Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy soi rãnh tự động

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy soi rãnh tự động
Lời nói đầu
Đồ án môn học là một hình thức học tập giúp sinh viên gắn kết giữa lý thuyết và thực
tế đồng thời tập làm quen để bớc vào thực hiện đồ án tốt nghiệp sau này.Trong giai đoạn
học chuyên ngành chúng em đã đợc giao nhiều đề tài cho các môn học trọng tâm, các đồ
án đã thực sự giúp em củng cố và cụ thể hoá các vấn đề lý thuyết, có đợc cái nhìn sâu
hơn về các vấn đề đã học.
Điều khiển logic là một trong những môn học quan trọng của chuyên ngành Tự Động
Hoá, môn học cung cấp những kiến thức cơ bản cho sinh viên về các lĩnh vực và thiết bị
sủ dụng trong các mạch điều khiển logic. Đồ án logic yêu cầu em phải lắm đợc các ph-
ơng pháp phân tích mạch, tổng hợp mạch và cụ thể hoá mạch logic bằng các thiết bị.Cụ
thể, em dùng phơng pháp Hàm tác động để thiết kế mạch logic cho thiết bị là máy soi
rãnh tự động điều khiển bằng các thiết bị khí nén.Thiết bị điều khiển khí nén có rất nhiều
u điểm nh có thể trích chứa một cách thuận lợi, có khả năng truyền tải đi xa, không cần
xây dựng đờng khí thải, hệ thống phòng ngừa quá áp suất tới hạn đợc bảo đảmDo vậy
hệ thống điều khiển bằng khí nén đợc sử dụng nhiều trong thực tế.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, xong do khả năng có hạn, nên bài đồ án của em chắc chắn
còn nhiều thiếu xót, em rất mong đợc sự chỉ bảo thêm của các thầy cô.Em xin chân thành
cảm ơn thầy Phan Cung đã tận tình hớng dẫn trong suốt thời gian em thực hiện đồ án.

1
chơng i
giới thiệu nguyên lí của máy xoi rãnh tự động
i. mô tả yêu cầu công nghệ của máy xoi rãnh tự động
Máy xoi rãnh có yêu cầu công nghệ nh sau :
Sau khi đóng điện, mũi khoan đợc cấp điện và quay đứng yên tại một chỗ, ta bật công
tắc K để chọn cho máy xoi một rãnh hay hai rãnh .Nếu ta bật nút K sang vị trí 1 tức là
chọn chơng trình xoi một rãnh, nếu bật sang vị trí 2 thì sẽ chọn chong trình xoi hai rãnh
cho máy. Sau khi đã chọn xong, phôi đợc đa vào đúng vị trí nhờ một hệ thống từ bên
ngoài hoặc có thể là do ngời vận hành đa vào.
Khi phôi đợc đa vào sẽ có một cảm biến vị trí m

0
cảm nhận và cho tín hiệu điều khiển
pittông A hoạt động dịch chuyển tiến lên kẹp chặt phôi vào .Khi phôi đã đuợc kẹp chặt
pittông B đợc khởi động và đẩy toàn bộ hệ thống sang ngang .Mũi khoan quay đứng yên
còn phôi thì đợc đẩy qua làm cho mũi khoan sẽ tác động lên phôi tạo nên một rãnh.Sau
khi xoi rãnh xong thì pittong B sẽ chuyển động lùi về kéo hệ thống trở về nh trớc đó. Nếu
ban đầu ta chọn công tắc K ở vị trí 1 tức là thực hiện xoi một rãnh thì đến đây pittông A
sẽ nhả ra và phôi sẽ đợc lấy ra.Nhng nếu ban đầu ta chọn ở vị trí 2 thì sau khi đã khoan
xong một rãnh pittông A sẽ không nhả ra mà vẫn giữ nguyên còn pitông C sẽ đợc tác
động đẩy phôi lên trớc đến vị trí khoan rãnh thứ hai .Khi đến đúng vị trí cần xoi pittông
C dừng lại, tiếp đó pittông B lại hoạt động đẩy hệ thống sang ngang để cho phôi đi qua
mũi khoan tạo rãnh thứ hai. Sau khi dã tạo xong rãnh thứ hai pittông B kéo hệ thống trở
lại ,tiếp đó pittông C đợc nhả ra kéo hệ thống lùi về nh lúc mới khoan xong rãnh thứ
nhất.Và khi phittông C đã đợc nhả ra thì sẽ đến lợt pittông A nhả ra . Sau đó phôi sẽ đợc
lấy ra, hệ thống dừng lại và chờ đa phôi mới vào để tiếp tục quá trình mới.
Sơ đồ công nghệ của máy xoi rãnh tự động:


2
m
o
a
o
a
1
b
o
b
1
c

o
c
1
b
1
b
o
a
1
m
o
a
o
a. Sơ đồ xoi hai rãnh b.Sơ đồ xoi một rãnh
Để xét trờng hợp tổng quát, ta mặc định coi máy soi hoạt động ở trờng hợp thứ hai, tức
là khoá K đóng sang vị trí thứ 2 .
Lựa chọn công nghệ
- Ta chọn một cảm biến vị trí Mo để nhận tín hiệu khi phôi đợc đa vào đúng vị trí và
để khởi động pittông A. Tại các đầu và cuối của mỗi pittông A,B,C ta đặt các công tắc
hành trình a
0
, a
1
, b
0
, b
1
, c
0
, c

1
.Các công tắc hành trình tự phục hồi.
- Yêu cầu của đề bài là phải điều khiển xi lanh bằng khí nén . Xi lanh có loại điều
khiển một chiều và loại điều khiển hai chiều .Để có thể dễ dàng hơn trong điều khiển ta
chọn loại xi lanh điều khiển hai chiều .
- Các phần tử điều khiển là các phần tử khí nén .
Ta gọi:
- Khi pitông A chuyển động ra để kẹp phôi là A
+
, khi nhả phôi là A
-
.
- Khi pitông B chuyển động để đẩy phôi qua là B
+
, khi kéo hệ thống về B
-
.
- Khi pitông C chuyển động đẩy phôi lên là C
+
, khi kéo phôi về là C
-
.
Nh vậy, để thực hiện quá trình điều khiển sự chuyển động của các xi lanh A,B,C ta có
thể thực hiện sự đóng mở của các công tắc hành trình .Hay nói cách khác ta có thể thay
đối tợng điều khiển là các xi lanh A,B,C bằng các công tắc hành trình ở trên.
chơng ii

3
thiết kế hệ thống điều khiển
bằng phơng pháp hàm tác động

i. giới thiệu về phơng pháp hàm tác động
Thông thờng các biến cố trong hệ sơ đồ kép xảy ra theo dòng thời gian (các khoảng
thời gian nối tiếp nhau ).Do đó dãy các sự kjện có thể đợc mô tả dới dạng một hàm dới
đây đây:
F = A + X - Y + B - X + Z - B + Y + C - Z + A +...
Và chúng ta có thể mô tả hàm này nh 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 thờng kí hiệu các tín hiệu vào là A,B,C...
Với các biến điều khiển ta thờng kí hiệu là X,Y,Z...
Đối với các biến vào các dấu cộng (+) hoặc trừ (-) đứng trớc các kí hiệu của A,B,C là
chỉ rõ các tín hiệu đó đợc 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 (+) nh biến A trong ví dụ trên thì dợc
hiểu rằng tín hiệu đó là tín hiệu xung chỉ xuất hiện trong quá trình làm việc rất ngắn ví
nh khi ta ấn vào nút ấn rồi thả ra .Còn những tín hiệu có cả dấu cộng (+) và dấu trừ (-)
đứng trớc là tín hiệu thế .
Tơng tự vậy với các đối tợng điều khiển (X,Y,Z,...) nếu có dấu cộng đứng trớc thì chỉ
rõ phần tử đó đợc đa và hoạt động nhờ sự hoạt động hay sự mất đi của các biến trớc
nó .Ví dụ +X có nghĩa là phần tử X đợc đa vào hoạt động nhờ có sự hoạt động của phần
tử trớc đó là biến A.Ký hiệu -Y chỉ rõ Y ngừng hoạt động là do X hoạt động ...
Có trờng 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 nh sau .Biến vào 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.
Dới đây ta nêu một số bớc tiến hành tổng hợp sơ đồ kép loại này
a) Tìm chu kỳ hoạt động của các phần tử của đối tợng 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 .
c) Xác định hàm lôgíc điều khiển biến đầu ra .
d) Kiểm tra biểu thức thu đợc để khi cần phải bổ sung theo biến trung gian.

