Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy đóng hộp tự động

ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
MỞ ĐẦU
Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ
cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn
của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày
càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học công
nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường.... đã và đang được triển khai
trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản
xuất tự động với năng suất cao và chất lượng tốt. Trong quá trình sản xuất,
việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là
cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy,
giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động của
các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nhiệp chế biến,
các dây chuyền sản xuất trong ngành này ngày càng hiện đại hoá và tự động
hoá cao. Các quá trình từ sản xuất chế biến đến đóng gói sản phẩm được tự
động hoá. Trong chương trình học môn Điều khiển logic, với mục đích
giúp cho mỗi sinh viên chúng em làm quen với việc thực hiện xây dựng một
hệ thống điều khiển tự động cho một quá trình thiết bị trong thực tế,em được
thầy giáo giao cho thiết kế HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY ĐÓNG
HỘP TỰ ĐỘNG theo phương pháp Hàm tác động sử dụng các thiết bị điện
khí nén. Phương pháp thiết kế hệ thống bằng Hàm tác động là công cụ rất
hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của hệ tự động hoá máy
đóng hộp tự động
Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo
trong Bộ môn và của các bạn, công với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn
thành được bản đồ án này. tuy nhiên, do thời gian tương đối ngắn và trình độ
chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em
mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này
được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo

Nguyễn Hồng Quang và các giáo viên trong bộ môn Tự Động Hoá đã giúp
em hoàn thành đồ án này
MỤC LỤC
Chương I: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
máy đóng hộp tự động 3
1
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
I, Quá trình công nghệ của máy đóng hộp tự động 3
II, Lựa chọn công nghệ: 3
III, Xây dựng hàm điều khiển cho các biến 4
 Các phương pháp tổng hợp mạch logic 4
 Giới thiệu về phương pháp hàm tác động 4
 Hoạt động của hệ thống 6
IV, Khả năng sự cố và bảo vệ hệ thống 7
V, Sơ đồ nguyên lý 7
VI, Hoạt động của sơ đồ 10
ChươngII: Tính chọn các thiết bị của hệ thống 11
1, Chọn van phân phối
2, Chọn xilanh
3, Chọn Rơle
4, Chọn công tắc hành trình
5, Chọn cầu dao đóng cắt
6, Chọn cầu chì
7, Chọn nút ấn
Chương III: Bảng đấu dây 14
I, Các nguyên tắc lắp đặt thiết bị 14
II, Sơ đồ lắp ráp mạch 14
III, Bảng đấu dây 16
Tài liệu tham khảo 18
Chương I:

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ CỦA HỆ THỐNG
MÁY ĐÓNG HỘP TỰ ĐỘNG
2
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
I, Quá trình công nghệ của máy đóng hộp tự động :
Hoạt động của máy đóng hộp tự
động khởi đầu bằng chuyển động đi vào
của xilanh A đẩy hộp rỗng đi vào vị trí đế
của cân định lượng. Tại đây hệ thống van
được điều khiển mở van để sản phẩm theo
đường ống lớn chảy vào trong hộp.Cùng
lúc đó xi lanh A chuyển động trở lại vị trí
ban đầu. Khi lượng sản phẩm trong hộp
đạt đến 80-90% thì thực hiện đóng van
trên và mở một van khác để sản phẩm đi
theo đường ống nhỏ chảy vào hộp với tốc
độ chậm hơn. Khi hộp đã được đổ đầy sản
phẩm thì xi lanh B chuyển động từ trong ra
ngoài thực hiện đẩy hộp ra băng chuyền đang quay. Sau đó xi lanh B trở
về vị trí ban đầu và xi lanh A chuyển động đi vào thực hiện chu trình tiếp
theo.
II, Lựa chọn công nghệ:
* Chọn 2 xi lanh A và B là 2 xilanh điều khiển bằng van khí nén điều
khiển 2 chiều .
* Cân định lượng có các cảm biến có thể xác định sự có mặt của hộp
d
1
, xác định thời điểm để đóng đường ống lớn mở đường ống nhỏ d
2
và xác

định thời điểm đầy hộp d
3

* Tại đầu cuối pítông A đặt công tắc hành trình a
0
để xác định chuyển
động của A
* Để xác định hộp đưa vào đã hết hay chưa ta dùng công tắc hành
trình f đặt dưới chồng hộp rỗng.
* Tại đầu cuối pítông B đặt công tắc hành trình b
0
, b
1
để xác định
chuyển động của B
* Các phần tử điều khiển là các phần tử điện khí nén .Ta sử dụng 2
van phân phối không tự phục hồi điều khiển xi lanh A và B
Ta gọi:
- Khi pitông A chuyển động đẩy hộp rỗng vào là A
+
, chuyển động di ra
ngược lại là A
-
.
- Khi pitông B chuyển động để đẩy hộp đầy ra băng tải là B
+
, chuyển
động ngược lại là B
-
.

