Nghiên cứu điều khiển điện-khí nén

Điều Khiển Điện - Khí Nén
TIỂU LUẬN ĐIỀU KHIỂN KHÍ
NÉN
Thực
Hiện
:
Klon
g &
Nam
net
1
Điều Khiển Điện - Khí Nén
1. Đại cương hệ thống điều khiển điện-khí nén
1.1. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển điện-khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và cơ
cấu chấp hành được nối kết với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực
hiện những nhiệm vụ theo yêu cầu đặt ra. Hệ thống được mô tả như hình
1-1.
Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện-khí nén
* Tín hiệu đầu vào: nút nhấn, công tắc; công tắc hành trình; cảm biến.
* Phần xử lý thông tin: xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic xác
đònh, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển: van logic AND, OR,
NOT, YES, FLIP-FLOP, RƠLE…
* Phần tử điều khiển: điều khiển dòng năng lượng (lưu lượng, áp suất)
theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành: van chỉnh áp,
van đảo chiều, van tiết lưu, ly hợp…
* Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại
lượng ra của mạch điều khiển: xy lanh khí-dầu, động cơ khí nén-dầu.
* Năng lượng điều khiển: bao gồm phần thông tin và công suất.
* Phần thông tin: điện tử, điện cơ, khí, dầu, quang học, sinh học.
* Phần công suất:

- Điện: công suất nhỏ, điều khiển hoạt động dễ, nhanh.
- Khí: công suất vừa, quán tính, tốc độ cao.
- Thủy: công suất lớn, quán tính ít - dễ ổn đònh, tốc độ thấp.
- Thủy: công suất lớn, quán tính ít - dễ ổn đònh, tốc độ thấp.
Thực Hiện: Klong & Namnet
2
Điều Khiển Điện - Khí Nén
1.2. Các loại tín hiệu điều khiển
Trong điều khiển khí nén nói chúng ta sử dụng hai loại tín hiệu:
+ Tương tự (hình 1.2.a)
+ Rời rạc (số) (hình 1.2.b).
1.3. Điều khiển vòng hở
Hệ thống điều khiển vòng hở là không có sự so sánh giữa tín hiệu đầu ra
với tín hiệu đầu vào, giá trò thực thu được và giá trò cần đạt không được
điều chỉnh, xử lý. Hình 1.3 mô tả hệ thống điều khiển tốc độ động cơ
thủy lực.
1.4. Điều khiển vòng kín (hồi tiếp)
Hệ thống mà tín hiệu đầu ra được phản hồi để so sánh với tín hiệu đầu
vào. Độ chênh lệch của 2 tín hiệu vào ra được thông báo cho thiết bò
điều khiển, để thiết bò này tạo ra tín hiệu điều khiển tác dụng lên đối
tượng điều khiển sao cho giá trò thực luôn đạt được như mong muốn.
Hình 1.4 minh họa hệ thống điều khiển vò trí của chuyển động cần pít
tông xy lanh thủy lực.
Thực Hiện: Klong & Namnet
3
Điều Khiển Điện - Khí Nén
2. ƯU VÀ NHƯC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ
NÉN
2.1. Ưu điểm
− Tính đồng nhất năng lượng giữa phần I và P ( điều khiển và chấp

hành) nên bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện.
− Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng: 3 – 8 bar.
− Khả năng quá tải lớn của động cơ khí
− Độ tin cậy khá cao ít trục trặc kỹ thuật
− Tuổi thọ lớn
− Tính đồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử
chức năng báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trường
dễ nổ, và bảo đảm môi trường sạch vệ sinh.
− Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén
nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít.
− Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí
nén nhỏ, hơn nữa khả năng giãn nở của áp suất khí lớn, nền truyền động
có thể đạt được vận tốc rất cao.
2.2. Nhược điểm
− Thời gian đáp ứng chậm so với điện tử
− Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với điện tử, chỉ điều khiển theo
chương trình có sẵn. Khả năng điều khiển phức tạp kém.
− Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh.
Thực Hiện: Klong & Namnet
4
Điều Khiển Điện - Khí Nén
− Lực truyền tải trọng thấp.
− Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn
− Không điều khiển được quá trình trung gian giữa 2 ngưỡng.
3. Phạm vi ứng dụng của điều khiển khí nén
Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng rộng rãi ở những lónh vực mà
ở đó vấn đề nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ, như: các đồ gá kẹp các
chi tiết nhựa, chất dẻo; hoặc được sử dụng trong ngành cơ khí như cấp
phôi gia công; hoặc trong môi trường vệ sinh sạch như công nghệ sản
xuất các thiết bò điện tử. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được

