Nghiên cứu phương pháp tổng hợp các hệ truyền động tự động thủy khí công nghiệp điều khiển bằng PLC

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 5
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ
ĐỘNG THỦY KHÍ CÔNG NGHIỆP...................................................................... 8
1.1 Tổng quan về hệ truyền động tự động thủy khí cơng nghiệp .........................8
1.1.1 Định nghĩa ....................................................................................................8
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ truyền động thủy khí ...................................8
1.1.3 Sơ đồ khối của hệ truyền động khí nén .......................................................8
1.1.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động khí nén ...............................................9
1.1.5 Hệ truyền động khí nén cơ sở ....................................................................10
1.2 Các phƣơng pháp điều khiển các hệ truyền động khí nén ............................11
1.2.1 Điều khiển theo vị trí .................................................................................11
1.2.2 Điều khiển theo áp suất ..............................................................................13
1.2.3 Điều khiển theo thời gian ...........................................................................14
1.3 Hệ truyền động – tự động khí nén làm việc theo chu trình ...........................14
1.3.1 Định nghĩa ..................................................................................................14
1.3.2 Các chế độ làm việc của hệ truyền động-tự động khí nén làm việc theo chu
trình 15
1.4 Phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động – tự động thủy khí ..................16
1.4.1 Bài tốn phân tích hoạt động của hệ truyền động-tự động khí nén (bài tốn
nghịch) ................................................................................................................16
1.4.2 Bài tốn tổng hợp hệ truyền động-tự động khí nén (bài tốn thuận) .........16

1


CHƯƠNG 2 .................................................................................................................. 18
PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG .. 18

2.1 Phƣơng pháp ma trận trạng thái .......................................................................18
2.1.1 Phƣơng pháp biểu diễn hàm logic bằng bảng Karnaugh...........................18
2.1.2 Ứng dụng phƣơng pháp ma trận trạng thái tổng hợp hệ truyền động – tự
động 18
2.1.2.1 Sơ đồ công nghệ ................................................................................18
2.1.2.2 Xác định các biến điều khiển ............................................................19
2.1.2.3 Tổng hợp hàm điều khiển .................................................................20
2.2 Phƣơng pháp Grafcet .......................................................................................26
2.2.1 Định nghĩa .................................................................................................26
2.2.3 Ứng dụng Grafcet tổng hợp hệ truyền động – tự động thủy khí ...............30
2.2.3.1 Mơ tả công nghệ ................................................................................30
2.2.3.2 Thiết lập Grafcet 1 ...........................................................................31
2.2.3.3 Ký hiệu các thiết bị ..........................................................................32
2.2.3.4 Thiết lập Grafcet 2 ............................................................................33
2.2.3.5 Hàm điều khiển .................................................................................34
2.3 Phƣơng pháp biểu đồ trạng thái .......................................................................35
2.3.1 Định nghĩa .................................................................................................35
2.3.2 Phƣơng pháp xây dựng biểu đồ trạng thái.................................................35
2.3.3 Hàm điều khiển và hàm trọng trạng thái của hệ truyền động-tự động .....36
2.3.4 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của các hệ truyền động-tự động khí nén
39
2.3.5 Hệ truyền động-tự động khí nén điều khiển bằng điện .............................40

2


2.3.6 Ứng dụng phƣơng pháp biểu đồ trạng thái tổng hợp hệ thống truyền động
– tự động .............................................................................................................42
2.3.6.1 Chú thích các phần tử ........................................................................42

2.3.6.2 Xây dựng biểu đồ trạng thái hoạt động của hệ truyền động khí nén 43
2.3.6.3 Xây dựng sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động ......45
2.4 Lựa chọn phƣơng pháp cho các hệ truyền động thủy khí cơng nghiệp. ..........47
CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 49
ỨNG DỤNG BIỂU ĐỒ TRẠNG THÁI TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ
ĐỘNG THỦY KHÍ CƠNG NGHIỆP BẰNG PLC .............................................. 49
3.1 Bài tốn phân tích hoạt động của hệ thống truyền động – tự động khí nén và
xây dựng hệ thống điều khiển bằng PLC ..............................................................49
3.1.1 Phân tích hoạt động của hệ thống truyền động – tự động khí nén ............49
3.1.2 Xây dựng hệ điều khiển bằng PLC ...........................................................53
3.2 Bài toán tổng hợp hệ thống truyền động – tự động khí nén và xây dựng hệ
thống điều khiển bằng PLC ..................................................................................57
3.2.1 Xây dựng sơ đồ khí nén điều khiển bằng PLC..........................................58
3.2.2 Xây dựng biểu đồ trạng thái .....................................................................59
CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 66
TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN ................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 67
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 68

