Xây dựng một số mô hình mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ............................................................Số hiệu sinh viên:.....................
Khóa ......................Khoa……....................................Ngành................................................
1. Tên đề tài:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
2. Các số liệu ban đầu:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
3. Nội dung các phần cần thuyết minh và tính toán:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

Phạm Bá Hùng


...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
5. Họ tên cán bộ hướng dẫn:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:...............................................................................................
7. Ngày hoàn thành đồ án: ...................................................................................................
Trưởng bộ môn
( Ký, ghi rõ họ, tên)

Ngày ....... tháng ....... năm ..….
Cán bộ hướng dẫn
( Ký, ghi rõ họ, tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày…. tháng …. năm 2015
Người duyệt
( Ký, ghi rõ họ, tên)

Phạm Bá Hùng

Sinh viên
( Ký, ghi rõ họ, tên)


PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N. (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ
Đ.T.T.N trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lượng các bản vẽ ...)

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn:
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày .... tháng ...... năm 2013
Cán bộ hướng dẫn chính
(Họ tên và chữ kí)

Phạm Bá Hùng

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lượng của đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số
liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng
thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
2. Cho điểm cán bộ chấm phản biện
(Điểm ghi bằng số và chữ)

Ngày ..... tháng ..... năm 2013
Người chấm phản biện

Phạm Bá Hùng


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng một số mô hình mẫu sử
dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm do em tự
thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quang. Các số liệu và kết
quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác.
Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hải Phòng, ngày 30 tháng 11 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Phạm Bá Hùng

Phạm Bá Hùng


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Thạc sĩ Vũ Văn Quang với cương
vị là nguời hướng dẫn đã giúp tận tình trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Em cũng xin được cảm ơn toàn thể các thầy cô trong bộ môn Điện nói riêng
và toàn thể các thầy cô trong trường Đại học Hải Phòng nói chung đã tận tình dạy
dỗ và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tác giả của các tài liệu tham khảo trong
đồ án này và sự góp ý của các thầy cô trong bộ môn cùng toàn thể các bạn sinh
viên trong suốt quá trình thực hiện đồ án.

Phạm Bá Hùng

Mục lục

MỤC LỤC
Lời cảm ơn................................................................................................................1
DANH SÁCH HÌNH VẼ.........................................................................................1
Danh sách hình vẽ....................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Lời mở đầu...............................................................................................................1
Hình 1.3. Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí......................................4
1.1.2. Xi lanh hai chiều..........................................................................................14
2.2.1. Van điều khiển trực tiếp bằng khí .............................................................15
Hình 2.6. Mặt cắt nguyên lý..................................................................................16
2.2.2. Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén..............................................18
2.2.3. Van điều khiển lưu lượng............................................................................21
2.2.4. Van một chiều..............................................................................................22
3.2.1. Cấu trúc chung.............................................................................................29
3.2.2. Nguyên lý làm việc của PLC.......................................................................32
Hình 3.4. Sơ đồ hình khối......................................................................................40
................................................................................................................................45
Hình 3.18. Giá trị đếm Counter............................................................................50
3.6.5. Phần mềm SYS WIN cho các PLC của OM RON....................................55
.................................................................................................................................66
Hình 4.2. Điều kiện chuyển tiếp............................................................................66
4.2.1. Xác định quy trình công nghệ.....................................................................68
4.2.2. Xác định đầu vào/ra....................................................................................69
4.2.3. Viết chương trình.........................................................................................69
4.2.4. Nạp chương trình vào bộ nhớ.....................................................................69
4.2.5. Chạy chương trình.......................................................................................69
.................................................................................................................................78
Hình 4.11. Mạch cấp nguồn..................................................................................78

Phạm Bá Hùng


Mục lục

KẾT LUẬN...........................................................................................................103
Kết luận.................................................................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................104
Tài liệu tham khảo...............................................................................................104

