Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện – khí nén – thủy lực

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN – KHÍ NÉN – THỦY LỰC – THEO PHƯƠNG PHÁP TẦNG.

Hà Nội, năm 2020

I. KHÁI NIỆM PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

1.1 Khái niệm

- Thiết kế theo tầng được coi phương pháp được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc thiết kế khí nén trong cả 2 phương pháp điều khiển bằng khí nén và điện-khí nén vì có thể dễ dàng thực hiện và hiểu hoạt động của mạch.

- Thiết kế mạch điều khiển theo tầng là phương pháp thiết kế thành từng tầng riêng. Ở mỗi tầng hoàn thành một hoặc một số bước của chu kỳ điều khiển.

2 I. KHÁI NIỆM PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

1.2 Nguyên tắc thiết kế mạch theo tầng

Trong thieát keá maïch ñieàu khieån theo taàng caàn thoaû maõn hai nguyeân taéc:

 Tín hieäu vaøo ôû caùc böôùc trong cuøng moät taàng

khoâng ñöôïc truøng nhau. Do ñoù khi coù caùc tín hieäu vaøo gioáng nhau ta phaûi xeùt ñeán vieäc chia taàng.  Taïi thôøi ñieåm baát kyø chæ coù duy nhaát moät taàng

ñieàu khieån hoaït ñoäng.

I. KHÁI NIỆM PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

1.3 Cách chia tầng

• Chia chu kỳ hoạt động của các cơ cấu chấp hành thành các tầng

với điều kiện: Không có xy lanh nào vừa đi ra vừa đi về trong một tầng hoặc cơ cấu quay vừa chuyển động thuận chiều và ngược chiều trong cùng một tầng.

xy lanh A đi ra xy lanh A đi về

A+ : A- : thì điều kiện trong việc chia tầng là không có ký hiệu của một xy lanh nào lặp lại trong cùng một tầng.

Ví dụ: có 3 xy lanh A, B, C hoạt động tuần tự như sau:

Start, A+, B+ / B-, A-, C+ / C-

Tầng: I / II / III

I. KHÁI NIỆM PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

1.4 Các bước giải một bài toán theo tầng

• Bước 1: Phân tích yêu cầu công nghệ và lựa chọn

mạch lực. Từ yêu cầu của hệ thống điều khiển, ta xác định các biến cần thiết đó là các công tắc hành trình và vị trí lắp đặt, các cảm biến cần thiết sử dụng, các nút nhấn hay cần gạt lựa chọn (Start – nút khởi động, Stop – nút dừng, điều khiển tự động – Auto hay bằng tay – Man)….

 Bước 2: Từ quy trình công nghệ, xây dựng biểu đồ trạng thái (biểu diễn các phần tử trong mạch, mối liên hệ giữa các phần tử và trình tự chuyển mạch của các phần tử. Cụ thể xác định có bao nhiêu cơ cấu chấp hành và trình tự hoạt động).

I. KHÁI NIỆM PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO TẦNG

1.4 Các bước giải một bài toán theo tầng

 Bước 3: Chia tầng

 Bước 4: Lập quy trình thực hiện cho các tầng và các

bước trong tầng

 Bước 5: Thiết kế mạch điều khiển bằng sử dụng các

mạch đảo tầng chuẩn.

 Về nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển bằng điện hay

bằng khí nén sử dụng phương pháp theo tầng là giống từ bước 1->4. Khác nhau ở bước 5 giữa mạch đảo tầng bằng khí và bằng điện.

II. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

Ý nghĩa của việc xác định tín hiệu đầu tầng (E): - Các tín hiệu này chính là các điều kiện để chuyển

tầng vì tại một thời điểm chỉ được phép một tầng có khí.

• Tín hiệu đầu tầng n chính là tín hiệu cuối cùng

được tác động của tầng n-1.

• Tín hiệu đầu tầng 1 chính là tín hiệu cuối cùng của tầng n kết hợp với nút nhấn START (ON) (các tín hiệu đầu tầng thường là công tắc hành trình, ..) Mạch đảo tầng: bao gồm các van đảo tầng (thực chất là các van đảo chiều 4/2 hoặc 5/2 có duy trì). Số van đảo chiều bằng số tầng trừ đi 1 (bằng n-1)

II. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

2.1 Mạch đảo tầng bằng khí nén Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo tầng:

• Ban đầu, mạch đảo tầng sẽ cấp khí cho tầng thứ n. • Sau khi nhấn nút ON, mạch đảo tầng sẽ cấp khí

cho tầng thứ I.

• Tín hiệu đầu tầng II sẽ được tác động khi tầng I

kết thúc.

• Tín hiệu đầu tầng III sẽ được tác động khi tầng II

kết thúc…..