3


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Phạm Tất Thắng

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Sơ đồ khối của hệ truyền động khí nén cơng nghiệp. .................................9
Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động khí nén có một cơ cấu chấp hành. .10
Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí. ...............11
Hình 1. 4 Các loại hệ truyền động khí nén theo vị trí thƣờng gặp. ...........................12
Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo áp suất.............13
Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian..........14
Hình 2. 1 Bảng Karnaugh cho hàm 2 biến, 3 biến, 4 biến ........................................18
Hình 2. 2 Sơ đồ cơng nghệ máy khoan .....................................................................18
Hình 2. 3 Sơ đồ khí nén.............................................................................................19
Hình 2. 4 Bảng dịch chuyển thứ nhất ........................................................................21
Hình 2. 5 Bảng dịch chuyển thứ 2.............................................................................22
Hình 2. 6 Mã hóa biến trung gian .............................................................................22
Hình 2. 7 Ma trận hàm biến M ..................................................................................23
Hình 2. 8 Ma trận hàm biến N...................................................................................23
Hình 2. 9 Ma trận hàm biến X...................................................................................24
Hình 2. 10 Ma trận hàm biến L .................................................................................24
Hình 2. 11 Ma trận hàm biến P .................................................................................25
Hình 2. 12 Ma trận hàm biến T .................................................................................25
Hình 2. 13 Trạng thái biến Ej ....................................................................................26
Hình 2. 14 Chuyển trạng thái tj .................................................................................27
Hình 2. 15 Ký hiệu trong grafcet .............................................................................27
Hình 2. 16 Chuyển trạng thái trong grafcet ..............................................................28
Hình 2. 17 Ký hiệu phân nhánh ................................................................................29
Hình 2. 18 Bƣớc nhảy trong Grafcet .........................................................................30
Hình 2. 19 Sơ đồ khí nén...........................................................................................30

Hình 2. 20 Sơ đồ cơng nghệ máy khoan ...................................................................31
Hình 2. 21 Grafcet 1 của hệ thống ............................................................................32
Hình 2. 22 Grafcet 2 của hệ thống ............................................................................33

5


Hình 2. 23 Sơ đồ truyền động điều khiển theo vị trí ................................................36
Hình 2. 24 Biểu đồ trạng thái của hệ truyền động-tự động khí nén .........................37
Hình 2. 25 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động-tự động khí nén.40
Hình 2. 26 Xây dựng biểu đồ trạng thái và sơ đồ logic điều khiển của ....................41
Hình 2. 27 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động-tự động điều khiển bởi các bộ đếm
khí nén xây dựng trên các van phân phối 5/2, điều khiển hai phía bằng khí nén. ....42
Hình 2. 28 Biểu đồ trạng thái của hệ truyền động khí nén . ....................................44
Hình 2. 29 Sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động khí nén (dạng rút
gọn)............................................................................................................................46
Hình 2. 30 Sơ đồ logic điều khiển hệ truyền động-tự động khí nén điều khiển bằng
các bộ đếm khí nén (dạng đầy đủ). ...........................................................................47
Hình 3. 1 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động tự động khí nén ..............................49
Hình 3. 2 Biểu đồ trạng thái của hệ truyền động-tự động khí nén ............................50
Hình 3. 3 Sơ đồ logic điều khiển hệ truyền động-tự động khí nén ...........................53
Hình 3. 4 Sơ đồ khí nén điều khiển bằng PLC..........................................................54
Hình 3. 5 Sơ đồ đầu ra PLC ......................................................................................55
Hình 3. 6 Sơ đồ đầu vào ............................................................................................55
Hình 3. 7 Chƣơng trình PLC ....................................................................................56
Hình 3. 8 Máy khoan tự động ...................................................................................57
Hình 3. 9 Sơ đồ khí nén máy khoan tự động.............................................................58
Hình 3. 10 Biểu đồ trạng thái máy khoan .................................................................59
Hình 3. 11 Biểu đồ trạng thái máy khoan với biến phụ M........................................60
Hình 3. 12 Sơ đồ đầu vào ..........................................................................................62

Hình 3. 13 Sơ đồ đầu ra.............................................................................................62
Hình 3. 14 Chƣơng trình xác đinh giá trị biến phụ M...............................................63
Hình 3. 15 Chƣơng trình xác đinh giá trị tín hiệu V1 ...............................................63
Hình 3. 16 Chƣơng trình xác đinh giá trị tín hiệu V2 ...............................................63
Hình 3. 17 Chƣơng trình xác đinh giá trị tín hiệu V3 ...............................................64
Hình 3. 18 Chƣơng trình PLC hồn chỉnh ...............................................................65