Phạm Bá Hùng


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Lời cảm ơn................................................................................................................1
DANH SÁCH HÌNH VẼ.........................................................................................1
Danh sách hình vẽ....................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
Lời mở đầu...............................................................................................................1
Hình 1.3. Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí......................................4
1.1.2. Xi lanh hai chiều..........................................................................................14
2.2.1. Van điều khiển trực tiếp bằng khí .............................................................15
Hình 2.6. Mặt cắt nguyên lý..................................................................................16
2.2.2. Van điều khiển trực tiếp bằng điện khí nén..............................................18
2.2.3. Van điều khiển lưu lượng............................................................................21
2.2.4. Van một chiều..............................................................................................22
3.2.1. Cấu trúc chung.............................................................................................29

3.2.2. Nguyên lý làm việc của PLC.......................................................................32
Hình 3.4. Sơ đồ hình khối......................................................................................40
................................................................................................................................45
Hình 3.18. Giá trị đếm Counter............................................................................50
3.6.5. Phần mềm SYS WIN cho các PLC của OM RON....................................55
.................................................................................................................................66
Hình 4.2. Điều kiện chuyển tiếp............................................................................66
4.2.1. Xác định quy trình công nghệ.....................................................................68
4.2.2. Xác định đầu vào/ra....................................................................................69
4.2.3. Viết chương trình.........................................................................................69
4.2.4. Nạp chương trình vào bộ nhớ.....................................................................69
4.2.5. Chạy chương trình.......................................................................................69
.................................................................................................................................78
Hình 4.11. Mạch cấp nguồn..................................................................................78

Phạm Bá Hùng


Danh sách hình vẽ

KẾT LUẬN...........................................................................................................103
Kết luận.................................................................................................................103
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................104
Tài liệu tham khảo...............................................................................................104

Phạm Bá Hùng


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá ngày nay, các hệ thống tự động
hoá phát triển mạnh mẽ cả về bề rộng và chiều sâu. Các hệ thống tự động hoá ứng
dụng trong thực tế sản xuất rất đa dạng và phong phú với nhiều mức độ khác nhau.
Trong đó các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng trong nhiều lĩnh vực
công nghệ và kỹ thuật vì nó các ưu điểm như đơn giản trong kết cấu, trong sử dụng
và cả trong điều khiển, độ tin cậy làm việc cao có độ an toàn cao đối với các môi
trường làm việc cháy nổ và có thề làm việc ở các môi trường khắc nhiệt (phóng xạ,
hoá chất...).
Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển khí nén có các nhược điểm như độ tác
động nhanh thấp, kích thước hệ thống lớn, gây tiếng ồn...
Một giải pháp để hạn chế các nhược điểm đó mà hiện nay thường sử dụng là
kết hợp các thiết bị khí nén với các thiết bị điện và sử dụng bộ điều khiển bằng
chương trình ( PLC ) để điều khiển sự hoạt động của hệ thống.
Với đề tài tốt nghiệp được giao là " Xây dựng một số mô hình mẫu sử

dụng PLC cho hệ thống điều khiển khí nén trong phòng thí nghiệm " để giúp
cho sinh viên hiểu biết thêm về vấn đề này. Nội dung đề tài bao gồm :
Chương 1 Tổng quan về kĩ thuật điều khiển khí nén.
Chương 2 Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị khí nén cơ bản
Chương 3 Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình PLC.
Chương 4 Xây dựng một số mô hình mẫu sử dụng PLC cho hệ thống điều khiển
khí nén trong phòng thí nghiệm.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo Khoa Điện Cơ đã
tận tình dạy dỗ em những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài tốt
nghiệp và đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn tất khóa học.
Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn Thạc sĩ Vũ Văn Quang đã
tận tình chỉ bảo, gợi ý, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ em hoàn
thành tốt đề tài này.