• Tín hiệu đầu tầng n sẽ được tác động khi tầng n-1

kết thúc

* Tín hiệu đầu tầng I (E1): = tín hiệu cuối cùng Tầng II (S1) kết hợp với START - Tín hiệu đầu tầng I (E1) : E1 = S1^Start * Tín hiệu đầu tầng II (E2): = tín hiệu cuối cùng Tầng I (S4)

- Tín hiệu đầu tầng II (E2): E2 = S4

* Tín hiệu đầu tầng I (E1): = tín hiệu cuối cùng Tầng III (S3) kết hợp với START - Tín hiệu đầu tầng I (E1) : E1 = S3^Start * Tín hiệu đầu tầng II (E2): = tín hiệu cuối cùng Tầng I (S2)

* Tín hiệu đầu tầng III (E3): = tín hiệu cuối cùng Tầng II (S4)

- Tín hiệu đầu tầng II (E2): E2 = S2

- Tín hiệu đầu tầng II (E3): E2 = S4

II. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

2.2 Các mạch chuẩn tầng a. Mạch chuẩn 2 tầng cơ bản

Số lượng van đảo chiều: luôn bằng số tầng trừ đi 1. • Mạch 2 tầng (n=2) như vậy có 1 (n-1=1) phần tử nhớ. • E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II. • Ban đầu, khí từ nguồn sẽ cung cấp cho tầng 2, sau khi có tín hiệu E1 tác động, van 5/2 đổi vị trí làm cho khí được dẫn lên cung cấp cho tầng I, khí ở tầng II thoát ra ngoài.

a. Mạch chuẩn 2 tầng cơ bản

T1  T2

Cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng: Cấp nguồn cho tín hiệu đầu tầng 1 (E1) là tầng phía trước tầng 1 (sẽ là tầng 2), cấp nguồn cho tín hiệu đầu tầng 2 (E2) là tầng phía trước tầng 2 (sẽ là tầng 1)

2.2 Các mạch chuẩn tầng

b. Mạch chuẩn 3 tầng cơ bản

• Mạch 3 tầng (n=3), như vậy sẽ có 2 (n-1 = 2) phần tử nhớ. • E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II, E3 là tín

hiệu đầu tầng III.

b. Mạch chuẩn 3 tầng cơ bản Cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng: Cấp nguồn cho tín hiệu

đầu tầng 1 là tầng phía trước tầng đó

2.2 Các mạch chuẩn tầng

c. Mạch chuẩn 4 tầng cơ bản

• Mạch 4 tầng (n=4), như vậy sẽ có 3 (n-1 = 3) phần tử nhớ. • E1 là tín hiệu đầu tầng I, E2 là tín hiệu đầu tầng II, E3 là tín

hiệu đầu tầng III, E4 là tín hiệu đầu tầng IV.

c. Mạch chuẩn 4 tầng cơ bản Cách nối dây cho các tín hiệu đầu tầng: Cấp nguồn cho tín hiệu

đầu tầng 1 là tầng phía trước tầng đó

Ví dụ 1:

 Bước 2: Thiết lập biểu đồ trạng thái như hình biễu diễn dưới

• Bước 1: Với yêu cầu đề ra là điều khiển 2 xy lanh A và B theo chu trình điều khiển tự động. Để các chu trình này thực hiện tự động được chúng ta gắn trên mỗi xy lanh 2 công tắc hành trình, công tắc hành trình S1, S3 gắn ở đầu hành trình, S2 và S4 gắn ở cuối hành trình của 2 xy lanh A và B.

đây:

• Bước 3 : Tiến hành việc chia tầng

Có 3 tầng hoạt động, tầng I thực hiện chuyển động cho xy lanh A đi ra (A+), tầng II thực hiện 2 chuyển động là xy lanh A đi về và xy lanh B đi ra (A-, B+) và tầng cuối cùng là xy lanh B đi về (B-).

 Tín hiệu đầu tầng I: E1 = Start * S3.

 Tín hiệu đầu tầng II:

E2 = S2.

 Tín hiệu đầu tầng III:

E3 = S4.

• Bước 4 : Lập qui trình thực hiện cho các tầng và các bước

trong tầng. Để tiếp tục thiết kế chúng ta phải biết các tín hiệu điều khiển tác động lên các van đảo chiều. Ở đây ta có 2 xy lanh tác động kép, để điều khiển được các chuyển động khác nhau như A+, A-, B+, B-  sơ đồ tác động khí nén lên các xy lanh trong mạch điều khiển khí nén như sau:

A+ = T1 (không lấy tín hiệu Start *S3 vì là tín hiệu đầu tầng I)

A- = T2 (không lấy tín hiệu S2 vì là tín hiệu đầu tầng II)

B+

= T1 *S1

B- = T3 (không lấy tín hiệu S4 vì là tín hiệu đầu tầng III)

• Bước 5 : Thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén sử dụng các mạch

đảo tầng chuẩn 3 tầng

2.3 Ví dụ áp dụng

Ví dụ 2:

S1

S2

Xy lanh B

S3

S4

Xy lanh A

• Hai xy lanh A và B được dùng để đẩy phôi từ ngăn chứa thẳng đứng xuống thùng chứa như hình biễu diễn sau: xy lanh A duỗi ra đẩy phôi sau đó xy lanh B duỗi ra đẩy phôi rơi xuống thùng chứa rồi xy lanh B co lại, tiếp đó là xy lanh A co lại.