- Các van mở đường ống lớn và đường ống nhỏ là C
+
và E
+
3
Hình 1:Sơ đồ máy đóng hộp tự
động
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
Như vậy,hệ thống có các biến đầu vào là a
0
,b
0
,b
1
,f,d
1
,d
2
,d
3
nhằm điều
khiển các biến ra A
+
,A
-
,B
+
,B
-
,C

+
,E
+
III,Xây dựng hàm điều khiển cho các biến:
 Các phương pháp tổng hợp mạch logíc tuần tự:
 Phương pháp ma trận trạng thái
 Phương pháp hàm tác động
 Phươngpháp phân tầng
 Phương pháp GRAFCET
 Giới thiệu về phương pháp hàm tác động :
Thông thường các sự kiện xảy ra trong thời gian nối tiếp nhau do đó các
sự kiện có thể mô tả dưới dạng hàm tác động dạng dưới đây:
F = A+X-Y+B-X+Z-B+Y+C-Z+A+...
Và chúng ta có thể mô tả hoạt động này như sau:
Sự xuất hiện của tín hiệu A làm cho X hoạt động ,X hoạt động sẽ làm
mất tín hiệu Y. B xuất hiện sẽ làm ngừng hoạt động tín hiệu X ...
Trong hàm tác động ta thường kí hiệu các tín hiệu vào là A,B,C...và
các biến điều khiển ta thường kí hiệu là X,Y,Z...
Đối với các biến vào các dấu cộng (+) hoặc trừ (-) đứng trước các kí
hiệu của A,B,C là chỉ rõ các tín hiệu đó được xuất hiện hay mất đi do các
yếu tố bên ngoài (có thể do công nghệ ).Những tín hiệu nào chỉ xuất hiện
một dấu (+) như biến A trong ví dụ trên thì dược hiểu rằng tín hiệu đó là tín
hiệu xung chỉ xuất hiện trong quá trình làm việc rất ngắn ví như khi ta ấn
vào nút ấn rồi thả ra .Còn những tín hiệu có cả dấu cộng (+) và dấu trừ (-)
đứng trước thì tín hiệu đó là tín hiệu thế .
Tương tự vậy với các dối tượng điều khiển (X,Y,Z,...) nếu có dấu
cộng đứng trước thí chỉ rõ phần tử đó được đưa và hoạt động nhờ sự hoạt
động hay sự mất đi của các biến trước nó .Ví dụ +X có nghĩa là phần tử X
được đưa vào hoạt động nhờ có sự hoạt động của phần tử trước đó là biến A.
Ký hiệu -Y chỉ rõ Y ngừng hoạt động là do X hoạt động ...

Có trường hợp một biến có thể gây nên việc chuyển động đồng thời
của các trạng thái của hai phần tử hoặc phần tử .Ví dụ : A(+X,-Y)-Z...
Chúng ta hiểu như sau : Biến và A xuất hiện cho X và Y cùng chuyển
trạng thái và sự chuyển trạng thái này làm cho biến trạng thái Z này ngừng
hoạt động.
Dưới đây ta nêu một số bước tiến hành tổng hợp sơ đồ kép loại này
a) Tìm chu kỳ hoạt động của các phần tử của đối tượng điều khiển.
Mỗi chu kì hoạt động gồm một giai đoạn đóng và một giai đoạn cắt .
b) Xác định tín hiệu vào là tín hiệu xung hay tín hiệu thế
4
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
c) Xác định hàm lôgíc điều khiển biến đầu ra
d) Kiểm tra biểu thức thu được để khi cần phải bổ sung theo biến
trung gian
e) Xác định hàm điều khiển biến phụ
Vì phương pháp mô tả công nghệ thiết kế dưới dạng hàm tác động
thuận tiện cho người thiết kế nên cần nhấn mạnh một điểm về công tác kiểm
tra
Kiểm tra hàm đóng f
đ
của phần tử thường xảy ra các trường hợp:
 Nếu f
đ
không thay đổi giá trị trong quá trình đóng của phần tử
thì biểu thức f
đ
lập được đã thỏa mãn yêu cầu của hàm .
 Nếu f
đ
thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phàn tử thì cần

phải thì cần phải thêm một biến phụ p1 Khi đó hàm đóng mới có tác dụng
f
đ
’ = f
đ
+p1
Trong trường hợp xét thấy hành vi điều khiển và trạng thái điều khiển
của hệ giống như hành vi của toán tử xảy ra thì có thể dùng biến ra làm biến
phụ. Đối với hàm cắt ,khi kiểm tra cũng xảy ra hai trường hợp
 Nếu f
c
không thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử
thì f
c
thu được đã thỏa mãn.
 Nếu f
c
thu được thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần
tử thì hàm f
c
phải cần thêm một biến phụ p2 .Khi đó
f
c
’= f
c
.p2
Kiểm tra tính đúng đắn của hàm thu được trong mỗi chu kỳ hoạt động
của phần tử thu được bằng cách triển khai các biểu thức lôgic thành các dạng
biểu diễn tuyển chuẩn . Nếu trong trường hợp thấy số hạng nào (hội cơ
bản )có giá trị một khi chưa đưa tín hiệu vào và trái với công nghệ thì khi đó