6


MỞ ĐẦU
Các hệ thống truyền động khí nén hiện đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực công nghệ và kỹ thuật. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng dƣới dạng các hệ truyền
động kẹp giữ, vận chuyển, nâng hạ, phanh hãm, các cơ cấu tự động hóa, thiết bị đo
kiểm…
Khuynh hƣớng sử dụng kết hợp các hệ thống điện – điện tử và khí nén.. cho
phép mở rộng một cách đáng kể lĩnh vực ứng dụng các hệ truyền động khí nén, đặc
biệt là trong lĩnh vực tự động hóa các qui trình sản xuất cơng nghệ khác nhau.
Chính việc ứng dụng thành cơng và rộng rãi các hệ thống khí nén trong các
ngành kỹ thuật đã thúc đẩy việc xây dựng và phát triển mạnh mẽ các phƣơng pháp
khảo sát, nghiên cứu và tính tốn thiết kế các hệ thống này.
Để phân tích và xây dựng cấu trúc và tổng hợp hệ thống điều khiển có rất nhiều
phƣơng pháp. Việc tìm ra phƣơng pháp thích hợp với các hệ thống truyền động khí
nén là rất cần thiết.
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, phân tích và so sánh các phƣơng pháp
tổng hợp hệ thống điều khiển để tìm ra đƣợc một phƣơng pháp phù hợp nhất. Đƣa
ra các vị dụ ứng dụng sử dụng PLC để điều khiển các hệ truyền động thủy khí cơng
nghiệp.

7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN CÁC HỆ TRUYỀN
ĐỘNG TỰ ĐỘNG THỦY KHÍ CƠNG NGHIỆP
1.1 Tổng quan về hệ truyền động tự động thủy khí cơng nghiệp
1.1.1 Định nghĩa
Hệ truyền động khí nén – thủy lực là một tập hợp tất cả các máy móc, thiết bị,
phần tử, chi tiết và cụm chi tiết… đƣợc lắp nối với nhau theo một sơ đồ nhất định
(sơ đồ nguyên lý) nhằm đảm bảo các chuyển động định trƣớc của cơ cấu chấp hành
ở đầu ra nối với bộ phận công tác bên ngoài.
1.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ truyền động thủy khí
Một hệ truyền động thủy khí gồm 04 (bốn) thành phần cơ bản, bao gồm:
+ thiết bị nguồn (tạo ra nguồn khí nén với áp suất và lƣu lƣợng nhất định cấp vào hệ
thống đối với hệ truyền động khí nén hoặc bơm dầu với hệ truyền động thủy lực);
+ cơ cấu chấp hành là các động cơ khí nén hoặc thủy lực (thực hiện chuyển động
tịnh tiến hoặc chuyển động quay để thắng tải công nghệ bên ngoài;
+ các phần tử phân phối, điều khiển, điều chỉnh, bao gồm tất cả các loại van , khóa,
phần tử tự động, phần tử logic, phần tử thuật toán, bộ trễ…trong đó quan trọng nhất
là các van phân phối trực tiếp điều khiển hoạt động của các cơ cấu chấp hành ;
+ đƣờng ống và các thiết bị đƣờng ống (tức các thiết bị lắp trên đƣờng ống
nhằm mục đích tạo thuận tiện cho việc khai thác sử dụng hoặc phần nào góp phần
vào việc tăng chất lƣợng làm việc của hệ truyền động nhƣng không tham gia vào
việc tạo lập cũng nhƣ thay đổi nguyên lý hoạt động cơ bản của nó).
1.1.3 Sơ đồ khối của hệ truyền động khí nén
Theo những phân tích ở trên, sơ đồ khối của một hệ truyền động khí nén cơng
nghiệp có thể đƣợc biểu diễn nhƣ trên Hình 1.1