Phạm Bá Hùng

1


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
KHÍ NÉN
1.1. Khái niệm chung
Hệ thống điều khiển các hệ thống truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng
mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc. Các phương pháp cho
điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp hiện thực chúng rất đa dạng. Khi
thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thường được cho dưới
dạng các chu trình (biểu đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị quy ước biểu diễn sự phụ
thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành.
Các hệ truyền động tự động khí nén làm việc theo chu trình được chia theo
kiểu điều khiển thành ba nhóm.
1: Điều khiển theo vị trí.
2: Điều khiển theo thời gian.
3: Điều khiển theo áp suất.
Trong nhóm 1 các vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành được kiểm tra
bằng các cảm biến vị trí a0, a1.

a0

a1
h

X

X

Hình 1.1. Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí.

Phạm Bá Hùng

2


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

Từ các cảm biến vị trí a0 và a1 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp hành
được báo tới hệ điều khiển. Trên cơ sở đó, tạo lập các lệnh điều khiển X và X.
Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí thường là các van hành trình
3/2 thường ngắt (ở vị trí đầu cửa ra của van này với đường xả ) hoặc thường mở (ở
vị trí đầu cửa ra của van nối với áp suất nguồn ). Hệ điều khiển có thể còn bao gồm
các công tắc khí nén, công tắc khởi động h, các thiết bị giữ chậm, các phần tử
logic…
Số các cơ cấu chấp hành được điều khiển trong hệ thống có thể là 1,2,3…
hoặc hơn nữa. Để điều khiển các hệ có số cơ cấu chấp hành lớn có thể sử dụng các
thiết bị điều khiển dạng bước hoặc số.
Hệ điều khiển theo thời gian có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam.
ω
1

h0

Hình 1.2. Hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian.

Thời gian thực hiện một chu trình và đường phân các chu kỳ riêng biệt của
nó ở đây được xác định bởi profin của cam (1) và vận tốc quay của nó (ω). Thời
gian của từng bước hoặc cả chu trình làm việc có thể điều khiển bằng các rơle thời
gian.
Hệ điều khiển theo áp suất có thể coi như các biến thể của hệ điều khiển theo
vị trí. Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi cần pittông chuyển dịch
những khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thước của chi tiết được gia công hoặc
do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần pittông vươn
dài. Để điều khiển các van phân phối trong từng trường hợp này cần sử dụng các
van nối liên tục (hình 1.3 ).

Phạm Bá Hùng

3


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

1

3
2
5
4

Hình 1.3. Hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí
Nguyên lý làm việc của nó như sau :
Van 5 làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong các
khoang xi lanh 1. Khi nó làm việc có 1 xung áp suất tới van 2, chuyển nó về vị trí
ban đầu và vị trí đầu được kiểm tra bằng công tắc hành trình 3. Để pittông dịch

chuyển về phía trước ta khởi động 4.
Nhược điểm của cách điều khiển theo thời gian và cách điều khiển theo áp
suất là khi thay đổi tải đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi chuyển động của
cơ cấu chấp hành có thể xảy ra trước. Bởi vậy các hệ điều khiển theo vị trí trong đó
chuyển động của cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xác
định của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ truyền
động - tự động khí nén.
Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ để đưa tín hiệu tới đổi
vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt
các thông tin về đối tượng được gia công, dụng cụ, các vấn đề về an toàn lao
động...Ngoài ra hệ điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển
động của các cơ cấu chấp hành, sự can thiệp của người điều khiển tại từng công
đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác.

Phạm Bá Hùng

4


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

1.2. Giới thiệu về các hệ điều khiển logic
Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế, trong đó kể cả hệ truyền
động tự động khí nén, thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng. Hệ điều
khiển của các hệ thống này được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết điều khiển
logic (hay rơle).
X1
X2

Xm

Z1

Thiết bị
điều
khiển rơ
le

X1
X2

Z2

Z2

Zn

Hình 1.5. Sơ đồ hệ điều khiển đơn bước.

X1
X2
XM
y1
y2

Hệ điều
khiển
lôgic

Xm

Zn

Hình 1.4. Sơ đồ tổng quát.