sử dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, như: rữa bao bì tự
động, chiết nước vô chai…; trong các thiết bò vận chuyển và kiểm tra của
các băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bò lò hơi, đóng gói, bao bì, in
ấn, phân loại sản phẩm và trong công nghiệp hóa chất, y khoa và sinh
học.
Thực Hiện: Klong & Namnet
5
Điều Khiển Điện - Khí Nén
4. Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển khí nén
Hình 1.5-Cấu trúc chung của một hệ thống điều khiển khí nén
4.1. Hệ thống cung cấp nguồn năng lượng khí cho toàn bộ cơ cấu:
Hình 1.6 – Hệ thống thiết bò phân phối khí nén
Thực Hiện: Klong & Namnet
6
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Mạng đường ống dẫn khí nén
Hình 1.7 - Hệ thống lắp ráp mạng đường ống theo kiểu vòng tròn
Hình 1.8 - Lăp ráp mạng đường ống trực tiếp từ máy nén khí
1. Bộ phận xả nước ở bình trích chứa
2. Bình trích chứa nước ngưng tụ
3. Van giảm áp + bình chứa nước ngưng tụ
4. Bộ phận lọc: bộ lọc, van điều chỉnh áp suất, van tra dầu
5. Bình chứa nước ngưng tụ và van xả cuối mạng ống dẫn
Thực Hiện: Klong & Namnet
7
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.9 - Sơ đồ lắp ráp mạng đường ống dẫn khí nén trong nhà máy
Một số thiết bò trong hệ thống cung cấp khí nén:
Máy nén khí kiểu Piston:
 Nguyên lý:

Không khí sau khi qua bộ lọc khí được nén ở thân máy nén khí nhờ các
van đóng và mở trên đầu Piston, sau đó được đẩy vào bình chứa.
Để có thể nén đến áp suất > 15 bar sử dụng Piston 2 cấp hoặc nhiều
hơn, do không khí được nén nhiều lần nên phải có hệ thống làm mát
trung gian.
Hình 1.10 – Nguyên lý hoạt động của máy nén khí Piston 1 cấp
Máy nén khí kiểu cánh gạt:
 Nguyên lý:
Không khí được nén vào buồng hút, nhờ Rotor và Stator đặt lệch nhau
nên khi Rotor quay không khí sẽ vào buồng nén sau đó sẽ vào buồng
đẩy.
Thực Hiện: Klong & Namnet
8
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.11 – Nguyên lý hoạt động máy nén khí kiểu cánh gạt
Máy nén khí kiểu trục vít:
 Nguyên lý:
Hai Rotor đặt song song 1 Rotor có 4 răng và 1 Rotor có 6 rãnh hoạt
động theo nguyên lý thay đổi thể tích. Thể tích thay đổi giữa các răng khi
trục vít quay được 1 vòng. Như vậy sẽ tạo ra quá trình hút (thể tích
khoảng trống tăng lên) và quá trình nén (thể tích khoảng trống nhỏ lại)
và cuối cùng là quá trình đẩy.
Hình 1.13 – Nguyên lý hoạt động của bơm trục vít.
Thực Hiện: Klong & Namnet
9
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.14 – Sơ đồ hệ thống máy nén khí kiểu trục vít có hệ thống dầu
bôi trơn.
Máy nén khí kiểu Root:
 Nguyên lý:

Gồm 2 hoặc 3 cánh gạt (piston dạng số 8), các piston đó được quay
đồng bộ bằng bộ truyền động ở ngoài thân máy, trong quá trình quay
không tiếp xúc nhau. Như vậy khả năng hút của máy phụ thuộc vào khe
hở giữa hai piston, khe hở giữa phần quay và thân máy.
Hình 1.15 – Nguyên lý hoạt động của máy nén khí kiểu ROOT.
Máy nén khí kiểu Turbin:
 Nguyên lý:
Là những máy nén khí dòng liên tục, đặc biệt có lưu lượng lớn, gồm hai
loại dọc trục và hướng tâm. Tốc độ dòng chảy của khí rất lớn có thể tăng
tốc bằng cách tăng số lượng cánh turbin.
Thực Hiện: Klong & Namnet
10
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.16–Máy nén khí Tuabin
– a.Kiểu li tâm
– b.Kiểu khí nén chiều trục.
Bình ngưng tụ:
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí được dẫn vào bình ngưng tụ. Tại đây
khí nén sẽ được làm lạnh và phần lớn lượng hơi nước chứa trong không
khí sẽ ngưng tụ và tách ra.
Hình 1.17 – Nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ làm lạnh bằng nước.
Thiết bò sấy khô bằng chất làm lạnh:
Khí nén từ máy nén khí qua bộ phận trao đổi nhiệt khí – khí (1), tại đây
dòng khí nén sẽ được làm lạnh sơ bộ bằng dòng khí nén đã được sấy
khô và xử lý từ bộ phận ngưng tụ đi lên. Sau khi làm lạnh sơ bộ, dòng khí
nén vào bộ phận trao đổi nhiệt khí – chất làm lạnh (2), quá trình làm lạnh
Thực Hiện: Klong & Namnet
11
Điều Khiển Điện - Khí Nén
sẽ được thực hiện bằng cách dòng khí nén được đổi chiều trong những

ống dẫn ziczăc, nhiệt độ hóa sương tại đây khoảng +20C, như vậy hơi
nước trong dòng khí nén được ngưng tụ trong bộ phận kết tủa (3).
Dầu, nước và chất bẩn sau khi được tách ra khỏi dòng khí nén sẽ được
đưa ra ngoài qua van thoát nước ngưng tụ tự động (4). Dòng khí đã được
làm sạch và còn lạnh sẽ được đưa đến bộ phận trao đổi nhiệt (1), để
nhiệt độ khoảng 680C trước khi được đưa vào sử dụng.
Hình 1.18 – Nguyên lý hoạt động của thiết bò sấy khô bằng chất làm
lạnh.
Bộ lọc:
 Đáp ứng yêu cầu về không khí sử dụng và hiệu quả kinh tế cho
các hệ thống điều khiển đơn giản.
Thực Hiện: Klong & Namnet
12
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.19 - Bộ lọc
1. Van lọc
2. Van điều chỉnh áp suất
3. Van tra dầu
Van điều chỉnh áp suất:
 Có tác dụng giữ áp suất được điều chỉnh không đổi cho dù có áp
suất bất thường của tải trọng làm việc.
Nguyên tắc hoạt động: khi điều chỉnh trục vít bằng cách điều chỉnh vò trí
của đóa van, trong trường hợp áp suất ở đường ra tăng lên so với áp suất
điều chỉnh, khí nén sẽ qua lỗ thông tác động lên màng làm vò trí kim van
thay đổi, khí nén qua lỗ xả khí ra ngoài cho đến khi áp suất đường ra
giảm xuống bằng áp suất được điều chỉnh ban đầu.
Thực Hiện: Klong & Namnet
13
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.20 – Nguyên lý hoạt động của van điều chỉnh áp suất và kí hiệu.

