thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan bằng phương pháp ma trận trạng thái với mạch động lực dùng thiết bị khí nén và mạch điều khiển dùng thiết bị điện

Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

trờng đại học bách khoa hà nội
khoa năng lợng
bộ môn tự động hoá xncn
thiết kế môn học
điều khiển logic
đồ án môn học
Sinh viên : TRIệU TUYÊN HOàNG
Lớp : Tự động hoá 3 K43
1. Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có sơ đồ nh hình vẽ
bằng phơng pháp ma trận trạng thái với mạch động lực dùng thiết bị khí
nén và mạch điều khiển dùng thiết bị điện.
2. Nội dung
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý.
- Tính chọn thiết bị điều khiển.
- Thiết kế sơ đồ lắp ráp.
3. Thuyết minh và bản vẽ
- 1 quyển thuyết minh.
- 2 bản vẽ kỹ thuật khổ A
0
cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp.
cán bộ hớng dẫn
mục lục
nhiệm vụ thiết kế 02
mục lục 03
Tài liệu tham khảo 04

Lời nói đầu 05

1
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

Chơng I: giới thiệu chung về công nghệ
1. sơ đồ công nghệ 06
2. nguyên lý hoạt động của sơ đồ công nghệ 06
Chơng II: tổng hợp hàm điều khiển
1. tổng hợp hàm điều khiển bằng phơng pháp hàm tác động 08
1.1 xác định các biến điều khiển 08
1.2 tổng hợp hàm điều khiển 09
2. sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 11
2.1 các phần tử 11
2.2 sơ đồ nguyên lý 12
2.3 thuyết minh nguyên lý hoạt động của sơ đồ 13
Chơng III: Tính chọn và thiết kế mạch lắp ráp
1. Chọn các thiết bị 14
1. chọn các phần tử logic 14
2. chọn công tắc 15
3. Chọn Van phân phối 16
4. Chọn thiết bị chấp hành 17
5. chọn nút ấn 17
2. SƠ Đồ LắP RáP
1. Lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị 17
2. Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống 18
Mở đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, có thể nói một trong
những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động
hoá trong các quá trình sản xuất mà trớc hết đó là năng suất sản xuất và chất l-
ợng sản phẩm làm ra. Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử , công
nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cở sở và
hỗ trợ cho sự phát triển tơng xứng của lĩnh vực tự động hoá.
ở nớc ta mặc dầu là một nớc chậm phát triển, nhng những năm gần đây
cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng nh sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì
việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hoá các quá

2
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

trình sản xuất đã có bớc phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lợng chất xám cao
tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức.
Ngày nay tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng
ngõ nghách, vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm. Một trong
nhữnh ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là
điều khiển công nghệ khoan
. Tự
động hoá điều khiển công nghệ khoan là quá trình tạo ra một lỗ thủng trên bề mặt
vật thể có kích thớc chiều sâu định trớc. Trong công việc thiết kế, tự động hoá điều
khiển đợc thể hiện qua hai quá trình sau:
- Tự động hoá điều khiển công việc đa vật thể vào vị trí định trớc (xác định vị
trí lỗ khoan).
- Tự động hoá đa mũi khoan vào khoan vật thể sau đó quay về vị trí cũ đễ
đảm bảo cho quy trình tiếp theo.

