Giáo trình thủy khí-Chương 5 doc

48

Chương 5
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN
5.1. Đặt vấn đề
5.1.1. Mục đích
Trong kỹ thuật điều khiển, các hoạt động của các cơ cấu trong hệ thống điều khiển tự động đều
xuất phát từ các phương trình chuyển động được xây dựng trên nguyên lý làm việc của hệ thống. Các
phương trình này là hàm tích hợp những giá trị của tín hiệu vào và tín hiệu ra và được viết dưới dạng các
biến số của đại số Bool.
5.1.2. Nhiệm vụ
Quá trình định nghĩa tín hiệu vào ra đầy đủ, tuân thủ nguyên lý hoạt động của hệ thống để xây
dựng được các hàm tối ưu, tức giảm thiểu được tối đa các phần tử logic trong thiết kế là một nhiệm vụ
quan trọng trong kỹ thuật điều khiển.
Tùy theo mức độ đơn giản hay phức tạp của hoạt động hệ thống ta có thể có ít hay nhiều phương
trình điều khiển.
5.1.3. Xây dựng bài toán
Để mô tả 1 bài toán thiết kế hay phân tích 1 hệ thống điều khiển bằng khí nén người ta thường
dùng các phương pháp sau:
- Biểu đồ trạng thái.
- Sơ đồ chức năng.
- Lưu đồ tiến trình.
a. Biểu đồ trạng thái
+ Biểu đồ trạng thái biểu diễn trạng thái các phần tử trong mạch, mối liên giữa các phần tử và
trình tự chuyển mạch của các phần tử.
+ Trục tọa độ thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay, ), trục
tọa độ nằm ngang biểu diễn các bước thực hiện hoặc thời gian hành trình. Hành trình làm việc được chia
thành các bước, sự thay đổi trạng thái trong các bước được biểu diễn bằng đường đậm, sự liên kết các tín
hiệu được biểu diễn bằng đường nét mảnh và chiều tác động biểu diễn bằng mũi tên.
+ Xilanh đi ra ký hiệu dấu (+), lùi về ký hiệu (-).
+ Các phần tử điều khiển ký hiệu vị trí “0” và vị trí “1” (hoặc “a”, “b”).

+ Một số ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái:
49


Hình 5.1 Một số ký hiệu biểu diễn biểu đồ trạng thái.
Ví dụ: thiết kế biểu đồ trạng thái của quy trình điều khiển sau: Xylanh tác dụng hai chiều 1.0 sẽ đi
ra, khi nút ấn 1.2 hoặc 1.4. Muốn xylanh lùi về, thì phải đồng thời tác động 2 nút ấn 1.6 và 1.8.
Biểu đồ trạng thái của xylanh 1.0 được biểu diễn ở hình 5.1. Nút ấn 1.6 và 1.8 là liên kết AND,
nút ấn 1.2 và 1.4 là liên kết OR. Xylanh đi ra kí hiệu dấu cộng (+), xylanh đi về ký hiệu dấu trừ (-)
Sơ đồ mạch khí nén của quy trình điều khiển trên được biểu biễn ở hình 5.2

Hình 5.2 Biểu đồ trạng thái của xylanh 1.0

Hình 5.3 Sơ đồ mạch khí nén
b. Sơ đồ chức năng
+ Kí hiệu
50

Sơ đồ chức năng bao gồm các lệnh và các bước thực hiện. Các bước thực hiện được kí hiệu theo
số thứ tự và các lệnh gồm tên loại, loại lệnh và vị trí ngắt của lệnh (hình 5.3).