8

Hình 1. 1 Sơ đồ khối của hệ truyền động khí nén cơng nghiệp.
Trong sơ đồ khối ở trên thể hiện cả các đƣờng ống hút và xả khí nén.
Tuy nhiên, do chất lỏng công tác trong các hệ truyền động khí nén là khơng khí lấy
từ mơi trƣờng khí quyển vào, đƣợc nén dƣới một áp suất nhất định để sử dụng trong
hệ thống và khi xả ra lại xả thẳng vào khí quyển. Do vậy, trong các hệ truyền động
khí nén khơng cần các đƣờng ống xả (trong các sơ đồ cũng không cần thể hiện) và
trên thực tế ta có thể cho xả khí từ bất cứ điểm nào trong hệ thống ra ngồi khí
quyển.
Ngồi ra, trong cơng nghiệp, nguồn khí nén đƣợc cấp tập trung theo hệ thống
đƣờng ống tới các phân xƣởng và tới tận từng vị trí làm việc. Các thiết bị sử dụng
khí nén có thể nối vào các điểm chờ đƣợc bố trí sẵn; cịn máy nén khí và các bình
tích khí, các thiết bị của trạm nguồn khí nén thƣờng đƣợc đặt tại một khu vực riêng
biệt bên ngoài các phân xƣởng để giảm ồn và an toàn hơn cho các khu vực sản xuất.
Vì vậy, trong các sơ đồ các hệ truyền động khí nén cũng khơng cần thể hiện thiết bị
nguồn khí nén (máy nén khí) mà chỉ cần chỉ ra điểm đấu nối với nguồn khí nén cao
áp đƣợc cấp tới theo hệ thống lƣới khí nén (tƣơng tự hệ thống lƣới điện).
1.1.4 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động khí nén
Sơ đồ nguyên lý của một hệ truyền động khí nén là một sơ đồ thể hiện dƣới
dạng quy ƣớc cấu trúc (tức cấu tạo gồm các loại phần tử, thiết bị khí nén gì, số
lƣợng, chủng loại, cách lắp nối chúng) và nguyên lý hoạt động của hệ truyền động
mà nó mơ tả (xem ví dụ trên Hình 1.2).
Các ký hiệu quy ƣớc đƣợc sử dụng để xây dựng các sơ đồ nguyên lý khí nén là
các ký hiệu dạng đồ họa-hình vẽ (bảng ký hiệu quy ƣớc các phần tử, thiết bị khí nén
cơng nghiệp cho trong phần phụ lục).

9


Bằng sơ đồ ngun lý khí nén ta có thể phân tích đƣợc hoạt động của hệ truyền

động khí nén. Sơ đồ ngun lý khí nén cũng là một cơng cụ dùng để kiểm tra, sửa
chữa, hiệu chỉnh làm việc của hệ truyền động, đồng thời nó cũng cho phép ta thực
hiện các cơng việc tính tốn (tĩnh), thiết kế, xây dựng và lắp ráp một hệ truyền động
khí nén kỹ thuật cụ thể.

Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động khí nén có một cơ cấu chấp hành.
1.1.5 Hệ truyền động khí nén cơ sở
Hệ truyền động khí nén cơ sở là một hệ truyền động (khí nén) chỉ có 01(một)
cơ cấu chấp hành khí nén kiểu xy lanh- pít tơng tác động hai phía, hoạt động đƣợc
điều khiển bởi 01 (một) van phân phối khí nén- loại van 4/2 (4/3) hoặc van 5/2 (5/3)
điều khiển hai phía bằng khí nén; vị trí của pít tơng trong hành trình làm việc đƣợc
báo bởi 02 (hai) hoặc tối đa là 03 (ba) cơng tắc hành trình-sử dụng loại van 3/2
thƣờng ngắt, điều khiển cơ (dạng cam-con lăn).
Sử dụng khái niệm về hệ truyền động khí nén cơ sở ta có thể dễ dàng phân tích
hoạt động của một hệ truyền động khí nén phức tạp có nhiều cơ cấu chấp hành bằng
cách phân nó ra thành nhiều hệ truyền động cơ sở mà việc phân tích hoạt động của
từng hệ cơ sở nhƣ vậy lúc nào cũng có thể thực hiện đƣợc một cách dễ dàng.
Khái niệm về hệ truyền động khí nén cơ sở có thể mở rộng cho các hệ truyền
động khí nén điều khiển bằng điện; khi đó, trong hệ truyền động sử dụng các van

10


phân phối khí nén điều khiển bằng điện và các cơng tắc hành trình điện loại thƣờng
ngắt.
1.2 Các phƣơng pháp điều khiển các hệ truyền động khí nén
1.2.1 Điều khiển theo vị trí
Phƣơng pháp điều khiển hoạt động của hệ truyền động khí nén theo vị trí (hay
từ “điểm” đến “điểm”) đƣợc sử dụng khá rộng rãi khi ngƣời vận hành chỉ quan tâm
tới các vị trí đến của các cơ cấu chấp hành trong các hành trình làm việc của chúng.