Van tra dầu:
Bôi trơn làm giảm ma sát, mài mòn và chống rỉ sét. Hoạt động theo
nguyên lý ống Venturi.
Hình 1.21 – Nguyên lý tra dầu Venturi.
Thực Hiện: Klong & Namnet
14
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.22 – Nguyên lý hoạt động và kí hiệu của van tra dầu.
4.2. Phần tử đưa và xử lý tín hiệu
Van đảo chiều
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách
đóng, mở hay chuyển đổi vò trí để thay đổi hướng của dòng năng lượng.
* Nguyên lý hoạt động:
Hình 1.23 – Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều
Khi chưa có tín hiệu tác động vào cửa (12) thì cửa (1) bò chặn và cửa (2)
nối với cửa (3). Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12), ví dụ bằng dòng
khí nén, nòng van dòch chuyển qua phải, cửa (1) thông với cửa (2) và cửa
(3) bò chặn. Khi thôi không tác động dòng khí nén vào cửa (3) dưới tác
động của lò xo nòng van trở về bên trái là vò trí ban đầu.
* Ký hiệu van đảo chiều:
Thực Hiện: Klong & Namnet
15
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau và các ký hiệu: a, b, c… hoặc các
chữ số 1, 2, 3,…
a
0 b a b
Kí hiệu chuyển đổi vò trí nòng
Vò trí “không” được kí hiệu là vò trí mà khi chưa có tín hiệu ngoài tác động
vào. Với van 3 vò trí thì vò trí giữa kí hiệu “0” là vò trí “không”. Đối với van 2

vò trí thì vò trí “không” có thể là “a” hoặc “b”, thông thường là “b”.
Trường hợp cửa xả khí có và không có mối nối cho ống dẫn được biểu
diễn như hình.
a
b
Kí hiệu cửa xả khí
Bên trong ô vuông của mỗi vò trí là các đường thẳng có hình mũi tên,
biểu diễn hướng chuyển động của dòng qua van. Trường hợp dòng bò
chặn được biểu diễn bằng dấu gạch ngang.
Thực Hiện: Klong & Namnet
16
ISO 5599
ISO 1219
Cửa nối với nguồn (từ bộ lọc
khí)
1
P
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.24 – Kí hiệu cửa nối của van đảo chiều
Cách gọi tên và kí hiệu một só van đảo chiều:
Hình 1.25 – Kí hiệu và tên gọi van đảo chiều
Hình 1.26 – Các loại van đảo chiều
Tín hiệu tác động:
Nếu kí hiệu lò xo nằm ngay phía bên phải của kí hiệu van đảo chiều thì
van đảo chiều đó có vò trí “không”, vò trí đó là ô vuông phía bên phải của
kí hiệu van đảo chiều và được kí hiệu là “0”. Điều đó có nghóa là chừng
nào chưa có tác động vào nòng van thì lò xo tác động giữ bò trí đó. Tác
động phía đối diện của van giữ ô vuông phía bên trái của van và được ký
hiệu là “1”
Thực Hiện: Klong & Namnet

17
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.27 – Tín hiệu tác động
Van đảo chiều có vò trí “không”:
 Van đảo chiều 2/2:
-
-
Tác động cơ học – đầu dò.
2 cửa P và R.
Thực Hiện: Klong & Namnet
18
Điều Khiển Điện - Khí Nén
-
-
-
-
-
2 vò trí 0 và 1.
Vò trí 0 của P và R bò chặn.
Vò trí 0 qua 1 bằng tác động cơ.
Vò trí 1 nối thông P và R.
Hết tác động cơ van trở về 0.
Hình 1.28 – Van đảo chiều 2/2
 Van đảo chiều 3/2:
-
-
-
-
-
-

Tác động cơ học – đầu dò.
3 cửa P, A và R.
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng A nối với cửa xả R, cổng nguồn P đóng.
vò trí 1 cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng xả A đóng.
Chòu tác động cơ qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí 0.
Hình 1.29 – Van đảo chiều 3/2
 Van đảo chiều 4/2:
- 4 cửa A, B, P, R.
Thực Hiện: Klong & Namnet
19
Điều Khiển Điện - Khí Nén
-
-
-
-
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cồng làm việc B nối
cổng xả R.
Ở vò trí 1 cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng làm việc A nối
cổng xả R.
Chòu tác động cơ qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí 0.
Hình 1.30 – Van đảo chiều 4/2 tác động bằng bàn đạp
 Van đảo chiều 5/2:
-
-
-
-
-
-