Hình 5.4 Ký hiệu các bước và thực hiện lệnh của sơ đồ chức năng theo DIN 49719
Ký hiệu bước thực hiện được biểu diễn ở hình 5.4
Tín hiệu ra a1 của bước thực hiện điều khiển lệnh thực hiện (van đảo chiều, xylanh, động cơ) và
được biểu diễn những đường thẳng nằm bên phải và phía dưới ký hiệu của bước thực hiện.
Tín hiệu vào được biểu diễn bằng những đường thẳng nằm phía trên và bên trái của ký hiệu bước
thực hiện
Bước thực hiện thứ n sẽ có hiệu lực, khi lệnh của bước thực hiện thứ n-1 trước đó phải hoàn
thành, và đạt được vị trí ngắt của lệnh đó. Bước thực hiện thứ n sẽ được xóa khi các bước thực hiện tiếp
sau đó có hiệu lực.

Hình 5.5 Ký hiệu bước thực hiện
Ký hiệu lệnh thực hiện được biểu diễn ở hình 5.5, gồm 3 phần: tên lệnh, loại lệnh và vị trí ngắt
lệnh. Tín hiệu ra kí hiệu của lệnh có thể không cần biểu diễn ở ô vuông bên phải của ký hiệu.
Ví dụ: tín hiệu ra a1 sẽ điều khiển van đảo chiều V1 bằng loại lệnh SH (loại lệnh nhớ, khi dòng
năng lượng trong hệ thống mất đi). Với tín hiệu ra A1 từ van đảo chiều sẽ điều khiển pittông Z1 đi ra với
loại lệnh NS (không nhớ).

Hình 5.6 Ký hiệu lệnh thực hiện
51

S Loại lệnh nhớ
NS Loại lệnh không nhớ
SH Loại lệnh nhớ, mặc dù dòng năng lượng trong hệ thống mất đi
T Loại lệnh giới hạn thời gian
D Loại lệnh bị chậm trễ
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
+ Thiết kế sơ đồ chức năng
Nguyên lý làm việc của máy khoan bàn như sau: sau khi chi tiết được kẹp (xylanh 1.0 đi ra) đầu
khoan bắt đầu đi xuống (xylanh 2.0) và khoan chi tiết. Khi đầu khoan đã lùi trở về, thì chi tiết được tháo
ra (xylanh 1.0 lùi trở về).

Hình 5.7 Nguyên lý làm việc của máy khoan và sơ đồ mạch điều khiển khí nén

Hình 5.8 Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của lệnh trực tiếp tác động lên cơ cấu chấp hành
52

Hình 5.9 Sơ đồ chức năng với tín hiệu ra của ký hiệu lệnh trực tiếp tác động lên van đảo chiều
c. Lưu đồ tiến trình
Ký hiệu để biểu diễn lưu đồ tiến trình theo DIN 66 001 được trình bày trên hình sau

Hình 5.10 Ký hiệu biểu diễn lưu đồ tiến trình
Lưu đồ tiến trình biểu diễn phương thức giải của một quá trình điều khiển. Lưu đồ tiến trình
không biểu diễn những thông số và phần tử điều khiển. Lưu đồ tiến trình có ưu điểm là vạch ra hướng
tổng quát của quá trình điều khiển và có tác dụng như là phương tiện thông tin giữa người sản xuất phần
tử điều khiển và kỹ thuật viên sử dụng phần tử đó.
Ví dụ thiết kế lưu đồ tiến trình:

Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển ở hình được thực hiện như sau
- Khi pittông ở vị trí ban đầu (E1 = 1/ E2 = 0) nút ấn khởi động E0 tác động, pittông đi ra (Z1 +)
- Khi pittông đi ra đến cuối hành trình, chạm công tắc hành trình E2, pittông sẽ lùi về (Z1 -)
- Tại vị trí ban đầu, pittông chạm công tắc hành trình E1, quá trình điều khiển kết thúc.
53

Quá trình điều khiển được viết như sau:
- Bước 1:
E0.E1.E2 = Z1+
- Bước 2:
E2 = Z1 –
- Bước 3:
E1 = Kết thúc quá trình điều khiển.
Lưu đồ tiến trình của quá trình điều khiển được viết như sau:

Hình 5.11 Lưu đồ tiến trình điều khiển
5.1.4. Phương pháp thực hiện
Bao gồm các phương pháp điều khiển sau
+ Điều khiển bằng tay: điều khiển trực tiếp và điều khiển gián tiếp

+ Điều khiển theo thời gian
+ Điều khiển theo hành trình
+ Điều khiển theo tầng
+ Điều khiển theo nhịp.
a. Điều khiển bằng tay
Trong điều khiển khí nén – thủy lực tùy thuộc tín hiệu đầu vào là các van tác động bằng tay,
chúng kích hoạt các pít tông dịch chuyển về phía trước hoặc trở về vị trí ban đầu theo mong muốn. Tất cả
những điều khiển tùy thuộc đòi hỏi vận hành của con người 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 hệ thống. Nói một
cách khác, đây là một loại điều khiển phù hợp đối với những hệ thống hoạt động đơn giản, thí dụ như kẹp
54

chặt, nâng chuyển, định vị…đồng thời nó cũng là cội nguồn của hệ thống phức tạp nữa đó là chi tiết cần
thiết cho sự khởi động hay ngừng khẩn cấp tác động trong các máy tự động.
+ Điều khiển trực tiếp


Hình 5.12 Mạch điều khiển trực tiếp với phần tử đưa và xử lý tín hiệu

Hình 5.13 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển trực tiếp với phần tử đưa và xử lý tín hiệu

+ Điều khiển gián tiếp

Hình 5.14 Mạch điều khiển gián tiếp xylanh đơn với phần tử nhớ
Biểu đồ trạng thái
55


Hình 5.15 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển gián tiếp xylanh đơn với phần tử nhớ
b. Điều khiển theo thời gian

Điều khiển theo thời gian là trạng thái điều khiển của hệ thống tác động chỉ phụ thuộc vào đại
lượng thời gian của các phần tử định thời. Các phần tử định thời có thể là khí nén, dầu ép hoặc điện.


Hình 5.16 Mạch điều khiển xylanh kép theo thời gian

Biểu đồ trạng thái

Hình 5.17 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển xylanh kép theo thời gian
56


c. Điều khiển theo hành trình
Cơ sở điều khiển theo hành trình là vị trí của các công tắc hành trình. Khi một bước thực hiện
trong mạch điều khiển có lỗi, thì mạch điều khiển sẽ đứng yên.
Các tín hiệu hành trình được kích trực tiếp từ cần pit tông ở cuối của mỗi hành trình. Tuy nhiên để
thực hiện những nhiệm vụ hoặc những yêu cầu nào đó, ta có thể bố trí các tín hiệu hành trình ở những vị
trí bất kỳ trên khoảng chạy của pít tông.
Ví dụ: Điều khiển tùy động theo hành trình một xylanh có chu kỳ tự động như sau: mạch điều
khiển thực hiện tự động nhờ sử dụng nút ấn có rãnh định vị 1.1, khi nút ấn 1.1 ở vị trí 1. Mạch ngưng hoạt
động khi nút ấn ở vị trí 0

Hình 5.18 Điều khiển tùy động theo hành trình một xylanh có chu kỳ tự động

Biểu đồ trạng thái

Hình 5.19 Biểu đồ trạng thái sơ đồ mạch điều khiển tùy động theo hành trình một xylanh có chu kỳ tự
động
57

d. Điều khiển theo tầng
Nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển theo tầng là chia các bước thực hiện có cùng chức năng
thành từng tầng riêng. Phần tử cơ bản của điều khiển theo tầng là phần tử nhớ 4/2 hoặc 5/2. Điều khiển
theo tầng là bước hoàn thiện của điều khiển tùy động theo hành trình.
+/ Mạch điều khiển 2 tầng

Hình 5.20 Mạch điều khiển 2 tầng

e1, e2 là 2 tín hiệu điều khiển vào
a1, a2 là 2 tín hiệu điều khiển ra
Khi tầng I có khí nén, thì tầng II sẽ không có khí nén và ngược lại.
+/ Mạch điều khiển 3 tầng

