THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HÀNH KỸ THUẬT THỦY KHÍ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP PHƯƠNG ĐÔNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HÀNH KỸ THUẬT
THỦY KHÍ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC

Giáo viên hướng dẫn:

Ths. Trần Quý Cao

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trường Giang 513122007

Hà Nội – 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy Trần Quý Cao. Thầy đã
tận tình giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm khóa luận vừa qua.
Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa
Điện Cơ Điện Tử - Trường Đại học Dân Lập Phương Đông. Các thầy cô đã luôn
nhiệt tình dạy dỗ và tạo điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong
suốt những năm học đại học.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình những người luôn ở bên động
viên và tạo điều kiện cho em thực hiện tốt khóa luận này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp
513, đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này.

Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm nên chắc chắn đồ án này không
thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong được sự góp ý và hướng
dẫn thêm từ các thầy cô.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày………tháng………năm 2017
SINH VIÊN

Nguyễn Trường Giang
TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG ĐÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
1. Đầu đề thiết kế
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
2. Các số liệu ban đầu
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ, kích thước bản vẽ)
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………


5. Cán bộ hướng dẫn
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
6. Ngày được giao:…………………………………………………………………
7. Ngày hoàn thành:………………………………………………………………
Hà Nội, ngày………tháng………năm 2017
CHỦ NHIỆM KHOA

(ký và ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
đã hoàn thành và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa
(ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG ĐÔNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: …………………………………………………

Mã số:…………………


STT

NGÀY

NỘI DUNG CÔNG VIỆC

%
CÔNG
VIỆC

GVHD
(ký)

KIỂM
TRA

1
2
3
4
5
Sau 4 lần kiểm tra tiến độ, khoa Điện – Cơ điện tử và Giáo viên hướng dẫn
đồng ý cho phép:
sinh viên:………………………………………………… mã số:…………………
được trình bày đồ án tốt nghiệp trước Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp.
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ
Chủ nhiệm khoa

Giáo viên hướng dẫn

Ghi chú: Sinh viên chỉ được bảo vệ ĐATN sau khi đã có đầy đủ chữ ký của Giáo
viên kiểm tra tiến độ, Giáo viên hướng dẫn và Ban chủ nhiệm Khoa.


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày…………tháng…………năm 2017
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………


……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày…………tháng…………năm 2017
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế, khoa học
và công nghệ đang dần khẳng định được tầm quan trọng của chúng trong sự phát
triển chung. Sinh viên hiện nay để có thế nắm bắt và ứng dụng được những


thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến thì ngay từ trên giảng đường đại học cần

tích lũy thật nhiều kiến thức trên lý thuyết và thực tế thông qua sách vở và thực
hành. Nhằm nâng cao khả năng thực hành thực tế cho sinh viên về điều khiển hệ
thống khí nén và điều khiển PLC, tôi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình
thực hành kỹ thuật thủy khí ứng dụng điều khiển bằng PLC” để hiểu hơn về
điều khiển thủy khí và PLC.
2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu đặt ra với đề tài “Thiết kế, chế tạo mô hình thực hành kỹ
thuật thủy khí ứng dụng điều khiển bằng PLC” là cần nắm vững, hiểu rõ
cách thức điều khiển và ngôn ngữ lập trình PLC. Cùng với đó là hiểu rõ được
phương thức hoạt động của hệ thống điều khiển thủy khí và các ứng dụng liên
quan. Từ đó xây dựng mô hình thực hành điều khiển thủy khí, xây dựng chương
trình điều khiển hoạt động của mô hình phục vụ cho quá trình giảng dạy và học
tập.

3.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Xây dựng mô hình thực hành điều khiển khí nén bằng PLC.
- Điều khiển hoạt động của xy lanh thông qua PLC FX1S – 14MR của Mitsubishi.
- Điều khiển bằng phần mềm GX developer, nút bấm, công tắc hành trình và cảm
biến.
- Giao tiếp giữa PLC FX1S – 14MR và phần mềm GX developer.
4.

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu những kiến thức chung về Kỹ thuật thủy khí và Ngôn ngữ lập
trình PLC.

- Tìm hiểu về PLC của Mitsubishi, đấu nối phần cứng và cách thức lập trình.
- Tìm hiểu và tính toán xây dựng mô hình.
5.

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- PLC FX1S – 14MR của Mitsubishi.
- Chương trình điều khiển bằng phần mềm GX developer.


- Thiết lập giao tiếp giữa PLC FX1S – 14MR và GX developer.
- Các loại thiết bị thủy khí.
- Các loại nút bấm, công tắc hành trình và cảm biến.
6.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tham khảo, tra cứu thông tin từ các tài liệu khoa học.
- Sử dụng bộ điều khiển PLC của Mitsubishi, các lại nút bấm, cảm biến, công tắc
hành trình.
- Làm mô hình.
- Lập trình và mô phỏng trên máy tính.
- Kiểm tra và chạy thử mô hình.


PHẦN II: NỘI DUNG ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
1

1

KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
Khái niệm về hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén là hệ thống mà trong đó các thiết bị hoạt động nhờ sự
tác động của khí nén. Bằng việc nén khí, năng lượng khí được tích lũy để cung
cấp cho các hệ thống khí.
Hệ thống khí nén bao gồm các mối liên kết giữa các nhóm phần tử như sơ
đồ sau:

Hình 1.1 Hệ thống khí nén
Các nhóm phần tử này hình thành nên đường điều khiển cho dòng tín
hiệu, bắt đầu từ phần tín hiệu đầu vào cho tới phần chấp hành đầu ra.
2

Lịch sử phát triển hệ thống khí nén
Ứng dụng khí nén đã có từ trước Công nguyên. Năm 40 trước Công
nguyên, nhà triết học người Hy Lạp Ktesibios và học trò của ông đã chế tạo ra
thiết bị bắn tên hay ném đá sử dụng năng lượng khí nén.