e) Xác định hàm điều khiển biến phụ.
Vì phơng pháp mô tả công nghệ thiết kế dới dạng hàm tác động thuận tiện cho ng-
ời thiết kế nên cần nhấn mạnh một điểm về công tác kiểm tra .
Kiểm tra hàm đóng f
đ
của phần tử thờng xảy ra các trờng hợp:
+Nếu f
đ
không thay đổi giá trị trong quá trình đóng của phần tử thì biểu
thức f
đ
lập đợc đã thỏa mãn yêu cầu của hàm .
+Nếu f
đ
thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử thì cần phải thì
cần phải thêm một biến phụ P
1
. Khi đó hàm đóng mới có tác dụng :
f
đ
= f
đ
+P
1

4
Trong trờng hợp xét thấy hành vi điều khiển và trạng thái điều khiển của hệ
giống nh 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 trờng hợp:
+Nếu f

c
không thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử thì f
c
thu đ-
ợc đã thỏa mãn.
+Nếu f
c
thu đợc thay đổi giá trị trong giai đoạn đóng của phần tử thì hàm f
c
phải cần thêm một biến phụ P
2
.Khi đó:
f
c
= f
c
.P
2
Kiểm tra tính đúng đắn của hàm thu đợc trong mỗi chu kỳ hoạt động của phần tử
thu đợc bằng cách triển khai các biểu thức lôgic thành các dạng biểu diễn tuyển chuẩn
.Nếu trong trờng hợp thấy số hạng nào (hội cơ bản )có giá trị một khi cha đa tín hiệu vào
và trái với công nghệ thì khi đó phải đa thêm biến phụ P
3
vào số hạng đó.
Tính đúng đắn của hàm phải thỏa mãn mọi chu kì phần tử.
Việc kiểm tra cần phải đợc tiến hành cho mọi hàm lôgic của mọi phần tử đầu ra
cũng nh của biến trung gian.
ii. phân tích bàI toán bằng hàm tác động
Nh trên đã phân tích ta mô tả bài toán nh sau:
M

0
là cảm biến vị trí, nó giúp xác định vật đã đợc đặt trên giá hay cha. Các công tắc
hành trình a
0
, b
0
, c
0
ở trạng thái sẵn sàng, tức là đã đợc kích hoạt(a
0
= b
0
= c
0
=1 ). Khi đa
phôi vào cảm biến vị trí cảm nhận đợc và sẽ phát tín hiệu cho phép xilanh A thực hiện
quá trình A
+
( dòng khí sẽ chảy vào nửa trái của xilanh và đẩy phittông A thực hiện quá
trình A
+
).Khi quá trình A
+
đợc thực hiện thì công tắc hành trình a
0
sẽ bật ra, quá trình
chuyển động của A
+
vẫn tiếp tục. Khi pittông A chuyển động đến a
1

và đóng a
1
thì tín
hiệu a
1
sẽ ngắt quá trình A
+
. Khi quá trình A
+
kết thúc sẽ khởi động quá trình B
+
(lúc đó
b
0
=1). Khi B
+
đợc hoạt động thì nó sẽ làm mất tín hiệu b
0
, khi B
+
đi tới công tắc hành
trình b
1
nó sẽ đóng b
1
, b
1
sẽ tắt quá trình hoạt động của B
+
khởi động cho quá trình B

-
.
Quá trình B
-
hoạt động sẽ tắt b
1
, khi B
-
thực hiện tới công tắc hành trình b
0
nó sẽ tác động
vào b
0
làm cho b
0
đóng và b
0
sẽ ngắt hoạt động B
-
. Công tắc hành trình b
0
đóng cũng sẽ
khởi động quá trình C
+
(lúc đó c
0
=1), quá trình C
+
hoạt động sẽ tắt c
0