Chất lợng mũi khoan và năng suất làm việc phụ thuộc rất nhiều vào công
nghệ điều khiển. Quá trình làm việc đợc thực hiện theo một trật tự logic, theo trình
tự thời gian xác định do đó để điều khiển đợc công nghệ ta phải tổng hợp đợc hàm
điều khiển cho hệ thống. Có rất nhiều phơng pháp để tổng hợp hàm điều khiển nhng ở
đây ta sử dụng phơng pháp
GRAPCET
. So với các phơng pháp khác thì phơng pháp
hàm tác động có u điểm đơn giản và đảm bảo sự chính xác về tuần tự thực hiện quá
trình.
Sinh viên .
Ch ơng I : Giới thiệu công nghệ
Công nghệ : Khoan một lỗ hai giai đoạn
Máy khoan đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí. Bên
cạnh các máy móc cơ khí khác nh các máy tiện, máy doa, máy bào gi-
ờng, bào xọc dần dần đợc tự động hóa theo một dây chuyền ngày
càng hiện đại. Các máy khoan cũng đợc tự động hoá theo dây chuyền
nhằm nâng cao năng suất và giảm sự nặng nhọc cho ngời công nhân.
Trong đó công nghệ khoan một lỗ hai giai đoạn cũng đợc sử dụng
trong các nhà máy cơ khí, nhà máy sửa chữa và chế tạo máy.

3
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

Trong môi trờng làm việc nặng nhọc công nghệ yêu cầu :
- Khoan làm việc ổn định, chắc chắn.
- Tần số làm việc lớn.
Ch ơng II : Thiết kế

Theo phơng pHáp Grapcet
1. Grapcet - công cụ để mô tả mạch trình tự trong công
nghiệp
Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp, các thiết bị máy móc thờng
hoạt động theo một trình tự lôgic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lợng sản
phẩm, an toàn cho ngời và thiết bị. Cấu trúc làm việc trình tự của dây
chuyền đã đa ra yêu cầu cho điều khiển là điều khiển sự hoạt động chặt
chẽ thống nhất của dây chuyền đồng thời cũng gợi ý cho ta sự phân
nhóm lôgic của automat trình tự bởi các tập hợp con của máy móc và
các thuật toán. Ta có sơ đồ khối :

4

Quá trình
Cấu trúc điều
khiển trình
tự
Tín hiệu vào
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

Quá trình công nghệ có thể bao gồm :
- Hoàn toàn tự động
- Bán tự động
- Hoàn toàn bằng tay
Khi thiết kế hệ thống phải tính toán đến các phơng thức làm việc
khác nhau để đảm bảo an toàn và xử lí kịp thời các h hỏng trong hệ
thống. Phải luôn có phơng án can thiệp trực tiếp của ngời vân hành đến

việc dừng máy khẩn cấp Grapcep là công cụ rất hữu ích để thiết kế và
thực hiện đầy đủ các yêu cầu của công nghệ tự động hoá các quá trình
công nghệ kể trên.

5
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

2.Phơng pháp Grapcet
Yêu cầu công nghệ :
a, b, c, d là các công tắc hành trình cảm nhận
vị trí của lỡi khoan.
Hoạt động :
Khoan đi xuống với vận tốc v1 gặp b (gặp vật liệu) giảm tốc độ
khoan với vận tốc v2. Xuống gặp c lỡi khoan nhấc lên tháo phoi
chuẩn bị cho giai đoạn khoan thứ hai.
Đi lên với vận tốc V1 gặp a khoan đảo chiều đi xuống với vận
tốc V1 bắt đầu giai đoạn hai. Đi xuống gặp c (gặp phôi) bắt
đầu khoan xuống với vận tốc V2 . Gặp d khoan hết một lỗ
khoan đợc nhấc lên với vận tốc V1 . Đi lên gặp a thì dừng lại
kết thúc quá trình khoan.

3.Tín hiệu vào, trạng thái ra

6
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

Tín hiệu vào :
Các cảm biến vị trí a, b, c, d
Tín hiệu ra :
X : trạng thái đi xuống
L : trạng thái đi lên
V1 : chạy xuống với vận tốc v1
V2 : chạy xuống với vận tốc v2
4.Thành lập Grapcet 1
-Xác lập trạng thái ban đầu
-Trạng thái ban đầu
-Đã ở trạng thái ban đầu
-Đi xuống với vận tốc v1
-Đã đi xuống với vân tốc v1
-Đi xuống với vận tốc v2
-Đã đi xuống với vận tốc v2
-Đi lên với vận tốc v1
-Đã đi lên với vận tốc v1
*Nhận xét :

7
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

- Nếu Grapcet chỉ có vậy khoan sẽ đi xuống găp b giảm tốc,
gặp c đi lên, gặp a lặp lại quá trình trên mà không khoan 2
giai đoạn.

