sở đó có thể tiến hành tổng hợp sơ đồ nguyên lý điều

khiển khí nén cho toàn bộ hệ thống truyền động.

Việc tổng hợp các hệ điều khiển phụ thuộc vào loại phần tử tự động

khí nén được chọn vào kiểu van phân phối khí nén được dùng để điều

khiển các hệ truyền động . Trong trường hợp sử dụng các van phân phối

điều khiển bằng khí nén một phía cần phải tính đến rằng khi không có tín

hiệu điều khiển van phân phối ở vị trí làm việc ban đầu của mình.Bởi thế

cùng một bài toán tổng hợp hệ điều khiển cho một hệ truyền động với

những yêu cầu và điều kiện làm việc cho trước ta thu được một sơ đồ điều

§å ¸n tèt nghiÖp

14

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

khiển logic nhưng lại có thể có nhiều sơ đồ nguyên lý khí nén khác nhau

cùng đáp ứng được các yêu cầu và điều kiện làm việc đã cho của hệ truyên

động - tự động khí nén.

§å ¸n tèt nghiÖp

15

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

CH¦¥NG ii

NGUY£N Lý HO¹T §éng cña c¸c thiÕt bÞ khÝ

nÐn c¬ b¶n vµ sù hiÖn thùc ho¸ hÖ thèng ®iÒu

khiÓn khÝ nÐn

§1. Các phần từ chấp hành

1. Xi lanh một chiều:

a Ký hiệu

b Mặt cắt nguyên lý

c Nguyên lý hoạt động

Với các xi lanh khí nén một chiều thì khí nén chỉ tác động lên bề mặt

pittông theo một phía nhất định.Phía còn lại được thông với không khí bên

ngoài ( qua lỗ thông khí )

Xi lanh chỉ có tác động điều khiển một chiều nhất định.Chiều chuyển

động ngược lại của pittông được thực hiện do lực đàn hồi của lò xo bên

trong xi lanh hoặc do một lực bên ngoài tác động.

Lực đàn hồi của lò xo tác động làm pittông trở lại vị trí ban đầu với

một tốc độ tương đối cao mà không cần một điều kiện nào.

Bình thường khi không có khí nén tác động ( cổng nối với nguồn khí

nén bị khoá) thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đảy pittông về một đầu của hành

trình và pittông sẽ giữ nguyên ở đầu hành trình đó.

§å ¸n tèt nghiÖp

16

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Khi có khí nén tác động ( cổng nối với nguồn khí nén thông ) thì do

áp lực của nguồn khí nén tác động lên bề mặt pittông sẽ thắng lực đàn hồi

của lò xo làm cho pittông bị đẩy ngược lại với hành trình ban đầu. Đến cuối

hành trình pittông bị giữ ở vị trí đó cho đến khi ta cắt nguồn khí ( lúc đó chỉ

còn lại lực đàn hồi của lò xo đang bị nén) lò xo sẽ đẩy pittông trở lại vị trí

ban đầu . Hành trình sẽ lặp đi lặp lại nếu ta liên tục đóng ngắt nguồn khí.

Tuy nhiên hành trình của xi lanh 1 chiều bị giới hạn bởi chiều dài tự nhiên

của lò xo. Vì thế các xi lanh khí nén 1 chiều chỉ có tác dụng trong chiều dài

hành trình của nó tối đa là 80mm.

2. Xi lanh hai chiều

a Ký hiệu

b Mặt cắt nguyên lý

c Nguyên lý làm việc

Đối với xi lanh hai chiều thì cấu trúc cũng tương tự như xi lanh một

chiều nhưng nó không có lò xo mà nó lại có hai cổng khí . Hai cổng khí

này thực hiện chức năng như một cổng khí nguồn và một cổng khí xả . Hai

cổng khí này có thể điều khiển thay đổi chức năng cho nhau một cách dễ

dàng , linh hoạt tức là ta có thể điều khiển cả hai chiều chuyển động của

pittông một cách dễ dàng . Đó chính là ưu điểm của nó so với xi lanh một

chiều .

Khi cổng khí phải được nối với nguồn khí , còn cổng khí trái thông

với van xả thì pittông sẽ chuyển dịch sang phía trái.

§å ¸n tèt nghiÖp

17

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Muốn pittông chuyển dịch theo hướng ngược lại ( tức là từ trái sang

phải ) ta chỉ việc đảo chức năng hai cổng khí cho nhau tức là ta điều khiển

cho cổng khí trái được thông với nguồn khí nén còn cổng khí phải thông

với van xả.

Trong trường hợp cả hai cổng khí đều được thông với nguồn khí nén

hoặc cả hai cổng khí đều thông với van xả thì pittông đều không chuyển

động được vì lực tác dụng lên nó cân bằng nhau.

§2. Các phần tử điều khiển

1. Van điều khiển trực tiếp bằng khí

a. Kiểu 4/2

4 2

- Ký hiệu

14

12

1 3

- Mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động

Van 4/2 gồm có hai cổng khí ra 4 và 2 . Trong đó luôn có một cổng

khí thông với nguồn và một cổng khí thông với cổng xả.

Các cổng khí 12 và 14 thực hiện chức năng điều khiển trạng thái của

các cổng khí ra 4 và 2 .