phải đưa thêm biến phụ p3 vào số hạng đó. Tính đúng đắn của hàm phải thỏa
mãn mọi chu khì phần tử
Việc kiểm tra cần phải được tiến hành cho mọi hàm lôgic của mọi
phần tử đầu ra cũng như của biến trung gian.
 Hàm tác động của hệ thống:
F=(+a
0
+b
0
+f-B
-
)+A
+
(+d
1
-A
+
)(+A
-
+C
+
)+a
0
-A
-
(+d
2
-C
+
)+E

+
(+d
3
- E
+
)
+B
+
(+b
1
-B
+
)+B
-
+b
0
- B
-
(+a
0
+b
0
+f-B
-
)+A
+
…
 Xác định hàm điều khiển cho các biến ra:



Hàm điều khiển của A
+
:

1
00
)(
..)(
dAf
BbafAf
c
d
=
=
+
−+
5
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
Do tín hiệu a
0
,b
0
là tín hiệu dạng xung chỉ tồn tại trong thời gian ngắn
nên cần hiệu chỉnh hàm đóng
−++
+= BAbafAf
d
)..()(
00
Vậy hàm điều khiển của A

+
là
100
)..()( dBAbafAf
−++
+=

Hàm điều khiển của A-:
0
1
)(
.)(
aAf
AdAf
c
d
=
=
−
+
−
Do có thể d
1
bị mất trước khi chuyển động A
-
được hoàn thành nên
cần hiệu chỉnh hàm đóng:
+
−−
+= AAdAf

d
).()(
1
Vậy hàm điều khiển của A
-
là:
0
1
.)()( aAAdAf
+
−−
+=


Hàm điều khiển của C+:

2
1
)(
.)(
dCf
AdCf
c
d
=
=
+
+
+
Trong giai đoạn thực hiện chuyển động C

+
thì hàm đóng và cắt
luôn thoã mãn. Vậy hàm điều khiển của C
+
là:
2
1
)( dAdCf
+
+
=

Hàm điều khiển của E+:
3
2
)(
.)(
dEf
CdEf
c
d
=
=
+
+
+
Hàm cắt và đóng đều thoả mãn nên
32
.)( dCdEf
+

+
=


Hàm điều khiển của B+:
1
3
)(
.)(
bBf
EdBf
c
d
=
=
+
+
+
Ta thấy tín hiệu d
3
không tồn tại suốt quá trình chuyển động B
+
nên
cần hiệu chỉnh hàm đóng :
+
++
+= EBdBf
d
).()(
3

Vậy hàm điều khiển của B
+
là:
13
.).()( bEBdBf
+
++
+=


Hàm điều khiển của B-:

0
1
)(
.)(
bBf
BbBf
c
d
=
=
−
+
−
Ta thấy tín hiệu b
1
là tín hiệu xung nên cần hiệu chỉnh hàm đóng :
+
−−

+= BBbBf
d
).()(
1
Vậy hàm điều khiển của B
-
là:
6
ThiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn cho m¸y ®ãng hép tù ®éng
01
).()( bBBbBf
+
−−
+=
IV, Các khả năng sự cố và việc bảo vệ hệ thống
Trong bài toán này sẽ có khả năng sự cố là khi hệ thống đang hoạt
động thì xảy ra trường hợp mất điện . Khi đó để bảo đảm chất luợng sản
phẩm ta phải ngắt nguồn khí và đến khi có điện ta phải RESET lại toàn hệ
thống để hệ thống bắt đầu hoạt động lại từ đầu .Để làm được điều đó ta phải
có thêm một nút ấn RS để thực hiện RESET
Khi bấm nút RS thì toàn bộ các Rơle A
-
B
-
hoạt động đồng thời
các Rơle A
+
, B
+
, C

+
,E
+
sẽ ngừng hoạt động .Và hệ thực hiện chuyển
động A
-
, B
-
hệ sẽ trở về trạng thái ban đầu.
V, Sơ đồ nguyên lý:
Mạch điều khiển và mạch nối các van được cấp bởi nguồn điện xoay
chiều 1 pha 220V. Để mạch hoạt động được tốt hơn ta bố trí thêm 2 nút ấn
M và D để điều khiển việc bắt đầu hoạt động hay kết thúc hoạt động của hệ
thống. Khi ấn nút M thì hệ thống bắt đầu hoạt động và muốn dừng hệ thống
ta ấn nút D. Sau khi dừng thì muốn tiếp tục cho hệ thống hoạt động thì lại ấn
nút M và ấn nút RS để reset lại hệ thống để thiết lập lại trạng thái ban dầu
7