Hình 5.21 Mạch điều khiển 3 tầng
e1, e2, e3 là 3 tín hiệu điều khiển vào
a1, a2 , a3 là 3 tín hiệu điều khiển ra
Khi tầng I có khí thì tầng II và III không có khí, nghĩa là khi 1 tầng có khí thì 2 tầng còn lại không
có khí.
Ví dụ:
58


Hình 5.22 Sơ đồ 1 mạch điều khiển 2 tầng
Biểu đồ trạng thái

Hình 5.23 Biểu đồ trạng thái mạch điều khiển 2 tầng hình 5.22
e. Điều khiển theo nhịp

A – Tín hiệu điều khiển Y – Vận hành (SET)
P – Nguồn khí nén Z – Xóa (RESET)
L – Định hướng X– Tín hiệu phản hồi
Hình 5.24 Cấu tạo khối của nhịp điều khiển
Mạch logic của chuỗi điều khiển theo nhịp
59


Hình 5.25 Mạch logic của chuỗi điều khiển theo nhịp theo DIN 40 700
Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp

Hình 5.26 Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp
f, Phương pháp sử dụng bảng Karnaugh triển khai các hàm logic tổ hợp bằng khí nén
Các bước thực hiện:
- Bước 1: Tối thiểu hóa hàm đã cho bằng bảng Karnaugh.
- Bước 2: Tối ưu hóa hàm đã tối thiểu.
- Bước 3: Triển khai hàm tối ưu bằng các van logic khí nén.
Ví dụ 5.1: Sử dụng van logic khí nén để triển khai hàm y được cho dưới dạng bảng trạng thái sau:
Bảng 5.1 Bảng trạng thái của hàm y = f (a,b,c,d)
a b c d y
0 0 0 0 1
0 0 0 1 1
0 0 1 0 1
0 0 1 1 1
0 1 0 0 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 0
0 1 1 1 0
1 0 0 0 0
1 0 0 1 0

1 0 1 0 1
1 0 1 1 1
1 1 0 0 1
1 1 0 1 1
1 1 1 0 0
1 1 1 1 0

- Bước 1: Tối thiểu hóa hàm đã cho bằng bảng Karnaugh
60

11
11
11 0
0
0
0
0
0
a
b
d
c
0
1 1 0

Hàm sau khi tối thiểu:
cbacbbay 

 Nhận xét: số phần tử cần thiết để thực hiện hàm là 9 phần tử:
+ 3 van 4/2 chuyển các tín hiệu từ dạng bằng tay sang khí nén.

+ 2 phần tử OR.
+ 4 phần tử AND.
- Bước 2: Tối ưu hóa hàm
Bằng biến đổi đại số, ta đưa hàm về dạng sau:
cbacabcbacbbay )( 

 Nhận xét: số phần tử cần thiết để thực hiện hàm chỉ còn 8 phần tử:
+ 3 van 4/2 chuyển các tín hiệu từ dạng bằng tay sang khí nén.
+ 2 phần tử OR.
+ 3 phần tử AND.
- Bước 3: Triển khai hàm bằng các van logic khí nén.
c
c c
b
b b
aa
a
y
abc
a+c
b(a+c)

Hình 5.27 Triển khai hàm bằng van logic khí nén
61

5.2. Bài toán thiết kế hệ thống
Trong mục này ta đi xem xét các bước thiết kế mạch tổ hợp bằng khí nén. Mạch tổ hợp là mạch
trong đó tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào trạng thái tức thời của các tín hiệu vào. Sự trì hoãn thời gian và ghi
nhớ tín hiệu không xem xét.
Công cụ để thiết kế mạch tổ hợp bao gồm:

- Đại số Bool
- Bảng giá trị chân lý
- Bảng Karnaugh
Các bước tiến hành:
- Phân tích tất cả các tín hiệu vào, ra; kí hiệu các tín hiệu bằng mẫu tự thích hợp.
- Lập bảng chân lý (cột, hàng). Số hàng bằng 2
n
.
- Phân tích tất cả các tổ hợp vào mà xuất hiện đầu ra. Tất cả các tổ hợp còn lại cấm đầu ra.
- Lập bảng Karnaugh.
- Tối thiểu hóa.
- Tối ưu hóa.
- Vẽ sơ đồ mạch mô tả phương trình logic sau cùng.
Ví dụ 5.2: Một máy đóng gói bao bì có yêu cầu điều khiển tự động Start – Stop. Người ta thấy ở
tình trạng non tải máy hoạt động không kinh tế, vì vậy máy chỉ khởi động khi có ít nhất 2 trong 3 băng
chuyền nạp hàng đang hoạt động và phải luôn dừng tự động khi ít hơn 2 băng chuyền nạp hàng hoạt động
- Bước 1: Ký hiệu các tín hiệu kích hoạt cho băng chuyền hoạt động:
+ a – băng chuyền 1.
+ b – băng chuyền 2.
+ c – băng chuyền 3.
- Bước 2: Lập bảng chân lý
Bảng 5.2 Bảng chân lý của ví dụ 1

- Bước 3: Lập bảng Karnaugh



62

Bảng 5.3 Bảng Karnaugh của ví dụ 1

- Bước 4: Tối thiểu hóa
- Bước 5: Viết phương trình logic
A1 = b*c+a*c+a*b
- Bước 6: Áp dụng các định lý của đại số Boole đơn giản tiếp phương trình
A1 = a*(b+c)+b*c
- Bước 7: Vẽ sơ đồ mạch theo phương trình đã tối ưu

Hình 5.28 Sơ đồ mạch khí nén cho ví dụ 5.2
5.3. Bài toán phân tích hệ thống
5.3.1. Phương pháp phân tích hệ thống
Các bước tiến hành phân tích 1 hệ thống:
- Xác định các biến vào, ra của hệ thống.
- Chức năng, nguyên lý hoạt động của các phần tử trong sơ đồ.
- Vẽ biểu đồ trạng thái.
5.3.2. Phân tích một số hệ thống khí nén
Ví dụ 5.3
63


Hình 5.29 Sơ đồ mạch khí nén

- Khi ấn nút Start 1S1  1V1 = 1  1A+ pittông của xylanh 1A thực hiện hành trình thuận từ
trái qua phải.
- Khi xylanh 1A chạm cảm biến 1S3  2V đảo trạng thái  2A + pittông của xylanh 2A thực
hiện hành trình thuận từ trái qua phải đồng thời 1A giữ nguyên vị trí.
- Khi xylanh 2A chạm cảm biến 2S2  1V2 đảo trạng thái  1A –
- Khi 1A chạm cảm biến 1S2  2V đảo trạng thái  2A – tới khi chạm cảm biến 2S1 thì giữ
nguyên trạng thái đó chờ lệnh tiếp theo.
- Từ phân tích hoạt động của sơ đồ ta lập được biểu đồ trạng thái sau:

Hình 5.30 Biểu đồ trạng thái ví dụ 5.3






64

BÀI TẬP CHƯƠNG 5
Bài 1. Phân tích hoạt động sơ đồ khí nén sau

Bài 2. Phân tích hoạt động của sơ đồ khí nén sau

Bài 3. Phân tích hoạt động sơ đồ khí nén sau

Bài 4. Tối thiểu và triển khai các hàm sau bằng các phần tử khí nén
a, f (x
1
,x
2
,x
3
,x
4
) =




15,12,8,7,6,5
65

b, f (x
1
,x
2
,x
3
,x
4
) =



15,13,11,7,5
c, f (x
1
,x
2
,x
3
,x
4,
,x
5
) =




30,28,26,25,18,15,12,8,7,6,5
Bài 5. Tổng hợp mạch khí nén thực hiện các biểu đồ trạng thái sau
a,

b,