Z1

Z1
Z2
Hệ điều
khiển
lôgic

ys

Zn
u1
u2
uq

Mạch
nhớ
lôgic
Hình 1.6. Sơ đồ hệ điều khiển đa bước.
Trên hình 1.4 là sơ đồ khối tổng quát của hệ điều khiển logic. Các tín hiệu
đầu vào: X1, X2...Xm và các tín hiệu đầu ra Z1, Z2…Zn đều là các tín hiệu nhị phân

Phạm Bá Hùng

5

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

( có hai giá trị 0 và 1 ) các phép tính thực hiện trên các tín hiệu này đều dựa trên
các quy tắc và tính chất của đại số logic. Giá trị đầu vào và giá trị đầu ra của thiết
bị điều khiển logic là tổ hợp tương ứng của tất cả các tín hiệu vào {Xm} và tín hiệu
ra {Zn} tại cùng một thời điểm xét.
Như vậy tại một thời điểm bất kỳ thiết bị điều khiển logic luôn luôn được
đặc trưng bởi những giá trị xác định các tín hiệu vào và tín hiệu ra. Nếu như ta
khảo sát làm việc của hệ điều khiển tại một dãy các thời điểm ta sẽ nhận thấy
tương ứng với một dãy các tín hiệu đầu vào {Xm} sẽ có một dãy các tín hiệu đầu
ra {Zn} xác định. Mối quan hệ giữa {Zn} và {Xm} được thể hiện bằng lời văn
hoặc bằng các công thức quy ước được gọi là các điều kiện làm việc của các hệ
điều khiển logic ( hay rơle).
Hệ điều khiển logic được gọi là đơn bước ( khi quan hệ {Zn}-{Xm} là quan
hệ đơn trị ) và đa bước (nếu quan hệ {Zn} và {Xm} là đa trị tức ứng với một giá trị
{Xm} có thể có nhiều giá trị của {Zn}.
Sơ đồ khối của các hệ điều khiển đơn bước và đa bước tương ứng được trình
bày trên hình 1.5 và 1.6. Như trên hình vẽ ta thấy trong hệ điều khiển đa bước
ngoài khối logic có như trong hệ đơn bước còn có khối điều khiển nhớ (Ys) tại
cùng một thời điểm sẽ xác định trạng thái bên trong của thiết bị điều khiển. Cũng
tại thời điểm xét tổ hợp toàn bộ các tín hiệu đầu vào {Xm} và trạng thái trong của
thiết bị điều khiển logic (Ys) sẽ là trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển. Như
vậy tại từng thời điểm ra luôn có mối quan hệ đơn trị giữa các tín hiệu đầu ra {Zn}
và trạng thái đầy đủ của hệ thống điều khiển: {Xm}; {Zn}. Ở đây ta thấy hệ đơn
bước chỉ là một trường hợp riêng của hệ đa bước. Khi (Ys) không hiện diện trong
hệ thống điều khiển.

1.3. Mô tả hoạt động của hệ truyền động khí nén bằng biểu đồ trạng thái

làm việc
Hệ truyền dẫn của máy và dây truyền tự động là một tập hợp của các hệ dẫn
động cơ sở mà từng hệ đó tương ứng với một bộ phận công tác xác định.
Phạm Bá Hùng

6


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

Hệ dẫn động cơ sở đặc trưng bởi các tín hiệu đầu vào (nhận từ hệ điều khiển
tới ) và các tín hiệu đầu ra xác định vị trí các bộ phận công tác.
Các tín hiệu ở đầu vào và đầu ra chỉ có thể nhận một trong hai tín hiệu quy
ước là 0 và 1 (0 ở áp suất khí quyển Pa ); (1 ở áp suất nguồn Pn ).
Một hệ cơ sở như vậy bao gồm:
- 1 cơ cấu chấp hành khí nén.
-1 van phân phôi khí nén.
-Các phần tử điều khiển.
Các máy và dây chuyền tự động thường cho phép thực hiện các chế độ hoạt
động như sau :
-Chế độ tự động.
-Chế độ bán tự động.
-Chế độ hiệu chỉnh.
Trong chế độ tự động sau khi khởi động chu trình làm việc của máy (được
định sẵn ) sẽ được thực hiện một cách tuần tự, nhắc lại liên tục. Máy chỉ dừng lại
khi có tín hiệu báo dừng.
Để mô tả hoạt động của từng hệ truyền động khí nén cơ sở và toàn bộ hệ dẫn
động nói chung người ta sử dụng một dạng đồ thị quy ước được gọi là biểu đồ
trạng thái làm việc.
Biểu đồ trạng thái làm việc cho phép mô tả trình tự thay đổi trạng thái và