§å ¸n tèt nghiÖp

18

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 quyết định bởi vị trí dừng của

pittông trong van.Nếu pittông dừng ở bên trái thì cổng 4 thông với cổng xả

3 , cổng khí 2 thông với nguồn khí 1.

Nếu pittông dừng ở bên phải thì cổng khí 4 thông với cổng khí

nguồn 1 và cổng khí 2 thông với cổng khí xả 3.

Trên hình mặt cắt nguyên lý là trường hợp pittông dừng bên trái.Dễ

thấy cổng khí 2 thông với cổng khí nguồn 1 cổng khí 4 thông với cổng khí

xả 3.

Muốn đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 cho nhau ta

tác động vào các cổng khí điều khiển như sau: ta cắt nguồn khí ở cổng 12

và đóng nguồn khí cho cổng 14 . Khi đó áp lực của khí nén tác động lên bề

mặt của pittông ( thắng lực ma sát ) sẽ đẩy pittông chạy sang bên phải .

Khi pittông dừng ở bên phải thì cổng khí 4 lúc này sẽ thông với cổng khí

nguồn 1 và cổng 2 sẽ thông với cổng xả 3.

Sau đó nếu ta cắt nguồn khí ở cổng 14 và đóng nguồn khí ở cổng 12

thì pittông sẽ quay về vị trí ban đầu ( bên trái ) và trạng thái của các cổng

khí ra 4 và 2 sẽ phục hồi ( cổng 4 thông với cổng 3 , cổng 2 thông với cổng

1 )

Chú ý : nếu ta cắt hoặc đóng nguồn cho các cổng khí 14 và 12 cùng

một lúc thì trạng thái các cổng khí 4,2 không đổi

b. Van kiểu 5/2

- Ký hiệu

§å ¸n tèt nghiÖp

19

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

- Mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động

Van 5/2 có hai cổng khí ra 4 và 2 trong đó luôn có một cổng khí

thông với nguồn và một cổng thông với van xả đồng thời hai cổng khí này

có thể đảo ngược trạng thái cho nhau.

Cổng khí 1 đóng vai trò cổng khí nguồn còn cổng 3 và 5 là các cổng

khí xả .

Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 được điều khiển bằng các cổng

khí 12 và 14 .

Vị trí của pittông bên trong van sẽ quyết định trạng thái của các cổng

khí ra 4 và 2.Nếu pittông dừng bên trái như mặt cắt nguyên lý ta thấy cổng

khí 4 thông với cổng xả 5, cổng 2 thông với cổng khí nguồn 1.Nếu pittông

dừng bên phải thì khi đó cổng khí 4 thông với nguồn 1 và cổng khí 2 thông

với cổng xả 3.

Muốn van chuyển từ trạng thái pittông ở bên trái sang trạng thái

pittông ở bên phải thì ta tác động vào các cổng khí điều khiển bằng cách cắt

nguồn khí ở cổng 12 và cấp nguồn khí cho cổng 14. Ngược lại muốn van

chuyển từ trạng thái ở pittông ở bên phải sang trạng thái mặt cắt 1 thì ta cắt

nguồn ở cổng 14 và cấp nguồn khí cho cổng 12.

Như vậy bằng tác động vào các cổng khí điều khiển ta dễ dàng thay

đổi trạng thái các cổng khí ra theo như mong muốn và van 5/2 thường được

dùng để điều khiển hoạt động của các xi lanh khí nén.

§å ¸n tèt nghiÖp

20

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

2. Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén

a .Van 5/2 có một cuộn dây điều khiển (van tự phục hồi)

- Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động

Van có các cổng khí ra 4 và 2 , cổng khí nguồn 1 và các cổng khí xả 5,3.

Trong các cổng khí ra 4 ,2 thì luôn có một cổng khí nối với nguồn và

một cổng khí thông với nguồn xả.Cuộn dây bên trái van có tác dụng để

điều khiển sự đảo ngược trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 .

Ta có thể mô tả hoạt động của van như sau:

- Ở vị trí ban đầu pittông của van dừng bên trái ( như trên mặt cắt 1 )

ta thấy cổng khí 4 thông với cổng xả 5 , cổng 2 thông với nguồn 1.

§å ¸n tèt nghiÖp

21

TR-êng ®¹i häc b¸ch khoa

- Nếu cuộn dây được cấp điện thì pittông sẽ chuyển dịch sang phải

và dừng ở bên phải , ở vị trí này cổng khí 2 sẽ thông với cổng khí xả 3 còn

cổng khí 4 thông với cổng khí nguồn 1 ( mặt cắt 2 ) .

- Nếu cuộn dây bị cắt điện thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông

quay trở lại vị trí ban đầu ( như mặt cắt 1 )

- Cổng 84 là cổng thông khí trong quá trình pittông chuyển động

thay đổi trạng thái.

- Ký hiệu và mặt cắt nguyên lý

- Nguyên lý hoạt động

Nhìn các mặt cắt ta dễ thấy có hai cuộn dây ở bên trái và bên phải

của van. Các cuộn dây này có chức năng điều khiển trạng thái ra của các

cổng khí 4 và 2.

Hoạt động của van có thể tóm tắt như sau :

§å ¸n tèt nghiÖp

22