Để hiện thực hóa phƣơng pháp điều khiển này, trong hệ truyền động sử dụng các
cơng tắc hành trình (hay cịn gọi là các cảm biến vị trí) để kiểm sốt và báo vị trí tới
của cơ cấu chấp hành khí nén trong các hành trình làm việc.
Các cơng tắc hành trình đƣợc sử dụng có thể là loại cơ-khí nén (các van phân
phối khí nén điều khiển cơ), các loại cơng tắc hành trình điện, điện dung,
từ,quang…tùy thuộc vào loại hệ truyền động khí nén đƣợc sử dụng.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là đơn giản, dễ sử dụng, tin cậy (đặc biệt cho
các hệ truyền động khí nén làm việc theo chu trình cơng nghệ xác định với nhiều
bƣớc công nghệ khác nhau mà mỗi bƣớc tiếp theo chỉ đƣợc phép bắt đầu khi mà
bƣớc trƣớc đó đã thực sự kết thúc.
Ví dụ về hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí sử dụng các cơng tắc
hành trình là các van phân phối khí nén 3/2 thƣờng ngắt, điều khiển cơ dạng cam
con lăn trình bày trên Hình 1.3.

Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo vị trí.

11


Hình 1. 4 Các loại hệ truyền động khí nén theo vị trí thƣờng gặp.

12


1.2.2 Điều khiển theo áp suất
Phƣơng pháp điều khiển hoạt động của các hệ truyền động khí nén theo áp suất
đƣợc sử dụng khi có những yêu cầu bắt buộc phải đảm bảo giá trị của áp suất làm
việc. Đây cũng chính là các điều kiện về an tồn và cơng nghệ cho hoạt động bình
thƣờng của hệ truyền động khí nén. Để hiện thực hóa phƣơng pháp điều khiển này,
trong hệ truyền động khí nén sử dụng các loại van điều chỉnh áp suất p để chỉnh đặt

các giá trị áp suất làm việc cần cho các cơ cấu chấp hành.

Hình 1. 5 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo áp suất.

Trong phƣơng pháp điều khiển theo áp suất này, cũng có thể sử dụng các van
điều chỉnh áp suất để tạo lập các tần số làm việc khác nhau (theo áp suất) của cơ cấu
chấp hành. Trong cả hai trƣờng hợp vừa nêu của phƣơng pháp điều khiển này, cần
lƣu ý, khi sử dụng các van điều chỉnh áp suất để đặt áp suất làm việc cho hệ thống
thì điều đó đồng nghĩa về việc làm xuất hiện một độ trễ (về thời gian) nhất định do
có hiện tƣợng tăng áp từ giá trị thấp hơn tới giá trị áp suất đặt.
Ngƣời ta cũng có thể sử dụng các rơ le áp suất hoặc các cơng tắc áp suất (cấp tín
hiệu điện ở đầu ra) trong phƣơng pháp điều khiển này với mục đích cảnh báo,
chuyển tiếp tín hiệu điều khiển hoặc ngắt hoạt động của hệ thống truyền động khí
nén.

13


1.2.3 Điều khiển theo thời gian
Phƣơng pháp điều khiển theo thời gian đƣợc sử dụng để điều khiển hoạt động
của các hệ truyền động khí nén khi có u cầu về việc giữ chậm trong các bƣớc
công nghệ hoạt động của chúng, ví dụ, để chỉnh phơi của máy dập trƣớc khi hoạt
động, để tạo thời gian cho tăng áp đủ để thắng tải công nghệ, để đảm bảo an toàn,
để tạo nhịp làm việc hoặc ngắt hoạt động của hệ thống…
Để hiện thực hóa phƣơng pháp điều khiển này, trong hệ truyền động khí nén sử
dụng các bộ trễ (hay các rơ le thời gian) khí nén cho phép điều khiển hoạt động của
hệ truyền động một cách linh hoạt hơn nhiều.
Ví dụ về hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian sử dụng bộ trễ khí
nén t trình bày trên Hình 1.6.

Hình 1. 6 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén điều khiển theo thời gian.

1.3 Hệ truyền động – tự động khí nén làm việc theo chu trình
1.3.1 Định nghĩa
Khái niệm về hệ truyền động-tự động (TĐ-TĐ) so với các hệ truyền động thông
thƣờng đƣợc hiểu nhƣ là một hệ truyền động mà sau khi ta khởi động nó sẽ tự động
hoạt động. Tuy nhiên, một hệ truyền động-tự động kỹ thuật cụ thể ln đƣợc tính