chuyển động của các cơ cấu chấp hành…trong suốt cả thời gian chu trình làm việc
của nó.
Để thuận tiện cho việc mô tả này chu trình làm việc của hệ dẫn động khí nén
được chia thành nhiều khoảng được gọi là các bước trong đó diễn ra sự thay đổi
trạng thái hệ thống hoặc chuyển động của các cơ cấu chấp hành khí nén. Chuyển
động của các cơ cấu chấp hành khí nén trên biểu đồ được thể hiện bằng các đường
nghiêng, ví trí đứng yên (không chuyển động ) bằng các đường bằng (nằm ngang ).

Phạm Bá Hùng

7


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

Trạng thái tín hiệu điều khiển của các phần tử điều khiển (cảm biến vị trí,
phần tử phản hồi ) được thể hiện trong từng bước bằng hai mức:
1: có tín hiệu.
0: không có tín hiệu.
tương ứng với các đường bằng trên và đường bằng dưới. Trên biểu đồ còn
thể hiện trạng thái trong từng bước của từng tín hiệu điều khiển các van phân phối,
trị số hàm trạng thái và hàm cấu trúc của hệ thống.
Như vậy mỗi một bước trong biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động
khí nén được đặc trưng bởi những giá trị xác định của các tín hiệu ở đầu vào của
từng hệ truyền động cơ sở. Sự thay đổi (giá trị ) của các tín hiệu này đồng nghĩa
với sự chuyển trạng thái của hệ truyền động khí nén sang bước tiếp theo. Ranh giới
giữa các bước trên biểu đồ trạng thái làm việc được đánh dấu bằng các đường
thẳng đứng – phân cách các bước với nhau được gọi là các biên của các bước.Vậy
biên của các bước chính là thời điểm mà tại đó diễn ra sự thay đổi trạng thái của hệ
dẫn động khí nén, ví dụ: bắt đầu chuyển động của cơ cấu chấp hành, chuyển vận

tốc của chúng sang vận tốc khác, bắt đầu quá trình hãm…
Nếu như ở đây có nhiều hệ truyền động cơ sở đồng thời cùng làm việc thì ta
quy ước coi bắt đầu chuyển động của các cơ cấu chấp hành của chúng là đồng bộ
thuận lợi hơn cho việc xét hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Một đặc điểm cơ bản của biểu đồ trạng thái làm việc của hệ thống truyền
động khí nén là sự thực hiện tuần tự các bước của một cơ cấu chấp hành khí nén
bất kỳ trong hệ truyền động: chúng chỉ có thể bắt đầu khi các chuyển dịch có thể có
của toàn bộ hệ truyền động đã kết thúc tại bước trước đó. Điều này trong các hệ
truyền động khí nén được kiểm soát bởi các phần tử điều khiển kiểu công tắc hành
trình. Nếu như điều này không được kiểm soát trong hệ thống nhất thiết phải có
thêm các điều kiện phụ đảm bảo chắc chắn rằng các dịch chuyển đó đã kết thúc ở
thời điểm bắt đầu một bước tiếp theo của hệ truyền động khí nén. Đây là điều kiện
cần thiết để đảm bảo loại trừ các sự cố kỹ thuật và tai nạn có thể xảy ra.

Phạm Bá Hùng

8


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

a1

1

2

3

4

A
a0
b1
B
b0
A1
a0

B1

B0

a1

a1

A0
a1

st
b0

b0

b1

b0

Hình 1.7. Biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động tự động khí nén.