Đến thế kỷ XVII, nhà kỹ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike (1602 –
1686), nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal (1623 – 1662), cũng
như nhà vật lý người Pháp Denis Papin (1647 – 1712) đã xây dựng nên nền tảng
cơ bản ứng dụng khí nén.
Trong thế kỷ XIX các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần
lượt được phát minh, như thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), phanh
bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861). Trong lĩnh vực xây
dựng, đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thụy Sĩ (1857) được thi công có sự trợ
giúp của các thiết bị khí nén công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ XIX

xuất hiện ở Paris một trung tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất lớn
7350KW.
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng
lượng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng một
vai trò cốt yếu ở những lĩnh vực mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm.
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lượng bằng khí nén
trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ, với nhiều dụng cụ, thiết bị phẩn tử
khí nén được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
3

Những đặc trưng của khí nén

1

Những đặc trưng cơ bản
Về số lượng: có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vô
hạn.
Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đường ống,
với một khoảng cách nhất định. Các đường ống dẫn về không cần thiết vì khí
nén sau khi sử dụng sẽ được cho thoát ra ngoài môi trường sau khi đã thực hiện
xong công tác.
Về lưu trữ: máy nén khí không nhất thiết phải sử dụng liên tục. Khí nén
có thể được lưu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết.
Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ.


Về phòng chống cháy nổ: không một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén,
nên không mất chi phí cho việc phòng cháy. Không khí nén thường hoạt động
với áp suất khoảng 6 bar nên việc phòng nổ không quá phức tạp.
Về tính vệ sinh: khí nén được sử dụng trong các thiết bị đều được lọc các

bụi bẩn, tạp chất hay nước nên thường sạch, không một nguy cơ nào về phần vệ
sinh. Tính chất này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt như:
thực phẩm, vải sợi, lâm sản và thuộc da.
Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị tự động khác.
Về vận tốc: khí nén là một dòng chảy có lưu tốc lớn cho phép đạt được
tốc độ cao (vận tốc làm việc trong các xy-lanh thường 1-2 m/s).
Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị công tác bằng khí
nén được điều chỉnh một cách vô cấp.
Ưu nhược điểm của hệ thống khí nén

2

a Ưu điểm
- Hầu hết các nhà máy công nghiệp đều có sẵn các nguồn khí và được phân bố
đều trong nhà máy.
- Chất khí sau khi sử dụng thải trực tiếp ra môi trường không cần thiết bị thu hồi.
- Tính đồng nhất năng lượng giữa các phần 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 cao ít trục trặc kỹ thuật, tuổi thọ lớn.
Tính động 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 đảm bảo

môi trường sạch sẽ vệ sinh.
- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt cơ 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 nên truyền động có thể đạt được vận
tốc rất cao.
b Nhược điểm
- Khí điều khiển phải qua quá trình xử lý phức tạp.
- Thời gian đáp ứng chậm so với điển tử.


- Khả năng lập trình kém, 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.
- 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 hai ngưỡng.
2
CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN

-

Hình 1.4. Các phần tử trong hệ thống điều khiển khí nén
Một hệ thống khí nén cơ bản bao gồm các thành phần sau:
Nguồn cung cấp năng lượng.
Các tín hiệu vào (cảm biến)
Các phần tử xử lý tín hiệu (các bộ xử lý bằng khí nén)
Các phần tử điều khiển.
Các phẩn tử công suất (các cơ cấu chấp hành).
Các phần tử trong hệ thống được thể hiện bằng các ký hiệu miêu tả chức
năng của phần tử đó.


3
1

Hình 1.5. Sơ đồ 1 hệ thống khí nén
KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN
Trong lĩnh vực điều khiển
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ
XX là thời gian phát triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hóa quá trình sản
xuất. Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén phát triển mạnh mẽ và đa dạng trong
nhiều lĩnh vực. Chỉ riêng ở Đức đã có hơn 60 hãng chuyên sản xuất các phần tử
điều khiển bằng khí nén như Festo, Herion, Bosch…
Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở
đó nguy hiểm, hay sảy ra sự cố cháy nổ hoặc được sử dụng trong việc sản xuất
các thiết bị điện tử vì điều kiện vệ sinh môi trường tốt và an toàn cao. Ngoài ra
hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các day chuyền rửa tự
động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lò hơi, thiết bị mạ

2

điện, đóng gói bao bì và trong công nghiệp hóa chất.
Hệ thống truyền động


Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực
khai thác, như khai thác đá, khai thác than; trong các công trình xây dựng, như
xây dựng hầm mỏ, đường hầm….
Truyền động quay: Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan,
công suất khoảng 3.5KW; máy mài công suất khoảng 2.5KW, cũng như những
máy mài với công suất nhỏ, nhưng với số vòng quay cao 100.000 vòng/ phút thì
khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là phù hợp.
Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động bằng khí nén cho truyền động
thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các

loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị làm lạnh, cũng như trong hệ thống phanh
hãm oto.
Trong các hệ thống đo và kiểm tra: Dùng trong các thiết bị đo và kiểm tra
chất lượng sản phẩm.

Hình 1.5. Máy hàn điểm

Hình 1.6. Máy khoan