14


tốn thiết kế và xây dựng để có thể làm việc theo một chu trình cơng nghệ xác định
đƣợc định trƣớc, tuân thủ một cách nghiêm ngặt trình tự thực hiện các bƣớc cơng
nghệ có trong chu trình. Nói một cách khác, các hệ truyền động-tự động đó thực
chất là các hệ truyền động-tự động làm việc theo chu trình.
Từ những diễn giải trên, ta có thể định nghĩa hệ truyền động-tự động khí nén
làm việc theo chu trình nhƣ sau:
Hệ truyền động-tự động khí nén (TĐ-TĐ KN) làm việc theo chu trình là một hệ
truyền động- tự động mà sau khi ta khởi động nó sẽ tự động làm việc, thực hiện một
cách tuần tự, liên tuc, nhắc lại từng bƣớc công nghệ một,từ bƣớc đầu tiên cho tới
bƣớc cuối cùng của chu trình cơng nghệ đƣợc áp đặt và khi kết thúc bƣớc cuối thì
lại quay trở lại bƣớc đầu; hệ truyền động chỉ dừng hoạt động khi có tín hiệu báo
dừng hoặc khi có sự cố phá hủy hoạt động bình thƣờng của nó.
1.3.2 Các chế độ làm việc của hệ truyền động-tự động khí nén làm việc theo chu
trình
+ chế độ điều khiển bằng tay hoạt động của hệ truyền động cho phép điều
khiển độc lập, cục bộ đến từng hành trình làm việc của từng cơ cấu chấp hành; chế
độ này đƣợc sử dụng để sửa chữa, kiểm tra và hiệu chỉnh làm việc của từng cơ cấu
chấp hành của hệ truyền động;
+ chế độ bán tự động: ở chế độ điều khiển hoạt động này, sau khi đƣợc khởi động

hệ truyền động sẽ hoạt động, thực hiện hồn chỉnh một chu trình cơng nghệ đƣợc
áp đặt và sau khi kết thúc sẽ dừng lại ở trạng thái ban đầu để chờ lệnh điều khiển
tiếp theo; chế độ làm việc này đƣợc sử dụng để kiểm tra và hiệu chỉnh chu trình
cơng nghệ hoạt động của toàn hệ truyền động;
+ Chế độ tự động hoàn toàn: ở chế độ này, sau khi đƣợc khởi động hệ truyền
động-tự động sẽ tự động hoạt động, thực hiện một cách tuần tự, liên tục, nhắc lại
từng bƣớc công nghệ một, từ bƣớc đầu tiên cho đến bƣớc cuối cùng của chu trình
cơng nghệ đƣợc áp đặt và khi kết thúc bƣớc cuối lại quay trở lại thực hiện các bƣớc

15


từ đầu; chế độ làm việc này chính là chế độ chạy sản suất của các hệ truyền độngtự động khí nén kỹ thuật trong thực tế.
1.4 Phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động – tự động thủy khí
1.4.1 Bài tốn phân tích hoạt động của hệ truyền động-tự động khí nén (bài tốn
nghịch)
Dữ kiện cho của bài toán này là sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động khí nén đã
có với u cầu là phân tích hoạt động của nó kèm theo các nhận xét và kết luận cần
thiết. Các bƣớc chính để thực hiện bài tốn này nhƣ sau:
+ bƣớc 1: chú thích và giải thích chức năng của tồn bộ các phần tử có trong sơ
đồ cho;
+ bƣớc 2: Miêu tả mô tả hoạt động của hệ truyền động, viết các biểu thức xác
định hàm điều khiển, hàm trọng trạng thái và xác định trọng số cho từng bƣớc công
nghệ đồng thời kiểm tra điều kiện tƣờng minh trong chuyển động của các cơ cấu
chấp hành của hệ truyền động;
+ bƣớc 3: xây dựng sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động;
+ bƣớc 4: đƣa ra các nhận xét cần thiết về hệ truyền động khí nén cho.
*Nhận xét ta thấy, bài tốn phân tích hoạt động của một hệ truyền động-tự động khí
nén ln là một bài tốn đơn trị.
1.4.2 Bài tốn tổng hợp hệ truyền động-tự động khí nén (bài toán thuận)

Bài toán tổng hợp một hệ truyền động-tự động khí nén kỹ thuật (gồm cả phần
truyền động và phần điều khiển) là một bài toán thực tế đặt ra cho tất cả những
ngƣời làm thiết kế và công nghệ. Dữ kiện của bài toán này thƣờng đƣợc cho dƣới
dạng sau:
+ cho trƣớc các điều kiện làm việc và các yêu cầu công nghệ khác nhau mà hệ
truyền động khí nén phải đáp ứng;
+ cho trƣớc trình tự hoạt động của hệ thống thiết bị công nghệ mà trong đó chỉ
định sử dụng các hệ truyền động khí nén;
+ cho trƣớc các biểu thức quan hệ điều khiển, hoặc thậm chí là hàm điều khiển
hoạt động của hệ truyền động khí nén cần xây dựng;