Trên hình 1.7 là ví dụ về biểu đồ trạng thái làm việc của hệ truyền động khí
nén của một máy tự động.
Việc thực hiện hoá các biểu đồ trạng thái làm việc như trên gắn liền với việc
kiểm tra tại từng thời điểm xác định (các bước ) các điều kiện bổ sung ta ký hiệu là
Pi (i= 1,2,3...).
Nếu điều kiện được thực hiện => Pi =1, còn nếu điều kiện làm việc không
được thực hiện => Pi = 0.
Phân biệt hai trường hợp:
1. Các điều kiện logic được kiểm tra tại thời điểm đầu mỗi bước – ta gọi là
các điều kiện logic cho phép làm việc. Nếu điều kiện này được thực hiện bước tiếp
theo sẽ diễn ra. Nếu điều kiện này không được thực hiện hệ truyền động khí nén sẽ
giữ nguyên trạng thái mà nó có trước đó.

Phạm Bá Hùng

9


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

2. Các điều kiện logic được kiểm tra tại các thời điểm trong mỗi bước ta gọi
là các điều kiện khẳng định làm việc, nếu điều kiện này được thực hiện hệ truyền
động giữ nguyên trạng thái có với các chuyển động của các cơ cấu chấp hành
tương ứng với hướng được quy định trong bước đang xét trên biểu đồ trạng thái
làm việc, nếu điều kiện logic khẳng định không được thực hiện chuyển động tiếp
tục của cơ cấu chấp hành bị cấm nó hoặc là phải dừng lại tại chỗ hoặc là phải quay
trở lại vị trí có tại thời điểm bắt đầu của bước được xét hoặc sẽ diễn ra sự thay đổi
trạng thái của toàn bộ hệ truyền động khí nén và hệ truyền động khí nén có thể bắt
đầu làm việc theo biểu đồ trạng thái biến đổi mới khác với biểu đồ ban đầu.

1.4. Cấu trúc của hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén làm
việc theo chu trình
A

A

Tõ c¶m biÕn
K§L
P1

K§L
Pn x1

xm
TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic
Z1

Zn

V10 V11

TR

Vs0 Vs1

Hình 1.8. Sơ đồ khối tổng quát.
.

P1

x1

Pn

xm

y1

ys
TR

HÖ ®iÒu khiÓn l«gic
U11

U10 Un1
TR
Z1

V10 V11

Un0

TR

Vs0 Vs1

TR
Zn

Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ điều khiển rút gọn.
Hệ thống bao gồm (hình 1.8 ): các hệ truyền động khí nén cơ sở phần chính của
hệ điều khiển là khối điều khiển logic đa bước với các đầu vào là: P 1, P2,…Pk; X1,
X2…Xm và các đầu ra: Z1, Z2…Zn, các bộ thiết bị giữ chậm và phần tử như dạng
Trigơ có các đầu vào riêng biệt: U10, U11…Us1 và các đầu ra: Y1, Y2…Ys - tổ hợp giá
Phạm Bá Hùng

10


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

trị của các tín hiệu trong (chúng sẽ xác định trạng thái trong của khối điều khiển logic
), X1, X2…Xm được đưa tới khối điều khiển logic từ các cảm biến vị trí, còn các tín
hiệu P1, P2…Pk từ các sở đồ kiểm tra đặc biệt gọi là các khối kiểm tra điều kiện
logic.Tại đầu của một bước bất kỳ trong chu trình làm việc, từng bộ phận công tác
(gắn với các hệ truyền động cơ sở ) sẽ đè lên công tắc hành trình tương ứng. Nói cách
khác vị trí của chúng được định bởi các công tắc hành trình đó.
Các tín hiệu vào tương ứng (X1, X2…Xm ) sẽ có những giá cụ thể xác định.
Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác nào đó tới vị trí
xác định mới sẽ có ít nhất một công tắc hành trình được giải phóng (không bị đè )
tức là có giá trị không xác định. Các tín hiệu chính ở đầu vào của bộ phận điều kiện
logic do vậy cũng có giá trị không xác định tuy nhiên ở trạng thái này bộ phận
công tác của hệ truyền động cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ nguyên chuyển động theo
hướng đã có cho đến tận cuối bước. Vì vậy khối điều khiển logic vẫn phải đảm bảo
các tín hiệu đầu ra với các giá trị không đổi đã có trước đó, tương ứng với đầu
bước chuyển động tức là tương ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu chính ở
đầu bước đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ điều
khiển logic.

