Điện - Điện tử - Chương 3: Công nghệ điều khiển bằng khí nén

Nội dung text: Điện - Điện tử - Chương 3: Công nghệ điều khiển bằng khí nén

1. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Công tắc hành trình hai chiều Công tắc hành trình một chiều Hình 2.55 Chương 3 CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN 3.1. Phương pháp mô tả bài toán điều khiển Trong lĩnh vực thiết kế hệ thống điều khiển nói chung và trong lĩnh vực thiết kế hệ thống khí nén, thủy lực nói riêng- mô tả bài toán điều khiển là việc xác định rõ đối tượng điều khiển, nhiệm vụ điều khiển, các thông số cần điều khiển, các điều kiện ràng buộc Để mô tả bài toán điều khiển, người ta thường dùng những thuật ngữ, những ký hiệu, quy ước thể hiện dưới dạng sơ đồ khối, biểu đồ, lưu đồ thuật toán, lưu đồ tiến trình Trong kỹ thuật điều khiển hệ thống khí nén, thủy lực, việc mô tả bài toán điều khiển thường hay dùng Biểu đồ hành trình bước , Sơ đồ chức năng hay Lưu đồ tiến trình. Tùy theo yêu cầu mô tả bài toán điều khiển, người ta có thể sử dụng các dạng biểu đồ sau: - Biểu đồ chuyển động ( Motion diagram), trên hình 3.1 biểu diễn sơ đồ công nghệ một khâu vận chuyển sản phẩm và biểu đồ chuyển động của cơ cấu chấp hành. Biểu đồ này chỉ mang thông tin về hành trình bước của các xilanh. Hình 3.1 Mô tả biểu đồ chuyển động 26
2. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Biểu đồ chuyển động còn được mô tả thật ngắn gọn bằng dãy ký hiệu: 1A+ 2A+ 1A- 2A- Đọc theo thứ tự từ trái qua phải là : bước 1 piston 1A đi lên( up), bước 2 2A đi ra (advance), bước 3 1A đi xuống (down), bước 4 2A đi về (return) - Biểu đồ hành trình thời gian ( Displacement - time Diagram) Biểu đồ hình 3.2 ( vẫn cho ví dụ trên), ngoài thông tin về hành trình còn biểu diễn thời gian thực hiện các bước. Hình 3.2 mô tả biểu đồ hành trình thời gian - Biểu đồ điều khiển (Control chart) Hình 3.3 trình bày một biểu đồ điều khiển mô tả trạng thái đóng mở của một số phần tử điều khiển (van 1V cho 1A, 2V cho 2A) và phần tử đưa tín hiệu ( công tắc hành trình 1S1) để thực hiện các bước hành trình nêu trên. Hình 3.3 Biểu đồ điều khiển - Biểu đồ chức năng (Function diagram) Nếu tích hợp biểu đồ chuyển động (hình 3.1) hoặc biểu đồ hành trình thời gian (hình 3.2) với biểu đồ điều khiển (hình 3.3 ) ta sẽ có một biểu đồ chức năng. Ví dụ biểu đồ (hình 3.4) mô tả tích hợp các thông tin về chuyển động theo hành trình bước của các cơ cấu chấp hành dưới tác động điều khiển của các phần tử điều khiển cần thiết. Trong hình 3.4 quy ước kí hiệu hành trình của các cơ cấu chấp hành: - Số (1) là điểm cuối của hành trình đi ra - Số (0) là điểm cuối của hành trình thu về và trạng thái đóng mở của các phần tử điều khiển: - Số (1) là trạng thái mở, cung cấp khí nén - Số (0) là trạng thái khóa, ngắt nguồn khí nén Hình 3.4 27
3. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo - Biểu đồ hành trình bước (Displacement- Step diagram) Các dạng biểu đồ vừa được mô tả trên đây rất có ý nghĩa cho việc phân tích bài toán điều khiển một cách chi tiết cho từng phần tử. Tuy nhiên, để đơn giản, phù hợp đối với bài toán điều khiển không quá phức tạp, người ta sử dụng biểu đồ hành trình bước. Biểu đồ hành trình bước biểu diễn trình tự hoạt động của các phần tử chấp hành trong hệ thống, mối quan hệ giữa các bước theo trình tự thông qua các tín hiệu điều khiển. Ví dụ về biểu đồ này được mô tả trên hình 3.5. Biểu đồ mô tả khá đầy đủ các thông tin cần thiết nhất cho thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống khí nén: -Hành trình chuyển động của các phần tử chấp hành; - Các phần tử đưa tín hiệu – giao tiếp người-hệ thống, giao tiếp hệ thống – hệ thống và các mối quan hệ của các tín hiệu điều khiển. - Nguồn và chiều tác động của các tín hiệu điều khiển. Hình 3.5 Biểu đồ hành trình bước Tuy nhiên, khi cần mô tả bài toán điều khiển chi tiết, đầy đủ hơn nữa, như việc biểu diễn trạng thái của các phần tử điều khiển, các phần tử đưa tín hiệu hoặc cần biểu diễn cụ thể thời gian của từng bước hành trình chúng ta cần kết hợp tất các các dạng biểu đồ trên. Tập đoàn FESTO hỗ trợ vẽ các biểu đồ cũng như mạch hệ thống khí nén bằng phần mềm FluidDRAW4. * Một số ký hiệu chức năng các phần tử điều khiển (Theo tiêu chuẩn VDI 3260- CHLB Đức) : Tác động của cảmbiến áp suất P 6bar Tác động của phần tử thời gian t 5s Liên kết AND của hai tín hiệu Liên kết OR của hai tín hiệu Các tín hiệu rẽ nhánh Tín hiệu từ các phần tử đưa tín hiệu 28
4. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Ví dụ 1: Thiết bị ép dán Plastic, công nghệ (Hình 3.6) và biểu đồ hành trình bước ( hình 3.7) - Bàn ép đựơc truyền động lên xuống bằng Xilanh 1A - Thời gian ép được đặt theo yêu cầu, ví dụ 5s và được tính từ thời điểm bàn ép tác động lên công tắc hành trình (1S2). - Chu trình mới được bắt đầu bằng việc nhấn nút ấn (1S3) và kèm theo điều kiện bàn ép đã rút về vị trí cuối cùng (1S1 được tác động). 5s Hình 3.7. Biểu đồ hành trình bước Hình 3.6 Mô tả công nghệ Sơ đồ hệ thống được thiết kế cho ví dụ 1 ( hình 3.8) Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống được thiết kế cho ví dụ 1 Ví dụ 2: Từ sơ đồ mô tả công nghệ (hình 3.9), thiết lập biểu đồ hành trình bước(hình 3.10) Giả thiết, thông qua các cơ cấu phụ trợ (không thể hiện trên sơ đồ) có thể lắp đặt được các công tắc hành trình vào các vị trí cần thiết, có thể thiết lập được biểu đồ trạng thái: Hình 3.9 Mô tả công nghệ Hình 3.10 Biểu đồ hành trình bước 29
5. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo 3.2. Các cấu trúc mạch điều khiển hoàn toàn bằng khí nén điển hình 3.2.1 Điều khiển trực tiếp Bằng các thiết bị đóng mở trực tiếp cung cấp nguồn khí nén cho Xi lanh hoặc Motor. Ví dụ: Một khâu của thiết bị phân loại và vận chuyển sản phẩm (hình 3.11), giả thiết có nhu cầu điều khiển trực tiếp, sơ đồ khí nén và mô tả hoạt động như trên hình 3.12 Hình 3.11 Hình 3.12 Điều khiển trực tiếp XL tác dụng kép 3.2.2 Điều khiển gián tiếp Sử dụng van điều khiển đảo chiều làm trung gian. Hình 3.13 mô tả mạch điều khiển gián tiếp Xilanh đơn Hình 3.13 3.2.3 Điều khiển tuần tự theo hành trình Quá trình điều khiển diễn ra tuần tự theo từng bước tuân thủ theo yêu cầu công nghệ. Ví dụ1: Điều khiển một Xilanh Giả thiết một hệ thống khí nén có sơ đồ hành trình bước cho trên hình 3.14, thêm yêu cầu về thời gian (t1>t2), tải trọng không đổi. Hệ thống khí nén được thiết kế như hình 3.15 t1 t2 Hình 3.15 Bi ể u đồ hành trình b ướ c Hình 3.16 Sơ đồ hệ thống 30
6. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Ví dụ 2: Điều khiển hai xilanh Hình 3.17 biểu diễn công nghệ và biểu đồ hành trình bước của một khâu đóng gói sản phẩm. Mô tả công nghệ Biểu đồ hành trình bước Hình 3.17 Hai phương án thiết kế hệ thống khí nén (hình 3.18), thực tế 1A và 2A không thể rút về đồng thời mà 2A chỉ rút về được khi 1A về trước một khoảng đủ để thả tự do cho 1S2. Hình 3.18 Ví dụ 3 Điều khiển hai Xilanh. Sơ đồ công nghệ và biểu đồ hành trình bước (hình 3.19): Thiết bị khoan chi tiết Biểu đồ hành trình bước Hình 3.19 31
7. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Hình:3.20 Sơ đồ hệ thống khí nén thiết bị khoan chi tiết Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống được thiết kế như trên hình 3.20 Để loại trừ khả năng trùng tín hiệu điều khiển, ta đã dùng công tắc hành trình (1S2, 2S1) tác động một chiều. 3.2.4 Điều khiển tuần tự theo thời gian Vì tốc độ truyền động bằng khí nén luôn phụ thuộc vào tải trọng nên trong các hệ thống điều khiển đơn giản, việc điều khiển theo thời gian thường chỉ được áp dụng vào các điểm dừng của cơ cấu chấp hành. Ví dụ 1: Điều khiển một xilanh có yêu cầu cho theo biểu đồ hành trình bước trên hình 3.21 Sơ đồ hệ thống khí nén được mô tả trên hình 3.22 Hình 3.21 Biểu đồ hành trình bước Hình 3.22 Sơ đồ hệ thống khí nén 3.2.5 Điều khiển tuần tự theo áp suất Điều khiển tuần tự theo áp suất là sử dụng tín hiệu giám sát áp suất ( thực tế có thể là lực kẹp, lực đẩy, kéo ) để điều khiển những bước tiếp theo, trong hệ thống này 32
8. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo thường sử dụng van tuần tự áp suất. Hình 3.23a trình bày biểu đồ hành trình bước điều khiển một xilanh theo tuần tự áp suất. Để nâng cao độ chính xác của quá trình điều khiển, khi giám sát bằng van áp suất, người ta thường dùng thêm van điều chỉnh áp suất. Hình 3.23b là sơ đồ hệ thống điều khiển bằng khí nén. 6bar P 01 3=1 1 1S4 2 0 Biểu đồ hành trình bước Hình 3.23a Hình 3.23b Sơ đồ hệ thống khí nén điều khiển theo áp suất 3.2.6 Điều khiển theo cấu trúc tầng Xây dựng cấu trúc điều khiển theo tầng thực chất là phân chia chu trình điều khiển gồm nhiều bước thành các tầng riêng rẽ (bao gồm một hay một số bước), như vậy có thể làm minh bạch hệ thống điều khiển, khắc phục hiện tượng trùng tín hiệu trong điều khiển. Không cần thiết phải sử dụng công tắc hành trình một chiều. Chia tầng là bước quan trọng nhất, nó quyết định cấu trúc của mạch hệ thống sẽ được thiết kế . Phương pháp chia tầng: a) Chia tầng trực tiếp trên biểu đồ hành trình bước: Nguyên tắc là chọn một hay một số bước liên tiếp của biểu đồ hành trình bước lập thành một nhóm (gọi là tầng) mà trong tầng mỗi phần tử chấp hành chỉ thực hiện một hành trình (0Æ1 hoặc ngược lại 1Æ0). Ví dụ: Trên hình 3.24a biểu diễn biểu đồ hành trình bước của một hệ thống 2 xilanh. Theo định nghĩa trên, ta chia thành 2 tầng: Tầng I gồm 3 bước ( 1-2-3); tầng II gồm 3 bước (3-4 -5). Ở mỗi tầng, mỗi xilanh chỉ thực hiện một hành trình. Hình 3.24a 33
9. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo b) Chia tầng theo chu trình kín: Cơ sở của phương pháp chia này là coi một chu trình điều khiển là một chu trình kín. Biểu đồ hành trình bước chính là hình khai triển theo nhát cắt qua bước thứ nhất. Bây giờ ta biểu diễn chu trình kín bằng một vòng tròn. Các bước thực hiện chia tầng (xem hình 2.24b): - Chia vòng tròn đó thành n phần bằng nhau, với n là số các hành trình của tất các cơ cấu chấp hành ( n là số chẵn – mỗi cơ cấu chấp hành có hai hành trình). - Theo một chiều tùy chọn, đặt liên tiếp các hành trình theo luật điều khiển tuần tự mà bài toán điều khiển yêu cầu ( nghiên cứu từ mô tả công nghệ hoặc biểu đồ hành trình bước). - Chọn điểm khởi đầu để chia tầng sao cho số tầng là ít nhất. Chẳng hạn, nếu chọn điểm khởi đầu từ bước 2 ( 1A-) theo chiều kim đồng hồ, ta có 2 tầng. Tuy nhiên nếu chọn từ bước 1 ( 1A+), ta có 3 tầng. và số tầng nhiều hơn sẽ khiến mạch điều khiển phức tạp và chi phí tốn kém hơn. Hình 3.24b Thiết kế hệ thống điều khiển theo tầng khí nén. Các nguyên tắc chung: - Trong hệ thống điều khiển theo tầng, mỗi tầng đã được phân chia như trên được xem như là một nguồn tín hiệu điều khiển( ở đây là nguồn khí nén dành cho điều khiển, ở phần sau chúng ta có tầng điện). Như vậy, ở mỗi thời điểm chỉ có một tầng duy nhất hoạt động, nói cách khác chỉ có một nguồn khí nén điều khiển duy nhất cho mỗi thời điểm. - Tại vạch phân chia tầng phải có phần tử đưa tín hiệu cung cấp tín hiệu chuyển tầng (hay thiết lập tầng) , ký hiệu là E1 thiết lập tầng I; E2 –tầng II ; Số tín hiệu chuyển tầng bằng số tầng. - Chuyển đổi khí nén cho các tầng gọi là van chuyển tầng, các van chuyển tầng nhất thiết phải là các van có nhớ 4/2 hoặc 5/2, số lượng cần dùng n-1 van, với n = số tầng. - Trình tự chuyển tầng phải tuân theo yêu cầu công nghệ, tức tuân theo biểu đồ hành trình bước. Để đảm bảo điều đó thì khí nén của một tầng đang tồn tại sẽ được dùng để điều khiển chuyển tầng cho tầng kế tiếp ngay sau đó thông qua các phần tử phát tín hiệu chuyển tầng. Hình 3.25a,b và c trình bày một số sơ đồ nguyên lý của mạch chuyển đổi tầng điều khiển bằng khí nén. 34
10. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Hình 3.25a Các mạch chuyển đổi 2, 3 tầng Hình 3.25b Mạch chuyển đổi 4 tầng Hình 3.25c Mạch chuyển đổi n tầng 35
11. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Ví dụ ứng dụng : 1. Điều khiển tự động theo hành trình một Xilanh tác dụng kép là mạch điều khiển hai tầng. Hình 3.26 trình bày biểu đồ hành trình bước Hình 3.26 Biểu đồ hành trình bước Số tầng n=2; số van chuyển tầng bằng 1 (van 1V0- 4/2 xung); số tín hiệu chuyển tầng bằng 2: ( 1S0 ∧ 1S1) và (1S2) Van đảo chiều 1V1 Hình 3.27 Hình 3.27 mô tả sơ đồ hệ thống khí nén có cấu trúc 2 tầng điều khiển xilanh nêu trên với yêu cầu hành trình đi ra có điều chỉnh tốc độ (dùng van tiết lưu 1V3); hành trình đi về nhanh nhất có thể ( dùng van xả nhanh 1V2). 2. Thiết bị gá kẹp và khoan chi tiết Hình 3.29 Hình 3.28 Sơ đồ công nghệ gia công khoan Hình 3.29 mô tả biểu đồ hành trình bước và 2 tầng điều khiển cho thiết bị khoan Hình 3.30 biểu diễn sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển bằng khí nén thiết kế theo tầng cho thiết bị khoan. 36
12. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Hình 3.30 3.2.7 Điều khiển theo cấu trúc nhịp Các phương pháp điều khiển đã trình bày có đặc điểm là, khi thay đổi quy trình công nghệ hay yêu cầu đặt ra, đòi hỏi phải thiết kế lại mạch điều khiển. Như vậy sẽ mất nhiều thời gian và công sức. Phương pháp điều khiển theo nhịp khắc phục được nhược điểm trên. Nguyên tắc điều khiển theo nhịp là các bước thực hiện lện xảy ra tuần tự. Nghĩa là các lệnh trong một nhịp thực hiện xong, thì một mặt thông báo ( chuẩn bị điều kiện) cho nhịp kế sau, mặt khác xóa lệnh nhịp thực hiện trước đó. 1. Các Module nhịp Để thực hiện điều khiển theo nhịp, người ta chế tạo các Module điều khiển cứng, gồm 3 phần tử: AND ( hoặc mạch theo hàm AND); Phần tử nhớ ( thường là một van 3/2; 4/2 hoặc 5/2 xung); và một phần tử OR như hình vẽ (hình 3.31) Trong hệ thống điều khiển tuần tự, người ta thường sử dụng một số kiểu Module nhịp đáp ứng các vai trò khác nhau. 1. Module kiểu A (hình 3.31), có thể được sử dụng cho tất cả các nhịp từ đầu chu trình đến nhịp trước cuối ( trừ nhịp cuối cùng) Nguyên lí làm việc: Xét cho một module kiểu A ở nhịp thứ n, khi nhận được tín hiệu thiết lập Yn ( có thể là lệnh vận hành hay lệnh điều khiển tuần tự), theo nguyên lý I-P-O ( Input – Processing – Output) thực hiện bởi van 3/2 xung và sẽ có tín hiệu ra An. Tín hiệu ra An được sử dụng với ba chức năng đồng thời: +) Điều khiển các phần tử ngoại vi ( ví dụ van đảo chiều). +) Xóa nhịp trước đó (Zn-1). Module A có thể được xóa bằng một trong hai nguồn lệnh, lựa chọn bằng cổng OR ( van 1V1): lệnh Z hoặc lệnh vận hành L ( đặt lại) – thiết lập trạng thái ban đầu cho van xung 3/2 (1V2). +) Sẵn sàng khởi tạo ( set) cho nhịp kế tiếp khi có lệnh Xn ( trong mối liên kết AND của van 1V2 và van 1V3) . Xn có thể là lệnh vận hành( người – hệ thống) hay các tín hiệu giám sát trong hệ thống. 37
13. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo A1 A2 Z1 S R S R Y : Tín hiệu thiết lập (SET) Y1 n Y2 Y : Tín hiệu chuẩn bị thiết lập cho nhịp thứ n+1 n+1 Z : Tín hiệu xoá (RESET) cho nhịp thứ n-1 ≥1 & n-1 Zn+1: Tín hiệu xoá (RESET) đến từ nhịp thứ n+1 P: áp suất nguồn L X L: Tín hiệu đặt lại A: Tín hiệu điều khiển gửi ra Mạch logic mô tả 2 module kiểu A liên tiếp Hình 3.31 Nguyên lý Module nhịp kiểu A 2. Module nhịp kiểu B Hình 3.32 mô tả cấu trúc một module nhịp Kiểu B. Nó được đặt ở vị trí cuối cùng trong chuỗi các Module nhịp nối tiếp, ngược với kiểu A, kiểu B có phần tử OR ghép tín hiệu thiết lập: Yn và tín hiệu đặt lại: L . Khi có tín hiệu đặt lại L thì toàn bộ các Module của chuỗi điều khiển(trừ khối cuối cùng - kiểu B) sẽ trở về vị trí ban đầu. Như vậy Module kiểu B có chức năng như là điều kiện để chuẩn bị khởi động của cả hệ thống. 3. Module kiểu C (hình 3.33) Module kiểu C không có phần tử nhớ, và như vậy không cần xóa hay đặt lại.Nó có vai trò như là phần tử truyền đạt tín hiệu ở cổng X, khi tìn hiệu ở cổng này còn tiếp tục tồn tại từ nhịp trước đó. Hình 3.32 Module nhịp kiểu B Hình 3.33 38
14. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Ví dụ ứng dụng: Thiết kế hệ điều khiển bằng khí nén theo nhịp cho yêu cầu nêu trong biểu đồ hành trình bước (hình 3.34a). Một phương án thiết kế được thể hiện trên sơ đồ (hình 3.34b ) Hình 3.34a Hình 3.34b Sơ đồ hệ thống khí nén điều khiển sử dụng các Module nhịp 39
15. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Từ ví dụ trên đây, có thể biểu diễn chuỗi điều khiển theo nhịp bằng một sơ đồ đơn giản hóa sau đây (hình 3.35): Chuỗi nhịp gồm có 4 khối, đường nét đứt còn có ý định thể hiện trong đó các điều kiện và các phần tử cần thiết cho việc khởi động một chu trình mới. Hình 3.35 Và để thuận lợi cho thiết kế, đối với hệ điều khiển theo các khối nhịp, người ta còn lập bảng quy trình thực hiện cho các nhịp cũng xuất phát từ biểu đồ hành trình bước. Bảng 3.1 là quy trình thực hiện cho các nhịp của ví dụ trên. Bảng 3.1 Nhịp thực hiện 1 2 3 4 Piston A+ A- A+ A- Vị trí hành trình 1S2 1S1 1S2 1S1 2. Các mạch điểu khiển theo nhịp điển hình Mạch điều khiển theo nhịp trình bày trên hình 3.35 được thiết kế theo biểu đồ hành trình bước theo quy trình tuần tự. Ứng dụng các module nhịp trong điều khiển tuần tự là ứng dụng cơ bản nhất. Tuy nhiên trong thực tế do những yêu cầu công nghệ khác nhau đòi hỏi thiết kế các mạch điều khiển khác nhau trên cơ sở các Module nhịp có sẵn: - Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện nhảy cóc - Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện lặp lại - Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện đồng thời - Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện tuần tự Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện nhảy cóc Giả sử một hệ thống có 4 xilanh làm việc theo yêu cầu điều khiển được biểu diễn đơn giản bằng bảng quy trình thực hiện nhịp ( bảng 3.2) và sơ đồ hệ thống được trình bày trên hình 3.36 Bảng 3.2 40
16. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Cấu trúc của hệ điều khiển gồm: Hình 3.36 Sơ đồ sử dụng: - 7 khối nhịp ( 6 khối kiểu A, 1 khối kiểu B đặt cuối cùng) làm cơ sở - Các van từ 1V1 đến 1V6 phục vụ các phương thức điều khiển khác nhau - Cấu trúc điều khiển cho phép thực hiện hai chương trình điều khiển bằng cách chọn trạng thái tác động của khóa 1V1 : + Khóa 1V1 mở (Van mở) : Hệ thống sẽ thực hiện điều khiển tuần tự từ bước 1 đến bước 7. + Khóa 1V1 khóa ( van đóng): Hệ thống sẽ thực hiện điều khiển bước 1, bước 2, bỏ qua các bước 3,4,5,6 thực hiện nháy cóc đến bước 7. - Khối điều kiện khởi động có thể gồm: + Điều khiển bằng tay- hệ thống sẽ làm việc tự động một chu trình + Điều khiển tự động - hệ thống sẽ làm việc tự động liên tục nhiều chu trình hoặc sau khi kết thúc mỗi chu trình có trễ một khoảng thời gian theo yêu cầu công nghệ. 41
17. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Mạch điều khiển theo nhịp với chu kỳ thực hiện lặp lại Cũng xét hệ thống có 4 xilanh như trên, làm việc theo yêu cầu điều khiển được biểu diễn đơn giản bằng bảng quy trình thực hiện nhịp ( bảng 3.3) và sơ đồ hệ thống cho trên hình 3.37 Bảng 3.3 Hình 3.37 Cấu trúc của hệ điều khiển hình 3.37 gồm: - 7 khối nhịp ( 6 khối kiểu A, 1 khối kiểu B đặt cuối cùng) làm cơ sở - Các van từ 1V1 đến 1V6 phục vụ các phương thức điều khiển khác nhau - Cấu trúc điều khiển cho phép thực hiện hai chương trình điều khiển bằng cách chọn trạng thái tác động của khóa 1V1 : + Khóa 1V1 khóa (Van đóng) : Hệ thống sẽ thực hiện điều khiển tuần tự từ bước 1 đến bước 7. + Khóa 1V1 mở ( van mở): Hệ thống sẽ thực hiện điều khiển từ bước 1 đến bước 6 rồi lặp lại các bước từ 3 đến 6 liên tục cho đến khi khóa 1V1. 42
18. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo 3.2.8 Các bài tập công nghệ điều khiển bằng khí nén Bài tập1: 1. Điều khiển trực tiếp Xilanh tác dụng đơn khi cần: + Điều chỉnh tốc độ khi Piston đi ra; lùi về bình thường + Hoặc điều chỉnh tốc độ khi Piston đi ra; lùi về nhanh nhất có thể (dùng van xả nhanh) 2. Dùng công tắc 5/2 với Xilanh tác dụng kép có điều chỉnh tốc độ khác nhau cho cần Piston khi đi ra, đi về. Bài tập 2: 1. Điều khiển Xilanh kép bằng van 5/2 đk khí nén một phía, phải đk bằng hai vị trí đồng thời (dùng hoặc không dùng phần tử AND ). 2. Điều khiển một Xilanh kép bằng van đk khí nén một phía, có thể điều khiển ở hai nơi 3. Sử dụng mạch tự giữ (tự duy trì) điều khiển gián tiếp Xilanh bằng van điều khiển một phía, so sánh với mạch dùng van có nhớ. Bài tập 3: 1. Điều khiển theo hành trình, có nút điều khiển Piston lùi về khẩn cấp. Biểu đồ hành trình bước (hình 3.38) Hình 3.38 2. Điều khiển theo hành trình, điều khiển từng bước.Biểu đồ hành trình bước (hình 3.39) Hình 3.39 Bài tập 4: Một thiết bị khuấy nguyên liệu sử dụng Motor khí nén dạng xuay (góc quay 0-270o) được mô tả bằng biểu đồ hành trình bước ( hình 3.40) Hoàn thiện sơ đồ hệ thống khí nén (hình 3.41) 5s t1 1V3 01 3=1 50% 1S4 2 1M 1 1S2 Motor M 1V2 50% 0 1S1 1V1 4 2 10s t2 5 3 Hình 3.41 1 Hình 3.40 43
19. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo Bài tập 5: Một thiết bị lắp ráp chi tiết có biểu đồ hành trình bước như hình vẽ (hình 3.42). Thiết kế hệ thống khí nén, tùy ý chọn áp suất và thời gian. Yêu cầu: Hành trình thực hiện lắp chi tiết có lựa chọn đựơc tốc độ. Hành trình rút về có tốc độ được tăng cường tối đa. Hình 3.42 Các bài tập nâng cao 1. Điều khiển Xilanh tác dụng đơn hoặc kép với mạch tự giữ khi sử dụng van đảo chiều 3/2 hoặc 4/2 hay 5/2 điều khiển bằng khí nén một phía: Hệ điều kiện điều khiển: - Bằng sự tác động nút ấn 1S1, hành trình đi ra của piston được duy trì. Bằng nút ấn 1S2, có thể đưa piston về từ bất kỳ vị trí nào trên hành trình đi ra ( ví dụ tình huống có sự cố) - Hành trình đi ra có điều chỉnh tốc độ. Hành trình đi về cần rút về nhanh nhất có thể. * Thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén. Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 2. Với dữ kiện cho trong bài 1, hãy thiết kế theo cấu trúc tầng và cấu trúc nhịp. Nhận xét về khả năng tự duy trì. Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 3. Điều khiển hệ thống bằng khí nén với cylinder tác dụng đơn hoặc kép nâng tải trọng m Hệ điều kiện điều khiển: 1S3 - - Bằng sự tác động nút ấn 1S1, hành trình đi ra của piston được duy trì. - Bằng nút ấn 1S2, có thể dừng piston ở bất kỳ vị trí nào trên hành trình đi ra ( chú ý tải của piston có thể khiến cho piston tự lùi về). m Nếu muốn tiếp tục đưa piston đi ra- lại ấn 1S1. Đến vị trí đặt cảm biến hành trình 1S4, piston tự rút về và chuẩn bị cho chu trình mới. - Hành trình đi ra và đi về đều có điều chỉnh tốc độ. Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 44
20. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo 4. Điều khiển một cylinder có biểu đồ bước như hình vẽ Hệ điều kiện: Như cho trên biểu đồ Yêu cầu : Hành trình đi ra và đi về đều có điều chỉnh tốc độ. Thời gian trễ tuỳ ý lựa chọn - Nhiệm vụ: * Chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén theo tầng Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 5. Điều khiển một cylinder có biểu đồ bước như hình vẽ Hệ điều kiện: Như cho trên biểu đồ Yêu cầu công nghệ: Hành trình đi ra và đi về đều có điều chỉnh tốc độ. Thời gian đặt tuỳ ý lựa chọn Nhiệm vụ: * Chọn phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén theo nhịp Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 6. Điều khiển một cylinder có biểu đồ trạng thái như hình vẽ Hệ điều kiện: Như cho trên biểu đồ Yêu cầu công nghệ: Hành trình đi ra bình thườngvà đi về cần có tốc độ nhanh nhất. Thời gian và áp suất đặt tuỳ ý lựa chọn Nhiệm vụ: * Thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén theo áp suất và thời gian Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 7. Điều khiển hai xilanh có biểu đồ hành trình bước như hình vẽ. Chọn cấu trúc điều khiển theo tầng khí nén. Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 45
21. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo 8. Thiết kế hệ thống khí nén điều khiển theo tầng có biểu đồ hành trình bước như hình vẽ bên: 9. Sơ đồ công nghệ thiết bị khoan cho trên hình vẽ bên Hệ điều kiện: Sau khi chi tiết cần khoan được đặt đúng vị trí, piston dẫn tiến bầu khoan đã rút lên vị trí cao nhất (xác định bằng cảm biến 1S1) hành trình dẫn tiến khoan bắt đầu khi ấn nút 1S4. Khoảng cách dẫn nhanh (không hạn chế lưu lượng ) được xác định bằng 1S2. Đoạn hành trình khoan cần có khả năng điều chỉnh tốc độ. Hành trình rút lên cần phải rất nhanh để tăng năng suất sản xuất. - Yêu cầu công nghệ: Hành trình đi ra của piston được chia thành hai giai đoạn với yêu cầu khác nhau về tốc độ hành trình. Hành trình rút về cần có tốc độ lớn nhất có thể - Nhiệm vụ: * Thiết lập biểu đồ hành trình bước của Xilanh dẫn khoan * Thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén theo cấu trúc điều khiển tùy chọn Lập bảng kê các phần tử đựơc sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 10. Thiết kế hệ thống khí nén thiết bị gia công chi tiết: Hệ điều kiện: Xilanh 1A đẩy chi tiết cần gia công ra khỏi ngăn chứa và thực hiện luôn việc kẹp chặt, bằng một cảm biến áp suất P giám sát lực kẹp chi tiết, khi áp suất đạt tới mức cần thiết, Xilanh mang bầu khoan 2A tự động thực hiện khoan chi tiết, khi hết hành trình ( xác định bằng một cữ chặn), 2A tự rút về, đến vị trí cuối cùng sẽ cho phép 1Arút về. Một cữ chặn khác xác định 1A đã về vị trí cuối cùng sẽ cho phép Xilanh 3A ra đẩy chi tiết vào thùng chứa và tự động rút về. Kết thúc một chu trình làm việc. - Yêu cầu công nghệ: Hành trình đi ra của các piston đều được hạn chế tốc độ, hành trình đi về bình thường - Nhiệm vụ: +Thiết lập biểu đồ hành trình bước + Thiết kế hệ thống theo tầng khí nén + Thiết kế hệ thống theo nhịp khí nén 46
22. Khoa Điện - Điện tử — HỆ THỐNG KHÍ NÉN, THUỶ LỰC Biên soạn: ThS. Nguyễn Phúc Đáo 11. Điều khiển một cylinder có biểu đồ hành trình bước như hình vẽ (trang tiếp theo) Hệ điều kiện: Như cho trên biểu đồ ( Khi cấp nguồn khí nén, trạng thái của piston tương ứng mức 1 – đây cũng là trạng thái kết thúc một chu trình điều khiển) - Yêu cầu công nghệ: Hành trình đi ra và đi về cần có điều chỉnh tốc độ. Số hành trình qua lại của piston tuỳ thuộc vào khoảng thời gian đặt t. - Nhiệm vụ: * Chọn phương pháp tối ưu thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén Lập bảng kê các phần tử được sử dụng trong sơ đồ: Phần tử Chú giải 47