- Vì vậy, phải thêm 1 biến phụ nhận biết cho phép :
. gặp b lần thứ nhất đi xuống với vận tốc v2 nhng gặp b lần
thứ hai vẫn duy trì vận tốc cũ.
. đồng thời gặp c lần thứ nhất đi lên nhng cấm đi lên lần
thứ hai mà gặp c đi xuống với vận tốc v2. Chỉ khi gặp d mới đi lên.
- Gọi biến P gặp c hàm đóng và gặp d thì cắt.
Từ những điều trên Grapcet 2 có thể thành lập nh sau
5.Thành lập Grapcet 2

8
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43



9
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43

Ta rót ra ®îc hµm ®ãng c¾t nh sau :
So
+
= g + L.a
So
-
= X.v1

X
+
= m.a.So + a.L.P
X
-
= L.v1
V1
+
= m.a.So + (c+d).X.v2 + a.L.P
V1
-
= v2
V2
+
= c.v1 + b.v1.P
V2
-
= L.v1

L
+
= (c+d).X.v2
L
-
= So + X.v1
P
+
= c
P
-

= d
“ + “ : hµm ®ãng
“ – “ : hµm c¾t
Grapcet sö dông c¸c phÇn tö nhí thùc hiÖn c«ng nghÖ trªn. Nhng
yªu cÇu bµi to¸n sö dông phÇn tö tiÕp ®iÓm nªn :
- ViÕt hµm ®ãng cã tiÕp ®iÓm tù duy tr× ®Ó nhí
- ViÕt hµm c¾t
Ta cã s¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn trang sau

10
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

6.Nguyên lí hoạt động sơ đồ nh sau :
- Khi có tín hiệu sẵn sàng của So tự duy trì theo đờng 1-So-5-4-
2 Tiếp điểm So98, So12 15 đóng lại sẵn sàng làm việc.
- Tại vị trí ban đầu a ấn nút mở máy m rơle trung gian X có
điện và tự duy trì bởi tiếp điểm X1-8, X5-4 lúc này mở ra.
- Đồng thời khi đó rơle V1 có điện và tự duy trì bởi tiếp điểm
V1 1-12 tiếp điểm V1 5-4 mở ra làm mất điện So.
Khoan chạy xuống với vận tốc v1.

11
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

- Gặp b tiếp điểm V1 20-22 đang đóng nên V2 có điện và tự
duy trì bởi V2 1-16 V2 có điện đồng thời tiếp điểm V2 12-10
mở ra cắt điện V1. Các rơle khác không bị ảnh hởng.
Khoan lúc này giảm tốc độ xuống vận tốc v2 (bắt đầu
quá trình khoan giai đoạn một)
- Gặp c rơle P có điện và tự duy trì bởi tiếp điểm P1-29 tiếp
điểm P20-16 mở ra đồng thời P23-12 đóng lại sẵn sàng.
- Cùng lúc đó bởi các tiếp diểm V2 25-27, X2 17-28 đang đóng
nên rơle L có điện tự duy trì bởi L1-28.
- Tiếp điểm X17-19, V2 19-12 đóng nên rơle V1 cũng có điện.
Chúng cắt V2 và X do vậy khoan chạy lên với vận tốc v1.
- Gặp b không chuyện gì xảy ra P20-16 đã mở .
- Gặp a vì các tiếp điểm L11-11, P11-8 đang duy trì nên rơle X
có điện và duy trì bởi X1-8. Đồng thời V1 có điện và cắt L
Khoan lại chạy xuống với vận tốc v1 (bắt đầu chu trình
thứ hai)
- Gặp b do P20-16 đã mở cho nên rơle V2 không thể có điện
Khoan tiếp tục chạy xuống với vận tốc v1.