Sơ đồ của hệ điều khiển logic có tính chất đặc điểm vừa nêu của hệ truyền
dẫn khí nén được trình bày trên hình 6b. Trên sơ đồ ta thấy trước các kênh đầu ra
(Z1, Z2…Zn ) có bố trí các mạch điều khiển (kiểu trigơ ) làm việc bởi các tín hiệu
từ khối điều khiển logic (U11, U10…Us1, Us0 ).
Cách xây dựng hệ điều khiển như vậy cho phép giảm được số phần tử dùng
trong khối điều khiển logic chính, đơn giản hoá được các mô tả điều kiện làm việc
và tổng hợp hệ điều khiển chung.

1.5. Tổng hợp hệ điều khiển các hệ truyền động - tự động khí nén theo
biểu đồ trạng thái làm việc
Theo điều kiện làm việc, các hệ điều khiển thường được chia làm hai nhóm:
- Đơn bước.
Phạm Bá Hùng

11


Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển khí nén

- Đa bước.
Các hệ đơn bước là các hệ mà trong đó tại bất cứ thời điểm nào tổ hợp giá trị
các tín hiệu đầu ra cũng được xác định đơn trị bằng tổ hợp các giá trị tín hiệu ở đầu
vào và hoàn toàn không phụ thuộc vào tổ hợp giá trị các tín hiệu đầu vào ở bước
trước đó. Tức là tín hiệu ra của các hệ đơn bước hoàn toàn được xác định bởi trạng
thái của các tín hiệu vào ở thời điểm xét. Đối với các hệ đa bước tổ hợp các tín
hiệu ra được xác định không chỉ bằng trạng thái đầu vào tại thời điểm xét mà còn
phụ thuộc vào cả tổ hợp giá trị các tín hiệu vào ở các bước trước đó.
Để tổng hợp hệ điều khiển đơn bước ta chỉ cần sử dụng các phần tử tự động
logic cơ bản, còn đối với các hệ đa bước ngoài ra chúng ta còn phải sử dụng cả các
loại phần tử nhớ phản hồi khác nhau nữa.

Trong các hệ điều khiển theo vị trí được kiểm soát bằng công tắc hành trình,
lệnh để thực hiện từng bước chuyển động chỉ được phát đi sau khi đã nhận được tín
hiệu của các cảm biến vị trí báo đã kết thúc bước chuyển động trước đó.
Hoạt động của các loại hệ vừa nêu có thể tả bằng biểu đồ trạng thái làm việc
và trên cơ sở đó có thể tiến hành tổng hợp sơ đồ nguyên lý điều khiển khí nén cho
toàn bộ hệ thống truyền động.
Việc tổng hợp các hệ điều khiển phụ thuộc vào loại phần tử tự động khí nén
được chọn vào kiểu van phân phối khí nén được dùng để điều khiển các hệ truyền
động. Trong trường hợp sử dụng các van phân phối điều khiển bằng khí nén một
phía cần phải tính đến rằng khi không có tín hiệu điều khiển van phân phối ở vị trí
làm việc ban đầu của mình. Bởi thế cùng một bài toán tổng hợp hệ điều khiển cho
một hệ truyền động với những yêu cầu và điều kiện làm việc cho trước ta thu được
một sơ đồ điều khiển logic nhưng lại có thể có nhiều sơ đồ nguyên lý khí nén khác
nhau cùng đáp ứng được các yêu cầu và điều kiện làm việc đã cho của hệ truyền
động - tự động khí nén.