HỆ THỐNG ĐẨY PHÔI VỚI HAI XY LANH

 Áp dụng qui tắc chia tầng thì với biểu đồ trạng thái trên được

chia làm hai tầng với:

• Từ qui trình công nghệ ta lập được biểu đồ trạng thái như sau:

E1 = S1^Start: tín hiệu đầu tầng I. E2 = S4: tín hiệu đầu tầng II.

Sử dụng mạch chuẩn 2 tầng

Thuyết minh hoạt động của mạch

Ban đầu:

• Hai pittông A và B ở vị trí co lại (đầu hành trình chuyển động). • Hai công tắc hành trình S1 và S3 bị chạm, tác động làm van đảo chiều 3/2 đổi vị trí dẫn khí từ cửa số 1 lên cửa số 2.

• Tầng II có khí. • Tín hiệu đầu tầng I: E1 = S1^ Start; tín hiệu đầu tầng II: E2 =

S4. Khi nhấn nút Start:

• Khi nút Start được nhấn, van 3/2 đổi vị trí dẫn khí từ nguồn

• Tầng I có khí, tín hiệu A+ làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, khí từ nguồn P đi lên cửa A làm cho pittông A duỗi ra. Đến cuối hành trình, S2 bị chạm, tín hiệu B+ làm cho pittông B duỗi ra, đến cuối hành trình, S4 bị chạm. S4 là tín hiệu đầu tầng II làm cho tầng II có khí.

• Tầng II có khí, tín hiệu B- làm cho pittông B co lại, về đầu

qua công tắc hành trình S1 lên tác động làm cho van đảo chiều 5/2 đổi vị trí, lúc này tầng I có khí.

hành trình S3 bị chạm, lúc này có tín hiệu A- làm cho pittông A co lại.

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

3.1 Mạch đảo tầng bằng điện Sử dụng các rơle để tạo ra mạch đảo tầng. Số rơle = số tầng - 1

Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo tầng: • Ban đầu, mạch đảo tầng sẽ cấp điện cho tầng thứ

n.

• Sau khi nhấn nút Start, mạch đảo tầng sẽ cấp

điện ́ cho tầng thứ I, ở tầng này, nguồn điện ́ sẽ cung cấp cho các chuyển động trong tầng I để điều khiển cơ cấu chấp hành (có thể điều khiển trực tiếp hoặc thông qua các công tắc hành trình).

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

3.1 Mạch đảo tầng bằng điện

 Tín hiệu đầu tầng II sẽ được tác động khi tầng I kết thúc, tầng II có điện và nguồn điện này cũng cung cấp cho các chuyển động trong tầng II. Tín hiệu đầu tầng III sẽ được tác động khi tầng II kết thúc, tầng III có điện …. Và cứ tiếp tục như thế cho đến tầng thứ n, và chu trình lại quay trở lại tầng I.

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

3.2 Mạch chuẩn tầng dùng trong thiết kế mạch điện – khí nén

a. Mạch chuẩn 2 tầng

• Để tạo ra hai tầng người ta dùng một rơle.

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

3.2 Mạch chuẩn tầng dùng trong thiết kế mạch điện – khí nén

b. Mạch chuẩn 3 tầng

• Để tạo ra hai tầng người ta dùng hai rơle.

III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TẦNG

3.2 Mạch chuẩn tầng dùng trong thiết kế mạch điện – khí nén

c. Mạch chuẩn 4 tầng: (sử dụng 3 rơ le)

3.2 Mạch chuẩn tầng dùng trong thiết kế mạch điện – khí nén

d. Mạch chuẩn n tầng: (sử dụng n-1 rơ le)

3.3 Ví dụ áp dụng

Một cơ cấu kẹp thực hiện công việc kẹp chặt phôi trong khi máy khoan làm việc và sẽ nhả ra khi máy đã hoàn tất một chi tiết khoan.

Người ta dùng hai xy lanh A và B, xy lanh A sẽ thực hiện việc kẹp giữ phôi và xy lanh B thực hiện việc khoan. Đầu tiên xy lanh A mang hàm động của cơ cấu kẹp đi ra kẹp chặt phôi, sau đó xy lanh B đi ra khoan chi tiết và quay về, tiếp theo xy lanh A quay về, chi tiết gia công xong có thể được lấy ra.

• Ví dụ 1: Máy khoan tự động có yêu cầu như sau