. Khi C
+
đi tới công
tắc hành trình c
1
nó sẽ đóng c
1
, c
1
sẽ tắt quá trình hoạt động của C
+
khởi động cho quá
trình B
+
. Khi B
+
đợc hoạt động thì nó sẽ làm mất tín hiệu b
0
, khi B
+
đi tới công tắc hành
trình b
1
nó sẽ đóng b
1
, b
1
sẽ tắt quá trình hoạt động của B
+
khởi động cho quá trình B

-
.
Quá trình B
-
hoạt động sẽ tắt b
1
, khi B
-
thực hiện tới công tắc hành trình b
0
nó sẽ tác động
vào b
0
làm cho b
0
đóng và b
0
sẽ ngắt hoạt động B
-
. Trong suốt chu kì thứ 2 của B pittông
C không hoạt động và mấu gạt của xilanh C đặt tại c
1
(c
1
=1). Khi b
0
ngắt hoạt động B
-

sẽ

khởi động quá trình C
-
(lúc đó b
0
=1). Khi C
-
đợc hoạt động thì nó sẽ làm mất tín hiệu c
1
,
khi C
-
đi tới công tắc hành trình c
0
nó sẽ đóng c
0
, c
0
sẽ tắt quá trình hoạt động của C
-
. Khi
quá trình C
-
kết thúc sẽ khởi động quá trình A
+
(lúc đó a
1
=1). Khi A
+
đợc hoạt động thì nó
sẽ làm mất tín hiệu a

1
, khi A
+
đi tới công tắc hành trình a
0
nó sẽ đóng a
0
, a
0
sẽ tắt quá
trình hoạt động của A
+
. Khi A
+
kết thúc thì quá trình gia công một sản phẩm kết
thúc,toàn bộ các thiết bị trở về trạng thái ban đầu chuẩn bị cho một chu kì sản phẩm mới
tiếp theo. Cứ nh vậy ta có hàm tác động nh sau:
Khi khởi động theo chế độ 2:

5
F= +m
0
+A
+
- a
0
+a
1
- A
+

+ B
+
- b
0
+b
1
- B
+
+ B
-
- b
1
+b
0
- B
-
+ C
+
-c
0
+c
1
-C
+
+B
+
- b
0
+
b

1
- B
+
+ B
-
- b
1
+b
0
- B
-
+ C
-
-c
1
+c
0
-C
-
+ A
-
- a
1
+a
0
- A
-
Dựa vào hàm tác động ta tổng hợp các hàm điều khiển các quá trình nh sau :
a)Hàm điều khiển của A
+

F
đ
(A
+
) = m
0
là một cảm biến vị trí, tín hiệu có của nó sẽ có trong toàn bộ quá
trình. Do đó tín hiệu F
đ
(A
+
) là thỏa mãn.
F
c
(A
+
) = a
1
.Ta thấy tín hiệu a
1
không thay đổi giá trị trong quá trình đóng của A
+

F(A
+
) = m
0
.
1
a

Tuy nhiên ta thấy khi thực hiện quá trình A
-
thì quá trình A
+
cũng đủ tín hiệu để
thực hiện, do đó để tránh xung đột ta thêm tín hiệu

A
vào hàm điều khiển của F(A
+
).
Vậy F(A
+
) = m
0
.
1
a
.

A
b)Hàm điều khiển của B
+
Hàm này có hai chu kì hoạt động .
* Chu kì thứ nhất:
F
1đ
(B
+
) =

+
A

F
1c
(B
+
) =b
1
F(B
+
) =
+
A
.
1
b

Ta thấy các hàm đóng và cắt trong chu kì đầu đều thoả mãn. Tuy nhiên hàm này
lại có giá trị bằng 1 ngay từ đầu, do đó ta phải thêm biến phụ vào là P
1
.
F(B
+
) =
+
A
.
1
b