Phạm Bá Hùng

12


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị khí nén cơ bản

Chương 2
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ
KHÍ NÉN CƠ BẢN
1.1. Các phần từ chấp hành
1.1.1. Xi lanh một chiều
a, Ký hiệu

Hình 2.1. Ký hiệu xi lanh 1 chiều.
b, Mặt cắt nguyên lý

Hình 2.2. Mặt cắt nguyên lý xi lanh 1 chiều.
c, Nguyên lý hoạt động
Với các xi lanh khí nén một chiều thì khí nén chỉ tác động lên bề mặt pittông
theo một phía nhất định. Phía còn lại được thông với không khí bên ngoài (qua lỗ
thông khí ).
Xi lanh chỉ có tác động điều khiển một chiều nhất định. Chiều chuyển động
ngược lại của pittông được thực hiện do lực đàn hồi của lò xo bên trong xi lanh
hoặc do một lực bên ngoài tác động.
Lực đàn hồi của lò xo tác động làm pittông trở lại vị trí ban đầu với một tốc
độ tương đối cao mà không cần một điều kiện nào.

Phạm Bá Hùng

13


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị khí nén cơ bản

Bình thường khi không có khí nén tác động (cổng nối với nguồn khí nén bị
khoá ) thì lực đàn hồi của lò xo sẽ đẩy pittông về một đầu của hành trình và pittông
sẽ giữ nguyên ở đầu hành trình đó.
Khi có khí nén tác động (cổng nối với nguồn khí nén thông ) thì do áp lực
của nguồn khí nén tác động lên bề mặt pittông sẽ thắng lực đàn hồi của lò xo làm
cho pittông bị đẩy ngược lại với hành trình ban đầu. Đến cuối hành trình pittông bị
giữ ở vị trí đó cho đến khi ta cắt nguồn khí (lúc đó chỉ còn lại lực đàn hồi của lò xo
đang bị nén ) lò xo sẽ đẩy pittông trở lại vị trí ban đầu. Hành trình sẽ lặp đi lặp lại
nếu ta liên tục đóng ngắt nguồn khí. Tuy nhiên hành trình của xi lanh 1 chiều bị

giới hạn bởi chiều dài tự nhiên của lò xo. Vì thế các xi lanh khí nén 1 chiều chỉ có
tác dụng trong chiều dài hành trình của nó tối đa là 80mm.
1.1.2. Xi lanh hai chiều
a, Ký hiệu

Hình 2.3. Kí hiệu xi lanh hai chiều.
b, Mặt cắt nguyên lý

Hình 2.4. Mặt cắt nguyên lí xi lanh 2 chiều.
c, Nguyên lý làm việc
Đối với xi lanh hai chiều thì cấu trúc cũng tương tự như xi lanh một chiều
nhưng nó không có lò xo mà nó lại có hai cổng khí. Hai cổng khí này thực hiện
chức năng như một cổng khí nguồn và một cổng khí xả. Hai cổng khí này có thể

Phạm Bá Hùng

14


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của một số thiết bị khí nén cơ bản

điều khiển thay đổi chức năng cho nhau một cách dễ dàng, linh hoạt tức là ta có thể
điều khiển cả hai chiều chuyển động của pittông một cách dễ dàng. Đó chính là ưu
điểm của nó so với xi lanh một chiều.
Khi cổng khí phải được nối với nguồn khí, còn cổng khí trái thông với van
xả thì pittông sẽ chuyển dịch sang phía trái.
Muốn pittông chuyển dịch theo hướng ngược lại (tức là từ trái sang phải ) ta
chỉ việc đảo chức năng hai cổng khí cho nhau tức là ta điều khiển cho cổng khí trái
được thông với nguồn khí nén còn cổng khí phải thông với van xả.
Trong trường hợp cả hai cổng khí đều được thông với nguồn khí nén hoặc cả

hai cổng khí đều thông với van xả thì pittông đều không chuyển động được vì lực
tác dụng lên nó cân bằng nhau.

2.2. Các phần tử điều khiển
2.2.1. Van điều khiển trực tiếp bằng khí
4 2
a, Kiểu 4/2
14
- Ký hiệu

12

1 3
Hình 2.5. Kí hiệu van kiểu 4/2.
- Mặt cắt nguyên lý

Phạm Bá Hùng

15