Chòu tác động cơ – đầu dò.
5 cửa A, B, P, R, S.
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng xả S đóng, cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng
làm việc nối cổng xả R.
vò trí 1 cổng làm việc B nối cổng xả S, cổng nguồn P nối cổng
làm việc A, cổng xả R đóng.
Chòu tác động cơ qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí 0.
Hình 1.31 – Van đảo chiều 5/2 tác động bằng đầu dò
Thực Hiện: Klong & Namnet
20
Điều Khiển Điện - Khí Nén
 Van đảo chiều 5/2:
-
-
-
-
-
-
Chòu tác động khí nén vào trực tiếp.
5 cửa A, B, P, R, S.
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng xả S đóng, cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng
làm việc nối cổng xả R.
vò trí 1 cổng làm việc B nối cổng xả S, cổng nguồn P nối cổng
làm việc A, cổng xả R đóng.
Chòu tác động của khí nén qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí
0.
Hình 1.32 – Van đảo chiều 5/2 tác động bằng dòng khí nén
 Van đảo chiều 4/2:

-
-
-
-
-
-
Chòu tác động trực tiếp bằng nam châm điện.
4 cửa A, B, P, R.
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng làm việc A nối
cổng xả R.
vò trí 1 cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng làm việc B nối
cổng xả R.
Chòu tác động nam châm qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí 0.
Thực Hiện: Klong & Namnet
21
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.33 – Van đảo chiều 4/2 tác đông trực tiếp bằng nam châm
 Van đảo chiều 3/2:
-
-
-
-
-
-
Tác động bằng nam châm điện qua van phụ trợ.
3 cửa P, A và R.
2 vò trí 0 và 1.
vò trí 0 cổng A nối với cửa xả R, cổng nguồn P đóng.
vò trí 1 cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng xả A đóng.

Chòu tác động nam châm qua vò trí 1, thôi tác động cơ trở về vò trí 0.
Thực Hiện: Klong & Namnet
22
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.34 – Van đảo chiều 3/2 tác động bằng nam châm điện qua van
phụ trợ
Van đảo chiều không có vò trí “không”:
Van đảo chiều không có vò trí 0 là loại van sau khi tín hiệu tác động lần
cuối lên nòng van không còn nữa thì van sẽ giữ nguyên vò trí lần đó cho
tới khi có tín hiệu tác động lên phía đối diện nòng van. Vò trí tác động kí
hiệu a, b, c…
 Van đảo chiều xung: Là loại van đảo chiều chòu tác động bằng
dòng khí nén điều khiển đi vào hay đi ra từ 2 phía nòng van hay tác
động trực tiếp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua
van phụ trợ (vò trí của van được thay đổi khi có tín hiệu xung tác
động lên nòng van).
 Van trượt đảo chiều 3/2:
-
-
-
-
-
Tác động bằng tay.
3 cửa A, P, R.
2 vò trí a và b.
Ở vò trí a cổng nguồn P đóng, cổng làm việc A nối cổng xả R.
vò trí b cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng xả R đóng.
Hình 1.35 – Van trượt đảo chiều 3/2
 Van xoay đảo chiều 4/3:
-

-
-
-
-
-
Tác động bằng tay.
4 cửa A, B, P, R.
3 vò trí a, b, c.
vò trí a cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng làm việc B nối
cổng xả R.
vò trí b tất cả các cổng đều đóng.
vò trí c cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng làm việc B nối
cổng xả R.
Thực Hiện: Klong & Namnet
23
Điều Khiển Điện - Khí Nén
Hình 1.36 – Van xoay đảo chiều 4/3
 Van đảo chiều xung 4/2:
-
-
-
-
-
-
Tác động bằng dòng khí nén đi ra từ 2 phía.
4 cửa A, B, P, R.
2 vò trí a, b.
vò trí a cổng nguồn P nối cổng làm việc B, cổng làm việc A nối
cổng xả R.
vò trí b cổng nguồn P nối cổng làm việc A, cổng làm việc B nối

cổng xả R.
Dòch chuyển giữa hai vò trí a, b bằng 2 dòng khí nén đi ra X, Y.
Hình 1.37 – Van trượt đảo chiều 4/2
Thực Hiện: Klong & Namnet
24