16


+ cho trƣớc mô tả hoạt động của hệ truyền động khí nén cần xây dựng;
+ cho trƣớc sơ đồ logic điều khiển hoạt động của hệ truyền động khí nén cần
xây dựng…
Cách thức chung để tiến hành tổng hợp các hệ truyền động khí nén kỹ thuật là
phải phân tích kỹ các dữ kiện cho để có thể xác định chuẩn xác số cơ cấu chấp hành
, số các phần tử điều khiển cần có và số các tín hiệu điều khiển chính để điều khiển
hoạt động của hệ truyền động.
Trên cơ sở đó, trong mọi trƣờng hợp đều phải tiến hành xây dựng lại nguyên lý
hoạt động của hệ truyền động khí nén cần và kiểm tra, đối chiếu với các yêu cầu về
công nghệ và điều kiện làm việc cho trƣớc.
Sau khi có xác định đƣợc hàm logic điều khiển, lựa chọn và chỉ định các phần
tử khí nén của hệ truyền động và xây dựng sơ đồ nguyên lý (khí nén) và sơ đồ logic
điều khiển của hệ truyền động rồi tiến hành kiểm tra hoạt động của nó, đồng thời
hiệu chỉnh lại các sai sót hoặc khiếm khuyết trong các sơ đồ. Việc còn lại chỉ là lắp
nối các phần tử khí nén theo sơ đồ ngun lý có để xây dựng hồn chỉnh hệ truyền
động khí nén cần.

*Từ những dẫn giải và phân tích ở trên, có thể thấy , bài tốn tổng hợp hệ
truyền động khí nén ln là một bài tốn đa trị, có thể có nhiều lời giải kỹ thuật
khác nhau tùy thuộc vào sự sáng tạo của ngƣời thiết kế. Thơng thƣờng, hệ truyền
động khí nén đƣợc chọn sẽ là hệ truyền động có số phần tử sử dụng là ít nhất, có độ
tin cậy làm việc cao nhất và đáp ứng tốt nhất các tiêu chí riêng của ngƣời đặt hàng
và sử dụng nó trong thực tế.
Để tổng hợp hệ thống truyền động – tự động thủy khí, ta thƣờng dùng các
phƣơng pháp sau:
+ Phƣơng pháp ma trận trạng thái
+ Phƣơng pháp hàm tác động
+ Phƣơng pháp phân tầng
+ Phƣơng pháp Grafcet
+ Phƣơng pháp biểu đồ trạng thái

17


CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG
2.1 Phƣơng pháp ma trận trạng thái
2.1.1 Phƣơng pháp biểu diễn hàm logic bằng bảng Karnaugh
Nguyên tắc xây dựng bảng Karnaugh là:
+ Để biểu diễn một hàm logic n biến, cần thành lập một bảng 2n ô; mỗi ô tƣơng
ứng với một tổ hợp biến. Đánh số thứ tự của các ô trong bảng tƣơng ứng với giá trị
của tổ hợp biến.
+ Các ô cạnh nhau hoặc đối xứng nhau chỉ cho phép khác nhau về giá trị của
một biến.
+ Trong các ô ghi giá trị hàm tƣơng ứng với giá trị của tổ hợp biến đó.

Hình 2. 1 Bảng Karnaugh cho hàm 2 biến, 3 biến, 4 biến

2.1.2 Ứng dụng phƣơng pháp ma trận trạng thái tổng hợp hệ truyền động – tự động
2.1.2.1 Sơ đồ công nghệ
Một máy khoan lỗ, cơ cấu truyền động bằng các xy lanh khí nén có sơ đồ cơng
nghệ nhƣ sau:

Hình 2. 2 Sơ đồ công nghệ máy khoan

18


Hình 2. 3 Sơ đồ khí nén

+Cơ cấu B là xy lanh thực hiện đƣa vật cần khoan vào vị trí .Bộ phận để nhận
biết tín hiệu khi cơ cấu B đi về hai đầu của hành trình là cảm biến vị trí b0, b1, c và
d.
+Cảm biến áp suất là thiết bị nhận biết áp suất và cho ra tín hiệu điều khiển khi
áp suất trong nó đặt đến một giá trị đặt cho trƣớc.
+Cơ cấu A bao gồm hệ thống chuyển động của mũi khoan thực hiện đƣa mũi
khoan đi lên, đi xuống để khoan vật và đƣợc điều khiển bởi hai cơng tắc hành trình
ở hai đầu hành trình chuyển động của mũi khoan
2.1.2.2 Xác định các biến điều khiển
Từ cơng nghệ cấn thiết kế ta có:
Các biến đầu vào:a0,a1, b0, b1, c, d
Các biến đầu ra: X, L , P , T
Các trạng thái có thể có:
1+ Trạng thái ban đầu khi chƣa bật cơng tắc khởi động
2+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại đầu hành trình vị trí I
3+ Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ vị trí I đến vị trí II
4+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải tại vị trí II

