THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HÀNH KỸ THUẬTTHỦY 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 lịng biết ơn sâu sắc tới các thầy cơ giáo trong khoa
Điện Cơ Điện Tử - Trường Đại học Dân Lập Phương Đơng. Các thầy cơ đã ln
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 tơi 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 khơng
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 ĐƠNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
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 tốn
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
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: …………………………………………………

STT

NGÀY

NỘI DUNG CÔNG VIỆC

%
CÔNG
VIỆC

Mã số:…………………

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, tơi chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ 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 mơ hình thực hành kỹ thuật

thủy khí ứng dụng điều khiển bằng PLC” là cần nắm vững, hiểu rõ cách thức
điều khiển và ngơn 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 mơ hình thực hành điều khiển thủy khí, xây dựng chương trình điều khiển
hoạt động của mơ hình phục vụ cho q trình giảng dạy và học tập.
3.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Xây dựng mơ 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, cơng 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 Ngơn ngữ lập trình
PLC.

- Tìm hiểu về PLC của Mitsubishi, đấu nối phần cứng và cách thức lập

trình.
- Tìm hiểu và tính tốn xây dựng mơ 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, cơng 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 mơ hình.
- Lập trình và mơ phỏng trên máy tính.
- Kiểm tra và chạy thử mơ 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
1.1.1. 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 dịng tín hiệu,
bắt đầu từ phần tín hiệu đầu vào cho tới phần chấp hành đầu ra.
1.1.2. Lịch sử phát triển hệ thống khí nén


Ứng dụng khí nén đã có từ trước Cơng ngun. Năm 40 trước Công nguyên,
nhà triết học người Hy Lạp Ktesibios và học trị của ơng 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 cơng có sự trợ giúp của các
thiết bị khí nén cơng 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 trị sử dụng năng lượng
khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên sử dụng năng lượng khí nén vẫn đóng một vai trị
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.
1.1.3. Những đặc trưng của khí nén
1.1.3.1. Những đặc trưng cơ bản

Về số lượng: có sẵn ở khắp mọi nơi nên có thể sử dụng với số lượng vơ 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 thốt ra ngồi mơi trường sau khi đã thực hiện xong công
tác.


Về lưu trữ: máy nén khí khơng 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 phịng chống cháy nổ: khơng một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên
khơng mất chi phí cho việc phịng cháy. Khơng khí nén thường hoạt động với áp
suất khoảng 6 bar nên việc phịng nổ khơng q 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 dịng 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 cơng tác bằng khí
nén được điều chỉnh một cách vơ cấp.
1.1.3.2. Ưu nhược điểm của hệ thống khí nén

a. Ưu điểm

- Hầu hết các nhà máy cơng 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 mơi trường khơng 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.
- Khơng u 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 mơi 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 q 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.

1.2.

- Lực truyền tải trọng thấp.
- Dịng khí nén thốt ra ở đường dẫn gây tiếng ồn.

- Khơng điều khiển được quá trình trung gian giữa hai ngưỡng.
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.


Hình 1.5. Sơ đồ 1 hệ thống khí nén
1.3. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA KHÍ NÉN
1.3.1. 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 q 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 mơi trường tốt và an tồn cao. Ngồi 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 lị hơi, thiết bị mạ điện, đóng

gói bao bì và trong cơng nghiệp hóa chất.
1.3.2. 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 cơng trình xây dựng, như xây
dựng hầm mỏ, đường hầm….
Truyền động quay: Những dụng cụ vặn vít từ M4 đến M300; máy khoan,
cơng suất khoảng 3.5KW; máy mài công suất khoảng 2.5KW, cũng như những
máy mài với cơng suất nhỏ, nhưng với số vịng quay cao 100.000 vịng/ 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