. P
1

Biến phụ P
1
phải có trớc khi có tín hiệu B
+
và phải mất cùng hoặc sau khi có tín
hiệu b
1
lần thứ 1.Ta lấy tín hiệu a
0
làm tín hiệu có của B
+
và lấy tín hiệu xuất hiện b
1
làm
tín hiệu cắt.Nhng tín hiệu a
0
thay đổi giá trị trong quá trình đóng của B
+
nên ta phải thêm
biến tự duy trì cho P1. Khi đó hàm điều khiển của P
1
là:
F(P
1
) = (a
0
+p

1
).
1
b

* Chu kì thứ hai:
F
2đ
(B
+
) =
+
C

F
2c
(B
+
) =b
1
F
2
(B
+
) =
+
C
.
1
b

Ta thấy hàm đóng và hàm cắt đều không thay đổi giá trị trong quá trình hoạt động
của B
+
nhng nó lại có thể có giá trị 1 ngay từ đầu. Do đó ta phải thêm biến phụ vào là P
2
.
F
2
(B
+
) =
+
C
.
1
b
.P
2
Biến phụ P
2
phải có trớc khi có tín hiệu B
+
lần thứ 2 và phải mất sau khi hoặc cùng
lúc có tín hiệu b
1
lần thứ 2.Ta lấy tín hiệu xuất hiện C
+
làm tín hiệu có của B
+
và lấy tín

hiệu xuất hiện b
1
làm tín hiệu cắt.Nhng tín hiệu C
+
thay đổi trị trong quá trình đóng của
B
+
nên ta phải thêm biến tự duy trì cho P
2
. Khi đó hàm điều khiển của P
2
là:
F(P
2
) = (C
+
+p
2
).
1
b
.

6
Vậy hàm F(B
+
) =
+
A
.

1
b
. P
1
+
+
C
.
1
b
.P
2
F(B
+
) = (
+
A
. P
1
+
+
C
.P
2
).
1
b
Với : F(P
1
) = (a

0
+p
1
).
1
b

F(P
2
) = (C
+
+p
2
).
1
b
c)Hàm điều khiển của B
-
Hàm này có hai chu kì hoạt động nhng giống nhau.
Ta có :
F
đ
(B
-
) =
+
B
F
c
(B

-
) =
0
b
Hàm đóng và hàm cắt đều thỏa mãn nên ta có:
F(B
-
) =
+
B
.
0
b
d)Hàm điều khiển của C
+
Hàm này có một chu kì.
Ta có :
F
đ
(C
+
) =

B
F
c
(C
+
) = c
1

Cả hàm đóng và hàm cắt đều thoả mãn, không thay đổi giá trị trong quá trình hoạt
động của C
+
.Nhng hàm này lại có giá trị 1 tại thời điểm ban đầu do đó ta cần phải thêm
biến phụ P
3
.
F(C
+
) =

B
.
1
c
. P
3

Biến P
3
phải có trớc sự xuất hiện của C
+

nhng không đợc có sớm hơn trớc khi mất
b
0
ở giai đoạn đầu tiên vì vậy ta lấy sự xuất hiện của b
1
làm nguyên nhân xuất hiện cho
biến P

4
và lấy c
1
làm nguyên nhân ngắt của P
3
.
Vì b
1
thay đổi giá trị trong quá trình đóng của P
3
nên ta phải thêm biến tự duy trì
cho nó. Khi đó hàm điều khiển của P
3
là:
F(P
3
) = (b
1
+p
3
).
1
c
e)Hàm điều khiển của C
-
Hàm này cũng chỉ có một chu kì:
F
đ
( C
-

) =

B
F
C
(C
-
) = c
0
Cả hàm đóng và hàm cắt đều thỏa mãn, nhng hàm này sẽ có giá trị 1 không mong
muốn ngay từ đầu vậy ta phải thêm biến phụ P
4
F(C
-
) =

B
.
0
c
.P
4
Ta lấy tín hiệu có của B- làm tín hiệu xuất hiện của P
4
và tín hiệu có của c
0
làm tín
hiệu ngắt của nó. Ta phải bổ xung biến tự duy trì cho P
4
vì B- thay đổi.

Vậy F(P
4
)=( B

+ p
4
).
0
c
f)Hàm điều khiển của A
-
F
đ
(A
-
) =
_
C
F
c
(A
-
) = a
0

7