5+ Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dƣới tại vị trí II
6+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí II

19


7+ Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm II
8+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi lên tại vị trí II
9+ Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ điểm II sang điểm III
10+ Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải ở điểm III
11+ Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dƣới tại vị trí III
12+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí III
13+Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm III
14+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi lên tại vị trí III
15+Trạng thái máy khoan chuyển động sang phải từ điểm III sang điểm IV
16+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình sang phải ở điểm IV
17+Trạng thái máy khoan chuyển động xuống dƣới tại vị trí IV
18+Trạng thái máy khoan đứng yên tại cuối hành trình đi xuống tại vị trí IV
19+Trạng thái máy khoan đi lên tại điểm IV
20+Trạng thái máy khoan đứng n tại cuối hành trình đi lên tại vị trí IV
21+Trạng thái máy khoan chuyển động sang trái
Ta thấy:
Số biến vào là: 6
Số biến ra là:4
Số trạng thái có thể có là:21
Vậy ma trận trạng thái có:
Số hàng=1+21=22 hàng
Số cột=1+26+4=69 cột
Vì số hàng và số cột q lớn rất khó có thể tổng hợp đƣợc nên ta có thế thay thế
nhƣ sau:

Ta đặt:




a=a1; a  a 0 ; b=b1; b  b0

;

2.1.2.3 Tổng hợp hàm điều khiển
+ Xây dựng graph trạng thái:

20


BiÕn vµo
BiÕn ra

=

abcd
XLPT

0000 0010 1000 0000 0001 1000 0000 0100 1000 0000
0010 1000 0100 0010 1000 0100 0010 1000 0100 0001
10
2
4
9
7

1
3
5
6
8

+ Bảng dịch chuyển thứ nhất
Bảng bao gồm các cột: Tín hiệu vào 24=16, tín hiệu ra =4. Vậy bảng có số
cột là: 16+4+1=21 cột. Và có 9 trạng thái nên có 9+1=10 hàng

Hình 2. 4 Bảng dịch chuyển thứ nhất

21


+ Nhập hàng:
Ta thấy các hàng (1,2,9,10), (3,4,5) và (6,7,8) có thể nhập lại với nhau vì chúng
thỗ mãn điều kiện nhập hàng là số trạng thái trong cột cùng tên và giống nhau và ta
có thể gán cho các ô bỏ trống các giá trị bất kỳ sao cho nó dễ dàng cho việc nhập
hàng với nhau. Sau khi nhập hàng ta thu đƣợc bảng chuyển dịch trạng thái thứ hai
nhƣ sau:

Hình 2. 5 Bảng dịch chuyển thứ 2
+ Mã hóa biến trung gian:
Số trạng thái của bảng chuyển dịch thứ hai là 3 hay N=3 nên ta chọn số biến
trung gian là s sao cho 2S>=N vậy s=2 ta chọn hai biến trung gian là M và N. Quan
hệ giữa chúng với nhau thể hiện trên hình vẽ sau:

Hình 2. 6 Mã hóa biến trung gian

22


+ Lập ma trận biến Karnaugh cho biến trung gian
-

Hàm của biến M:

Hình 2. 7 Ma trận hàm biến M

Ta thấy f(M) có giá trị =1 tại các trạng thái (3), (4), (5) bằng phƣơng pháp bìa
Karnaugh ta tính đƣợc:


F(M)= a M
-

+ac

Hàm biến N

Hình 2. 8 Ma trận hàm biến N

23


Ta thấy f(N) có giá trị =1 tại các trạng thái (6), (7), (8) bằng phƣơng pháp bìa
Karnaugh ta tính đƣợc:




F(N)= a N  a b d
+ Lập ma trận biến Karnaugh cho biến đầu ra
- Hàm biến X

Hình 2. 9 Ma trận hàm biến X

Ta thấy f(X) có giá trị =1 tại các trạng thái (1), (4), (7) bằng phƣơng pháp bìa
Karnaugh ta tính đƣợc:






 



F(X)= a bN  a c M  a b d N
-

Hàm của biến L:

Hình 2. 10 Ma trận hàm biến L

24

Ta thấy f(L) có giá trị =1 tại các trạng thái (1), (4), (7) bằng phƣơng pháp bìa
Karnaugh ta tính đƣợc:
F(L)=a
-

Hàm của biến P:

Hình 2. 11 Ma trận hàm biến P

Ta thấy f(P) có giá trị =1 tại các trạng thái (3), (6) bằng phƣơng pháp bìa
Karnaugh ta tính đƣợc:
  

 



F(P)= b c d  a b N  a cM
-

Hàm của biến T:

Hình 2. 12 Ma trận hàm biến T

25