12
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

- Đến khi gặp c do V2 25-27 đang mở nên rơle L không có điện
- Vì V1 18-16 đang có điện nên V2 có điện và tự duy trì bởi V2
1-16. Có V2 thì V1 bị cắt bởi V210-12.
Khoan tiếp tục chạy xuống với vận tốc mới v2.
- Gặp d do V2 25-27, X27-28 đang đóng nên rơle L có điện.

- Tơng tự rơle V1 có điện.
- V1, L có điện các tiếp điểm thờng đóng của nó mở ra do đó
cắt điện X, V1
- Đồng thời gặp d nên P mất điện.
Khoan chạy lên với vận tốc v1
- Gặp a rơle So có điện và tự duy trì các tiếp điểm của nó đóng
lại ở trạng thái sẵn sàng đợi lệnh mới.
Kết thúc quá trình khoan một lỗ hai giai đoạn

13
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

Ch ơng III : Sơ dồ mạch lực Lựa
chọn thiết bị
1. Mạch lực
- Công suất động cơ 2KW
- Điện áp định mức 220V
- Động cơ một chiều kích từ độc lập.
Dòng điện định mức :
Iđm = Pđm/Uđm = 2.10
3
/220 =9,1 A
- Đối với động cơ công suất nhỏ thế này có thể sử dụng phơng
pháp mở máy trực tiếp không cần qua ddiện trở hàn chế.
- Đối với mạch bảo vệ ta có thể chọn phơng án bảop vệ cầu chì
đơn giản và rẻ tiền.

14
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

- Khi đảo chiều thực hiện hãm ngợc bằng tất cả các điện trở
tham gia trong mạch phần ứng theo nguyên tắc dòng điện bởi
rơle dòng điện cực đại RH.
Sơ đồ nguyên lí mạch lực , mạch lực nh hình bên :

15
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

2. Lựa chọn thiết bị
a. Phần tử chấp hành
Dòng điện định mức Iđm = 9,1 A
Khi mở máy dòng điện Imm < 2,5. Iđm . Dòng cực đại khi mở máy
là :
Imm = 2,5.Iđm =2,5 . 9,1 =22,7 (A)
Ta có thể chọn công tắc tơ có các thông số thoả mãn
Loại Dòng điện Số lợng tiếp điểm Uđm CS
cuộn
dây
Kích th-
ớc
Iđm Imax Thờng mở Thờng đóng

K1-0021
15 60 2 220 10 200x128
Chọn 4 công tắc tơ nh trên cho các công tắc tơ X, L, V1, V2.
Từ công suất cuộn hút có thể tính đợc dòng qua cuộn hút :
Ih = P/U =10/220 = 0,05 (A)
b. Phần tử điều khiển
Từ dòng cuộn hút ta có thể chọn đợc các rơle trung gian có tiếp điểm
thoả mãn.
Chọn rơle trung gian :
Loại Dòng điện Số lợng tiếp điểm Uđm CS cuộn
hút
Kích th-
ớc
Thờng mở Thờng đóng

16
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

RH101 5 4 4 220 2 92x128
c. Các thiết bị bảo vệ
Bảo vệ bằng cầu chì ta chọn cầu chì :
- Động lực
- Điều khiển
Mạch động lực
Kiểu cầu
chì
Dòng đm

dây chảy
Dòng cắt
giới hạn
Điện áp
định mức
Kích thớc chung
A B C
H H
15 8000 220 91 16 25
Cầu chì kiểu ống nên khi đứt rất an toàn.
Mạch điều khiển
Kiểu cầu
chì
Dòng đm
dây chảy
Dòng cắt
giới hạn
Điện áp
định mức
Kích thớc chung
A B C
H H
6 1200 220 91 16 25
Chọn rơle dòng điện cực đại
Bảng đấu dây có thể lập nh sau :
STT Tên thiết bị Điểm nối

17
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43

1 §Çu nèi ®éng lùc
§L
1 – 1RH
1 –
2 – X1
2 –
3 – X2
3 –
4 – L1
4 –
5 – L2
5 –
6 – V1
6 –
7 – V2
7 –
8 – N
+
8 –
9 – N
-
9 –
STT Tªn thiÕt bÞ §iÓm nèi

18
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43

2 §Çu nèi ®iÒu khiÓn
§K
1 – A
1 – 1So
2 – A
3 – B
3 – 1§K
4 – B
4 –
5 – C
5 – 3§K
6 – C
6 –
7 – D
7 – 5§K
8 – D
8 –
9 – m
9 –
10 – m
10 –
11 – D
11 –
12 – D
12 – 6§K
13 – g
13 –

14 – g
14 –
STT Tªn thiÕt bÞ §iÓm nèi

19
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

3 Cầu dao
CD
1 N
+
1
2
2
4 Cầu chì động lực
1CC
1 1CD
1
5 Cầu chì điều khiển
2CC
1 2CD
1
6
Rơle hãm
RH
1
1 1.1CC

2
2
7 Rơle trung gian
So
1 1-2CC
2 2.CD
4 4.X
STT Tên thiết bị Điểm nối
7 Rơle trung gian
5 10ĐK
8 8X
9 9ĐK

20
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43

So 15 – 9So
26 –
8 R¬le trung gian
X
1 – 2§K
2 – 2So
5 – 5So
6 – 6L
8 – 8L
17 – 5§K
26 – 26So

27 – 27V2
28 – 28P
9 R¬le trung gian
V1
1 – 1So
2 – 1X
6 – 6L
8 – 8X
10 – 10V2
STT Tªn thiÕt bÞ §iÓm nèi
9 R¬le trung gian
V1
12 – 12So
16 –16L
18 – 6§K
20 – 20P

21
§å ¸n ®iÒu khiÓn logic TriÖu
Tuyªn Hoµng

T§H 3- K43

22 – 4§K
24 – 24X
26 – 26X
10 R¬le trung gian
V2
1 – 1§K
2 – 2V1

12 – 12So
12 – 12V2
14 – 14L
16 – 16V1
19 – 19X
25 – 8§K
11 R¬le trung gian
L
1 – 1V2
2 – 2V2
3 – 11L
5 – 10§K
STT Tªn thiÕt bÞ §iÓm nèi
11
R¬le trung gian
L
11 – 11P
11’ – 21L
16 – 16P
21 – 2§K
23 – 23P
24 – 24X
28 – 28So

22
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

12 Nút ấn
g
1 13ĐK
2 14ĐK
13 Nút mở máy
m
7 9ĐK
9
14 Công tắc tơ
X
2 2P
32 32X
15 Công tắc tơ
V1
2 2P
34 34V1
16 Công tắc tơ
V2
2 2X
36 36V2
17 Công tắc tơ
L
2 V2
38 38L
Tài liệu tham khảo
1. PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Điều khiển logic và ứng dụng
Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000.
2. Trịnh Đình Đề, Võ Trí An - Điều khiển tự động truyền động điện
Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986.
3. Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng - Sử dụng và sửa chữa khí cụ điện hạ

áp
4. Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998.

23
Đồ án điều khiển logic Triệu
Tuyên Hoàng

TĐH 3- K43

5. Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị khí nén và điện của các
hãng
OMRON, FESTO, MITSUBISHI.
6. Bản dịch: Cẩm nang Kỹ thuật điện Tự động hoá và Tin học Công
nghiệp
Ngời dịch: PGS - TS Lê Văn Doanh
Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1999.
7. Lewin, D. - Logical design of switching circuits
Nhà xuất bản MacMillan, 1986.

24